摘要：目前一批采用全空气冷却方式的700MW级水轮发电机已在中国投入运行，由此使水轮发电机产品的发展上了一个新的台阶。本文以三峡右岸全空冷水轮发电机为例，对700MW级全空冷水轮发电机的设计运行特点及研究工作进行一定的总结。

　　关键词:水轮发电机，空冷技术，推力轴承

　　1 前言

　　水力资源属清洁的可再生能源，是发电设备的首选资源。随着世界经济的发展与能源需求的增加，建设大型水力发电厂仍是一个时期内的主要方向。大型凸极水轮发电机作为水力发电的主要设备，也经历了长期不断的技术进步和发展。

　　目前，中国55～75万千瓦水轮发电机机组有100多台，70万千瓦以上容量的机组60多台，从2005年到2020年,每年新增水电装机达1000万千瓦以上，是以往5倍的规模。

 
　　图1 中国水电建设近十年规划图

　　对大容量水轮发电机，冷却技术是设计中的关键问题。目前水轮发电机的冷却方式大致有三种，即全空气冷却方式、定子水内冷冷却方式、及蒸发冷却方式。

　　空气冷却方式在电机内部只采用空气作为冷却介质，通过空气的流通实现电机整体的降温冷却。此时，所需要的辅助设备为空水冷却器。水内冷冷却方式定子线棒要采用部分内部通水的空心股线导体，借助于水的流动带走定子的一部分损耗。辅助设备除常规的空水冷却器外，尚需要一套复杂的水处理及循环系统，以降低冷却水的导电性并驱动水的运动。蒸发冷却方式采用类似于水冷的定子线棒建立一套冷却介质的蒸发冷却系统以带走定子的部分热量。蒸发冷却系统的介质不导电，同时无需借助泵类设备驱动介质的循环。

　　三种冷却方式的对比如表1所示。从表1可见，空气冷却方式电机的体积略大，但与系统复杂程度结合考虑已无足轻重。因而空气冷却方式如果能够实现的话，即成为水电厂方面的首选。我国自哈尔滨电机厂有限责任公司在三峡右岸电厂756MW水轮发电机上实现空气冷却方式后，后续的７００ＭＷ级水轮发电机在招标上无一例外地全部要求采用空气冷却方式。

	电机体积	系统情况	运行维护量	运行可靠性
空气冷却方式	大	简单	小	高
水内冷冷却方式	小	很复杂	很大	低
蒸发冷却方式	小	复杂	大	中

　　从运行部门的角度考虑，空气冷却方式是大容量水轮发电机的首选。全空冷发电机需重点解决定子线棒的温升问题、定子线棒轴向温度分布均匀度问题和由发热引起的机械应力、定子铁心热膨胀及翘曲问题。哈尔滨电机厂有限责任公司为三峡右岸电厂等研制的一批700MW级全空冷水轮发电机对上述问题获得了圆满的解决。本文以三峡右岸756 MW水轮发电机为例，对大型全空冷水轮发电机的设计与运行技术进行了阐述。

　　2 电磁设计特点

　　全空冷发电机需重点解决定子线棒的温升分布和由发热引起的机械应力、铁心热膨胀及翘曲问题。因而在发电机的设计上，需要通过参数的优化，尽可能控制热负荷，降低定子温升，以减少定子铁芯的热膨胀量。同时还要在方案设计上采取一些措施。

　　三峡右岸发电机的主要技术参数如表2所示。

表2 三峡右岸发电机主要参数

　　发电机在详细电磁计算的基础上，定子线圈采用不完全换位代替360°换位，以减少线圈端部漏磁场引起的附加损耗、降低股线间温差，同时还可以提高定子线圈寿命。

　　定子铁芯材料采用高质量、高导磁率、低损耗、无时效、机械性能优良的优质冷轧薄硅钢片50H250，在磁通密度等于1T时单位损耗不大于1.05W/Kg，以降低定子铁芯发热。定子铁芯的安装上采用穿心螺杆加蝶形弹簧压紧，同时在铁芯两端用环氧胶粘接。穿心螺杆的设计布置要确保定子铁芯单位压力大于1.7MPa，使定子铁芯成为一个牢固的整体，防止发电机定子铁芯翘曲。

　　励磁刷架采用一体式双路导流结构（已申报专利），该结构既能保证励磁电缆在一端集中接线，布置方便，又能使电流从导电环中部流入，保证各电刷的电流尽量均匀，从而解决了较大励磁电流条件下的集电环碳刷的打火问题。

　　定子机座采用斜立筋结构，使定子铁芯的径向膨胀力被机座斜筋的周向变形所吸收，避免发电机定子铁芯由于受机座的挤压而产生翘曲现象。

　　转子采用错缝式旋转挡风板结构（已申报专利），不仅对磁极极间的冷却风形成有效的遮挡，而且有效地保证了磁极极间连接的绝缘距离。

　　3 冷却系统的设计及分析

　　随着容量的增大，发电机的冷却难度越来越大，对三峡840MVA这样大容量的机组，国际上尚无空冷方案的先例。对700MW级水轮发电机组，一般都采用水冷方案。

　　对三峡右岸水轮发电机来说，由于转子外缘周速较高，其转子自身产生的冷却风量已能够满足通风散热的需要。因此，可采用双路径向无风扇端部回风密闭自循环全空冷冷却方式。冷却空气借助于转子支架、磁轭、磁极旋转产生的风扇作用，流入转子支架进口，经磁轭风沟、磁极极间、气隙、定子径向风沟流出，冷却气体携带发电机的损耗热经定子铁心背部汇集到冷却器，与冷却水热交换散去热量后，重新分上、下两路经定子线圈端部进入转子支架，构成密闭自循环通风系统。图2为通风系统结构示意图。研究工作针对700MW级水轮发电机进行了通风模拟试验。三峡右岸水轮发电机的通风模型与真机的比例选择为1：6。通风模型本体设计是基于相似原理，并考虑相似法则的放宽原则来进行的。流体与模型实体边界面的材料特性尽可能做到与真机一致或接近，其通风沟采用与真机材料、结构相同的通风槽片，并采用与真机相同的叠片方式，以提高试验研究的准确度。 

 

　　图2 三峡右岸发电机总装配及通风系统示意图

　　试验证明，模型的转速与风量成线性关系（见图4），说明各试验工况处在自模拟区内，采用模型试验进行真机的通风系统研究是可行的、有效的。表3给出了模型试验推算的电机总风量、通风损耗与设计计算的发电机总风量、通风损耗的对比。
 
　　图3三峡右岸空冷发电机的通风试验模型
 
　　图4模型中总风量与转子转速的关系曲线

　　图5为对各转速下模型风沟风速的测试结果，反映了所设计方案发电机各段风沟风速也是比较均匀的。由此可以保证发电机定子线棒温升分布的均匀性。

　　

表3总风量和通风损耗对比

     
　　图5 在模型上获得的定子通风沟风速分布

　　三峡右岸水轮发电机的全空冷冷却方案是在模拟试验结果与真机计算结果比较研究的基础上确定的。系统的理论与实验研究证明，700MW级水轮发电机采用全空气冷却方式是可行的。图6为采用三维温度场数值计算获得的三峡右岸水轮发电机定子线棒温度分布。
 
　　图6最大负荷连续运行时定子线棒温度分布的计算结果

　　4 定子绝缘结构及设计特点

　　开发高性能的绝缘材料并设计合理的绝缘结构对发电机的设计是十分重要的。对于空冷发电机，绝缘系统除电气和机械性能以外，耐热性也至关重要，直接影响到发电机的散热性能与运行可靠性。
主绝缘技术方面，在原F级桐马环氧粉云母带体系的基础上，研制了高电压场强环氧玻璃粉云母带，显著地提高了电气性能，同时它的机械性能和耐热性能也十分优异。三峡机组的设计工作场强达到了2.51kV/mm。

　　定子导线角部电场分布的不均匀性是线棒发生绝缘击穿的根本原因。为此，哈电公司设计了绝缘内部导线等电位层的特殊结构，这种结构由半导体材料组成，经过大量的试验和工艺摸索，发现涂漆是最简便可行的方法，易于控制，其中半导体等电位层的阻值均匀性是关键之处。

　　三峡右岸发电机采用的一次成型防晕结构具有机械强度高，耐磨性能好，防晕层电阻系数的热稳定性能好等优点。在防晕技术上，三峡右岸发电机的绕组端部采用三段防晕结构，该线棒可以独立进行耐电压试验，运行效果十分理想。

　　在绕组固定结构上分别采用了定子槽内的硅橡胶、绕组端部的软端箍固定结构、敞开式绝缘盒的固定、磁极机身的绝缘固定和无托板结构等等，这都是与普通机组区别较大的地方。经过实际运行效果证明，这些都是成功的设计方案。

　　5 推力轴承的设计方案

　　三峡水轮发电机推力轴承负荷很高，达5560t，因而制造难度很大。在设计上，推力轴承和下导轴承为复合轴承，共同放置在下导推力油槽内。推力瓦为小支柱簇双层瓦，采用长支柱螺丝加托盘的支撑形式，并采用自泵瓦油槽外循环结构。

　　5.1 推力轴承的的性能分析

　　推力轴承的结构型式见图7，轴承有推力瓦（薄瓦）和托瓦（厚瓦）两层，之间布置了一系列直径不等的小支柱，在托瓦底部有一小托盘，轴承瓦通过托盘支撑在一个长支柱上面，长支柱可以通过螺纹调整高程。
 
　　图 7 三峡巴氏合金瓦推力轴承

　　由于小支柱簇将推力瓦和托瓦分开，循环油可以在托瓦和推力瓦之间自由流动，推力瓦中的不均匀温度分布对托瓦的影响极小，托瓦温度沿轴向、径向和周向基本上是均匀的，托瓦的热变形很小，托瓦在支柱压力作用下，主要产生弹性变形。推力瓦由于厚度很小，通过调整小支柱的直径，可以使瓦面在油膜压力和温度联合作用下的热弹变形控制在较小的范围。

　　三峡推力轴承的实测温度分布见图8和图9，推力瓦面温度35~71℃，托瓦面温度32~34℃。图10同时给出了轴承温度分布的三维温度场数值计算结果和应力变形的三维数值计算结果。可见托瓦温度基本上是均匀的，由此使瓦的热变形影响降低。推力瓦瓦面沿径向微凹，而镜板面沿径向是微凸的。瓦面的微凹使镜板面微凸对轴承性能的影响相对降低，这就是所谓进一步优化小支柱弹性的结果，可抵消镜板的大部分变形。

　　5.2 下导推力轴承的油循环系统

　　推力轴承和下导轴承所产生损耗由循环油带出油槽，而循环油的动力由导瓦泵形成。导轴承瓦块为自泵瓦，机组转动时推力头镜板外缘将油带入导瓦泵油腔，流向集油环管。集油环管将热油排出油槽，经外部冷却器冷却后回到轴承下方的冷油集油环管，将冷油分散向上流向瓦块。由于没有其他的密封元件及引起表面摩擦的部件，因此不会产生额外的损耗。
表4给出了自泵瓦的设计参数。

 
　　图8 推力瓦面下5mm温度分布
 
　　图9 托瓦面下15mm温度分布

     
　　图10 瓦温度分布和瓦变形
 
　　图11自泵瓦及导瓦泵外循环系统示意图

　　图中：1—集油管  2—热油流 3—承载油膜

　　4—热交换器 5—泵油腔  6—冷油流

表4 三峡自泵瓦设计参数

　　三峡水轮发电机推力轴承采用小支柱簇双层瓦、导瓦自泵油外循环等水轮发电机推力轴承新型结构，这些新型结构在推力轴承的推力台试验和真机的运行中体现出优越的性能，保证了机组的正常运行。

　　6 瞬态过程的受力分析

　　6.1 故障短路电流

　　借助于软件SIMSEN，可对三峡右岸水轮发电机的各种短路故障进行仿真研究。图12为三峡右岸水轮发电机负载情况下发生不同突然短路时定子电流的计算波形。
 
　　(a) 三相短路
 
　　(b) 两相短路
 
　　(c) 单相对中性点短路

　　图12  三峡右岸水轮发电机短路电流的计算结果

　　6.2 铜环引线的受力

　　根据短路电流的峰值，采用解析法可以对定子的铜环引线受力进行计算分析, 。铜环上受力最大的位置如图13所示。
  

　　图13 铜环引线示意图

　　从受力情况考虑，三峡右岸水轮发电机最严重的短路故障为三相短路，短路电流的最大值为289093A（最大容量方案）。三相短路情况下铜环引线的受力如表5所示。由于所计算的是铜环引线受力最大的情况，各条铜环中的电流取相同方向（表中力的正负号表示铜环的引线受力的方向）。

表5  各层铜环单位长度上受到的力（N/m）

　　6.3 定子线棒槽内受力

　　三相短路时槽部线棒的受力的计算结果如表6所示。

表6  突然短路时定子槽部线棒的受力
受力类型    单位长度受力
（kgf/cm）
上层线棒受力    101.51
下层线棒受力    135.34

　　6.4 定子绕组端部电动力

　　定子绕组端部电动力的计算是采用引进软件ABBFED进行的。计算分析表明，120°误同期时定子绕组端部电动力最大，为13082.02N。
 

　　图14 120°误同期的定子电流

　　图14为120°误同期时定子电流的初始波形，图15为在此工况下定子线棒的三维受力情况。
 
　　图15 120°误同期的定子端部电动力

　　7 发电机的运行及试验分析

　　由于水头的原因，三峡右岸全空冷水轮发电机的运行功率最高只达到了600MW。但运行的结果已显示了发电机优秀的性能。表7为运行温度的试验情况。

表7 实测电机温升

　　发电机线电压的波形畸变率为0.26%、电话谐波因数为0.20%。

　　由空载短路试验得到额定工况下直轴同步电抗 不饱和值为1.129、饱和值为0.939；短路比SCR为1.065。三相突然短路试验测得的发电机瞬态参数分别为 为0.280、 为0.235，直轴瞬态短路时间常数 为1.45s，直轴超瞬态短路时间常数 为0.085s，电枢短路时间常数Ta为0.32s。

　　发电机在输出500MW功率的效率为98.58%、输出600MW功率时的效率为98.68%。发电机的实际运行效果非常令人满意。

　　8 结论及展望

　　目前，国内三峡右岸、龙滩等电站一批700MW级全空冷水轮发电机已经投入运行，并获得了良好的运行效果和经验。通过对设计运行工作的全面总结获得了如下的结论：

　　（1）通过电磁方案的优化设计，700MW级水轮发电机采用全空气冷却方案是可以实现的。

　　（2）700MW级全空冷水轮发电机采用双路密闭自循环端部回风的通风方式，可以实现风量的均匀分布，保证机组的安全运行

　　（3）主绝缘方面，所研制的高电压场强环氧玻璃粉云母带，具有优越的电气性能、机械性能和耐热性能，在700MW级全空冷发电机上获得了成功的应用。

　　（4）大型高负荷水轮发电机轴承采用小支柱簇双层瓦、导瓦自泵油外循环的新型结构，在推力轴承的试验台和真机的运行中体现出优越的性能，可以保证机组的正常运行。

　　（3）瞬态过程相关结构件的受力分析为提高电机的抗冲击能力提供了依据，保证了大容量机组的运行可靠性。

　　三峡右岸水轮发电机最大容量为840MVA，是迄今世界最大的全空冷水轮发电机。三峡全空冷水轮发电机的投运，带动了同类产品采用全空冷方案的信心。目前，国内市场上拟投入的700MW级水轮发电机几乎都准备采用全空冷技术。

　　700MW级全空冷水轮发电机的研制成功，进一步拓展了水电产品的发展思路。今后更大容量水轮发电机的开发应该首先考虑全空冷发电机的可能性。这需要在电磁方案优化的基础上，进行冷却系统、转子刚强度、绝缘技术及安装工艺等方面深入、系统的研究。

　　参考文献

[1].    Gu Guobiao, Xiong Nan. The Development of Evaporation-cooling Technology For Large Generator in China. Proceedings of the Third Chinese 
International Conference “Electrical Machines” (CICEM’99), International Academic 
Publisher, Xi’an, P. R. China. August,1996
[2].    Daniel Schafer et al. Investigations into a 6000t Thrust Bearing with Teflon 
Layer or Babbitt Layer for the Three Gorges Units. Proceedings of the Fifth International 
conference “Electric Machines and System”, Shenyang, P. R. China. August, 2001, Vol. I.
[3].    Wu Zhongde, et al. Analysis of Thermoelastic Hydrodynamic Lubrication Performance
 of Thrust Bearings for Large Hydrogenerators [J]. Tribology. 21(2)(2001).
[4].    Sun Yutian, Tang Renyuan, et al. The calculation of EMF waveform of synchronous 
machines by time dependent field simulation. Electromagnetic field problems and 
applications(ICEF’96). International Academic Publisher, 1996.
[5].    Sun Yutian. Parameter Calculation for salient-pole synchronous machines. International Conference “Electrical Machines and 
Applications”, Harbin, P. R. China.  August, 1996.
[6].    李广德. 大型水轮发电机定子三维温度场计算. 大电机技术.2002年第2期

 
　　孙玉田简介：

　　孙玉田，男，1963年5月生，1987年7月毕业于哈尔滨电工学院，获硕士学位；1998年6月毕业于沈阳工业大学，获博士学位。现为哈尔滨电机厂有限责任公司副总设计师，哈尔滨大电机研究所电机研究室主任。长期从事大型水火电、交直流电机方面的科研开发工作。社会兼职包括国际大电网会议（CIGRE/A1-06）委员，国际计算磁学学会（ICS）会员，中国电工技术学会国际电磁场计算会议联络办公室委员会委员，全国风力机械标准化技术委员会（SAC/TC50）委员。
, r>表5  各层铜环单位长度上受到的力（N/m）

　　6.3 定子线棒槽内受力

　　三相短路时槽部线棒的受力的计算结果如表6所示。

表6  突然短路时定子槽部线棒的受力
受力类型    单位长度受力
（kgf/cm）
上层线棒受力    101.51
下层线棒受力    135.34

　　6.4 定子绕组端部电动力

　　定子绕组端部电动力的计算是采用引进软件ABBFED进行的。计算分析表明，120°误同期时定子绕组端部电动力最大，为13082.02N。
 

　　图14 120°误同期的定子电流

　　图14为120°误同期时定子电流的初始波形，图15为在此工况下定子线棒的三维受力情况。
 
　　图15 120°误同期的定子端部电动力

　　7 发电机的运行及试验分析

, 　　由于水头的原因，三峡右岸全空冷水轮发电机的运行功率最高只达到了600MW。但运行的结果已显示了发电机优秀的性能。表7为运行温度的试验情况。

表7 实测电机温升

　　发电机线电压的波形畸变率为0.26%、电话谐波因数为0.20%。

　　由空载短路试验得到额定工况下直轴同步电抗 不饱和值为1.129、饱和值为0.939；短路比SCR为1.065。三相突然短路试验测得的发电机瞬态参数分别为 为0.280、 为0.235，直轴瞬态短路时间常数 为1.45s，直轴超瞬态短路时间常数 为0.085s，电枢短路时间常数Ta为0.32s。

　　发电机在输出500MW功率的效率为98.58%、输出600MW功率时的效率为98.68%。发电机的实际运行效果非常令人满意。

　　8 结论及展望

　　目前，国内三峡右岸、龙滩等电站一批700MW级全空冷水轮发电机已经投入运行，并获得了良好的运行效果和经验。通过对设计运行工作的全面总结获得了如下的结论：

　　（1）通过电磁方案的优化设计，700MW级水轮发电机采用全空气冷却方案是可以实现的。

　　（2）700MW级全空冷水轮发电机采用双路密闭自循环端部回风的通风方式，可以实现风量的均匀分布，保证机组的安全运行

　　（3）主绝缘方面，所研制的高电压场强环氧玻璃粉云母带，具有优越的电气性能、机械性能和耐热性能，在700MW级全空冷发电机上获得了成功的应用。

　　（4）大型高负荷水轮发电机轴承采用小支柱簇双层瓦、导瓦自泵油外循环的新型结构，在推力轴承的试验台和真机的运行中体现出优越的性能，可以保证机组的正常运行。

　　（3）瞬态过程相关结构件的受力分析为提高电机的抗冲击能力提供了依据，保证了大容量机组的运行可靠性。

　　三峡右岸水轮发电机最大容量为840MVA，是迄今世界最大的全空冷水轮发电机。三峡全空冷水轮发电机的投运，带动了同类产品采用全空冷方案的信心。目前，国内市场上拟投入的700MW级水轮发电机几乎都准备采用全空冷技术。

　　700MW级全空冷水轮发电机的研制成功，进一步拓展了水电产品的发展思路。今后更大容量水轮发电机的开发应该首先考虑全空冷发电机的可能性。这需要在电磁方案优化的基础上，进行冷却系统、转子刚强度、绝缘技术及安装工艺等方面深入、系统的研究。

　　参考文献

[1].    Gu Guobiao, Xiong Nan. The Development of Evaporation-cooling Technology For Large Generator in China. Proceedings of the Third Chinese 
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Publisher, Xi’an, P. R. China. August,1996
[2].    Daniel Schafer et al. Investigations into a 6000t Thrust Bearing with Teflon 
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[3].    Wu Zhongde, et al. Analysis of Thermoelastic Hydrodynamic Lubrication Performance
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[5].    Sun Yutian. Parameter Calculation for salient-pole synchronous machines. International Conference “Electrical Machines and 
Applications”, Harbin, P. R. China.  August, 1996.
[6].    李广德. 大型水轮发电机定子三维温度场计算. 大电机技术.2002年第2期

 
　　孙玉田简介：

　　孙玉田，男，1963年5月生，1987年7月毕业于哈尔滨电工学院，获硕士学位；1998年6月毕业于沈阳工业大学，获博士学位。现为哈尔滨电机厂有限责任公司副总设计师，哈尔滨大电机研究所电机研究室主任。长期从事大型水火电、交直流电机方面的科研开发工作。社会兼职包括国际大电网会议（CIGRE/A1-06）委员，国际计算磁学学会（ICS）会员，中国电工技术学会国际电磁场计算会议联络办公室委员会委员，全国风力机械标准化技术委员会（SAC/TC50）委员。
, 。铜环上受力最大的位置如图13所示。
  

　　图13 铜环引线示意图

　　从受力情况考虑，三峡右岸水轮发电机最严重的短路故障为三相短路，短路电流的最大值为289093A（最大容量方案）。三相短路情况下铜环引线的受力如表5所示。由于所计算的是铜环引线受力最大的情况，各条铜环中的电流取相同方向（表中力的正负号表示铜环的引线受力的方向）。

表5  各层铜环单位长度上受到的力（N/m）

　　6.3 定子线棒槽内受力

　　三相短路时槽部线棒的受力的计算结果如表6所示。

表6  突然短路时定子槽部线棒的受力
受力类型    单位长度受力
（kgf/cm）
上层线棒受力    101.51
下层线棒受力    135.34

　　6.4 定子绕组端部电动力

　　定子绕组端部电动力的计算是采用引进软件ABBFED进行的。计算分析表明，120°误同期时定子绕组端部电动力最大，为13082.02N。
 

　　图14 120°误同期的定子电流

　　图14为120°误同期时定子电流的初始波形，图15为在此工况下定子线棒的三维受力情况。
 
　　图15 120°误同期的定子端部电动力

　　7 发电机的运行及试验分析

　　由于水头的原因，三峡右岸全空冷水轮发电机的运行功率最高只达到了600MW。但运行的结果已显示了发电机优秀的性能。表7为运行温度的试验情况。

表7 实测电机温升

　　发电机线电压的波形畸变率为0.26%、电话谐波因数为0.20%。

　　由空载短路试验得到额定工况下直轴同步电抗 不饱和值为1.129、饱和值为0.939；短路比SCR为1.065。三相突然短路试验测得的发电机瞬态参数分别为 为0.280、 为0.235，直轴瞬态短路时间常数 为1.45s，直轴超瞬态短路时间常数 为0.085s，电枢短路时间常数Ta为0.32s。

　　发电机在输出500MW功率的效率为98.58%、输出600MW功率时的效率为98.68%。发电机的实际运行效果非常令人满意。

　　8 结论及展望

　　目前，国内三峡右岸、龙滩等电站一批700MW级全空冷水轮发电机已经投入运行，并获得了良好的运行效果和经验。通过对设计运行工作的全面总结获得了如下的结论：

　　（1）通过电磁方案的优化设计，700MW级水轮发电机采用全空气冷却方案是可以实现的。

　　（2）700MW级全空冷水轮发电机采用双路密闭自循环端部回风的通风方式，可以实现风量的均匀分布，保证机组的安全运行

　　（3）主绝缘方面，所研制的高电压场强环氧玻璃粉云母带，具有优越的电气性能、机械性能和耐热性能，在700MW级全空冷发电机上获得了成功的应用。

　　（4）大型高负荷水轮发电机轴承采用小支柱簇双层瓦、导瓦自泵油外循环的新型结构，在推力轴承的试验台和真机的运行中体现出优越的性能，可以保证机组的正常运行。

　　（3）瞬态过程相关结构件的受力分析为提高电机的抗冲击能力提供了依据，保证了大容量机组的运行可靠性。

　　三峡右岸水轮发电机最大容量为840MVA，是迄今世界最大的全空冷水轮发电机。三峡全空冷水轮发电机的投运，带动了同类产品采用全空冷方案的信心。目前，国内市场上拟投入的700MW级水轮发电机几乎都准备采用全空冷技术。

　　700MW级全空冷水轮发电机的研制成功，进一步拓展了水电产品的发展思路。今后更大容量水轮发电机的开发应该首先考虑全空冷发电机的可能性。这需要在电磁方案优化的基础上，进行冷却系统、转子刚强度、绝缘技术及安装工艺等方面深入、系统的研究。

　　参考文献

[1].    Gu Guobiao, Xiong Nan. The Development of Evaporation-cooling Technology For Large Generator in China. Proceedings of the Third Chinese 
International Conference “Electrical Machines” (CICEM’99), International Academic 
Publisher, Xi’an, P. R. China. August,1996
[2].    Daniel Schafer et al. Investigations into a 6000t Thrust Bearing with Teflon 
Layer or Babbitt Layer for the Three Gorges Units. Proceedings of the Fifth International 
conference “Electric Machines and System”, Shenyang, P. R. China. August, 2001, Vol. I.
[3].    Wu Zhongde, et al. Analysis of Thermoelastic Hydrodynamic Lubrication Performance
 of Thrust Bearings for Large Hydrogenerators [J]. Tribology. 21(2)(2001).
[4].    Sun Yutian, Tang Renyuan, et al. The calculation of EMF waveform of synchronous 
machines by time dependent field simulation. Electromagnetic field problems and 
applications(ICEF’96). International Academic Publisher, 1996.
[5].    Sun Yutian. Parameter Calculation for salient-pole synchronous machines. International Conference “Electrical Machines and 
Applications”, Harbin, P. R. China.  August, 1996.
[6].    李广德. 大型水轮发电机定子三维温度场计算. 大电机技术.2002年第2期

 
　　孙玉田简介：

　　孙玉田，男，1963年5月生，1987年7月毕业于哈尔滨电工学院，获硕士学位；1998年6月毕业于沈阳工业大学，获博士学位。现为哈尔滨电机厂有限责任公司副总设计师，哈尔滨大电机研究所电机研究室主任。长期从事大型水火电、交直流电机方面的科研开发工作。社会兼职包括国际大电网会议（CIGRE/A1-06）委员，国际计算磁学学会（ICS）会员，中国电工技术学会国际电磁场计算会议联络办公室委员会委员，全国风力机械标准化技术委员会（SAC/TC50）委员。
, r>表5  各层铜环单位长度上受到的力（N/m）

　　6.3 定子线棒槽内受力

　　三相短路时槽部线棒的受力的计算结果如表6所示。

表6  突然短路时定子槽部线棒的受力
受力类型    单位长度受力
（kgf/cm）
上层线棒受力    101.51
下层线棒受力    135.34

　　6.4 定子绕组端部电动力

　　定子绕组端部电动力的计算是采用引进软件ABBFED进行的。计算分析表明，120°误同期时定子绕组端部电动力最大，为13082.02N。
 

　　图14 120°误同期的定子电流

　　图14为120°误同期时定子电流的初始波形，图15为在此工况下定子线棒的三维受力情况。
 
　　图15 120°误同期的定子端部电动力

　　7 发电机的运行及试验分析

, 　　由于水头的原因，三峡右岸全空冷水轮发电机的运行功率最高只达到了600MW。但运行的结果已显示了发电机优秀的性能。表7为运行温度的试验情况。

表7 实测电机温升

　　发电机线电压的波形畸变率为0.26%、电话谐波因数为0.20%。

　　由空载短路试验得到额定工况下直轴同步电抗 不饱和值为1.129、饱和值为0.939；短路比SCR为1.065。三相突然短路试验测得的发电机瞬态参数分别为 为0.280、 为0.235，直轴瞬态短路时间常数 为1.45s，直轴超瞬态短路时间常数 为0.085s，电枢短路时间常数Ta为0.32s。

　　发电机在输出500MW功率的效率为98.58%、输出600MW功率时的效率为98.68%。发电机的实际运行效果非常令人满意。

　　8 结论及展望

　　目前，国内三峡右岸、龙滩等电站一批700MW级全空冷水轮发电机已经投入运行，并获得了良好的运行效果和经验。通过对设计运行工作的全面总结获得了如下的结论：

　　（1）通过电磁方案的优化设计，700MW级水轮发电机采用全空气冷却方案是可以实现的。

　　（2）700MW级全空冷水轮发电机采用双路密闭自循环端部回风的通风方式，可以实现风量的均匀分布，保证机组的安全运行

　　（3）主绝缘方面，所研制的高电压场强环氧玻璃粉云母带，具有优越的电气性能、机械性能和耐热性能，在700MW级全空冷发电机上获得了成功的应用。

　　（4）大型高负荷水轮发电机轴承采用小支柱簇双层瓦、导瓦自泵油外循环的新型结构，在推力轴承的试验台和真机的运行中体现出优越的性能，可以保证机组的正常运行。

　　（3）瞬态过程相关结构件的受力分析为提高电机的抗冲击能力提供了依据，保证了大容量机组的运行可靠性。

　　三峡右岸水轮发电机最大容量为840MVA，是迄今世界最大的全空冷水轮发电机。三峡全空冷水轮发电机的投运，带动了同类产品采用全空冷方案的信心。目前，国内市场上拟投入的700MW级水轮发电机几乎都准备采用全空冷技术。

　　700MW级全空冷水轮发电机的研制成功，进一步拓展了水电产品的发展思路。今后更大容量水轮发电机的开发应该首先考虑全空冷发电机的可能性。这需要在电磁方案优化的基础上，进行冷却系统、转子刚强度、绝缘技术及安装工艺等方面深入、系统的研究。

　　参考文献

[1].    Gu Guobiao, Xiong Nan. The Development of Evaporation-cooling Technology For Large Generator in China. Proceedings of the Third Chinese 
International Conference “Electrical Machines” (CICEM’99), International Academic 
Publisher, Xi’an, P. R. China. August,1996
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Layer or Babbitt Layer for the Three Gorges Units. Proceedings of the Fifth International 
conference “Electric Machines and System”, Shenyang, P. R. China. August, 2001, Vol. I.
[3].    Wu Zhongde, et al. Analysis of Thermoelastic Hydrodynamic Lubrication Performance
 of Thrust Bearings for Large Hydrogenerators [J]. Tribology. 21(2)(2001).
[4].    Sun Yutian, Tang Renyuan, et al. The calculation of EMF waveform of synchronous 
machines by time dependent field simulation. Electromagnetic field problems and 
applications(ICEF’96). International Academic Publisher, 1996.
[5].    Sun Yutian. Parameter Calculation for salient-pole synchronous machines. International Conference “Electrical Machines and 
Applications”, Harbin, P. R. China.  August, 1996.
[6].    李广德. 大型水轮发电机定子三维温度场计算. 大电机技术.2002年第2期

 
　　孙玉田简介：

　　孙玉田，男，1963年5月生，1987年7月毕业于哈尔滨电工学院，获硕士学位；1998年6月毕业于沈阳工业大学，获博士学位。现为哈尔滨电机厂有限责任公司副总设计师，哈尔滨大电机研究所电机研究室主任。长期从事大型水火电、交直流电机方面的科研开发工作。社会兼职包括国际大电网会议（CIGRE/A1-06）委员，国际计算磁学学会（ICS）会员，中国电工技术学会国际电磁场计算会议联络办公室委员会委员，全国风力机械标准化技术委员会（SAC/TC50）委员。