水輪發電機

水輪發電機由水輪機驅動。它的轉子短粗，機組的起動、併網所需時間較短，運行調度靈活，除一般發電外，特別宜於作為調峯機組和事故備用機組。水輪發電機組的最大容量已達80萬千瓦。

柴油發電機由內燃機驅動。它起動迅速，操作方便，但發電成本高，主要用作應急備用電源，或在大電網沒有達到的地區和流動電站使用。容量多在幾千瓦至幾千千瓦之間。柴油機軸上輸出的轉矩呈週期性脈動，須防止共振和斷軸事故。

水輪發電機的轉速將決定發出的交流電的頻率，為保證這個頻率的穩定，就必須穩定轉子的轉速。為了穩定轉速，可採用閉環控制的方式對原動機（水輪機）轉速進行控制，即將發出的交流電的頻率信號採樣，並將其反饋到控制水輪機導葉開合角度的控制系統中，去控制水輪機的輸出功率，通過反饋控制原理，就可以讓發電機的轉速穩定了。

世界第一座水電站於1878年建於法國。美洲第一座水電站於1882年建在美國威斯康星州，採用直流發電機。1889年後,開始使用三相交流發電機。此後,單機容量增長很快，1890年僅1.5萬kW,至1955年已能生產10.5萬kW的發電機。中國在1949年以前自制的水輪發電機單機容量不超過200kW,1949年以後電機工業獲得了蓬勃的發展，1958年已能生產7.25萬kW單機，1972年已製造出30萬kW雙水內冷水輪發電機。位於世界前列的大容量水輪發電機為大古力水電站的 71.8萬kVA定子水冷半傘式水輪發電機、伊泰普水電站73.7萬kVA定子水冷半傘式水輪發電機和古裏水電站70.0萬kVA空冷傘式水輪發電機以及向家壩80.0萬KW水輪發電機等。

水輪發電機按軸線位置可分為立式與卧式兩類。大中型機組一般採用立式佈置，卧式佈置通常用於小型機組和貫流式機組。立式水輪發電機按導軸承支持方式又分為懸式和傘式兩種。傘式水輪發電機按導軸承位於上下機架的不同位置又分為普通傘式、半傘式和全傘式。懸式水輪發電機的穩定性比傘式好，推力軸承小，損耗小，安裝維護方便，但鋼材耗量多。傘式機組總高度低，可降低水電站廠房高度。卧式水輪發電機一般用於轉速大於375r/min的情況，以及一些小容量電站。 水輪發電機

對於水輪發電機的容量和轉速等級劃分,世界各國尚無統一的標準。根據我國的情況,大致上可以按下表劃分其容量和轉速等級：

分類 額定功率Pn(kW) 額定轉速Nn(r/min)

低速 中速 高速

微型水輪發電機 <100 750-1500

小型水輪發電機 100-500 <375 375-600 750-1500

中型水輪發電機 500-10000 <375 375-600 750-1500

大型水輪發電機 >10000 <100 100-375 >375

水輪發電機由轉子、定子、機架、推力軸承、導軸承、冷卻器、制動器等主要部件組成（見圖）。定子主要由機座、鐵芯和繞組等部件組成。定子鐵芯用冷軋硅鋼片疊成，按製造和運輸條件可做成整體和分瓣結構。水輪發電機冷卻方式一般採用密閉循環空氣冷卻。特大容量機組傾向於以水作為冷卻介質，直接冷卻定子。如同時冷卻定子和轉子則為雙水內冷水輪發電機組。

水輪發電機的安裝結構形式通常由水輪機的型式確定。主要有以下幾種型式:

1)卧式結構

卧式結構的水輪發電機通常有衝擊式水輪機驅動。卧式水輪機組通常採用兩個或三個軸承。兩個軸承的結構其軸向長度短，結構緊湊，安裝調整方便。但當其軸系臨界轉速不能滿足要求或軸承負荷較大時，這需要採用三軸承結構。國產卧室水輪機發電機組大部分屬於中小型機組。而容量為12.5MW的大型卧式機組也有生產，國外生產的卧式水輪發電機組，容量在60--70MW的並不罕見，而用抽水蓄能電站的卧式水輪發電機組，單機容量可達300MW。

2)立式結構

國產水輪發電機組廣泛採用立式結構。立式水輪發電機組通常由混流式或軸流式水輪機驅動。立式結構又可分為懸式和傘式。發電機推力軸承位於轉子上部的統稱為懸式,位於轉子下部的統稱為傘式。

3)貫流式結構

貫流式水輪發電機組由貫流式水輪機驅動。貫流式水輪機是一種帶有固定或可調轉輪葉片的軸流式水輪機的特殊型式。它的主要特徵是轉輪軸線採取水平或傾斜佈置,並與水輪機進水管和出水管水流方向一致。貫流式水輪發電機具有結構緊湊,重量輕的優點,廣泛用於低水頭的電站中。 ^[2] 

①額定功率：用以表示水輪發電機的容量，以千瓦計。額定功率除以效率不應大於水輪機的最大軸出力。②額定電壓：水輪發電機的額定電壓需經技術經濟比較會同製造廠決定，當前水輪發電機的電壓從6.3kV到 18.0kV。容量越大則額定電壓越高。③額定功率因數:發電機的額定有功功率與額定視在功率之比,用cosφn表示,遠離負荷中心的水電站常採用較高的功率因數，功率因數增大則電機的造價可略降低。

①蓄能電站在電網中主要起調峯填谷作用，機組起動停止很頻繁。發電電動機的結構必須充分考慮其反覆出現的離心力，對結構材料造成疲勞和定子、轉子繞組上的熱變化和熱膨脹，定子常採用熱彈性絕緣；②可逆式發電電動機用常規水輪發電機轉子上的風扇不能滿足散熱降温的要求,對大容量高轉速的機組一般採用外設風扇;③推力軸承和導軸承在正反旋轉時，油膜都不能破壞；④結構與起動方式有密切關係，用起動電動機則在同軸上裝有專用電動機，如需改變發電電動機轉速時，除改變電源相位外，還需將定子繞組改接和將轉子換極。 ^[1] 

主要為提高水輪發電機的單機容量向巨型機組發展，為了提高其可靠性和耐久性，在結構上採用不少新技術。例如為解決定子的熱膨脹而用定子浮動結構、斜支承等，轉子採用圓盤式結構。為解決定子線圈的鬆動，用彈性楔下墊條以防止線棒絕緣磨損。改進通風結構，減少風損和端部渦流損耗以進一步提高機組效率。①隨着水泵水輪機製造技術的發展，發電電動機的轉速和容量也在增大，向大容量高轉速發展。世界上裝有大容量、高轉速發電電動機的已建蓄能電站有英國的迪諾威克抽水蓄能電站（33萬kVA、500r/min）等。②採用雙水內冷發電電動機,定子線圈、轉子線圈及定子鐵芯用離子水直接內冷方式可提高發電電動機的製造界限。美國拉孔山抽水蓄能電站的發電電動機（42.5萬kVA、300r/min）,也採用雙水內冷。③磁推力軸承的應用。隨着發電電動機容量增大轉速增高，機組的推力負荷及起動轉矩也在增加。用了磁推力軸承後，推力負荷由於加上了與重力反方向的磁吸引力，從而減少了推力軸承的荷載,減小了軸面阻力損失,降低了軸承温度和提高了機組效率，起動阻力矩也減小。韓國的桑朗京抽水蓄能電站的發電電動機（33.5萬kVA、300r/min）即採用磁推力軸承。

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