同步發電機

作發電機運行的同步電機是一種最常用的交流發電機。在現代電力工業中，它廣泛用於水力發電、火力發電、核能發電以及柴油機發電。由於同步發電機一般採用直流勵磁，當其單機獨立運行時，通過調節勵磁電流，能方便地調節發電機的電壓。若併入電網運行，因電壓由電網決定，不能改變，此時調節勵磁電流的結果是調節了電機的功率因數和無功功率。

同步發電機的定子、轉子結構與同步電機相同，一般採用三相形式，只在某些小型同步發電機中電樞繞組採用單相。

表徵同步發電機性能的主要是空載特性和負載運行特性。這些特性是用戶選用發電機的重要依據。

旋轉磁極式

（大多數同步發電機）：磁極在轉子上，電樞繞組在定子上。轉子又分為：

1.隱極：高速電機（汽輪機）、分佈繞組；

2.凸極：低速電機（水輪機）、集中繞組。

旋轉電樞式

（小容量或特殊用途，如同步電機交流勵磁機）：磁極在定子上，電樞繞組在轉子上。

發電機不接負載時，電樞電流為零，稱為空載運行。此時電機定子的三相繞組只有勵磁電流 感生出的空載電動勢（三相對稱），其大小隨 的增大而增加。但是，由於電機磁路鐵心有飽和現象，所以兩者不成正比。反映空載電動勢 與勵磁電流 關係的曲線稱為同步發電機的空載特性。

當發電機接上對稱負載后，電樞繞組中的三相電流會產生另一個旋轉磁場，稱電樞反應磁場。其轉速正好與轉子的轉速相等，兩者同步旋轉。

主要指外特性和調整特性。外特性是當轉速為額定值、勵磁電流和負載功率因數為常數時，發電機端電壓U與負載電流I之間的關係，如圖2所示。調整特性是轉速和端電壓為額定值、負載功率因數為常數時，勵磁電流If與負載電流I之間的關係，如圖3所示。圖2中還顯示出電阻性、電容性和電感性3種負載的情況。由於電樞反應磁場影響的不同，三者的曲線也不一樣。在外特性中，從空載到額定負載時電壓的變化程度稱為電壓變化率△U，常用百分數表示。

同步發電機的電壓變化率約為20～40%。一般工業和家用負載都要求電壓保持基本不變。為此，隨著負載電流的增大，必須相應地調整勵磁電流。圖3所示為 3種不同性質負載下的調整特性。雖然調整特性的變化趨勢與外特性正好相反，對於感性和純電阻性負載，它是上升的，而在容性負載下，一般是下降的。

在同步發電機的銘牌上，規定了同步發電機的主要技術數據和運行方式。這些數據，就是同步發電機的額定值，在使用中，應當嚴格遵守。

同步電機的額定值主要有：

（1）額定容量SN（或額定功率PN）。對同步發電機來說，額定容量SN是是之處線端輸出的額定視在功率，一般以KVA（千伏安）或MVA（兆伏安）為單位；額定功率PN是指發電機輸出的額定有功功率，也就是說，在額定運行時（額定頻率、電壓、電流、功率因數），同步發電機所能發出的最大的有功功率。一般以KW（千瓦）或MW（兆瓦，即百萬瓦）為單位。對同步發電機，通過額定容量（SN）可以確定額定電流，通過額定功率（PN）可以確定配套的原動機的容量

（2）額定電壓UN：是指額定運行時發電機三相定子繞組的三相電壓值，單位為V(伏)或kV(千伏)。同步發電機在此值運行，繞組的升溫不會超過允許的範圍。同步發電機一般接成Y連接，同步電動機有Y連接或△連接。

（3）額定電流In：是指發電機在額定運行時，流過定子繞組的電流，單位為A（安）。

（4）額定效率ηN:是指電機在額定的運行時的效率。它是指發電機有功輸出功率和額有功輸入功率之比（%）。有功輸出功率等於輸入功率減去發電機總消耗。

（5）額定功率因數cosΦN：是指在額定運行情況下，發電機組的有功功率和額定容量的比值，即額定運行時，發電機組每個相定子電壓與電流之間的相位差的余值。 （cosΦN=PN/SN）一般發電機組的cosΦN=0.8

（6）額定頻率fn:是指額定運行情況下，交流電的頻率，單位為Hz（赫茲）。我國規定使用交流電的頻率為50Hz.

（7）額定轉速nN:是指發電機在額定運行時，每分鐘的轉速數，單位為r/min（轉/分）

（8）額定勵磁電壓UfN：是指發電機在運行時，所需要的勵磁電壓，單位為V（伏）

（9）額定勵磁電流IfN:是指發電機在額定運行時。流過勵磁繞組的電流，單位為A（安）

同步發電機的結構按其轉速分為高速和低（中）速兩種。

前者多用於火電廠和核電站；後者多與低速水輪機或柴油機聯動。在結構上，高速同步發電機多用隱極式轉子，低（中）速同步發電機多用凸極式轉子。

（1）主磁場的建立：勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的勵磁磁場，即建立起主磁場。

（2）載流導體：三相對稱的電樞繞組充當功率繞組，成為感應電勢或者感應電流的載體。

（3）切割運動：原動機拖動轉子旋轉（給電機輸入機械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉並順次切割定子各相繞組（相當於繞組的導體反向切割勵磁磁場）。

（4）交變電勢的產生：由於電樞繞組與主磁場之間的相對切割運動，電樞繞組中將會感應出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。

（5）感應電勢 有效值：每相感應電勢的有效值.

（6）感應電勢頻率：感應電勢的頻率決定於同步電機的轉速n 和極對數p。

（7）交變性與對稱性：由於旋轉磁場極性相間，使得感應電勢的極性交變；由於電樞繞組的對稱性，保證了感應電勢的三相對稱性。

（8）同步轉速 從供電品質考慮，由眾多同步發電機並聯構成的交流電網的頻率應該是一個不變的值，這就要求發電機的頻率應該和電網的頻率一致。我國電網的頻率為50Hz。

發電機過熱

（1）發電機沒有按規定的技術條件運行，如定子電壓過高，鐵損增大；負荷電流過大，定子繞組銅損增大；頻率過低，使冷卻風扇轉速變慢，影響發電機散熱；功率因數太低，使轉子勵磁電流增大，造成轉子發熱。應檢查監視儀錶的指示是否正常。如不正常，要進行必要的調節和處理，使發電機按照規定的技術條件運行。

（2）發電機的三相負荷電流不平衡，過載的一相繞組會過熱；若三相電流之差超過額定電流的10%，即屬於嚴重三相電流不平衡，三相電流不平衡會產生負序磁場，從而增加損耗，引起磁極繞組及套箍等部件發熱。應調整三相負荷，使各相電流盡量保持平衡。

（3）風道被積塵堵塞，通風不良，造成發電機散熱困難。應清除風道積塵、油垢、使風道暢通無阻。

（4）進風溫度過高或進水溫度過高，冷卻器有堵塞現象。應降低進風或進水溫度清除冷卻器內的堵塞物。在故障未排除前，應限制發電機負荷，以降低發電機溫度。

（5）軸承加潤滑脂過多或過少，應按規定加潤滑脂，通常為軸承室的1/2~1/3（轉速低的取上限，轉速高的取下限），並以不超過軸承室的70%為宜。

（6）軸承磨損。若磨損不嚴重，使軸承局部過熱；若磨損嚴重，有可能使定子和轉子摩擦，造成定子和轉子避部過熱。應檢查軸承有無噪音，若發現定子和轉子摩擦，應立即停機進行檢修或更換軸承。

（7）定子鐵芯絕緣損壞，引起片間短路，造成鐵芯局部的渦流損失增加而發熱，嚴重時會使定子繞組損壞。應立即停機進行檢修。

（8）定子繞組的並聯導線斷裂，使其他導線的電流增大而發熱。應立即停機進行檢修。

發電機中性線對地有異常電壓

（1）正常情況下，由於高次諧波影響或製造工藝等原因造成各磁極下的氣隙不均、磁勢不等而出現的很低電壓，若電壓在一至數伏，不會有危險，不必處理。

（2）發電機繞組有短路或對地絕緣不良，導致電設備及發電機性能變壞，容易發熱，應及時檢修，以免事故擴大。

（3）空載時中性線對地無電壓，而有負荷時出現電壓，是由於三相不平衡引起的，應調整三相負荷使其基本平衡。

電流過大

（1）負荷過大，應減輕負荷

（2）輸電線路發生相間短路或接地故障，應對線路進行檢修，故障排除后即可恢復正常。

電壓過高

（1）與電網並列的發電機電網電壓過高，應降低並列的發電機的電壓。

（2）勵磁裝置的故障引起過勵磁，應及時檢修勵磁裝置。

功率不足

由於勵磁裝置電壓源復勵補償不足，不能提供電樞反應所需的勵磁電流，使發電機端電壓低於電網電壓，送不出額定無功功率，應採取下列措施：

（1）在發電機與勵磁電抗器之間接入一台三相調壓器，以提高發電機端電壓，使勵磁裝置的磁勢逐漸增大。

（2）改變勵磁裝置電壓磁通勢與發電機端電壓的相位，使合成總磁通勢增大，可在電抗器每相繞組兩端並聯數千歐、10W的電阻。

（3）減小變阻器的阻值，使發電機的勵磁電流增大。

定子繞組絕緣擊穿、短路

（1）定子繞組受潮。對於長期停用或經較長時間檢修的發電機、投入運行前應測量絕緣電阻，不合格者不準投入運行。受潮發電機要進行烘乾處理。

（2）繞組本身缺陷或檢修工藝不當，造成繞組絕緣擊穿或機械損傷。應按規定的絕緣等級選擇絕緣材料，嵌裝繞組及浸漆乾燥等要嚴格按工藝要求進行。

（3）繞組過熱。絕緣過熱後會使絕緣性能降低，有時在高溫下會很快造成絕緣擊穿。應加強日常的巡視檢查，防止發電機各部分發生過熱而損壞繞組絕緣。

（4）絕緣老化。一般發電機運行15~20年以上，其繞組絕緣老化，電氣性能變化，甚至使絕緣擊穿。要做好發電機的檢修及預防性試驗，若發現絕緣不合格，應及時更換有缺陷的繞組絕緣或更換繞組，以延長發電機的使用壽命。

（5）發電機內部進入金屬異物，在檢修發電機后切勿將金屬物件、零件或工具遺落到定子膛中；綁緊轉子的綁紮線、緊固端部零件，以不致發生由於離心力作用而鬆脫。

（6）過大電壓擊穿：1）線路遭受雷擊，而防雷保護不完善。應完善防雷保護設施。2）誤操作，如在空載時，將發電機電壓升得過高。應嚴格按操作規程對發電機進行升壓，防止誤操作。3）發電機內部過電壓，包括操作過電壓、弧光接地過電壓和諧振過電壓等，應加強繞組絕緣預防性試驗，及時發現和消除定子繞組絕緣中存在的缺陷。

定子鐵芯鬆弛

由於製造裝配不當，鐵芯沒有緊固好。如果是整個鐵芯鬆弛，對於小型發電機，可用兩塊小於定子繞組端部內徑的鐵板，穿上雙頭螺栓，收緊鐵芯。待恢復原形后，再將鐵芯原來夾緊螺栓緊因。如果局部性鐵芯鬆弛，可先在鬆弛片間塗刷硅鋼片漆，再在鬆弛部分打入硬質絕緣材料即可。

鐵晶元間短路

（1）鐵芯疊片鬆弛，當發電機運轉時鐵芯產生振動而損壞絕緣；鐵晶元個別地方絕緣受損傷或鐵芯局部過熱，使絕緣老化，就按原計劃條中的方法進行處理。

（2）鐵晶元邊緣有毛刺或檢修時受機械損傷。應用細銼刀除去毛刺，修整損傷處，清潔表面，再塗上一層硅鋼片漆。

（3）有焊錫或銅粒短接鐵芯，應刮除或鑿除金屬熔接焊點，處理好表面。

（4）繞組發生弧光短路，也可能造成鐵芯短路，應將燒損部分用鑿子清除后，處理好表面。

發電機失去剩磁，起動時不能發電

（1）停機后經常失去剩磁，是由於勵磁機磁極所用的材料接近軟鋼，剩磁較少。當停機后勵磁繞組沒有電流時磁場就消失，應備有蓄電池，在發電前先進行充磁。

（2）發電機的磁極失去磁性，應在繞組中通入比額定電流大的直流電流（時間很短）進行充磁，即能恢復足夠的剩磁。

自動勵磁裝置的勵磁電抗器溫度過高

（1）電抗器線圈局部短路，應檢修電抗器。

（2）電抗器磁路的氣隙過大，應調整磁路氣隙。

發電機起動后，電壓升不起來

（1）勵磁迴路斷線，使電壓升不起來。應檢查勵磁迴路有無斷線，接觸是否良好。

（2）剩磁消失，如果勵磁機電壓表無指示說明剩磁消失，應對勵磁機充磁。

（3）勵磁機的磁場線圈極性接反，應將它的正、負連接線對換。

（4）在發電機檢修中做某些試驗時誤把磁場線圈通以反向直流電，導致剩磁消失或反向，應重新進行充磁。

發電機振蕩失步

正常情況下，發電機發出的功率是和負荷功率相平衡的。當系統發生短路故障或發電機大幅度甩負荷時，發電機的功率就與用戶的負荷不相平衡。要想調整負荷使其平衡，由於轉子慣性和調速器延時需要一個過程，在此期間，發電機的穩定運行將被破壞，使發電機產生振蕩。如果事故嚴重，甚至會使發電機與系統失去同步。發電機振蕩失步時，值班人員應通過增加勵磁電流來創造恢復同步的條件；也可適當調整該機的負荷，以幫助恢復同步。

發電機振動

（1）轉子不圓或平衡未調整好，應嚴格製造和安裝質量或重新調整轉子的平衡。

（2）轉軸彎曲，可採用研磨法、加熱法及錘擊法等校正轉軸。

（3）聯軸節連接不正，應重新高速聯軸節配合螺栓的夾緊力，必要時聯軸節端面需重新加工。

（4）結構部件共振，可通過改變結構部件的支持方法來改變它固有的頻率。

（5）勵磁繞組層間短路，應檢修勵磁繞組，並進行絕緣處理。

（6）供油量或油壓不足，應加大噴嘴直徑升高油壓；加大供油口減小間隙。

（7）供油量過大或油壓過高，就減小噴嘴直徑，降低油壓，提高面積壓力，增大間隙。

（8）定子鐵芯裝配鬆動，應重新裝壓鐵芯。

（9）軸承密封過緊，使轉軸局部過熱、彎曲。應檢查和調整軸承密封，使其與軸有適當配合間隙。

（10）發電機通風系統不對稱，應注意定子鐵芯兩端擋風板及轉子支架擋風板結構布置和尺寸的選擇，使風路系統對稱，增強蓋板、擋風板的剛度並緊固牢靠。

同步發電機的外特性一般指在內電勢不變的情況下，負載電流變化時，發電機機端電壓變化的曲線，主要是測試發電機的縱軸同步電抗，也就是發電機的內阻抗，是同步發電機帶負載能力的重要指標。但同步發電機多採用可控硅快速勵磁和阻尼繞組，其縱軸同步電抗多為暫態值，遠遠小於穩態值。此外由於勵磁系統的調節作用，外特性是可以人工製造出來，可以是正的或負的，正的外特性就是機端電壓隨負載電流增長而降低，負的就是機端電壓隨負載電流增長而提高，一般勵磁系統都可以在正負15%的範圍內調節。

絕緣配合：電氣一次系統的電壓防護水平，在發生雷擊、操作過電壓的情況下，常規的變壓器、發電機、線路的絕緣水平是不足以對抗的，需要避雷器、電容等的元件進行保護，避雷器動作值、動作時延和主設備的元件絕緣耐壓能力尤其是衝擊耐壓能力之間的配合，就稱為絕緣配合，要求是避雷器必須趕在主設備絕緣破壞之前動作，在有多個絕緣水平不等的元件時，還必須為不同的元件配備不同的絕緣保護元件，這些保護元件的配合也是個大問題。