第3章　发电机与电机

3.1　发电机

3-1　同步发电机的工作原理是什么？

同步发电机是根据电磁感应原理工作的。它通过转子磁场和定子绕组间的相对运动，将转子轴上的机械能转化为定子绕组中的电能。

电磁感应原理指出：当导体在磁场中作切割磁力线的运动时，导体中就会产生感应电动势。感应电势的方向由右手定则确定，感应电势的大小与磁场强弱、导体切割磁力线部分的长度以及切割速度均成正比。现以图3-1说明二极同步发电机的工作原理。

图中1为定子，在定子槽中嵌入导体。3、4为一匝线圈的两个有效边。2为转子，上面绕有线圈，通入直流电后产生磁场。根据右手螺旋定则可以判定磁场方向，即确定出N、S极来。

当转子在外力带动下按图示方向以速度n旋转时，转子磁场和定子导体3、4就有了相对运动，即导体切割了磁力线，切割方向与转子转动方向相反。此时，在导体3、4中便产生了感应电势，根据右手定则可判定感应电势的方向如图3-1（a）所示。由于图中所示转子磁极的最强磁场在定子导体处，因此，此时定子导体中的感应电势为最大。当磁极转过90°后，此时导体3、4处于磁场为零处，导体中没有感应电势产生。当磁极由图中位置转过180°后，导体3处于S极下，导体4处于N极下，此时，导体3、4中的感应电势最大，但方向与初始的相反。当转子由图中位置转过270°后，此时导体3、4又处于磁场为零处，导体中没有感应电势产生。当转子由图中位置转过360°后，与起始情况又一样，回到最大值，以后再转就是前述情形的重复。在转子转过一周时，定子线圈的感应电势也正、负变化了一周，如图3-1（b）所示。若转子连续匀速转动，在定子线圈上就感应出一个周期性不断变化的交流电势，这就是同步发电机的工作原理。

3-2　同步发电机感应电势的频率与哪些因素有关？同步是什么意思？

　　所谓频率就是交流电每秒钟从正到负的变化次数，用f表示，单位为赫兹（Hz）。它是交流电的一个重要参数。同步发电机一对磁极的转子磁场在空间旋转一圈时，定子线圈中的感应电势交变一次。若转子具有p对磁极，则转子旋转一圈，定子线圈的感应电势就交变p次。如果转子每秒钟转一圈，则一对磁极时定子线圈的感应电势的频率为1Hz；p对磁极时定子线圈的感应电势的频率为p赫兹。设转子每分转n转，则每秒转n/60转，p对极时定子中的感应电势的频率如下式所示

　　　（3-1）

式中　n——发电机转子转速，r/min；

      p——磁极对数。

从上式可知，同步发电机感应电势的频率与发电机的转速以及转子磁极对数有一个确定的关系。当发电机发出的交流电频率为50Hz时，若转子为一对磁极，由式（3-1）可知发电机的转速为3000r/min；转子为两对磁极时，其转速为1500r/min。

从电工学可知，三相交流电产生的合成磁场是一旋转磁场，其转速n₁决定于电流频率f及定子绕组的极对数p₁，它们之间的关系为

　　　（3-2）

在布置同步发电机的定子绕组时，总是使它所产生的旋转磁场的磁极对数p₁等于转子磁极对数p。所以，不论在何种频率下，转子转速n必然等于定子旋转磁场的转速n₁，即两者是同步的。如果这二者不同步，则在定子中就没有感应电势产生。因此，定、转子的极对数，转速和频率之间有着严格不变的关系，这在电机术语中就称为“同步”。

3-3　发电机有哪些额定参数？

同步发电机的主要额定参数如下。

（1）额定功率P_e　指发电机在额定条件下运行时连续输出的最大电功率，单位是千瓦或兆瓦。国产同步发电机的功率系列为3000、6000、12000、25000、50000、100000、125000、200000、300000、600000、1000000（kW）等。

（2）额定电压U_e　发电机在正常运行时定子绕组的标称线电压，单位为伏或千伏。通常有6.3、10.5、13.8（kV）等，某些大型发电机也有18、20（kV）的。

（3）额定电流I_e　发电机在额定条件下运行时，流过定子绕组的标称线电流，单位是安或千安。

（4）额定转速n_e　转子正常运行时的转速，单位是转/分钟。目前生产的汽轮发电机的转速均为3000r/min。

（5）额定频率f_e　我国规定为50Hz。

（6）额定效率η_e　发电机在额定状态下运行时的效率。发电机的容量越大，效率越高。一般在93%～98%，某些大型机组可达98%以上。

（7）额定温升　运行中发电机的定子绕组和转子绕组允许比环境温度升高的度数。我国规定环境温度以40℃计算。

（8）额定功率因数cosφ_e　额定功率下，额定电压与额定电流之间相位差的余弦值。一般发电机的cosφ_e=0.8。

3-4　汽轮发电机的定子结构如何？

汽轮发电机的定子由定子铁芯、定子绕组、机座和端盖（包括通风冷却需要的风道和风室）等部件组成。

定子铁芯是构成发电机磁路的重要部分，一般用0.5mm厚的冷轧硅钢片叠成。当定子铁芯外径小于1m时，可用整圆的硅钢片叠成；当外径大于1m时，是先将硅钢片冲成扇形，然后在叠装时拼成圆形。为了在定子铁芯上嵌放定子绕组，需在定子铁芯的内圆上开槽，槽形一般为开口槽。采用开口槽时气隙磁通脉动较大，但嵌线比较容易，可以简化绕组下线工艺并保证绕组的绝缘质量。

定子铁芯的硅钢片之间用绝缘漆作绝缘层，以减少铁芯的涡流损耗。

定子绕组是同步发电机中进行能量转换和传递的主要部件。大型电机多采用棒形绕组。棒形绕组的每个单件称线棒。由于定子绕组通过的电流较大，为了减少集肤效应所造成的附加损耗，一般线棒不采用大截面的整根铜条，而采用多根细铜条按一定的换位方式并联而成。

机座是支撑定子铁芯和绕组的部件，它不但承担发电机的重量，而且要承受正常运行和短路故障时的各种力矩作用，所以机座要有足够的强度和刚度。一般常用钢板焊接而成，并与外壳和护板构成仅和风室沟通的密封系统，以作通风冷却之用。

端盖的作用是保护定子绕组的端部，它用螺钉固定在机座上。端盖一般做成两半，中间用螺栓连接。

3-5　定子绕组有哪几种基本形式？

定子绕组按照匝数分，可分为单匝式和多匝式，即定子绕组的每一个线圈可以是一匝或多匝。一般大中型发电机多采用单匝式绕组。

按线圈在定子槽中的布置方式，可分为单层绕组和双层绕组。单层绕组在每一个定子槽中只有一个线圈边，而双层绕组在每一个定子槽中有两个线圈边。目前制造的发电机均采用双层绕组。

按定子绕组的端部连接形式，可分为同心式绕组、叠绕组和波绕组，分别如图3-2～图3-4所示。同心式绕组由于端部较长，增加了耗铜量，而且电磁性能不好，目前大中型电机已不采用。叠绕组分为单叠绕组和双叠绕组。合成节距y_h=1称单叠绕组，y_h=2称双叠绕组。一般汽轮发电机都采用单叠绕组。波绕组由于能够减少极间连线，对于绕组截面较大、极数较多的发电机有着明显的优点，一般水轮发电机都采用双层波绕组。

另外，按线圈结构形状还可分为盘式线圈和篮式线圈。

3-6　定子三相绕组有几种接法？

定子每相绕组由若干线圈组成，这些线圈可以串联连接，构成单回路绕组，也可以分成几路并联起来，组成多回路绕组。

三相绕组的接法有两种，即星形接法和三角形接法。星形接法是将三相绕组的始端A、B、C和末端X、Y、Z都引到电机外面，并把始端A、B、C作为发电机的输出端，接至输出母线，而将末端接在一起，构成中性点，用字母“O”表示。三角形接法是将一相绕组的末端和另一相绕组的始端依次相连，构成一个闭合回路，然后从每相绕组的始端引出三条端线，作为A、B、C三相的输出端。一般情况下发电机采用星形接法。

3-7　汽轮发电机的转子结构如何？

汽轮发电机的转子是由铁芯、护环、中心环、励磁绕组、滑环（无刷励磁发电机为旋转硅、交流发电机绕组、副励磁机永久磁极）、风扇等组成。

大容量的汽轮发电机，其转子的圆周线速度很高，最大可达170m/s，在这样高的圆周速度作用下，转子部件将受到很大的离心力作用。因此，对转子的材料要求很高。一般转子铁芯都是由整块的具有良好导磁性能的高强度合金钢（如铬镍钼合金钢）与轴锻成一个整体，并且把转子磁极做成隐极式。

由于发电机转速很高，转子的最大直径主要受机械应力的限制，故转子的直径不能太大，只能通过适当增加转子长度来提高发电机的容量。因此，转子的形状是一个细长的圆柱体，其长度一般为直径的2～6倍。

汽轮发电机的转子铁芯有整块式和组合式两种。整块式是经过复杂的热处理和机械处理的整块合金钢锻件。为了检查锻件中心部分有无缺陷及消除冶炼过程中的内应力，通常沿着轴向在全部长度上钻一个中心孔。组合式转子是采用机械配合的方式由几个小锻件组合而成，这种构造可以减轻大型转子的冶炼工作，但制造复杂，装配较为困难，而且降低了机械上的可靠性。所以目前的汽轮发电机转子多采用整块式转子。

转子圆周表面用铣床开出轴向平行槽及径向槽，转子的励磁绕组就分布在这些槽中。励磁绕组由扁铜线绕成的同心式线圈组成，绕组与铁芯间垫有绝缘，各匝间也垫有绝缘。励磁绕组通过滑环和电刷与直流电源接通，对无刷励磁发电机，则是直接连接于旋转励磁整流盘上的旋转硅的输出端。励磁绕组用足够强度的槽楔紧压在槽内，通常槽楔的中央部分用硬质铝制成，而槽口两端则用铝青铜制成，中、小型发电机的槽口楔也可用碳钢或镍钢制成。

励磁绕组两端的外面套的钢环称护环。它的作用是承受励磁绕组端部在转子高速旋转时所产生的离心力，以保护绕组端部。护环用无磁性的锰铬合金钢锻成。

支持护环的圆盘形部件称中心环。它的作用是阻止励磁绕组线圈端部沿轴向移动，其材料一般用磁性钢制成。

风扇的作用是加强励磁绕组的冷却。风扇有两种形式：一种是后弯式的离心风扇；另一种是螺旋桨式的轴流式风扇。

3-8　汽轮发电机的冷却介质有哪些？有何特点？

汽轮发电机的冷却介质一般有四种，即空气、氢气、油和水。

空气是一般中小型汽轮发电机的常用冷却介质。空气的冷却性能较差，空气在高速流动时（每秒达数十米），由于摩擦会产生很大的通风损耗，一般约占发电机总损耗的40%左右。因此，随着发电机单机容量的不断增大，用空气作为冷却介质，已经很难满足要求。氢气比空气轻十几倍，其导热性能比空气大6倍多，流动性能也比空气好。采用氢气作为冷却介质，其通风损耗仅是空气冷却的1/7左右，而转子绕组的温升可降低一半，因此使发电机的容量可以提高25%～30%。但采用氢气冷却要求电机的密封性很严，其机壳要有足够的强度。以免氢气外泄，防止氢气和氧气结合引起爆炸。一般地，对于25000kW以上的汽轮发电机采用氢冷却在经济上较为合理。

油和水的比热容和导热系数比氢气更大，它们的冷却效果更好。采用水内冷和油内冷使铜线与水和油直接接触，发电机的容量可提高2～4倍。

3-9　同步发电机的定子电动势是怎样产生的？怎样决定它的大小？

　　从同步发电机的工作原理可知，同步发电机的转子由原动机（例如汽轮机）带动，以同步转速n₁旋转，当转子励磁绕组通以直流电流之后就会产生固定磁极与转子一起旋转，转子磁极旋转时，使定子绕组被此旋转磁极产生的磁场切割，因而定子绕组中就产生了感应电动势。定子每相绕组产生感应电动势的大小由下式决定

E_ϕ=4.44KfWΦ　　　（3-3）

式中　E_ϕ——定子每相绕组感应电动势的有效值，V；

      K——绕组分布系数；

      f——感应电动势的频率，Hz；

      W——定子每相绕组的总匝数；

      Φ——发电机气隙中每极磁通量，Wb。

定子电动势瞬时值与有效值的关系为

　　　（3-4）

由于定子三相绕组在360°是对称分布的，每相所占空间为120°，故三相绕组的感应电动势分别为

　　　（3-5）

　　　（3-6）

　　　（3-7）

3-10　什么是高次谐波？为什么同步发电机的定子电动势中含有高次谐波？

　　将两个或两个以上的频率成整倍数关系的正弦波叠加起来（每个瞬间的瞬时值逐点相加），就得到一个周期性的非正弦波，图3-5是三个不同频率的正弦波（1次、3次、5次）叠加的示意图。反之，一个周期性的非正弦波可以分解为与本身频率相同的基波分量，以及频率是基波频率3倍的3次谐波和5倍基波频率的5次谐波等，把除基波以外的其他谐波分量，称作高次谐波。

由于铁芯磁饱和的影响，使同步发电机的磁场在最大值处比理想状态要小，磁场曲线在最大值处略带平坦。同时，转子磁极形状和定子铁芯内圆开槽也造成气隙不均匀。这些因素的存在使气隙磁场不再按正弦波曲线分布而变成一个阶梯形波，此气隙磁场在定子绕组中产生的感应电势的波形也是一个阶梯形波。此波除了正弦基波外，还会有许多高次谐波，其中三次谐波因其幅值大而影响最大。

感应电动势中高次谐波的存在，不仅使电动势的波形变坏，而且谐波电动势在发电机中将引起额外的附加损耗。因此，要设法消除或削弱电动势中的高次谐波。

3-11　为什么发电机的定子绕组一般都接成星形而不接成三角形？

　　在同步发电机定子感应电动势的高次谐波中，三次谐波电势的幅值最大，影响也最大。由于三次谐波的频率是基波频率的3倍，而三相基波电势互相有120°的相位差，所以三相绕组中三次谐波电势的相位差是基波的3倍，相互之间应是360°的相位差。因360°又回到原位，故三相三次谐波的起点是相同的，也即它们是同相位的。

当三相定子绕组接成星形时，它的线电压和相电压之间的关系如下所示

　　　（3-8）

　　　（3-9）

　　　（3-10）

由于三次谐波同相位，所以线、相电压中三次谐波的关系为

　　　（3-11）

　　　（3-12）

　　　（3-13）

由此可见，当发电机定子绕组接成星形时，在线电压中不存在三次谐波。

又由于三相的三次谐波电流同相位，均指向或背向中性点，电流构不成通路，所以在星形接法中也不存在三次谐波电流。

如发电机定子绕组采用三角形接法，则在三角形的闭合回路中，总电势是三相电势的总和。由于基波电势彼此相差120°，所以在闭合回路中，基波电势的总和等于零。闭合回路中没有基波电势产生的电流。但是对于三次谐波，由于各相之间同相位，闭合回路中的三次谐波总电势等于一相三次谐波电势的3倍，这一谐波电势会在三相定子绕组中产生较大的循环电流，从而引起附加损耗使电机发热。因此，虽然在三角形接法的线电压中也不存在三次谐波成分（这是因为三次谐波电势全部用于平衡漏抗压降，故在端电压中无输出），但是由于上述原因，一般发电机均采用星形接法而不用三角形接法。

3-12　同步发电机有几种励磁方式？对励磁系统有哪些基本要求？

发电机转子主磁极磁场是由励磁电流通过励磁绕组产生的，这个电流是直流，由励磁机或其他外部电源供给。向转子励磁绕组供给励磁电流的整套装置叫做励磁系统。每台发电机都有自己的一套励磁系统，正常运行时，由它供给励磁电流。同时，为了使发电机能够连续工作，还应有备用励磁系统，以便在正常的励磁系统发生故障时，由备用励磁系统自动投入，不间断地供给发电机励磁电流。

同步发电机的励磁系统主要有两大类，即自励和他励。自励是从发电机的输出端引入电源并经整流供给励磁绕组，要求发电机在初运行时转子要有剩磁。他励又分为静止整流器、无刷旋转整流器和直流发电机这三种，前二者是用与同步发电机同轴的交流发电机经整流而得励磁电流，后者是直接用与同步发电机同轴的直流发电机为励磁绕组提供直流电源。

对励磁系统有以下要求。

（1）励磁系统要有很高的可靠性和稳定性，并且不受外部电网的影响。

（2）按主机负载情况自动调节励磁电流，使发电机的端电压保持在额定电压，并且输出一定的无功功率。

（3）反应速度要快，即要有好的动态特性。

（4）当发电机突然没有负载时要对主机强行减磁。

（5）当电网电压突然因故障降低时，要能对主机进行强行励磁，以维持电网电压在一个较高水平。

（6）当发电机发生内部故障时要能快速灭磁，以便最大限度缩小故障范围。

3-13　用直流发电机励磁的励磁系统如何工作？

同步发电机的直流励磁发电机一般与同步发电机的主轴同轴，其工作原理如图3-6所示。

励磁系统工作原理如下：改变磁场变阻器R_e的阻值，可以调节励磁机的磁场电流。当R_e增大时，励磁机的励磁电流减小，从而使励磁机的输出电压减小，此时发电机的励磁电流随着减小。当R_e减小时，发电机的励磁电流随着增大。

接通和断开励磁回路是通过灭磁开关完成的，它与发电机继电保护系统相接，能够遥控分、合闸。当发电机因故障或停机需断开励磁回路时，灭磁开关主、副触点使转子绕组和励磁机磁场线圈先与转子放电电阻和磁场放电电阻接通，而后再使转子与励磁机的输出断开。这样可使发电机迅速灭磁，并防止在转子绕组和励磁机磁场线圈内产生过电压。

当发电机或系统发生短路需要强行励磁时，强励继电器动作，通过其常开接点QLC使磁场变阻器一部分短接，从而迅速增加励磁机的输出电压，达到对发电机转子进行强励的要求。

3-14　自励式半导体励磁系统的工作原理如何？

自励式半导体励磁系统的励磁电源直接从发电机的输出端取得，其原理接线如图3-7所示。

该整流方式通过两套整流装置向发电机转子供给励磁电流。一套是利用发电机的输出电压通过整流变压器向晶闸管整流器供电。另一套是利用发电机的输出电流经复励变流器向硅整流器供电。两套装置共同向发电机的励磁绕组提供励磁电流。当发电机空载时，由于输出电流等于零，所以复励部分不工作，此时只有晶闸管整流装置供给励磁电流。当发电机负载运行时，两套装置均供给励磁电流。

复励部分供给的励磁电流与负载的电流大小成比例，所以复励部分可以起自动调压的作用。但自动调压作用主要还是通过自动电压调整器，根据发电机电压和电流的变化来自动改变晶闸管的控制角，从而改变晶闸管的输出电压来达到改变励磁电流来实现。

3-15　无刷励磁系统的工作原理如何？

无刷励磁系统因为硅整流器安装于转子轴上并且运行时与轴一起旋转，因此也叫旋转硅励磁。其原理接线如图3-8所示。

该励磁方式具有两台励磁发电机，称为主励磁机与副励磁机，主发电机的转子电源由主励磁发电机的转子输出的三相交流电经安装于主轴上的旋转硅整流器整流后供给。副励磁发电机的转子为永久磁铁做成的磁极并与主发电机同轴，副励磁发电机的定子输出电压输入自动电压调整器，自动电压调整器输出电压控制主励磁发电机的定子励磁绕组，使主励磁发电机的转子有电压输出。通过调节主励磁机定子励磁电压的大小即可调节发电机的输出端电压大小。

3-16　直流发电机励磁、静止半导体励磁和旋转硅励磁各有何特点？

　　采用直流发电机励磁，由于励磁机的运行只与发电机的原动机有关，它与外部电网没有联系，所以外部电网的故障不会影响励磁机的正常运行。因此，这种励磁方式简单可靠，设备投资及运行费用都比较少，这是它的优点。但是，由于大容量的发电机励磁电流大、转速高，这就给励磁发电机整流子的制造及运行中消灭火花带来许多困难，而且直流发电机的维修工作量很大，检修励磁机时又必须停机，所以目前许多大型发电机都采用静止半导体励磁方式。

静止半导体励磁系统具有体积小、重量轻、励磁容量大及维护方便等优点，而且这种励磁方式反应快、调节方便。当系统发生故障而使电压降低时，调节励磁电流和恢复电压的速度很快。它的缺点是由于其电源与电网相连，受系统的影响很大，而且其控制调节系统也很复杂。

旋转硅励磁是由同轴的交流发电机经安装于同一转轴上的整流盘整流后供励磁绕组直流电源，因均安装于同一轴上，不需要用炭刷、集电环将电源引入励磁绕组，所以也叫无刷励磁。它具有直流发电机励磁与静止半导体励磁的优点，而且没有炭刷、整流子、集电环，因此，维护更加方便。缺点是旋转硅的可靠性不是特别高，但随着电子产品制造技术的发展，其可靠性已越来越高。

3-17　同步发电机并联运行有何优点？

由两台或多台发电机并联在一起，共同向负载供电，叫做发电机的并联运行。并联运行有以下优点。

（1）提高供电的可靠性　在电力系统中，如果一台发电机因故障或停机检修时，它的负载可由其他发电机带动。这样可避免停电事故，提高供电可靠性。

（2）经济合理地利用资源　在水电厂和火电厂并联运行的系统中，可以按季节的动力资源情况合理地安排运行机组。例如，在夏季丰水期，可以让水电厂多发电。而在冬季枯水期，则可使火电厂多发电。这样可以互相调剂余缺，以便经济合理地利用动力资源。

（3）提高电能质量　当系统容量很大时，发电机的投入和退出，以及外界负载的变动等因素对系统电压和频率的影响较小，系统的容量愈大，它的电压和频率愈接近恒定，所以能大大地提高电能质量。

（4）提高电网运行的经济性　发电机并联运行后可以根据各电厂的发电效率来合理进行调度，让效率高的机组多发电，而减小低效率机组的负荷，提高整个电网的运行效率。

3-18　同步发电机投入并列的条件是什么？

发电机投入并联运行的整个过程叫做并列。将一台空载运行的发电机与电网并列，应在投入合闸的瞬间，发电机不应出现有害的冲击电流，转轴不应受到突然的冲击，合闸后，转子应能很快地被拉入同步（即转子转速等于额定转速），为此，同步发电机并列必须具备以下条件。

（1）发电机电压的有效值应等于电网电压的有效值，且波形必须相同。

（2）发电机电压的相位和电网电压的相位相同。

（3）发电机的频率和电网频率相等。

（4）发电机电压的相序和电网电压的相序一致。

3-19　发电机并列时，如果电压有效值与电网电压有效值不等，会出现什么现象？

　　图3-9所示是一台发电机与电网并列之前的示意图。当发电机与电网的频率相等、电压同相位，但电压有效值不等时，根据基尔霍夫第二定律，将在开关K的两个触头之间出现一个电压差ΔU。

ΔU=U-U_F　　　（3-14）

式中　U——电网电压；

      U_F——发电机端电压。

已知U与U_F的波形如图3-10（a）所示，用逐点相减的方法，可得出差电压ΔU的波形图。图3-10（b）是差电压Δ=-的相量图。

由此可知，如果在这种情况下合上开关，使发电机并列，那么在差电压的作用下，就会在发电机和电网组成的闭合回路中，出现一个冲击电流。在合闸瞬间，由于发电机的定子阻抗很小，冲击电流是很大的。所以，当发电机和电网的电压有效值相差较大时，禁止发电机与电网并列。

3-20　什么叫发电机的准同期并列法？怎样进行发电机的准同期并列？

　　准同期就是准确同期。用准同期法进行并列操作，发电机与系统必须是电压相等、频率相同以及相位一致。这些参数可以通过装在同期盘上的两块电压表、两块频率表以及同期表和非同期指示灯来监视。并列操作步骤如下。

合上同期开关，调节待并发电机的转速，使它等于或接近同步转速（与系统的频率相差在半个周波以内）。调节待并发电机的电压，使其与系统电压接近。然后合上同期表切换开关，此时同期表开始旋转，同期灯也时亮时暗。当待并发电机与系统的相位相同时，同期表指针指向上方正中位置，同期灯最暗；当待并发电机与系统相位相差最大时，同期表指针指向下方正中位置，此时同期灯最亮。当同期表指针顺时针方向旋转时，说明待并发电机频率比系统高，应降低发电机的转速，反之，当同期表的指针逆时针方向旋转时，应增加待并发电机的转速。当同期指针顺时针方向缓慢旋转，指针接近同步点时，即刻将断路器合闸，使发电机和系统并列，并随即增加发电机的励磁电流和负荷，然后再切断同期表开关和同期开关。

3-21　什么是发电机的自同期并列法？准同期和自同期并列各有哪些优缺点？

　　自同期并列就是在发电机没有加励磁的情况下，当发电机接近额定转速（相差在±2%范围以内）时，就合上发电机的主断路器，然后再合上灭磁开关加上励磁。利用发电机的自整步作用将发电机自动拉入同步。

自同期并列的优点是操作简单，不需要复杂的并列装置，可以防止非同期并列的危险，在故障情况下，可以很快将发电机与系统并列。它的缺点是合闸时，发电机将受到一个大电流的冲击，并从电网吸收较多的感性无功功率，使电网电压暂时降低。当合闸冲击电流不超过额定电流的3.5倍时，可以采用自同期并列。

准同期并列的主要优点是能使待并发电机和系统都不受或仅受微小的冲击。它的缺点是，由于手动操作，对运行人员的操作熟练程度要求较高。一般操作时间较自同期并列时间长（需几分钟到十几分钟）。

3-22　怎样进行发电机的解列与停机？

解列前应先将系统调整好。带有厂用电的机组，应先将厂用电切换出去，然后拉开供厂用电的开关。接到停机命令后，应将该机的有功和无功负荷转移到其他机组上去，当负荷降至规定的最低值时，将自动励磁调节装置及强行励磁装置停用。待汽轮机发来“准备完毕”的信号以后，将发电机的有功负荷及定子电流降到零，拉开发电机的断路器，将发电机解列。

在减小发电机无功负荷时，应注意不得使力率进相，发电机解列后，应使磁场变阻器放到最大位置。并向汽轮机发出“发电机已解列”的信号，然后拉开发电机母线刀闸，待发电机停止转动后，测量发电机的定、转子绕组的绝缘电阻。

3-23　什么是发电机的自整步作用？

同步发电机与系统并列，应该是待并发电机的频率与系统的频率相等。但在实际操作时，很难使频率完全相等。当频率有一个微小的偏差，发电机的频率略高于系统频率时，发电机的端电压将以很小的相对速度逐渐偏离电网电压，这就使发电机端电压与电网电压间产生了差电压Δ。在Δ的作用下，这时发电机内将出现一个滞后于Δ90°的电流，与的相位差很小，这说明发电机向电网输送有功功率。此时，发电机转子将受到一个制动的电磁转矩作用，使转速降低，于是发电机的频率就随着降低，与的相位差就随着减小，最终使与同相位，Δ=0。当发电机的转速达到同步转速以后，发电机与系统就保持稳定的运行。这个过程就叫做同步发电机的自整步作用。

反之，当发电机的频率略低于系统频率时，利用上述的分析方法，合闸后系统将向发电机输送有功功率，此时发电机转子受到加速转矩的作用，使转子转速上升，发电机的频率逐步接近系统频率，最后发电机电压与系统电压同相位，发电机被拉入同步。

3-24　发电机失磁后，应如何处理？

发电机失去励磁以后，将从系统吸取大量的无功功率，发电机的转速将高于同步转速，定子电流所产生的旋转磁场将在转子表面感应出频率等于转差率的交流感应电势，使转子表面产生电流而发热，造成转子表面损耗。

转子为整体式的某些发电机，转子表面损耗不大，失磁后还有可能带70%～80%的有功负荷。一般当发电机失磁后，如果能满足下列条件，即定子电流摆动的平均值不超过额定值，转子表面损耗不超过正常励磁损耗以及系统能够供给足够的无功功率，使发电机的母线电压在失磁后不低于额定电压的90%时，可允许发电机带一定数量的有功负荷无励磁运行30min，但所带有功负荷的最大值必须由试验确定。

对于允许无励磁运行的发电机，当发电机失磁以后，应立即减小发电机的负荷，使定子电流的平均值降低到允许值以下，然后检查灭磁开关是否掉闸，如掉闸应立即合上。如此时失磁现象还未消失，应将自动调节励磁装置停用，并调节磁场变阻器增加励磁电流。若还未恢复励磁，可试用备用励磁机供给励磁。如果经过这些操作以后，仍不见效，则说明发电机转子已出故障，必须在30min内停机处理。

3-25　发电机是否可以过负荷运行？对过负荷运行都有哪些规定？

发电机在正常情况下是不允许长期过负荷运行的。因为当发电机长期过负荷运行时，定、转子的温度都将升高而超过允许值，这将降低绝缘的寿命，也就是降低了发电机的寿命。所以，当发电机过负荷时，应通过限制负荷的措施，将负荷降到额定值以下。

当系统发生事故，导致系统电力不足，以及因系统运行情况突变而威胁到系统的静态稳定时，则允许发电机短时间过负荷。发电机定子允许过负荷的数值和时间如表3-1所示。

3-26　发电机的振荡失步将出现哪些现象？怎样处理？

正常情况下，发电机发出的功率是和负荷功率相平衡的。当系统发生短路故障（使发电机大幅度地甩负荷）时，发电机的出力就与用户的负荷不相平衡。要想调整负荷使其平衡，则由于转子惯性和调速器延时需要一个过程，在此期间，发电机的稳定运行将被破坏，使发电机产生振荡。如果事故严重，甚至会使发电机与系统失去同步。

当发电机振荡失步时将出现下列现象：

（1）定子电流的摆动大超出正常值，表针将激烈地撞挡；

（2）定子电压表的指针激烈摆动；

（3）有功负荷表指针在表盘整个刻度上摆动；

（4）转子电流表指针在正常值附近做激烈地摆动；

（5）发电机发出鸣叫声，且叫声的变化与仪表指针的摆动频率相对应；

（6）其他并列运行的发电机的仪表也有相应的摆动，但摆动幅度较小。

发电机振荡失步时，值班人员应通过增加励磁电流来创造恢复同步的条件，此外，值班人员还应适当地调整该机的负荷，以帮助恢复同步。

当整个电厂与系统失去同步时，该电厂的所有发电机都将发生振荡，此时值班人员除设法增加每台发电机的励磁外，在无法恢复同步的情况下，为使发电机免遭持续过电流的损害，应按规定在2min后将电厂与系统解列。

3-27　发电机在运行和检修中，为什么要做电气试验？一般试验项目有哪些？

　　发电机在运行过程中，将受到各种因素的破坏作用，如发热、电晕、过电压、化学腐蚀及各种机械力等，这些因素会使发电机的主要部件如线圈和铁芯的绝缘逐渐老化，甚至破坏。发电机的寿命正常时可达30年，但实际上由于制造及运行管理方面的缺陷，加上系统故障的影响，发电机的某些部件有可能提前损坏，从而引起发电机的故障。为了能事先掌握发电机各部件的技术特性，便于提早发现隐患，及时加以处理，避免运行中酿成大事故，必须进行电气试验。

一般发电机电气试验项目有：检修时绝缘的预防性试验（其中包括测量绝缘电阻、吸收比、直流耐压及泄漏试验、介质损耗角试验、工频交流耐压试验）；定、转子绕组直流电阻的测量、定子的铁损试验；转子交流阻抗试验；发电机运行中的试验（空载试验、短路试验、升温试验）。

励磁机的试验项目一般包括：绝缘试验、直流电阻及交流阻抗的测定、空载特性和负载特性试验、发热试验、无火花换向区域的确定等。

3-28　怎样测量发电机的绝缘电阻？

测量绝缘电阻是绝缘试验的基本方法之一。通过测量绝缘电阻，可以判断绝缘有无局部贯穿性缺陷、绝缘老化和受潮现象。如测得的绝缘电阻急剧下降，说明绝缘受潮、老化严重或有局部贯穿性缺陷。所以，通过该试验，能够初步了解绝缘的情况。

测量绝缘电阻一般用摇表（即兆欧表）进行，对摇表的要求如下。

（1）要有与被测绝缘额定电压相适应的电压等级。一般在测试发电机定子线圈绝缘电阻时，采用2500V摇表，测量转子和励磁机的绝缘电阻时，采用500～1000V摇表。

（2）要有满足吸收过程的足够容量。

测量方法：发电机端口出线与外电源隔离，并做好防止突然来电的安全措施。将发电机定子线圈相间及相对地间进行充分的放电，放电时间应不少于2min。测定完毕时也应对其进行充分的放电。测量用的导线必须有足够的绝缘水平，摇表的转动速度要达到额定值并保持住，而且转速应均匀。

绝缘电阻的数值与温度有很大关系，当线圈温度升高时，绝缘电阻下降很快，一般温度每上升10℃，其绝缘电阻就要下降一半。反之，温度每下降10℃，其绝缘电阻就要上升一倍。所以，应将所测绝缘电阻值换算到同一温度下进行比较，一般采用75℃为测量线圈绝缘电阻的标准温度。

绝缘电阻的温度换算公式如下

　　　（3-15）

式中　R_i75——温度在75℃时的绝缘电阻，MΩ；

      R_it——温度为t时所测得的绝缘电阻，MΩ；

      t——测量时的实际温度，℃。

3-29　根据绝缘电阻及吸收比的测量结果，如何判断其绝缘状况？

　　发电机的绝缘电阻和吸收比，很难用一个准确的数值来表示绝缘的好坏。所以规程中并不做硬性规定，只是采取和历次测量相比较的办法来判断绝缘状况。但也有一些经验公式可供参考。

对发电机定子线圈绝缘电阻的最低要求，可用下面的经验公式求得

　　　（3-16）

式中　R_i75——75℃时，定子线圈绝缘电阻，MΩ；

      U_e——发电机额定电压，V；

      P——发电机额定容量，kV·A。

对于吸收比的测量，由于温度的影响，气温条件应在10～40℃范围之内测量。一般规定，吸收比K不小于1.3时，即可认为发电机定子线圈没有严重受潮现象，可以不经干燥处理投入运行。

3-30　发电机为何要做直流耐压和泄漏电流试验？怎样进行？

用摇表测量绝缘电阻，由于所加直流电压不高，绝缘中的个别或局部缺陷未必能暴露出来。直流耐压和泄漏电流试验在原理上同用摇表测量绝缘电阻相同。只是直流耐压是对绝缘施加较高的直流电压，并通过一只微安表测量泄漏电流，以观察被试物的绝缘好坏。直流耐压可有效地检出定子端部的绝缘缺陷。试验接线如图3-11所示。

试验方法：接通交流电压后，调压变压器逐步升压，高压试验变压器的输出电压，经高压整流器（硅堆）整流后变成直流电压加在被试发电机的定子线圈上，记录在不同试验电压（通常为1倍、1.5倍、2倍、2.5倍额定电压）时，泄漏电流随加电压时间变化的数值（每段加压停留时间为1min），并绘制泄漏电流-时间特性曲线和泄漏电流-电压特性曲线。

在做直流耐压时，要注意放电时的安全。由于发电机定子绕组的对地电容很大，当加上很高的直流电压后，其充电电量很大，如果突然放电，将会产生很大的放电电流，容易引起高频振荡电压，对绝缘不利，对操作人员也不安全。所以，在放电时，应先通过10～20MΩ的电阻对地放电，然后再挂上接地线充分放电，放电时间应不少于5min。

本试验接线是将微安表直接接在高压端测量泄漏电流，这种接线的优点是测量读数准确，但微安表要很好的对地绝缘，而且要进行屏蔽，以免高压电场杂散电流的干扰。

3-31　怎样分析判断直流耐压和泄漏电流试验结果？

发电机定子线圈进行直流耐压试验，对于发现端部线圈的绝缘缺陷很有效。测量出的泄漏电流值，应换算到75℃时的数值与以往进行比较。其换算公式为

　　　（3-17）

式中　I₇₅——75℃时的泄漏电流值；

      I_t——当温度为t时的泄漏电流值；

      t——试验时被测物温度。

试验结果的分析判断如下。

（1）若泄漏电流随时间的增长而上升，则说明有高阻性缺陷和绝缘分层、松弛或潮气浸入绝缘内部。

（2）当电压升高到某一阶段，若泄漏电流的指示产生剧烈摆动时，表明绝缘有断裂性缺陷。该缺陷一般常发生在槽口附近或端部绝缘近地处，或出线导管有裂纹。

（3）当各相泄漏电流的差别超过30%，但充电现象还正常时，说明缺陷位置远离铁芯在端部，或由套管脏污所引起。

（4）同一相，相邻阶段泄漏电流随电压升高而不成比例上升（超过20%）时，表明绝缘受潮或脏污。

（5）无充电现象或充电现象不明显，泄漏电流增大，这表明绝缘受潮、严重脏污或有明显的贯穿性缺陷。

3-32　发电机的工频交流耐压试验有何意义？试验电压倍数如何选择？

　　工频交流耐压试验是发电机绝缘试验的主要项目。由于试验电压的波形和频率都与发电机的工作电压一致，所以试验电压作用于绝缘内部的电压分布，以及击穿性能都接近于发电机的工作状态，因此，采用工频交流耐压试验来检查发电机的绝缘状况，具有真实性强、有效性高等特点。它可以有效地检出局部缺陷，反映实际的绝缘水平。

为了暴露绝缘弱点，保证发电机能可靠地运行，起到防患于未然的效果，试验电压必须高于发电机额定工作电压。

试验电压倍数的选择，应以不低于发电机经常遭受过电压作用的水平为原则。

发电机定子绕组通常接为星形，当网络发生一相接地故障时，其他两相的对地电压升至线电压，所以，工频对地试验电压最小不能低于发电机的工作线电压。

目前，我国的大气过电压保护水平已基本能够防止对发电机的侵袭，而且发电机在出厂试验时，已经受过相当于大气过电压的工频耐压试验。所以，预防性工频耐压试验主要考虑操作过电压。

操作过电压在大多数情况下，其幅值不超过相电压的3倍（相当于1.7倍的线电压），而一般都不大于1.5倍的线电压。考虑到发电机的实际绝缘水平，全面权衡可靠性和经济性，我国规程规定采用1.5倍的额定电压和耐压时间1min作为工频耐压标准。

3-33　怎样进行工频交流耐压试验？

工频交流耐压试验原理接线如图3-12所示。

工频耐压试验应在其他绝缘试验完全合格后方可进行。如发现绝缘受潮和其他缺陷，必须加以消除，否则不能进行工频耐压试验。另外，在工频耐压试验前，还应再次测量绝缘电阻并做好记录。

一切设备和仪表接好后，先甩开被试电机，在空载的情况下试升压并调试保护球间隙。球间隙的放电电压应调整为110%～115%的额定试验电压。试升压至额定试验电压时，应持续2min后，再将电压降至零位，以考验试验回路。另外，过流保护可按被试电机在额定试验电压下的电容电流的1.5～2倍，加以整定。

待电压及过电流保护调试完毕并检查无误，各种仪表接线正确后，即可将高压引线接到被试发电机线圈上进行一相对其他两相及对地的试验。加压应从试验电压的1/3以下开始，然后逐渐地升到试验电压值。升压速度不能太快，要求由40%～100%试验电压的升压时间控制为10～15s，试验后也应以同样速度降压。升压和降压都不允许有冲击电压，即不允许先升到试验电压后再突然接到被试品上，或试验结束后在全电压情况下突然断开加压开关，以防止引起操作过电压而将设备误击穿。

在试验中，如发现电压表指针摆动很大，毫安表的指示急剧增加、绝缘有烧焦或冒烟现象以及被试发电机内有放电响声时，应立即停止试验，查明原因并消除之。

工频耐压后，应测量绝缘电阻值并与耐压前进行比较，以作为判断绝缘的辅助手段。

3-34　在交流工频耐压试验中，什么是电压、电流谐振现象？怎样防止？

　　在做工频交流耐压试验时，当稍微增加电压就导致电流剧增时，说明将要发生电压谐振。当电源电压增加，而电流反而减小，说明将要发生电流谐振。

电压谐振是由被试发电机的容抗与试验变压器的漏抗相等所引起的串联谐振。防止产生电压谐振的条件是

　　　（3-18）

式中　C_X——被试发电机的电容值，pF；

      X_L——试验变压器和调压器的漏抗，Ω。

电流谐振是由试验变压器的励磁阻抗与被试发电机的容抗相等所引起的并联谐振。当发生并联谐振时，如果试验变压器工作在饱和区，而且初级调压部分有很大的电阻时，则在升压过程中，将会使电源供给的电流急剧地减小，这称作电流的铁磁谐振。若用自耦变压器调压，它的影响并不大，但如用变阻器进行调压时，则电流的减小就会大大地使变阻器上的电压降减小，从而使试验变压器上的端电压增高，这就会使加在被试发电机上的电压超出规定值，从而危及绝缘。

为防止发生电流铁磁谐振，应满足如下条件

　　　（3-19）

式中　C_X——被试发电机的电容，pF；

      S_e——试验变压器的额定容量，kV·A；

      U_e——试验变压器的额定电压，kV。

3-35　直流耐压试验和工频交流耐压试验各有何特点？

直流耐压试验能有效地发现绝缘受潮、脏污等整体缺陷，并能通过电压与泄漏电流的关系曲线发现绝缘的局部缺陷。由于直流电压下线圈的绝缘体按绝缘电阻分压，故能比交流耐压更有效地发现端部绝缘缺陷。同时，因直流电压下绝缘基本上不产生介质损失，故直流耐压对绝缘的破坏性小。另外，由于直流耐压只需供给很小的泄漏电流，故所需试验设备的容量小，容易解决。

交流耐压试验更接近于发电机运行的实际情况，从介质损失的热击穿观点出发，可以有效地发现局部游离性缺陷及绝缘老化的弱点。由于在交流电压下加在线圈上的电压是按电容分压的，故能够有效地暴露发电机线圈槽部绝缘缺陷和槽口处的缺陷。但是交流耐压对绝缘的破坏性比直流耐压要大，而且由于试验电流为电容电流，所以需要大容量的试验设备。

综上所述，直流耐压试验和工频交流耐压试验都能有效的发现绝缘缺陷，但各有特点，因此，两种方法不能相互代替，而应同时进行，互相补充。

3-36　发电机受潮时，如何进行干燥处理？

发电机受潮后，对于小型的可以将发电机拆下来拿到专用的烘房去干燥。而大、中型发电机或不具备烘房干燥条件时，就要在现场进行就地干燥。就地干燥时，应做好发电机的保温和防火安全措施，严格控制干燥时的温度，不准使其超过限额。

干燥时发电机各部温度限额为：

（1）定子膛内的空气温度，用温度计测量时为80～90℃；

（2）定子线圈表面温度，用温度计测量时为85℃；

（3）定子铁芯温度，在最热点用温度计测量时为90℃；

（4）转子线圈平均温度，用电阻法测量时为120～130℃。

干燥时间的长短由受潮程度以及发电机的容量等决定，预热到65～70℃的时间不得少于12～30h，全部干燥时间一般为70h。

在干燥过程中，应每小时记录下铁芯、线圈等各测温点的温度以及排出空气的湿度，每8h测量定、转子的绝缘电阻值并绘制出定子温度和绝缘电阻的变化曲线。从曲线中可以看出，受潮线圈在干燥的初期，由于潮气蒸发的影响，其绝缘电阻明显下降，随着干燥时间的增加，绝缘电阻逐渐升高，最后在一定温度下达到稳定。如果温度不变，而且经3～5h后绝缘电阻及吸收比也不变，并且与历次正常时所测绝缘电阻基本一致时，则可认为发电机已经干燥，烘烤可以结束，发电机绝缘可做相关试验。

3-37　发电机产生轴电压的原因是什么？它对发电机的运行有何危害？

　　产生轴电压的原因如下。

（1）由于发电机的定子磁场不平衡，使得沿定子铁芯一周的磁场不能完全抵消，因此，在铁芯与转子垂直的面内就会产生一个环路磁场，这个磁场与电源的变化频率相同，于是就会在发电机的转轴上产生感应电势，也就是轴电压。磁场不平衡的原因一般是因为定子铁芯的局部磁阻较大（例如定子铁芯锈蚀、叠装不均匀等），以及定、转子间的气隙不均匀所致。

（2）由于汽轮发电机的转轴油封不好，沿轴向有高速蒸汽泄漏或蒸汽缸内的高速喷射等原因而使转轴本身带静电荷。这种轴电压有时很高，会对人员产生伤害，故在运行时通过在轴上安装接地碳刷来加以消除。

轴电压一般不高，通常不超过2～3V。为了消除轴电压经过轴承、机座与基础等处形成电流回路，可以在励磁机侧轴承座下加垫绝缘板，使电路断开。但当绝缘垫因油污、损坏或老化等原因失去作用时，则轴电压足以击穿轴承的油膜而发生放电，久而久之，就会使润滑油和冷却的油质逐渐劣化，严重者会使转轴和轴瓦烧坏，造成停车事故。

3-38　怎样测量发电机的轴电压？

测量轴电压的接线如图3-13所示。

首先，测量发电机转轴两端之间的电压U₁，然后将轴承与轴之间用铜丝短路，消除轴承与转轴之间的油膜压降，这时再测量机座与励磁机侧轴承之间的电压U₂。

当U₁≈U₂时，说明绝缘垫的绝缘情况良好。

若U₁>U₂时，则说明绝缘情况不好。如果测量结果出现U₁<U₂，这说明测量不准，应检查测量方法及测量仪表。

测量轴电压应使用量程为3～10V的高内阻交流电压表。如果没有这种量程的电压表，可使用适当变比的电压互感器将此电压升高后再用普通电压表测量。测量的连接线必须接有专用的电刷，且电刷上应备有长达300mm以上的绝缘柄。

3-39　测量发电机定子绕组的直流电阻有何意义？

发电机的定子绕组是由许多线棒经焊接串联组成的。这些焊接接头在发电机运行中要受到各种机械振动的影响；在故障时要受到短路电流的冲击和短路电流所产生的电动力的作用；另外，在制造安装时也有可能存在接头焊接质量不佳的缺陷（如断股、虚焊等）。上述原因均可能使一些接头的电阻增大而导致发热，甚至会造成发电机开焊事故。

为了及早发现这些薄弱环节，防止开焊事故的发生，必须定期测量发电机定子绕组的直流电阻。

定子绕组的直流电阻包括三部分：一是线棒铜导线本身的电阻；二是焊接头电阻；三是线棒连接引线电阻。由于线棒铜导线及连接引线的电阻基本不变，所以整个线圈直流电阻的变化程度，实际上是反映了焊接头质量的变化。因此，准确测量绕组直流电阻并将测量结果进行分析比较，可以判断出焊接头是否存在问题。

3-40　定子线圈直流电阻的测量方法有哪几种？各种测量方法怎样？

　　测量定子线圈的直流电阻，可以测量线圈总直流电阻（即包括线棒、接头和引线），也可以只测量焊接头的直流电阻。

测量线圈总直流电阻的方法，有直流电流电压降法和电桥法两种。

（1）直流电流电压降法　按照图3-14接线进行测量。电流、电压表应选用0.5级及以上的磁电式仪表，其量程应能使指针指示在满刻度值的2/3以上。直流电源最好选用容量较大的车用蓄电池。

测量时应注意：所加电流不得超过定子线圈的额定电流的15%～20%。另外，电压表回路刀闸DK应在电流稳定后再合上。读取电压表的读数以后，应先断开DK，而后再切断电流回路刀闸P，以免发电机绕组上出现较高的自感电势而损坏电压表，因此操作顺序不能错乱。

线圈直流电阻可用电压表的读数除以电流表的读数得到，如下所示

　　　（3-20）

（2）电桥法　采用灵敏度较高的双臂电桥，其精度可达到0.5%以内。各种电桥只要按照其说明书进行操作即可。

在用上述两种方法测量线圈直流电阻时，要注意使线圈导体温度保持稳定。测量时发电机应处于静止冷却状态，各部温度与周围空气温度相差不超过±3℃。测量发电机各部及周围空气温度时，温度计不应少于6支，分别置放于齿间楔条上、通风孔里、线圈端部和靠近线圈的其他地方。

3-41　什么是同步发电机的空载特性？

空载运行是发电机最简单的运行状态，由于负载电流等于零，故空载状态没有电枢反应现象。

同步发电机的空载特性，是指额定转速下当发电机的负载电流等于零时，发电机定子端电压U₀与转子励磁电流I_L的变化关系，如图3-15所示。

通过空载特性试验，不仅可以检查发电机励磁系统的工作情况，观察发电机磁路的饱和程度，而且可以检查发电机定子和转子的连接是否正确，并通过它求得发电机的有关参数。

3-42　怎样进行发电机的空载特性试验？

空载试验原理接线如图3-16所示。试验步骤如下。

首先将发电机的出口油开关断开，启动发电机，使转速达到额定转速并保持不变，合上励磁开关，然后逐步调节电阻R_n，使励磁电流增大。此时端电压U₀随励磁电流I_L的增大而升高，分段记录U₀和I_L的数值，直到端电压升高到额定电压的1.25倍左右。然后再分段增加R_n的阻值，使励磁电流下降，直至到零，记录U₀和I_L的数值。根据所记录的U₀和I_L的数值可以画出一条上升的曲线和下降的曲线，然后取平均值，就可以得到发电机的空载特性曲线，如图3-16所示。

在调节R_n时，中间应读取9～10点数值，每点应同时记录U₀、I_L以及所对应的转速（或频率），在额定值附近（即曲线的弯曲部分），应多取几点读数，当励磁电流I_L降到零时，应读取剩磁电压值。

3-43　发电机的空载特性试验有哪些注意事项？

在空载试验时，发电机实际上是处于正常运行状态，所以它的继电保护装置应全部投入运行，并作用于能够跳开灭磁开关。但应注意，此时强行励磁及自动电压调节装置不应投入。

试验所用的表计及分流器，其准确度不应低于0.5级。试验时每点测得的三相线电压值应接近相等，相互之间的不对称不应大于3%。发电机的端电压超过额定值时，铁芯温度上升很快，所以此时应尽量缩短试验时间，最多不得超过5min。

试验中，当将励磁电流由大到小逐级减小时，或由小到大时，只能一个方向调节，中途不得有反方向的错误操作。否则，由于铁芯的磁滞现象，会影响测量的准确性。

另外，在试验过程中，如转速不是额定转速，则读取的空载电压应进行修正，将实际测得的空载电压换算到额定转速下的电压公式为

　　　（3-21）

式中　U——额定转速下的电压值；

      n_e——额定转速；

      f_e——额定频率；

      U'——实测电压值；

      n'——实测转速；

      f'——实测频率。

试验后，按测得的数据绘制空载特性曲线，并与原始记录比较，其差别应在允许的测量误差范围之内，否则应查明原因。若没有接线及测量错误，所测得的特性曲线确比原始记录偏低较多时，则说明发电机的转子绕组有匝间短路故障。

3-44　什么是发电机的短路特性试验？怎样做短路特性试验？

发电机的短路特性试验和空载特性试验一样，也是发电机的基本运行试验项目之一。

发电机的短路特性曲线，是指发电机在额定转速下，当定子电压为零时，定子的短路电流I_K与转子励磁电流i_L之间的关系曲线。由于此时发电机的磁路处于不饱和状态，所以短路特性曲线是一条直线，如图3-17所示。

试验接线如图3-18所示，试验步骤如下。

（1）在发电机出线端或出口断路器外侧，将定子绕组三相对称性短路。分别在定子回路和转子回路接入电流表。

（2）投入过流保护装置，并作用于信号。

（3）启动发电机至额定转速，并保持不变，合上励磁开关。当三相短路在出口断路器外侧时，必须同时合上断路器。

（4）调节励磁电流，使发电机定子电流分5～6次逐渐升至额定值，并记录每次的读数。然后逐步减小励磁电流至零值，重复上述各点读数。根据在各点同时测量的三相电流平均值、励磁电流和转速可绘出短路特性曲线。

3-45　做发电机的短路特性试验有哪些注意事项？如何对试验结果进行分析？

　　在做发电机短路特性试验时，应注意以下几点。

（1）三相短路线要有足够的截面积，即导线的载流量要在安全范围以内。可能的情况下短路线应尽量安装在接近发电机的引出线端，且要在主断路器内侧与电流互感器之间，以免在试验中由于断路器的故障断开，引起发电机电压突然增高损坏绝缘。如果由于种种原因，短路线装在主断路器外侧时，应将跳闸回路的保险丝取去，或将断路器的操作机构锁住。

（2）短路试验时，所有继电保护装置均不应动作于跳闸和灭磁，因而可以停用或只作用于信号。

（3）调节励磁电流应缓慢进行。当励磁电流升至15%～20%时，应检查三相电流的对称性。如不平衡，应立即断开励磁开关，查明原因。

试验后，根据测得的数据绘制短路特性曲线。将它与制造厂提供的或安装时测得的原始数据进行比较，其差值应在允许的范围之内。如差值较大时，应进一步对定、转子的直流电阻、匝间绝缘和绕组的接线做检查，并找出是否有短路故障。

3-46　发电机的温升试验有何意义？

发电机在运行时，由于各种损耗的存在，将使发电机的定子绕组、转子绕组及铁芯发热而导致发电机温度升高。如果各部温度超过了绝缘材料的允许工作温度，就会使绝缘老化加快，从而大大缩短发电机的使用寿命。

发电机的温升试验，就是为了了解发电机在带负荷运行时，各部分温度的可能变化情况，从而能将其控制在限额以内，保证发电机的安全可靠运行。

温升试验的意义如下。

（1）了解发电机在额定状态下运行时，发电机的额定负荷能力和过载能力。

（2）绘制发电机在允许的电压变动范围内，及不同冷却介质温度时的极限工作能力曲线，从而为发电机在非正常情况下的运行提供依据。

（3）研究发电机各部分温度与最高发热点温度的关系，为评价和改进发电机结构及通风冷却系统提供依据。

（4）测定定子绕组绝缘热降，研究绝缘热降所反映的绝缘老化情况。

（5）确定绕组平均温度、最高发热点温度和测温计反映的温度之间的关系，研究准确监视测量绕组温度的方法。

3-47　对温升试验都有哪些基本要求？

对发电机温升试验的基本要求如下。

（1）所有测量表计的准确等级不应低于0.5级。

（2）试验期间，要求在每一种负荷下，转子电流都应保持稳定，变动范围不应超过±1%。同时，定子电流、电压及功率都要保持不变。若有变化不应超过3%。因此，试验期间应将自动电压调整器切除。

（3）试验中，三相定子电压及电流应保持平衡，即负序分量和零序分量不应超过正序分量的2%，功率因数应保持额定。

（4）试验期间的进风温度要保持稳定，并应接近额定值。每种负荷下进风的温度变化不应超过1℃。

（5）在进行每一种负荷试验时，各种测量应每隔15min测量一次，直到热稳定时为止（一般发电机达到热稳定的时间约为3～4h）。　

3-48　温升试验的方法如何？

温升试验应在四种负荷下进行，即额定负荷的60%、75%、90%、100%。试验时应该进行的测量工作如下。

（1）用电流表测量三相定子电流，用毫伏表和分流器测量转子电流，用电压表测量定子绕组任意两相间的电压。

（2）用水银温度计测量发电机进出口空气温度和空气冷却器中冷却水的进出口温度。

（3）用转子温度计测量转子线圈的平均温度，并在温度接近稳定时，用转子电阻法测量转子平均温度，即用测棒测量转子滑环上的电压，并同时测量转子电流，然后，根据转子电压和电流计算出转子的热态平均电阻值，再根据转子的冷、热态电阻值计算出转子线圈的平均温度，其公式如下

　　　（3-22）

式中　t₂——转子线圈平均温度，℃；

      t₁——温升试验前转子线圈温度，℃；

      R₂——转子线圈热态电阻值，Ω；

      R₁——转子线圈温升试验前的电阻值，Ω。

（4）用埋置在定子槽内和铁芯内的测温元件，测量定子线圈和铁芯的温度。

（5）在试验的最后1h内，温度的变化不应超过1℃，而在最后试验的3h内，各数值的变动也不应超过下列规定值：

有功功率　±3%；定子电压　±3%；

定子电流　±3%；进口空气温度　±1%；

转子电流　±1%。

当达到上述规定时，便可认为发电机的温升已经稳定，此时所测得的温度数值即为该负荷下的温度值。

发电机定子线圈和铁芯的温升为各负荷下的最高温度值减去当时发电机进口空气温度值。转子线圈的温升可由转子线圈的平均温度t₂减去进口空气温度值。

3-49　怎样测量励磁机绕组的直流电阻和交流阻抗？

测量直流励磁机励磁绕组直流电阻的目的，是为了检查励磁绕组的焊接情况以及绕组本身有无匝间短路或断线故障。通过交流阻抗的测定，可以明显地发现绕组有无匝间短路。所以在交接时及大修后均应做此项试验。

直流励磁机的串接绕组的直流电阻一般很小，应用双臂电桥测量。并励绕组的直流电阻较大，可用单臂电桥测量，但测量结果应减去接线电阻。

用单臂电桥测量直流电阻时，由于励磁绕组有较大的电感，为了防止损坏检流计，测量时，应先接通电流回路，待过一段时间后，再按下检流计按钮接通检流计回路。测量结束时，应先断开检流计回路，然后再断开电流回路。

测量结果应与以前测得的数据进行比较，在同一温度下，其差别不应大于2%；各极绕组比较，相差不应大于10%。如果差值较大，则应对设备进行检查。要是直流电阻变大了，应检查各线圈间的连接线是否有开线、焊接头是否有开焊等现象。如果直流电阻变小了，则应分别测量各极线圈的电阻，找出电阻变小的线圈，然后通过交流阻抗的测定，能够发现磁极线圈是否有匝间短路故障。交流阻抗试验接线如图3-19所示。阻抗的数值与所施电压有关，所以每次试验所加的交流电压数值应相等。