汽輪發電機

發電機是將機械能轉變為電能的電機，通常由汽輪機、水輪機或內燃機驅動。發電機分直流發電機和交流發電機兩大類，後者又可分為同步發電機和非同步發電機。現代電廠中最常用的是同步發電機。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。非同步發電機沒有獨立的勵磁繞組，其結構簡單，操作方便，但不能向負載提供無功功率。因此，非同步發電機運行時必須與其他同步發電機並聯，或並接相當數量的電容器。直流發電機有換向器，結構複雜，價格較貴，易出故障，維修困難，效率也不如交流發電機。故自20世紀50年代以後，直流發電機逐漸為交流電源經功率半導體整流獲得的直流電所取代。

汽輪發電機是與汽輪機配套的發電機。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）。高速汽輪發電機為了減少因離心力而產生的機械應力以及降低風磨耗，轉子直徑一般較小，長度較大（即細長轉子）。這種細長轉子使大型高速汽輪發電機的轉子尺寸受到限制。20世紀70年代以後，汽輪發電機的最大容量達130～150萬千瓦。

汽輪發電機是同步發電機的一種，它是由汽輪機作原動機拖動轉子旋轉，利用電磁感應原理把機械能轉換成電能的電氣設備，主要運用於火力發電廠或核能發電廠。

由於汽輪發電機在設計、安裝和運行方面的諸多原因，汽輪發電機的故障具有潛伏性，時常會造成在實際生產過程中運行機組的故障發生率居高不下。對汽輪發電機的狀態監測和故障診斷，目的是在故障初始階段檢查出汽輪發電機存在的缺陷，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，提高發電設備的設備利用率。

汽輪發電機是由汽輪機作原動機拖動轉子旋轉，利用電磁感應原理把機械能轉換成電能的發電設備。發電機轉子繞組內通入直流電流后，便建立轉子磁場，這個磁場稱主磁場，它隨著汽輪發電機轉子旋轉。其磁通自轉子的一個磁極出來，經過空氣隙、定子鐵芯、空氣隙，再進入轉子另一個相鄰磁極，從而構成主磁通迴路。由於發電機轉子隨著汽輪機轉動，發電機磁極旋轉一周，主磁極的磁力線被裝在定子鐵芯內的u、v、w三相繞組(導線)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勢。

假設汽輪發電機轉子具有一對磁極(即一個N極、一個S極)，當汽輪發電機轉子與汽輪機轉子同軸高速旋轉時，如汽輪機以3000轉/分旋轉時，這樣發電機轉子以50周/秒的恆速旋轉，磁極極性也要變化50次，那麼在發電機定子繞組內感應電動勢也變化50次，同時在定子三相繞組內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。這時若將發電機定子三相繞組末端(即中性點)連在一起接地，而將發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子輸入的機械能轉換為電能的過程。

火力發電廠或核能發電廠的汽輪發電機皆採用卧式結構，如圖1所示，發電機與汽輪機、勵磁機等配套組成同軸運轉的汽輪發電機組。汽輪發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。

(1)定子鐵芯。定子鐵芯是構成磁路並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，以保證轉子旋轉時在三相定子繞組中產生互成120°相位差的電動勢。每個槽內放有上下兩組絕緣導體(亦稱線棒)，每個線棒分為直線部分(置於鐵芯槽內)和兩個端接部分。直線部分是切割磁力線併產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，把相關線棒按照一定的規律連接起來，構成發電機的定子三相繞組。中、小型汽輪發電機的定子線棒均為實心線棒，而大型汽輪發電機由於散熱的需要，多採用內部冷卻的線棒，譬如由若干實心線棒和可通水的空心線棒並聯組成。

(3)機座及端蓋。機座的作用是支撐和固定發電機定子鐵芯。機座一般用鋼板焊接而成，必須有足夠的強度和剛度，並能滿足通風散熱的要求。端蓋的作用是將發電機本體的兩端封蓋起來，並與機座、定子鐵芯和轉子一起構成發電機內部完整的通風系統。

汽輪發電機的轉子如圖3所示，主要由轉子鐵芯、勵磁繞組(轉子繞組)、護環和風扇等組成，是汽輪發電機最重要的部件之一。由於汽輪發電機轉速高，轉子受的離心力很大，所以轉子都呈細長形，且製成隱極式的，以便更好地固定勵磁繞組。

(1)轉子鐵芯。發電機轉子本體採用高強度、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於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。勵磁繞組放在槽內后，繞組的直線部分用槽楔壓緊，端部徑向固定採用護環，軸向固定採用雲母塊和中心環。勵磁繞組的引出線經導電桿連接到集電環上，再經過電刷引出。

(3)護環和中心環。汽輪發電機轉速很高，勵磁繞組端部承受很大的離心力，所以要用護環和中心環來緊固。護環把勵磁繞組端部套緊，使繞組端部不發生徑向位移和變形；中心環用以支持護環，並防止端部的軸向移動。

(4)集電環。集電環分為正、負兩個集電環，由堅硬耐磨的合金鍛鋼製成，裝於發電機轉子的勵磁端外側。正、負兩個集電環分別通過引線接到勵磁繞組的兩端，並借電刷裝置引至發電機勵磁系統上。

(5)風扇。風扇裝於發電機轉子的兩端，用以加快氣體在定子鐵芯和轉子部分的循環，提高冷卻效果。

發電機運行時，其內部產生的各種損耗會轉化為熱能，引起發電機發熱。尤其是大型汽輪發電機，因其結構細長，中部熱量不易散發，發熱問題更顯得嚴重。如果發電機溫度過高，會直接影響絕緣的使用壽命，因此冷卻對於大型汽輪發電機是非常重要的問題。

勵磁系統的主要作用是：

①發電機正常運轉時，按主機負荷情況供給和自動調節勵磁電流，以維持一定的端電壓和無功功率的輸出。

②發電機並列運行時，使無功功率分配合理。

③當系統發生突然短路故障時，能對發電機進行強勵，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發電機發生內部故障，如匝間短路或轉子發生兩點接地故障時，能夠對發電機自動減磁或滅磁。

發電機是電力系統的“心臟”，其能否安全運行，將直接關係到電力系統的穩定和電能的質量。汽輪發電機的絕緣材料長期處在高溫和潮濕的惡劣環境下，並且承受著巨大的機械應力，極易發生絕緣故障。與變壓器相比，發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，發電機本身機械結構複雜，還有龐大的輔機設備，使得發電機系統的任一部件發生故障都可能導致整個系統停止運行。汽輪發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。

鐵芯故障通常發生在大型汽輪發電機上。由於製造或安裝過程中損傷了定子鐵芯，形成片間短路，流過短路處的環流隨時間逐漸增大，致使硅鋼片熔化，併流入定子槽，從而燒壞繞組絕緣，最後因定子繞組接地導致發電機定子鐵芯燒毀。小型發電機則可能由於自身振動過於劇烈、軸承損壞等原因，造成定、轉子間摩擦而使定子鐵芯損壞。這類故障的早期徵兆是大的短路電流、高溫和絕緣材料的熱解。

(2)繞組主絕緣故障。

1)絕緣老化。主要發生在大容量的汽輪發電機定子槽內。環氧雲母絕緣因存在放電而受損，最後引發絕緣事故。

2)絕緣的先天性缺陷。主絕緣中存在空洞或雜質而引起局部放電，局部放電進一步發展，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電機中。定子線棒通常由多根股線組合而成，股間有絕緣，並需進行換位。在運行中，若發生嚴重的繞組振動，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。

發電機運行時，持續的機械應力或因暫態過程產生巨大的衝擊力，可使定子端部繞組發生機械位移。大型汽輪發電機中，此類位移有時可達幾毫米，從而使端部產生振動，引發疲勞磨損，使絕緣材料出現裂縫，從而發生局部放電。這類故障的先兆是振動和局部放電。

(5)轉子繞組故障。

汽輪發電機轉子繞組故障主要是由於電、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，造成局部過熱，進而損壞主絕緣。匝間短路會使發電機轉子出現磁通量不對稱，轉子受力不平衡，引起轉子振動。可通過監測機組振動是否加大，氣隙磁通波形畸變程度等現象來診斷該類故障。

(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生裂紋；進一步發展，將導致轉子發生災難性的故障。轉子過熱也會引起嚴重的疲勞斷裂；電力系統突發暫態過程時，會對轉子產生衝擊應力，若發電機和系統之間存在共振條件時，轉子會激發扭振現象。轉子或聯軸器發生機械故障時，會導致轉子偏心引起振動，引發轉子本體故障。

(7)冷卻水系統故障。

因冷卻水質不潔等原因會引起部分冷卻水管道堵塞，導致汽輪發電機局部過熱，並最後燒壞發電機絕緣。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中產生雜質微粒，使發電機的放電量增加。

1)在設計製造過程中，要根據發電機容量、工作環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，發電機絕緣材料選用不當、材料不符合規定，都會造成絕緣材料磨損、腐蝕、變形、破裂和老化等。

2)汽輪發電機組自身的結構特點。例如，由於發電機冷卻水系統的故障，引起部分冷卻水管道堵塞或漏水，導致汽輪發電機局部過熱或繞組受潮，並最後燒壞發電機絕緣。

3)汽輪發電機組自身的工作特點。汽輪發電機的絕緣材料長期處在高溫和潮濕的惡劣環境下，並且承受著巨大的機電應力，極易發生絕緣故障。由於汽輪發電機與大電網相連，當電力系統突發暫態過程時，會對轉子產生衝擊。機電系統之間存在共振條件時，會引發破壞性的轉子扭振現象。

1)安裝調試不到位。汽輪發電機組在運輸、安裝、調試的環節中出現問題，造成設備故障缺陷。譬如，汽輪發電機在安裝或大修后，如果軸系對中不好，或者發電機定子和轉子的中心不重合，極易引起軸系的彎曲振動，破壞機組轉子本體及轉子絕緣。

2)運行操作管理問題。運行人員沒有按照操作規程正確調控發電機組，或者採取了錯誤的操作方法，造成人為故障等。譬如，使發電機組長期超負荷運行，會引起發電機過熱，使發電機絕緣過早老化。

3)維護管理問題。維護人員沒有嚴格按照維護規定的技術要求完成各項工作。在維修過程中，如果維修不當，沒有達到修理技術要求，修理質量不高，很容易造成發電機組內部絕緣被人為損傷。