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1、第三章发电机第三章 同步发电机 第一节 同步发电机的基本原理一、 同步发电机的基本原理同步发电机是利用电磁感应原理将机械能转变为电能的一种装置。其工作原理如图11所示，在同步发电机的定子铁芯内，对称地安放着AX、BY、CZ三相绕组，它们彼此相差120角，在转子铁芯上装有励磁绕组，当通入直流电后就产生主磁场，磁场方向如图中虚线从N极经气气隙、定子铁芯、气隙回到S极构成回路，当原动机（汽轮机）带动转子旋转时，转子磁场的磁力线就被定子绕组切割。根据电磁感应定律，在定子绕组中就产生感应电势。由于转子在不断地旋转，所以定子绕组在切割磁通的大小及方向就不断地变化，转子旋转一周定子绕组中感应电势的方向也就改

2、变一次，由于定子三相绕组彼此互差120角，按A B C三相顺序其电势大小为： eA=Emsint eB=Emsin(t-120) eA=Emsin(t-240)感应电动的频率取决于发电动机的磁极对数P和转速n。当转子为一对磁极时，转子旋转一周，定子绕组中的感应电动势正好交变一次，即一个周期；当转子有p对磁极时，转子旋转一周，感应电动势就交变了p个周期。设转子的转速为n(r/min)，则感应电动势每分钟交变pn/60次，即感应电动势的频率为：f=pn/60 (Hz)。此式表明：当发电机的极对数p、转速n一定时，则定子绕组感应电动势的频率就一定，即转速与频率保持不变的关系。当同步发电机的三相绕组与

3、负载接通时，对称三相绕组中流过对称三相电流，并产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速n1=60f/p，即定子旋转磁场的转速与发电机转子转速相同，故称为同步发电机。我国电力系统的标准频率规定为50Hz，因此，当n=3000r/min时，发电机应为一对极；当n=1500r/min时，发电机应为两对极，依此类推。二、 发电机的基础知识1、 发电机的分类：按原动机的不同主要分为汽轮发电机和水轮发电机按冷却方式不同可分为空气冷却发电机、氢气冷却发电机和水内冷发电机2、 发电机的型号汽轮发电机的型一般用汉语拼音字母和数字表示，如：空气冷却发电机：QF21002Q汽轮机，F发电机，2设计序号，100100MW

4、额定容量，2极数氢气冷却发电机：QFQ1002Q汽轮机，F发电机，Q氢气，100100MW额定容量，2极数水冷发电机：QFS1002Q汽轮机，F发电机，S水冷，100100MW额定容量，2极数3、 发电机的有关参数额定电流Ie：发电机正常连续运行的最大工作电流，单位：安（A）或千安（KA）额定电压Ue：发电机长期安全运行的最高电压，指线电压，单位：伏（V）千伏（KV）额定容量Se:发电机长期安全运行所输出的最大视在功率。单位：千伏安（KVA）或兆伏安（MVA） 额定功率Pe：发电机长期安全运行所输出的最大有功功率。单位千瓦（KW）或兆瓦（MW）额定功率因数COSe:发电机额定功率和额定容量的比

5、值。它们之间的关系为：Pe=SeCOSe=1.732UeIeCOSe三同步发电机的电势方程1同步发电机带负载运行时的电磁量同步发电机带负载运行时，由于定子三相绕组中有电流通过，也会形成一个磁场，该磁场也是旋转磁场，称之为电枢磁场，电枢磁场以与转子主磁场相同的速度，相同的方向旋转。所以同步发电机运行时，气隙中存在着两个旋转磁场，即转子旋转磁场和电枢旋转磁场。为了分析问题简单方便，可不计磁路饱和的影响。应用叠加原理，认为一个磁动势独立产生一个磁通，并在电枢绕组中感应出相应的电动势。所以负载时定子绕组中感应电动势包括转子磁场感应的空载电动势E0、电枢磁场感应的电动势Es和漏磁通感应的电动势E。2电势

6、方程根据基尔霍夫电压定律，参看图32所示各电磁量的方向，得出一相绕组的电动势平衡方程式： E0+Es+E=U+IrsU发电机的相电压Irs电枢一相绕组的电阻压降若忽略电枢绕组的电阻压降，则得 E0+Es+E=U用E=-jIX，ES=-jIXs来表示，则得E0-jIX-jIXs=U 整理即得发电机的电动势方程： E0=U+jIXd第二节 同步发电机的基本结构同步发电机主要是由定子、转子、端盖及轴承等部件组成。一、 定子：定子由定子铁芯、定子绕组、机座以及固定这些部件的其它构件组成。1、 定子铁芯一般是用含硅量较高的厚0.35mm的硅钢片迭成，每迭厚约36cm，迭与迭之间留有1cm宽的通风槽，整个

7、定子铁芯靠拉紧螺杆和特殊的非磁性端压板压紧成整体，固定在机座上，机座为钢板焊接结构，其作用除了支撑定子铁芯外，还起通风作用。2、 定子绕组是由嵌在定子铁芯槽内的线圈按一定规律连接而成，一般采用迭绕组，即任何两个相邻的线圈都是后一个迭在前一个上面，然后把属于同一相的相邻线圈直接串联起来，再通过一定的连接方式构成三相绕组。二、 转子转子是由转子铁芯、励磁绕组（转子绕组）护环、中心环、滑环等组成。1、 转子铁芯是发电机最关健的部件之一，它即是发电机磁路的重要组成部件，又由于高速旋转时巨大的离心力而承受着很大的机械应力，因而要求其具有良好的导磁性能又要有很高的机械强度，所以一般都采用整块的高机械强度和

8、良好导磁性能的合金钢（其成分为铬镍钼的合金）锻成。2、 励磁绕组是由扁铜线绕成的线圈，安放在转子铁芯的槽内，各线匝之间垫有绝缘。线圈与铁芯之间采用塑性云母板压制的槽衬起绝缘作用3、 护环是一个厚壁金属圆筒，用来保护励磁绕组的端部，使其紧密地压在护环和转轴之间，不会因离心力而甩出。4、 中心环是用以支持护环并阻止励磁绕组端部沿轴向的移动，其材料是无磁性合金钢。5、 滑环共有一对，装在转子轴上，通过引线分别接到转子励磁绕组的两端，并借电刷装置引至励磁机的出线。三、 端盖和轴承1、 端盖的作用是将发电机本体的两端封盖起来，并与机座、定子铁芯和转子一起构成发电机内部完整的通风系统。2、 发电机的轴承采

9、用油膜液体润滑的座式轴承，由于它承担了巨大的转子重量，轴颈的线速度较高，有较大的磨擦损耗，所以必须有高压油循环系统以保证运行的安全。四、发电机的冷却系统1、 空冷发电机图32是空气冷却汽轮发电机的通风系统示意图。冷风经风扇鼓风后，分三路进入发电机，一路从护环下进入，吹拂发电机转子绕组端部表面后，进入定转子之间的气隙；一路是直接进入气隙；另一路是经过定子机座端部和通风管吹拂定子线圈端部和铁芯两侧的结构部件，再流经定子铁芯的部分通风道后也进入气隙，这三路分别吸取了一定的热量，在气隙混合后再一同经定子铁芯的另一部分通风道，成为热风而排出，为确保机组的安全运行，整个空气系统是封闭的，以避免空气湿度和灰

10、尘进入发电机。2、 氢冷发电机氢气有较好的散热性能，借助氢气冷却发电机具有较高的效率，氢气的相对密度约为空气的十分之一，采用氢气来取代空气，可使发电机的通风磨擦损失减少近90%，采用氢气冷却要考虑防爆和防漏问题。因此，要求密封要决对良好，定子线圈一般采用将氢气从线圈的一端进入，吸热后从另一端排出，而转子常采用两端进风在中部出风。3、 水冷发电机因凝结水不但导热率低，化学性稳定，流动性好，具有优于空气和氢气的散热能力，因此是内部冷却发电机的较为理想的冷却介质。冷水从外部水系统通过管道流至装在定子机座上的进环，再分别经绝缘管流入各个线圈，吸热后经绝缘水管汇总到装在机座上的出水环，然后排入电机的外部

11、水系统。第三节、同步发电机的运行特性一、 空载特性空载特性是指发电机转子额定转速旋转，转子绕组开路（即I=0）时，其空载电势E。与励磁电流IL的关系。因此时定子电流=0所以发电机的端电压U就等于空载电势E。，即空载物性曲线也就是空载时端电压与励磁电流的关系曲线如图34所示。由图中可看出有一部分是直线，这是因为铁芯未饱和E。与IL成线性关系，后一部分曲线成弯曲的即E。与IL不成线性关系，说明铁芯已饱和。 空载特性是发电机中最基本的特性之一，它表明了发电机磁路的饱和情况，利用它可求得发电机的有关参数。同时在实际工作中还可利用它来判断转子线圈及定子铁芯有无故障等。例如，励磁绕组如果发生匝间短路，在相

12、同的励磁电流下，空载电动势将减小，空载特性曲线下降。二、 短路特性短路特性是指定子出现三相短路（U=0）发电机转速为额定时定子电流I与励磁 电流IL的关系。短路特性曲线为一条直线如图35所示。由于发电机的电枢电阻远小于同步电抗，短路时发电机相当于一个感性阻抗，短路电流是感性的，电磁产生的电枢反应为去磁作用，所以铁芯不会饱和。同样，利用短路特性可求出发电机的有关参数，也可利用它来判断励磁线圈有无匝间短路故障等。三、 外特性外特性是指发电机在额定转速下保持励磁电流和功率因数不变时，发电机端电压与负载电流的关系。当发电机带感性负载时，电枢反应为去磁作用，在IL不变增加负载电流时端电压上升当发电机带纯

13、阻性负载时端电压变化较小，如图36所示。因此为保持发电机端电压不变，在感性和纯阻性负载时负载电流增大要增加励磁电流，在容性负载下应减少励磁电流。四、 调整特性调整特性是指发电机转速、电压、COS在额定时，励磁电流与额定电流的关系。如图37所示。在感性负载和阻性负载下，为维持发电机端电压不变，负载电流增加时，要响应地增加励磁电流，以补偿负载电流所产生的电枢磁场的去磁作用。而在容性负载下，为了抵消电枢磁场的助磁作用，保证电压不变，需要相应地减少励磁电流。五负载特性 负载特性是指发电机在额定转速下，保持负载电流I及COS不变的条件下，励磁电流iF与 端电压U之间的关系，如图38所示。 当COS=1时

14、，=0，I=IN 当COS=0.8时，（迟相）0，I=IN当COS=0.8时，（进相）0，I=IN当COS=1时，=900，I=IN从图中可知，迟相状态下的电压低于空载电压，这是由于感应负载的去磁电枢反映造成的。进项状态则相反，带负载式的电压反而高于空载时的电压，显然由于容性负载的助磁电枢反应形成的。第四节 发电机的启动和停止一、 启动前的准备发电机新安装或检修完毕，得到系统调度的命令即可将其启动，并投入运行。启动为保证发电机的安全可靠，必须对有关设备和系统进行一系列检查，测量和试验，只有下列项目全部合格后方可启动思想内容组。1、 需要检查的项目：(1)、发电机变压器组的一二次设备安装或检修终

15、结后，应将工作票全部收回，详细检查各部分及其周围的清洁情况，各有关设备、仪表是否完好，短路线和接地线是否拆除，防误装置是否完整，检修人员是否已撤离现场。（2）、检查升压变压器和厂用变压器油位是否正常，各散热器的蝴蝶阀、冷油器进出口油阀是否全开，主断路器油位，操作机构是否正常。（3）、将经过过滤与干燥后的压缩空气通入发电机，保持机座内压力达到0.3Mpa，并在转子静止状况下，检查发电机油路、气路、水路等系统的密封性。（4）、检查发电机的滑环、整流子及电刷应清洁完整无接地现象。电刷在刷握内压力、间隙均符合规定。（5）、发电机灭火装置应良好。2、 启动前的准备（1）、测量发电机定、转子绕组的绝缘电阻

16、定子绕组的绝缘用10002500V摇表测量，其值不应低于1M/KV。并于前一次绝缘测量值相比较不得低1/3，否则按绝缘不合格证处理。转子绕组的绝缘用5001000V摇表测量，其值不低于0.5M.（2）、检查发电机PT、CT保险完整良好，回路正常装上PT、CT保险或合上小开关。（3）、发电机启动前应进行的试验：a.机电联系信号试验良好b.发电机调速、调压系统试验良好c.发电机励磁系统试验良好d.发电机主开关拉、合正常e.励磁开关联动主开关良好二、 发电机的启动升压当汽轮发电机转速达到额定转速后，应合上发电机的出线刀闸将发电机启动升压。1检查发电机磁场电阻在最大位置，合上发电机励磁开关，这时发电机

17、三相定子电流表指示为零或接近于零。定子电压表，转子电压表有指示2调整磁场电阻增加发电机电压，切换三相电压应平衡，同时也以此检查一次回路和电压互感器回路有无回路。3当发电机定子电压达到额定值时，转子电流达到空载值时，将磁场变阻器的手轮位置记录下来，便于以后升时参考。核对这个指示位置可以检查转子绕组是否有匝间短路，因为两匝间短路时，要达到定子额定电压，转子的励磁电流必须增大，这时该指示位置就会超过上次升压的标记位置。三、 发电机并列必须满足的条件1、 待并发电机的电压与系统电压相等其允许偏差5%。（1）、若两电压不相等，在开头触头产生一个电压差U，开关合闸就产生冲击电流。U越大则冲击电流越大，容易

18、造成发电机绕组过热，甚至造成发电机损环。2待并发电机的频率与系统频率相等其允许相差0.1Hz若两频率不相等，会产生有功冲击电流，造成发电机转速不稳定，容易使发电机失步。3待并发电机电压的相位与系统电压的相位相同。若两差不相同则会产生电压U，最严重的情况是相位相反，这时电压差最大其产生的冲击电流达额定电流的2030倍。4待并发电机电压的相序必须与系统电压的相序相同。若相序不同，发电机并列后，在电压不同相的两相中就会出现电压差产生冲击电流。四发电机的并列发电机并列的操作方法有两种，即准同期并列和自同期并列。（1）、准同期并列：准同期并列有自动准同期并列和手动准同期两种操作方式。正常情况下只能用自动

19、准同期限并列，手动准同期并列只有在自动准同期并列装置不能使用或其它特别原因时使用，这是因为使用手动准同期并列时，如果调整不好，并列时发电机冲击电流大，甚至发生非同期并列。（2）、自同期并列自同期并列的方法是当待并列发电机的转速接近额定转速时，先合上发电机的主开关，然后再自动合上励磁开关，加上励磁，使发电机自动拉入同步。他的优点是操作简单、速度快、可防止发电机非同期并列，但他存在着并列时发电机受到较大的冲击电流，甚至使系统中电压降低，所以对于10MW以上的机组不易采用。五发电机的解列与停机采用单元接线的发电机，在解列前，先将厂用电倒至备用电源供电，然后再将发电机的有无功负荷转移到其他并列运行的机

20、组上去，在机组有无功负荷降到某一数值后，停用自动调节励磁，然后将有无功负荷降到零，待主汽门关闭后，拉开发电机主开关。在停机减负荷过程中，要注意有无功负荷，应同时进行减荷操作， 防止功率因数超过迟相的0.95，同时还要与机、炉配合好，防止造成锅炉压力升高。发电机解列后，应将磁场电阻加至最大，拉开发电机出线刀闸，停用电源，待发电机转子停下后，还应对发电机定、转子绕组的绝缘进行测量，并做好记录。 第五节 发电机的运行一、 负荷的接带与调整1、 负荷的接带发电机并列后，即可按规程规定接带负荷，其有功负荷的增加速度决定于汽轮机。在正常情况下发电机的定子电流可带到额定值的50%，然后按规定逐步带至额定。对

21、无功负荷应保持发电机定子电压不低于额定值来接带负荷，同时还应注意励磁电流不允许超过额定值，并与有功负荷相配合，保持功率因数COS在规定范围之内。在热状态或事故情况下，发电机的负荷增长速度可不受限制。2、 有功负荷的调整发电机有功负荷的调整，是通过汽轮机调速系统的调速电机进行，即调整汽轮机的进汽量，增加有功负荷时，将进汽门开大增加进汽量，减少有功负荷时，将进汽门关小减少进汽量，有功负荷的增加速度通常有汽轮机和锅炉的运行工况决定，增减速度不能过快。3、 无功负荷的调整发电机无功负荷的调整是通过自动调整装置进行的，若自动调整装置满足不了调整要求时，也可以手动要求。通常无功的调整是根据功率因数或发电机

22、端电压的大小进行调整，当有功不变无功增加时，功率因数就下降，减少无功时，功率因数上升。一般规定无功不得低于有功的1/3，即功率因数不能超过迟相的0.95。这是因为功率因数超过迟相0.95时，发电机电枢合成磁场和转子磁级间的磁力线的吸引变小，使功角增大，运行的静态稳定性降低，容易使发电机失去同步，同时也容易造成发电机定子端部构件发热，因此在调节无功负荷时应注意不能使发电机进相运行。二、 发电机的允许温度和温升发电机定子和转子绕组的温度和温升，对于发电机安全运行有着决定性的意义。这是因为温度的高低对绝缘老化起着最主要的影响，绝缘受热温度越高，其老化越快，寿命越短。定、转子绕组的绝缘损环会造成机组烧

23、坏。因此，在发电机运行中，要特别注意发电机的各部温度、温升，使其不超过允许值，发保证发电机的安全运行。发电机定子绕组的温度可用埋入的导线间的检温计来测量，而定子铁芯的温度则用埋入铁芯间的具有检温计的扇形酚醛压板测量，转子绕组的一般是根据冷热状态下的电阻的变化测量或根据电压表通过计算得出。发电机定子、转子绕组及定子铁芯的最高允许监视温度，为发电机在额定冷却气体温度及额定功率因数下，带额定负荷连续运行的最高温度，其值一般取决于所用材料的等级名称A级绝缘B级绝缘C级绝缘定子绕组允许最高温度105120120140转子绕组允许最高温度105发电机的允许温度为最高允许温度与额定冷却空气温度之差，现国产汽

24、轮发电机额定冷却温度为+35和+40两种。发电机进风温度与定子电流允许值如下：当进风温度高于额定值时发电机进风温度进风温度每升高1定子电流较额定值降低额定进风温度35额定进风温度4035401.0%404540451.5%455045502.0%505550553.0%当进风温度低于额定值时，每降低1，允许定子电流较额定值升高0.5%.在一般情况下，发电机的入口风温不得超过55，规定发电机出口温度不超过75。对采用氢冷和水冷的发电机应按制造厂家的规定执行。一般情况下，发电机内额定氢压为0.3Mpa，入口温度在3040，最低不得低于20，最高不超过55，两端入口温差不得低于5。水冷发电机正常进水

25、压力为0.150.2Mpa，最大水压不超过0.3Mpa，进水温度控制在4050，最低进水温度不宜低于20，进出水温差不应大于30。三、 发电机电压变化范围发电机正常运行时电压变化的范围是在额定电压5%以内，此时发电机的额定容量可保持不变，即当电压降低5%时，定子电流可升高5%，当电压升高5%时，定子电流可降低5%。发电机运行时电压变化最大不超过10%，电压过高或过低对设备将造成一定的影响。1、 发电机电压过高时可能产生的危害：（1）、转子励磁电流增大，可能造成转子绕组温度过高，若想维持转子电流不变，则需降出力。（2）、电压升高时，定子铁芯的磁通密度增大，因而铁损增加，造成定子铁芯和定子绕组温度

26、升高。（3）、由于铁芯磁通密度增大，铁芯饱和后发电机端部漏磁也会增加，引起发电机的实体部分和支持端部的金属零件发生过热，造成事故。2、 发电机电压过低时可能造成的危害：（1）、发电机电压过低可能使发电机工作在不饱和区，励磁电流稍有变化，电压就会变化很大，使发电机电压不稳定。同时由于励磁电流的减少使用权定子磁场和转子磁场的拉力减少，易使发电机产生失步和振荡。（2）、若想在低电压下保持发电机出力不变，执必要增加转子电流，易造成定子绕组温度过高。（3）、电压过低影响厂用电动机和用户设备的正常运行。因电动机的力矩与电压平方成正比，电压降低力矩降低，造成电动机电流增大，引起电动机故障。同时电压过低还有可

27、能造成电机启动困难。四、 发电机频率变化范围我国规定的额定频率为50Hz发电机正常运行时，允许频率变化为0.2Hz最大不能超过0.5Hz。频率过高会使发电机转速增加，因而导至发电机离心力增大，严重时会造成破坏。现在汽轮发电机组中与其同轴的汽轮机都装有超速保护装置，使汽轮发电机组的转速限制在一定范围内，若转速继续升高，达到保护动作时，保护动作关闭主汽门，使汽轮发电机组停运。频率过低对发电机会产生下列影响 （1）、使发电机端部通风量减少，冷却条件变坏，使绕组和铁芯的温度增高造成机组降出力。 （2）、如果频率降低，要想维持发电机电压不变，必须提高转子电流，容易造成转子过热否则就要减减负荷，而对转子铁

28、芯影响不大。 （3）、汽轮机在较低转速下运行，会造成叶片的过负荷，产生机组振动，影响叶片的寿命容易造成其它事故。 （4）、当频率降低时，发电机的厂用电动机转速也相应下降，这样会影响发电厂的正常生产。如循环水量不足，凝结水抽出较慢，吏汽轮机真空下降，锅炉给水压力不足，影响锅炉上水，从而又影响锅炉的汽压降低，使水位不稳定等。所有这些会影响到发电机的出力，又转而促使频率下降，如此循环下去，会造成电力系统频率崩溃。五、 功率因数变化范围功率因数COS也称力率，它的大小表示发电机向系统输送无功情况，这种无功负荷通常为感性的。一般情况下中小型发电机的额定功率因数为0.8，大型发电机的功率因数为0.85甚至

29、有的为0.9.发电机的功率因数一般不超过迟相（指定子电流相位落后于端电压0.95，这是因为发电机的功率因数越高，输送的无功功率就越少。当COS=1时，发电机送出的无功功率为零，而无功功率是通过调节转子绕组的励磁电流而得到的，无功功率越小，励磁电流也就越低。使发电机定子和转子磁极间的引力就减小而功角增大，使发电机运行的稳定性降低。当然，功率因数也不能太低，因为当功率因数降低时，为维持发电机的电压不变，慢需要增加转子电流，当功率因数低于额定值时，则转子电流必须超过额定值，使转子绕组的温度超过允许值。否则就要降低定子电流，即降低发电机出力。带有自动励磁调整器，必要时可以在功率因数为1的情况下运行，并

30、允许短时间功率因数在进相0.951的范围内运行。六运行中的监视对运行中的发电机，应监视其运行情况，以便及时发现不正常现象，及早消除。发电机定子绕组、铁芯和进出风的温度，必须每小时检查一次，每两小时记录一次，每班应对励磁回路的绝缘计算一次。另外对发电机运行中的检查项目还有：对发电机及励磁机电刷的检查。电刷应完整，不卡塞，不剧烈振动，不过短，无火花，刷架清洁无灰尘，电刷及连线完好，无过热现象。发电机无异音、无异味、无振动，各部温度在规定之内。从窥视孔观察无异状，端部绕组无火花。励磁开关室内设备运行正常、清洁，各部接触良好不过热。发电机空气冷却室的门应关严密，无漏风现象。灭火装置应有正常水压。 第六

31、节 发电机的特殊运行一、 发电机负荷不平衡及过负荷1发电机正常运行是在三相负荷平衡的情况下运行，但有时由于负荷分配不平衡，造成发电机三相电流不平衡。在这种情况下容易造成发电机转子过热和机组振动，发电机允许电流不平衡值应遵守制造厂的规定，对无制造厂规定时，对氢冷和空冷发电机可按下列规定执行：（1）、在按额定负荷运行时，发电机三相电流之差不得超过额定电流的10%，同时任何一相电流不得大于额定值。（2）、在低于额定负荷运行时，每相电流之差可以大于上述规定，但具体数值应根据试验确定试验应满足以下约束条件：a、转子绕组和铁芯温度不得超过允许值。B、任何一相电流不得超过电流客定值。C、发电机的振动不得超过允许值。 发电机短时允许的不平衡电流值可按下式计算 I22*t30I2*负序电流标么值 t持续时间2过负荷运行正常运行时，发电机不允许负荷，只有在特殊情况下，为维持系统稳定