歌曲一辈子的爱:21世纪我国大型发电机制造技术展望

一、经济发展与电力需求
国民经济的发展，人民生活的提高，都离不开电能，电能可以方便地转化成机械能、热能、磁能、光能、化学能等，预计在21世纪（至少2050年前）电力仍然是最现代化的动力，是现代化技术、人民生活和新产业发展的重要物质基础。一个国家或地区的经济发展水平与其电气化程度相适应。1949年中国大陆发电设备总装机容量只有1.85GW（1GW=1000MW=100万千瓦），年发电量4.3TWh=10亿kWh=10亿度电），分别居世界第21位和25位。到1999年底，中国大陆发电设备总装机容量达到298.8GW ，年发电量达1233.1TWh，均列世界第二位，但到1999年底我国人均发电装机容量只有0.24kW，世界排名第80名以后，年人均用电量979kWh，不到世界平均水平的一半；还有2800万人口没有用上电，电力供需矛盾并没有根本解决。
从1996年下半年开始，全国发电量增长速度有所减缓，1998年发电量增长仅2%，部分地区电供过于求，这是与我国用电结构及工业调整有关。1994年我国工业用电量占总用电量76.68%，居民生活年人均用电量仅73kWh，远低于我们所处发展阶段所需要的水平。美国1960年的生活用电已占社会用电的25.3%，印度1986年生活用电占19%。发达国家人均发电设备占有量为2～3kW，人均年用电量9～20MWh，中国大陆目前人均发电设备及发电量占有量与之相差10倍以上，与香港、台湾地区也相差5倍以上（香港1998年发电设备装机总容量为11.255GW，年发电量36.39TWh，人口600余万。台湾1998年装机总容量达32.634GW，发电142.96TWh，人口约2200万）。
人均装机容量代表国家或地区电力发展水平，一般说与其经济发展水平和人民生活水平成正比。人均用电量越高，国民生产总值（GNP）越高，经济发达程度越高。
据电力部门及专家规划和预计可知，到2050年，中国大陆发电设备装机容量如为2TW，大陆人口为15.3亿，年人均用电量约为6200kWh，人均生活用电量约为1240kWh，也仅相当于80年代中期西德、前苏联、法国、英国和90年代末香港、台湾地区人均用电水平。即在21世纪前50年，我们需要制造近1.5～2.0TW发电设备，才能达到目前世界上中等发达国家或地区水平。
到目前为止，世界各国发电设备和发电量主要还是由火力发电（包括燃煤、燃油、天然气）、核电和水电组成，近年来正在积极开展利用风能、太阳能等其他能源的发电设备工作。电力的发展建筑在能源供应的基础上，我国水利资源居世界第一位，能用于发电的在300～378GW之间，中国大陆火力发电将来主要依靠煤炭和天然气供应，我国电力发展除了加快煤炭开发和开发天然气，发展核电和开发风力、太阳能、地热等其他能源外，还需要大力节能和减少环境污染。为满足21世纪我国国民经济发展和人民生活提高所需的电力和电力的应用，从电机制造来讲需要发展高效率的发电设备和用电设备，还需要发展新能源所需的发电设备，需要开发新材料、新结构、新工艺，制造出新品种的电机。
目前在我国能源消费中，电能约占32%，煤炭能源消费占主导地位，环境污染严重，酸雨区面积已达国土面积的1/3。1990～1995年，全国SO2排放量从15.71Gt增加到23.7Gt，仅因SO2排放造成的经济损失就占GNP的1.98%。发达国家已将约80%的煤用于发电，而我国还不到33%。因此，必须提高电力在能源消费中的比重，将各种工业、生活锅炉及民用所消费的煤尽量转化成电能使用，以提高能源利用效率和保护环境。
我国煤炭资源累计已探明储量在1千Tt以上，其中已可开采量在100Tt以上，这在客观上形成了在今后相当时间内我国火力发电的燃料仍以煤为主的格局。
汽轮发电机的设计、制造与发电采用何种能源以及煤的清洁燃烧都没有直接的关系，但是火电、核电机组的大型化，由于汽轮发电机设计的固有特点，它的尺寸不能随机组容量的增大而相应增大，这样带来的设计及安全裕度问题，需认真具体分析。燃汽轮机联合循环所用汽轮发电机，也因频繁启动带来零部件疲劳寿命问题。无论如何，不论是何种火电或核电，最后都是由汽轮发电机将机械能转换成电能共给电网和人类使用的，直到目前为止，我国及全世界的电能中有75%～80%是由汽轮发电机提供的。据电力部门及专家分析预计，在2050年前，我国的电能至少仍有约70%是由火电或核电，即最后由汽轮发电机提供的，因而在21世纪，汽轮发电机的设计、制造、运行技术应该仍受到相应的重视。
20世纪90年代，我国建设电站已经以200MW、300MW机组为主，21世纪初，火电建设应逐步过渡到以600MW机组为主，并以国产为主。除了进一步优化300MW、600MW的火电机组和发展联合循环所需的汽轮发电机以降低煤耗、减少污染、提高可用率外，我国21世纪汽轮发电机制造技术的重要发展方向是要能跟上国民经济发展和人民生活提高对电力的需要，跟上核电、火电大容量化的步伐，并能逐步实现"设计自主化"、"设计国产化"。
二、提高300MW、600MW发电机可用率及国产化率并制造燃汽蒸汽联合循环发电机组
（一）提高国产300MW、600MW汽轮发电机组可用率和制造质量，使其成为在国际上先进，并有竞争力的产品。
我国将发展超临界机组，以降低煤耗，只要汽轮机低压缸与发电机连接结构尺寸不变，则汽轮发电机配亚临界或超临界无需做任何改变，只要与超临界气轮机轴系核算。
我国现有的300MW、600MW水氢冷汽轮发电机；300MW双水内冷汽轮发电机效率高，重量、参数、年运行小时等均已达到国际先进水平。国家近年已规定国内能生产的亚临界600MW及以下容量机组一般不再进口，这点对我国电站建设制造业的发展是至关重要的，对我国国民经济的发展也有很大的影响。电站制造业是国家重要的基础工业之一，法国、德国、日本、俄罗斯、美国的大型核电站、火电站的绝大部分机组都是本国制造的，我国规划"九五"大中型发电机组投产70GW，其中已定进口设备31.354GW，另外"九五"末期为"十五"大中型发电机组投产70GW，其中已定进出口设备31.354GW，另外"九五"末期为"十五"前两年准备外资建电站还要进口14.2GW。进口这些设备有利用外资、人员出国机会、进口机组电厂工资高、国内尚未掌握某些技术等等原因，还有电力部门对国产机组的质量不信任。
进口电站设备将严重影响国内制造电站设备工厂的任务。目前国内电力供大于需，电站制造工业正在面临少生产任务（火电、核电）的严重局面，而电站制造业包括其配套的原材料，配套件生产厂的不景气，将会影响我国电力供应进一步低水平的过剩，这种工业系统的不良循环会影响国民经济的持续发展，应该引起认真注意分析，并采取措施防止的。电站制造业技术力量的流失和设备可能的呆滞或废弃已引起一些领导的重视。
然而从电站设备制造单位来讲，必须提高产品质量，使电力部门放心。尽管从电力可靠性管理中心1999年5月统计材料中可以看到，我国100MW及以上火电燃煤机组等效可用系数从1997年的88.19%提高到1998年的88.33%，但是产品质量不良仍是引起发电机组等效非计划停运的主要原因，目前我国投产最多的是300MW发电机组，1998年国产火电机组质量不良引起的等效非计划停运小时占总等效非计划停运小时的57.42%。另外质量通病，重大制造轻质量问题还时有发生，这主要是由于原材料、外购件进厂把关不严，设计不合理，执行工艺不严格，质量检验不严格，对技术扩散厂、外协厂的质量监督失控等。
1. 发电机所用的主要材料及零部件需达到国际水平并国产化
我国国民经济持续发展，电站设备必须国产化，汽轮发电机的主要材料、零部件也应该高质量的国产化。近20年来在这方面有关单位已做了许多工作，取得了一定的成果，但有的与使用要求尚有差距，例如，发电机所用的定子实心导线及绝缘空心导线，国外都是采用无氧铜，对空心导线用挤压法制造。无氧铜焊接性能较好，导电率高（比电解铜要高2%～4%），我国制造空心导线，近年曾采用上引法制造毛坯，再多次拉制。上引制造无氧铜杆，有可能局部有断续之点，在以后拉制过程中，无法消除，如涡流探伤检查不出，则变成空心导线的隐患，西屋公司采购规定空心导线是用挤压法制造。国外大铜制品厂皆有真空冶炼，连铸连挤压设备，因此，仍有一部分产品采用进口的绝缘空心导线，需要制定规划并有落实措施，使国产的导线和绝缘空心导线达到世界先进水平。目前我国发电机的实心导线一般仍用电解铜，没有采用无氧铜制造。同样，汽轮发电机所用的绝缘材料的电气、机械强度和耐蠕变特性与国外产品也有差距。转子锻件性能已基本达到国外水平，但锻件制造过程中，成材率差，所以，目前仍有相当部分进口，引起成本增加和备件困难。
2. 严格工艺、质量检验环节，提高产品清洁度
总结我国已运行的国内外300MW、600MW汽轮发电机所发生的质量问题经验教训，在设计上、执行工艺上以及质量检验环节上采取的相应的措施，除设计结构工艺外，清洁度也是影响发电机质量故障的一个重要原因。它主要是考核指标与奖惩办法问题。
3. 检验测试仪的更新换代
制造过程中，检验测试仪与运行在线检测配套仪表应达到国际先进水平。汽轮发电机制造过程中，对关键工序如定子冲片毛刺、薄膜的测量方法与仪器的更新，铁芯叠装后存在局部热点，除以传统绕线通电流以达到额定磁密，用热象仪检查外，加用ELCID仪器测量对比每档铁芯测量数据，部分产品实心导线也用涡流探伤等。在线检测如定子绕组端部装光纤测量振动，更有效的漏水报警仪，扭振轴疲劳损伤寿命检测，发电机绝缘寿命预测和故障预警系统等。
（二）300MW、600MW汽轮发电机更新设计并考虑设计开发800MW 3000r/min汽轮发电机。
发扬创新精神和吸收国外新的经验，在21世纪新材料、新技术发展基础上进行300MW、600MW、800MW新系列设计或模块化设计。新系列首先应在国内运行机组可靠性最优的部件基础上结合中国电网发展，满足各种运行工况需要，并适当考虑国际市场上的可能要求。简化结构和工艺，降低成本和缩短制造期。
（三）配合汽轮机改造，125MW、200MW、300MW提高出力与完善。
（四）配合燃气轮机发电调峰和燃气联合循环技术，提高双水内冷汽轮发电机承受开、停机调峰运行能力和发展大容量空冷汽轮发电机。
发展燃气发电调峰机组，或者发展整体煤气化联合循环（IGCC）和增压流化机床燃烧联合循环都必须发展燃气轮机发电机组（GT），目前GT机组在50MW～300MW之间，在这范围内，世界上原来普遍采用的氢冷汽轮发电机组。氢冷发电机组启动复杂，对运行操作人员要求高，因此自80年代开始，国外一些电机制造大公司发展50MW～250MW空气冷却汽轮发电机，制造空气冷却发电机容量从过去的50MW提高到250MW左右，主要的措施是定子绕组绝缘采用减薄的、导热好的绝缘和真空无溶剂压力（VPI）整浸和改进通风系统。空气冷却汽轮发电机系统最简单，没有充氢、排氢和氢油密封这些复杂结构，运行维修操作简单，没有氢气爆炸的危险，其缺点是定子绕组温度高，铜铁温差大，效率较氢冷低，转子铜线内易积灰，发电机有效部分尺寸大。现代大型汽轮发电机定子绕组多用水内冷，其定子绕组铜的最高温度一般在90℃以下，铜铁温差很小，空气冷却汽轮发电机定子绕组如用加压的空气内冷，发电机的通风损耗将过大。空气的导热率低（比提高氢压的导热率小7倍）和在同样的压力下空气密度大（是氢气的10倍），结果在空气冷却发电机中，要散去同样大的热量时，需要更多容积的空气量，通风损耗大。大容量空气冷却汽轮发电机转子绕组端部如不采用内冷，则热点温度较高，如端部采用内冷运行后，积灰问题将比槽部更难于清除。
我国已有500～600台水水空型汽轮发电机在电站中运行，许多电厂都已对双水内冷汽轮发电机的安装运行和有经验，定、转子绕组温升低，绝缘寿命长，转子线圈不易变形，转子线圈匝间绝缘不与冷却介质接触不会走动或异物短路，运行可靠。虽然其不锈钢转子引水弯脚的结构经过试验，可耐受机组1万次起动，但毕竟还没有长期调峰运行的实际经验。从上海闸北电厂近年安装的100MW燃气发电机（氢冷）组，运行两年共启动900余次后，于1997年7月发生转子引线与转子线圈连接处薄铜皮疲劳断裂故障，还有国外文献报道的发电机改为调峰运行后，定子、转子绕组易于损坏的经验，不论是双水内冷发电机或空气冷却汽轮发电机必须重新审查其设计结构的适应性。
应该对我国配合燃气轮机--发电机组的发展，在50～250MW容量范围内，采用双水内冷汽轮发电机和空气冷却汽轮发电机进行分析比较论证。无论如何，目前国外市场需要这种容量范围的空气冷却汽轮发电机，我们就应该有能力设计制造。因此，在21世纪，我国大型汽轮发电机制造方向之一，就是配合燃气轮机--发电机组的发展，在研究提高双水内冷汽轮发电机的同时，还要研究设计开发大容量空气冷却汽轮发电机。
三、超临界900MW及以上容量火电单轴汽轮发电机设计开发研究并国产化
火力和核能发电的热效率主要由锅炉（或反应堆）、汽轮机热力系统所决定。火电机组容量愈大，采用的蒸汽压力温度愈高。与汽轮机相匹配的汽轮发电机容量300MW以上发电机效率已达98.7%以上。目前国外1000MW级超临界火电机组大多数采用双轴，少数几台900～1000MW采用单轴3000r/min。关于我国发展1000MW级超临界机组的容量及单双轴选择需从机组可靠性、经济性等方面进行详细论证，已作的初步分析见另文。上海外高桥电厂由于厂址限制等因素，已经确定选用西门子公司超临界900MW、300r/min单轴机组，使我们必须立即进行900MW及以上容量火电单轴汽轮发电机设计开发研究，并国产化的工作。
需研究的课题如下，其中大部分与核电采用全速机时需研究课题相同。
（一）26～27kV定子绕组主绝缘及防晕层的设计开发研究和线棒试制
900MW单轴2极汽轮发电机需要采用26～27kV电压，我国尚没有制造24kV定子绕组绝缘及防晕层的经验。近几年，上海汽轮发电机有限公司虽有西屋公司的1000MW级发电机有关资料，并且与桂林所及上海交大正式列有26～27kV定子绕组绝缘及防晕层的课题研究（已完成），但是正式将1000MW 26～27kV发电机绝缘国产化，尚需进行线棒及模型试验。
（二）转子及护环锻件需要很高的屈服强度等性能，因此，转子锻件供应曾经是制造900MW 3000r/min汽轮发电机的主要问题之一。90年代国外一些锻件制造厂已经能够提供这种转子锻件，国内目前只有制造少数几根600MW汽轮发电机的经验。
护环是汽轮发电机运行中承受应力最高的部件。70年代以前各公司汽轮发电机护环皆采用非磁性奥氏体系高强度合金钢（18Mn5Cr），70年代欧洲连续发生了几次汽轮发电机护环因潮湿引起应力腐蚀断裂的事故，因而发展了18Mn18Cr护环，但目前世界上仅有日、德、法少数几家厂商能供应18Mn18Cr护环。美国一台80MW汽轮发电机在1994年更换为18Mn18Cr护环，在运行了两年以后，发现其中一只护环与本体接触面处有裂纹，其方向相对轴线约45°斜度，专家原以为是应力腐蚀，后进行试验分析为由于扭振所引起。另外，前苏联也曾发现一只18Mn18Cr护环有裂纹，分析系有腐蚀介质。总之对采用18Mn18Cr护环的运行条件，尚需研究分析。1000MW级全速汽轮发电机转子护环承受的应力，接近于护环允许的应力水平，大亚湾核电站GEC900MW 3000r/min护环设计成3300r/min与转子分离，以降低护环承受应力的设计，需进一步分析研究。
（三）定子绕组端部振动的防止与振动频率、振幅标准的研究
广东沙角C厂3台660MW（法国阿尔斯通制造）汽轮发电机，于1996～1999年期间曾连续发生多次因定子绕组端部振动引起短路损坏发电机，或定子绕组振动大使发电机减负荷运行的事故。从1998年9月巴黎国际大电网会议上文章，和国际上南非18台600MW级汽轮发电机与法国900MW（皆阿尔斯通制造）定子绕组需重绕，以及日本也有多台600～1000MW级汽轮发电机定子绕组需重绕的经验来看，对1000MW级发电机需研究：⑴定子绕组端部（包括连接线及出线区域）的设计结构；⑵定子绕组端部固定的绝缘材料蠕变问题；⑶定子绕组端部的自振频率与运行时的振动标准问题。
（四）定子端部结构件上的损耗和局部过热问题的研究
1000MW级全速发电机定子线负荷比600MW发电机要高得多，定子绕组端部更长，定子端部局域的漏磁通更多。减少定子端部结构件上的损耗和防止局部过热是需要研究解决的问题。
（五）通风冷却方式的研究与选择
目前，世界上1000MW级全速发电机台数不多，其冷却方式多为定子水冷，转子氢内冷。但转子氢内冷又有各种不同形式，如付槽通风（GEC公司）、气隙取气（通用电气）、轴向径向多级风扇（西屋、西门子）等（通用电气、西屋最大功率皆为889MW3600r/min，仅相当于3000r/min的740.8MW）。俄罗斯"电力"厂批量生产800MW 3000r/min全水冷汽轮发电机，俄罗斯许多电机专家认为，大容量汽轮发电机应逐步弃用氢冷，采用全水冷，我国发展1000MW级3000r/min汽轮发电机采用何种冷却方式，需分析研究后确定。
（六）转子各部件机械应力及安全裕度的分析研究
对1000MW级全速发电机转子齿轮、齿根、中心孔等转子铜线、端部连接线、引线、槽绝缘、槽桤、护环等各部件上在多种工况下需承受的各种机械应力，需仔细验算，分析其安全裕度。
（七）转子临界转速及其对轴系振动的影响的分析研究
1000MW全速汽轮发电机转子直径不可能按容量放大，转子3次临界转速有可能在额定转速之下，转子本体长度与本体直径之比即L2/D2可能达到6以上，300MW发电机L2/D2仅为4.8～4.9，L2/D2对转子振动的敏感性影响需分析研究。1000MW级全速汽轮发电机整个轴系有60～70m长，热膨胀发电机磁中心、安装、轴承结构等都与轴系振动有关，而当发电机或电网发生二相或三相短路等故障时轴系扭振，这些都需开展研究。
（八）1000MW级汽轮发电机承受不平衡负荷，进相运行和失磁异步等非正常工况运行的能力。
四、1000MW级及以上大容量核电发电机设计开发研究和国产化
21世纪中国大陆电力工业的持续发展，必须从能源可能提供的条件开发，利用核能发电是解决我国能源短缺的重要途径。目前，世界核能年发电量已超过200TWh，约占世界年总发电量的17%。1999年中国大陆核电装机容量仅2.1GW，发电量15.5TWh，仅占中国大陆当年发电量1233.1TWh的1.23%左右。世界各国近期投入运行的核电机组大部分是1000MW级及以上容量机组。容量有逐渐增大的趋势。核电建设选择大容量机组无论从经济、充分利用厂址安全管理上，都是有利的。要发展1000MW级及发展连续性进行论证，首先要对影响核电站建设有关键影响的容量、转速等进行分析论证。已作的初步分析见另文。其他需要研究的课题，对于全速汽轮发电机，除了核电的汽轮发电机机组轴系与火电有差别外，其余多相同。本节主要列出核电站半速发电机需研究的课题。
（一） 半速发电机磁路及满载励磁电流计算的研究
国内过去设计制造的隐级汽轮发电机都是全速的（300r/min），半速与全速隐级式发电机的设计原理是完全相同，但是在转子磁路，特别是大齿上采用不同的偏移槽的计算，对磁路计算方法的影响需要研究吃透。满载励磁电流计算的准确性对汽轮发电机设计是很重要的。我们只有制造2台80MVA隐级式1500r/min脉冲交流发电机的经验，虽然也有西屋公司设计方法和经验，但毕竟需我们消化吸收并经过计算研究验证才心中踏实。
（二） 100MW级半速汽轮发电机转子锻件国产化研究
半速发电机转子锻件重量是同容量全速发电机的一倍，但机械性能要求比较低。
80年代国外已经制造出1450MW半速1500r/min汽轮发电机的整体转子锻件，其重量为250t，钢锭达到600t。国内制造过的最大转子锻件为600MW 2级汽轮发电机，转子锻件重量约为70t，尚未制造过半速汽轮发电机转子锻件，需在技术上、设备上研究解决，以达到国产化。
（三） 通风冷却系统选择和风扇冷却设计的国产化研究
世界上已制造运行的1000MW级半速（4级）汽轮发电机有多种冷却方式，如水水氢（定、转子绕组水内冷，铁心氢冷）（西门子KWU公司）；水水油（定、转子绕组水内冷，铁心油冷）（ABB公司）；水氢氢。转子冷却方式又有付槽通风（阿尔斯通、通用电气）、轴向多级风扇或离心风扇压力通风（西屋，ABB）等，我国发展1000MW级半速汽轮发电机选择何种冷却方式和风扇设计需进行研究国产化。
（四） 大轴承的设计研究
1000MW级半速发电机转子重量约180～220t，轴颈约φ0.7m，虽然其周边速度比全速发电机小得多，但毕竟国内尚未设计制造过，对其半速发电机的轴承国产化，也需设计研究。
五、设计新方法、新材料、监测装置展望
（一） 设计新方法
由于计算机技术的飞速发展，使得分析计算大型汽轮发电机通风、温度场、电磁场、机械应力，以及各种电磁机械参数得以更详细、深入，从而优化发电机的结构，如进一步降低发电机内部杂散损耗的设计结构，降低发电机事故率提高可靠性的结构，降低发电机各部件振动的结构。如何选择转子有效长度与直径比例，以减少转子振动灵敏度及转子动平衡技术等。近年来，自动电压调节器开始由数字式改为用微机式。这方面21世纪还有更新的发展。
（二） 新材料
1. 导磁材料
1900年硅钢片出现后，一直是制造电机的主要磁性材料，特别是50年代后冷轧硅钢片的发展，使用于大型汽轮发电机的冷轧硅钢片1特斯拉时损耗可以达到0.5W/kg左右。但以往追求的是均匀的大晶粒的微结构，90年代却朝着纳米微晶方向发展。例如晶粒取向的Fe-3%Si硅钢片通过室温下局部加压，随后进行高温退火处理，形成纳米级的微晶。理论计算表明，矫顽力将显著减少，初始磁导率将迅速增长。纳米微晶磁性材料是20世纪90年代发展起来的新型磁性材料，其理论、工艺及应用范围及发展尚在探索研究中，是否适用于大型汽轮发电机主机上，尚有待分析，但其优良性能可用于发电机配套的供测量控制用的部件和仪表上则是21世纪初就可能实现的。
稀土永磁材料的最大磁能积（BH）max和室温内高矫顽力jHC是其他类型优秀磁体的5～10倍。磁能积高，说明在产生同样磁场效果的情况下，可以把磁体做得更小，在要求磁体很薄且能保持一定磁化水平的情况下，需要使用高矫顽力的磁体。上海制造300MW、600MW汽轮发电机的付励磁机都是用稀土钴永磁钢的，这部分设计结构性能都比国外设计的机组好。21世纪稀土永磁材料还将更有效地应用在1000MW及以上容量汽轮发电机励磁系统部分。钕铁硼Nd-Fe-B（BH）max最高，实用的Nd-Fe-B（BH）max可达40MGOe以上，被称为第三代的永磁体材料，成本便宜，在全世界推广使用Nd-Fe-B，其缺点是居里点Tc只有312℃，比SmCo5的Tc为747℃以及Sm2Co17的Tc为920℃低得多，此外，磁体的耐腐蚀性也差，我国稀土材料储藏量最多，上海及全国许多单位研究改进稀土永磁材料的性能，21世纪将会有更大发展并在电机等各方面广泛应用。
2. 绝缘材料
大型汽轮发电机容量越大电压越高，对定子线棒主绝缘要求越高。国外各大公司制造发电机都有自己的绝缘系统，定子线棒主绝缘很薄但耐压水平却很高。21世纪初期我们制造大型汽轮发电机定子线棒就需要用粘结强度好的少胶粉云母带包扎经无溶剂浸渍（VPI）制造。电网用电峰谷之差很大，要求发电机定子、转子绕组绝缘都经过1万次冷热循环试验验证。空气、氢冷表面冷却汽轮发电机对绝缘的导热性能还要求有大幅度提高，这就需要改进云母带材料组成的漆等的导热性能。
近年来，国外对环氧树脂与氢酸脂共固化反应过程进行了许多研究工作，应用氢酸脂改进或固化环氧树脂成的复合材料的湿热性能及介电性能比原环氧树脂有了很大提高，已广泛应用与电子、电气、航空航天领域中，将有在大型发电机中应用的可能性。
大型汽轮发电机定子绕组端部固定，还需要有符合设计要求的机械强度热膨胀系数的玻璃纤维交织绕成的大锥环，无气隙高强度阻燃层压板制成的支撑件，及各种耐温等级高、机械强度、电气强度好的各种薄膜、绑带绝缘制品。总之绝缘材料及绝缘工艺的改进，是使21世纪汽轮发电机发展的一个重要方面。
3. 护环材料
转子旋转时，钢制护环所承受的载荷中，绕组端部离心力约占1/3，自身离心力约占2/3，钛及钛合金比重比钢小41%，因此，发电机若采用与钢相同性能的钛护环曾进行过研究，并于1974年在一台200MW汽轮发电机上试用试验验证，安装了BT3-1钛合金护环，在100℃的温度下其屈服强度为830～860MPa，抗张强度为900～960MPa，延伸率12%～15%。该钛护环配合紧量热套时感应加热至250℃，配合面加热至300～350℃，运行11000小时后曾拆励端钛护环检查，护环表面洁净，护环下绝缘良好，继续投入运行。但以后并未见到推广使用的报道。对大型汽轮发电机使用钛护环或其他材料护环的可能性和存在的问题，仍然是一个需要注意的课题。
（三） 检测装置改进
1. 定子端部绕组振动引发故障，曾是60～70年代600MW级汽轮发电机强迫停机率高的主要原因之一，现在虽已对定子绕组端部固定采取新结构，也有用光纤传感器测量监视定子端部绕组振动，但价格昂贵，测量面窄。尚需研究改进监测定子绕组端部的仪器。
2. 80年代后对汽轮发电机组测量轴振动，多用本特例公司出品的测振传感器，现已发现转子励磁引线由偏心孔进出的转子励磁电流变化时影响以涡流原理制成的传感器读数，需要研究出转轴测振点有旋转磁场或磁阻有变化的测轴振传感器。
3. 当发电机错相合闸等异常情况下，测量汽轮发电机组所受的扭振测量仪器已有多种，尚需总结研究改进。
4. 汽轮发电机定子铁心有无局部过热点，现在仍采用传统的定子铁心绕线通电到额定运行时定子铁心的磁通密度，检查铁心损耗及有无局部过热点，这在定子下线后仅能测到定子铁心内表面有无过热点，近年来国外如英国ADWEL公司生产的EL-CID铁心故障探测仪，可以用小的电源，试验时定子铁心轭部的磁通密度只有额定磁通密度的4%，用专用探头沿轴向在相邻两铁齿表面从发电机一端拖至另一端，若铁齿或槽内铁心叠片间有短路点，对应到探头的输出信号为脉冲电流，可以检查出有无故障及故障点，但价格较贵。另外，铁心轭部如穿心螺杆孔处如有短路，是否能检查出，尚无验证。需研究改进。
5. 转子绕组匝间短路监测
检测汽轮发电机转子绕组匝间短路已有几种常用的方法：⑴改变励磁电流，观察振动变化；⑵交流阻抗和损耗法；⑶开口变压器法和向量法等。近年国外开展研究一种检测运行的汽轮发电机转子绕组匝间短路新方法。该方法是以EL-sharkawi等介绍的行波发射法为基础，应用神经网络特征及新型检测将该方法扩充应用到运行的转子上，在实验室中已试验成功。
6. 发电机漏水报警
已有多种利用机内湿度变化等检测漏水，尚需研究改进。
7. 共况检测仪
上海制造的汽轮发电机已有多台配套，但有的电厂未用，尚未积累检测出的经验，需研究改进。
8. 无线电火花探测仪，也已有多台配套。但报警时，如何判断尚需研究。
六、超导电机和超导储能
当今可能提供转子锻件及护环材料尺寸，在现代的电机设计技术条件下，定子、转子绕组都用水直接冷却的汽轮发电机容量，就有可能做到2极1200MW，4极2000MW。如果发电机转子采用超导磁场绕组，不仅是使励磁损耗接近于零，把发电机效率提高0.05%～0.10%外，更重要的是把发电机尺寸特别是转子尺寸大大缩小下来，使得制造常规汽轮发电机转子离心力产生的应力和转子挠度引起的问题等大大缓解，从而有可能制造出单机容量更大的汽轮发电机来。
自1911年荷兰翁纳斯发现水银在4.2K附近电阻突然下降为零，在20年代已发现近百万种合金或化合物都可以是超导体。以铌钛合金和铌三锡金属化合物为代表的强电应用超导材料，在液氦温度（4.2K）下通过无电阻的大电流，用它来绕制8～15特斯拉的高磁通密度磁体，已在固体物理、高能物理、选矿、污水等领域得到应用，并在电机、输电、磁悬浮列车、电力储能、受控热核反应等方面开始了应用研究。
（一） 超导电机
超导电机的转子使用液氦冷却，励磁线圈到4K（-269℃）左右，励磁线圈外有真空隔热层。
由于超导励磁线圈产生非常强的磁场，在转子及定子线圈周围不能使用磁性体，铁心只是作为定子线圈周围的屏蔽物，定子线圈置于无槽的气隙中。超导励磁线圈被支承在称作转矩管的、起传递转矩作用的薄壁圆筒圆的转轴内。转子部分的结构材料，一般要采用非磁性材料并需注意适用低温的强度和任性。转子的外筒叫缓冲器，它和真空容器的外筒共同起作用，缓冲器对定子绕组的高频磁通起电磁屏蔽作用并在系统发生事故时，对转子的摇摆缓冲。
超导励磁绕组所产生的主磁通比一般发电机大得多，假若发电机端电压相同，定子绕组所产生磁通势相对减小，电振的反作用也就减小，发电机电势Ed与母线电压的差角σ也减小。由于没有铁心，超导发电机的空载饱和曲线为直线，负载饱和曲线比常规发电机要陡。励磁电流的微小变化会使输出变化大。发电机输出功率P=（EdU/Xd）sinσ,由于超导发电机Xd比常规电机小，其最大输出Pmax比常规发电机大3～4倍，超导发电机确有很多优点，但由于需采用液氦4.2K冷却励磁绕组成本很高，80年代初人们就预计，除非找到液氦（77K）温度的高Tc超导材料，超导电机才有前途。1987年1月美籍华人朱经无等人宣布制成转变温度为90K的Ba-La-Cu的氧化物超导体，成为超导物理学史上的又一里程碑。1987年2月，中国赵忠贤和他的合作者宣布制出零电阻温度为78.5K、抗磁转变温度为93K的Y-Ba-Cu-O超导体,此后，各国科学工作者对高温超导材料做了大量研究工作，取得了很多重要结果。目前，高Tc氧化物超导材料尚有两大问题，一是需寻求理论上的突破，目前尚无一种理论能全面完满地解释这种材料的高温超导现象；另一是体材料制备工艺上的突破，使这种陶瓷材料能够作为像金属和合金那样实用的超导电材料。预计材料科学工作者在21世纪一定能够解决这两个问题，那时超导发电机将能实际应用，汽轮发电机制造技术将会经历一次革新。汽轮发电机的最大容量可能达到3500MW以上。
至今各国研制的超导发电机共有43台，其中美、日各10台，俄7台，法、德各4台，奥地利3台，捷、英、瑞士、中国各1台。此外尚有13台超导直流电机。
美国1965年最早制成8.25kW超导发电机，日本1995年制成3台70MW最大容量超导发电机（东芝、日立、三菱各1台）。世界各国近期研制的超导发电机，其皆为大容量超导汽轮发电机，缩短长度的样机至今所用的超导材料为NbTi和Nb3Sn，超导温度为4.2K液氦制冷。
（二） 超导储能
电力负荷日夜之间和每年季节之间均有很大起伏，统计表明，随着经济发展和人民生活水平的提高，日用电峰谷差和年用电峰谷差越发增大，由此造成发电设备容量利用率的下降。美、日、德、法等国的发电容量利用率约为60%左右，我国发电容量的利用率原来较高，近两年来已下降到80%以下。储能技术是解决调峰的好方法，它是平均用电峰谷差，提高发电容量利用率的有效手段，也是减少火电机组调峰损伤的好办法。
超导储能是将电能转化为超导线圈中磁场能的储能方式，中、大规模超导储能系统（SMES）可替代抽水蓄能，抽水蓄能的效率为65%～97%。小规模超导储能可用于提高电力系统的稳定性和电力品质，由于超导储能能量存取响应速度快，多用于电力系统的稳定控制、旋转备用、负载快速调节等。SMES也可用于平滑风力、太阳能等再生能源发出的间隙电力。1800MJ的高温超导储能系统已在国外兴建。超导储能将是21世纪我国电力发展的重要环节之一。高温超导技术发展的速度，将影响我国发电设备调峰机组方式的选择，以及装机容量的规划。
七、其他能源发电机展望
（一） 大容量水轮发电机与蓄能电站电机
1949年，中国大陆水轮发电机装机容量仅163MW，年发电量0.7Wh，至1999年止，大陆水电装机总容量为73GW，但仅占中国大陆水能可利用发电容量300～378GW的20%左右。至2010年，计划水电装机容量达150GW。长江三峡700MW水轮发电机组的研制是我国水电行业的新里程碑，其容量已接近世界之最。此外，尚有金沙江、溪洛渡、红水河、澜沧江、雅砻江、大渡河、雅鲁藏布江、墨脱水电站（未来世界最大的水电站）等大型水电机组的研制。大型水轮发电机冷却方式的选择和推力轴承都需要多方案分析、比较和研究。水电开发的另一方向是低水头利用，灯泡贯流式机组向大容量方向发展，目前最大的是日本只见电站机组，单机容量65.8MW，转轮直径7.5m，灯泡贯流式机组20MW～40MW级，使用水头10～20m。
目前，全国各电网用电峰谷之差已很大，火电调峰很不经济。建设抽水蓄能电站，夜里机组按水泵方式运行从下游水库向上游水库抽水，白天利用抽上来的水进行峰荷发电，是解决系统调峰的好方法，也是21世纪水电开发的一个重要特点。国外已投入运行的蓄能水电机组最大单机容量已达660MW。抽水蓄能电站的发展趋势是大容量、高水头和高比速。机组的机械（转子飞逸与起停机疲劳等）和发热等问题需研究解决。国内待开发的蓄能机组单机容量200～300MW，使用水头300m、600m。
（二） 风力、海洋等新能源发电技术和装置
为了减少环境污染，解决能源问题，21世纪必须大力开展新能源和再生能源发电技术和装置的开发和应用。我国从70年代开始新能源发电的研究开发工作，至1994年我国新能源发电装机总容量为102MW。新能源发电一般指风力、海洋、太阳能、地热、生物质能发电。太阳能发电包含太阳光电池发电和太阳能热发电。地热、生物质能发电一般用普通的小发电机。电机制造需研究开发的是风力、海洋发电所需的电机及其控制装置。
1. 风力发电
我国大约2/3地带为多风带。初步估算全国可开展利用的风能资源达到253GW，已装机167MW，国家电力公司2000年计划全国风力发电装机容量将达到1000MW，内蒙古、新疆各2000MW；东北、浙江、广东、张北各100MW；福建、甘肃、上海、山东各50MW。1997年底，我国新疆达坂城风电厂。1996年初，世界风电装机容量已超过5000MW。1999年10月9日文汇报专文，日本启动新阳光计划，已在日本北海道西北部的占前町安装20台单机1000kW风力发电机组，风车支柱高45m，叶尾长28m。风车大型化可取得很好的规模效应。据测算，高50m处的风速是10m处的1.6倍，风能一般是风速的立方，因此风能50m比10m处大4～5倍，而叶片的尺寸增加10倍。目前世界上正在研究的机组容量达1～5MW，转轮直径达近100m，接近了技术的极限。丹麦提出到2030年风力等自然能的消费量将达总消费能量的35%。
风能不仅储量大，可利用率高，而且最便于较大规模地开发利用，其成本仅为太阳能的1/10，但风力发电设备年运行时间一般只有3000～4000h,而在运行期间，风力发电机平均出力约为额定容量的50%；火电每kW装机容量年发电量在5000kWh以上，水电每kW装机容量年发电量在3500kWh左右，而目前风电机组每kW年发电量仅在1500～2000kWh之间。按目前中型风电机组的投资单价约为8000元/kW，它与水电投资相当。但风电机组的寿命一般按20年计算，这比水电低得多。凡是超过20年运行寿命的就不再累计在装机容量中。
在风力机中，国外有立式轴与水平轴两大类，前者抗阵风能力强，但启动性能差，经多年实践，多数认为水平轴三叶片技术较为成熟。
在风力机配套用的发电机方面，国外也有两种观点，一种采用异步发电机；另一种意见倾向于同步发电机再加递变系统。许多实践证明，异步机价廉并且维护、操作简便，事故率低，而且随着电子技术发展，软切入系统的普遍应用并网也无困难。但异步机激磁需有很大的功率补偿，至少在控制方面，采用微机自动监测和遥控技术是一致的。
专家认为，在今后的10～15年内，加快我国自行开发设计能力，第一步即在"十五"期间把重点放在300～600kW平行轴电机上，形成具有自我开发设计制造的科技队伍和一批生产企业，第二步即到2010年之前开发出单机容量更大的直轴型的新产品来满足国内外市场的需求。
2. 海洋能发电
海洋能包括潮汐能、波浪能、潮流能、海水温差能和盐能等。据估计我国可开发利用的海洋能资源约为0.13TW，主要分布在福建、浙江、辽宁、山东各省。目前主要重点放在发展MW级以上的潮汐电站，同时推广波浪能等小型发电装置，使总装机容量达到40MW，并试办海水温差及潮流发电。这些海洋能的利用需要开发相应的发电机及其控制装置。
据科技日报1997年10月31日载，以色列SDE公司已试成海浪能发电1500W的电能。该公司称："利用海浪发电还可对海水淡化，这项技术的开发，已获得以色列工业贸易基金支持，并计划在特拉维西南约50公里的地中海沿岸城市阿什杜德建设4MW海浪发电厂，预计将在6～8个月内完成。"据估计，海浪所蕴藏的能量如能充分利用，可提供世界电力总需求量的15%，并对海水淡化。这一世界新技术也是21世纪需密切注意电的发展方向之一。
八、结束语
建国50年，我国电力建设有了飞速的发展，近80%的发电机组是国产的，而且其中大部分发电机是我国自行研制或者是在国外技术基础上结合中国国情优化设计的。无论在发电设备制造技术或者在电厂建设上，我国是以近个达到或者接近达到世界先进水平。发达国家电力供应已趋饱和，而我国由于人口多，基础太薄，预计到2050年，我国电力供应才能达到20世纪90年代中等发达国家或地区的用电水平。无论如何，人均年用电量是国民经济发展和人民生活水平的最重要标志之一，预计到2050年我国电力的70%（约）仍是由汽轮发电机发出的，在不断发展的大机组、高参数、高度自动化的大电网中，对大型汽轮发电机的设计制造，还会有新的问题需要研究，新能源所用的发电机，也有许多问题等待研究。我衷心热忱地期望有更多的青年投身到发电机设计、制造运行技术中来，并有更新的创造与发展。