（国家电网甘肃省电力公司刘家峡水电厂 甘肃永靖 731600）
摘要：水轮机在运作时其铁芯会受到一定的热膨胀，致使总体铁芯对应缝合面会受到不一样方向所带来的挤压力，这样会导致铁芯出现损失的情况。因此，对大型水轮发电机关键技术问题进行详细分析研究是势在必行的。
关键词：大型水轮发电机；结构简介；关键技术
引言
中国有着丰富的水资源，是水电行业发展的基础。随着诸多大型水利工程的建成，有效的推进了我国水电发展，对应的水电机组不断的朝向大型及超大型发展。根据国内水利发电工程学会相关统计资料显示，到2020年，国内的700MW水轮发电机数目将会超出150台。大型水轮发电机具备非正常停机损失大、定转子额定电压较高以及发电机定子绕组的中性点引出方法极多等自身特点。
一、大型水轮发电机结构简介
发电机主要部套的功能介绍如下：
（1）集电环固定在上端轴上，用来向转子传导励磁电流。
（2）上导轴承承受发电机转动部分的径向力，并传递给上机架，保持上端轴绕旋转中心转动，安装在上机架中心体内。
（3）上机架承受来自上导轴承、集电环罩和发电机上盖板等各方面的力，传递给电机层基础，并具有足够的刚度。
（4）定子机座用来固定定子铁心，定子铁心是发电机磁路的主要组成部分，用来固定定子线棒。
（5）转子发电机的转动部件，用来产生旋转磁场，转换能量。
（6）转子支架是连接磁扼和轴的中间部件，主要承受扭矩、磁极、磁扼的重力矩、自身离心力以及热打键径向配合力作用。
（7）磁极是提供励磁磁场的感应部件，由磁极铁心、磁极线圈及绝缘部件组成。
（8）磁扼是发电机磁路的组成部分，发电机的飞轮力矩主要由磁扼产生。
（9）下机架承受水轮发电机组所有转动部分的重量和水轮机最大水推力。
（10）推力轴承安装在下机架上，是承受水轮发电机组所有转动部分的重量及水推力的部件。
（11）下导轴承承受发电机转动部分的径向力，保持转子和下端轴绕旋转中心转动。
（12）发电机下端轴用来传递水轮机给发电机的扭矩。
二、大型水轮发电机关键技术
1、双层瓦技术
推力轴承是应用液体润滑承载原理的机械部件，它可以承受水轮发电机组所有转动部分的重量，包括水轮机最大水推力在内的最大组合载荷。对推力轴承的一般要求为当发电机在额定电压、额定转速、功率因数为0.9、额定容量运行时，导轴承和推力轴承巴氏合金瓦用埋设的检温计法测量的温度均不得超过75 ℃。对于大型水轮发电机组推力负荷（轴向载荷）通常超过3000吨，甚至达到6000吨，为了减小由于压力和温度不平衡引起推力轴瓦变形，需要在轴承设计中采取一些特殊的方法，使得机组运行时油膜保持一定的厚度，提高机组运行的可靠性。
图1 推力瓦支撑销钉分布图
轴承的有效部分，即推力瓦和镜板受负载和温度的影响会产生变形，推力瓦温度分布和推力瓦负载分布规律。根据这个分布趋势，设计了一种新的推力轴承瓦，即推力瓦为双层瓦结构，该结构由一薄瓦1和一厚瓦2组成，薄瓦为运行瓦，厚瓦为托瓦，两层瓦之间由直径不同的垂直销钉3来支撑，销钉具有不同的弹性，运行瓦表面铸有一层巴瓦合金4。薄瓦产生的变形主要由在负载下支撑销钉的伸缩来确定。由于温度梯度产生的变形，支撑销钉也会使销钉稍许缩短，支撑销钉由托瓦来支撑。支撑销钉大小通过计算压力分布和轴瓦的变形来确定，见图1。
推力轴承采用双层瓦技术，实现了最优的油膜压力和温度分布，最大限度地减小了轴瓦的热变形，最大限度地减小了轴瓦的弯曲变形。
2、定子保护技术
2.1主保护
大型水轮发电机的主保护用以反应定子绕组及其引出线的相间短路故障，作用于“三分”，通常有以下3种：
（1）过电流保护。它适用于l00KW及以下单独运行的大型低压发电机。若发电机中性点侧有分相引出线时，则装设在中性点侧，如图4所示；若中性点侧无引出线，则在发电机引出线的端部上装设，但只能反应引出线的短路，而不能反应发电机内部相间短路故障。这种保护方式在高压水轮发电机中不采用。
（2）电流速断保护。在800KW以下并列运行的大型水轮发电机机端上装设。若灵敏度不能满足要求时，则应装设发电机纵差保护。
（3）纵差保护。800KW及以上容量的大型水轮发电机，或者800KW以下的重要发电机均应装设纵差保护，800KW以下的一般发电机，当电流速断保护的灵敏度不能满足要求时，也应装设纵差保护。作为大型水轮发电机的主保护，以防御发电机内部定子绕组及其引出线相间短路。其动作范围应包括发电机及其与发电机出口断路器之间的连接线（即构成纵差保护的两组电流互感器之间）。一组电流互感器应装在发电机中性点侧分相引出线上，另一组电流互感器则装在发电机引出线与断路器之间。
2.2后备保护
大型水轮发电机的后备保护以过电流保护为主，作为发电机内、外部相间短路的后备，其装置作用于延时分断断路器和灭磁开关（即“二分”）。此保护通常有以下3种：
（1）一般过电流保护，适用于800KW以下的大型水轮发电机。
（2）欠电压起动的过电流保护，适用于800～3000KW、3～10KV出线电压的大型水轮发电机。但当稳态短路电流小于额定电流且衰减速度快时，宜采取“瞬时测定电流”的措施。
（3）负荷电压起动的过电流保护，适用于3000KW以上、3～10KV出线的大型水轮发电机。在800KW以上的大型水轮发电机当采用欠电压过电流保护的电压元件灵敏度不能满足要求时也应采用复合电压过电流保护。
2.3单相接地保护
单相接地保护反应发电机定子绕组的单相接地故障。对于3～10KV、接地电容电流大于或等于5A和400V的大型发电机，应装设作用于“二分”的零序电流保护；对于3～10KV接地电容电流小于5A的大型发电机，应装设作用于信号的零序电压保护。
以上三种保护是反应发电机故障状态的。而以下3种保护则是反应发电机异常运行状态的。
2.4过负荷保护
过负荷保护反应发电机定子绕组过负荷引起的对称过电流。为了防止发电机长期过负荷引起定子绕组的过热，通常在定子一相上装设过负荷保护装置，延时作用于信号。运行人员得到过负荷信号后，应及时调整发电机负荷。
2.5解列保护
解列保护用于防止本厂于系统出现分同期合闸时发电机定子绕组中引起的过电流，作用于“二分”。
2.6过电压保护
在大型水轮发电机上装设过电压保护，用以反应发电机突然甩负荷时，定子绕组中引起的对称过电压，通常用一只过电压继电器装设在线电压上，延时作用于“二分”。对于发电机定子绕组匝间短路，至今还没有比较完善的简便保护方式，所以，大型水轮发电机一般均不装设防御钉子绕组匝间短路的比较复杂的横联差动保护，而是利用定子三相电流表来监视运行情况。
3、转子保护技术
3.1转子一点接地保护
转子一点接地保护装设在1000KW以上的大型水轮发电机上，用以反应发电机转子绕组的一点接地故障。此故障并不形成故障电流，但它有发展成为两点接地的危险，故应作用于信号，以便运行人员予以酌情处理（人工停机或不停机）。对于1000KW及其以下的大型水轮发电机宜采用转子一点接地定期检测装置（即转子励磁回路绝缘监视装置），而不专门装设转子一点接地保护。
3.2大型水轮发电机的失磁保护
失磁保护用以反映发电机转子绕组励磁电流消失或异常下降的故障，只用作分断发电祖出口断路器。大型水轮发电机通常采用以下2种简单的失磁保护：
（1）反应励磁开关Qfd误分的失磁保护，适用于带直流励磁机的大型水轮发电机。
（2）反应励磁欠电流的失磁保护，适用于带半导体励磁装置的大型水轮发电机。大型水轮发电机的转子绕组的过负荷，可利用转子电流表进行监视。应当指出，发电机的故障状态与异常状态的概念，不同于输电线路，因此保护装置“分闸”与“发信号”的情况也不尽相同，即故障直接发生在发电机内部者，称为故障状态；故障发生在发电机外部而由发电机保护反应者，称为异常状态。
4、PLC技术
PLC在水轮发电机开机自动控制系统中的应用，水轮发电机在运行时受汛期影响，因此其开机方式应有不同的选择，选用不同的主轴保证其密封水供水质量，像以往在实际工作时需要工作人员准确分析水流情况决定发电机运行规格，以便保证设备正常运行，如非汛期工作人员需要根据设备运行实际情况及供水纯度确定用水电磁阀是全开还是全关，实际运行时是否需要启动调速器，这些工作需要投入大量的人力，工作繁琐且需要对其进行准确判定，以便保证后期工作的稳定运行，如果在开机设备中安装PLC，总结以往的工作经验，对其进行编程处理，以便设备能够根据实际情况进行自动调节和运行，实现无人操作，运用技术设备不仅能有效提高工作效率同时还能提高其工作质量。
在水轮发电机中安装PLC，以便设备在发出命令时发电机能自动启动、并网、运转、调节，同时还能实现其自我保护，即在设备运行出现问题时自动断开连接或是发出相应的预警信号，工作人员可以根据以往设备运行时经常出现的问题事先在设备中输入相应的程序，设备能够自动报停，向维修人员提供维修指导，对于一些简单的小问题可以自动选用事先设定的措施恢复运转。如在水轮发电机出现运行故障时，像风机故障或设备温度过高，可以设定相应的程序启动紧急停机装置，断开连接，有效保护设备，减轻企业的经济负担。
PLC在水轮发电机停机控制中的应用，电力企业是我国重要的能源供应基地，当前随着社会的高速运转，人们加大了对电力能源的需求量，高强度超负荷运转，使得其制动设备难免会有所破损，不仅加大了维修费用，同时也会因为破损影响发电机的正常运行，如常出现风闸卡死问题，一旦出现该问题就需要人工进行处理，运用PLC控制优化系统构造，缩短制动时间，实现停机控制。
结语
水轮机正常的运作状态下，其对应的定子铁芯会承受切向电磁扭矩以及相关轴向重力，还有在水轮机快速运作时其对应定子铁芯会存在一定程度的发热，机座以及铁芯均是不一样的运作情况，所以在温度不一样的状态下就会存在温差，对应的高温铁芯会出现膨胀以及其座机的制约，座机对于铁芯具备一个径向压力，和相关铁芯膨胀力刚好是相反的；以及其对应的定子铁芯会受到转子所具备的径向磁拉力，和分瓣定子会被拼为整圆形态以配合其铁芯共同进行运作。
参考文献：
[1]王晶超.PLC技术在水轮发电机组自动化改造中的应用分析[J].中国科技投资，2016（23）.
[2]陈俊，刘洪，严伟，沈全荣.大型水轮发电机组保护若干技术问题探讨[J].水电自动化与大坝监，2012（08）.
论文作者:肖海涛
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/14
标签：水轮发电机论文; 发电机论文; 定子论文; 推力论文; 转子论文; 电流论文; 绕组论文; 《电力设备》2017年第35期论文;