同步发电机电气试验和继电保护设计.doc

摘要随着科技的进步和经济的不断发展，我国用电量需求越来越大。各地区和城镇的供电系统容量呈逐年递增的趋势，大容量的发电机组也在不断的增加。电力系统中，同步发电机是最为核心的部分，发电机是否能长期稳定的运行对于整个电力系统的安全来说起着决定性的作用。由于发电机在设计和制造过程中，不可避免的会存在一定的问题，因此发电机投入使用之前应该先按照规定进行相关的电气试验，以防止带有故障的发电机被投入使用。发电机长期不停地运行的过程中热、磁、电、摩擦、震动等因素都会给发电机带来潜在的危害，大容量发电机复杂的内部结构给其故障检测和继电保护都带来了极大的挑战。人们对电网的稳定性和安全性的要求越来越高，传统的电气故障检测和继电保护不能满足现代电力系统的需求，因此亟需深入地研究同步发电机的故障检测方法，研究在线检测电网中发电机的电气量的方法和研究电网中大型发电机进行继电保护。本论文首先对同步发电机的进行了研究，了解同步发电机的现场实际运用状况，发现越来越多的大容量发电机在电力系统中被投入使用，然而现在国内几乎没有针对大型同步发电机完整的从故障试验到继电保护的研究，本论文结合大型同步发电机的特点，根据同步发电机的内部物理结构，数学模型以及工作原理，对同步发电机进行了故障分析，并详细对定子绝缘故障和转子绕组匝间短路的检测方法进行了介绍。在分析发电机故障成因和现象的基础上，设计出一套在线监测系统，包括了硬件结构部分和软件设计部分，该监测系统能够实时对电力系统中发电机的各个重要电气量进行检测。论文还对电力系统中大型发电机的继电保护进行了设计，包括整体保护方案的设计和主保护，接地保护的详细设计，并提出发电机主保护的优化配置方案。关键词：同步发电机 故障 电气试验 继电保护AbstractWith the advancement of technology and the development of economy, Chinas demand for electricity is growing. Power supply is increasing every year in various regions and large-capacity generators constantly increasing. In the power system, synchronous generator is the most central part. Whether the generator can be operated stably plays a decisive role for security of the entire power system. The generator will be some damaged in the design and manufacturing process inevitably. Therefore, the generator need to be tests before it be putted into use to prevent faulty. Generators need to keep long-time operation and the heat, magnetism, electricity, friction, vibration, will cause damage to the generator. The large-capacity generators has complex internal structure, therefore, fault detection and protection are very difficult. People have become increasingly demanding for stability and security of the grid. The traditional electrical fault detection and protection cant meet the needs of modern power systems. Therefore, study of synchronous generator fault detection method and large generator protection in-depth is very urgent. This paper studies the synchronous generator and understands the actual situation use of synchronous generators. The study find that more and more large-capacity generators to be used in the power system. However, there was almost no complete study of large synchronous generator including electrical test and protection. This study based on the characteristics of large generators. Analysis fault conditions of synchronous generator according to the internal physical structure, mathematical models and principle of work. This paper describes the detection method of stator insulation fault and Rotor winding inter-turn short circuit fault detailedly. A set of on-line monitoring system was designed in this paper. The monitoring system includes the hardware design and software design. It can detect the status of the generator in real time. It also designed a protection scheme about large generator, including the design of the overall protection scheme, grounding protection design, etc. It presents an optimization method about generator main protection in the end of the paper. Key Words: Synchronous Generator，Fault，Electrical test， Protection目录摘要IAbstractII目录III图表目录VI第1章 绪论11.1 课题背景与意义11.2 国内外研究现状21.2.1 同步发电机电气故障及试验的研究现状21.2.2 同步发电机继电保护研究现状41.4 研究目标与研究内容61.4.1 研究目标61.4.2 研究内容6第2章 同步发电机的电气试验82.1 同步发电机的基本理论82.1.1 同步发电机的分类82.1.2 同步发电机物理模型82.1.3 同步发电机工作原理92.2 同步发电机的电气故障现象及原因分析112.3 同步发电机运行特性测试112.3.1 空载特性试验122.3.2 短路特性试验132.3.3 负载特性试验132.4 定子绕组绝缘测试142.4.1 定子绕组介质损耗测试142.4.2 定子绕组局部放电测试152.5 转子绕组匝间短路测试162.6 STC-5型同步发电机电气试验测试及分析162.6.1 STC-5型同步发电机额定参数162.6.2 STC-5型同步发电机空载特性测试162.6.3 STC-5型同步发电机短路特性测试172.6.4 STC-5型同步发电机转子绕组匝间短路故障测试182.6.5 试验结果分析192.7 本章小结20第3章 同步发电机在线监测系统设计213.1 同步发电机在线监测现状213.2 需求分析213.2.1 功能需求分析223.2.2 非功能需求分析233.2.3 可行性分析233.3 硬件设计243.3.1 硬件连接电路设计243.3.2 数据采集方案设计253.3.3 模拟量采集电路设计253.3.4 数字量采集电路设计253.4 软件设计263.4.1 软件整体方案设计263.4.2 功能模块设计263.5 本章小结27第4章 同步发电机的继电保护设计284.1 发电机保护284.1.1 发电机主保护284.1.2 发电机定子接地保护294.1.3 异常运行保护304.2大型发电机继电保护设计304.2.1 总体方案设计304.2.2 发电机主保护设计314.2.3 接地保护设计324.2.4 异常保护设计334.3 同步发电机主保护方案优化设计334.4 本章小结34第5章 总结与展望355.1 总结355.2 展望35参考文献37在学研究成果41致谢42图表目录图目录图2.1 同步发电机结构模型8图2.2 凸极式同步发电机结构9图2.3 同步发电机等效电路10图2.4同步发电机空载特性曲线12图2.5 同步发电机短路特性曲线13图2.6 零功率因素负载特性曲线14图2.7 定子绕组介质损耗测试电路图15图2.8定子绕组局部放电测试电路图15图2.9 STC-5型同步发电机实际空载特性曲线17图2.10 STC-5型同步发电机实际短路特性曲线18图2.11 STC-5型同步发电机转子绕组匝间短路时空载特性19图2.10 STC-5型同步发电机转子绕组匝间短路时短路特性曲线19图3.1 监测系统功能需求图20图 3.2硬件结构框架设计22图3.3 数据采集流程23图3.4 模拟信号采集流程23 图3.5 智能电量采集流程24 图3.6 软件整体方案结构框图24 图3.7 监测系统软件功能框图24 图4.1 发电机保护配置框架图29 图4.2 发电机继电保护配置方案图29 图4.3 发电机主保护电路原理图30图4.4 定子绕组100%接地保护电路原理图31 图4.5 发电机主保护配置方案优化设计32表目录 表2.1 STC-5型同步发电机主要参数16 表2.2 STC-5型同步发电机空载实验数据17 表2.3 STC-5型同步发电机短路实验数据17表2.4 STC-5型同步发电机转子绕组匝间短路时空载特性试验数据18表2.4 STC-5型同步发电机转子绕组匝间短路时短路特性试验数据18第1章 绪论1.1 课题背景与意义电是人类日常生产和生活的主要能源，在当代社会中有着不可取缔的地位。我国是一个电力需求量极大的国家，随着社会的推进，电力系统也以飞快的速度发展起来。我国电网容量层逐年递增的趋势，大容量的发电机组也在不断的增加，同步发电机是电力系统中核心的部分。现代社会的要求是同步发电机必须长期安全稳定的运行，一旦发电机出现任何故障，便极有可能会导致大面积的停电现象，我们无法想象现代化的生产生活中没有电会是什么样子，从国民的正常生活，到交通、金融等各个行业的正常运行，再到整个国家的安全都无法得到保障。为了实现国民经济水平的提高和电力工业行业发展的长远目标，我国提出了要在21世纪实现全国电网互联的宏伟工程1，毋庸置疑，实现全国电网互联会给我国各电力行业带来巨大的好处，具有很高的实用价值和明显的经济效益，与此同时，也给电力电网行业带来的巨大的挑战。电网覆盖面积增大是电网互联后的必然结果，但是我国电网的网架结构还不够强大，各个网点的负荷不均匀等等，各种各样的因素都会给电网的运行带来安全威胁，其中，运行稳定性的破坏是实现全国电网互联的过程中设计人员和工作人员们最应该注意的问题。一般从以下几个方面来看电力系统是否稳定，首先是功角是否问题，再次是电压是否稳定，最后是频率是否稳定。其中功角稳定又从暂态稳定和低频振荡稳定这两个角度来考虑。只要其中的一个部分处于不稳定状态那么系统就会收到威胁，因此想要使一个庞大的电力系统安全稳定的运行，拥有高效且可靠的发电机是万分重要的。发电机是电力系统中公认的心脏，发电机是否能长期稳定的运行对于整个电力系统的安全来说起着决定性的作用，应社会需求，电机机组的容量在不断地扩大，现在的电力系统中大多使用的都是一些容量大并且性能非常好的发电机组，因此，对发电机本身的性能也是具有非常高的要求的。在电力行业发展扩大的过程当中，各个地区和发电站都出现过大大小小的设备事故2,3。由于大型发电机的造价非常昂贵，并且其内部结构相当的复杂，一旦遭受到了一点损坏都需要花很长的时间对其进行维修，预防电力系统中发电机故障4，防止因发电机设备导致的事故发生具有非常重要的现实意义。由于发电机在设计和制造过程中，不可避免的会存在一定的问题，在运输以及安装的过程中也并不排除出现损坏的可能，这些问题都造成一些潜伏性缺陷。电力生产的实践证明，发电机投入使用之前应该先按照规定进行相关的电气试验，以确保发电机以最佳状态被投入电力系统运行中，这种相关的电气试验是防患未然，保证电力系统安全可靠运行的重要措施之一。发电机在运行中经常会受到温度，机械振动以及其他一些外在环境因素的影响5，因此，运行过程中发电机也不可避免的会遭到一些损坏出现一些故障，当设备出现故障的时候，必须能够及时的分析出故障的原因，并且根据现有的技术针对性地采取相应的措施进行整修维护，以保障电机机组的安全。在科技飞速发展的现代社会，人们研发出了许多不同的发电形式，比如磁流体发电，太阳能发电等等。但是，我国现有的电力系统中，同步发电机仍然占据着绝对的优势，现代发电场中发出的交流电几乎都是依赖于同步发电机。因此对同步发电机整体电气故障的分析研究和同步发电机的继电保护研究具有重要的意义。这些年以来，发电机的故障诊断及保护，和发电机的在线监测一直都是国际大电网会议（CIGRE)中非常重要的一个议题67 。近几年，我国也投入了大量的人力物力进行发电机故障的研究工作，但很少有专家学者对电力系统中同步发电机电气故障的测试方法进行针对性的深入研究，并且我国对同步发电机的继电保护也是在不断探索研究的过程当中。1.2 国内外研究现状1.2.1 同步发电机电气故障及试验的研究现状为了确保从商家生产出来的电机能够正常安全地使用，各国专家学者从很早就开始对电机的电气试验进行研究，随着社会科技发展，电气试验的仪器也发生着巨大的改变。最开始电机的电气试验是传统的组合接线的方式，每次测试均需要按照试验工作原理进行各元器件接线处理，试验仪器笨重，不便于搬运挪动，工作人员误操作容易影响试验效果甚至发生安全事故，之后为了使电气试验更加方便并且减少这些接线等基础上的误操作，设计出了套装式的试验仪器，这种仪器的使用减少了外部接线，构造简单，方便试验作业，提高高压试验安全性，为自动化测试仪器的诞生奠定了基础，现代测试仪器开始从自动化走向智能化，不仅仅具有外部接线简单，体积小质量轻的特点，并且具有自动计算测试结果，打印，储存等功能，未来的电气试验将会更加优化，更多的减少停机试验8，并做到可以实时的进行测试，采集数据，保证设备安全运行，提高生产效率。电气试验的目的是对电机内部故障的检测，许多的专家学者都对同步电机内部故障进行了分析研究，Peter P等人提出了直接向量法测量发电机故障，并用这种方法仿真出了故障波形10；V.A.Kinitsky等人提出了对称分量法对发电机进行内部故障的计算；我国高等院校的专家教授们也在该领域做了很大的贡献，清华大学教授提出了多回路理论11，在该理论通过实际的试验验证之后将其投入到现场工作中去，并取得了较好的实际应用效果。常见的同步发电机内部故障一般为非对称故障，发电机的三相会产生不对称的正序和负序电流，同时也产生了很大的谐波分量，并且这些谐波分量磁场转向不定，感应出复合型的绕组电势，所以我们必须针对性的使用恰当的方法建立数学模型来进行分析12。国内外现有的对同步发电机定子绕组内部故障分析和诊断主要有五种方法， 第一种是对称分量法，这种方法是在同步发电机的内部发生短路的情况下，发电机在稳态运行的时候会产生三相不对称电流，将产生的电流按照正序、负序和零序的三种网络分别列出其对称状态下的线性方程，进行求解后再合成，这种方法能够在发电机处于稳态情况下比较准确地分析出其不对称短路的问题，但是，这种方法的前提是将发电机理想化，并且不能够检测出发电机的瞬态和暂态时的不对称运行情况13，因此这种方法没有非常广泛的应用于发电机内部故障检测。第二种是Park变换法，Park变化法是基于双反应原理，也就是把任意一组的定子电流等效为其他一组的电流矢量，它同样遵循正弦变换规律，Park变换法是一种应用非常广泛的坐标变换的方法，但是，Park变换并不适用于定子绕组发生短路故障的检测。第三种是相坐标法，该种方法是以定子绕组作为状态变量，以相坐标系作为基础，每一相绕组各自是独立的。这种相坐标法会考虑到谐波产生的磁场等因素，并且，谐波磁场的各个参数是常数，不用像别的方法一样进行复杂的转换。王祥恒等人对正常工作状态下的同步发电机怎样利用相坐标法来分析其谐波分量在气隙中产生的谐波磁场进行了研究，Malik等人也曾使用相坐标法对定子绕组内部故障进行了研究分析，并证明了相坐标法的有效性14。这种方法的优点是，无论同步发电机是在正常工作状态下还是故障状态下，这种方法都可以对任意分量做到很好的处理，但是，当定子绕组发生单相接地或者是双相接地时，该同步发电机的三相绕组不能被看成一个整体，此时不能使用各相绕组分别处理的方法，即此时相坐标法不再适用。第四种是多回路法15，这种方法是把每个线圈都看成一个独立的对象，单独分析每一个线圈的电磁状态，把同步发电机看成是一个多回路的线圈，分别写出每个线圈的电压磁链方程。Arjona，J.P.Sturgess等用多回路法对发电机故障进行分析16，取得了良好的效果。这种方法的优点是比之前的分析方法更加详细，该方法会考虑到了绕组的连接方式以及发电机故障点的空间物理位置，这种分析方法对同步发电机现场故障分析具有非常重要的意义，但是由于这种方法单独分析每个线圈的电压磁链，因此其求解过程有较高的难度。第五种是场路耦合法，这种方法是联立了电机内部的电磁方程和外部的系统方程，这种方法的优点是，充分考虑到了绕组的连接方式，同步发电机的故障点的物理空间位置和磁场产生的高次谐波分量，T.A.Nyamusa等专家经过研究证明了用这种方法可以进一步的分析电机内部故障电流产生的热稳定与动稳定效应，但是，场路耦合法也存在一些缺陷，C.Wang和J.C.S.Lai等证明了由于当定子发生故障时会产生周期的和非周期的分量，因此用这种方法前必须对定子和转子进行一定工序的处理，增加了其复杂度，清华大学教授也曾提出过，用这种方法进行定子故障检测存在计算速度很慢的问题。转子出现故障通常是指转子绕组匝间短路，国内外也有不少专家学者针对同步电机的转子故障进行了深入的研究和探讨。为了防止转子绕组匝间短路，提前预防电机故障发生，需要定期对转子绕组进行检测。随着社会的发展，有故障现场的经验积累和专家学者的研究作为基础，转子匝间短路检测方法也在不停发展，传统的检测方法主要有开口变压法，直流电阻法，重复脉冲法，空载特性和短路特性比较法，这些传统的方法检测并不精确，当转子绕组短路的匝数比较少时，不能及时地检测出来。现有的检测方法主要有气隙线圈探测法，环流检测法，交流阻抗和功率损耗法，行波法和励磁电流与无功功率变化法等等，用这些新的方法可以对转子绕组匝间短路进行实时在线检测。并且利用气隙线圈探测法和行波法还可以准确地找到短路位置。郗常骥等人通过对汽轮发电机故障统计分析证明了气隙线圈探测法在发电机空载或三相短路时检测匝间短路的有效性18，张荣佩，施维新等人对发电机负载工作情况下用气隙线圈法检测转子绕组匝间短路进行了研究，提出由于负载工作时检测会受漏磁通和过零点的影响19，因此采用变换工作状况的方法多次进行检测，取得更好的效果。国外Gilles Roy等人对行波法测转子绕组匝间短路故障的研究取得了一定的成果，并利用试验证明行波法不仅可以进行故障检测还可以准确定位短路故障点21。励磁电流与无功功率变化法是近几年重点研究的检测方法，这种方法的原理是利用无功功率随励磁电流的变化来进行判断转子绕组匝间是否存在短路故障， SENSKE.K证明了用该种方法可以对短路故障的类型进行判断，并且可以从测试结果看出故障的严重程度23。1.2.2 同步发电机继电保护研究现状由于发电机长期处于工作状态，不管是外在环境因素还是内在结构或者材料因素都有可能让电机发生故障，因此必须对电力系统中的发电机设计保护装置，以保障工作人员能在发电机发生故障以后第一时间发现并采取相应的措施维护电力系统安全。针对同步发电机现有故障和异常的形式24，一般情况下电力系统中的发电机的继电保护都会包括主保护，后备保护和励磁接地保护。大型发电机具有结构复杂，价格昂贵的特点，其内部结构一旦发生故障便需要进行维修，耗时耗力，并且极有可能给电力系统的运行造成危害，带来极大的经济损失。因此需要对并网运行的发电机采取保护措施。发电机的主保护包括纵差保护和横差保护25。纵差保护是用于保护发电机定子各相绕组之间的相间短路，横差保护用于检测发电机定子绕组相同相不同匝之间的匝间短路故障和不同相不同匝之间的相间短路故障26。发电机的定子接地故障是指当发电机的定子绕组绝缘失效而与铁心发生了短路时产生的，当定子单相接地时，接地的电流经过了短路的故障点将定子绕组和三相对地电容组成了一个电流通路，发生定子接地故障且接地电流很大时，电流通过故障点时会引起电弧29，71损坏电机内部定子绕组和铁心，因此设计发电机继电保护时必须考虑定子接地保护，原理是通过检查电机端部或者是定子绕组每相的中性点处的基波零序电压来判定是否发生了定子接地故障，这种方法具有简单方便的优点。发电机在异常运行状态下工作会导致工作的发电机使用寿命缩短，如果不及时地对发电机异常采取相应的保护措施那则很有可能给整个供电组造成极其严重的危害，发电机异常运行包括失磁，失步，过电压和非全相等等。计算机技术和电子信息技术的飞速发展，带动着科技的不断进步，由计算机技术引申出来的人工智能，模糊逻辑等控制算法也得到了深入的研究和广泛的应用。现代化的电力系统也将模糊控制，神经网络等先进的技术运用系统的各个部分。发电机的继电保护随着社会科技的发展，逐渐朝着计算机化，一体化和网络化的方向发展。综合国内外的现状，发电机继电保护未来趋势必然是从自动化到计算机网络化最后实现智能化，实现发电机继电保护的绝对安全和可靠30。发电机继电保护的自动化。我国用电量呈逐年增加的趋势，对稳定供电的要求也越来越高，发电机作为电力系统的核心部分，对其继电保护系统自然也会有相当高的要求。现代化发电机继电保护出了需要简单的实施保护功能以外，还需要有强大的数据处理能力和数据存储能力，达到更快速的数据通信3132。继电保护自动化大大减少了工作人员的工作量，降低了劳务的投入，是现代化发电机继电保护的最基础的方法。发电机继电保护的计算机网络化，自20世纪以来，通信技术飞速发展并被运用到人们生产生活的各个领域，供电系统当然也不例外，将通过网络化的通信技术与发电机继电保护结合起来是保证继电保护系统安全的有效措施33，数据通信保证了系统中每个模块都能实时共享发电机的所有检测信息。每个模块都能通过相互传输的数据进行计算，并在分析数据的基础上协调工作。计算机网络化的发电机继电保护系统不仅仅包括操作，见识模块，还包括数字化和软件化模块3435，大大提高了继电保护的灵敏度，速动性和可靠度。发电机继电保护的智能化，现代科学技术中，常常可以听到模糊控制，人工智能等词汇，这些新的智能化原理，方法和技术也可以应用于现代电力系统中。比如可以运用神经网络的算法，提取现有的故障样本中的有用信息，归纳总结，进行样本训练，并用这些提取出来的信息建立可靠的样本库，在充分考虑到发电机现场的实际情况下结合这些计算机算法，可以达到快速便捷地解决复杂故障问题的目的。1.4 研究目标与研究内容1.4.1 研究目标现代电力系统中，同步发电机是最为主要的电气设备，被誉为电力系统的心脏。同步发电机长期稳定的运行对于整个电力系统的安全来说起着决定性的作用，应社会需求，电机机组的容量在不断地扩大，现在的电力系统中大多使用的都是一些大容量且性能高的发电机组，因此，对发电机本身的性能也是具有非常高的要求的。在电力系统不断发展的过程中，发电机出现过各种各样的故障，由于大型发电机的造价非常昂贵，并且其内部结构相当的复杂，一旦遭受到了一点损坏都需要花很长的时间对其进行维修，并且一旦故障，很可能会给电力系统带来致命的危害，因此对同步发电机故障及电气试验的研究非常重要，对电力系统中发电机的继电保护设计也具有非常重要的现实意义。基于以上信息，本论文的总体目标是研究我国电力系统中同步发电机的故障现状，包括故障的现象和原因，根据不同的故障针对性的介绍电气测试试验，并设计一套在线监测系统；研究现有同步发电机继电保护方法和配置方案，设计出针对大型同步发电机的保护方案。1.4.2 研究内容目前，专家学者对发电机的电气故障检测和继电保护做了一定的研究工作，但是对于怎样详细地进行电气故障的检测试验，怎样通过电气试验来分析故障原因我国还做得不够详细，大多数研究和介绍都还不够系统和深入，对于同步发电机的继电保护设计我国也一直是处于研究状态。通过阅读大量的中英文献，了解到现当代电力系统中同步发电机电气故障检测和继电保护的重要性和迫切性，了解到同步发电机电气试验和继电保护在国内外的研究现状，以及同步发电机现有故障类型，表现形式，发生原因等问题。对电气故障的检测试验的方法进行系统详细的归类介绍，以电气故障检测作为基础，进行同步发电机的各电气量进行在线监测系统设计，并且，对电力系统中大型同步发电机的继电保护方案和方法进行优化设计。本文的论文组织结构如下：第一章，绪论，主要介绍本课题的研究背景及意义，同步发电机的电气故障，电气试验以及继电保护的发展历程和发展现状，同时进一步明确了本文的要求内容和论文结构，为同步发电机的电气试验和继电保护的研究奠定了基础。第二章，同步发电机的电气试验，通过介绍本论文主要研究对象同步发电机的相关理论，为了后续能够更好的对同步发电机的故障，并详细对电气试验和保护方案进行分析和研究，主要通过对同步发电机现有的故障现象和故障原因进行分析，总结出同步发电机电气试验的方法，并选择型号为SCT-5的同步发电机进行测试。第三章，同步发电机在线监测系统设计，通过分析同步发电机在线监测的需求，对在线监测系统的硬件部分和软件部分进行了设计，尤其针对硬件电气故障的测试进行了详细的介绍。第四章，同步发电机继电保护设计，本章在介绍了同步发电机常见故障和电气试验的基础上，对同步发电机运行过程中的保护配置方案和保护方法的介绍，同时进行了同步发电机继电保护的设计。第五章，总结与展望。第2章 同步发电机的电气试验2.1 同步发电机的基本理论2.1.1 同步发电机的分类同步发电机是利用电磁感应的原理，把其势能、热能等其他形式的能量转换为电能的装置。被应用到生产生活的各个地方，根据其用途的不同，有着不同的内部结构，也有着不同的分类，现有的同步发电机可根据原动机的类别，发电机本体结构的特点，发电机自己的安装方式等方法进行分类。按照原动机的类别分，同步发电机可以分为汽轮发电机，水轮发电机，燃汽轮发电机，柴油发电机等等。按照本体结构的不同，可以分为隐极式和凸极式，旋转电枢式和旋转磁极式。根据同步发电机冷却介质的不同，可以分为空气冷却，氢气冷却和水冷却36。按照主轴安装方式的不同，可以分为卧式安装和立式安装。2.1.2 同步发电机物理模型现有的同步发电机按照本体结构分为旋转电枢式和旋转磁极式，其中，旋转电枢式的电枢是装在发电机的转子上面，主磁极被装在其定子上面。旋转电枢式的同步发电机的容量一般很小，很少有用于电力系统中作为发电的工作机。旋转磁极式的电枢装在发电机的定子上，主磁极装在其转子上，由于这种结构的同步发电机电刷和集电环的负载很轻，因此工作条件较旋转电枢式的更好一些，容量相对大，电力系统中一般使用这种结构的同步发电机作为工作机37。图2.1 同步发电机结构模型Fig 2.1 structure model of Synchronous generator图2.1为常用的旋转磁极式同步发电机的结构模型，外圈为定子铁心也可以称之为电枢，定子槽每隔60均匀地分布在定子铁心当中，定子槽里面有三相对称交流绕组又被称为电枢绕组，电枢绕组必须按照一定的规则放置。同步发电机的内部为制成成对磁极的转子铁心，励磁绕组绕在磁极上，当有直流电流通过励磁绕组时会产生一种分布磁场，分布于同步发电机的气隙中，这种磁场也就是同步发电机的主磁场。磁场的分布受电机气隙的影响，而气隙的厚度和形状又由电机的形状和结构决定，因此，电机的结构严重的影响着电磁磁场的分布39。旋转磁极式的同步发电机按照其磁极的形状，又可以分为隐极式和凸极式，图2.2为凸极式同步发电机结构，这种结构的同步发电机转子上有凸出的成对磁极和励磁线圈。当励磁线圈中通入直流电流以后便产生出有交替磁性的磁极。图2.2 凸极式同步发电机结构Fig 2.2 structure of Salient pole synchronous generator2.1.3 同步发电机工作原理同步发电机得以正常稳定的工作，主要是有以下几个部分作为基础，第一部分是主磁场，在励磁绕组中通入直流电流以后，励磁绕组会在电机气隙中产生极性相间的磁场，这种由励磁绕组产生的磁场即为发电机的主磁场；第二部分是切割运动，当原动机带动同步发电机的转子旋转时，由励磁绕组产生的励磁磁场也跟着一起旋转，并且切割发电机外圈定子上的各相电枢绕组；第三部分是载流导体，当转子旋转，磁场切割电枢绕组时，会产生感应电动势，而三相对称电枢绕组则成为感应电势或者感应电流的载体；第四部分是交变性与对称性，正是由于旋转磁场具有极性相间的特性，和电枢绕组的对称性，主磁场与电枢绕组之间进行相互切割时，才会形成相应的周期变换的三相感应电动势40。由于励磁绕组旋转产生的旋转磁场切割同步发电机的三相对称电枢绕组，形成了相应的三相对称感应电动势，这三相交变电势的频率，幅值等特征都是相同的，唯一的不同是每一相的相位依次相差120，因此，当我们分析同步发电机的发电原理时，只需要分析讨论其中任意一相的原理即可。为了更好的分析同步发电机的工作原理和工作特性，需要将电机模型理想化，即做一些假设以排除外在的不确定因素造成的影响41。第一，要假设在同步发电机运行的过程当中，电机气隙磁路饱和，各个电气量都相对稳定，不会受到磁滞，涡流等因素的影响。第二，忽略发电机中产生磁场的高次谐波分量，假设电磁绕组产生的磁场以正弦形式分布。第三，不考虑电机在生产制造等过程中的产生的结构误差等因素，把电机转子的直轴和交轴看成是理想状态，即完全对称43。有了以上的假设以后，便可更加简便地对电机的工作原理进行分析。一般情况下，可以把电机的磁极对数看成是p，转子的转速看成是n，此时，电机的电势频率为f，由同步发电机电势频率的通式可知电势频率与电磁极对数和转速的关系如式2.1所示：(2.1)线圈电势为E0，电势大小为2.2所示 (2.2)式中为磁通量。当同步电机每一相的电枢绕组线圈匝数为时，线圈的电势为式2.3所示： (2.3)根据克希霍夫第二定律，可以得出，同步发电机的电势平衡如式2.4所示： (2.4)式中，为发电机输出的电压值，为发电机的总电抗值，为电枢电流，为每一相定子绕组的总电阻值，从平衡式2.4可以看出，可以将发电机看成是一个电势为E0，内阻为的电源。其等效电路如图2.3所示。图2.3 同步发电机等效电路Fig 2.3 Synchronous generator equivalent circuit2.2 同步发电机的电气故障现象及原因分析近几年以来，我国用电量越来越大，电力行业也紧跟着社会发展的步伐。发电机作为电力生产中最基础的设备，是电力系统的心脏，其稳定状态关系着整个电力系统的运行。随着用电量的扩大，发电机机组的容量也不停地在增加，现代电力系统中，大容量高参数的同步发电机占了工作机的绝大部分，这样的形势下，电力系统中必须要使用高性能的发电机，并且确保电机正常稳定的运行。当然，发电机运行过程中会受到各种各样的内在或者是外界因素的影响，因此必须对电机内部故障的检测方法进行研究，分析故障发生的原因，并及时采取措施，防止在运行的过程中发生事故，保证电机机组的安全。对于同步发电机来说，由于其内部发生故障，常会出现以下三种现象，第一是同步电机不发电的现象，第二是同步电机输出的电压发生欠压现象45，第三是同步电机电压降低的现象。造成同步发电机不发电的原因有以下几点，首先，可能是定子绕组被损坏，其次，可能是转子励磁绕组发生了短路的状况，再次，可能是同步发电机的定子绕组发生了短路，最后还有可能是励磁系统发生了故障44。造成同步发电机输出电压欠压的原因可能有转子、定子绕组短路，旋转压敏的电阻被损坏，励磁系统中各个插件接触不良。造成同步发电机输出电压降低的原因可能是励磁系统中各个插件连接错误。同步发电机出除了定子，转子，励磁绕组，电枢绕组这些基本部件意外，内部还有各种电气元件结构非常复杂，每一个元件故障都可能导致电机整体出现故障，以下总结几个出现故障几率较大的元件，并分析其故障机理。电流互感器故障，电流互感器的作用是为励磁绕组提供电流分量46，如果电流互感器的副边出现了断线的情况，会导致提供给励磁绕组的电流分量降低，从而造成同步发电机后端电压下降的现象。中间变压器故障，中间变压器有两个作用，其一是与电流互感器串联48，为电机提供补偿电流，其二是为调差装置提供调查电压，以调节无功电流，当中间变压器出现断路或者是接触不良时会造成后端电压下降的现象。旋转和压敏电阻故障，旋转和静止压敏电阻的作用是保护电机不会出现过电压状况，其被安装在同步发电机转子的旋转轴套上，常常会出现被击穿的状况，旋转和静止压敏电阻一旦被击穿则会导致同步发电机的电压下降，影响后续供电。2.3 同步发电机运行特性测试同步发电机稳态运行时，保持转速不变的情况下，其定子端电压U，电枢电流即负载电流I，励磁电流if存在着一定的关系，三个量中其中一个量改变，其他两个量随之改变。同步发电机有空载特性、短路特性、负载特性、外特性和调整特性这五种运行特性。其中可以通过空载特性测试，电机短路特性测试和功率因素为零时的负载测试来检测电机的基本性能，即得到电机本身的同步电抗值和漏电抗的值49。2.3.1 空载特性试验空载特性试验是当发电机在额定的转速（n）下空载运行（I=0）时，即电枢绕组处于开路状态时，得到空载电压与励磁电流之间的关系U=f（If），其目的是测量同步发电机处于额定电压下时的轴电压，测量同步发电机的空载灭磁常数等。测试步骤：1. 原动机带动同步发电机的转子转动，当转子转速达到额定转速n时，维持转速不变，向励磁绕组中通入励磁电流。2. 逐渐增大励磁电流，每隔一个固定的电流量读取并记录下相应的空载电势值，直到测得空载电压为额定电压的1.2倍时，停止增加励磁电流。3. 逐渐降低励磁电流量，每隔一个固定的电流量读取并记录下相应的空载电势，直到励磁电流减小到零。用记录下来的励磁电流量和对应的空载电势绘制出如图2.4所示空载特性曲线图。图2.4同步发电机空载特性曲线Fig 2.4 Synchronous generator load characteristic curve由于同步发电机中铁磁材料具有磁滞的特性，因此励磁电流上升和下降曲线并不重合，一般情况取两条曲线的平均值作为同步发电机的空载曲线。从空载特性曲线中可以看出发电机的设计是否合理，如果同步发电机的额定电压位于空载特性曲线开始走向平滑的位置，则认为该发电机的设计是经济合理的，空载特性曲线的另一作用是与短路特性配合，共同求出发电机的同步电抗值，空载特性还可以用于判断转子绕组有没有出现匝间短路的故障，若出现匝间短路，则同样的励磁电流下，空载电压会降低，相应的空载特性曲线也会下降。2.3.2 短路特性试验短路特性试验是当发电机在额定转速（n）下短路运行时（U=0）时，即电枢绕组处于短路状态时，得到的三相短路电流与励磁电流之间的关系Ik=f（If），其目的是是测量同步发电机处于额定定子电流时的轴电压，测量同步发电机短路时的灭磁时间常数等。测试步骤：1. 原动机带动同步发电机的转子转动，当转子转速达到额定转速n时，维持转速不变，向励磁绕组中通入励磁电流。2. 将同步发电机定子绕组的出线端两两连接，使其三相定子绕组处于短路状态。3. 逐渐增大励磁电流，每隔一个固定的电流量读取并记录下相应的定子短路电流，需要注意的是在试验过程中，励磁电流只能是呈逐渐增大的趋势。用记录下来的励磁电流量和对应的定子短路电流绘制出如图2.5所示短路特性曲线图。图2.5 同步发电机短路特性曲线Fig 2.5 Synchronous generator short circuit characteristic curve短路特性曲线中可以看出励磁电流与三相定子绕组短路时短路电流的关系，短路特性曲线可以用于判断转子绕组有没有出现匝间短路的故障，若出现匝间短路，则同样的励磁电流下，三相定子短路电流会下降，相应的短路特性曲线也会下降，短路特性曲线还可以用于计算同步发电机同步电抗等主要电机参数。2.3.3 负载特性试验负载特性试验是当发电机在额定转速（n）下，负载电流（I=IN）为常数，功率因素（cos=const）为常数时，得到的定子端电压与励磁电流之间的关系U=f（If）。测试步骤：1. 原动机带动同步发电机的转子转动，当转子转速达到额定转速n时，维持转速不变，向励磁绕组中通入励磁电流。2. 在电机定子绕组端接入可调节的纯电感的负载，确保功率因素为0，并保证定子电枢绕组的电流为固定值（IN） 3. 逐渐增大励磁电流，每隔一个固定的电流量读取并记录下相应的定子端电压。用记录下来的励磁电流量和对应的定子端电压绘制出如图2.6所示为零功率因素负载特性曲线图，其中虚线为相应的空载特性曲线。图2.6 零功率因素负载特性曲线Fig 2.6 Zero power factor load characteristic curve由图可以看出负载特性低于空载特性，负载电流越大，功率因素越低，负载特性曲线也就越低，因为大电流，小功率因素是，发电机具有较强的直轴去磁反应。在固定的定子电流和功率因素条件下，也可以根据负载特性曲线判定同步发电机转子匝间短路故障。2.4 定子绕组绝缘测试发电机的定子绕组是核心组成部分，是电能的直接载体，定子绕组的良好状态是保证发电机可靠运行重要部分，由于发电机在长期运作的过程当中，定子绕组一直被放在定子铁心内，会不断的受到发电机产生的热量，机械震荡，磁场等的联合作用。定子绕组的介电性能和电气强度等绝缘要素随着时间的推移逐渐降低，到了一定程度以后定子绕组会出现绝缘击穿的情况，即出现了定子绕组绝缘故障51。2.4.1 定子绕组介质损耗测试介质损耗测试用于检测发电机定子绕组的绝缘性能，定子绕组的绝缘介电性能受到许多因素的影响，比如电机受到外界潮湿空气干扰、定子绕组的端部和出线套管连接处有污垢、发电机内部有气隙使其发生放电等等52。测试步骤：1. 选择好测量所需器件，首先是介质损耗测试仪（M），这种介质损耗检测仪实施是一个光电耦合传感器，其次是一个标准的电容器（CR），再次是测量传感器和试验变压器。2. 选择某一相待测的定子绕组（CM），将选择好的定子绕组与需要用的器件连接成如图2.7所示的测试回路。3. 没有被测试的定子绕组，铁芯，机座等都进行接地操作。图2.7 定子绕组介质损耗测试电路图Fig 2.7 Test circuit diagram of stator winding