第三章 水轮发电机运行与维护
第一节 发电机概述
一、发电机类型
按照水电站水轮发电机组布置方式的不同，水轮发电机可分为立式（转轴与地面垂直）与卧式（转轴与地面平行）两种，如图3-1和图3-2所示。
图3-1 立式布置的水轮发电机
1—永磁发电机；2—副励磁机；3—主励磁机；4—发电机
图3-2 卧式布置的水轮发电机
1—发电机；2—主励磁机；3—副励磁机；4—永磁发电机
立式主要应用于大、中容量的水轮发电机。卧式一般多用于小容量水轮发电机和高速冲击式或低速贯流式水轮发电机。
立式水轮发电机，根据推力轴承位置又分为悬式和伞式两种。
悬式水轮发电机特点是推力轴承位于转子上面的上机架内或上机架上，如图3-3所示。它把整个转动部分悬挂起来，轴向推力通过定子机座传至基础。悬式结构适用于转速较高机组（一般在150r/min以上）。它的优点是：由于转子重心在推力轴承下面，机组运行的稳定性较好。因推力轴承在发电机层，因此安排维护等都较方便。悬式水轮发电机的缺点是：推力轴承承受机组转动部分的重量及全部水压力，由于定子机座直径较大，上机架势必增高以便保持一定的强度与刚度，这样，定子机座和上机架所用的钢材增加；另一方面是机组轴向长度增加，机组和厂房高度也需要相应增加。在悬式水轮发电机中，一般选用两个导轴承，如图3-3（a）、（b）所示，其中一个装在上机架内，称为上导轴承；另一个装在下机架内，称为下导轴承。如运行稳定性许可，悬式也可取消下导轴承，如图3-3（c）所示。
伞式水轮发电机结构特点是推力轴承位于转子下方，布置在下机架内或水轮机顶盖上，如图3-4所示。轴向推力通过下机架或顶盖传至基础。它的优点是结构紧凑，能充分利用水轮机和发电机之间的有效空间，使机组和厂房高度相应降低。由于推力轴承位于承重的下机架上，且下机架所在机坑直径较小，在满足所需的强度和刚度情况下，下机架不必设计得很高，相应就减轻了机组重量，降低了造价。伞式水轮发电机的缺点是：由于转子重心在推力轴承上方，使机组运行的稳定性降低，所以只能用于较低转速（一般在150r/min以下），另外因机组高度降低使推力轴承的安装、维护等都变得困难。伞式水轮发电机根据轴承布置不同，又分为普通伞式、半伞式和全伞式三种。普通伞式具有上、下导轴承，如图3-4（a）所示；半伞式只有上导轴承而没有下导轴承，如图3-4（c）所示；全伞式只有下导轴承（布置在推力油槽内）而没有上导轴承，如图3-4（b）所示。
图3-3 悬式水轮发电机
图3-4 伞式水轮发电机
二、发电机型号及基本参数
（一）型号
水轮发电机的型号表示和含义如下。
（二） 基本参数
1.额定电压
额定电压指发电机正常运行时的线电压，单位为kV。发电机的额定电压应比电力网及用电设备的额定电压高5%，以弥补线路上的电压损耗。如果电压过高，会增加发电机和用电设备的实际负荷功率，导致电机绕组和铁芯温度升高，引起绝缘老化，甚至造成绝缘击穿事故；电压过低则会影响供电质量。一般允许电压偏差范围为±5%。
2.额定电流
额定电流指发电机在额定工况下运行时的线电流，单位为A。要求三相负荷力求平衡，三相不平衡度不超过20%，并且任何一相负荷电流都不能超过额定值。小型水轮发电机一般不要随意过载。在特殊情况下允许短时过载，但发电机温度不能超过限值。
3.额定功率
额定功率指发电机在额定电压、额定电流和额定功率因数下连续运行时，允许输出的最大有功功率，单位为kW。
4.额定频率
我国电力工业额定频率为50Hz。频率变化对电动机负载的影响最大，会间接影响工业产品的质量和生产效率。对于电力系统而言，小电网一般允许频率的变化为±0.5Hz，大电网一般允许频率的变化为±0.2Hz。
5.额定转速
同步发电机在额定工况运行时的转速称为额定转速，单位为r/min。具有不同磁极对数的发电机的额定转速可从以下公式求得。
式中 n——额定转速；
f——额定频率；
p——磁极对数。
6.额定励磁电流
额定励磁电流指发电机在额定功率时的转子励磁电流。发电机在额定空载时的励磁电流值称为空载励磁电流。
7.飞逸转速
飞逸转速指水轮发电机能够承受而又不会造成转子任何部件受损或永久变形的最高转速，单位为r/min。“飞逸”一般发生在机组突然甩全部负荷而水轮机导水机构拒绝动作的情况下。混流式水轮发电机的最大飞逸转速是额定转速的1.8倍，轴流定桨式水轮发电机为2.4倍。
8.额定温升
额定温升指发电机在额定负载和规定的工作条件下，定子绕组允许的最高温度与电机进风口处风温之差。发电机绕组绝缘采用不同耐热等级的材料，允许有不同的温升，温升超过额定值时会加速绝缘的老化，缩短使用寿命。
9.绝缘耐热等级
绝缘耐热等级指绝缘材料根据其耐热性能不同，分成若干等级，见表3-1。
表3-1 绝缘耐热等级和最高允许工作温度
此外，还有相数、额定功率因数、额定励磁电压、定子绕组接线法、重量等。
三、发电机主要结构
水轮发电机普遍采用立式结构。立式水轮发电机主要由定子、转子、上机架、下机架、推力轴承、导轴承等部件组成。
（一）定子
水轮发电机定子由机座、铁芯和绕组等部件组成，其断面图如图3-5所示。
1.机座
定子机座是一个承重和受力部件，承受上机架荷重并传到基础，支承着铁芯、绕组、冷却器和盖板等部件，对悬吊式水轮发电机还承受整个机组转动部分重量（包括水推力），机座还承受径向力（磁拉力和铁芯热膨胀力）和切向力（正常和短路时引起的力）。因此，机座一般采用钢板焊接，须具有足够的刚度，防止定子变形和振动。
2.定子铁芯
定子铁芯是定子的一个重要部件。它是磁路的主要组成部分并用以固定绕组。在发电机运行时，铁芯要受到机械力、热应力及电磁力的综合作用。由于铁芯中的磁通量是随着转子的旋转而交变的，为提高效率、减少铁芯涡流损耗，铁芯一般由0.35～0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的扇形硅钢片叠压而成。空冷式发电机铁芯沿高度方向分成若干段，每段高40～45mm，段与段间以工字形衬条隔成通风沟，供通风散热之用。铁芯上、下端有齿压板，通过定子拉紧螺杆将叠片压紧。铁芯外圆有鸽尾槽，通过定位筋和托板将整个铁芯固定在机座的内侧。铁芯内圆有矩形嵌线槽，用以嵌放绕组。
图3-5 定子断面图
1—机座；2—铁芯；3—绕组
3.定子绕组
定子绕组的主要作用是产生电势和输送电流。定子绕组是用扁铜线绕制而成，然后再在它的外面包上绝缘材料。
（二）转子
水轮发电机转子主要由主轴、转子支架、磁轭和磁极等部件组成，其纵剖面图如图3-6所示。
图3-6 转子纵剖面图
1—主轴；2—轮辐；3—支臂；4—磁轭；5—端压板；6—风扇；7—磁极；8—制动板
1.主轴
它是用来传递转矩，并承受转子部分的轴向力。通常用高强度钢整体锻成；或由铸造的法兰与锻造的轴筒拼焊而成。除小型发电机外，大、中型转子的主轴均作成空心的。
2.转子支架
转子支架主要用于固定磁轭并传递扭矩。是把磁轭和转轴连接成一体的中间部件。正常运行时，转子支架要承受扭矩、磁极和磁轭的重力矩、自身的离心力以及热打键径向配合力的作用。对于支架与轴热套结构，还要承受热套引起的配合力作用。常用的转子支架有以下四种结构型式：①与磁轭圈合为一体的转子支架；②圆盘式转子支架；③整体铸造转子支架；④组合式转子支架。其中型式①用于中、小容量水轮发电机。这种转子支架由轮毂、辐板和磁轭圈三部分组成。整体铸造或由铸钢磁轭圈、轮毂与钢板组焊成。转子支架与轴之间靠键传递转矩。
3.磁轭
磁轭也称轮环。它的作用是产生转动惯量和固定磁极，同时也是磁路的一部分。磁轭在运转时承受扭矩和磁极与磁轭本身离心力的作用。
磁轭结构有多种，小容量水轮发电机采用无支架磁轭结构。磁轭通过键或热套等方式与转轴连成一个整体。
4.磁极
当直流励磁电流通入磁极线圈后就产生发电机磁场，因此磁极是产生磁场的部件。磁极由磁极铁芯、磁极线圈和阻尼绕组三部分组成。
磁极铁芯一般由1.5mm厚钢板冲片叠压而成。两端设有磁极压板，通过拉紧螺杆与冲片紧固成整体。磁极铁芯尾部为T形或鸽尾形，磁极铁芯尾部套入磁轭T形尾槽或鸽尾形槽内，借助于磁极键将磁极固定在磁轭上。
（三）上机架与下机架
上、下机架由于机组的型式不同，可分为荷重机架及非荷重机架两种。悬吊式水轮发电机的荷重机架即为安装在定子上的上机架。而伞式水轮发电机的荷重机架即为安装于定子下面基础上的下机架（或安装在水轮机顶盖上的支持架）上。
（四）推力轴承
推力轴承承受水轮发电机组转动部分全部重量及水推力，并把这些力传递给荷重机架。一般由推力头、镜板、推力瓦、轴承座及油槽等部件组成。
（五）导轴承
导轴承主要由导轴承瓦、导轴承支柱螺栓、套筒、座圈和轴领等组成。