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发电机设备维护

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  •   发电机(英文名称:Generators)是将其他形式的能源转换成电能的机械设备,它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动,将水流,气流,燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机,再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产、国防、科技及日常生活中有广泛的用途。

      

      发电机的形式很多,但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此,其构造的一般原则是:用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路,以产生电磁功率,达到能量转换的目的。


      风力发电机是集电气、机械、空气动力学等各学科于一体的综合产品,各部分紧密联系,息息相关。风力机维护的好坏直接影响到发电量的多少和经济效益的高低;风力机本身性能的好坏,也要通过维护检修来保持,维护工作及时有效可以发现故障隐患,减少故障的发生,提高风机效率。

      

      风机维护可分为定期检修和日常排故维护两种方式。

      

      1.风机的定期检修维护

      

      定期的维护保养可以让设备保持佳期的状态,并延长风机的使用寿命。定期检修维护工作的主要内容有:风机联接件之间的螺栓力矩检查(包括电气连接),各传动部件之间的润滑和各项功能测试。

      

      风机在正常运行中时,各联接部件的螺栓长期运行在各种振动的合力当中,极易使其松动,为了不使其在松动后导致局部螺栓受力不均被剪切,我们必须定期对其进行螺栓力矩的检查。在环境温度低于-5℃时,应使其力矩下降到额定力矩的80%进行紧固,并在温度高于-5℃后进行复查。我们一般对螺栓的紧固检查都安排在无风或风小的夏季,以避开风机的高出力季节。

      

      风机的润滑系统主要有稀油润滑(或称矿物油润滑)和干油润滑(或称润滑脂润滑)两种方式。风机的齿轮箱和偏航减速齿轮箱采用的是稀油润滑方式,其维护方法是补加和采样化验,若化验结果表明该润滑油已无法再使用,则进行更换。干油润滑部件有发电机轴承,偏航轴承,偏航齿等。这些部件由于运行温度较高,极易变质,导致轴承磨损,定期维护时,必须每次都对其进行补加。另外,发电机轴承的补加剂量一定要按要求数量加入,不可过多,防止太多后挤入电机绕组,使电机烧坏。

      

      定期维护的功能测试主要有过速测试,紧急停机测试,液压系统各元件定值测试,振动开关测试,扭缆开关测试。还可以对控制器的极限定值进行一些常规测试。

      

      定期维护除以上三大项以外,还要检查液压油位,各传感器有无损坏,传感器的电源是否可靠工作,闸片及闸盘的磨损情况等方面。

      

      2.日常排故维护

      

      风机在运行当中,也会出现一些故障必须到现场去处理,这样我们就可顺便进行一下常规维护。首先要仔细观察风机内的安全平台和梯子是否牢固,有无连接螺栓松动,控制柜内有无糊味,电缆线有无位移,夹板是否松动,扭缆传感器拉环是否磨损破裂,偏航齿的润滑是否干枯变质,偏航齿轮箱、液压油及齿轮箱油位是否正常,液压站的表计压力是否正常,转动部件与旋转部件之间有无磨损,看各油管接头有无渗漏,齿轮油及液压油的滤清器的指示是否在正常位置等。第二是听,听一下控制柜里是否有放电的声音,有声音就可能是有接线端子松动,或接触不良,须仔细检查,听偏航时的声音是否正常,有无干磨的声响,听发电机轴承有无异响,听齿轮箱有无异响,听闸盘与闸垫之间有无异响,听叶片的切风声音是否正常。第三,清理干净自己的工作现场,并将液压站各元件及管接头擦净,以便于今后观察有无泄漏。

      

      虽然上述的常规维护项目并不是很完全,但我们只要每次都能做到认真、仔细,一定能防止出现故障隐患,提高设备的完好率和可利用率。

      

      要想运行维护好风力发电机组,在平时还要对风机相关理论知识进行深入地研究和学习,认真做好各种维护记录并存档,对库存的备件进行定时清点,对各类风机的多发性故障进行深入细致分析,并力求对其做出有效预防。只有防患于未然,才是我们运行维护的高境界。

      

    1  同步发电机

      

      基本信息

      

      作发电机运行的同步电机。是一种常用的交流发电机。在现代电力工业中,它广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。由于同步发电机一般采用直流励磁,当其单机独立运行时,通过调

      

      节励磁电流,能方便地调节发电机的电压。若并入电网运行,因电压由电网决定,不能改变,此时调节励磁电流的结果是调节了电机的功率因数和无功功率。

      

      同步发电机的定子、转子结构与同步电机相同,一般采用三相形式,只在某些小型同步发电机中电枢绕组采用单相。

      

      工作特性

      

      表征同步发电机性能的主要是空载特性和负载运行特性。这些特性是用户选用发电机的重要依据。

      

      空载特性

      

      发电机不接负载时,电枢电流为零,称为空载运行。此时电机定子的三相绕组只有励磁电流If感生出的空载电动势E0(三相对称),其大小随If的增大而增加。但是,由于电机磁路铁心有饱和现象,所以两者不成正比(图1)。反映空载电动势E0与励磁电流If关系的曲线称为同步发电机的空载特性。

      

      电枢反应

      

      当发电机接上对称负载后,电枢绕组中的三相电流会产生另一个旋转磁场,称电枢反应磁场。其转速正好与转子的转速相等,两者同步旋转。

      

      同步发电机的电枢反应磁场与转子励磁磁场均可近似地认为都按正弦规律分布。它们之间的空间相位差取决于空载电动势E0与电枢电流I之间的时间相位差。电枢反应磁场还与负载情况有关。当发电机的负载为电感性时,电枢反应磁场起去磁作用,会导致发电机的电压降低;当负载呈电容性时,电枢反应磁场起助磁作用,会使发电机的输出电压升高。

      

      负载运行特性

      

      主要指外特性和调整特性。外特性是当转速为额定值、励磁电流和负载功率因数为常数时,发电机端电压U与负载电流I之间的关系,如图2所示。调整特性是转速和端电压为额定值、负载功率因数为常数时,励磁电流If与负载电流I之间的关系,如图3所示。图2中还显示出电阻性、电容性和电感性3种负载的情况。由于电枢反应磁场影响的不同,三者的曲线也不一样。在外特性中,从空载到额定负载时电压的变化程度称为电压变化率△U,常用百分数表示为

      

      同步发电机的电压变化率约为20~40%。一般工业和家用负载都要求电压保持基本不变。为此,随着负载电流的增大,必须相应地调整励磁电流。图3所示为 3种不同性质负载下的调整特性。虽然调整特性的变化趋势与外特性正好相反,对于感性和纯电阻性负载,它是上升的,而在容性负载下,一般是下降的。

      

      高速同步发电机

      

      因大多数发电机与原动机同轴联动,火电厂都用高速汽轮机作原动机,所以汽轮发电机通常用高转速的2极电机,其转速达3000转/分(在电网频率为60赫时,为3600转/分)。核电站多用4极电机,转速为1500转/分(当电网频率为60赫时,为1800转/分)。为适应高速、高功率要求,高速同步发电机在结构上一是采用隐极式转子,二是设置专门的冷却系统。

      

      ①隐极式转子:外表呈圆柱形,在圆柱表面开槽以安放直流励磁绕组,并用金属槽楔固紧,使电机具有均匀的气隙。由于高速旋转时巨大的离心力,要求转子有很高的机械强度。隐极式转子一般由高强度合金钢整块锻成,槽形一般为开口形,以便安装励磁绕组。在每一个极距内约有1/3部分不开槽,形成大齿;其余部分的齿较窄,称做小齿。大齿中心即为转子磁极的中心。有时大齿也开一些较小的通风槽,但不嵌放绕组;有时还在嵌线槽底部铣出窄而浅的小槽作为通风槽。隐极式转子在转子本体轴向两端还装有金属的护环和中心环。护环是由高强度合金制成的厚壁圆筒,用以保护励磁绕组端部不至被巨大的离心力甩出;中心环用以防止绕组端部的轴向移动,并支撑护环。此外,为了把励磁电流通入励磁绕组,在电机轴上还装有集电环和电刷。

      

      ②冷却系统:由于电机中能量损耗和电机的体积成正比,它的量级与电机线度量级的三次方成比例,而电机散热面的量级只是电机线度量级的二次方。因此,当电机尺寸增大时(受材料限制,增大电机容量就得加大其尺寸),电机每单位表面上需要散发的热量就会增加,电机的温升将会提高。在高速汽轮发电机中,离心力将使转子表面和转子中心孔表面产生巨大的切向应力,转子直径越大,这种应力也越大。因此,在锻件材料允许的应力极限范围内,2极汽轮发电机的转子本体直径不能超过1250毫米。大型汽轮发电

      

      机要增大单机容量,只有靠增加转子本体的长度(即用细长的转子)和提高电磁负荷来解决。目前,转子长度可达8米,已接近极限。要继续提高单机容量,只能是提高电机的电磁负荷。这使大型汽轮发电机的发热和冷却问题变得特别突出。为此,已研制出多种冷却系统。对于50000千瓦以下的汽轮发电机,多采用闭路空气冷却系统,用电机内的风扇吹拂发热部件降温。对于容量为5~60万千瓦的发电机,广泛使用氢冷。氢气(纯度99%)的散热性能比空气好,用它来取代空气不仅散热效果好,而且可使电机的通风摩擦损耗大为降低,从而能显着提高发电机的效率。但是,采用氢冷必须有防爆和防漏措施,这使电机结构更为复杂,也增加了电极材料的消耗和成本。此外,还可采用液体介质冷却,例如水的相对冷却能力为空气的50倍,带走同样的热量,所需水的流量比空气小得多。因此,在线圈里采用一部分空心导线,导线中通水冷却,就可以大大降低电机温升,延缓绝缘老化,增长电机寿命。1956年,英国首创台12000千瓦定子线圈水内冷汽轮发电机。1958年,中国由浙江大学、上海电机厂首先研制成台定、转子线圈都采用水内冷的 12000千瓦双水内冷汽轮发电机,为这种冷却方式奠定了基础。世界一些国家在大容量电机中也广泛采用水内冷技术,并制造出了几十万到一百多万千瓦的巨型发电机。除了水冷外,液体冷却介质还可使用变压器油,其相对导热能力约为水的40%,绝缘性能好,可将发电机额定电压提高到几万伏,从而节约了升压变压器的投资。近年来,还在研究用氟利昂作为冷却介质的蒸发冷却技术。氟利昂绝缘好,很容易气化,利用其气化潜热来冷却电机,是一种有意义的探索方向。

      

      低速同步发电机

      

      多数由较低速度的水轮机或柴油机驱动。电机磁极数由4极到60极,甚至更多。对应的转速为1500~100转/分及以下。由于转速较低,一般都采用对材料和制造工艺要求较低的凸极式转子。

      

      凸极式转子的每个磁极常由1~2毫米厚的钢板叠成,用铆钉装成整体,磁极上套有励磁绕组(图4)。励磁绕组通常用扁铜线绕制而成。磁极的极靴上还常装有阻尼绕组。它是一个由极靴阻尼槽中的裸铜条和焊在两端的铜环形成的一个短接回路。磁极固定在转子磁轭上,磁轭由铸钢铸成。凸极式转子可分为卧式和立式两类。大多数同步电动机、同步调相机和内燃机或冲击式水轮机拖动的发电机,都采用卧式结构;低速、大容量水轮发电机则采用立式结构。

      

      卧式同步电机的转子主要由主磁极、磁轭、励磁绕组、集电环和转轴等组成。其定子结构与异步电机相似。立式结构必须用推力轴承承担机组转动部分的重力和水向下的压力。大容量水轮发电机中,此力可高达四、五十兆牛(约相当于四、五千吨物体的重力),所以这种推力轴承的结构复杂,加工工艺和安装要求都很高。按照推力轴承的安放位置,立式水轮发电机分为悬吊式和伞式两种。悬吊式的推力轴承放在上机架的上部或中部,在转速较高、转子直径与铁心长度的比值较小时,机械上运行较稳定。伞式的推力轴承放在转子下部的下机架上或水轮机顶盖上。负重机架是尺寸较小的下机架,可节约大量钢材,并能降低从机座基础算起的发电机和厂房高度。

      

      同步发电机的并联运行 同步发电机绝大多数是并联运行,并网发电的。各并联运行的同步发电机必须频率、电压的大小和相位都保持一致。否则,并联合闸的瞬间,各发电机之间会产生内部环流,引起扰动,严重时甚至会使发电机遭受破坏。但是,两台发电机在投入并联运行以前,一般说来它们的频率与电压的大小和相位是不会完全相同的。为了使同步发电机能投入并联运行,首先必须有一个同步并列的过程。同步并列的方法可分为准同步和自同步两种。同步发电机在投入并联运行以后,各机负载的分配决定于发电机的转速特性。通过调节原动机的调速器,改变发电机组的转速特性,即可改变各发电机的负载分配,控制各发电机的发电功率。而通过调节各发电机的励磁电流,可以改变各发电机无功功率分配和调节电网的电压。

      

      准同步并列

      

      将已加励磁的待投运发电机通过调节其原动机的转速和改变该发电机的励磁,使其和运行中的发电机的频率差不超过0.1~0.5%。在两机电压相位差不超过10°的瞬间进行合闸并联,两者即可自动牵入同步运行。准同步并列的操作可以手动,也可以借自动装置完成。

      

      自同步并列

      

      把待投入并联的发电机转速调到接近电网的同步转速,在未加励磁的条件下就合闸并联,然后再加入励磁,依靠发电机和电网之间出现的环流及相应产生的电磁转矩把发电机迅速牵入同步。采用自同步并列时,由于减少了调节发电机转速、电压和选择合闸瞬间所需的时间,所以并列的过程较快,特别适宜于电力系统事故情况下机组的紧急投入。但是此法在并列合闸瞬间的电流冲击比较大,会使电网电压短时下降,电机绕组端部承受较大的电磁力。

      

    2  交流发电机

      

      在日常生活中我们用交流发电机来供用电设备使用时,常发生用电设备不能正常工作的情况,其原因是发电机输出的交流电不够稳定,这时候需要电力稳压器来稳定电压,也就是我们日常生活中常用到的交流稳压电源,交流稳压电源能使发电机的输出电压精度稳定到我们用电设备正常工作所允许的范围。

      

      交流发电机构造

      

      交流发电机的构造稍显复杂。但是不论它是单相还是三相,都是由下列几个主要部分组成:

      

      ⑴激磁部分,包括激磁机和磁场部分。

      

      ⑵电枢部分。

      

      ⑶机壳部分,包括装置备部分的铁架和机座。

      

    3  异步发电机

      

      异步发电机又称“感应发电机”。利用定子与转子间气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用的一种交流发电机。其转子的转向和旋转磁场的转向相同,但转速略高于旋转磁场的同步转速。常用作小功率水轮发电机。

      

      交流励磁发电机又被人们称之为双馈发电机

      

    4  三相异步电动机

      

      .交流励磁发电机由于转子方采用交流电压励磁,使其具有灵活的运行方式,在解决电站持续工频过电压、变速恒频发电、抽水蓄能电站电动-发电机组的调速等问题方面有着传

      

      统同步发电机无法比拟的优越性。交流励磁发电机主要的运行方式有以下三种:1) 运行于变速恒频方式;2) 运行于无功大范围调节的方式;3) 运行于发电-电动方式。

      

      随着电力系统输电电压的提高,线路的增长,当线路的传输功率低于自然功率时,线路和电站将出现持续的工频过电压.为改善系统的运行特性,不少技术先进的国家,在6"世纪A"年代初开始研究异步发电机在大电力系统中的应用问题,并认为大系统采用异步发电机后,可提高系统的稳定性,可靠性和运行的经济性.

      

      异步发电机由于维护方便,稳定性好,常用作并网运行的小功率水轮发电机。当用原动机将异步电机的转子顺着磁场旋转方向拖动,并使其转速超过同步转速时,电机就进入发电机运行,并把原动机输入的机械能转变成电能送至电网。这时电机的励磁电流取自电网。

      

      异步发电机也可以并联电容,靠本身剩磁自行励磁,独立发电(见图),这时发电机的电压与频率由电容值、原动机转速和负载大小等因素决定。当负载改变,一般要相应地调节并联的电容值,以维持电压稳定。由于异步电机并联电容时,不需外加励磁电源就可独立发电,故在负荷比较稳定的场合,有可取之处。例如可用作农村简易电站的照明电源或作为备用电源等。

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