发电机转子匝间短路和过电压保护

发电机转子匝间短路和过电压保护发电设备(2005N o. 1)

发电机转子匝间短路和过电压保护

赵旺初

(国家电力信息中心, 北京100761)

　　摘　要:从法国进口的300MW 发电机转子存在匝间短路和过电压保护问题。以元宝山发电厂1号发电机转子为例, 分析了原因, 并提出了改进措施。　　关键词:汽轮发电机; 匝间短路; 过电压保护

　　中图分类号:TM311　　　文献标识码:A　　　文章编号:16712086X (2005) 0120065204

Protection Against Short Circuit Betw een G enerator R otor

Windings and ZH AO (National , , )

from France are afflicted by problems concerning short circuit between windings The paper , taking the generator ’s rotor of Y uanbaoshan P ower Plant ’s set N o. 1as an example , analyses its cause and proposes measures of improvement.

K eyw ords :turbine 2generator ; short circuit between winding ; overv oltage

　　我国从法国CE M 公司进口的300MW 发电机转子存在问题, 笔者以元宝山发电厂1号发电机转子的匝间短路和转子回路过电压保护为例分析。该机转子额定励磁电压311V 、额定励磁电流3875A , 转子线圈绝缘为F 级, 两极共14套绕组, 每套绕组9匝。转子端部为空心导线, 中部出风处为实心导线, 冷却介质为300kPa 压力的氢。该转子曾发现短路27处, 分析原因, 提出减少短路的措施, 并提出过电压保护的改进方法。

非短路之源。转子绕组共14×9=126匝, 每匝10个焊接头, 共1260个焊接头。每匝除两个为上下匝的过渡接头外, 有8个焊接头。在匝的中部共1008个。这1008个焊头应该在下线前预制, 它们在焊完后应该打磨得很光滑平整后才下线垫绝缘的, 不应该存在毛刺或棱再刺伤绝缘的现象。但实际上该转子导线的端部焊接头下平面发现有凹坑, 联结焊接处也有错口, 焊口焊料有不饱满处, 有些焊口出现明显的高低凸凹不平参差不齐, 焊口打磨得也不光滑平整, 甚至遗留有金属小颗粒。这些安装时早已存在的诸多缺陷, 在运行中的热交变应力, 启动和停机中转速变化的机械交变应力等作用下, 匝间绝缘被磨薄或磨漏, 这就给匝间绝缘被击穿创造了条件。

该转子每套线圈的上层6匝导线电流密度为

22

11. 38A Πmm , 下层3匝导线电流密度9. 42A Πmm 。上层线圈接近护环处的通风路程又比下层要长, 上

1　匝间短路的原因分析

该转子线圈每匝导线有10个焊接头, 匝间短路

都发生在两端部的中间焊接处。焊缝附近有大小不一烧成的斑痕和小坑。两次大修查出匝间短路点的80%集中在第4、5号线圈的第5～9匝之间。

转子线圈为F 级绝缘, 绝缘垫厚0. 38mm , 其耐垫性、介电性、机械强度、化学稳定性均佳, 它们

收稿日期:2004202216

作者简介:赵旺初(1920-) , 男, 教授级高级工程师, 多年从事电力工作, 国家电力信息中心退休。

・65・

发电设备(2005N o. 1) 发电机转子匝间短路和过电压保护

层电流密度高又通风不良, 势必造成更高的温升, 这对焊接处机械强度的降低和F 级绝缘的劣化起着直接催化作用, 故运行一段时期后都呈劣化。

高电压的冲击, 也会使已受伤害的匝间绝缘遭受破坏而击穿。该发电机曾发生过两次出口母线短路事故和一次异步起动事故。尤其是异步启动, 曾导致转速升高达3150r Πmin , 吸收无功达310Mra , 当时转子绕组的温升和机械应力十分严峻。这些都是导致转子线圈匝间破坏直至短路的原因。

不导通, 在交流负半周时, 半导体整流管截止, 相当于对转子绕组施加一个高电压。又因为发电机转子绕组电感很大, 交流励磁电流由正半周过零转向负半周时, 转子电流大幅度地变化, 此时转子绕组中也会产生自感过电压。为了防止各种过电压, 大型发电机转子回路都没有过电压保护。　　元宝山1号发电机转子回路采用瑞士BBC 公司制造的HCK 型过电压保护装置(见图1) 。当转子回7路LQ 发生过电压时, 放电器

FD 被击穿, 保险丝RD 通过电流而熔断, 牵动弹簧TH 使开关K 触头在5ms 内闭合并旁路FD 和RD 。从图1可以看出HCK 型过电压保护装置能防止转子回路过电压, 但其主要缺点是, 一旦过电压动作后, , , , ,HCK 型过电压保。

2　减少匝间短路的措施

上述线棒的电流密度的分配和通风走向等问题, 运行单位难以改变, 只能提供制造厂家设计参考。这里着重介绍改善焊接工艺问题。

我们不知道法国CE M 用什么工艺, , 中频焊, , 用。焊接间隙小于mm 。焊口预热到820～850°C , 并除去氧化层。焊后打磨平整光滑。端部线圈焊接处改用0. 5mm 厚的F 级绝缘垫, 直线部分仍用0. 38mm 厚。直线部分匝间绝缘垫条和导线之间刷9140酚醛丁腈, 贴好后放在烘箱内, 以25°C Πh 的速度升温, 加热到165°C 保温4h 固化。完成下线并装好原有阻尼笼系统后, 转子线圈通过1000～1300A 直流电, 在保证铜铁温差不超过30°C 的情况下, 将转子整体加热到150～160°C , 保温24h 进行烘焙固化。已经长期考验证明焊接良好。

图1　BBC 公司的HCK 型过电压保护装置

4　ASL G 型过电压保护装置的改进

　　图2是瑞典ASE A 公司的产品, 曾用在葛洲坝125MW 水轮发电机上。图2中K P 1和K P 2由专用的触发器导通, 导通后由碳化硅SiC 压敏电

阻控制励磁回路LQ 的过电压, 当压敏电阻的漏

电流甚小时,K P 1和K P 2截止, 似乎能实现该装置的自动复归, 但实际上SiC 元件的非线性特性往往会因SiC 的漏电流大于晶闸管的维持电流,

使K P 1动作后不能自动复归, 而且SiC 压敏电阻漏电流大, 残压高, 功耗大, 达900W , 要靠风扇进行冷却, 导致厂用电增加。所以说ASE A 公司的AS LG 型过电压保护还存在许多问题。

3　HCK 型过电压保护工作原理

同步发电机在失磁异步运行, 或在励磁状态下失步运行, 或在定子遭受短路或非同期并网冲击等异常情况下, 发电机转子绕组会感应出很高的交流电势。过去国内多采用间隙放电保护, 但间隙甚难调整, 影响动作电压的因素太多, 故放电后不易自动灭弧。以后改用磁吹避雷器, 虽具有自灭弧性能, 但磁吹避雷器容易发生爆炸, 例如淮南洛河电厂1号机曾用FC L 20. 75型磁吹避雷器, 投产后3年中爆炸了10只磁吹避雷器。元宝山1号发电机励磁电流系统交流电经半导体整流器整流后提供转子回路的。整流器反向

・66・

图2　ASE A 公司的AS LG 型过电压保护装置

　　合肥中国科学院等离子体所用该所研制的

发电机转子匝间短路和过电压保护发电设备(2005N o.

1)

ZnO 压敏电阻代替图2中的SiC 压敏电阻, 既解

决了自动复归问题, 也使功耗大为减少。从图3看出,ZnO 压敏电阻的伏安特性明显优于SiC 。图3中, U 10mA 为10mA 电流时的残压U 200A ΠU 10mA =

K , 称“残压比”, 等离子体所ZnO 压敏电阻的K

工作状态下的电压峰值。法国CE M 公司制造的

300MW 汽轮发电机转子额定励磁电压311V , 交流变动范围为±5%, 故U g =311×1. 05=462V 。

1. 6。U g 为压敏电阻工作电压峰值, U g ΠU 10mA =

S , 称为“荷电率”, S 的大小决定压敏电阻的寿

选择压敏电阻, 通常要求荷电率S ≤0. 75。

当S

U =U g ΠS =462Π0. 6=770V , 即应选择标称压敏电

命。等离子体所的ZnO 压敏电阻在40°C 下, 当S ≤0. 7时, 寿命≥80年; 当S >0. 7时, 寿命将会急

剧缩短, 故S 是一项重要的质量参数。

采用交直流励磁的汽轮发电机, 转子的工作电压U g 较低, 能满足S

压为770V 的压敏电阻。

5. 2　等级电压和冲击电压下的残压

等级电压又名限制电压, , 压敏电, 。如前, “残压比”K 。一般K 值为U 10A ΠU 1mA 、U 100A Π

U 1mA 和U 3kA ΠU 1mA 。等离子体所提供的ZnO 压敏

电阻, 其K

ZnO 压敏电阻以其通流能力大而优于其它保

护元件。对8Π20μs 的标准电流波, 其通流密度可达200A Πcm 以上。耐冲击电流的能力是衡量压敏电阻优劣的重要指标。标准规定, 用8Π20μs 波冲击两次后, 压敏电压的变化应不大于±10%。

图3　ZnO 与S iC 压敏电阻的伏安特性

2

用标准波冲击两次后, 压敏电阻正反压敏电压均下降, 继续使用, 荷电率增大, 寿命将缩短, 所以要选择变化率较小的。日本松下和美国GE 公司的变化率为2%～4%, 西安无线电二厂规定变化率为2%～6%。5. 4　高温负荷耐久性

题5　选择Z nO 压敏电阻应注意的问

采用上述改进方案时, 根据什么来选择ZnO

压敏电阻就显得非常重要。我国压敏电阻生产厂不少于100家, 型号品种则更多。选择压敏电阻时要考虑其压敏电压、残压、通流容量、高温负荷耐久性等方面, 要求安全可靠, 寿命要长。5. 1　压敏电压

压敏电压U 选择得正确与否, 对压敏电阻元件能否长期可靠运行关系甚大。U 即压敏电阻的标称电压, 一般生产厂以U 1mA 标出, 即当电流为1mA 时的压敏电压。等离子体所要求的压敏电压为U 10mA , 若说明书无此数据可要求提供。

压敏电阻工作电压的峰值U g (见图3) , 即在

高温负荷耐久性是考核强负荷加速情况下压敏电阻寿命的指标。标准规定, 在85°C 下, 连续施加最大电压1000h , 压敏电阻的压敏电压变化率不大于±10%。5. 5　其他

压敏电阻属半导体陶瓷, 是用许多金属氧化物混合后, 经造粒、成型和烧结等工艺制成。混合的均匀性、造粒的形状和烧结温度曲线的控制等对制造质量影响甚大。目前我国ZnO 压敏电阻

・67・

发电设备(2005N o. 1) 发电机转子匝间短路和过电压保护

的质量还参差不齐, 以选择设备先进、工艺严谨、产品质量分散性小的厂家产品为宜。

行业信息

世界最大性能的热能直接转换为电能的装置

———可用于太阳热发电并超越太阳光发电

　　具有世界最高发电能力的热2电变换模块已

于今年开发成功, 并已投入市场。它能使热能直接转换为电能而无须像传统热电站那样必须经过机械能量的转换(透平机或汽轮机、发电机) 。它的发电原理是根据塞贝克现象, 即在同一回路中, 由不同的双金属2个连接点之间的温差可以产生电压。这种热2电半导体元件的上、下温差即正极和负极, 形成电位差, 从而发电, , , 低温侧

2

却只有201W Πcm 以上, 只需1个模块即可发电15W , 面积只有

2

14. 4cm , 如果群体结合, 即可实现大型电力系统。即使小型、中型规模, 也可利用量大面广的汽车废气发电, 还可减少C O 2、缓和地球温暖效应。也可利用工厂的高温废热来发电。至于发展前景, 可用于取之不尽、用之不竭的巨大太阳能来发电。除了利用光2伏效应的光2电直接转换为电能的发电方式外, 另一种太阳能发电方式即利用塞贝克效应的热2电直接转换。日本东芝公司已于2004年7月生产销售这种产品,2005年将大批供货。

这种热2电直接转换的塞贝克效应是100多年前由塞贝克发现的。虽然它不用机械传动设备, 没有振动和噪声, 也不会产生C O 2等污染环境的废气, 然而在当时却是热2电转换效率较低, 而成本太高。几年以前, 日本久保田公司利用铋锑合金材料研制出来的这种装置长900mm 、宽740mm 、高500mm , 由60个热2电转换模块复合组

低温部分。利用两者的温差来发电。

直到2000年, 日本电力中央研究所、东北大学和日立粉末冶金研究所共同开发成功一种新型热2电变换模块, 其性能提高2倍以上。这种元件一端热, ; , 。, , 所FG M , 并使元件和。这种热2电转换模块电元件、电极和绝缘构成, 采用粉末冶金多层加压法制造工艺。为了减小接触面之间的热阻, 采用铜铝材料, 铜的导热性较高, 而且具有高温柔软性, 采用高于铜的熔点(1083°C ) 的1250°C 高温进行烧结制作, 可使模块性能提高2倍以上。后来, 日立粉末冶金研究所不断降低成本, 已投入批量生产。

德国专家的研究结论认为, 本世纪的主要能源是太阳能; 日本经济界认为, 到2030年, 世界电力生产的一半将依靠太阳能; 德国专家指出, 只需开发非洲部分地区的太阳能, 即可满足全世界的电力需求。因为沙漠地带日照时间较长, 而且设备占地面积不受限制。太阳能的利用主要是光能和热能, 光能可用光伏效应进行光2电直接转换为电能; 热能的转换为电能至今为止主要还是通过集热器来加热水。因此, 热2电直接转换为电能的太阳能利用方式将取代过去的热水方式, 为提高热2电转换效率和不断降低发电成本创造有利条件。预计到2010年, 电站造价为3300(光电) 、2000(热2电) 美元ΠkW , 发电成本为10～

15(光2电) 、6～8(热2电) 美分ΠkW ・h 。由此可见, 太阳光发电的经济效益将被太阳热发电远超。

(李连贵)

件构成, 温差为260°C , 可以获得最高640W 的发

电功率, 并且已连续运行22天。它的热能来自垃圾燃烧时产生的废热, 并通过热媒进行热交换, 将它作为高温部分; 另外把工厂管道的冷却水作为

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发电机转子匝间短路和过电压保护

赵旺初

(国家电力信息中心, 北京100761)

　　摘　要:从法国进口的300MW 发电机转子存在匝间短路和过电压保护问题。以元宝山发电厂1号发电机转子为例, 分析了原因, 并提出了改进措施。　　关键词:汽轮发电机; 匝间短路; 过电压保护

　　中图分类号:TM311　　　文献标识码:A　　　文章编号:16712086X (2005) 0120065204

Protection Against Short Circuit Betw een G enerator R otor

Windings and ZH AO (National , , )

from France are afflicted by problems concerning short circuit between windings The paper , taking the generator ’s rotor of Y uanbaoshan P ower Plant ’s set N o. 1as an example , analyses its cause and proposes measures of improvement.

K eyw ords :turbine 2generator ; short circuit between winding ; overv oltage

　　我国从法国CE M 公司进口的300MW 发电机转子存在问题, 笔者以元宝山发电厂1号发电机转子的匝间短路和转子回路过电压保护为例分析。该机转子额定励磁电压311V 、额定励磁电流3875A , 转子线圈绝缘为F 级, 两极共14套绕组, 每套绕组9匝。转子端部为空心导线, 中部出风处为实心导线, 冷却介质为300kPa 压力的氢。该转子曾发现短路27处, 分析原因, 提出减少短路的措施, 并提出过电压保护的改进方法。

非短路之源。转子绕组共14×9=126匝, 每匝10个焊接头, 共1260个焊接头。每匝除两个为上下匝的过渡接头外, 有8个焊接头。在匝的中部共1008个。这1008个焊头应该在下线前预制, 它们在焊完后应该打磨得很光滑平整后才下线垫绝缘的, 不应该存在毛刺或棱再刺伤绝缘的现象。但实际上该转子导线的端部焊接头下平面发现有凹坑, 联结焊接处也有错口, 焊口焊料有不饱满处, 有些焊口出现明显的高低凸凹不平参差不齐, 焊口打磨得也不光滑平整, 甚至遗留有金属小颗粒。这些安装时早已存在的诸多缺陷, 在运行中的热交变应力, 启动和停机中转速变化的机械交变应力等作用下, 匝间绝缘被磨薄或磨漏, 这就给匝间绝缘被击穿创造了条件。

该转子每套线圈的上层6匝导线电流密度为

22

11. 38A Πmm , 下层3匝导线电流密度9. 42A Πmm 。上层线圈接近护环处的通风路程又比下层要长, 上

1　匝间短路的原因分析

该转子线圈每匝导线有10个焊接头, 匝间短路

都发生在两端部的中间焊接处。焊缝附近有大小不一烧成的斑痕和小坑。两次大修查出匝间短路点的80%集中在第4、5号线圈的第5～9匝之间。

转子线圈为F 级绝缘, 绝缘垫厚0. 38mm , 其耐垫性、介电性、机械强度、化学稳定性均佳, 它们

收稿日期:2004202216

作者简介:赵旺初(1920-) , 男, 教授级高级工程师, 多年从事电力工作, 国家电力信息中心退休。

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发电设备(2005N o. 1) 发电机转子匝间短路和过电压保护

层电流密度高又通风不良, 势必造成更高的温升, 这对焊接处机械强度的降低和F 级绝缘的劣化起着直接催化作用, 故运行一段时期后都呈劣化。

高电压的冲击, 也会使已受伤害的匝间绝缘遭受破坏而击穿。该发电机曾发生过两次出口母线短路事故和一次异步起动事故。尤其是异步启动, 曾导致转速升高达3150r Πmin , 吸收无功达310Mra , 当时转子绕组的温升和机械应力十分严峻。这些都是导致转子线圈匝间破坏直至短路的原因。

不导通, 在交流负半周时, 半导体整流管截止, 相当于对转子绕组施加一个高电压。又因为发电机转子绕组电感很大, 交流励磁电流由正半周过零转向负半周时, 转子电流大幅度地变化, 此时转子绕组中也会产生自感过电压。为了防止各种过电压, 大型发电机转子回路都没有过电压保护。　　元宝山1号发电机转子回路采用瑞士BBC 公司制造的HCK 型过电压保护装置(见图1) 。当转子回7路LQ 发生过电压时, 放电器

FD 被击穿, 保险丝RD 通过电流而熔断, 牵动弹簧TH 使开关K 触头在5ms 内闭合并旁路FD 和RD 。从图1可以看出HCK 型过电压保护装置能防止转子回路过电压, 但其主要缺点是, 一旦过电压动作后, , , , ,HCK 型过电压保。

2　减少匝间短路的措施

上述线棒的电流密度的分配和通风走向等问题, 运行单位难以改变, 只能提供制造厂家设计参考。这里着重介绍改善焊接工艺问题。

我们不知道法国CE M 用什么工艺, , 中频焊, , 用。焊接间隙小于mm 。焊口预热到820～850°C , 并除去氧化层。焊后打磨平整光滑。端部线圈焊接处改用0. 5mm 厚的F 级绝缘垫, 直线部分仍用0. 38mm 厚。直线部分匝间绝缘垫条和导线之间刷9140酚醛丁腈, 贴好后放在烘箱内, 以25°C Πh 的速度升温, 加热到165°C 保温4h 固化。完成下线并装好原有阻尼笼系统后, 转子线圈通过1000～1300A 直流电, 在保证铜铁温差不超过30°C 的情况下, 将转子整体加热到150～160°C , 保温24h 进行烘焙固化。已经长期考验证明焊接良好。

图1　BBC 公司的HCK 型过电压保护装置

4　ASL G 型过电压保护装置的改进

　　图2是瑞典ASE A 公司的产品, 曾用在葛洲坝125MW 水轮发电机上。图2中K P 1和K P 2由专用的触发器导通, 导通后由碳化硅SiC 压敏电

阻控制励磁回路LQ 的过电压, 当压敏电阻的漏

电流甚小时,K P 1和K P 2截止, 似乎能实现该装置的自动复归, 但实际上SiC 元件的非线性特性往往会因SiC 的漏电流大于晶闸管的维持电流,

使K P 1动作后不能自动复归, 而且SiC 压敏电阻漏电流大, 残压高, 功耗大, 达900W , 要靠风扇进行冷却, 导致厂用电增加。所以说ASE A 公司的AS LG 型过电压保护还存在许多问题。

3　HCK 型过电压保护工作原理

同步发电机在失磁异步运行, 或在励磁状态下失步运行, 或在定子遭受短路或非同期并网冲击等异常情况下, 发电机转子绕组会感应出很高的交流电势。过去国内多采用间隙放电保护, 但间隙甚难调整, 影响动作电压的因素太多, 故放电后不易自动灭弧。以后改用磁吹避雷器, 虽具有自灭弧性能, 但磁吹避雷器容易发生爆炸, 例如淮南洛河电厂1号机曾用FC L 20. 75型磁吹避雷器, 投产后3年中爆炸了10只磁吹避雷器。元宝山1号发电机励磁电流系统交流电经半导体整流器整流后提供转子回路的。整流器反向

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图2　ASE A 公司的AS LG 型过电压保护装置

　　合肥中国科学院等离子体所用该所研制的

发电机转子匝间短路和过电压保护发电设备(2005N o.

1)

ZnO 压敏电阻代替图2中的SiC 压敏电阻, 既解

决了自动复归问题, 也使功耗大为减少。从图3看出,ZnO 压敏电阻的伏安特性明显优于SiC 。图3中, U 10mA 为10mA 电流时的残压U 200A ΠU 10mA =

K , 称“残压比”, 等离子体所ZnO 压敏电阻的K

工作状态下的电压峰值。法国CE M 公司制造的

300MW 汽轮发电机转子额定励磁电压311V , 交流变动范围为±5%, 故U g =311×1. 05=462V 。

1. 6。U g 为压敏电阻工作电压峰值, U g ΠU 10mA =

S , 称为“荷电率”, S 的大小决定压敏电阻的寿

选择压敏电阻, 通常要求荷电率S ≤0. 75。

当S

U =U g ΠS =462Π0. 6=770V , 即应选择标称压敏电

命。等离子体所的ZnO 压敏电阻在40°C 下, 当S ≤0. 7时, 寿命≥80年; 当S >0. 7时, 寿命将会急

剧缩短, 故S 是一项重要的质量参数。

采用交直流励磁的汽轮发电机, 转子的工作电压U g 较低, 能满足S

压为770V 的压敏电阻。

5. 2　等级电压和冲击电压下的残压

等级电压又名限制电压, , 压敏电, 。如前, “残压比”K 。一般K 值为U 10A ΠU 1mA 、U 100A Π

U 1mA 和U 3kA ΠU 1mA 。等离子体所提供的ZnO 压敏

电阻, 其K

ZnO 压敏电阻以其通流能力大而优于其它保

护元件。对8Π20μs 的标准电流波, 其通流密度可达200A Πcm 以上。耐冲击电流的能力是衡量压敏电阻优劣的重要指标。标准规定, 用8Π20μs 波冲击两次后, 压敏电压的变化应不大于±10%。

图3　ZnO 与S iC 压敏电阻的伏安特性

2

用标准波冲击两次后, 压敏电阻正反压敏电压均下降, 继续使用, 荷电率增大, 寿命将缩短, 所以要选择变化率较小的。日本松下和美国GE 公司的变化率为2%～4%, 西安无线电二厂规定变化率为2%～6%。5. 4　高温负荷耐久性

题5　选择Z nO 压敏电阻应注意的问

采用上述改进方案时, 根据什么来选择ZnO

压敏电阻就显得非常重要。我国压敏电阻生产厂不少于100家, 型号品种则更多。选择压敏电阻时要考虑其压敏电压、残压、通流容量、高温负荷耐久性等方面, 要求安全可靠, 寿命要长。5. 1　压敏电压

压敏电压U 选择得正确与否, 对压敏电阻元件能否长期可靠运行关系甚大。U 即压敏电阻的标称电压, 一般生产厂以U 1mA 标出, 即当电流为1mA 时的压敏电压。等离子体所要求的压敏电压为U 10mA , 若说明书无此数据可要求提供。

压敏电阻工作电压的峰值U g (见图3) , 即在

高温负荷耐久性是考核强负荷加速情况下压敏电阻寿命的指标。标准规定, 在85°C 下, 连续施加最大电压1000h , 压敏电阻的压敏电压变化率不大于±10%。5. 5　其他

压敏电阻属半导体陶瓷, 是用许多金属氧化物混合后, 经造粒、成型和烧结等工艺制成。混合的均匀性、造粒的形状和烧结温度曲线的控制等对制造质量影响甚大。目前我国ZnO 压敏电阻

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发电设备(2005N o. 1) 发电机转子匝间短路和过电压保护

的质量还参差不齐, 以选择设备先进、工艺严谨、产品质量分散性小的厂家产品为宜。

行业信息

世界最大性能的热能直接转换为电能的装置

———可用于太阳热发电并超越太阳光发电

　　具有世界最高发电能力的热2电变换模块已

于今年开发成功, 并已投入市场。它能使热能直接转换为电能而无须像传统热电站那样必须经过机械能量的转换(透平机或汽轮机、发电机) 。它的发电原理是根据塞贝克现象, 即在同一回路中, 由不同的双金属2个连接点之间的温差可以产生电压。这种热2电半导体元件的上、下温差即正极和负极, 形成电位差, 从而发电, , , 低温侧

2

却只有201W Πcm 以上, 只需1个模块即可发电15W , 面积只有

2

14. 4cm , 如果群体结合, 即可实现大型电力系统。即使小型、中型规模, 也可利用量大面广的汽车废气发电, 还可减少C O 2、缓和地球温暖效应。也可利用工厂的高温废热来发电。至于发展前景, 可用于取之不尽、用之不竭的巨大太阳能来发电。除了利用光2伏效应的光2电直接转换为电能的发电方式外, 另一种太阳能发电方式即利用塞贝克效应的热2电直接转换。日本东芝公司已于2004年7月生产销售这种产品,2005年将大批供货。

这种热2电直接转换的塞贝克效应是100多年前由塞贝克发现的。虽然它不用机械传动设备, 没有振动和噪声, 也不会产生C O 2等污染环境的废气, 然而在当时却是热2电转换效率较低, 而成本太高。几年以前, 日本久保田公司利用铋锑合金材料研制出来的这种装置长900mm 、宽740mm 、高500mm , 由60个热2电转换模块复合组

低温部分。利用两者的温差来发电。

直到2000年, 日本电力中央研究所、东北大学和日立粉末冶金研究所共同开发成功一种新型热2电变换模块, 其性能提高2倍以上。这种元件一端热, ; , 。, , 所FG M , 并使元件和。这种热2电转换模块电元件、电极和绝缘构成, 采用粉末冶金多层加压法制造工艺。为了减小接触面之间的热阻, 采用铜铝材料, 铜的导热性较高, 而且具有高温柔软性, 采用高于铜的熔点(1083°C ) 的1250°C 高温进行烧结制作, 可使模块性能提高2倍以上。后来, 日立粉末冶金研究所不断降低成本, 已投入批量生产。

德国专家的研究结论认为, 本世纪的主要能源是太阳能; 日本经济界认为, 到2030年, 世界电力生产的一半将依靠太阳能; 德国专家指出, 只需开发非洲部分地区的太阳能, 即可满足全世界的电力需求。因为沙漠地带日照时间较长, 而且设备占地面积不受限制。太阳能的利用主要是光能和热能, 光能可用光伏效应进行光2电直接转换为电能; 热能的转换为电能至今为止主要还是通过集热器来加热水。因此, 热2电直接转换为电能的太阳能利用方式将取代过去的热水方式, 为提高热2电转换效率和不断降低发电成本创造有利条件。预计到2010年, 电站造价为3300(光电) 、2000(热2电) 美元ΠkW , 发电成本为10～

15(光2电) 、6～8(热2电) 美分ΠkW ・h 。由此可见, 太阳光发电的经济效益将被太阳热发电远超。

(李连贵)

件构成, 温差为260°C , 可以获得最高640W 的发

电功率, 并且已连续运行22天。它的热能来自垃圾燃烧时产生的废热, 并通过热媒进行热交换, 将它作为高温部分; 另外把工厂管道的冷却水作为

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