2025年同步发电机考试题及答案

2025年同步发电机考试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.某同步发电机额定容量为300MVA，额定电压18kV，额定功率因数0.85（滞后），其额定有功功率为（）。A.255MWB.300MWC.352.9MWD.285MW2.同步发电机带感性负载运行时，电枢反应的主要性质是（）。A.交磁作用B.直轴去磁C.直轴增磁D.交轴去磁3.现代大型同步发电机普遍采用自并励励磁系统，其主要优点是（）。A.响应速度快B.备用电源可靠C.励磁容量大D.结构复杂但维护方便4.同步发电机功角特性曲线中，电磁功率的最大值与（）成正比。A.端电压平方B.励磁电动势与端电压乘积C.同步电抗D.转子转速5.同步发电机失磁保护中，反映机端测量阻抗进入异步圆的判据主要用于（）。A.检测完全失磁B.检测部分失磁C.防止误动D.闭锁保护6.同步发电机短路比（SCR）的定义是（）。A.空载额定电压时的励磁电流与短路额定电流时的励磁电流之比B.短路额定电流时的励磁电流与空载额定电压时的励磁电流之比C.空载额定电压与短路额定电流之比D.直轴同步电抗与交轴同步电抗之比7.同步发电机进相运行时，其功率因数为（）。A.滞后B.超前C.1D.08.同步发电机不对称运行时，转子表面产生的损耗主要由（）引起。A.正序电流B.负序电流C.零序电流D.直流分量9.同步发电机灭磁开关的主要作用是（）。A.切断励磁电流B.限制过电压C.提高系统稳定性D.调节无功功率10.同步发电机与无穷大系统并列时，若频差过大，会导致（）。A.冲击电流过小B.转子机械应力过大C.有功功率无法调节D.无功功率震荡二、填空题（每空1分，共20分）1.同步发电机的基本结构由______和______两大部分组成，其中转子分为______和______两种类型。2.同步发电机的空载特性是指______时，______与______的关系曲线。3.短路比（SCR）越大，说明发电机的直轴同步电抗越______，静态稳定性越______。4.同步发电机的交轴同步电抗Xq反映了______电枢反应对气隙磁场的影响，其数值通常______（大于/小于）直轴同步电抗Xd。5.强行励磁的作用是当系统发生故障导致机端电压降低时，快速______励磁电流，以提高______和______。6.同步发电机的次暂态电抗X''d用于计算______短路电流，其数值比暂态电抗X'd更______（大/小）。7.同步发电机进相运行时，受限于______温度、______稳定性和______电压水平。8.同步发电机不对称运行时，负序电流会在转子中感应出______频率的电流，导致______过热。9.灭磁开关的灭磁时间应尽可能短，以减少______在转子绕组中的能量积累，防止______。10.同步发电机准同期并列的条件是______、______、______和______。三、简答题（每题6分，共48分）1.简述隐极同步发电机与凸极同步发电机在电磁关系上的主要区别。2.分析同步发电机带容性负载时电枢反应的特点及其对端电压的影响。3.解释同步发电机功角δ的双重物理意义，并说明其在稳定运行中的作用。4.自并励励磁系统与无刷励磁系统相比，各有哪些优缺点？5.同步发电机失磁后，机端测量阻抗会如何变化？失磁保护为何需要设置多个判据？6.同步发电机进相运行时，为何需要限制定子铁芯端部温度？7.不对称负载下，同步发电机转子表面损耗由哪些部分组成？简述其危害。8.短路比（SCR）对发电机的运行性能有哪些影响？举例说明。四、计算题（每题8分，共40分）1.某汽轮发电机额定容量SN=600MVA，额定电压UN=22kV，额定功率因数cosφN=0.9（滞后）。求：（1）额定有功功率PN；（2）额定电流IN；（3）若励磁系统额定输出功率为发电机额定容量的0.8%，求励磁系统额定功率Pfe。2.某同步发电机空载额定电压为UN时，励磁电流If0=450A；三相稳态短路额定电流IN时，励磁电流Ifk=300A。求该发电机的短路比SCR，并判断其直轴同步电抗标幺值Xd（以发电机额定容量为基准）。3.一台隐极同步发电机与无穷大系统并列运行，端电压U=1.0（标幺值），励磁电动势Eq=1.5（标幺值），直轴同步电抗Xd=1.8（标幺值）。求：（1）功角特性表达式；（2）最大电磁功率Pmax；（3）当功角δ=30°时的电磁功率Pe，并判断此时是否处于稳定运行区域。4.某同步发电机在不对称运行时，定子负序电流I2=0.15IN（标幺值），转子材料的允许负序电流持续时间常数A=40。求：（1）负序电流平方与时间的乘积I2²t；（2）若实际运行时间t=10s，是否超过转子允许温升限制？5.同步发电机与无穷大系统准同期并列，系统频率fs=50Hz，发电机频率fg=50.2Hz，允许频差Δf=0.2Hz，允许相角差Δδ=5°（电角度）。求：（1）频差允许范围内，发电机与系统的频率差最大值；（2）相角差Δδ对应的并列允许时间窗口（以秒为单位）。五、分析题（每题8分，共40分）1.某300MW同步发电机运行中突然出现励磁系统故障，励磁电流大幅下降，机端电压降低，有功功率基本不变。试分析：（1）此时发电机处于何种运行状态？（2）定子电流、功率因数如何变化？（3）若不及时处理，可能导致哪些后果？2.同步发电机带突增负载时，端电压会暂时下降。结合励磁系统动态响应过程，分析AVR（自动电压调节器）如何调节励磁电流以恢复端电压，并说明强励倍数对调节效果的影响。3.某电厂同步发电机进相运行时，厂用电母线电压偏低，影响辅机运行。试从发电机进相深度、厂用电接线方式、无功补偿设备配置等方面，提出至少3种解决措施，并分析其原理。4.同步发电机发生单相接地短路时，零序电流保护动作，但定子绕组温度未明显升高。试分析可能的原因（需结合零序电流分布、短路电流路径、绕组结构等因素）。5.调峰运行中，某600MW同步发电机频繁启停，检修时发现转子绕组匝间短路故障。试分析频繁启停与匝间短路的关联机制，并提出预防措施。答案一、选择题1.A2.B3.A4.B5.A6.A7.B8.B9.A10.B二、填空题1.定子；转子；隐极式；凸极式2.转子以同步转速旋转、定子绕组开路；端电压；励磁电流3.小；好4.交轴；小于5.增大；系统电压；暂态稳定性6.三相突然；小7.定子铁芯端部；静态；厂用电8.两倍；转子表面9.能量；绕组过热10.电压大小相等；频率相同；相位一致；相序相同三、简答题1.隐极机转子为圆柱形，气隙均匀，直轴与交轴磁阻相等（Xd=Xq），电磁关系对称；凸极机转子有明显磁极，气隙不均匀（直轴磁阻小、交轴磁阻大），Xd>Xq，电磁关系需考虑双反应理论，功角特性包含基本电磁功率和附加电磁功率两部分。2.容性负载时，电枢电流超前端电压，电枢反应磁动势与励磁磁动势夹角小于90°，直轴分量为增磁作用；端电压会因电枢反应增磁和漏抗压降减小而升高，可能导致过电压。3.功角δ既是励磁电动势Eq与端电压U的相位差（电磁角度），也是转子主磁极轴线与气隙合成磁场轴线的空间夹角（机械角度）。稳定运行时δ<90°，此时电磁功率随δ增大而增大；δ>90°时进入不稳定区，扰动易导致失步。4.自并励系统优点：结构简单、响应速度快（无旋转励磁机延迟）、成本低；缺点：强励时需从机端取能，系统故障时机端电压降低可能影响强励效果。无刷励磁系统优点：无滑环电刷，维护方便，励磁电源独立；缺点：响应速度较慢，无法直接测量转子电流，故障诊断困难。5.失磁后，发电机从同步运行转为异步运行，机端测量阻抗从感性区（Eq/U>1）逐渐进入容性区，最终落入异步圆（反映转差率增大）。设置多个判据（如低励限制、静稳边界、异步圆）可区分失磁故障与正常进相运行，避免误动或拒动。6.进相运行时，定子电流超前，电枢反应去磁，气隙磁场减弱，定子铁芯端部漏磁通增大，涡流损耗增加，导致端部铁芯和压指温度升高，超过材料允许温度会加速绝缘老化甚至损坏。7.转子表面损耗包括：负序电流在转子表面感应的两倍频电流引起的涡流损耗，以及转子齿顶、槽楔等部位的集肤效应损耗。危害：导致转子局部过热（如槽楔、护环与转子本体接触处），可能引发护环变形、绕组绝缘损坏。8.短路比SCR=1/Xd（标幺值），SCR越大，Xd越小。影响：（1）静态稳定性：SCR大则最大电磁功率Pmax=EqU/Xd大，静态稳定极限高；（2）电压调整率：SCR大则负载变化时端电压波动小；（3）发电机尺寸：SCR大需增大励磁绕组或转子体积，成本增加。例如，水轮发电机因需要较高稳定性，SCR通常为1.0~1.5，大于汽轮发电机的0.5~0.7。四、计算题1.（1）PN=SN×cosφN=600×0.9=540MW；（2）IN=SN/(√3UN)=600×10³/(√3×22)=15746A；（3）Pfe=0.8%×SN=0.008×600=4.8MW。2.SCR=If0/Ifk=450/300=1.5；因SCR=1/Xd（以发电机额定容量为基准），故Xd=1/1.5≈0.667。3.（1）隐极机功角特性Pe=(EqU/Xd)sinδ=(1.5×1.0/1.8)sinδ≈0.833sinδ；（2）Pmax=0.833（标幺值）；（3）δ=30°时，Pe=0.833×sin30°=0.4165（标幺值），因δ=30°<90°，处于稳定区域。4.（1）I2²t=(0.15)²×t=0.0225t；（2）允许I2²t≤A=40，当t=10s时，实际I2²t=0.0225×10=0.225≤40，未超过限制。5.（1）频差最大值Δf=|fg-fs|=0.2Hz（符合允许值）；（2）相角差Δδ=5°=5×π/180≈0.0873rad，频差Δf=0.2Hz，角频率差Δω=2πΔf=0.4πrad/s，允许时间t=Δδ/Δω≈0.0873/(0.4π)≈0.069s。五、分析题1.（1）失磁运行状态（从同步发电机转为异步发电机）；（2）定子电流增大（因需从系统吸收无功），功率因数变为超前（吸收容性无功）；（3）后果：转子过热（转差率增大，感应电流增加）、系统电压降低（影响稳定性）、可能失步跳闸。2.负载突增时，端电压U下降，AVR检测到ΔU<0，增大励磁电流If，使Eq升高，根据功角特性Pe=(EqU/Xd)sinδ，Eq增大可补偿U下降，恢复端电压。强励倍数（强励时最大励磁电流与额定励磁电流之比）越大，Eq上升越快，电压恢复时间越短，有利于提高暂态稳定性，但需考虑励磁绕组热容量。3.措施：（1）限制进相深度（减小超前无功输出，降低定子电流超前角度，减少端部漏磁通）；（2）厂用电母线加装静止无功补偿器（SVC）或电容器组（直接补偿母线无功，提高电压）；（3）调整厂用电接线方式（如切换至高压母线供电，减少线路压降）；（4）发电机升压变低压侧配置有载调压分接头（通过调整变比提升厂用电电压）。4.可能原因：（1）单相接地发生在绕组中性点附近，零序电流主要流经中性点接地电阻，绕组内部短路电流小；（2）定子绕组采用双星形接线，零序电流在两星形绕组中抵消，实际短路电流小；（3）接地故障为高阻接地（如绝缘