汽輪發(fā)電機（用汽輪機驅動(dòng)的發(fā)電機）
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汽輪發(fā)電機
用汽輪機驅動(dòng)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 |
| 能量轉換 | 機械能轉換成電能 |
| 動(dòng)力 | 汽輪機驅動(dòng) |
| 原理 | 電磁感應原理 |
收起
概述
發(fā)電機是將機械能轉變?yōu)殡娔艿碾姍C，通常由汽輪機、水輪機或內燃機驅動(dòng)。發(fā)電機分直流發(fā)電機和交流發(fā)電機兩大類(lèi)，后者又可分為同步發(fā)電機和異步發(fā)電機。現代電廠(chǎng)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(wú)功功率，可滿(mǎn)足各種負載的需要。異步發(fā)電機沒(méi)有獨立的勵磁繞組，其結構簡(jiǎn)單，操作方便，但不能向負載提供無(wú)功功率。因此，異步發(fā)電機運行時(shí)必須與其他同步發(fā)電機并聯(lián)，或并接相當數量的電容器。直流發(fā)電機有換向器，結構復雜，價(jià)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。其轉速通常為3000轉/分（頻率為50赫茲）或3600轉/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(fēng)磨耗，轉子直徑一般較小，長(cháng)度較大（即細長(cháng)轉子）。這種細長(cháng)轉子使大型高速汽輪發(fā)電機的轉子尺寸受到限制。20世紀70年代以后，汽輪發(fā)電機的最大容量達130～150萬(wàn)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(dòng)機拖動(dòng)轉子旋轉，利用電磁感應原理把機械能轉換成電能的電氣設備，主要運用于火力發(fā)電廠(chǎng)或核能發(fā)電廠(chǎng)。
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(shí)常會(huì )造成在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(shí)，延長(cháng)其平均無(wú)故障時(shí)間和縮短平均修理時(shí)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(dòng)機拖動(dòng)轉子旋轉，利用電磁感應原理把機械能轉換成電能的發(fā)電設備。發(fā)電機轉子繞組內通入直流電流后，便建立轉子磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)稱(chēng)主磁場(chǎng)，它隨著(zhù)汽輪發(fā)電機轉子旋轉。其磁通自轉子的一個(gè)磁極出來(lái)，經(jīng)過(guò)空氣隙、定子鐵芯、空氣隙，再進(jìn)入轉子另一個(gè)相鄰磁極，從而構成主磁通回路。由于發(fā)電機轉子隨著(zhù)汽輪機轉動(dòng)，發(fā)電機磁極旋轉一周，主磁極的磁力線(xiàn)被裝在定子鐵芯內的u、v、w三相繞組(導線(xiàn))依次切割，根據電磁感應定律，在定子三相繞組內感應出相位不同的三相交變電動(dòng)勢。
假設汽輪發(fā)電機轉子具有一對磁極(即一個(gè)N極、一個(gè)S極)，當汽輪發(fā)電機轉子與汽輪機轉子同軸高速旋轉時(shí)，如汽輪機以3000轉/分旋轉時(shí)，這樣發(fā)電機轉子以50周/秒的恒速旋轉，磁極極性也要變化50次，那么在發(fā)電機定子繞組內感應電動(dòng)勢也變化50次，同時(shí)在定子三相繞組內感應出相位不同的三相交變電動(dòng)勢，即頻率為50赫茲的三相交變電動(dòng)勢。這時(shí)若將發(fā)電機定子三相繞組末端(即中性點(diǎn))連在一起接地，而將發(fā)電機定子三相繞組的首端引出線(xiàn)與用電設備連接，就會(huì )有電流流過(guò)，這個(gè)過(guò)程即為汽輪機轉子輸入的機械能轉換為電能的過(guò)程。
結構
火力發(fā)電廠(chǎng)或核能發(fā)電廠(chǎng)的汽輪發(fā)電機皆采用臥式結構，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、轉子、勵磁系統和冷卻系統。
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圓的定子槽中，分三相布置，互成120°角度，以保證轉子旋轉時(shí)在三相定子繞組中產(chǎn)生互成120°相位差的電動(dòng)勢。每個(gè)槽內放有上下兩組絕緣導體(亦稱(chēng)線(xiàn)棒)，每個(gè)線(xiàn)棒分為直線(xiàn)部分(置于鐵芯槽內)和兩個(gè)端接部分。直線(xiàn)部分是切割磁力線(xiàn)并產(chǎn)生感應電動(dòng)勢的導體有效邊，線(xiàn)棒端接部分則起到連接作用，把相關(guān)線(xiàn)棒按照一定的規律連接起來(lái)，構成發(fā)電機的定子三相繞組。中、小型汽輪發(fā)電機的定子線(xiàn)棒均為實(shí)心線(xiàn)棒，而大型汽輪發(fā)電機由于散熱的需要，多采用內部冷卻的線(xiàn)棒，譬如由若干實(shí)心線(xiàn)棒和可通水的空心線(xiàn)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(mǎn)足通風(fēng)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(lái)，并與機座、定子鐵芯和轉子一起構成發(fā)電機內部完整的通風(fēng)系統。
轉子
汽輪發(fā)電機的轉子如圖3所示，主要由轉子鐵芯、勵磁繞組(轉子繞組)、
護環(huán)和風(fēng)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)電機轉速高，轉子受的離心力很大，所以轉子都呈細長(cháng)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)轉子鐵芯。發(fā)電機轉子本體采用高強度、導磁性能良好的合金鋼加工而成。沿轉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(chēng)小齒。未加工的部分通稱(chēng)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(gè)線(xiàn)圈組成的同心式繞組，線(xiàn)圈則用矩形扁銅線(xiàn)繞制而成。勵磁繞組放在槽內后，繞組的直線(xiàn)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(xiàn)經(jīng)導電桿連接到集電環(huán)上，再經(jīng)過(guò)電刷引出。
(3)護環(huán)和中心環(huán)。汽輪發(fā)電機轉速很高，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(lái)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(dòng)。
(4)集電環(huán)。集電環(huán)分為正、負兩個(gè)集電環(huán)，由堅硬耐磨的合金鍛鋼制成，裝于發(fā)電機轉子的勵磁端外側。正、負兩個(gè)集電環(huán)分別通過(guò)引線(xiàn)接到勵磁繞組的兩端，并借電刷裝置引至發(fā)電機勵磁系統上。
(5)風(fēng)扇。風(fēng)扇裝于發(fā)電機轉子的兩端，用以加快氣體在定子鐵芯和轉子部分的循環(huán)，提高冷卻效果。
冷卻系統
發(fā)電機運行時(shí)，其內部產(chǎn)生的各種損耗會(huì )轉化為熱能，引起發(fā)電機發(fā)熱。尤其是大型汽輪發(fā)電機，因其結構細長(cháng)，中部熱量不易散發(fā)，發(fā)熱問(wèn)題更顯得嚴重。如果發(fā)電機溫度過(guò)高，會(huì )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(wèn)題。
勵磁系統
勵磁系統的主要作用是：
①發(fā)電機正常運轉時(shí)，按主機負荷情況供給和自動(dòng)調節勵磁電流，以維持一定的端電壓和無(wú)功功率的輸出。
②發(fā)電機并列運行時(shí)，使無(wú)功功率分配合理。
③當系統發(fā)生突然短路故障時(shí)，能對發(fā)電機進(jìn)行強勵，以提高系統運行的穩定性。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(shí)，能進(jìn)行強行減磁，以防止電壓過(guò)分升高。
⑤發(fā)電機發(fā)生內部故障，如匝間短路或轉子發(fā)生兩點(diǎn)接地故障時(shí)，能夠對發(fā)電機自動(dòng)減磁或滅磁。
故障分類(lèi)
發(fā)電機是電力系統的“心臟”，其能否安全運行，將直接關(guān)系到電力系統的穩定和電能的質(zhì)量。汽輪發(fā)電機的絕緣材料長(cháng)期處在高溫和潮濕的惡劣環(huán)境下，并且承受著(zhù)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)電機本身機械結構復雜，還有龐大的輔機設備，使得發(fā)電機系統的任一部件發(fā)生故障都可能導致整個(gè)系統停止運行。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(guò)程中損傷了定子鐵芯，形成片間短路，流過(guò)短路處的環(huán)流隨時(shí)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(dòng)過(guò)于劇烈、軸承損壞等原因，造成定、轉子間摩擦而使定子鐵芯損壞。這類(lèi)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。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(jìn)一步發(fā)展，從而引起絕緣故障。
(3)定子繞組股線(xiàn)故障。
繞組股線(xiàn)故障主要是股線(xiàn)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(xiàn)棒通常由多根股線(xiàn)組合而成，股間有絕緣，并需進(jìn)行換位。在運行中，若發(fā)生嚴重的繞組振動(dòng)，則可能損壞股線(xiàn)問(wèn)的絕緣，導致股線(xiàn)問(wèn)短路而產(chǎn)生電弧放電，進(jìn)而侵蝕和熔化其他股線(xiàn)，破壞定子線(xiàn)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(dòng)過(guò)大時(shí)，也會(huì )引起槽口等處的定子線(xiàn)棒股線(xiàn)問(wèn)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(shí)，持續的機械應力或因暫態(tài)過(guò)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(lèi)位移有時(shí)可達幾毫米，從而使端部產(chǎn)生振動(dòng)，引發(fā)疲勞磨損，使絕緣材料出現裂縫，從而發(fā)生局部放電。這類(lèi)故障的先兆是振動(dòng)和局部放電。
(5)轉子繞組故障。
汽輪發(fā)電機轉子繞組故障主要是由于電、熱、機械應力引起的。譬如，轉子離心力使轉子絕緣損壞從而引起繞組匝間短路，造成局部過(guò)熱，進(jìn)而損壞主絕緣。匝間短路會(huì )使發(fā)電機轉子出現磁通量不對稱(chēng)，轉子受力不平衡，引起轉子振動(dòng)。可通過(guò)監測機組振動(dòng)是否加大，氣隙磁通波形畸變程度等現象來(lái)診斷該類(lèi)故障。
(6)轉子本體故障。
強大的離心力同樣也可能引起轉子本體故障。
例如：轉子自重力的作用導致剛體疲勞，使轉子本體及與之相連的部件的表面發(fā)生裂紋；進(jìn)一步發(fā)展，將導致轉子發(fā)生災難性的故障。轉子過(guò)熱也會(huì )引起嚴重的疲勞斷裂；電力系統突發(fā)暫態(tài)過(guò)程時(shí)，會(huì )對轉子產(chǎn)生沖擊應力，若發(fā)電機和系統之間存在共振條件時(shí)，轉子會(huì )激發(fā)扭振現象。轉子或聯(lián)軸器發(fā)生機械故障時(shí)，會(huì )導致轉子偏心引起振動(dòng)，引發(fā)轉子本體故障。
(7)冷卻水系統故障。
因冷卻水質(zhì)不潔等原因會(huì )引起部分冷卻水管道堵塞，導致汽輪發(fā)電機局部過(guò)熱，并最后燒壞發(fā)電機絕緣。其先兆是定子線(xiàn)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
內部原因
1)在設計制造過(guò)程中，要根據發(fā)電機容量、工作環(huán)境和運行要求進(jìn)行電磁設計，科學(xué)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、材料不符合規定，都會(huì )造成絕緣材料磨損、腐蝕、變形、破裂和老化等。
2)汽輪發(fā)電機組自身的結構特點(diǎn)。例如，由于發(fā)電機冷卻水系統的故障，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(guò)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(diǎn)。汽輪發(fā)電機的絕緣材料長(cháng)期處在高溫和潮濕的惡劣環(huán)境下，并且承受著(zhù)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，當電力系統突發(fā)暫態(tài)過(guò)程時(shí)，會(huì )對轉子產(chǎn)生沖擊。機電系統之間存在共振條件時(shí)，會(huì )引發(fā)破壞性的轉子扭振現象。
外部原因
1)安裝調試不到位。汽輪發(fā)電機組在運輸、安裝、調試的環(huán)節中出現問(wèn)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)電機定子和轉子的中心不重合，極易引起軸系的彎曲振動(dòng)，破壞機組轉子本體及轉子絕緣。
2)運行操作管理問(wèn)題。運行人員沒(méi)有按照操作規程正確調控發(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(cháng)期超負荷運行，會(huì )引起發(fā)電機過(guò)熱，使發(fā)電機絕緣過(guò)早老化。
3)維護管理問(wèn)題。維護人員沒(méi)有嚴格按照維護規定的技術(shù)要求完成各項工作。在維修過(guò)程中，如果維修不當，沒(méi)有達到修理技術(shù)要求，修理質(zhì)量不高，很容易造成發(fā)電機組內部絕緣被人為損傷。
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
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