2.5 1200kV·A全浸式自循环蒸发冷却汽轮发电机的研制及运行
2.5.1 引言
在2.4节中的研究结论基础上，北京电力设备总厂和中国科学院电工研究所于1974—1975年承担了蒸发冷却汽轮发电机试制样机的研制工作。当时该任务被列为北京市重点科研项目和国家级科研项目。
从1974年1月到1975年8月15日，仅仅一年零八个月时间就完成了定子、转子单件发热试验以及空载、短路、断水振动等试验，完成了样机模型试验、设计、试制、总装及整机试车，于1975年12月23日正式并入电网做满负荷及超负荷150%的试运行，性能良好。标志着研制成功我国也是世界上第一台1200kV·A F-113自循环蒸发冷却汽轮发电机，为探索电机冷却新途径，迈出了新的一步。
这台电机采用了与常规电机差别较大的结构，解决了适应蒸发冷却特点的定子、转子密封、槽内冷却等问题，创造了新的结构和工艺，所有不成熟的部件都经过了严格的模型试验，保证了整机试验一次成功。
该机于1975年2月至1976年3月以及1985年3月、1990年，在北京电力设备总厂内进行了分阶段运行考验，并进行了全面的测量，证明了此冷却方式原理的正确性、机组设计的合理以及工艺结构的可靠性。它的定子与转子各自成一个独立的冷却系统，也可以与其他冷却方式组合，它既是新冷却方式的大型汽轮发电机的雏形机组，也为其他用途的大中型异步感应电动机提供了体积小、重量轻、运行可靠的实用机型。
2.5.2 1200kV·A全F-113自循环蒸发冷却汽轮发电机介绍
（1） 蒸发冷却介质的选择
考虑了绝缘材料的耐热及寿命，二次冷却水的年平均进水温度是30.5℃以及正常运行的压力要适当，最好选择50～70℃左右的蒸发温度。介质还应具备稳定的物理化学性能、高绝缘性能、好的传热性与流动性。综合这些因素后该电机确定选用了F-113，当时使用的是上海曙光化工厂的产品，其特性见表2-4。
表2-4 1975年国产蒸发冷却介质F-113的特性
在了解了上述特性的基础上，又专门对蒸发冷却介质进行了绝缘性能的测试。用筒形容器来盛装液体介质，用2.5mm标准间隙油杯进行耐压试验，发现有些筒内含水，耐压强度自2.0～44kV之间变化，但经两层滤纸过滤后液体介质的耐压强度可以达到55kV左右，高出特性表2-4中所列的绝缘击穿电压。
（2） 电机结构的特点
这台电机是将定子、转子分别做成两个单独的冷却系统，完全密封起来，结构方案完全是创新设计的。为了保证稳妥可靠，对于不成熟的部件结构、设计数据，科研人员进行了若干次模拟试验，包括定子冷却模拟、定子导体包毛细材料传热模拟、转子冷却低速模拟。经过模拟试验，确定的定、转子结构分别介绍如下：
a.定子腔的密封及定子绕组 在铁芯腔内圆侧装入一个玻璃钢补筒，两端与端盖固紧并密封，构成一个封闭性定子侧空间，包括铁芯、绕组等所有结构部件全部密封其中。单体装备后，经2kgf/cm2（1kgf=9.80665N，下同）压力的F-113抗压气密试验，并经真空保持检查，密封相当可靠，端盖及机座侧面开八个观察孔，以便观察内部蒸发情况，冷凝器装在顶部。
因为采用了全浸式冷却结构，定子绕组不必用空心导线，全部采用实心线，取消了原来的主绝缘，代之以绸带，F-113既是冷却介质又起绝缘作用。定子内九个部位埋设了测温电阻，五个部位埋设了热电偶测液体温度。
b.转子腔体密封及槽内导体 转子腔体密封件也是采用了玻璃钢筒，套装在转子本体外圆上，两端与护环连接并密封，护环与心环、心环与水箱等均需密封。单体装配后，用冷却介质F-113做2kgf/mm2表压的密封试验，然后将液态F-113充入转子密封腔体内做3600r/min的超速试验。
转子槽底各放一根带散热片的空心铜管，作为冷凝管，两端与进出水箱联结，构成一个旋转冷凝器，槽内导体与对地绝缘间留出冷却道，导体与冷凝管间还要留出少许冷凝空间。
设计完成后电机的主要数据列于表2-5中。
表2-5 1200kV·A卧式蒸发冷却电机的主要数据
2.5.3 发电机的试验及运行
为了保证整机试验顺利进行并积累经验，在组装前分别对定子和转子进行了运行状态的单件发热试验。组装后再进行空载短路试验、转子断水等试验，并做长期并网运行。以下着重介绍定子侧的研究性试验及机组整体的运行情况。
（1） 定子单件发热试验
将定子三相绕组串联起来，以直流电源供给75%、100%、125%、150%、175%额定电流值，每种电流情况下改变五次冷却水量。等稳定后测取各处读数，以观察定子带负荷后的情况。经过连续72h试验，试验过程及情况如下：
①定子抽真空后，灌F-113液体至汇流环上部，开始试验。
②在给定电流及二次水量后，经过1h，温度稳定，记录各个测点的数据。
③定子各处的温度经过比较，分布比较均匀，基本上与冷凝器压力所对应的饱和温度相差不到6℃。
④在某一电流时改变二次冷却水量，当水量增大时冷凝压力减小，各处温度也随之下降。因此调节水量可改变内部压力与温度。
⑤当电流一直增大到175%额定电流时，冷凝器工作仍正常，各处温度也正常。当继续增大到200%额定电流时，发现温度上升比较显著，再增大二次冷却水量已效果不大，说明冷凝器达到了饱和。如要继续增大负荷，必须加大冷凝器容量。
⑥槽内及铁芯段的流通道都比较好，在175%额定负荷前，流动情况良好，冷却效果很好。直到200%额定负荷时冷凝器达到饱和，各处温度普遍升高。这时横向槽内绕组温度升高最快，估计是横向槽内的流动条件较差而引起。
（2） 并网运行及试验
整机在临时电站试运行，采用异步电动机启动，自同期并网做调相方式运行，在满负荷1200 kV·A下进行两个月试运行；并在130%、159%额定负荷时，做48h以上的试验。定子转子温升均很正常，试验数据与单件试验时相符合。因为做调相运行，转子励磁电流比做发电机运行时要大。
两个月的试运行期间内，因为经常停电、机组停机，启动并网操作频繁，竟达20次之多，机组本身一直很正常。
2.5.4 结论
通过第一阶段1200 kV·A蒸发冷却汽轮发电机的研制与运行，已证实了“自循环蒸发冷却技术”应用在汽轮发电机上是可以实现的。并且同其他冷却方式比较，可以看到的主要优点是：
（1） 冷却效果好
使用高绝缘性能的介质，采用了全浸式的冷却结构，充分发挥了蒸发冷却的特点，使电机内部所有分散的发热部件都得到了充分冷却，因此冷却效果全面。通过试验可以看出电机定子、转子的平均温度在50℃（与蒸发冷却介质的沸点温度相对应）左右，而且内部温度均匀。因此，它的独特之处在于消除了其他冷却方式内部结构件的局部过热点，解决了其他冷却方式，如双水内冷，向更大容量发展时难于解决的铁芯冷却问题。
（2） 损耗减少、效率高
减少铁芯冷却通道，提高铁芯有效利用，缩短了定子绕组的长度，将空心铜管改为实心铜线，减少了附加损耗。取消风扇，采用光滑圆筒，减少了风摩损耗。定转子冷凝器二次冷却水进出水温度可以达到15～20℃以上，而其他冷却方式冷凝器是5℃左右，经过对比二次耗水量，按单位损耗计算可以减少到1/3～1/4。因此总效率可提高0.1%左右。
（3） 结构简单、节省材料、维护方便
与氢冷相比省去了制氢设备与旋转氢密封装置，与水冷相比，在电机内部把分散的水接头及大量的聚四氟乙烯绝缘管，改用单一集中的密封，节省了材料及工时，也不需要定期更换绝缘引水管。在电机外部省去了外部水循环及净化系统，成为一个单一化的冷却系统。因此类似启动、停机等非正常运行都比氢冷、水冷简单；运行条件相当于空冷机组，对电站自动化、运动化提供了有利条件。只要密封良好，可以长期运行而不需要检修内部。再进一步研究定子绝缘结构，可以比较容易解决防晕问题，并有可能因使用其他可再生绝缘材料而大量节省云母绝缘，可以改善工人劳动条件。
（4） 安全运行
蒸发冷却转子，冷却液柱不高，产生的离心压力不高，不像水冷转子，水柱造成的离心压力超过100atm，对空心铜线、绝缘水管、水接头密封的材料工艺要求严格。蒸发冷却电机的冷却液是一种化学物理性能、绝缘性能良好的液体，本身不燃烧、不爆炸，且具有无火、无弧的性能，这样可以抑制发电机内部事故扩大。
蒸发冷却技术自诞生之日起，只有在这台样机上，真正实现了蒸发冷却介质既起高效的传热作用、又起良好绝缘作用的设想，尽管机组研制的年代距今已经久远，当时的某些处理技术今天已经过时，但是毫无疑问该机组为以后的绝缘结构研制工作奠定了坚实的理论、实践基础。