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汽輪發(fā)電機
用汽輪機驅(qū)動的發(fā)電機
基本信息
| 中文名 | 汽輪發(fā)電機 |
| 外文名 | steam turbine generator |
| 別名 | STG |
| 能量轉(zhuǎn)換 | 機械能轉(zhuǎn)換成電能 |
| 動力 | 汽輪機驅(qū)動 |
| 原理 | 電磁感應原理 |
收起
概述
發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾姍C，通常由汽輪機、水輪機或內(nèi)燃機驅(qū)動。發(fā)電機分直流發(fā)電機和交流發(fā)電機兩大類，后者又可分為同步發(fā)電機和異步發(fā)電機。現(xiàn)代電廠中最常用的是同步發(fā)電機。它由直流電流勵磁，既能提供有功功率，也能提供無功功率，可滿足各種負載的需要。異步發(fā)電機沒有獨立的勵磁繞組，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但不能向負載提供無功功率。因此，異步發(fā)電機運行時必須與其他同步發(fā)電機并聯(lián)，或并接相當數(shù)量的電容器。直流發(fā)電機有換向器，結(jié)構(gòu)復雜，價格較貴，易出故障，維修困難，效率也不如交流發(fā)電機。故自20世紀50年代以后，直流發(fā)電機逐漸為交流電源經(jīng)功率半導體整流獲得的直流電所取代。
汽輪發(fā)電機是與汽輪機配套的發(fā)電機。其轉(zhuǎn)速通常為3000轉(zhuǎn)/分（頻率為50赫茲）或3600轉(zhuǎn)/分（頻率為60赫茲）。高速汽輪發(fā)電機為了減少因離心力而產(chǎn)生的機械應力以及降低風磨耗，轉(zhuǎn)子直徑一般較小，長度較大（即細長轉(zhuǎn)子）。這種細長轉(zhuǎn)子使大型高速汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子尺寸受到限制。20世紀70年代以后，汽輪發(fā)電機的最大容量達130～150萬千瓦。
汽輪發(fā)電機是同步發(fā)電機的一種，它是由汽輪機作原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，利用電磁感應原理把機械能轉(zhuǎn)換成電能的電氣設備，主要運用于火力發(fā)電廠或核能發(fā)電廠。
由于汽輪發(fā)電機在設計、安裝和運行方面的諸多原因，汽輪發(fā)電機的故障具有潛伏性，時常會造成在實際生產(chǎn)過程中運行機組的故障發(fā)生率居高不下。對汽輪發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，目的是在故障初始階段檢查出汽輪發(fā)電機存在的缺陷，有計劃地安排機組檢修，避免重大事故的發(fā)生。同時，延長其平均無故障時間和縮短平均修理時間，減少停機，降低維修費用，提高發(fā)電設備的設備利用率。
原理
汽輪發(fā)電機是由汽輪機作原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，利用電磁感應原理把機械能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電設備。發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)通入直流電流后，便建立轉(zhuǎn)子磁場，這個磁場稱主磁場，它隨著汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。其磁通自轉(zhuǎn)子的一個磁極出來，經(jīng)過空氣隙、定子鐵芯、空氣隙，再進入轉(zhuǎn)子另一個相鄰磁極，從而構(gòu)成主磁通回路。由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子隨著汽輪機轉(zhuǎn)動，發(fā)電機磁極旋轉(zhuǎn)一周，主磁極的磁力線被裝在定子鐵芯內(nèi)的u、v、w三相繞組(導線)依次切割，根據(jù)電磁感應定律，在定子三相繞組內(nèi)感應出相位不同的三相交變電動勢。
假設汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子具有一對磁極(即一個N極、一個S極)，當汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子與汽輪機轉(zhuǎn)子同軸高速旋轉(zhuǎn)時，如汽輪機以3000轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)時，這樣發(fā)電機轉(zhuǎn)子以50周/秒的恒速旋轉(zhuǎn)，磁極極性也要變化50次，那么在發(fā)電機定子繞組內(nèi)感應電動勢也變化50次，同時在定子三相繞組內(nèi)感應出相位不同的三相交變電動勢，即頻率為50赫茲的三相交變電動勢。這時若將發(fā)電機定子三相繞組末端(即中性點)連在一起接地，而將發(fā)電機定子三相繞組的首端引出線與用電設備連接，就會有電流流過，這個過程即為汽輪機轉(zhuǎn)子輸入的機械能轉(zhuǎn)換為電能的過程。
結(jié)構(gòu)
火力發(fā)電廠或核能發(fā)電廠的汽輪發(fā)電機皆采用臥式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，發(fā)
電機與汽輪機、勵磁機等配套組成同軸運轉(zhuǎn)的汽輪發(fā)電機組。汽輪發(fā)電機最基本的組成部件是定子、轉(zhuǎn)子、勵磁系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。
汽輪發(fā)電機
定子
汽輪發(fā)電機的定子如圖2所示，由定子鐵芯、定子繞組、機座等部件組成。
汽輪發(fā)電機
(1)定子鐵芯。定子鐵芯是構(gòu)成磁路并固定定子繞組的重要部件，通常由0.5mm或3.5mm厚、導磁性能良好的冷軋硅鋼片疊壓而成。大型汽輪發(fā)電機的定子鐵芯尺寸很大，硅鋼片沖成扇形，再用多片拼裝成圓形。
(2)定子繞組。定子繞組嵌放在定子鐵芯內(nèi)圓的定子槽中，分三相布置，互成120°角度，以保證轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時在三相定子繞組中產(chǎn)生互成120°相位差的電動勢。每個槽內(nèi)放有上下兩組絕緣導體(亦稱線棒)，每個線棒分為直線部分(置于鐵芯槽內(nèi))和兩個端接部分。直線部分是切割磁力線并產(chǎn)生感應電動勢的導體有效邊，線棒端接部分則起到連接作用，把相關(guān)線棒按照一定的規(guī)律連接起來，構(gòu)成發(fā)電機的定子三相繞組。中、小型汽輪發(fā)電機的定子線棒均為實心線棒，而大型汽輪發(fā)電機由于散熱的需要，多采用內(nèi)部冷卻的線棒，譬如由若干實心線棒和可通水的空心線棒并聯(lián)組成。
(3)機座及端蓋。機座的作用是支撐和固定發(fā)電機定子鐵芯。機座一般用鋼板焊接而成，必須有足夠的強度和剛度，并能滿足通風散熱的要求。端蓋的作用是將發(fā)電機本體的兩端封蓋起來，并與機座、定子鐵芯和轉(zhuǎn)子一起構(gòu)成發(fā)電機內(nèi)部完整的通風系統(tǒng)。
轉(zhuǎn)子
汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子如圖3所示，主要由轉(zhuǎn)子鐵芯、勵磁繞組(轉(zhuǎn)子繞組)、
護環(huán)和風扇等組成，是汽輪發(fā)電機最重要的部件之一。由于汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)子受的離心力很大，所以轉(zhuǎn)子都呈細長形，且制成隱極式的，以便更好地固定勵磁繞組。
汽輪發(fā)電機
(1)轉(zhuǎn)子鐵芯。發(fā)電機轉(zhuǎn)子本體采用高強度、導磁性能良好的合金鋼加工而成。沿轉(zhuǎn)子本體表面軸向銑出用于放置勵磁繞組的凹槽。槽的排列方式一般為輻射式，槽與槽之間的部分為齒，俗稱小齒。未加工的部分通稱大齒，大齒作為磁極的極身，是主磁通必經(jīng)之路。
(2)勵磁繞組。勵磁繞組為若干個線圈組成的同心式繞組，線圈則用矩形扁銅線繞制而成。勵磁繞組放在槽內(nèi)后，繞組的直線部分用槽楔壓緊，端部徑向固定采用護環(huán)，軸向固定采用云母塊和中心環(huán)。勵磁繞組的引出線經(jīng)導電桿連接到集電環(huán)上，再經(jīng)過電刷引出。
(3)護環(huán)和中心環(huán)。汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速很高，勵磁繞組端部承受很大的離心力，所以要用護環(huán)和中心環(huán)來緊固。護環(huán)把勵磁繞組端部套緊，使繞組端部不發(fā)生徑向位移和變形；中心環(huán)用以支持護環(huán)，并防止端部的軸向移動。
(4)集電環(huán)。集電環(huán)分為正、負兩個集電環(huán)，由堅硬耐磨的合金鍛鋼制成，裝于發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勵磁端外側(cè)。正、負兩個集電環(huán)分別通過引線接到勵磁繞組的兩端，并借電刷裝置引至發(fā)電機勵磁系統(tǒng)上。
(5)風扇。風扇裝于發(fā)電機轉(zhuǎn)子的兩端，用以加快氣體在定子鐵芯和轉(zhuǎn)子部分的循環(huán)，提高冷卻效果。
冷卻系統(tǒng)
發(fā)電機運行時，其內(nèi)部產(chǎn)生的各種損耗會轉(zhuǎn)化為熱能，引起發(fā)電機發(fā)熱。尤其是大型汽輪發(fā)電機，因其結(jié)構(gòu)細長，中部熱量不易散發(fā)，發(fā)熱問題更顯得嚴重。如果發(fā)電機溫度過高，會直接影響絕緣的使用壽命，因此冷卻對于大型汽輪發(fā)電機是非常重要的問題。
勵磁系統(tǒng)
勵磁系統(tǒng)的主要作用是：
①發(fā)電機正常運轉(zhuǎn)時，按主機負荷情況供給和自動調(diào)節(jié)勵磁電流，以維持一定的端電壓和無功功率的輸出。
②發(fā)電機并列運行時，使無功功率分配合理。
③當系統(tǒng)發(fā)生突然短路故障時，能對發(fā)電機進行強勵，以提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。短路故障切除后，使電壓迅速恢復正常。
④當發(fā)電機負荷突減時，能進行強行減磁，以防止電壓過分升高。
⑤發(fā)電機發(fā)生內(nèi)部故障，如匝間短路或轉(zhuǎn)子發(fā)生兩點接地故障時，能夠?qū)Πl(fā)電機自動減磁或滅磁。
故障分類
發(fā)電機是電力系統(tǒng)的“心臟”，其能否安全運行，將直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和電能的質(zhì)量。汽輪發(fā)電機的絕緣材料長期處在高溫和潮濕的惡劣環(huán)境下，并且承受著巨大的機械應力，極易發(fā)生絕緣故障。與變壓器相比，發(fā)電機增加了旋轉(zhuǎn)部分，除了電氣絕緣故障外，還有各種機械故障。另外，發(fā)電機本身機械結(jié)構(gòu)復雜，還有龐大的輔機設備，使得發(fā)電機系統(tǒng)的任一部件發(fā)生故障都可能導致整個系統(tǒng)停止運行。汽輪發(fā)電機的故障大致可歸為以下幾種典型故障：
(1)定子鐵芯故障。
鐵芯故障通常發(fā)生在大型汽輪發(fā)電機上。由于制造或安裝過程中損傷了定子鐵芯，形成片間短路，流過短路處的環(huán)流隨時間逐漸增大，致使硅鋼片熔化，并流入定子槽，從而燒壞繞組絕緣，最后因定子繞組接地導致發(fā)電機定子鐵芯燒毀。小型發(fā)電機則可能由于自身振動過于劇烈、軸承損壞等原因，造成定、轉(zhuǎn)子間摩擦而使定子鐵芯損壞。這類故障的早期征兆是大的短路電流、高溫和絕緣材料的熱解。
(2)繞組主絕緣故障。
1)絕緣老化。主要發(fā)生在大容量的汽輪發(fā)電機定子槽內(nèi)。環(huán)氧云母絕緣因存在放電而受損，最后引發(fā)絕緣事故。
2)絕緣的先天性缺陷。主絕緣中存在空洞或雜質(zhì)而引起局部放電，局部放電進一步發(fā)展，從而引起絕緣故障。
(3)定子繞組股線故障。
繞組股線故障主要是股線短路故障，多發(fā)生在電負荷大，定子繞組承受較大的電、熱以及機械應力的大型發(fā)電機中。定子線棒通常由多根股線組合而成，股間有絕緣，并需進行換位。在運行中，若發(fā)生嚴重的繞組振動，則可能損壞股線問的絕緣，導致股線問短路而產(chǎn)生電弧放電，進而侵蝕和熔化其他股線，破壞定子線棒的主絕緣，可能發(fā)生接地故障或相間短路故障。另外，當繞組振動過大時，也會引起槽口等處的定子線棒股線問的絕緣疲勞斷裂，從而導致電弧放電。
(4)定子端部繞組故障。
發(fā)電機運行時，持續(xù)的機械應力或因暫態(tài)過程產(chǎn)生巨大的沖擊力，可使定子端部繞組發(fā)生機械位移。大型汽輪發(fā)電機中，此類位移有時可達幾毫米，從而使端部產(chǎn)生振動，引發(fā)疲勞磨損，使絕緣材料出現(xiàn)裂縫，從而發(fā)生局部放電。這類故障的先兆是振動和局部放電。
(5)轉(zhuǎn)子繞組故障。
汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組故障主要是由于電、熱、機械應力引起的。譬如，轉(zhuǎn)子離心力使轉(zhuǎn)子絕緣損壞從而引起繞組匝間短路，造成局部過熱，進而損壞主絕緣。匝間短路會使發(fā)電機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)磁通量不對稱，轉(zhuǎn)子受力不平衡，引起轉(zhuǎn)子振動?？赏ㄟ^監(jiān)測機組振動是否加大，氣隙磁通波形畸變程度等現(xiàn)象來診斷該類故障。
(6)轉(zhuǎn)子本體故障。
強大的離心力同樣也可能引起轉(zhuǎn)子本體故障。
例如：轉(zhuǎn)子自重力的作用導致剛體疲勞，使轉(zhuǎn)子本體及與之相連的部件的表面發(fā)生裂紋；進一步發(fā)展，將導致轉(zhuǎn)子發(fā)生災難性的故障。轉(zhuǎn)子過熱也會引起嚴重的疲勞斷裂；電力系統(tǒng)突發(fā)暫態(tài)過程時，會對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生沖擊應力，若發(fā)電機和系統(tǒng)之間存在共振條件時，轉(zhuǎn)子會激發(fā)扭振現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子或聯(lián)軸器發(fā)生機械故障時，會導致轉(zhuǎn)子偏心引起振動，引發(fā)轉(zhuǎn)子本體故障。
(7)冷卻水系統(tǒng)故障。
因冷卻水質(zhì)不潔等原因會引起部分冷卻水管道堵塞，導致汽輪發(fā)電機局部過熱，并最后燒壞發(fā)電機絕緣。其先兆是定子線棒或冷卻水的溫度偏高，材料熱解使冷卻介質(zhì)中產(chǎn)生雜質(zhì)微粒，使發(fā)電機的放電量增加。
故障機理
內(nèi)部原因
1)在設計制造過程中，要根據(jù)發(fā)電機容量、工作環(huán)境和運行要求進行電磁設計，科學合理地加工部件和正確選擇電機材料。譬如，發(fā)電機絕緣材料選用不當、材料不符合規(guī)定，都會造成絕緣材料磨損、腐蝕、變形、破裂和老化等。
2)汽輪發(fā)電機組自身的結(jié)構(gòu)特點。例如，由于發(fā)電機冷卻水系統(tǒng)的故障，引起部分冷卻水管道堵塞或漏水，導致汽輪發(fā)電機局部過熱或繞組受潮，并最后燒壞發(fā)電機絕緣。
3)汽輪發(fā)電機組自身的工作特點。汽輪發(fā)電機的絕緣材料長期處在高溫和潮濕的惡劣環(huán)境下，并且承受著巨大的機電應力，極易發(fā)生絕緣故障。由于汽輪發(fā)電機與大電網(wǎng)相連，當電力系統(tǒng)突發(fā)暫態(tài)過程時，會對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生沖擊。機電系統(tǒng)之間存在共振條件時，會引發(fā)破壞性的轉(zhuǎn)子扭振現(xiàn)象。
外部原因
1)安裝調(diào)試不到位。汽輪發(fā)電機組在運輸、安裝、調(diào)試的環(huán)節(jié)中出現(xiàn)問題，造成設備故障缺陷。譬如，汽輪發(fā)電機在安裝或大修后，如果軸系對中不好，或者發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子的中心不重合，極易引起軸系的彎曲振動，破壞機組轉(zhuǎn)子本體及轉(zhuǎn)子絕緣。
2)運行操作管理問題。運行人員沒有按照操作規(guī)程正確調(diào)控發(fā)電機組，或者采取了錯誤的操作方法，造成人為故障等。譬如，使發(fā)電機組長期超負荷運行，會引起發(fā)電機過熱，使發(fā)電機絕緣過早老化。
3)維護管理問題。維護人員沒有嚴格按照維護規(guī)定的技術(shù)要求完成各項工作。在維修過程中，如果維修不當，沒有達到修理技術(shù)要求，修理質(zhì)量不高，很容易造成發(fā)電機組內(nèi)部絕緣被人為損傷。
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作者
