俄罗斯核电1 000 MW两极和四极汽轮发电机特性对比
俄罗斯核电汽轮发电机的主要生产厂家有圣彼得堡“电力”工厂和哈尔科夫重型电机制造厂。1000MW的核电汽轮发电机主要由“电力”工厂生产。1980年，“电力”工厂为南乌克兰核电站生产了TBB-1000-4型1000MW半速（四级）汽轮发电机，1982年投入运行，运行期间没有因发电机的故障而使机组停运。1983年，“电力”工厂又为罗文斯克核电站生产了TBB-1000-2型1000MW全速(两极)汽轮发电机。
表1中给出了1000MW核电汽轮发电机的主要技术经济指标。从表1中可以看出，在额定功率、电压以及功率因数等相同的情况下，两极汽轮发电机的单位材料消耗小（81.7%）、短路比小（91.11%）、飞轮转矩小（22.88%）；而四极电机转子质量约为两极电机的两倍（196%），定子增重不多（118%），定子运输质量很接近（101%），四极电机的效率比两极发电机效率略高。除此之外，两极发电机的制造时劳动消耗小，但是两极汽轮发电机的机械强度和热强度较高，定子绕组端部漏磁通和定子绕组端部区域的损耗也较高。
从图1，可以看出两极和四极汽轮发电机的定转子槽数(见表1)。
大型汽轮发电机的定子冷却方式已逐步趋向一致，大多采用水冷;但对于转子的冷却方式，日本日立、东芝、俄罗斯等电机厂的两极电机采用气隙取气方式。对于四极电机，美国GE公司与俄罗斯电机厂仍采用气隙取气型通风方式，但增加了径向气隙隔板。日本的日立与东芝公司则采用了副槽通风。俄罗斯“电力”工厂生产的TBB-1000型汽轮发电机冷却方式为定子绕组水冷，转子气隙取气斜流氢内冷，增加了气隙隔板以利冷却，发电机风扇采用离心式风扇。
俄罗斯院士Я.Б.Дaнилeвич多次来华讲学指出，俄罗斯大型机组推荐采用全水冷冷却方式。2008年8月，作者之一在Я.Б.Дaнилeвич科学院院士安排下，参观了俄罗斯电力工厂，了解到正在设计的1500MW核电汽轮发电机就是采用的全水冷冷却方式。
在励磁控制方面，日本日立、东芝与GE公司采用交流励磁机静止硅整流器励磁方式，西屋、三菱等公司采用无刷励磁方式，而可控硅静止励磁方式已逐步被多数厂家和用户所采用。俄罗斯专家认为，当励磁电流过大时，设计与制造大电流滑环有困难，发电机应采用无刷励磁方式，便于维护，提高运行可靠性。
TBB-1000型发电机的构造形式和布局按照“电力”工厂的传统结构设计:定子机座由3部分组成（一个中心段，两个边罩）。发电机总体结构图如图2所示。带绕组的定子铁心位于中心段，气体冷凝器和定子绕组引出线则放置在定子的端部。为了运输和装配方便，端部有水平的可拆卸的支承爪。定子绕组3个引出线从发电机励端底部引出，6个中性点引出线从发电机励端上部抽出，这是TBB-1000型发电机的特点，对保护设置极为重要。而气体冷凝器垂直立于电机的两端。定子的端盖内部由通风机的扩散器盖住，外部由单环流的油密封封闭。两极发电机定子铁心与机座的隔振方式采用弹性定位筋，结构简单，隔振效果好。由于半速发电机定子铁心为八节点振动，且振幅只达到两极电机的一半，因此振幅很小，故定子铁心和机座之间采用刚性连接。三菱公司1100MW四极发电机机座采用了传统的立式弹性板隔振结构。
为了保证TBB-1000-2型汽轮发电机的高可靠性，对两极汽轮发电机进行了研究并在结构改进方面上借鉴了TBB-1000-4四极汽轮发电机经验。两极电机更加注意了定子绕组端部的固定、定子端部区域温升的降低、转子各部件强度的提高、励磁绕组的冷却效果。主要采取了以下措施：
（a）定子绕组端部固定的要求更高，采用玻璃纤维内绑环来取代以前的结构；
（b）绕组端部各个部件的固定采用高强度的玻璃钢替代以前采用的金属；
（c）安装水路用于冷却定子铁心压圈最热区域（端部铜屏蔽）———端面圆环部分；
（d）压圈上开有冷却窗孔，氢气通过窗孔单向流动，对压圈进行强迫冷却；
（e）转子槽和通风槽采用轻质杜拉铝的特殊合金；
（f）气隙内安置纵向隔板和横向隔板，以加强冷却。
从表2可以看出，定子绕组有效部分的发热处于较低水平。
为了测试额定励磁电流下转子的温升，同时又要限制试验过程中的定子电流，在厂内进行了励磁绕组部分反接的所谓“双线连接”的三相稳态短路试验。在进行该项试验时，在每个磁极上有两个线圈被反向连接，以便所产生的磁通与其余线圈产生的磁通方向相反，于是，每极总磁通减少。“双线连接”试验结束后，再恢复成正常的连接。试验时保持励磁电流为额定值，得到了两台发电机转子绕组的温升（表2）。在该试验条件下两极汽轮发电机的定子三相稳态短路电流为额定值的68%，而四极汽轮发电机的定子三相稳态短路电流为额定值的36%。这就使得两极汽轮发电机的冷却水和冷却气体的发热较高。
励磁绕组部分反接时两种电机定子电流的差别可以解释为它们在试验时转子线圈反接数与线圈总数的比值有差别。
与只有纵向气隙隔板相比，在轴向上纵向、横向都加气隙隔板时的冷却效果更为显著，在绕组热负荷相同的情况下，转子绕组温升相对降低了12～15%。
为了检查定子铁心端部区域在铁心磁分路和边段的发热（见表3），在相应的部位安装了专门的热电偶。
两极汽轮发电机由于每极电枢漏磁通相对较大，使得磁分路环的温升比四极汽轮发电机要高一些。
四极电机转子直径大，临界转速高。四极电机的试验台实验得出，一阶临界转速为940r/min，二阶临界转速为2300r/min，远离其运行转速1500r/min。这样的临界转速相对运行状态的分布是十分有利的，不仅转子平衡容易，振动值小，也不易产生油膜失稳现象，其可靠性明显提高。两极电机中由于大齿与小齿方向的刚度差别较大，需要在大齿上开月牙槽或者是在大齿上开与小齿一样的轴向槽。对四极电机来说，由于刚度均匀，则不需要采取以上在转子大齿上开槽的措施，这样有利于四极电机的负序电流在磁极表面均匀分布，可以减少局部负序电流过大。
四极电机因转速低，护环的热应力比两极电机小，缓解了应力腐蚀。两极电机的振动为四节点振动，而四极电机为八节点振动。虽然四极电机的铁心轭部较短（图1），但其振幅很小，只达到两极电机的一半。工厂试验测量了TBB-1000型两极和四极汽轮发电机的振动，如表4所示。
从表2～4可以看出，四极汽轮发电机的热状态和机械状态比两极电机的要好，这在理论分析上也得到了确认。
大型汽轮发电机中，为降低定子端部铁心和结构件的损耗和温升采用了电屏蔽（铜屏蔽）、磁屏蔽（磁分路）（图3），端部铁心为阶梯形并开有小槽，端部结构件采用无磁性材料或者非金属材料。定子线棒采用空实结合导线以减少附加损耗。为使上下层线棒有相近的损耗，从而使其膨胀接近相等，定子绕组的上下层线棒采用较小的高度。为改善电压波形和减少附加损耗，转子槽采用不等分且有励磁长短槽。采用全阻尼系统来提高电机的负序承载能力。
虽然四极电机定子端部漏抗较两极电机小，但定子槽漏抗却比两极电机大，所以定子漏抗比两极电机约大30%。四极电机由于转子槽加深，阻尼绕组漏抗较两极电机大，使得四极电机的瞬态和超瞬态电抗比两极电机大30%，从而使短路电流及短路电动力减小，瞬态稳定性下降，所以对励磁调节及保护的性能要求较高。
表5给出了TBB-1000型汽轮发电机的电气参数。从表中可以看出四极电机的励磁电流在空载工况时为两极电机的102%，短路工况为92.2%，额定负荷工况为95.12%。
四极电机有以下特点:由于极距约为同容量两极电机的70%，使四极电机的端部电动力减小，端部漏磁损耗减少，缓解了端部铁心的损耗和发热。四极电机由于极距缩短，使得每极励磁安匝约为两极电机70%，减小了励磁机的容量。由于四极电机离心力较两极电机小，转子齿根与槽楔应力下降，这就有可能增大转子槽尺寸，每极槽截面约可增加70%，使转子槽可容纳更多铜线，转子铜耗下降，半速电机的通风损耗约为两极电机的50%。
在1000MW发电机试验中，损耗和效率是用校准电动机的方法确定的，如表6所示。
试验表明，四极汽轮发电机的机械损耗要比两极汽轮发电机的机械损耗小得多，使得四极电机的总损耗较小，因此四极汽轮发电机效率较两极电机高。
