320 MW全空冷发电机特性研究

吕　蒙, 张　鹏， 刘德荣， 宁　罡

(华北电力科学研究院(西安)有限公司, 西安 710065)



320 MW全空冷发电机特性研究

吕蒙, 张鹏， 刘德荣， 宁罡

(华北电力科学研究院(西安)有限公司, 西安 710065)

介绍了320 MW燃气-蒸汽联合循环发电机组全空冷发电机的技术规范、结构特点及通风冷却效果，阐述了发电机的主要结构参数、材料特性及相关试验。研究表明：通过与氢冷发电机的比较，全空冷发电机可以大大简化其辅机系统及相关操作，能提高机组的安全性，并获得较高的效率。

发电机； 冷却系统； 全空冷； 性能试验

随着我国电力事业的快速发展，大容量汽轮发电机的冷却方式也经历了复杂的发展变化过程，主要有空气冷却、氢气冷却、液体冷却等。每一种冷却方式都有各自的优缺点[1]。目前，我国大容量汽轮发电机组大多采用水氢氢冷却方式。空气冷却一般只出现在100 MW以下的小容量机组，但随着联合循环、热电联产、燃气轮机(简称燃机)发电机组及调峰机组的增加，中大容量发电机组的需求越来越多，相关的辅助系统及制造成本也随之增加，因此在提高发电机性能和经济性的同时，对发电机的工艺、材料及相关系统进一步优化也是必要的[2]。

发电机在正常运行中会产生磁感应的涡流损失和线阻损失，这部分能量损失会转变为热量，使发电机的转子和定子发热。发电机绕组的绝缘材料会因温度升高而引起绝缘强度的降低，导致发电机绝缘击穿，因此在正常运行时必须不断地排出由于能量损耗而产生的热量[3]。空冷发电机主要通过空气流动带走这部分热量，再通过水-空冷却器把热量传送给循环水，从而降低发电机定子和转子绕组的温度，使发电机能正常运行。

1　发电机主要参数

320 MW全空冷发电机组采用高效、全封闭、三相、隐极式同步发电机，定子、转子采用全空冷，能在额定功率因数0.85(滞后)～0.95(超前)发出额定的功率。发电机额定电压为20 kV，额定功率因数为0.85(滞后)，额定频率为50 Hz。定子绝缘等级和转子绝缘等级按B级考核均达到F级。在额定视在功率下，其短路比不小于0.55。发电机采用静态励磁，在额定条件下效率能达到98.8%；定子线圈采用星形连接，总共有6个出线端子；其电压变化不超过±5%，频率变化不超过±2%；发电机中性点经隔离开关连接高阻接地。

2　发电机基本结构

2.1 定子

320 MW全空冷燃机发电机定子外壳底座采用装配式轧钢板，有隔振措施，其外壳结构有足够的机械强度，满足振动、机组启停和短路情况下的要求。

定子铁芯采用高导磁和低磁滞损耗的硅钢片制造[4]，使铁芯和线圈各部分温度尽可能均匀以避免局部过热和膨胀，同时避开了100 Hz振动的影响，降低了铁芯端部损耗。定子铁芯端部结构采用非磁性材质，并采取有效的屏蔽措施，避免产生局部过热。定子铁芯的结构有足够的机械强度，防止振动、突然短路对发电机定子结构的影响，铁芯迭片应为冷轧硅钢片，轧制后退火，采用F级绝缘。

定子绕组采用高导电的无氧铜，导体100%探伤，其绝缘材料采用F级的绝缘材料，同时采取了防止电晕、吸潮及老化的措施。定子绕组的结构有足够的机械强度和短路热稳定能力，防止绕组弯曲变形、位移和磨损。绕组之间的连接为银铜焊接，全绝缘，绕组端部导体无尖角。紧固件采用非磁性材料，并可靠锁紧。发电机定子线棒槽内固定及绕组端部结构能轴向自由伸缩，适应调峰运行。紧固件采用非磁性材料，并可靠锁紧。

2.2 转子

320 MW全空冷燃机发电机转子由整锻钢锭制造而成，转子为无中心孔结构，包括磁极、轴和联轴器[5]。发电机转子与燃机之间的联轴器有封闭防护外罩，转子有足够强度，能够承受1.2倍额定转速，持续时间达120 s。转子护环为整体合金钢锻件，为提高护环的耐应力腐蚀能力，采用18Cr/18Mn合金钢材质。转子采用副槽通风结构，转子绕组槽内和护环下设滑移层等有效措施，保证发电机的调峰运行能力。转子只设置一点直接接地，接地电刷安装在轴上无油污染之处，并有措施检测轴电流并报警。接地电刷适合在发电机运行时更换，并设置运行中测试的设施。

转子绕组的绝缘材料采用F级绝缘材料，并提供防潮和防老化措施。转子绕组的结构有足够的机械强度和短时热稳定能力，防止线圈弯曲、变形、位移、碰撞和磨损。转子线圈应采用银铜导体，导体连接处应避免脆化和软化。

转子轴装有轴流式风扇，叶片应为可拆式。装配式风扇有独立的平衡块，能够可靠锁紧。发电机配置用于励磁和转子接地保护用的电刷装置，安装在轴电流最小值之处。电刷能在各种运行工况下使用6个月，能够防止集电环有不均匀磨损，发电机励磁引线牢固支撑，以防由于振动或短路损坏。滑环尺寸使电刷满足线速度<70 m/s，恒压弹簧压力均匀。

2.3 防晕结构

发电机防晕结构采用外防晕的形式，即用不同电阻率的防晕带使线圈表面的电位梯度分布均匀；并且线圈不同部位，所用防晕带也不同。线棒出槽口处电场十分集中，最易发生电晕，因此，从槽口低阻层开始包扎一定长度的防晕层，改善槽口的电场分布，提高槽口起晕电压。

2.4 轴承

发电机采用分离式座式轴承。在发电机的每一端都有一个座式轴承，轴承由水平分开的两半组成。轴瓦是钢制的，内衬巴氏合金。每个轴承都有一个顶轴高压油装置，以便在开机时减少轴承摩擦，便于启动[6]。为防止轴电流通过轴承，发电机励端采用具有绝缘结构的轴承。绝缘附加在轴承环和轴承座之间，挡油环和顶轴高压油联结装置也有绝缘。该轴承有自行调整的功能，在启动、运转和超速条件下允许偏差减小到最低程度，且有严格的密封性能。每个轴承均绝缘，防止由于正常励磁或特殊的发电机电气故障引起的磁路不平衡而出现的轴电压、轴电流效应。轴承出油温度不超过70 ℃，轴瓦温度不超过90 ℃，轴瓦温度报警值不超过105 ℃。

2.5 检测装置

在绕组或铁芯等最热点周围和不受冷却介质影响的地方，嵌入热电偶或电阻式温度检测计，主要供试验、监视和保护发电机用。发电机各部位的检温计有严格的埋设工艺,确保完整无损，所有检温计采用双支热电阻(RTD)或双元件热电偶(TC)，并连接到相应的本体接线盒以供其他连接使用(见表1)。

表1　发电机检测装置检温计位置及数量

2.6 励磁部分

320 MW全空冷燃机发电机励磁系统由调节屏、控制屏、灭磁屏和整流屏组合而成，励磁型式应为高起始响应静止励磁系统，励磁系统的特性与参数满足电力系统和发电机的各种运行方式的要求，能够自动地调整和维持发电机电压为额定值，并且设有完善的保护和信号报警装置，完全适用于全空冷发电机，且励磁系统与变频启动系统不接受任何共用设备。

2.7 通风部分

发电机总共设置8组水-空热交换器，发电机定子铁芯及转子绕组产生的热量通过冷空气带出，在水-空冷却器中经过换热把这部分热量传递给循环水，循环水经过机力通风冷却塔冷却后，通过连续不断的循环冷却，从而使发电机定子铁芯和转子绕组温度维持在规定的范围之内[7]。冷却系统保证发电机在正常运行工况下使转子、定子绕组和定子铁芯等最热点温度满足ANSI和IEC标准中绝缘B级温升限值的规定。

3　主要性能试验

3.1 定子绕组交直流耐压及直流泄漏电流测试

发电机耐压试验主要检查定子绕组的主绝缘是否存在局部缺陷，确认其绝缘水平是否合格。而交流耐压试验是考核主绝缘耐电强度的关键项目，从而决定该发电机是否允许投入运行。交流耐压试验按照额定电压的1.3～1.5倍进行，加压持续时间目前规定为1 min。

耐压试验测试数据见表2～表4。

表2　耐压试验测试数据

表3　耐压试验前后绝缘电阻测试1)

注：1) 测试条件环境温度为10 ℃，环境湿度为30%RH，绕组温度为10 ℃，不通水；2) A-BCE为A相相对于B、C相与中性接地点的绝缘电阻；3) B-ACE为B相相对于A、C相与中性接地点的绝缘电阻；4) C-ABE为C相相对于A、B相与中性接地点的绝缘电阻。

表4　直流泄漏电流试验测试数据　μA

试验数据表明：发电机绝缘水平达到优良标准，符合相关标准和规程的要求。

3.2 空载短路特性试验

3.2.1 空载特性试验

发电机空载运行，电枢电流为零，发电机定子三相绕组只有励磁电流If感生出空载电动势E0(三相对称)，其值随If的增大而增加。

空载特性曲线见图1。

图1　空载特性曲线

3.2.2 短路特性试验

发电机短路试验时，将发电机升至额定转速，调节励磁电流，同时取定子三相绕组电流Ik和励磁电流If。

短路特性曲线见图2。

图2　短路特性曲线

试验数据表明：该320 MW全空冷发电机完全符合空载特性及短路特性试验要求，发电机可持续安全运行。

3.3 满负荷试验

该发电机满负荷状态下轴承振动水平见表5。

表5　燃机发电机轴承振动水平

4　结语

空冷发电机容量的主要难题就是抑制线圈温度和降低包括风耗在内的各种损耗及解决材料强度的限制。在对320 MW空冷燃机发电机的研制中，借助了最新的热力学分析技术、结构分析技术和电磁分析技术，通过采用先进的通风系统和科学合理的结构，以及恰当的工艺方法，解决了这些难题，实现了在大容量燃机发电机中使用空气作为冷却介质的目标[8]。

通过对320 MW燃气-蒸汽联合循环发电机组发电机主要参数、技术特点、结构特点和试验结果的研究，以及对机组投产以来运行状况的监测，结果表明：空冷发电机能够在保证发电效率的情况下安全运行，其定子铁芯及转子绕组温度也都能控制在良好水平，为今后在开发设计及制造生产更大单机容量的空冷发电机提供了相关数据和经验。

[1] 宋晓东, 刘业义. 新系列空冷汽轮发电机[J]. 大电机技术, 2001(3): 7-10.

[2] 王涛. 联合循环电站用的空冷透平发电机[J]. 发电设备, 2004,18(4): 227-230.

[3] 威志伟. 国内最大容量空冷汽轮发电机的开发与研制[J]. 电器工业, 2003(7): 42-44.

[4] 张忠海, 黄鲁斌, 高中来, 等. WX21Z-073LLT型135 MW大容量空冷汽轮发电机的研制[J]. 大电机技术, 2001(4): 9-12.

[5] 邓桂民, 王耀, 周慧. 空冷发电机技术的新进展[J]. 发电设备, 2004,18(3): 163-166.

[6] 丁舜年. 大型电机的发热与冷却[M]. 北京: 科学出版社, 1992: 23-27.

[7] 李广德, 张伟红. 空冷汽轮发电机的通风系统设计[J]. 大电机技术, 1998(4): 12-15.

[8] 赵昌宗. 东方空冷汽轮发电机的发展[J]. 东方电气评论, 2002, 16(2): 89-97, 103.

Characteristic Study of a 320 MW Fully Air-cooled Generator

Lü Meng, Zhang Peng, Liu Derong, Ning Gang

(North China Electric Power Research Institute (Xi’an) Co., Ltd., Xi’an 710065, China)

An introduction is presented to the technical specifications, structural features and ventilation cooling effect of a 320 MW fully air-cooled generator in a gas-steam combined cycle unit, including the main structural parameters, material characteristics and related tests. Study results show that compared with hydrogen-cooled generator, the fully air-cooled generator has a simplified auxiliary system and facile operation, resulting in improved unit safety and efficiency.

generator; cooling system; fully air-cooled generator; performance test

2015-12-17

吕蒙(1986—)，男，工程师，主要从事电厂汽轮机研究及基建调试工作。

E-mail: guofangmengzi@163.com

TM31

A

1671-086X(2016)04-0223-04