THDF12567百万千瓦级汽轮发电机的技术特点

THDF125/67百万千瓦级汽轮发电机的技术特点

Technical features of THDF125/67 1000MW class turbine generators

林军

（中国电力投资集团东北分公司，沈阳110179）

摘要：百万千瓦机组由于具有良好的经济性而成为电力工业和电机制造业的发展重点。通过对国内首

台1000MW汽轮发电机在制造、安装、调试及投产运行后有关情况的了解，详细介绍了发电机的及其辅助

系统的主要设计参数、实际运行参数、主要结构特点以及运行方式等方面内容，供同行全面了解上海汽轮

发电机有限公司引进德国西门子公司技术制造的具有国际先进水平的THDF126/67型百万级汽轮发电机。

关键词：汽轮发电机技术参数结构特点

国内首台1000MW超超临界燃煤机组于2006年11月28日在华能玉环电厂正式投产运行，标志着我国电站设计制造水平和电力工业技术等级已达到世界先进水平。该机组的汽轮发电机是由上海汽轮发电机有限公司引进德国西门子公司技术设计生产的，机组投产后，发电机运行稳定，各项技术指标均优于设计值。

1.主要技术数据

1.1 发电机主要数据

型号：THDF-125/67

额定容量：1056 MVA

额定功率：950MW

最大连续输出功率：1000MW

定子电压：27kV

定子电流：22581A

功率因数：0.90

氢压：0.5Mpa（表压）

额定转速：3000 r/min

相数：3

接法：YY

频率：50HZ

短路比：0.5

稳态I2（标幺值）：6％

暂态I22t：6秒

定、转子绝缘等级：F

效率(%)：98.99％

励磁方式：无刷励磁

发电机转子转动惯量：16180kgm3

惯性时间常数：0.76kWS/kVA

突然短路力矩：2.41×107NM

发电机转子临界转速：一次 720 r/min

二次 2100 r/min

冷却方式：水氢氢

冷氢进口温度：≤46℃

风量：33米3/秒

风扇压头：35千帕（等效空气中）

氢冷却器进水温度：35℃

氢冷却器额定容量：9400kW 关闭1/4

台冷却器，发电机允许在额

定氢压下仍可输出800MW 冷却水量：120米3/时

冷却水压降：0.15～0.2兆帕

冷却水最高进水温度：50℃

发电机转子重量：88吨

定子（带冷却器）：520吨

1.2 励磁系统技术数据

1.2.1 主励磁机数据

型号：ELR70/90-30/G-20N

额定容量: 4500kW

额定电压：600V

额定电流：7500A

额定频率：150HZ

额定转速：3000r/min

冷却方式：空冷

绝缘等级：F

接线方式: 6Y

励磁电压（75℃）: 79V

励磁电流: 151A

1.2.2 副励磁机数据

型号：ELP50/42-30/16

额定容量: 65kVA

额定电压：220V

额定电流：195A

额定频率：400HZ

额定转速：3000r/min

冷却方式：空冷

绝缘等级：F

接线方式: 8Y

相数：3

极数：16

励磁方式：永磁

1.3.3 旋转励磁装置数据

额定输出功率：4700kW

额定电压：600V

额定电流：7500A

承受最大反向电压/二极管：2600V

每回路串联二极管数：1

桥臂数：6

每桥臂并联二极管数：20

2. 发电机实际运行参数

华能玉环电厂1号发电机满负荷运行后各项参数均好于设计值，具体运行参数如表1:

表1 发电机实际运行值、设计值、报警值、保护设定值

序号项目单位运行值设计值报警值发电机保护设定值

1 发电机有功功率MW 999.8 1000

2 发电机无功功率MVA 235.8

3 频率HZ 50 50

4 定子A相电流kA 21.9 22.581

5 定子B相电流kA 22.1 22.581

6 定子C相电流kA 21.9 22.581

7 定子电压kV 27 27

8 定子线圈槽内层间温度℃65.9 ＜90

9 定子线梆汽端总出水管

温度

℃63.6 ≈70 85

10 定子绕组进水温度℃40.3 ≈48 53 58

11 定子绕组出水温度℃66.8 70 75

12 内冷水导电率μs/cm 0.15 ＜2 2

13 补充水电导率μs/cm 0.03 ＜1 1

14 定子铁芯端部温度℃72.8 ≈105 120

15 定子铁芯端部磁屏蔽温

度

℃66 ≈105 120

16 发电机氢冷器出口处冷

氢温度

℃39 ≈43 48 53

17 发电机氢冷器进口处热

氢温度

℃64 ＜84 88

18 发电机氢气压力Mpa 0.482 0.5

19 发电机氢气纯度％99.22 98 95

20 发电机氢气湿度℃－7.37 <0

3. 发电机的特点

THDF125/67型发电机采用德国西门子公司的最新技术，性能优良，发电机出力裕度大。该发电机能完全满足额定功率1000MW和MCR工况的要求https://www.360docs.net/doc/2e10004969.html,，并有一定裕度，同时还有以下显著特点：

（1）效率高。当采用无刷励磁时，在1000MV A、COSФ为0.9工况时，发电机效率的工厂试验值为99.01％；在1112MV A、COSФ为0.9工况时，发电机效率的设值为98.97％。

（2）励磁电流和励磁容量小。在1112MV A、COSФ为0.9时的励磁电流、励磁电压分别只有5887A和437V，提高了效率，降低了转子绕组温升。无刷励磁机的强励电压为820V，强励顶值电压不小于1.8倍。

（3）定子电压高，定子电流和电磁力小。该发电机定子电压高（27kV），与其它同类发电机相比，定子电流和电磁力小，发电机出水温升低。

4. 主要结构及其特点

发电机为两极隐极式转子，定子绕组采用水直接冷却，转子绕组、相连结线和出线套管均采用氢气直接冷却。发电机其它部件的损耗，如铁芯损耗、风摩损耗以及杂散损耗产生的热量，均由氢气带走。

4.1.定子机座

定子机座采用内、外机座结构形式。定子机座为气密型、耐压力的焊接结构。在机座内由圆环和轴向筋，确保机壳的钢度。含轴密封和轴承部件的端盖栓接到定子机座上。定子铁芯是分段的，设有弹簧板，弹性支撑定子铁芯。https://www.360docs.net/doc/2e10004969.html,定子铁芯由七个环笼固定，通过弹簧板焊接固定到机座上。弹簧板在铁芯左右两侧各布置六个，铁芯底部布置四个水平稳定弹簧，如此布置和调整弹簧，可以使磁场引起的铁芯振动不会传递到机座和基础上。冷却定子铁芯和励端转子绕组的冷氢通过焊接固定在机壳内表面的通风管流动。冷却器罩安装在定子机座的汽端，包括档环、档环支架和氢气冷却器，冷却器垂直安装在位于汽端的冷却器端罩中。在定子机座内的顶部和底部布置有充入二氧化碳和氢气的汇流管，这些汇流管在定子机座壳下部并排连接。在励端的机座下部布置有发电机出线盒，出线盒由非磁性钢板制成，发电机出线由出线盒接出。4.2定子铁芯

定子铁芯内径1410mm、外径3280mm、长度6700mm。铁芯由多层0.5mm厚的M270-50A高硅成分伞形片交错叠压在压圈上制成，通过齿压板和非磁性的穿心螺杆将铁芯压紧，并通过燕尾型支持筋装到支撑环上。压圈上焊接有压指，用于将压力从压圈传递到铁芯上。压指延伸至铁芯齿部，从而保证齿部区域也由足够的压紧力。完成铁芯叠压和夹紧后，将支持筋插入铁芯外圆的槽内，两端焊接到压圈上。支持筋与铁芯绝缘，为保证整个铁芯充分接地，在其中一根支持筋的槽内插入一根铜线。为保证充分散热，铁芯中有若干贯通轴向孔，使励端冷风流经这些孔到达汽端。

在铁芯端部采用阶梯式结构，可减少涡流损耗和局部发热。阶梯处硅钢片表面涂有粘接漆，使端部形成一个很好的整体。

定子端部采用齿压板和压圈压紧，在齿压板和压圈处都设计有通风道，使冷风能够进入，保证冷却效果。在压圈的外侧设有由硅钢片叠装成的磁屏蔽，磁屏蔽上也有径向通风道，已使冷风通过进行冷却，且内圆表面呈阶梯型，使发电机附加损耗小、温度低、进相能力提高。

4.3定子绕组

三相定子绕组为为独立线棒组成的分数极距双层绕组，每个定子槽中嵌有两个线棒，定子2极、42槽。线槽内固定采用侧面波纹板，槽低均压和楔下波纹板固定，见图1。定子槽中上层线棒和下层线棒相互换位，换位距离为一个绕组节距，并在端部连接成线圈组。线圈组通过定子机座内的相间连接线连接在一起。见图2。

线棒由多股小矩形截面导线组成，空心导线截面为14×4mm,实心导线截面为14×1.8mm 。小矩形截面导线采用编织玻璃纤维绝缘，并在定子槽内并排布置，各层之间通过排间垫条相互绝缘。在直槽部分股线以

540o交叉换位。在相间换位交叉点上，采用

1－定子铁芯；2－槽楔；3－滑动垫条；4－顶部波纹弹簧；5－填隙垫条；6－顶部垫条；7－冷却风道；8－实心导线；9－侧面中间垫条；10－上层线棒；11－中间垫条；12－下层线棒；13－Micalastic绝缘；14－低导电性侧面波纹垫条；15－低导电性均压垫条

图1：定子槽内布置

图2：定子绕组导线连接

绝缘垫条加强绝缘缘。线棒断面上由5股空心奥式体钢导线和25股实心铜导线组成。在线棒端部实心铜导线钎焊至铜接头上，空心铜导线钎焊至水盒上，https://www.360docs.net/doc/2e10004969.html, 水盒通过聚四氟乙烯绝缘软管与总汇水管相连，汇水总管与机座绝缘。上层线棒盒下层线棒之间的电气连接通过铜接头螺栓进行电连接。

相间连接线由铜管制成，采用氢气直接冷却。铜管外部采用半搭接的树脂云母带包裹，然后再用收缩形胶带包裹。相间连接线和定子绕组之间采用螺栓连接。

定子绕组采用西门子公司的MICALASTIC 绝缘，西门子公司采用该绝缘系统已有近五十年的历史。该工艺将股线布置在一起形成紧凑的组件并固化成规定的形状，然后将线棒组件与环氧树脂烘培在一起，在槽部部分的线棒外表面采用聚酯树脂浸渍的玻璃纤维胶带层作为最终保护，主绝缘单边厚度6.5mm 。在端部线匝上和开槽部分缠绕多层半搭接的云母胶带。云母胶带具有一层薄的高强度衬底材料，云母通过合成树脂粘合在衬底材料上。然后将缠好胶带的线棒在真空下烘干并用环氧树脂浸渍，再用氮气对其加压。最后，将线棒装入模具中，加工成规定的尺寸，并放入烘箱在高温下对其进行固化。为使绝缘层和和定子槽壁之间的电晕放电最小，在定子槽区域的绝缘上涂一层耐磨、含石墨的高弹性导电清漆做为保护层，保护层外粘合有一层半导体的聚酯垫。为防止线棒端部电晕，在槽口区域涂有半导体涂层。经过上述工序后，即可将其安装到定子铁芯的矩形槽中，所有间隙与间隔

都填塞能够浸渍的玻璃纤维编织的衬垫。

1－换位垫条（云母板）；2－成形垫条（云母板）；

3－空心导线（奥式体钢）；4－排间绝缘（环氧树脂）；5－MICALASTIC 绝缘（真空环氧树脂浸渍的绝缘）；6－外防晕层（导电聚酯胶带）；7－内部电位控制（半导体带）；8－股线绝缘（编织的玻璃纤维绝缘）

图3：MICALASTIC 绝缘结构

MICALASTIC 绝缘具有以下技术特点：

（1） MICALASTIC 为绕组提供了可靠的绝缘，从线棒一端到另一端进行连续绝缘，提高了绕组耐受过电压的水平，也可防止高压试验时，可能在槽口出现的高应力影

响，具有良好的电气寿命。

图4：MICALASTIC 实物线棒的电气寿命

（2） MICALASTIC 含有很高的云母成分及无空隙的环氧树脂，具有良好的导热性。

（3） 经环氧树脂浸渍和固化的绝缘，具有良好的热稳定性，可允许发电机在F 级绝缘等级工况下连续运行。

（4） MICALASTIC 具有良好的热弹性，能承受大温差的冷热变化。

（5） MICALASTIC 的固化合成树脂对温度变化和高温不敏感，随温度的上升tg δ

变化很小，能够曾受负荷的频繁变化。

图5：定子绕组tg δ与电压、温度的关系 （6） MICALASTIC 绝缘采用环氧树脂浸渍，完全密封了绕组，不易受潮。

（7） MICALASTIC 绝缘不燃，不需要灭火系统。另外，MICALASTIC 绝缘高耐化学反应，浸渍的树脂与润滑油不发生反应。

线圈端部绕组用压板和高强度绝缘螺栓夹紧到刚性绝缘大锥环上，该大锥环由定子机座支撑并允许在机座内轴向移动，整个端部线圈浇垫成一个整体，于是整个端部绕组形成一“刚－柔”结构。https://www.360docs.net/doc/2e10004969.html, 该结构在径向、切向的刚度很大，而在轴向能自由伸缩。当运行温度变化，铜铁膨胀不同时，绕组端部可轴向自由伸缩。这种端部固定有以下特点：

（1）定子线圈端部固定采用大锥环、弧形压板结构，整个端部线圈浇垫成一个整体；

（2）定子端部线圈渐伸线采用变节距设计，增大线圈隔相距离；

（3）径向采用具有目锁弹性自调整支紧结构，轴向用定位件支撑加以轴向定位，整个线圈端部在运行时能伸缩；

（4）定子线圈端部外包保护层，便于今后维修。

在上层和下层线棒的端部，股线钎焊到连接套上，股线排通过垫片成扇形展开。上层和下层线棒连接套在接触表面采用非磁性夹紧螺栓相互压紧。在夹紧螺栓上布置有belleville 垫圈，以保持接触压力均匀、

恒定。

1－上层线棒；2－下层线棒；3－定子线棒的压板；

4－定子铁芯；5－压指；6－定子铁芯压板；7－绝缘穿心螺栓；8－磁屏蔽；9－冷却气体环形回路；10－支撑环；11－汇水管；12－绝缘衬套；13－绝缘引水管

图6：定子端部

发电机出线套管为氢气直接冷却，它是

由在氢侧有连接法兰和在空侧由圆柱形连接法兰的管状铜导体组成。套管由环氧树脂筒进行绝缘，绝缘和空心铜管采用O 形圈密封，套管的安装法兰位于绝缘筒上并粘接固定。冷氢从下部的连接法兰进入空心铜管，反向流经空心铜管和绝缘筒之间后，再通过底部的排风孔排出套管。

1－空侧连接接头；2－橡胶垫片；3－安装法兰；4－绝缘筒；5－空心铜管；6－氢侧连接法兰

图7：发电机出线套管结构

4.4转子

转子转轴采用26NiCrMoV145优质合金钢锻造而成。转轴圆周上开有用于嵌放转子绕组的轴向槽，槽尺寸52×155mm 。大齿上开有平衡直轴和横轴刚度差的横向槽和嵌放阻尼槽楔的轴向槽。

转子每槽内嵌放7匝线圈，每匝铜线尺寸47.9×15mm ，采用CuAg0.1含银铜线制造。匝间绝缘采用0.4mm 厚高强度环氧玻璃层压板。槽绝缘采用L 形的玻璃纤维布和NOMEX 纤维层，单边绝缘厚度1.1mm 。楔下垫条采用高强度的环氧玻璃布板，槽楔采用高强度和高导电性能的CiNi2Si 制成。

1－槽楔出风口；2－径向出风口；3－转轴；4－槽楔；5－楔下垫条；6－空心导线；7－冷却风道；8－匝间绝缘；9－槽绝缘

图8：转子槽内布置

端部线圈之间用绝缘垫块塞紧，以防止线圈移动。

转子护环采用悬挂式结构，长度803.5mm、外径1365mm，采用高强度Mn18Cr18的制成。

该发电机采用无刷励磁，励磁电流通过励磁机经转子轴中心孔的两根半圆形导线和径向导电螺钉供入转子绕组。磁极引线由矩形截面的铜线组成，一端与转子线圈连接，另一端与导电螺钉连接。径向导电螺钉一端与轴向引线相连接，另一端与磁极引线相连。导电螺钉采用锆铜加工而成，氢气密封由两个放在一起的氟橡胶O形圈组成。轴向引线位于转子中心孔内，从径向导电螺杆处延伸至励磁机端背靠轮。轴向引线由两根半圆形截面的铜牌组成，相互间用用垫板隔开绝缘，并用绝缘管与转轴间构成对地绝缘。发电机转子轴向引线与励磁机在备靠轮处通过多触点插入式接头连接，该插入式接头允许轴向引线自由膨胀伸长。

转子风扇有五级，风扇直径1366mm.风扇叶片安装在风扇座的T形槽上，风扇座热套在转轴上。

4.5 端盖、轴承、油密封

发动机采用上下两拼的端盖为空心箱

型结构。径向和轴向加强筋起到增大端盖强度的作用。励端端盖上覆盖有锥形铜屏蔽，以防止定子绕组和机座之间产生杂散磁场。

发电机采用端盖式轴承，下半轴瓦安装在轴瓦座上，其接触面为可自调心的外球面。轴瓦座与端盖是绝缘的，可以防止轴电流通过，该绝缘还是发电机轴承的对地绝缘。径向定位块通过螺栓联接固定在上半端盖上，用于轴瓦垂直方向的定位。

密封瓦采用单流环式，这种结构比较简单，性能可靠。励磁端的油密封、轴承以及内外挡油盖均采取对地绝缘的措施，以防轴电流通过烧坏轴颈。

4.6冷却系统

该发电机定子绕组采用水冷，定子出线套管、相间连线、定子铁芯和转子绕组为氢气直接冷却。

4.6.1氢冷却系统

通过转子汽端的五级轴流式风扇，氢气在发电机内部封闭循环。风扇从气隙和铁芯抽出热空气，将其送入冷却器，在各冷却器的出口，气体被分成以下六个风路。

风路1:冷气由定子机座中的通风管通至励端的端部绕组区域，在那里冷气在进入铁芯中的轴向孔之前沿着齿压板流动。因此，齿压板和压圈上都设计有风道，以使冷气能够沿着齿压板流进定子铁芯端部的阶梯区域。沿着铁芯中的轴向孔从励端到汽端通过定子铁芯的风路，吸收了定子铁芯所产生的热量，气体沿着齿压板上的风道进入定子端部绕组区域，被轴流风扇抽出，流向冷却器。

风路2：冷氢从风扇座下通过转子端部绕组的空间，直接冷却汽端的一半转子绕组。第一个冷却区包括从端部至转子本体中心的槽内部分，第二风区为转子端部绕组的半个圆弧。因转子的对称结构，以上两风区重复四次，共构成转子绕组的8个风区。直线部分的冷却气体从线圈端部的进风口进

入空心铜线，流经铜线至转子本体中心，热风通过铜线和转子槽楔的径向通风孔排至定、转子之间的气隙。端部线圈的冷却气体，从近转子本体端面进入空心铜线，流至极中心附近汇集后，通过转子本体端部的通风槽排入气隙。

风路3：氢气通过励端转子端部绕组的空间，直接冷却励端的一半转子绕组。由于冷却气体的通道对称布置，这部分转子绕组

的冷却与汽端一半转子绕组的冷却方式相同。热氢在排放到气隙之前，也先流到转子

的中央。

1-直线部分进风孔； 2－端部圆弧部分进风孔

图9.端部绕组进风孔

1－转子本体 2－槽楔出风口（冷风来自左侧）3－槽楔出风口（冷风来自右侧）

图10. 本体中部出风孔

风路4：冷氢通过汽端定子端部绕组区域中的磁屏蔽及磁屏蔽内缘。

风路5：冷氢径向引入汽端铁心端部。由于轴向冷却铁心的气流是从励磁机端流

向汽轮机端，气流离开汽端铁心时，已经吸收了热量，所以必须有此冷却风道。

风路6：冷氢引入相间连接线和出线套管，并通过出线盒流入汽端负压区。

冷氢吸收热量后，在轴流式风扇的作用下，六条风路的气流混合一起，流回冷却器。

4.6.2内冷水系统

内冷水分成两路：一路流入励端的汇流管，经绝缘软管流到定子线棒。每一根定子线棒通过一根独立的绝缘引水管与汇流管相连。冷却水经定子线棒内的空心导线流向发电机的汽端，流出定子线棒后，冷却水通过绝缘引水管流到汽端汇流管，再返回冷却器。另一路水流自动控制流经一次水冷却器，保证在不同的负荷条件下，发电机温度始终保持不变。

4.7.励磁系统

华能玉环电厂1000MW机组采用旋转

二极管无刷励磁系统。

1－三相副励磁机；2－磁场接地故障检测用的滑环和碳刷；3－交轴测量线圈；4－三相主励磁机；5－熔丝响应监视；6－二极管整流装置；7－三相引线；8－多接触连接器；9－转子绕组（发电机）；10－定子绕组（发电机）；11-静止的熔丝响应监视图（霍尔探测器）；12－自动电压调节器

图11 旋转二极管无刷励磁系统（系统示意图）如图10,永磁副励磁机产生三相交流电，通过AVR 整流和控制提供一可变的直流电流给主励磁机励磁。在主励磁机转子感应的三相交流电经旋转整流桥整流后，通过转轴内的直流引线提供给发电机转子绕组。4.7.1 主励磁机

三相主励磁机是一个6 极旋转电枢电机。在定子机座内有带磁场绕组和阻尼绕组

的磁极。磁场绕组套在叠片磁极上。在极靴上有圆铜棒，铜棒的二端连接起来形成阻尼绕组。在二个磁极中间装有感应测量励磁电流用的交轴线圈。转子由叠片组成，用穿过压板的穿心螺杆压紧。三相绕组嵌在叠片转子的槽内。绕组导体在直线部分换位，转子绕组的端部用玻璃纤维带打箍。电连接在整流盘侧，三相引线通过并联环系统接到整流盘。整个转子铁心整浸后套在轴上。轴承位于风扇后，由汽机供油系统强迫供油润滑。

4.7.2 副励磁机

三相副励磁机是一个16 极旋转磁场电机。机座内有带三相绕组的叠片铁心，转子由磁极、套筒等组成。每个极有6 个分开的永磁钢。磁钢用螺钉紧固在套筒和外极靴之间。转子套筒热套在轴的非驱动端。

4.7.3 整流盘

整流盘的主要元件是硅二极管，它们安装在整流盘上接成一个三相整流桥电路。图11是一个整流组件的内部布置图。二极管所需的接触压力由碟型弹簧和旋转产生的离

心力提供。

1-散热器；2－绝缘；3－碟型二极管；4－绝缘螺钉连接；5－有冷却孔的连接件；6－多接触导电衬套；7－碟型弹簧；8；连接桥

图12 整流组件

每两个二极管并联安装在一个铝合金散热器上。与散热器相连的是一个熔断器，当一个二极管故障（丧失反向阻断功能）时熔断器起切断两个二极管的作用。为了抑制由换向而引起的过电压，每个盘有6 个RC 回路，每个回路由一个电容和一个阻尼电阻组成，并通过树脂浇注形成一个独立部件。与转轴绝缘开来，并热套在转轴上的整流盘，是整流桥的一部分，一只整流盘是正极，另一只整流盘是负极。这种布置确保所有部件电路联接简捷，两个整流盘在机械设计上是相同的，不同的仅仅在于与之相连的二极管极性。直流电流通过径向导电螺杆从整流盘连通到转轴中心孔内的轴向引线。三相交流电通过布置在整流盘和三相主励磁机间

转轴外周向分布的铜交流引线获得，这些铜引线用绑带固定并通过特殊设计的连接片

与二极管连接。每一根三相引线给A 盘B盘的整流组件提供电流。

1－熔断器；2－二极管；3－散热器；4－整流盘（负极）；5－径向导电螺杆；6. 热空气排出孔；7. 整流盘（正极）；8－绝缘层；9－交流引线；10－直流引线；11－绝缘螺钉

图13 整流盘中相关部件

5.结束语

具有世界先进水平的上海汽轮发电机有限公司引用西门子公司技术生产的国内首台百万千瓦级汽轮发电机，一年来在华能玉环电厂运行稳定，并顺利通过了各项考核试验。这一实例，说明我国已具备制造超超临界百万千瓦火电机组的能力。随着我国电网容量的不断增大，大型超超临界火电机组已成为我国火电机组的发展方向。运行单位应加强对发电机结构特点、技术性能和运行条件的了解，不断积累百万千瓦机组的运行维护经验。

参考广治机械厂 https://www.360docs.net/doc/2e10004969.html,