hydrogenerator; hydraulic gen-erator
简介
用水轮机驱动，将机械能转换为电能的交流同步电机。
水轮发电机通常有发电、调相和进相3种运行方式。发电运行时可输出有功功率及无功功率;调相运行时吸收少量有功功率，输出无功功率;进相运行时吸收系统中空载长线所产生的无功功率，同时又向系统送出有功功率。水轮发电机组甩负荷时转速上升，为了限制转速上升在一定范围内，要求机组有较大的转动惯量。水电站一般远离负荷中心，通过长距离高压输电线路接入电力系统，因此水轮发电机参数要考虑电力系统静态和动态稳定的要求。
作用原理 当导体在磁场内运动切割磁力线时，就会在导体内感应产生电动势。水轮发电机的转子上装有磁极，磁极上放置磁极线圈，在通入电流后产生磁场。当水轮机驱动转子旋转时，磁极线圈所产生的磁场同样也旋转起来。旋转磁场切割定子上的线棒后，就在定子线棒内感应产生电动势。定子线棒在定子铁芯线槽中按三相空间互成120°排列，连接成定子三相绕组，则可从绕组中引出交流电流。就此将机械能转换成电能。
基本结构 水轮发电机由定子、转子、轴承、机架(或轴承座)等主要部件及励磁、冷却、制动、测量、灭火等辅助装置组成。水轮发电机主要结构部件示意图见图1。
图1 水轮发电机主要结构部件示意图
(1)定子是水轮发电机的静止部分，由机座、铁芯、绕组等组成。绕组和铁芯是定子的电磁部分;机座连同机架(见水轮发电机机架)是支持机组的结构部件。
(2)转子是水轮发电机的转动部分，由磁轭、磁极、大轴、支架等组成。磁轭和磁极是转子的电磁部分;大轴和支架是转子结构部件。
(3)轴承分推力轴承(见水轮发电机推力轴承)和导轴承(见水轮发电机导轴承)两种。推力轴承是用来承受水轮发电机组转动部分的全部重量和沿轴向的水推力。对于不同型式的机组，导轴承承受不同的负载。立式水轮发电机导轴承只承受机组转动部分的径向不平衡力和电磁不平衡力;卧式水轮发电机导轴承还承受转动部分的重量。机架(或轴承座)用于安置推力轴承、导轴承及其他部件。
(4)水轮发电机通常采用空气作为冷却介质对定子、转子绕组以及定子铁芯进行冷却。对于小容量水轮发电机常采用开启式或管道式通风方式。大、中容量水轮发电机采用空气冷却器冷却的密闭自循环冷却方式。一些大容量水轮发电机为了提高冷却强度，绕组采用空心导线直接通冷却介质的内冷方式，冷却介质采用水或新型介质。定子和转子绕组均采用水内冷方式的称为双水内冷;只是定子绕组用水内冷方式的称为半水内冷;除转子和定子绕组外，定于铁芯也采用水冷的称全水内冷(见水轮发电机空气冷却，水轮发电机水内冷，水轮发电机蒸发冷却)。
(5)水轮发电机组为了在停机过程中缩短低转速惰行时间，采用了制动措施。可以采用机械制动或电制动，也可以采用混合制动方式(见水轮发电机组停机制动)。
(6)水轮发电机励磁是在电机正常运行时提供所需的励磁电流，以维持发电机一定电压和一定无功功率。当电力系统发生短路或负荷突然变化时，进行强行励磁或强行减磁，以提高电力系统运行的稳定性和可靠性。当发电机正常停机和内部出现短路时，对发电机进行灭磁。
(7)为了监视水轮发电机的安全运行，需配有转速、温度、压力、液位、流量等测量装置。
(8)水轮发电机的灭火装置(见水电站防火)是为了迅速扑灭机组内部火灾而设置的。若发电机绝缘采用阻燃结构，原则上可不设灭火装置，但实际使用中设与不设的均有。采用的灭火介质有水、二氧化碳、卤代烷(又称Halon)等。水喷雾灭火是利用装在定子绕组端部附近环管上的喷嘴，在高压水作用下喷出水雾，隔绝空气而灭火，具有结构简单、无重燃危险的优点，但灭火后机组需及时干燥以防止硅钢片锈蚀。二氧化碳灭火是利用液态二氧化碳气化时容积增大的特性，排除空气，同时又吸收大量蒸发潜热，将火扑灭。由于二氧化碳气体能使人窒息致死，故应采取必要的通风和排放二氧化碳气体的措施，以确保人身安全。全厂可公用一套装置，通过管路切换到每台机组。卤代烷是一种非导电性气体，虽毒性小、低浓度下具有明显的灭火效果，但价格较贵，且世界环保组织已明令将禁用。这些灭火装置可以是手动或通过温感、烟感元件的自动报警系统启动。为防止误动作，目前大多采取报警系统的多种元件同时动作报警并经现场确认后才开始灭火。
水轮发电机的特性 包括空载特性、负载特性、稳态短路特性、调整特性、外特性及V形特性等，通常用曲线表示。这些特性表明在不同条件下，定子端电压(U，空载条件下为U0)、定子电流(I，短路条件下为Is)及励磁电流(If)三者之间的关系。①水轮发电机空载特性表明发电机在额定转速、输出功率为零的条件下，定子端电压与励磁电流的关系曲线，见图2(a)。②水轮发电机负载特性表明发电机在额定转速和恒定负载状态下定子端电压与励磁电流的饱和特性，见图2 (b);③水轮发电机稳态短路特性表明发电机在额定转速下定子绕组短路电流与励磁电流的关系曲线，见图2 (c);④水轮发电机调整特性表明发电机在额定转速和给定的功率因数下，保持定子端电压恒定时，励磁电流与定子电流的关系曲线，见图2 (d);⑤水轮发电机外特性表明发电机在励磁电流、转速及功率因数恒定时，定子端电压与定子电流的关系曲线，见图2(e);⑥水轮发电机V形特性表明发电机在定子端电压、转速、功率因数恒定时，定子电流与励磁电流关系曲线，见图2(f)。
图2 水轮发电机的特性曲线
(a)空载特性; (b)负载特性; (c)稳态短路特性;
(d)调整特性; (e)外特性; (f) V形特性
基本参数 包括额定容量，额定转速，额定电压，额定功率因数，调相容量，进相容量，充电容量，短路比，同步电抗，直轴瞬变电抗，直轴超瞬变电抗，负序电抗，零序电抗，定子非周期分量衰减时间常数，直轴瞬变电流衰减时间常数，直轴超瞬变电流衰减时间常数，转动惯量和机械时间常数等(见水轮发电机基本电气参数)。
型式与分类 水轮发电机按其转轴的布置方式不同可以分为立式与卧式两种，通常混流式或转桨式水轮机驱动的大、中型水轮发电机为立式结构。一般小型机组以及贯流式水轮机或冲击式水轮机驱动的水轮发电机都采用卧式结构。立式水轮发电机按其推力轴承布置位置的不同，又可分为悬式和伞式两种不同型式。推力轴承布置在转子下部的统称伞式水轮发电机。伞式又可分为全伞式和半伞式两种：在转子上部无导轴承的为全伞式;有导轴承的为半伞式。
按照冷却方式的不同，水轮发电机可分为空气冷却与内冷却两种。空气冷却水轮发电机按冷却介质的流通和散热方式又可分为3种型式：开启式、管道式、密闭式。内冷却水轮发电机，目前主要有水内冷却和新介质的蒸发冷却两种。
发展简史和趋势 1958年以前，投运的水轮发电机单机容量不大于150 MV·A。1961年单机容量265MV·A机组在前苏联布拉茨克水电站投入运行;1967年588 MV·A机组在前苏联克拉斯诺雅尔斯克水电站投运; 1975年615 MV·A机组在美国大古力水电站投人运行，1978年该电站718 MV·A机组又投运。1984年824 MV·A机组在巴西、巴拉圭共管的伊泰普水电站投入运行，是迄今已投运的单机容量最大的水轮发电机。目前大容量发电机的冷却方式采用空气冷却或定子水冷、转子空冷等方式。大容量水轮发电机效率已达98.3%～98.9%。
中国在解放前仅能生产小容量的水轮发电机。1941年生产的60 kW水轮发电机安装在当时西康省的雅安电厂。之后又生产了单机容量为200 kW的水轮发电机。1949年后，中国的水电事业开始了新的发展，水轮发电机产品单机容量逐渐增大，1953年为7.5MV·A，1955年为12.5 MV·A，1959年为85.3MV·A，1966年为257 MV·A，1972年为343MV·A，1984年为356 MV·A，1997年为444MV·A，1998年为611 MV·A。随着单机容量的增大，水轮发电机设计制造技术水平也在不断提高。新材料、新工艺、新结构已普遍在大、中型水轮发电机上采用。定子铁芯现场组装叠片不仅增加了定子铁芯的刚度，而且对防止铁芯“瓢曲”，降低因铁芯分瓣合缝不严而产生的冷态振动有较大的效果。发电机转子支架采用圆盘式支架、无轴结构，定子机座采用浮动结构等，使大容量发电机具有重量轻、刚度大、稳定性好、消除热胀冷缩应力变形等优点。在冷却技术方面，中国在20世纪60年代就研制成功了双水内冷水轮发电机，在1991年研制的60MV·A蒸发冷却水轮发电机投入商业运行。发电机的性能参数也有很大提高，大型水轮发电机的效率最高已达98%以上，已运行的水轮发电机的出力系数空冷方式可达8.1，水冷方式达到12。转子圆周线速度达到150 m/s以上，推力轴承最大推力负荷达到37240 kN (3800 t)以上。
拓展资料
水力发电机 涡轮发电机 水轮发电机运行 水轮发电机机组 低压水轮发电机 水轮发电机效率 小型水轮发电机 空冷水轮发电机 水轮发电机转子 水轮发电机定子