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汽轮发电机

汽轮发电机

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  汽轮发电机(steam turbine generator)是指用汽轮机驱动的发电机。由锅炉产生的过热蒸汽进入汽轮机内膨胀做功,使叶片转动而带动发电机发电,做功后的废汽经凝汽器、循环水泵凝结水泵、给水加热装置等送回锅炉循环使用。

  是将机械能转变为电能的电机,通常由汽轮机、水轮机或内燃机驱动。发电机分直流发电机交流发电机两大类,后者又可分为同步发电机异步发电机。现代电厂中最常用的是同步发电机。它由直流电流励磁,既能提供有功功率,也能提供无功功率,可满足各种负载的需要。异步发电机没有独立的励磁绕组,其结构简单,操作方便,但不能向负载提供无功功率。因此,异步发电机运行时必须与其他同步发电机并联,或并接相当数量的电容器。直流发电机有换向器,结构复杂,价格较贵,易出故障,维修困难,效率也不如交流发电机。故自20世纪50年代以后,直流发电机逐渐为交流电源经功率半导体整流获得的直流电所取代。

  汽轮发电机是与汽轮机配套的发电机 。其转速通常为3000转/分(频率为50赫兹)或3600转/分(频率为60赫兹)。高速汽轮发电机为了减少因离心力而产生的机械应力以及降低风磨耗,转子直径一般较小,长度较大(即细长转子)。这种细长转子使大型高速汽轮发电机的转子尺寸受到限制。20世纪70年代以后,汽轮发电机的最大容量达130~150万千瓦。

  汽轮发电机是同步发电机的一种,它是由汽轮机作原动机拖动转子旋转,利用电磁感应原理把机械能转换成电能的电气设备,主要运用于火力发电厂或核能发电厂。

  由于汽轮发电机在设计、安装和运行方面的诸多原因,汽轮发电机的故障具有潜伏性,时常会造成在实际生产过程中运行机组的故障发生率居高不下。对汽轮发电机的状态监测和故障诊断,目的是在故障初始阶段检查出汽轮发电机存在的缺陷,有计划地安排机组检修,避免重大事故的发生。同时,延长其平均无故障时间和缩短平均修理时间,减少停机,降低维修费用,提高发电设备的设备利用率。

  汽轮发电机是由汽轮机作原动机拖动转子旋转,利用电磁感应原理把机械能转换成电能的发电设备。发电机转子绕组内通入直流电流后,便建立转子磁场,这个磁场称主磁场,它随着汽轮发电机转子旋转。其磁通自转子的一个磁极出来,经过空气隙、定子铁芯、空气隙,再进入转子另一个相邻磁极,从而构成主磁通回路。由于发电机转子随着汽轮机转动,发电机磁极旋转一周,主磁极的磁力线被装在定子铁芯内的u、v、w三相绕组(导线)依次切割,根据电磁感应定律,在定子三相绕组内感应出相位不同的三相交变电动势。

  假设汽轮发电机转子具有一对磁极(即一个N极、一个S极),当汽轮发电机转子与汽轮机转子同轴高速旋转时,如汽轮机以3000转/分旋转时,这样发电机转子以50周/秒的恒速旋转,磁极极性也要变化50次,那么在发电机定子绕组内感应电动势也变化50次,同时在定子三相绕组内感应出相位不同的三相交变电动势,即频率为50赫兹的三相交变电动势。这时若将发电机定子三相绕组末端(即中性点)连在一起接地,而将发电机定子三相绕组的首端引出线与用电设备连接,就会有电流流过,这个过程即为汽轮机转子输入的机械能转换为电能的过程。

  火力发电厂或核能发电厂的汽轮发电机皆采用卧式结构,如图1所示,发电机与汽轮机、励磁机等配套组成同轴运转的汽轮发电机组。汽轮发电机最基本的组成部件是定子、转子、励磁系统和冷却系统。

  (1)定子铁芯。定子铁芯是构成磁路并固定定子绕组的重要部件,通常由0.5mm或3.5mm厚、导磁性能良好的冷轧硅钢片叠压而成。大型汽轮发电机的定子铁芯尺寸很大,硅钢片冲成扇形,再用多片拼装成圆形。

  (2)定子绕组。定子绕组嵌放在定子铁芯内圆的定子槽中,分三相布置,互成120°角度,以保证转子旋转时在三相定子绕组中产生互成120°相位差的电动势。每个槽内放有上下两组绝缘导体(亦称线棒),每个线棒分为直线部分(置于铁芯槽内)和两个端接部分。直线部分是切割磁力线并产生感应电动势的导体有效边,线棒端接部分则起到连接作用,把相关线棒按照一定的规律连接起来,构成发电机的定子三相绕组。中、小型汽轮发电机的定子线棒均为实心线棒,而大型汽轮发电机由于散热的需要,多采用内部冷却的线棒,譬如由若干实心线棒和可通水的空心线)机座及端盖。机座的作用是支撑和固定发电机定子铁芯。机座一般用钢板焊接而成,必须有足够的强度和刚度,并能满足通风散热的要求。端盖的作用是将发电机本体的两端封盖起来,并与机座、定子铁芯和转子一起构成发电机内部完整的通风系统。

  汽轮发电机的转子如图3所示,主要由转子铁芯、励磁绕组(转子绕组)、护环和风扇等组成,是汽轮发电机最重要的部件之一。由于汽轮发电机转速高,转子受的离心力很大,所以转子都呈细长形,且制成隐极式的,以便更好地固定励磁绕组。

  (1)转子铁芯。发电机转子本体采用高强度、导磁性能良好的合金钢加工而成。沿转子本体表面轴向铣出用于放置励磁绕组的凹槽。槽的排列方式一般为辐射式,槽与槽之间的部分为齿,俗称小齿。未加工的部分通称大齿,大齿作为磁极的极身,是主磁通必经之路。

  (2)励磁绕组。励磁绕组为若干个线圈组成的同心式绕组,线圈则用矩形扁铜线绕制而成。励磁绕组放在槽内后,绕组的直线部分用槽楔压紧,端部径向固定采用护环,轴向固定采用云母块和中心环。励磁绕组的引出线经导电杆连接到集电环上,再经过电刷引出。

  (3)护环和中心环。汽轮发电机转速很高,励磁绕组端部承受很大的离心力,所以要用护环和中心环来紧固。护环把励磁绕组端部套紧,使绕组端部不发生径向位移和变形;中心环用以支持护环,并防止端部的轴向移动。

  (4)集电环。集电环分为正、负两个集电环,由坚硬耐磨的合金锻钢制成,装于发电机转子的励磁端外侧。正、负两个集电环分别通过引线接到励磁绕组的两端,并借电刷装置引至发电机励磁系统上。

  (5)风扇。风扇装于发电机转子的两端,用以加快气体在定子铁芯和转子部分的循环,提高冷却效果。

  发电机运行时,其内部产生的各种损耗会转化为热能,引起发电机发热。尤其是大型汽轮发电机,因其结构细长,中部热量不易散发,发热问题更显得严重。如果发电机温度过高,会直接影响绝缘的使用寿命,因此冷却对于大型汽轮发电机是非常重要的问题。

  ①发电机正常运转时,按主机负荷情况供给和自动调节励磁电流,以维持一定的端电压和无功功率的输出。

  ③当系统发生突然短路故障时,能对发电机进行强励,以提高系统运行的稳定性。短路故障切除后,使电压迅速恢复正常。

  ⑤发电机发生内部故障,如匝间短路或转子发生两点接地故障时,能够对发电机自动减磁或灭磁。

  发电机是电力系统的“心脏”,其能否安全运行,将直接关系到电力系统的稳定和电能的质量。汽轮发电机的绝缘材料长期处在高温和潮湿的恶劣环境下,并且承受着巨大的机械应力,极易发生绝缘故障。与变压器相比,发电机增加了旋转部分,除了电气绝缘故障外,还有各种机械故障。另外,发电机本身机械结构复杂,还有庞大的辅机设备,使得发电机系统的任一部件发生故障都可能导致整个系统停止运行。汽轮发电机的故障大致可归为以下几种典型故障:

  铁芯故障通常发生在大型汽轮发电机上。由于制造或安装过程中损伤了定子铁芯,形成片间短路,流过短路处的环流随时间逐渐增大,致使硅钢片熔化,并流入定子槽,从而烧坏绕组绝缘,最后因定子绕组接地导致发电机定子铁芯烧毁。小型发电机则可能由于自身振动过于剧烈、轴承损坏等原因,造成定、转子间摩擦而使定子铁芯损坏。这类故障的早期征兆是大的短路电流、高温和绝缘材料的热解。

  1)绝缘老化。主要发生在大容量的汽轮发电机定子槽内。环氧云母绝缘因存在放电而受损,最后引发绝缘事故。

  2)绝缘的先天性缺陷。主绝缘中存在空洞或杂质而引起局部放电,局部放电进一步发展,从而引起绝缘故障。

  绕组股线故障主要是股线短路故障,多发生在电负荷大,定子绕组承受较大的电、热以及机械应力的大型发电机中。定子线棒通常由多根股线组合而成,股间有绝缘,并需进行换位。在运行中,若发生严重的绕组振动,则可能损坏股线间的绝缘,导致股线问短路而产生电弧放电,进而侵蚀和熔化其他股线,破坏定子线棒的主绝缘,可能发生接地故障或相间短路故障。另外,当绕组振动过大时,也会引起槽口等处的定子线棒股线问的绝缘疲劳断裂,从而导致电弧放电。

  发电机运行时,持续的机械应力或因暂态过程产生巨大的冲击力,可使定子端部绕组发生机械位移。大型汽轮发电机中,此类位移有时可达几毫米,从而使端部产生振动,引发疲劳磨损,使绝缘材料出现裂缝,从而发生局部放电。这类故障的先兆是振动和局部放电。

  汽轮发电机转子绕组故障主要是由于电、热、机械应力引起的。譬如,转子离心力使转子绝缘损坏从而引起绕组匝间短路,造成局部过热,进而损坏主绝缘。匝间短路会使发电机转子出现磁通量不对称,转子受力不平衡,引起转子振动。可通过监测机组振动是否加大,气隙磁通波形畸变程度等现象来诊断该类故障。

  例如:转子自重力的作用导致刚体疲劳,使转子本体及与之相连的部件的表面发生裂纹;进一步发展,将导致转子发生灾难性的故障。转子过热也会引起严重的疲劳断裂;电力系统突发暂态过程时,会对转子产生冲击应力,若发电机和系统之问存在共振条件时,转子会激发扭振现象。转子或联轴器发生机械故障时,会导致转子偏心引起振动,引发转子本体故障。

  因冷却水质不洁等原因会引起部分冷却水管道堵塞,导致汽轮发电机局部过热,并最后烧坏发电机绝缘。其先兆是定子线棒或冷却水的温度偏高,材料热解使冷却介质中产生杂质微粒,使发电机的放电量增加。

  1)在设计制造过程中,要根据发电机容量、工作环境和运行要求进行电磁设计,科学合理地加工部件和正确选择电机材料。譬如,发电机绝缘材料选用不当、材料不符合规定,都会造成绝缘材料磨损、腐蚀、变形、破裂和老化等。

  2)汽轮发电机组自身的结构特点。例如,由于发电机冷却水系统的故障,引起部分冷却水管道堵塞或漏水,导致汽轮发电机局部过热或绕组受潮,并最后烧坏发电机绝缘。

  3)汽轮发电机组自身的工作特点。汽轮发电机的绝缘材料长期处在高温和潮湿的恶劣环境下,并且承受着巨大的机电应力,极易发生绝缘故障。由于汽轮发电机与大电网相连,当电力系统突发暂态过程时,会对转子产生冲击。机电系统之间存在共振条件时,会引发破坏性的转子扭振现象。

  1)安装调试不到位。汽轮发电机组在运输、安装、调试的环节中出现问题,造成设备故障缺陷。譬如,汽轮发电机在安装或大修后,如果轴系对中不好,或者发电机定子和转子的中心不重合,极易引起轴系的弯曲振动,破坏机组转子本体及转子绝缘。

  2)运行操作管理问题。运行人员没有按照操作规程正确调控发电机组,或者采取了错误的操作方法,造成人为故障等。譬如,使发电机组长期超负荷运行,会引起发电机过热,使发电机绝缘过早老化。

  3)维护管理问题。维护人员没有严格按照维护规定的技术要求完成各项工作。在维修过程中,如果维修不当,没有达到修理技术要求,修理质量不高,很容易造成发电机组内部绝缘被人为损伤。


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