发电机基础知识

第一章基础知识1.同步发电机保护的基本知识电厂中的发电机都为同步电机，它把原动机的机械能转变为电能，通过输电线路等设备送往用户。

1.1 同步发电机基本工作原理我们知道，导线切割磁力线能产生感应电势，将导线连成闭合回路，就有电流流过，同步发电机就是利用电磁感应原理将机械能转变为电能的。

图1-1为同步发电机示意图。

导线放在空心圆筒形铁芯的槽里。

铁芯是固定不动的，称为定子。

磁力线由磁极产生。

磁极是转动的，称为转子。

定子和转子是构成发电机的最基本部分。

为了得到三相交流电，沿定子铁芯内圆，每相隔120º分别安放着三相绕组A-X、B-Y、C-Z。

转子上有励磁绕组（也称转子绕组）R-L。

通过电刷和滑环的滑动接触，将励磁系统产生的直流电引入转子励磁绕组，产生稳恒的磁场。

当转子被原动机带动旋转后，定子绕组（也称电枢绕组）不断地切割磁力线，就在其中感应出电势来。

感应电势的方向由右手定则确定。

由于导线有时切割N极，有时切割S极，因而感应的是交流电势。

交流电势的频率f，决定于电机的极对数p和转子转数n，即pnf = ()Z H60式中n的单位为转每分（r/min）转子不停地旋转，A、B、C三相绕组先后切割转子磁场的磁力线，所以在三相绕组中电势的相位是不同的，依次差120º，相序为A、B、C。

当发电机带上负荷以后，三相定子绕组中的定子电流（电枢电流），将合成产生一个旋转磁场。

该磁场与转子以同速度、同方向旋转，这就叫“同步”。

同步电机也由此而得名。

它的特点是转速与频率间有着严格的关系，即60fn =p1.2同步发电机的分类同步发电机的种类按原动机不同来分，可分为：汽轮发电机——一般是卧式的，转子是隐极式的。

水轮发电机——一般是立式的，转子是凸极式的。

按冷却介质和冷却方式分：空气冷却（空冷）——外冷（指冷却介质和导体隔着绝缘层的冷却）外冷同步发电机氢气冷却（氢冷）——内冷（冷却介质直接冷却导体）水冷却（水冷）——双水内冷上述的冷却介质和方式还可以有不同的组合，如水-氢-氢（定子绕组水内冷，转子绕组氢内冷，铁芯氢冷）；水-水-空（定子、转子水内冷，铁芯空冷）；水-水-氢（定子、转子绕组水内冷、铁芯氢冷）等。

1.3 铭牌电机上的铭牌是制造厂向使用单位介绍该台电机的特点和额定数据用的。

其所标的量，如容量、电流、电压等都是额定值。

所谓额定值，就是能保证电机正常连续运行的最大限值，即在此额定数据的情况下运行，发电机寿命可以达到预期的年限。

铭牌上标的主要项目有：(一) 额定电流额定电流是该台电机正常连续进行的最大工作电流。

(二) 额定电压额定电压是该台电机长期安全工作的最高电压。

发电机的额定电压指的是线电压。

(三) 额定容量额定容量是指该台电机长期安全运行的最大输出功率。

有的制造厂用有功功率的千瓦数，也有的是用视在功率的千伏安数表示。

(四) 额定功率因数cos同步发电机的额定功率因数是额定有功功率和额定视在功率的比值。

铭牌上一般标有功功率和cos 值，或标视在功率和cos 值。

上述额定电流、电压、容量、功率因数是相对应的，知道其中几个量，就可以求算出其余的量。

1.4 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性，一般是指发电机的空载特性、短路特性、负载特性、外特性和调整特性等五种。

从运行的角度看，外特性和调整特性是主要的运行特性，根据这些特性，运行人员可以判断发电机的运行状态是否正常，以便及时调整，保证高质量安全发电。

空载特性、短路特性和负载特性则是检验发电机基本性能的特性，用于测量、计算发电机的各项基本参数。

1.4.1 空载特性发电机空载特性是指发电机以额定转速空载运行时其电势E0与励磁电流I1之间的关系曲线。

当发电机处于空载运行状态，其端电压U就等于电势E0，因此该曲线也就是空载时端电压与励磁电流的关系曲线。

电势决定于气隙磁通，空载时的气隙磁通决定于转子磁势，转子磁势又决定于励磁电流，所以这曲线表达了电机中“电”与“磁”的联系。

如图1-2所示空载特性曲线，E0=f（I1）。

做空载特性试验时，应维持发电机转速不变，逐渐增加励磁电流，直至端电压等于额定电压的130%时为止。

在增加励磁电流的过程中，读取励磁电流值及与其对应的端电压值，便可以得到空载特性的上升分支。

接着减小励磁电流，按上面方法读取数值，便得到下降分支，如图1-2（a）所示。

由于铁芯有磁滞现象，使上升分支与下降分支不重合。

实际应用的空载特性曲线是上升与下降两曲线的平均，如图中虚线所示。

一般将平均的曲线右移，使曲线通过坐标0点，如图1-2（b ）所示。

空载特性曲线实际上是一条具有电机这样一个特定磁路的磁化曲线，因此它有磁化曲线的特征。

它的开始部分接近于直线，E 0与I 1成直线关系，说明铁芯未饱和。

曲线的后一段弯曲，E 0与I 1不成直线关系，说明铁芯已经逐渐饱和，而且随着I 1的增大，饱和越来越严重。

在试验时，要注意当向某一方向（如I 1增大）调节励磁电流时，只许向同一方向逐渐调节，不要往返来回调，这是由于铁芯的磁化与其经历的磁化过程有关。

空载特性曲线是发电机的一条最基本的特性曲线。

可以用它来求发电机的电压变化率、未饱和的同步电抗值等参数。

在实际工作中，它还可以用来判断励磁绕组及定子铁芯有无故障等。

1.4.2 短路特性所谓短路特性，是指发电机在额定转速下，定子三相绕组短路时，定子稳态短路电流I 与励磁电流I 1的关系曲线，即I=f (I 1)。

如图1-3。

在做短路特性试验时，要先将发电机三相绕组的出线端短路。

然后，维持转速不变，增加励磁，读取励磁电流及相应的定子电流值，直到定子电流I达额定电流值时为止。

在试验过程中，调整励磁电流时也不要往返来回调。

短路试验测得的短路特性曲线，不但可以用来求取同步发电机的重要参数未饱和的同步电抗与短路比外，在电厂中，也常用它来判断励磁绕组有无匝间短路等故障。

显然，励磁绕组存在匝间短路时，因安匝数的减少，短路特性曲线是会降低的。

1.4.3 负载特性负载特性是当转速、静子电流为额定值，功率因数cos ϕ=常数时，发电机电压与励磁电流之间的关系，即U=曲f(I 1)。

如图1-4所示为不同功率因数时的负载特性曲线。

当cos ϕ值不同，我们即可得到不同负荷种类的负载特性曲线。

I I 1 0 图1-3 短路特性用负载特性与空载、短路特性，可以测定发电机的基本参数，是电机设计、制造的主要技术数据。

1.4.4 外特性发电机带上负荷以后，端电压就会有所变化，外特性就是反映这种变化规律的曲线。

所谓外特性，就是指励磁电流、转速、功率因数为常数的条件下，变更负荷（定子电流I ）时端电压U 的变化曲线，即U=f(I)。

如图1-5所示为几个不同功率因数下的外特性曲线。

从图中可以看出，在滞后的功率因数（cos ϕ）情况下，当定子电流增加时，电压降落较大，这是由于此时电枢反应是去磁的。

在超前的功率因数cos （-ϕ）的情况下，定子电流增加时，电压反应升高，这是由于电枢反应是助磁的。

在cos ϕ=1时，电压降落较小。

外特性可以用来分析发电机运行中的电压波动情况，藉以提出对自动调节励磁装置调节范围的要求。

一般用电压变化率来描述电压波动的程度。

从发电机的空载到额定负载，端电压变化对额定电压的百分数，称电压变化率△U ，即△ U = UeUe E 0-×100% 式中0E 发电机空载电势或电压；Ue 额定电压。

汽轮发电机的△U=30 ~ 48%。

1.4.5 调整特性电压会随负荷的变化而变动，要维持端电压不变，必须在负荷变动时调整励磁电流。

所谓调整特性，就是指电压、转速、功率因数为常数的条件下，变更负荷（定子电流I ）时励磁电流I 1的变化曲线，即I 1的变化曲线，即I 1=f(I)，如图1-6所示。

从图1-6所示不同功率因数下的调整特性可以看出，在滞后的功率因数情况下，负荷增加，励磁电流也必须增加。

这是因为此时去磁作用加强，要维持气隙磁通，必须增加转子磁势。

在超前的功率因数下，负荷增加，励磁电流一般还要降低。

这是因为电枢反应有助磁作用的缘故。

调整特性可以使运行人员了解：在某一功率因数时，定子电流到多少而不使励磁电流超过制造厂的规定值，并能维持额定电压。

利用这些曲线，可使电力系统无功功率分配更合理一些。

1.4.6 同步发电机有功功率的输出当发电机空载时，定子绕组中的电流I=0，即电枢不会产生磁势。

此时发电机中，只有由转子主磁极的励磁磁势所建立的主磁场，如图1-7（a）所示。

这时发电机的端电压等于由主磁场产E，原动机输给发电机的功率P1只要克服空载损耗就行了。

生的空载电势0图1-7同步发电机转子磁场与气隙磁场之间的夹角（a）发电机空载时， =0；（b）发电机带负荷时， 角的大小与负荷大小和性质有关当发电机定子绕组端接上负荷时（假定负荷是纯电阻性的），定子绕组中就出现了电流I，发电机向负荷输出有功功率，于是发电机转子受到一个制动转矩的作用，这个制动转矩和空载转矩加起来，比原动机的拖动转矩要大，使得转子转动的速度变慢。

为了保持同步发电机以同步转速运转，就必须增加原动机的拖动转矩（增加汽轮机的进汽量），于是转子又要加速，直到原动机所供给的机械功率与发电机输出的电功率（还要加上发电机内部的损耗）重新达到平衡，发电机才重新以稳定的同步转速运转。

由于定子绕组中出现了电流，则在发电机定、转子和气隙中，由绕组电流产生的磁势F建立了第二个磁场电枢反应磁场。

我们称电枢反应磁场对主磁场的影响叫电枢反应。

如果负荷是纯电阻性的，气隙磁路是均匀的，那么电枢反应的结果是使发电机的气隙磁场发生向移，即气隙合成磁场对于主磁场来说，逆着转子旋转的方向偏转了一个 角度，如图1-7（b）所示。

如果继续使负荷增大，即发电机输出的有功功率增加，那么原动机的输入功率也必须增加。

但是负荷的增加就表示着定子绕组电流的增加，即电枢磁势要增加。

因此，电枢反应作用增强，使得发电机气隙磁场轴线与主磁极磁场轴线之间的夹角 继续增大。

如果发电机的负荷是纯电抗（纯电感或纯电容），那么发电机中就只有去磁或助磁电枢反应，其结果只是使发电机的磁场削弱或增强，而不会使磁场歪扭。

由于感性负荷的去磁性电枢反应，使得发电机向纯电感负荷送电时，发电机气隙磁场由于去磁作用而将被消弱，端电压就要降低；当负荷为容性时，电枢反应是助磁性质的，将使端电压升高。

一般情况下，负荷常常是电感性的，所以它即有使主磁场相当于电阻负荷的向移，又有相当于电感性负荷的去磁作用。

这样，发电机就向负荷既送出了有功功率，又送出了无功功率。

由此可见，在同步发电机中，气隙磁场轴线与主磁极磁场轴线之间的夹角 的大小，与同步发电机输出的有功功率大小有关。

当同步发电机输出的有功功率增大时，原动机输入的机械功率增大， 角也随着增大。