简述发电机原理

所谓进相运行，就是降低发电机的励磁电流至空载励磁电流以下，使 发电机从电网吸收无功功率，来维持定子、转子磁场所损耗的功率，功率 因数角 超前，即电流超前电压一个功率因数角 ，这种运行方式称进相运 行。此时，发电机向系统发送有功，而从系统吸收无功。所谓迟相运行即 正常运行时发电机即向电网发送有功又发送无功，电流滞后电压一个功率 因数角 ，称为迟相运行。发电机进相运行时，由于励磁电流的减小，发电 机电势随之减小，造成功角 的增大，从而降低了发电机的静态稳定性，由 于此时磁路不饱和，在系统中如有扰动，就会造成机组产生振荡或失步。 因此，对有自动励磁调节装置的电厂，应将自动励磁调节器投在“自动” 位。以防系统对机组所造成的干扰。发电机进相运行时，对机组的另一个 严重影响是，由于定子端部漏磁的增加，将引起定子端部构件的严重过热， 致使发电机出力降低。
(4)励磁回路接地保护： 也就是转子励磁回路的接地故障保护。发电机励磁回路接地故障的 危害： 发电机正常运行时，励磁回路对地之间有一定的绝缘电阻和分布电
容，它们的大小与发电机转子的结构、冷却方式等因素有关。当转子绝 缘损坏时，就可引起励磁回路接地故障，常见的是一点接地故障，如不 及时处理，还可能接着发生两点接地故障。 励磁回路的一点接地故障，
五、同步发电机的五种特性
1.空载特性：n=nN Ia=0 E0=f(If) 通过空载试验可以检查电机接线是否正确，励磁系统是否
正常,还可以从空载特性来判断电机磁路饱和程度。 2.短路特性：n=nN U=0 Ia=IK=f(If)
试验时，三相电枢绕组端短接,转子被拖到同步转速nN， 调节励磁电流If，使电枢电流Ia从零逐渐增大到1.2IN左右，短 路特性IK=f(If)是通过坐标原点的直线。短路试验时机端短接 U=0，电枢绕组电阻ra剩去不计，则电枢回路为一纯电感回路， 电枢反映为纯d轴去磁性质。稳态短路时，同步发电机气隙电 动势仅仅等于漏抗压降，故电机磁路处于不饱和状态。 在这里有一个重要的参数就是“短路比”。短路比是表征发电 机性能的一个重要参数，可以利用发电机空载特性曲线和短路 特性曲线确定：
一、同步发电机结构模型
同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和电机的结构模型，其定 子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排 列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢， 定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。
n＝60f/p。 n为转速；f为频率；p为极对数。
三、发电机的功率因数
上边说无功时已经说过消耗的电能包含两部分，一部分为电器设备 实际使用到的（有功），一部分为电器设备使用过程中在其他方面消耗 了（无功）。而功率因素就是有功占总功（有功＋无功）的百分比，也 就是：
功率因数＝有功功率／视在功率 可见功率因素对于一般的导体来说不会等于1的，而比值用余弦值 cosA表示，A就是功率因数角。功率因素越大，电功的有效使用率就越 高，功率因数低，说明电路中用于交变磁场转换的无功功率大，从而降 低了设备的利用率，增加线路供电损失。 交流电在通过纯电阻的时候，电能都转成了热能，而在通过纯容性 或者纯感性负载的时候，并不做功。也就是说没有消耗电能，即为无功 功率。当然实际负载，不可能为纯容性负载或者纯感性负载，一般都是 混合性负载，这样电流在通过它们的时候，就有部分电能不做功，就是 无功功率，此时的功率因数小于1。因为电网的主要动力负载是功率因数 比较低的三相异步电动机，如果发电机发出的无功功率不能满足电网对 无功功率的要求，就会引起整个电网的电压下降，这对负载是不利的。 所以我们即要求保证供给有功功率，又要求供给无功功率。
2、转子电流通过转子本体，如果转子电流比较大，就可能烧损转子， 有时还造成转子和汽轮机叶片等部件被磁化。
3、由于转子本体局部通过转子电流，引起局部发热，使转子发生缓 慢变形而形成偏心，进一步加剧振动
(5)低励、失磁保护： 为防止发电机低励(励磁电流低于静稳极限所对应的励磁电流)或失去 励磁(励磁电流为零)后，从系统中吸收大量无功功率而对系统产生不利 影响。失磁的危害主要表现在以下几个方面： 发电机失磁对系统的影响主要有： 1、低励和失磁的发电机，从系统中吸收无功功率，引起电力系统的 电压降低，如果电力系统中无功功率储备不足，将使电力系统中邻近的 某些点的电压低于允许值，破坏了负荷与各电源间的稳定运行，甚至使 电力系统电压崩溃而瓦解。 2、当一台发电机发生失磁后，由于电压下降，电力系统中的其它发 电机，在自动调整励磁装置的作用下，将增加其无功输出，从而使某些 发电机、变压器或线路过电流，其后备保护可能因过流而误动，使事故 波及范围扩大。 3、一台发电机失磁后，由于该发电机有功功率的摇摆，以及系统电 压的下降，将可能导致相邻的正常运行发电机与系统之间，或电力系统 各部分之间失步，使系统发生振荡。 4、发电机的额定容量越大，在低励磁和失磁时，引起无功功率缺额 越大，电力系统的容量越小，则补偿这一无功功率缺额的能力越小。因 此，发电机的单机容量与电力系统总容量之比越大时，对电力系统的不 利影响就越严重。
同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频 率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我 国电网的频率为50Hz 。要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的 转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如2极（也就是一对 磁极）电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依 次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名 称的由来。可用公式算得：
(1)纵联差动保护： 为定子绕组及其引出线的相间短路保护。 (2)横联差动保护： 就是定子绕组一相匝间短路保护，我们没有装设该保护。 (3)单相接地保护： 为发电机定子绕组的单相接地保护。发电机外壳都进行安 全接地的。发电机定子绕组与铁芯间的绝缘破坏，就形成了定 子单相接地故障，这是一种最常见的发电机故障。发生定子单 相接地后，接地电流经故障点、三相对地电容、三相定子绕组 而构成通路。当接地电流较大能在故障点引起电弧时，将使定 子绕组的绝缘和定子铁芯烧坏，也容易发展成危害更大的定子 绕组相间或匝间短路。
但电机造价低；短路比大说明同步电抗小（气隙大），并联运行时发电机稳 定度较好，但电机造价较高。短路比越大，也意味着发电机的过载能力大。
3.零功率因数负载特性 发电机n=nN，负载为纯电感线圈(功率因数为0)，保持电枢电流
Ia=IN，同步发电机端电压U与励磁电流If间的关系曲线U=f(If)。他可以用 来测量漏电抗xσ(xp)，是同步发电机基本特性之一。 4.同步发电机的外特性：n=nN If=常数 功率因数=常数 U=f(Ia)
5.调节特性：n=nN U=常数 功率因数=常数 If=f(Ia) 在感性和纯电阻性质负载时，为弥补电枢反应去磁作用和漏阻抗压
降使端电压降低的影响，励磁电流应随着Ia增大而相应增大。而在容性 负载时，为抑制电枢反应助磁使端电压升高的作用，应随着Ia的增大而 相应减小励磁电流，才能保持端电压的恒定，从而是下降的调节特性。
短路比 = 空载额定电压的励磁电流下三相稳态短路电流 / 发电机额定电流 在空载特性曲线上，当空载电压E0 = UN（发电机额定电压）时对应的
励磁电流为If0；在短路特性曲线上，当发电机励磁电流If = If0时对应的短路 电流为Ik0。
短路比小说明同步电抗大（气隙小），并联运行时发电机稳定度较差，
由于构不成电流通路，对发电机不会构成直接的危害。对于励磁回路一 点接地故障的危害，主要是担心再发生第二点接地故障。因为在一点接 地故障后，励磁回路对地电压将有所增高，就有可能再发生第二个接地 故障点。发电机励磁回路发生两点接地故障的危害表现为：
1、转子绕组一部分被短路，另一部分绕组的电流增加，这就破坏了 发电机气隙磁场的对称性，引起发电机的剧烈振动，同时无功出力降低。
二、同步发电机工作原理 （可看动画）
主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相 间的励磁磁场，即建立起主磁场。
载流导体：三相对称的定子电枢绕组充当功率绕组，成为 感应电势或者感应电流的载体。
切割运动：原动机（汽机或燃机）拖动转子旋转（给电机 输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割 定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。
六、同步发电机的中性点
发电机的中性点，主要采用不接地、经消弧线圈接地、经电阻或直接接 地三种方式。 发电机中性点不接地方式： 当发电机单相接地时，接地点仅流过系统另两相与发电机有电气联系的 电容电流，当这个电流较小时，故障点的电弧常能自动熄灭，故可大大 提高供电的可靠性。当采用中性点不接地方式而电容电流小于5安时， 单相接地保护只需利用三相五柱电压互感器开口侧的另序电压给出信号 便可以。中性点不接地方式的主要缺点是内部过电压对相电压倍数较高。 发电机中性点经消弧线圈接地： 当发电机电容电流较大时，一般采用中性点经消弧线圈接地，这主要考 虑接地电流大到一定程度时接地点电弧不能自动熄灭。而且接地电流若 烧坏定子铁芯时难以修复。中性点接了消弧线圈后，单相接地时可产生 电感性电流，补偿接地点的电容电流而使接地点电弧自动熄灭。
四、发电机的进相运行
远距离输送负荷，使得线路间及线路对地的电容增大，从而引起了电 力系统电容电流及容性无功功率的增长。使得电网上产生了无功功率过剩， 使电力系统的电压上升，以致超过允许值，这么高的电压对电气设备和整 个网络，将产生严重的损坏现象。为此，在不增加设备投资的情况下，利 用同步发电机进相运行，来吸收电网上过剩的无功功率，从而来进行电网 电压的调节。
交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割 运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相 对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。
交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势 的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相 对称性。
三、运行中电压和频率变化的影响
转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有
励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性 相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。
气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形 状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。
除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安 装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步 电机的转子充当了电枢（例如我厂的交流励磁机）。图中用 AX、BY、CZ三个在空间错开120电角度分布的线圈代表三 相对称交流绕组。
发电机中性点经电阻或直接接地： 这种方式虽然单相接地较为简单和内部过电压对相电压的倍数较低， 但是单相接地短路电流很大，甚至超过三相短路电流，可能使发电机定 子绕组和铁芯损坏，而且在发生故障时会引起短路电流波形畸变，使继 电保护复杂化。
七、发电机的保护
对于发电机可能发生的故障和不正常工作状态,应根据发电 机的容量有选择地装设以下保护。
电网在运行中无功不足和过剩都会造成电压的波动。无功不足使电压下 降，无功过剩使电压升高。有功失去平衡会使频率波动，也影响电压波动。
保持有功不变，电压升高要增加励磁电流，使励磁绕组温度升高。电压 升高还会使定子铁心磁密度增大，温度升高。而且还会影响绝缘。而电压降 低会影响系统稳定性，同时电压降低，定制电流增大，绕组发热增加。
外特性描述了发电机在负载电流Ia变化时端电压U的变化规律。在感 性负载和纯电阻负载时，随负载电流增大，发电机端电压，这是因为： A.其电枢反应均有去磁作用，使气隙合成磁场削弱，发电机端电压从而 降低。B.负载电流在漏阻抗上的压降Ia(ra+jxσ)随Ia的增大而增大，使端 电压降低。若发电机带容性负荷，且电机φ角呈负值，则发电机有助磁 性质的电枢反应，使气隙合成磁场增强，同时容性电流的漏抗压降有使 电压增高的作用，结果使发电机端电压随负载电流增大而升高。