汽轮发电机定子铁心故障

精品范文模板 可修改删除撰写人：_日 期：_汽轮发电机定子铁心故障姜茜编译摘要本文根据1970年代至2000年代几台大型汽轮发电机的铁心故障，分析论述了大型汽轮发电机定子铁心故障的几种成因：涡流、漏磁通、异物、振动等，介绍了致使定子铁心故障恶化的三个因素：瞬态干扰、叠片间电容和氢的分解。本文对预防大型汽轮发电机定子铁心故障有一定参考价值。关键词发电机 汽轮发电机 定子铁心 故障 涡流 叠片1引言1960年代和1970年代初期，许多定子绕组水冷的500MW及以上容量的大型氢冷发电机投入运行。其中很多机组出现了铁心端部发热问题。1968年，英国中央电业管理局（CEGB）系统首台500MW发电机在高超前功率因数下运行时存在困难，出现比较严重的铁心故障，部分发电机定子铁心熔化损坏，几台发电机存在较为严重的端部发热问题，导致长期运行受到限制。据1968年报道，美国Turkey Point电厂#3机曾发生一次大的铁心故障，铁心熔化金属从一个定子槽流出达17英尺长，甚至流到了机壳内(见图1)。图1熔融金属流出造成的铁心故障铁心故障带来的损失是惊人的。首先是维修成本；其次是发电机停运时的发电收入损失成本。2000年11月24日，美国犹他州Pacificorp Hunter电厂#1机发生铁心故障，要求定子全部重新改造，到2001年5月8日机组重新投运前，估计净售电费损失即达2.701亿美元。图1所示的这类故障是罕见的，这个例子值得注意。在线棒绝缘完全损坏，漏电保护系统动作、发电机跳闸之前，已有约500kg的铁心叠片被熔化。实际调查显示，定子铁心故障和端部发热问题在许多大型发电机上都出现过。各制造厂商采用大量仪器测量端部磁通、涡流、叠片间电压及温度，但仅有少部分实验工作进入公共领域。这种观点是作者通过检验大量发电机的成型部件，根据多台存在铁心端部和铁心背部损坏的发电机的检验结果得出的。1970年代和1980年代早期，一些发电机亦存在大面积的铁心故障损坏。典型定子齿沟损坏见图2。部分结果采用其他人在这一领域的工作成果，部分结果则来源于近年就发电机故障调查期间对本课题领域的重新审视。图2典型的定子齿风沟损坏2发电机磁路中的涡流发电机内涡流限制了磁路内磁通可以改变的速率，涡流可能产生相当大的热损耗，通常采用薄冲片形成的磁路来减小涡流。装压前叠片要经去毛刺、清洁和涂漆绝缘。变压器和旋转电机的铁心结构原理十分相似。如果相邻叠片间的绝缘遭到破坏，比如由于发电机定子齿机械损伤，必将导致局部涡流增大，并有可能出现局部过热点。表面热点通常可以通过静止环磁通实验检测到。内部过热点，例如叠片表面之间、叠片间破坏处的过热点，检测就很困难。叠片间点焊破坏实例见图3。图3叠片间点焊破坏大型交流电机内，定子铁心通常由许多扇形叠片布置成环形结构，通过定位筋安装于定子机座内。上下层叠片接缝一般偏移扇形叠片的1/2或1/3，所以对接缝处的磁通可以容易找到通向邻近叠片的通路，以降低整个铁心磁路的磁阻。3由异物导致的层间破坏我们尚不清楚，诸如螺母、螺栓、垫圈或金属屑等金属异物，是从哪种途径进入转子/定子气隙或定子铁心内轴向风道。随着时间的推移，异物会使叠片边缘发生振动，损坏叠片绝缘，使相邻叠片接触，有可能导致很多叠片连在一起，由此造成局部发热点。对大型两极发电机来说，铁心主要部分的叠片间电压并不高，通常对0.35mm的叠片为50mV左右。因此，如果损坏仅发生在一些叠片上，且铁心与机座接触良好，故障就可能不被觉察。通常，肉眼所见定子齿表面像抛光一样的损坏是在例行检查时检测到的，多数情况下，叠片绝缘可以修复。一种修复方法是用磷酸电解腐蚀叠片边缘，清洗表面，然后利用毛细管作用将环氧树脂渗入叠片间。4由定子齿振动引起的层间破坏铁心制造中最难的一个环节是确保铁心叠装紧而均匀，确保单张叠片没有任何部分(例如定子齿)能轴向自由振动。叠装不良的主要原因是叠片厚度不均，冲制的钢片往往边缘最薄，中间最厚。由于大的扇形叠片几乎总是按磁轭与轧制方向一致进行冲切，因此定子齿部及铁心背部的冲片厚度总是小于槽底以下部位的厚度。所以，除非制造铁心时进行多次测量以补偿厚度的累积差，或者将铁心粘在一起，否则在铁心某处即会出现齿部松动现象。如果靠近径向风道的齿部叠片出现松动，则将承受试图将齿部与铁心本体分开的轴向力。在一定时间内，叠片部分可能产生疲劳甚至发生断裂，给相邻叠片留下空间产生振动，以同样方式导致疲劳和断裂。最后，整个定子齿部也许会消失。遭到破坏的部分可能以同样方式造成进一步破坏，就像其他异物进入造成的破坏一样。5涡流引起的端部发热传统交流发电机磁路的主要有效部分中，磁通有径向分量和和周向分量。对每一铁心端部来说，由于来自端部绕组的励磁电流周向分量，定子铁心内将产生轴向磁通分量，使铁心压板中容易产生循环涡流。在大型旋转发电机内，由转子和定子端部绕组内周向电流引起的轴向磁通非常大，会在定子铁心端部及铁心压板内产生较大涡流，这些周向/径向涡流又会导致大的损耗，尤其在槽部区域底部，特别是大型汽轮发电机中，因为这些发电机的比输出功率很大。远离超前功率因数区运行时，端部损耗最高。降低铁心端部涡流损耗的方法很多，如：(1)在铁心端板上装导电屏蔽，起磁偏流器的作用。(2)铁心端部呈阶梯型，以局部增加转子/定子间气隙的磁阻。(3)对叠片进行分段。(4)转子齿上开窄的槽，以加长涡流通路，增加通路电阻，减少涡流及涡流损耗。(5)在叠片上另刷绝缘漆。因此，铁心端部设计应予综合考虑，既要涡流损耗小，又要保持适当的磁特性、热特性与机械特性。然而，仅注意总体设计的作用并不大，还要注重细节问题，如：叠片采用低损耗钢；保证冲压和模具的质量；冲压后充分去毛刺；去毛刺后清洁干净；绝缘涂漆的清洁度；叠片的分段和搭叠；仔细认真的铁心叠装；铁心制造过程及运行中维持铁心均匀压力。即使仔细设计，在稳态工况下铁心端部叠片间的电压水平也约为铁心主体内的40至50倍，在瞬态工况下则更高。因此，叠片间绝缘中极不重要的瑕疵对铁心端部而言也是相当大的缺陷。有时候，铁心端部若存在较大发热，槽后最外层绝缘的漆就要褪色。典型的例子是，在许多槽后面和发电机两端都可以看到热褪色的痕迹。此外，或许还存在更多局部发热迹象，例如，在接缝部位，或有时在偏离叠片边缘的表面间，即存在局部发热问题。可见，瞬态还可能产生叠片间绝缘损坏。6背部铁心漏磁通引起的问题型发电机定子铁心端部产生涡流的另外一个原因是背部铁心漏磁通。该磁通是电枢磁通的一小部分，不在铁心内，而是通过铁心后面的空间，试图进入机座周向部件。机座轴向部件(作用像一个鼠笼)也要受到漏磁通的影响，发电机端部机座的周向部件提供返回通路。通常铁心通过轴向定位筋直接与机座相连，将转矩的作用传到机座。由于叠片铁心的阻抗比机座的小，因此铁心电流返回时，试图经由铁心(而非机座)在铁心端部完成环形通路。如果铁心不是承受转矩阻抗和椭圆形作用力，则铁心背部电流会周向通过铁心流通。相对移动的结果会导致铁心间断地与定位筋接触，在铁心背部产生电弧(见图4)。图4铁心背部产生的电弧现象(1)一些制造商的解决办法是，在每一根定位筋与机座之间放置铜片，并将其在铁心每一端与环形铜带连接，一个在铁心一端，构成一个真实的鼠笼。在此基础上，周向电流都将更愿通过铜条，而不是机座或铁心。 (2)另一些制造商采用将定位筋与背部铁心焊接在一起，以保证电流总是通过为它提供的背部铁心磁路。(3)还有一些制造商采用半绝缘铁心，一根定位筋接地，以提供定位筋-铁心绝缘破坏时的漏电保护。哪种方案最佳，并无明确答案。在多数情况下，铁心背部起弧只是局部铁心与机座焊接的结果，因此，随着时间的推移，整个铁心良好接地，停止起弧。然而当铁心背部出现起弧现象时，损坏就不仅仅局限于背部铁心。例如，叠片间绝缘也许承受电应力，在远离铁心背部的薄弱点、定子齿上、槽底或轴向通风沟等处可能出现叠片间破坏。如果输入足够能量至叠片间破坏处，这可能导致重大的局部损坏。与此同时，大量的叠片间破坏可以使铁心端部损耗显著增大。7恶化因素7.1瞬态干扰的作用在诸如突然短路、电网崩溃、磁极滑移等瞬变工况下，定子电流可以上升到稳态值的数倍。即使这样，主磁通也不会产生很大变化，因为定子磁通瞬时即会升高，转子阻尼绕组中的涡流增大，以试图保持漏磁通不变。然而，在端部，端部绕组安匝及转子阻尼绕组的阻尼电流倾向于相互增大而不是互相削弱，结果是显著增加轴向磁通铁心端部的铁心漏磁通。由于叠片间绝缘会承受高的电应力，因此绝缘薄弱点多半会遭到破坏。由于铁心与机座间的相对振动情况复杂，瞬变工况下又最为明显，从而导致端部铁心与机座定位筋间的间断接触比稳态负载下更多。7.2层间电容许多运行发电机的铁心存在某些痕迹，痕迹有时很小，可能被忽略，有的则可能在端部叠片边缘发现。这些痕迹还可以在背部铁心、齿部、风道槽处或表面间发现。当然，无论在哪儿都可能存在绝缘薄弱点，其结果是常常发生微观点焊现象。有时，这种焊接会扩大到几张叠片。一种可能的解释是，铁心端部叠片初始状态为大的平板电容器，这些电容器板因铁心与定位筋的接触短路。无论何时，铁心-机座间的接点一旦受到破坏，电感性电流就会不断流入开路电容器，使叠片间的电压快速升高，产生电容充电，直至叠片间遭到破坏为止。当所有电容放电能量放电出现故障，或者直至存储的电容能量等于最初的电感能量，就会进入脉冲放电状态。经过论证，叠片间绝缘越好，破坏发生前叠片间储存的电荷越多，重大叠片间破坏前的电容量也越大。电感/电容现象能够在实验室受控方式下用两张叠片进行验证。两张叠片作为电容器板，叠片间接一只开关，再串一个电池和电感线圈。打开开关，绝缘薄弱点会被击穿；在击穿点插入绝缘，再打开开关，另一个薄弱点又会出现击穿的情况。此时闪微光，如此继续下去。最后，能量输入足以导致破坏点的焊接。实验可以有多种显示，举例来说，油的改性，它将增大破坏点的介电强度，并将其破坏移至其他地方。图5为人工产生的叠片间电压的电路。图5人工产生的叠片间电压的电路7.3氢分解可能造成的影响大型发电机的冷却剂常采用氢气，当氢气承受电弧高温时，会使氢原子分解，分解非常活跃。从氢原子分解可以找到发电机端部局部铁心烧坏有全尺寸铁心故障之间的联系。氢气产生的电弧是局部的，电弧具有很高的导热特性，这种特性不能由热传导、对流或辐射来解释。分解过程中，氢分子吸收电弧热量分解变为氢原子。接着，当氢原子有催化剂时，氢原子重组，放出热量给催化剂。像铁这样的金属即是很好的催化剂，可以加热至灼热状态，或在距离电弧35cm处熔化。导热率约为氢分子态的12倍，并不要求大量氢气传递大量的热量。传热效率较高，从离金属表面3mm的82% 到35mm时的55%。能量主要传给电弧附近的金属，引起比暴露在空气中更大的破坏。氢分解的影响很好理解，实际上是利用氢电弧焊接过程，但尚未证明是铁心故障扩大的因素。然而大型发电机的铁心故障包括氢环境下的起弧，因此可以认为氢的分解发挥了作用。8讨论和总结大型汽轮发电机比出力在每米铁心有效长度下为70MW左右，每克硅钢在熔点的热容量约为1330J/gm。因此，如果1m长铁心输出的能量输入铁心上可能出现的一个发热点，从理论上讲，忽略辐射、对流及传导损失，就会以54kg/s的速度将金属熔化。我们知道，就会发生几百公斤铁心熔化的铁心故障。这使我们认识到，如此大量的熔化仅在几秒内即可出现。我们已知道，叠片间电压可能瞬时增高和产生局部破坏的机理，局部破坏可以是点焊形式，也可能是较轻的破坏。此外，大型发电机定子冷却剂的氢气是很洁净的。如果在存在电弧时分解，它将是一种非常有效的传热介质。由于定子铁心内存在很高能量密度及可能的叠片间的破坏，故会导致涡流增大、局部发热增加和进一步的破坏。值得注意的是，怎么会发生相对罕见的重大的铁心故障。一般来说，设计和制造技术要适应以达到目的，仅仅某些特例情况才会导致本文所述的实际严重故障，如叠片冲压时的瞬时麻痹、铁心装压时疏忽、打入槽楔时的粗心，及可能出现的其他各种情况。2011.6水轮发电机及发电电动机的最新技术摘要最近10年，世界各地水电站平均每年订货容量超过20000MW，新电站建设速度加快，尤其是在中国。其中，包括许多装有200MVA800MVA机组的大型发电站。对大容量水轮发电机来说，某些情况下，定子和转子绕组已采用直接水冷技术。然而从机组结构简单和易维护的观点来看，空冷型式更为适合，近年来,空冷型机组得到更多关注。在低速情况下，考虑到工地运输的限制，大尺寸发电机部件可以采用工地焊接结构。在中国，不仅建有采用立式机组的大型水电站,而且建设有采用卧式灯泡式水轮发电机组的低水头电站。最近，单机容量30MW45MW的大型灯泡式水轮发电机已投入运行，轴承及发电机冷却的新技术将推广用于灯泡式水轮发电机。在抽水蓄能电站中，第一个调速抽水蓄能系统1990年在日本投运，以后这种系统已运用于多个抽水蓄能电站，尤其是在日本和欧洲。在调速抽水蓄能发电电动机中，针对离心力作用的转子线圈端部支撑结构是一项目前仍在不断改进的重要技术。关键词同步发电机 灯泡式水轮发电机 发电电动机 抽水蓄能 调速1引言气候变化和环境恶化的影响已成为全球范围内的一个大问题，每一个国家都把减少温室气体的排放作为焦点。在这样的环境下，水力发电又重新被认定是一种环境友好型电力系统，许多国家正大力建设水电站，尤其是在中国。另外，人们又注意建设抽水蓄能电站。抽水蓄能电站已应用多年，它可以在电力需求高峰时发电，而在电力需求降低时将电能储存下来，以平衡电力供给和满足电网需要。另外，近年来，由于间断性可再生能源（尤其是风电）的增长，电网稳定性已成为一个主要问题，传统的抽水蓄能又备受关注。调速抽水蓄能可通过改变机组转速控制水泵输入功率，更为有效地改善电网稳定性。100多年来，东芝水电公司制造的水轮发电机和发电电动机已遍布全世界，促进了水力发电的发展。本文介绍了东芝水电公司水轮发电机和发电电动机(包括调速抽水蓄能系统)的最新技术及技术发展趋势。2水轮发电机和发电电动机的最新技术2.1大容量同步发电机过去10年，世界各地新建水电站平均每年订货容量超过20000MW，新电站的建设显著加速，尤其是在中国，其中，包括许多装有200MVA800MVA机组的大型水电站。例一如中国的观音岩水电站，电站装有5台666.67MVA的水轮发电机组。该电站发电机目前正在设计，计划2015年投运。观音岩电站水轮发电机的剖面图见图1。观音岩电站水轮发电机额定参数如下： 型 式半伞式冷却方式带水冷却器的全封闭空气冷却额定容量666.67MVA额定转速90.9r/min端电压20kV额定功率因数0.92.1.1全空冷及20kV定子绕组观音岩电站发电机为立轴半伞式同步发电机，定子铁心外径约17.2m，发电机总重约2700t。额定端电压为20kV，定子线棒采用VPR(真空加压多胶云母带)绝缘系统，定子和转子绕组冷却方式为空气冷却。对于大容量发电机来说，在某些情况下，定子和转子绕组已采用直接水冷技术。然而，从机组结构简单和易维护的观点看，空冷型式更为适合，近年来，空冷方式得到更多关注。1980年代，委内瑞拉Guri 电站805MVA水轮发电机已采用全空冷技术。2.1.2工地焊接机械结构对于大直径发电机来说，设计和制造部件时应考虑到工地的运输限制。对观音岩电站发电机，考虑到运输限制和工地装配，大尺寸部件，如定子机座、转子支架及轴承机架等，采用工地焊接结构。图2所示为转子支架，它包括单个中心体、外部部件和工地焊接装配用定位筋。2.2灯泡贯流式水轮发电机在中国，不仅有采用立式机组的大型水电站，而且建有采用卧式灯泡贯流式水轮发电机的低水头水电站。最近，机组容量30MW45MW的大型灯泡贯流式水轮发电机已投入运用。图3和图4为中国清水塘电站灯泡式水轮发电机剖面图及发电机转子。该电站装有4台32MW、62.5r/min的机组，首台机组已于2008年12月投运，清水塘电站发电机参数如下：表2 清水塘电站发电机参数型 式卧式灯泡水轮发电机冷却方式带水冷却器的全封闭空气冷却额定容量33.68MVA额定转速62.5r/min端电压10.5kV额定功率因数0.952.2.1非金属导轴承用于卧式机组清水塘电站水轮机和发电机的转动部件由两个导轴承支撑，对卧式水轮发电机来说，重达220t的最大导轴承负荷是一个非常重的负荷。扇形导轴承轴衬采用非金属PTFE(聚四氟乙烯)，取代传统巴氏合金轴颈轴承。在高轴承压力下，相对于巴氏合金轴承，聚四氟乙烯轴承具有减少摩擦和降低磨损的优越特性。而且，发电机在起动和停止运行时无需高压油系统。聚四氟乙烯轴承性能已在工厂模型试验进行验证。2.2.2灯泡贯流式水轮发电机的新型冷却方式通常，灯泡贯流式水轮发电机由于转速低和灯泡直径的限制，仅通过转子风扇作用的径向通风来获得充足的冷却风量及风压是比较困难的。清水塘电站发电机定子和转子通过外部电动风扇及水冷热交换器来冷却。然而，改进冷却方式，比如通过外部过水的灯泡壳来直接冷却定子铁心，以及通过灯泡壳内表面的冷却翅的间接冷却技术，也已开发成功，希望应用于其他机组。2.3抽水蓄能发电电动机近年来，中国规划建设多座抽水蓄能电站，大部分电站装机容量在1000MW以上，由数台200MW300MW的高速(额定转速为375r/min500r/min)机组组成。图6为中国清远抽水蓄能电站发电电动机剖面图。下面是中国清远抽水蓄能电站发电电动机的额定参数：型 式半 伞 式 冷却方式带水冷却器的全封闭空气冷却额定容量356MVA/331MW(发电机/电动机)额定转速428.6r/min端电压15.75kV额定功率因数0.95/0.975(发电机/电动机)2.3.1发电电动机结构和通风冷却方式清远电站发电电动机采用带水冷表面空气冷却器的全封闭空冷系统，转子为环形磁轭型，由高强度厚轧板堆叠而成，环形磁轭板间设有许多径向通风沟，以通过定子、转子的风沟使空气循环。通风系统的气流如图7所示。2.3.2发电电动机轴承清远电站发电电动机为半伞式机，推力-下导组合轴承布置于转子之下；上导轴承布置于转子之上。各导轴承和推力轴承为可逆式旋转电机用中心支撑型轴承。推力轴瓦由很多圈簧支撑。清远电站发电电动机推力轴瓦为传统巴氏合金型。非金属推力轴承具有很好的抗摩擦及耐磨损特性，近年来，已推广用于发电电动机中，聚四氟乙烯推力轴承也已用于300MW级发电电动机。非金属(PTFE)推力轴承如图8所示，传统巴氏合金的摩擦及磨损特性与非金属(聚四氟乙烯，带附件)特性的比较如图9所示。2.3.3防止油气泄露的轴承密封轴承盖的密封传统上多采用迷宫式密封。然而，由于径向空冷的高速发电电动机的转子进风口靠近轴承盖，因此。油气有时会从轴承和轴之间的间隙处泄露。为避免这些问题，开发了名为刷密封的新型密封，并已用于水轮发电机和发电电动机中。刷密封具有极好的抗摩擦抗磨损特性，柔性刷能与轴保持良好接触，阻止油气泄露。刷密封结构如图10所示，传统迷宫式密封与新开发的刷密封的密封性能的比较如图11所示。东芝水电公司调速抽水蓄能系统发电机的主要情况见下表。东芝水电公司调速抽水蓄能系统用发电电动机电 站拥 有 者发电电动机容量(MVA/MW)转速范围(r/min)换流器型式运行时间矢木尺 #2机组盐源 #3机组奥清津 第二#2机组冲绳海水京极 #1机组葛野川 #3机组葛野川 #4机组东京电力公司东京电力公司电力开发公司电力开发公司北海道电力公司东京电力公司东京电力公司85/85360/330345/34031.5/31.8230/230475/460475/460130156345405407450423477475525480520480520循环变流器循环变流器GTO 逆变器/变流器GTO 逆变器/变流器IEGT 逆变器/变流器IEGT 逆变器/变流器IEGT 逆变器/变流器199019951996199920142020以后2020以后2.4.1调速抽水蓄能系统结构变流器供电调速抽水蓄能系统的系统结构如图12所示。系统由水泵水轮机、发电电动机变频器及控制系统组成、发电电动机及变频器有别于传统抽水蓄能系统用同步发电电动机，它有一个带三相磁场绕组的圆柱形转子，可以通过控制与发电电动机三相磁场绕组相连的变频器的交流频率来调节转速。2.4.2发电电动机与传统同步发电机不同，调速发电电动机的转子为三相分布磁场绕组的圆柱形转子。高速大容量调速发电电动机的技术问题包括需要承受大的离心力的转子铁心叠片及转子线圈的结构。高转子铁心叠片采用了高强度钢板。调速发电电动机的转子三相线圈像定子线圈一样，嵌入转子铁心槽内，为克服离心力作用，转子线圈端部支撑结构尤为重要。在转子带三相分布绕组的感应电动机中，通常转子线圈端部外侧用非磁性钢丝绑扎，以支撑线圈端部，抵抗离心力的作用。然而，对于大尺寸、大容量发电电动机来说，已开发一种U形螺栓支撑结构，并得到应用。U形螺栓支撑系统具有良好优势，如易于在工地安装、维护，良好的线圈端部冷却，线圈能自由热膨胀，工地不需安装设备等。U形螺栓支撑结构及调速抽水蓄能电站用发电电动机转子如图13和图14所示。3结语水轮发电机技术包括常规水轮发电机、大容量水轮发电机、灯泡式水轮发电机及用于抽水蓄能的发电电动机的技术已得以持续开发和改进。水轮发电机的技术发展趋势是将全空冷技术尽量推广应用到大容量水轮发电机及发电电动机。对于灯泡式水轮发电机来说，冷却方式的改进趋势就是采用通过灯泡壁传的方式，同时开发和改进无维修技术，如采用非金属轴承和高性能轴承密封。随着间断运行促进新能源(比如风能和太阳能)的增长，电网稳定性则成为一个重要课题，为此要采用电网稳定用设备和或系统，例如调速抽水蓄能系统。 戴庆忠校 译第 10 页 共 10 页免责声明：图文来源于网络搜集，版权归原作者所以若侵犯了您的合法权益，请作者与本上传人联系，我们将及时更正删除。