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　　1 前言　　? 隨著聯(lián)合循環(huán),、熱電聯(lián)產(chǎn),、燃汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組及調(diào)峰機(jī)組的增加，對中等容量發(fā)電機(jī)組的需要越來越多,，因此提高該類電機(jī)的性能和經(jīng)濟(jì)性,，是電機(jī)工作者關(guān)心和追求的目標(biāo)。　　? 從上世紀(jì)中期開始,，人們把冷卻介質(zhì)由空氣轉(zhuǎn)向氫氣和水,，使電機(jī)的冷卻效果發(fā)生了飛躍，同時也使更大容量的汽輪發(fā)電機(jī)不斷被研制出來,。目前,，國外汽輪發(fā)電機(jī)的最大單機(jī)容量已達(dá)1710MVA(4極)和1412MVA(兩極)。我國在引進(jìn)吸收和消化國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上對原有電機(jī)進(jìn)行了改型和優(yōu)化設(shè)計,，并相繼開發(fā)和研制出多種新型電機(jī),。在1986年制成300MW雙水內(nèi)冷和全氫冷型汽輪發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上，1989年又試制成功優(yōu)化型300MW水氫氫冷汽輪發(fā)電機(jī),，并投入運(yùn)行,。600MW的單機(jī)也逐步進(jìn)入一些大的電力系統(tǒng)。這些電機(jī)的一些主要性能已經(jīng)達(dá)到當(dāng)今的國際水平,?！　? 與空冷汽輪發(fā)電機(jī)相比，氫冷汽輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計和制造成本較高,，它需要一個耐壓機(jī)座,、特殊的密封裝置和附加的冷卻氣體處理設(shè)備,，另外與氫氣打交道的人員還要經(jīng)過專門培訓(xùn),。　　?雖然相同容量的空冷發(fā)電機(jī)的體積較大,，但許多方面空冷還是有優(yōu)勢的,，如輔機(jī)系統(tǒng)少、安裝維護(hù)方便,、運(yùn)行費(fèi)用低等,。另外因沒有在打開電機(jī)前和重新充氫時要用CO2沖刷置換的工藝過程 ，空冷發(fā)電機(jī)的檢修時間較短,，操作也簡單,。因而，發(fā)電機(jī)采用空冷雖然效率略低于氫冷,，但其總體經(jīng)濟(jì)效益提高了,。為此，當(dāng)前發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢之一便是在中大型的汽輪發(fā)電機(jī)中采用空氣作為冷卻介質(zhì),。而如何實現(xiàn)這一目標(biāo)則是科技工作者要研究的課題,。　　? 國內(nèi)大容量空冷汽輪發(fā)電機(jī)的研制工作起步較晚,，與國外大公司相比有較大差距,。目前，國內(nèi)容量最大的空內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)就是本文所述的濟(jì)南發(fā)電設(shè)備廠研制的135MW的空冷汽輪發(fā)電機(jī),?！　? 以前,，空冷發(fā)電機(jī)的容量僅能做到30MW以下。1989年,，濟(jì)南發(fā)電設(shè)備廠開始引進(jìn)ABB技術(shù),。1992年，第一臺50MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)試制成功,。1994年,，一臺60MW的空冷汽輪發(fā)電機(jī)在深圳南山電廠并網(wǎng)運(yùn)行。1999年,，一臺100MW的空冷發(fā)電機(jī)在吉林四平熱電廠運(yùn)行成功,。目前，第一臺135MW的空冷汽輪發(fā)電機(jī)已在山東里彥電廠并網(wǎng)運(yùn)行,。該廠空冷發(fā)電機(jī)單機(jī)容量演化情況見圖1,。　　??????????????????????????????　　? 空冷的冷卻能力比氫冷差,，而且損耗大,、效率低，因而增加空冷發(fā)電機(jī)容量的主要難題就是抑制線圈溫度和降低包括風(fēng)耗在內(nèi)的各種損耗及解決材料強(qiáng)度的限制,。在對135MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)的研制中,，借助了最新的熱力學(xué)分析技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析技術(shù)和電磁分析技術(shù),，通過采用先進(jìn)的通風(fēng)系統(tǒng)和科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)以及恰當(dāng)?shù)墓に嚪椒?，解決了這些難題，實現(xiàn)了在較大容量汽輪發(fā)電機(jī)中使用空氣作為冷卻介質(zhì)的目標(biāo),。試驗表明,，已達(dá)到當(dāng)今國際水平?！　? 發(fā)電機(jī)主要數(shù)據(jù)　　3 基本結(jié)構(gòu)　　? 該發(fā)電機(jī)根據(jù)積木塊原理,，按機(jī)座號進(jìn)行設(shè)計。發(fā)電機(jī)定子采用空外冷,，轉(zhuǎn)子繞組為空內(nèi)冷,。冷卻空氣由發(fā)電機(jī)的兩端軸流式風(fēng)扇驅(qū)動形成密閉循環(huán)回路。采用分離式座式軸承,、整體轉(zhuǎn)子鍛件,、無刷勵磁系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊合理(見圖2),?！　?.1 定子部分　　3.1.1 定子鐵心　　?定子鐵心采用外壓裝結(jié)構(gòu)。外壓裝使得觀察疊壓情況非常直觀，調(diào)節(jié)也極方便,，可使鐵心各部分的疊壓緊度相同,，兩個端面平行度保持在1mm以內(nèi)，全長的彎曲不超過0.4mm,，保證了鐵心疊壓的高質(zhì)量,。定子鐵心壓圈采用非磁性的硅鋁合金制成，除具有良好的機(jī)械性能外,，壓圈在鐵心端部形成了良好的屏蔽,，降低了發(fā)電機(jī)的端部損耗。另外,，鐵心的彈性支撐使結(jié)構(gòu)噪聲明顯減小,，例如振幅減半，可使噪聲降低6dB(A),。電機(jī)噪聲的絕大部分是氣動噪聲,，它主要是由風(fēng)扇和自通風(fēng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生。由于直徑較大,，新型發(fā)電機(jī)氣動噪聲在沒有任何相應(yīng)措施的情況下將非常突出,。因此，在定子機(jī)座的端部區(qū)域采取特殊的防音措施以吸收氣動噪聲并減弱向周圍的傳播,。小的開口和縫隙會特別不利,，因為噪聲可以不受阻礙地向周圍傳播，因此,，亦采取措施以保證機(jī)座盡可能地隔音,。這些措施的作用在試驗期間得到驗證,。按照DIN45635,，在額定轉(zhuǎn)速和額定電壓下所測的噪聲等級為94dB(A)，此值同純機(jī)械運(yùn)行獲得值幾乎一致,。最終證明鐵心的振動有效地從機(jī)座隔開了,。　　3.1.2 定子繞組　　? 定子線棒絕緣全部采用F級少膠云母帶包扎,，VPI真空壓力浸漬,，提高了絕緣的行性，絕緣壽命可達(dá)40年,，介電性能與整體性能較好,。定子線圈端部采用L型并頭套(圖3)，焊接采用銀焊,，提高了焊接質(zhì)量,。　　???????????????????????　　3.1.3 VPI系統(tǒng)　　? 發(fā)電機(jī)的定子線棒絕緣采用少膠云母帶綁扎，真空壓力浸漬系統(tǒng)(簡稱VPI),，整個生產(chǎn)流水線的自動化水平很高,。該絕緣系統(tǒng)的耐熱等級為F級。該絕緣系統(tǒng)介電性優(yōu),，整體性能好,，提高了產(chǎn)品的耐用性和可靠性，具有當(dāng)今國際先進(jìn)水平,。鑒于該部分是發(fā)電機(jī)定子的關(guān)鍵技術(shù),，將在下一章進(jìn)行專門的研究?！　?.1.4 防暈結(jié)構(gòu)　　? 發(fā)電機(jī)防暈結(jié)構(gòu)采用外防暈的形式,，就是用不同電阻率的防暈帶使線圈表面的電位梯度分布均勻。并且線圈不同部位,，所用防暈帶也不同,。因為線棒出槽口處電場十分集中，最易發(fā)生電暈,，因此,，從槽口低阻層開始包扎一定長度的防暈層，改善槽口的電場分布,，提高槽口起暈電壓,。　　3.1.5 定子的雙機(jī)座結(jié)構(gòu)　　? 發(fā)電機(jī)定子鐵心與機(jī)殼聯(lián)結(jié)非常獨特,，采用懸掛式彈性聯(lián)接,，稱雙機(jī)座結(jié)構(gòu)(圖4)。整個鐵心僅有幾個帶耳朵狀的環(huán)通過管子與外機(jī)座焊接,。此彈性聯(lián)結(jié)用來減弱切向振動,，而徑向振動通過外機(jī)座的薄鋼板來吸收以達(dá)到隔振效果。定子機(jī)座采用薄鋼板焊接的上下兩半結(jié)構(gòu),。由于機(jī)座不但要承受定子的重量,，引導(dǎo)空氣的流動，而且還要吸收定子在運(yùn)行時產(chǎn)生的振動,，因此,，機(jī)座的焊接工藝和質(zhì)量要求非常嚴(yán)格?！　???????????????????????????　　3.2 轉(zhuǎn)子部分　　? 轉(zhuǎn)子的主要部件是轉(zhuǎn)子本體,、轉(zhuǎn)子繞組、阻尼系統(tǒng),、護(hù)環(huán),、風(fēng)扇等,。轉(zhuǎn)子本體是一個帶有聯(lián)軸器的整體鍛件，在勵磁機(jī)端有一個中心盲孔,，用于裝配勵磁引線,。　　? 轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)采用高度抗腐蝕能力的材料18Mn18C制成,。護(hù)環(huán)以懸掛結(jié)構(gòu)安裝在轉(zhuǎn)子本體上,。這種結(jié)構(gòu)可使繞組中熱膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力不能傳遞到軸上?！　? 風(fēng)扇為軸流式風(fēng)扇,，風(fēng)葉由硅鋁合金鍛造而成，葉片采用螺栓安裝到風(fēng)扇環(huán)上,，風(fēng)葉的俯仰角根據(jù)冷卻所需風(fēng)量而定,。　　? 轉(zhuǎn)子采用空內(nèi)冷,，轉(zhuǎn)子繞組由空心導(dǎo)線組成,。導(dǎo)線上具有進(jìn)出風(fēng)口，由空氣直接冷卻導(dǎo)線,，提高了冷卻效果,。因為空內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組在運(yùn)行時，除了承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力外,，還要承受因銅線間溫度差異,，與本體和絕緣材料之間的熱膨脹不同所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。如果這些應(yīng)力總和超過了銅線的屈服極限,，就會產(chǎn)生永久變形,，引起匝間短路，振動增大,，通風(fēng)面積減少,，甚至通風(fēng)道錯位造成堵塞。轉(zhuǎn)子線圈在本體中部用絕緣銷與轉(zhuǎn)子本體固定,，槽絕緣與繞組之間以及最上層導(dǎo)體和與之接觸的槽帽之間均刷了一層潤滑漆,，護(hù)環(huán)絕緣與端部銅線之間同樣涂一層潤滑漆,。運(yùn)行時在離心力的作用下,，轉(zhuǎn)子繞組可看成一個整體，各匝間不會產(chǎn)生相對位移,，熱膨脹和收縮時轉(zhuǎn)子線圈就能整體地在槽中心向兩端軸向伸縮,，消除了轉(zhuǎn)子銅線的熱應(yīng)力。另外,，轉(zhuǎn)子線圈采用的含銀冷拉銅線,，具有較高的抗蠕變強(qiáng)度,，而設(shè)計時的銅線應(yīng)用應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于銅線的屈服強(qiáng)度，成功地解決了轉(zhuǎn)子繞組的有害變形問題,?！　?.3 軸承　　? 該發(fā)電機(jī)采用分離式座式軸承。在發(fā)電機(jī)的每一端都有一個φ315座式軸承,，勵磁機(jī)后面有一個φ160座式軸承,。軸承由水平分開的兩半組成。軸瓦是鋼制的,，內(nèi)襯巴氏合金,。每個軸承都有一個頂軸高壓油裝置，以便在開機(jī)時減少軸承摩擦,，便于啟動,。為防止軸電流通過軸承，發(fā)電機(jī)勵端采用具有絕緣結(jié)構(gòu)的軸承,。絕緣附加在軸承環(huán)和軸承座之間,，擋油環(huán)和頂軸高壓油聯(lián)結(jié)裝置也有絕緣?！　?.4 測量部分　　? 定子繞組和定子鐵心各有6個PT100的電阻測溫元件圍繞圓周平均分布,，以便在運(yùn)行中檢測各處的溫度?！　? 每個冷風(fēng)區(qū)里有電阻溫度計PT100,，用于遙測觀察進(jìn)風(fēng)溫度或接信號器。在每條熱風(fēng)區(qū)里有一個電阻溫度計PT100,，用于遙測或引出信號,。在每條熱風(fēng)區(qū)里還有一個溫度計并帶有電接點?！　? 每個軸承出油口處裝有指針式溫度計并帶有電接點,，以便觀測油溫或給出報警信號。軸瓦上也裝有溫度計來測量軸瓦溫度,?！　??在熱風(fēng)區(qū)有一個溫度計并帶有電接點，另設(shè)一只PT100電阻溫度計,?！　? 以上各接線端均配在發(fā)電機(jī)汽端的接線盒內(nèi)以供安裝時集中接線?！　?.5 勵磁部分　　? 135MW空內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計采用WBT95－2型無刷勵磁系統(tǒng),，包括交流勵磁機(jī)、副勵磁機(jī),、旋轉(zhuǎn)二極管整流器AVR,。采用單整流環(huán)全波整流,，旋轉(zhuǎn)整流器的二級管采用阻容保護(hù)。勵磁機(jī)磁場回路中裝有二極管磁場繼電器,，間接地監(jiān)視整流橋,，以便在二極管萬一阻斷或擊穿時，使發(fā)電機(jī)迅速跳閘,，以保護(hù)其它二極管自動電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng),。AVR有雙通道，其性能可滿足發(fā)電機(jī)獨立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行多種工況較高的需求,。其雙通道勵磁系統(tǒng)由兩個獨立的通道系統(tǒng)組成,。一個通道處于運(yùn)行狀態(tài)，它完成發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié),，稱主通道,。備用通道裝有控制和跟蹤系統(tǒng)，在勵磁過程中,，主通道的工作一直被監(jiān)視,，并且自動跟蹤備用通道，隨主通道工作點調(diào)整,，保證主通道從測量到輸出之間發(fā)生故障時,，主通道能平滑地，無擾動地向備用通道切換,，整個系統(tǒng)不但具有較高的自動化水平,，而且具有良好的可靠性?！　?.6 通風(fēng)部分　　? 整個電機(jī)的冷卻系統(tǒng)有兩套對稱回路與轉(zhuǎn)子兩端的軸流式風(fēng)扇相對應(yīng),。轉(zhuǎn)子主要有兩部分氣流來冷卻。一部分為進(jìn)入氣隙的冷卻空氣來冷卻轉(zhuǎn)子表面,。另一部分為從護(hù)環(huán)下面進(jìn)入轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)部的氣流,。其氣流又分為兩路，一路進(jìn)入導(dǎo)體端部,，然后由本體端部大齒上的月牙槽進(jìn)入氣隙,，另一路由導(dǎo)體端部進(jìn)入導(dǎo)體內(nèi)部，沿軸向流向?qū)w中部,，然后由導(dǎo)體中的圓孔徑向進(jìn)入氣隙(見圖5),。　　??????????????　　??????????????　　? 部分定子冷卻空氣直接進(jìn)入氣隙并在此處與來自轉(zhuǎn)子端部線圈的冷卻空氣匯合,，流經(jīng)鐵心中的徑向通風(fēng)溝,，鐵心中間有一30mm的通風(fēng)道。然后排入機(jī)座氣室中,，經(jīng)冷卻器冷卻返回風(fēng)扇,，重新投入循環(huán)?！　? 另一路氣流冷卻定子端部線圈后沿軸向風(fēng)道進(jìn)入機(jī)座第2室,，經(jīng)鐵心疊片進(jìn)入氣隙，并再次分流,。一半沿進(jìn)風(fēng)方向折回第1氣室,；另一半與來自機(jī)組中部的轉(zhuǎn)子冷卻空氣匯合，再沿疊片,，經(jīng)第3氣室和第2冷卻器返回風(fēng)扇,。　　? 為防止長期運(yùn)行后,，由于冷卻空氣泄漏等原因而造成風(fēng)量不足,，特在機(jī)殼外端蓋上又設(shè)置了兩個空氣過濾器，隨時補(bǔ)充因泄漏而減少的空氣,?！　? 主要試驗　　4.1 超速試驗　　? 1.2倍額定轉(zhuǎn)速(3600r/min)下2min，在冷態(tài)下進(jìn)行,，不得發(fā)生有害變形,。為了檢查轉(zhuǎn)子在超速過程中是否發(fā)生匝間短路等現(xiàn)象，在下列4種情況下測量轉(zhuǎn)子繞組的阻抗及對地電阻值：①超速前轉(zhuǎn)子靜止時,；②升速過程中到額定轉(zhuǎn)速時,；③超速后回到額定轉(zhuǎn)速時；④超速后轉(zhuǎn)子靜止時,。在超速過程中應(yīng)測量兩端軸承振動值額定轉(zhuǎn)速時不大于0.038mm,，1.2倍額定轉(zhuǎn)速時不大于0.12mm(雙振幅)?！　? 軸承座振動值見表2,。臨界轉(zhuǎn)速見表3?！　??????????????????????　　????????????????????????　　?　　關(guān)于轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速,，國標(biāo)規(guī)定：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)避開額定轉(zhuǎn)速的10%。從超速試驗的結(jié)果可知,，其臨界轉(zhuǎn)速都在規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi),。　　4.2 耐壓試驗　　? 直流耐壓??????48300V 60s 合格,；　　? 交流耐壓定子 28600V 60s 合格,；　　轉(zhuǎn)子 2330V 60s 合格；　　4.3 空載短路特性試驗　　4.3.1 發(fā)電機(jī)空載特性　　? 在額定轉(zhuǎn)速下,，定子供給他勵電源,，在滑環(huán)上測量整流后的直流電壓,，使之達(dá)到被試電機(jī)頂值電壓，1min后再降到零,。在上升和下降過程中各測7～9點,，記錄勵磁電壓、電流,、轉(zhuǎn)子電壓,、轉(zhuǎn)速等(表4)，并以勵磁電流和電壓為坐標(biāo)繪制特性曲線,?！　?.3.2 發(fā)電機(jī)短路特性　　將被試電機(jī)在定子引出線端三相短路，拖動到額定轉(zhuǎn)速,，調(diào)節(jié)勵磁電流使定子電流達(dá)到額定值的125%,，然后逐漸減少勵磁電流，依次記錄7～9點的定子電流,、激磁電壓,、激磁電流各值(表5)?！　? 發(fā)電機(jī)空載短路特性見圖6,。　　???????????????????????????????　　通過空載短路特性數(shù)據(jù)及其特性曲線可知,，該電機(jī)的飽和度較適中,，因為如果設(shè)計得太飽和將　　使勵磁繞組用銅太多，而且電壓調(diào)節(jié)也較困難,；如果飽和度太低,，則負(fù)載變化時電壓變化較大，并且磁密偏低表示硅鋼片的利用率較低,，電機(jī)鐵心消耗材料較多,。　　4.4 效率的測量　　空載損耗/kW 903.8　　? 定子繞組的基本銅耗/kW 160.8　　? 磁損耗/kW 417.2　　? 雜散損耗/kW 199.2　　? 總損耗/kW 1682.0　　? 效率/% 98.77　　? 該機(jī)效率值接近氫冷汽輪發(fā)電機(jī)的效率,，是比較理想的,。　　4.5 參數(shù)測定　　????????????????????????　　?????????????????????????????　　5 結(jié)束語　　? 以上就135MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)的主要參數(shù),、技術(shù)特點,、結(jié)構(gòu)特點和試驗結(jié)果作了描述。為設(shè)計這臺空冷發(fā)電機(jī),，對結(jié)構(gòu)設(shè)計,、通風(fēng)系統(tǒng)的研究作了大量的工作。通過工廠試驗，認(rèn)為樣機(jī)的試驗結(jié)果與設(shè)計方案是吻合的,，部分指標(biāo)超出了國家標(biāo)準(zhǔn),，滿足了用戶的需要。這為今后開發(fā)設(shè)計出更大單機(jī)容量的空冷發(fā)電機(jī)提供了經(jīng)驗,?！　? 隨著科技的進(jìn)步,，一些新工藝,、新材料不斷被用于空冷汽輪發(fā)電機(jī)的制造上，再加上增大單機(jī)容量可降低發(fā)電機(jī)的造價和材料消耗量,，降低電廠的基建安裝費(fèi)用及運(yùn)行費(fèi)用,，同時為滿足社會對空冷汽輪發(fā)電機(jī)的需求，國內(nèi)外的電機(jī)制造商會加大開發(fā)力度,，相信今后會有更大容量的空冷汽輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生,。國內(nèi)最大的空冷汽輪發(fā)電機(jī)生產(chǎn)基地(濟(jì)南發(fā)電設(shè)備廠)正在建設(shè)的重型發(fā)電機(jī)車間，就是為開發(fā)200MW～300MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)做準(zhǔn)備的,。相信經(jīng)過電機(jī)工作者的努力,，國內(nèi)空冷發(fā)電機(jī)的容量與國外的差距會逐漸縮小。