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2015年3月6日,星期五

常见的发电机问题及其保护是什么



介绍

发电机保护在电厂运行中非常重要。发电机的保护涉及比任何其他系统元件的保护更多地考虑异常运行状况。在无人值守的电站中,应提供针对所有有害异常情况的自动保护。

问题

过度兴奋
当给定发电机的电压与频率之比(伏特/赫兹)超过设定值时,由于发电机磁芯的饱和以及随后在未设计成承载磁通量的组件中引起杂散磁通,可能会导致严重的过热这种过度励磁最经常发生在机组以降低的频率运行时的启动或关闭期间,或者在完全甩负荷的过程中,这会使传输线连接到发电站。

具有反时限特性的伏特/ Hz继电器可与受保护设备的能力相匹配,并具有确定的时间设定点,用于保护发电机免受过励磁。

失步保护
当电力系统的两个区域或两个互连系统失去同步时,整个系统中的电压和电流将有很大的变化。当系统同相时,电压最大,电流最小。当系统为180度时,电压异相最小,电流最大。


负相序或不平衡电流
不平衡的故障和其他系统状况可能会导致发电机中的三相电流不平衡。这些电流的负序分量会在转子中引起双频电流,从而导致过热和损坏。

过电压

在甩负荷或励磁控制故障期间可能会发生发电机过电压。对于水力发电机或燃气轮机驱动的发电机,在甩负荷时,发电机可能会加速并且电压可以达到高水平,而不必超过发电机’s V/Hz limit.

调压设备通常提供这种保护。如果不是,则应由交流过电压继电器提供。该继电器应具有一个延时单元,其拾取器的额定电压约为额定电压的110%。它还应具有一个瞬时单元,其拾取器的额定电压约为额定电压的130%至150%。蒸汽轮机驱动的发电机通常不需要。

欠电压

欠压状态是指交流电源的均方根电压在超过1分钟的持续时间内在电源频率下降至不到90%。术语“电力不足”通常用于描述由公用事业公司发起的持续的欠压时段,以减少电力需求。欠电压是由事件引起的,与引起过电压的事件相反。


动力反转

对于与另一台发电机一起运行的发电机,必须监控功率方向。如果原动机发生故障,则交流发电机将作为电动机运行并驱动原动机。继电器检测电源方向的反转并关闭交流发电机。避免了动力损失和原动机损坏。

发电机死电保护
如果死机意外通电,则在转动齿轮时,它将启动并起感应电动机的作用。在发电机加速期间,转子中会感应出非常大的电流,并且可能会很快损坏它。


过频
系统故障可能导致系统分裂为孤岛,从而在可用发电量和负载之间造成不平衡。这导致所连接负载的功率过大。功率过大会导致频率过高,而负载需求减少可能会导致过电压。

完全或部分甩负荷可能导致发电机超速运行,因此会导致超频运行。通常,除非超过额定功率和大约105%的电压,否则超频操作不会引起任何严重的过热问题。可以采取控制措施将发电机速度和频率降低到正常水平,而不会使发电机跳闸。

欠频
当所连接的负载产生的功率不足时,频率不足会导致负载需求增加。电压下降会导致稳压器增加励磁,从而导致定子和转子过热。同时,由于发电机无法以降低的频率提供功率,因此需要更多的功率。

发电机在降低的频率下长时间运行会给燃气轮机或蒸汽轮发电机带来特殊问题,这些问题很容易因超出其正常频段的运行而损坏。由于在涡轮的许多级中可能发生机械共振,因此在降低的频率下,涡轮比发电机更具限制性。如果发电机转速接近任何一个叶片的固有频率,则振动会增加,这会导致叶片结构破裂。

甩负荷是防止发电机过载的主要保护措施,但应提供低频继电器以提供额外的保护。

定子接地故障
尽管单个接地故障不会影响发电机的运行或不会立即产生任何破坏性影响,但第一个接地故障会建立接地参考,从而使第二个接地故障更有可能发生。这将增加田间其他点对地面的压力。第二个接地故障将通过以下方式造成广泛的损坏:
  • 短路部分励磁绕组
  • 引起高单位振动
  • 由于不平衡电流导致转子发热
  • 故障点的电弧损坏

保护

接地故障保护

接地故障的主要原因之一是绝缘故障。发电机的零序阻抗通常低于正序或负序阻抗,因此,对于牢固接地的发电机,单相接地故障电流大于三相故障电流。发电机通常通过阻抗接地,以限制接地故障电流。

与相间故障相比,在阻抗接地的发电机上可用于检测相间接地故障的故障电流可能很小。根据故障位置和发电机接地方法,通常会提供单独的接地故障保护。

定子过热保护

此问题是由过载或冷却系统故障引起的。由于叠片短路导致的过热非常局部化,在严重损坏之前是否能够检测到过热只是一个偶然的问题。

实践是将电阻温度检测器线圈(RTD)或热电偶嵌入槽中,发电机的定子绕组大于500至1000 kVA。图9示出了与RTD一起使用的桥接电路。这些检测器中的足够多的位于绕组中的不同位置,因此可以获得整个定子的温度条件的指示。

选择了几个提供最高温度指示的检测器与温度指示器或记录器一起使用,通常带有警报触点。给出最高指示的检测器可以被布置为操作温度继电器以发出警报。


超速

建议对所有原动机驱动的发电机进行超速保护。超速元件应通过机械或等效的电气连接对机器速度作出响应。如果是电动的,则超速元件不应受到发电机电压的不利影响。

超速元件可以作为原动机,其限速器或发电机的一部分来提供。它应该操作限速器,或者提供其他任何关闭装置来关闭原动机。它还应使发电机断路器跳闸。这是为了防止发电机本身通过交流系统超频运行。

应将超速元件调整为在满载抑制速度之上约3%至5%的速度运行。

缺相保护

发电机定子绕组中的相故障会导致绝缘,绕组和铁心的热损坏,并导致轴和联轴器受到机械冲击。发电机跳闸且磁场断开后,机器内部被困的通量可能导致故障电流流过许多秒钟。

发电机相间故障的初级保护最好由差分继电器提供。差动继电器将检测相相故障,三相故障和双相接地故障。通过发电机的低阻抗接地,还可以检测到某些单相接地故障。

自动总线切换

图10所示的一种自动总线切换单元以以下方式操作。

普通市电模式
在正常情况下,当市电可用时,市电通过转换开关控制接触器运行,电源先连接到配电盘,然后再连接到电气负载。公用事业公司为安装在转换开关控件中的电池充电器供电,以使发电机组中的启动电池保持充电状态。

发生断电
当市电电压低于正常值的85%或完全失效时,备用电源系统将自动执行启动顺序。转换开关控制电路不断监控公用电源和发电机组的电能质量。当转换开关控制电路检测到不可接受的市电时,控制将等待3秒钟,然后发送信号以启动发电机组发动机。如果市电在3秒钟之前恢复,发电机组将不会发出启动信号。

当接收到启动信号并将手动/自动开关设置为自动时,发动机将启动,达到适当的运行速度,并且发电机组可提供交流电源。转换开关控制电路会感测到这一点,等待3秒钟,然后将发电机组的电源传输到转换开关接触器。从停电发生到连接发电机组电源的时间通常少于10秒。

转换开关包括一个手动手柄。如果传输电路未导致自动转换为发电,则可以将手动/自动开关移至手动位置,然后使用手柄将其从市电转换为应急电源,反之亦然。

市电回电
当市电恢复供电时,转换开关控制电路会感测到这一点,并会在5分钟的时间内监视可接受的电压水平。在这之后
5分钟内且电压水平稳定后,控制器将向转换开关接触器发出信号,以将负载重新传输回市电,然后断开发电机组电源。此时,发电机组为“off-line”并会自动再运行5分钟,以使其正常冷却。在此冷却周期之后,发电机组将自动关闭并重置为待机模式。


接地系统

接地定义为零电压电位的参考点,通常是到地面的实际连接。接地的需求非常重要,因为开阔的地面状况可能会给操作发电设备的任何人带来严重的安全问题。接地可确保任何人触摸任何金属部件都不会受到高压电击。用于此目的的导体是裸线或绿色绝缘线。


避雷针

避雷器用于使由雷击或其他系统问题引起的过高电压接地。遭到雷击时,电源线和相关设备可能无法使用。它们被设计为在必要时可快速重复运行。避雷器连接到变压器或开关柜的内部。

发电机系统中旋转磁场与电枢的区别

介绍

  • 发电机是将机械能转换为电能的电机。机械能来自可再生和不可再生的不同来源。 
  • 可再生能源来自自然界的自然力量,例如瀑布中的水流,河岸,风和洋流。 
  • 不可再生能源是通过锅炉系统和内燃机燃烧化石燃料而产生的。
发电机系统

在电厂中,发电的最后阶段是 发电机系统 在变电站和开关场中分配电源之前。

发电机是按照电磁感应原理工作的,简而言之,电磁感应是通过以下三个关键组件工作的:
  • 导体
  • 磁场
  • 相对运动
从而,

礼貌:www.electronic-tutorials.com

通过电磁感应,在 导体 当导体是 感动 in a 磁场。当负载连接到导体的端子时,电流将流过。
为了更加清楚,我们可以将以上语句与实际生成器的各个部分相关联,即:
  • 导体 - is the 电枢线圈 产生电压的地方。
  • 磁场 - 是个 励磁线圈 产生磁场的地方。当励磁线圈通过电刷触点通过外部直流电源(例如直流发电机或电池(励磁器))供电时,就会产生磁场。
  • 相对运动 -是来自 原动机. 

旋转电枢发电机
  
典型的旋转磁场发生器图
  • 旋转中 电枢类型的发电机 定子中的励磁线圈 and place the 转子中的电枢线圈。在这种设置中,磁场是固定的,并且感应电压的线圈正在旋转。
  • 这种类型的发电机通常用于直流发电机系统中,因为不可能从定子获得直流输出。

换向器安装在转子轴中

为什么在定子侧不可能有直流输出?

  • 直流发电机实际上是交流发电机,其中 换向器 安装在转子轴上。
  • 换向器随着轴的旋转将AC转换为DC。
  • 如果换向器保持静止不动,它将无法工作。
为什么需要直流发电机?
  • 当需要稳定且大的直流电源且电池无法满足该要求时,直流发电机就很重要。
旋转磁场发生器

单词本身意味着产生磁场(磁场)的励磁线圈位于转子中,并通过原动机动作而移动。

这与发电机的旋转磁场类型完全相反,但这是工业上最常见的交流发电机类型。

典型的旋转磁场发生器图
  • 如图所示,励磁系统通过电刷触点向转子提供直流电源。 
  • 定子绕组中产生的交流电压的频率与转子磁场中的极数和轴的旋转速度成正比。

与旋转电枢相比,旋转磁场(固定电枢)有什么优势?

  • 对于发电机电压水平高达11 kV的大型发电厂,旋转磁场是有利的,因为定子可以容纳大量导体以达到该电压水平。
  • 高压电枢应保持静止,这可以通过将电枢线圈放入定子中来实现。由于滑环中的火花,在端子级使用高压旋转线圈是有风险的。
  • 转子中的低电压水平具有较低的惯性,并且移动它所需的启动力也较小。
  • 如果高压通风设备是固定的,则可以轻松设计。
概要:
  • 发电机有两种主要类型,即旋转磁场和旋转电枢。
  • 旋转磁场在转子上具有磁场绕组,在定子中具有电枢。
  • 旋转电枢在转子中具有电枢,在定子中具有励磁绕组。
  • 旋转电枢仅用于直流发电机,因为在电枢静止时无法获得直流输出。
  • 旋转磁场对于交流发电机特别适用于11kV及以上的高电压等级的工厂。
参考文献:

  • 反馈可分解机器手册
  • 直流电机 and Synchrounous Machines 1st Ed,作者:U.A Bakshi和MV Bakshi,2008年
  • www.electronic-tutorials.com

如何使用Prony制动器确定电动机的效率

 

介绍


电动机的效率根据电动机在特定时间段内承受的负载百分比而变化。通常,交流电动机设计为在额定负载的50%至100%之间运行。但是,当电动机以75%的速度运行时,可以达到电动机的最大效率,并且超过该电动机的效率开始降低。例如,当负载为7.5 HP时,一个10 HP的电动机可以达到峰值效率。


图1.电动机的样本效率图


如何计算电机效率?


按照定义,电动机是将电能转换为机械能的电机。因此,我们可以说,在找到其效率时,我们需要知道为其产生的给定机械功率使用了多少电输入。

图2.电动机运行情况的描述(美国能源部)


Prony制动测试


Prony制动器是一种可用于测量电动机轴中扭矩的设备。
  • 使用电压表,电流表和PF表的套件,将电动机的导线连接到该表的正确端子。或者,如果有可用的功率计,请使用此设备测量电动机的功耗。
  • 将插拔式制动器连接到电动机的轴上。

图3. Prony Brake(汉普顿训练器材)

  • 空载启动电动机 (这意味着prony制动负载机制感应零 在这段时间内的扭矩) 然后让电动机以额定速度运转
  • 在电动机全速运行时,应缓慢激活叉形制动器的负载机构调节装置,以将负荷引入电动机(皮带系统,电磁式或液压式)。

    要确定电动机在任何负载(低于其额定负载)下的效率,请执行以下步骤:


    1.调整叉形制动器的负载机制,以达到电动机的百分比负载。 

    使用公式:
    • HP =扭矩x RPM / 5252
    • 其中:功率=马力;扭矩= ft-lb;速度= RPM
    例:

    确定20 HP四极电机在其额定负载的25%下运行时的效率。
    注意:当电动机负载为其额定负载的25%时,RPM降至1700
    • 负载百分比= 20 HP x 25%= 5 HP
    • 因此,所需的扭矩为T =(HP x 5252)/ RPM
    • T =(5马力x 5252)/ 1700 = 15.44英尺磅
    • 注意:在电机负载为额定负载的25%的情况下,使用转速表确定实际速度。
    2.找到额定负载的25%的扭矩后,检查功率计读数或电压表,电流表和功率计的读数组合。 

    情况1:使用功率计
    • 引脚=功率计读数
    • 输出= 5 HP
    • 将5瓦转换为瓦= 5 x 746 = 3730
    • 效率= 3730 W /瓦特表读数x 100%
    情况2:使用电压表,电流表和功率计组合
    • 针= 1.73 x V x I x pf(用于三相电动机)
    • 针= V x I x pf(对于单相电动机)
    • 效率= 3730 W /引脚x 100%
    注意:V,I和pf的值是电动机运行时仪表的实际读数。
      
    3.如果要了解电动机的效率(例如30%,70%或100%),请重复相同的过程。

    损失类型


    与电动机运行相关的损失为
    • 定子铜损-由于定子中的导体
    • 转子铜损-由于转子中的导体
    • 铁芯损耗-由于电动机铁芯中的磁损耗。
    • 摩擦损耗-由于电机旋转时的物理接触而引起。
    电动机的效率会随着时间的流逝而降低并且无法达到设计的原始效率的原因有很多。例如:
    1. 由于电动机的老化,有时转子的对准不再与原始对准类似,因此电动机的摩擦损失增加。
    2. 当电动机被烧毁并需要维修时,导体的质量与原始质量不一样。
    3. 电机的铁芯劣化。

    概要

    •  Prony制动测试是确定电动机实际效率的方法之一。
    • 电动机的寿命和不当维修可能会降低电动机的效率。
    • 适当的预防性维护可使电动机的效率与原始效率非常相似。

    参考文献

    • 设计协助公司 
    • 反馈培训设备
    • 美国能源部

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