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答：發電機是發電廠的心臟設備，發電機按其驅動的動力大致可分為水輪發電機(水力)和汽輪發電機(蒸汽)。本書所涉及的內容均是指同步發電機(限于立式水輪發電機)。
發電機在正常運行時，在發電機定轉子氣隙間有一個旋轉的合成磁場，這個磁場由兩個磁場合成：轉子磁場和定子磁場。所謂“同步”發電機，就是指發電機轉子磁場的轉速(原動機產生)與定子磁場的轉速(電力系統頻率決定)相等。
轉子磁場由旋轉的通有直流電的轉子繞組(磁極)產生，轉子磁場的轉速也就是轉子的轉速，也即整個機組的轉速。轉子由原動機驅動，轉速由機組調速器進行調節，這個轉速在發電機的銘牌上都有明確標示。定子旋轉磁場由通過三相對稱電流的定子三相繞組(按120°對稱布置)產生，其轉速由式 確定(式中：p為轉子磁極對數；f為電力系統頻率；n為機組轉速)。從式中可見，對某一具體的發電機，其磁極對數是固定不變的，而我國電力系統的頻率也是固定的，即50Hz(也稱工頻)，可見每一具體的發電機的定子旋轉磁場的轉速在發電機制造完成后就是“定值”。當然，電力系統的頻率并不能真正穩定在50Hz的理
論值，而是允許在這個值的上下有微小的波動，也即定子磁場在運行中實際是在額定轉速值的周圍動態變化的。轉子磁場為了與定子磁場同步也要適應這個變化，也即機組的轉速作動態的調整。如果轉速不能與定子磁場保持一致，則我們說該發電機“失步”了。
2．什么是發電機的飛輪力矩 。?它在電氣上有什么意義?
答：發電機飛輪力矩 ，是發電機轉動部分的重量與其慣性直徑平方的乘積。看起來它是一個與電氣參數無關的量，其實不然，它對電力系統的暫態過程和動態穩定影響很大。它直接影響到在各種工況下突然甩負荷時機組的速率上升及輸水系統的壓力上升，它首先應滿足輸水系統調節保證計算的要求。當電力系統發生故障，機組負荷突變時，因調速機構的時滯，使機組轉速升高，為限制轉速，機組需一定量的 ， 越大，機組轉速變化率越小，電力系統的穩定性就越好。
與機組造價密切相關， 越大，機組重量越大、制造成本越大。
3．什么是發電機的短路比Kc?Kc與發電機結構有什么關系?
答：短路比Kc，是表征發電機靜態穩定度的一個重要參數。Kc原來的意義是對應于空載額定電壓的勵磁電流下三相穩態短路時的短路電流與額定電流之比，即Kc=Iko/IN。由于短路特性是一條直線，故Kc可表達為發電機空載額定電壓時的勵磁電流Ifo與三相穩態短路電流為額定值時的勵磁電流Ifk之比，表達式為：Kc=Ifo／Ifk≈1／Xd。Xd是發電機運行中三相突然短路穩定時所表現出的電抗，即發電機直軸同步電抗(不飽和值)。
如忽略磁飽和的影響，則短路比與直軸同步電抗Xd互為倒數。短路比小，說明同步電抗大，相應短路時短路電流小，但是運行中負載變化時發電機的電壓變化較大且并聯運行時發電機的穩定度較差，即發電機的過載能力小、電壓變化率大，影響電力系統的靜態穩定和充電容量。短路比大，則發電機過載能力大，負載電流引起的端電壓變化較小，可提高發電機在系統運行中的靜態穩定性。但Kc大使發電機勵磁電流增大，轉子用銅量增大，使制造成本增加。短路比主要根據電廠輸電距離、負荷變化情況等因數提出，一般水輪發電機的K，取0．9～1．3。 結構上，短路比近似的等于
可見，要使Kc增大，須減小A，即增大機組尺寸；或加大氣隙，須增加轉子繞組安匝數。
4．什么是發電機的直軸瞬變電抗Xd′?與發電機結構有什么
關系?
答：Xd′是代表發電機運行中三相突然短路初始時間(阻尼繞組的電流衰減后)的過渡電抗。直軸瞬變電抗是發電機額定轉速運行時，定子繞組直軸總磁鏈產生的電壓中的交流基波分量在突變時的初始值與同時變化的直軸交流基波電流之比。它也是發電機和整個電力系統的重要參數，對發電機的動態穩定極限及突然加負荷時的瞬態電壓變化率有很大影響。Xd′越小，動態穩定極限越大、瞬態電壓變化率越小；但Xd′越小，定子鐵芯要增大，從而使發電機體積增大、成本增加。Xd′的值主要由定子繞組和勵磁繞組的漏抗值決定。
結構上，Xd′與電負荷A、極距τ有如下關系：
k為比例系數。可見，要降低Xd′，必須減小A或加大τ，都將使發電機尺寸增大。
5．什么是發電機的直軸超瞬變電抗Xd〃?與發電機結構有什么關系? Xd〃的大小對系統有什么影響?
答：Xd〃是代表發電機運行中三相突然短路最初一瞬問的過渡電抗。發電機突然短路時，轉子勵磁繞組和阻尼繞組為保持磁鏈不變，感應出對電樞反應磁通起去磁作用的電流，將電樞反應磁通擠到勵磁繞組和阻尼繞組的漏磁通的路徑上，這個路徑的磁阻很大即磁導很小，故其相對應的直軸電抗也很小，這個等效電抗稱為直軸超瞬變電抗Xd〃，也即有阻尼繞組的發電機突然短路時，定子電流的周期分量由Xd〃來限制。
結構上，Xd〃主要由發電機定子繞組和阻尼繞組的漏抗值決定。
對于無阻尼繞組的發電機，則Xd〃= Xd′。
由于Xd〃的大小影響電力系統突然短路時短路電流的大小，故Xd〃值的大小也影響到系統中高壓輸變電設備特別是高壓斷路器的選擇，如動穩定電流等參數。從電氣設備選擇來說，希望Xd〃大些，這樣短路電流小一些。
6．阻尼繞組的作用是什么?
答：水輪發電機轉子設計有交、直軸阻尼繞組。阻尼繞組在結構上相當于在轉子勵磁繞組外疊加的一個短路鼠籠環，其作用也相當于一個隨轉子同步轉動的“鼠籠異步電機”，對發電機的動態穩定起調節作用。發電機正常運行時，由于定轉子磁場是同步旋轉的，因此阻尼繞組沒有切割磁通因而也沒有感應電流。當發電機出現擾動使轉子轉速低于定子磁場的轉速時，阻尼繞組切割定子磁通產生感應電流，感應電流在阻尼繞組上產生的力矩使轉子加速，二者轉速差距越大，則此力矩越大，加速效應越強。反之，當轉子轉速高于定子磁場轉速時，此力矩方向相反，是使轉子減速的。因此，阻尼繞組對發電機運行的動態穩定有良好的
調節作用。
7．3 Y接線是什么含義?發電機為何多采用星形接線?
答：在發電機銘牌或圖紙中，我們常見到發電機定子繞組的接線方式表示為Y、3 Y、5 Y等。這表示發電機是按星形方式接線。3 Y表示發電機定子繞組是3路星形并聯，也可以理解為3個星形接線的發電機并聯在一起。
由于發電機的磁通內有較強的3次諧波，如果發電機接成△線，則3次諧波會在△內形成回路，造成附加的損耗和發熱。此，發電機定子繞組一般接成Y形，使3次諧波不能形成回路。
8．什么是勵磁繞組?什么是電樞繞組?
答：在電機的定、轉子繞組中，將空載時產生氣隙磁場的繞稱為勵磁繞組(或激磁繞組)；將另一產生功率轉換(吸收或出有功功率)的繞組稱為電樞繞組。可見，水輪發電機的勵磁組就是轉子繞組，而定子繞組則是電樞繞組。異步電動機的勵繞組是定子繞組，而基本處于短路狀態下的轉子繞組則是電樞組。
9．什么是疊繞組?有何特點?什么是波繞組?有何特點?
答：疊繞組是任何兩個相鄰的線圈都是后一個線圈疊在前一線圈的上面。在制造上，這種繞組的一個線圈多為一次制造成，這種形式的線圈也稱為框式繞組。這種繞組的優點是短矩時
節省端部用銅，也便于得到較多的并聯支路。其缺點是端部的接線較長，在多極的大電機中這些連接線較多，不便布置且用量也很大，故多用于中小型電機。波繞組是任何兩個串聯線圈沿繞制方向象波浪似的前進。在造上，這種繞組的一個線圈多由兩根條式線棒組合而成，故也為棒形繞組。其優點是線圈組之間的連接線少，故多用于大型輪發電機。在現場，波繞組的元件直接稱呼為“線棒”。本書述中，多以“線棒”代替“線圈”。
10．什么是每極每相槽數g?什么是整數槽繞組?什么是分槽繞組?
答：對某一具體的發電機，發電機定子的槽數和轉子的磁極數都已確定。其中有一個重要的概念是每極每相槽數q。發電繞組由A、B、C三相組成，則每一相在定子中所占的槽數是
等的，各1／3；對應于轉子的每個磁極，各相在每個磁極下對應所占的定子槽數也是相等的。每極每相槽數q，即在每個磁極下，每一相應該占有的槽數。
式中Z——定子總槽數；
2p——磁極個數；
m——相數。
由公式可見，q值很容易求得。當q為整數時，則稱繞組為整數槽繞組；q為分數時，則稱繞組為分數槽繞組。如q=3，則表示一個磁極下，A、B、C三相在定子槽中各占有三槽。如
表示一個磁極下，A、B、c三相在定子槽中各占有 槽，也即分數槽。可是，一個定子槽是不可能劈開為分數的。 也即11／4，這就表示，每4個磁極下，A、B、c三相在定子槽中各占有1l槽，各相磁極下對應的總的槽數還是相等。
11．什么是分數槽繞組的循環數(或輪換數)?它是如何組成和確定的? ’
答：在發電機定子繞組圖紙的參數中，我們可以看到繞組循環數或輪換數，如某發電機定子為792槽，每極每相槽數 其繞組循環數為3233，這個數就是分數槽繞組的輪換數，它與每極每相槽數是密切相關的，它表示定子三相繞組的排列中各相對應布置
的定子槽數。
上述的3233，其4位數字相加：3+2+3+3=11；ll為定子槽數，“位數”4表示4個磁極，顯然兩數分別為每極每相槽數q=11／4的分子和分母。它表示定子的所有槽數排列順序為：按A相3槽、B相2槽、C相3槽、A相3槽(注意已排了一輪)、B相3槽、C相2槽、A相3槽、B相3槽(注意已排了兩輪)……，如此一直將所有的定子槽數排完(見圖2—1)。即按3233的順序將定子的全部槽數均分為三等分，如該發電機共有792槽，則以3233這個順序數排72輪(72×1l=792)，就將全部定子槽數排完了，每相占有264槽(參見本部分13題)。同為11／4，循環數當然也可排為2333或3332。之所以選3233，是根據各種排列在方塊圖上排列顯示后，以其連線最省的原則確定的。也即繞組線棒之間的連接方式，以選用端部接頭最少的波繞方式為佳，繞組端部接線的設計應使極問連接線的數量最少。
為節省篇幅，只標出一個支路的連接，中間部分槽省略。
12．什么是波繞組的合成節矩?合成節矩中的數值各代表什么意義?
答：合成節矩是用來表征波繞組連接規律的參數。它表明波繞組將各個線圈串接成完整繞組沿繞制方向前進的槽數，為相鄰兩線圈的對應邊相隔的槽數。如在發電機定子繞組圖紙上，我們看到繞組參數欄內標有類似1-7—14這樣的參數，這個參數就是繞組的合成節矩。
合成節矩Y=y1+y2；其中節矩y1，表明一個定子線圈的一根線棒在N極下而另一根線棒處在s極下，兩端相隔的定子槽數，1-7表示這個線圈一端在第1槽而另一端在第7槽，y1=
6：節矩y2，表示該線圈從第7槽出來后下一個相連的線圈槽號是第14槽，y2=7，則合成節矩Y=13。
14．分數槽繞組有何優缺點?
答：大型水輪發電機多采用分數槽繞組，其優點有：①能削弱磁極磁場非正弦分布所產生的高次諧波電勢；②能有效地削弱齒諧波電勢的幅值，改善電動勢的波形；③減小了因氣隙磁導變化引起的每極磁通的脈振幅值，減少了磁極表面的脈振損耗。
其缺點是分數槽繞組的磁動勢存在奇數次和偶數次諧波，在某些情況下它們和主極磁場相互作用可能產生一些干擾力，當某些干擾力的頻率和定子機座固有振動頻率重合時，將引起共振，導致定子鐵芯振動。因此，分數槽q值選擇不當也可能帶來很多隱患，這在實際發電機的運行中是有例子的。
15．什么是齒諧波電勢?削弱齒諧波電勢有哪些方法?
答：在發電機繞組電勢的分析中，首先是假定定子繞組的鐵芯表面是平滑的，但實際上由于鐵芯槽的存在，鐵芯內圓表面是起伏的，對磁極來說，氣隙的磁阻實際上是變化的。磁極對著齒部分，則磁阻小，對著鐵芯線槽口部分的氣隙磁阻就大，隨著磁極的轉動，就會由于氣隙磁阻的變化在定子繞組中感應電勢。這種由于齒槽效應在繞組中感生的電勢就稱為齒諧波電勢。
削弱齒諧波電勢的方法有：
(1)采用斜槽，即定子或轉子槽與軸線不平行。把定子槽做成不垂直的斜槽或將磁極做成斜極，當然這在大型發電機中是無法做到的。在小型電機如異步鼠籠電動機中，轉子繞組采用的就是斜槽。在一些中小型發電機中也采用了定子斜槽的方式，一般斜度等于一個定子槽距。
(2)采用磁性槽楔，即改善磁阻的大小。但目前沒有成熟技術，也只限于中、小型電動機上應用。
(3)加大定、轉子氣隙也能有效地削弱齒諧波，但會使功率因數變壞，故一般也不采用。
(4)采用分數槽繞組。這是目前大型水輪發電機廣泛采用的方法。
16．發電機運行中的損耗主要有哪些?
答：發電機的損耗大致可分為五大類，即定子銅損、鐵損、勵磁損耗、電氣附加損耗、機械損耗。發電機運行中，所有的損耗幾乎都以發熱的形式表現出來。
(1)定子銅損即定子電流流過定子繞組所產生的所有損耗。
(2)鐵損即發電機磁通在鐵芯內產生的損耗，主要是主磁通在定子鐵芯內產生的磁滯損耗和渦流損耗，還包括附加損耗。
(3)勵磁損耗即轉子回路所產生的損耗，主要是勵磁電流在勵磁回路中產生的銅損。
(4)電氣附加損耗則比較復雜，主要有端部漏磁通在其附近鐵質構件中產生的損耗、各種諧波磁通產生的損耗、齒諧波和高次諧波在轉子表層產生的鐵損等。
(5)機械損耗主要包括通風損耗、軸承摩擦損耗等。
17．發電機突然短路有哪些危害?
答：(1)發電機突然短路時，發電機繞組端部將受到很大的電動力沖擊作用，可能使線圈端部產生變形甚至損傷絕緣。
(2)定、轉子繞組出現過電壓，對發電機絕緣產生不利影響。定子繞組中產生強大的沖擊電流，與過電壓的綜合作用，可能導致絕緣薄弱環節的擊穿。
(3)發電機可能產生劇烈振動，對某些結構部件產生強大的破壞性的機械應力。
18．什么是絕緣的局部放電?發電機內的局放有哪幾種主要形式?
答：在電場的作用下，絕緣系統中絕緣體局部區域的電場強度達到擊穿場強，在部分區域發生放電，這種現象稱為局部放電(Partial Discharge)。局部放電只發生在絕緣局部，而沒有貫穿整個絕緣。
發電機中的局部放電主要有繞組主絕緣內部放電、端部電暈放電及槽放電(含槽部電暈)三種。此外，發電機中還有一種危害性放電，是由定子線圈股線或接頭斷裂引起的電弧放電，這種放電的機理與局部放電不同。
19．發電機主絕緣內的局部放電產生的原因是什么?有什么危害?
答：大型發電機定子線棒在生產過程中，由于工藝上的原因，在絕緣層問或絕緣層與股線之間可能存在氣隙或雜質；運行過程中在電、熱和機械力的聯合作用下，也會直接或間接地導致絕緣劣化，使得絕緣層間等產生新的氣隙。由于氣隙和固體絕緣的介電系數不同，這種由氣隙(雜質)和絕緣組成的夾層介質的電場分布是不均勻的。在電場的作用下，當工作電壓達到氣隙的起始放電電壓時，便產生局部放電。局部放電起始電壓與絕緣材料的介電常數和氣隙的厚度密切相關。
氣隙內氣體的局部放電屬于流注狀高氣壓輝光放電，大量的高能帶電粒子(電子和離子)高速碰撞主絕緣，從而破壞絕緣的分子結構。在主絕緣發生局部放電的氣隙內，局部溫度可達到1000℃，使絕緣內的膠粘劑和股線絕緣劣化，造成股線松散、股問短路，使主絕緣局部過熱而熱裂解，最終損傷主絕緣。
局部放電的進一步發展是使絕緣內部產生樹枝狀放電，引起主絕緣進一步劣化，最終形成放電通道而使絕緣破壞。
20．什么是電暈?電暈對發電機有什么危害?
答：發電機內的電暈(Corona)，是發電機定子高壓繞組絕緣表面某些部位由于電場分布不均勻，局部場強過強，導致附近空氣電離，而引起的輝光放電。可見，電暈是發電機局部放電的一種。它產生在絕緣的表面，它與我們所熟悉的一般戶外高壓電場下的導體附近的電暈是有所不同的。
與其他形式的局部放電相比，電暈本身的放電強度并不是很高，但電暈的存在大大的降低了絕緣材料的性能。表面電暈使絕緣表面局部溫度升高，電暈的熱效應及其產生的03和N2的化合物(03極易分解與空氣中的氮N2及水分化合生成酸)也會損壞局部絕緣，對黃絕緣來說是將絕緣層變成白色粉末，其程度的深淺與電暈作用時間有關，材料表面損壞后，放電集中于凹坑并向絕緣材料內部發展，嚴重時發展為樹枝放電直到擊穿。此外，電暈還使其周圍產生帶電離子，各種不利因數的疊加，一旦定子繞組出現過電壓，則就有造成線棒短路或擊穿的可能。黃絕緣的擊穿場強隨溫度的升高而略有下降，當溫度超過180℃時，其擊穿
場強將急劇下降。
21．發電機內哪些部位易產生電暈?
答：發電機一般在機內可能產生外部電暈的部位有：①線棒出槽口處。繞組出槽口處屬典型的套管型結構，槽口電場非常集中，是最易產生電暈的地方。②鐵芯段通風溝處。通風槽鋼處屬尖銳邊緣，易造成電場局部不均勻。③線棒表面與鐵芯槽內接觸不良處或有氣隙處。④端箍包扎處。⑤端部異相線棒間。繞組端部電場分布復雜，特別是線圈與端箍、綁繩、墊塊的接觸部位和邊緣，由于工藝的原因往往很難完全消除氣隙，在這些氣隙中也容易產生電暈。
22．發電機電暈與哪些因素有關系?
答：(1)與海拔高度有關。海拔越高，空氣越稀薄，則起暈放電電壓越低。
(2)與濕度有關。濕度增加，表面電阻率降低，起暈電壓下降。
(3)端部高阻防暈層與溫度有關。如常溫下高阻防暈層阻值高，則溫度升高其起暈電壓也提高。常溫下如高阻防暈層阻值偏低，起暈電壓隨溫度升高而下降。
(4)槽部電暈與槽壁間隙有關。線棒與鐵芯線槽壁間的間隙會使槽部防暈層和鐵芯間產生電火花放電。環氧粉云母絕緣最易產生局部放電的危險間隙在是O．2～0．3mm左右。目前我國高壓大電機采用的環氧粉云母絕緣的線膨脹系數很小，在正常運行條件下，環氧粉云母絕緣的線棒的膨脹量不能填充線棒和鐵芯間的間隙。這是與黑絕緣區別比較大的地方。
(5)與線棒所處部位的電位和電場分布有關。越高越易起暈，電場分布越不均勻越易起暈。
23．什么是電腐蝕?什么是內腐蝕和外腐蝕? 防止電腐蝕的措施有哪些?
答：電腐蝕是發生在發電機槽部定子線棒防暈層表面和定子槽壁之間因失去電接觸而產生的容性放電，從而引起線棒表面的腐蝕和損傷。這種容性放電的放電能量比純電暈放電要大得多，嚴合法與定子槽耦合法進行發電機局部放電在線監測。
