汽轮发电机是由汽轮机作原动机拖动转子旋转，利用电磁感应原理把机械能转换成电能的发电设备。发电机转子绕组内通入直流电流后，便建立转子磁场，这个磁场称主磁场，它随着汽轮发电机转子旋转。其磁通自转子的一个磁极出来，经过空气隙、定子铁芯、空气隙，再进入转子另一个相邻磁极，从而构成主磁通回路。由于发电机转子随着汽轮机转动，发电机磁极旋转一周，主磁极的磁力线被装在定子铁芯内的u、v、w三相绕组(导线)依次切割，根据电磁感应定律，在定子三相绕组内感应出相位不同的三相交变电动势。

假设汽轮发电机转子具有一对磁极(即一个N极、一个S极)，当汽轮发电机转子与汽轮机转子同轴高速旋转时，如汽轮机以3000转/分旋转时，这样发电机转子以50周/秒的恒速旋转，磁极极性也要变化50次，那么在发电机定子绕组内感应电动势也变化50次，同时在定子三相绕组内感应出相位不同的三相交变电动势，即频率为50赫兹的三相交变电动势。这时若将发电机定子三相绕组末端(即中性点)连在一起接地，而将发电机定子三相绕组的首端引出线与用电设备连接，就会有电流流过，这个过程即为汽轮机转子输入的机械能转换为电能的过程。

火力发电厂或核能发电厂的汽轮发电机皆采用卧式结构，如图1所示，发电机与汽轮机、励磁机等配套组成同轴运转的汽轮发电机组。汽轮发电机最基本的组成部件是定子、转子、励磁系统和冷却系统。

定子

汽轮发电机的定子如图2所示，由定子铁芯、定子绕组、机座等部件组成。

(1)定子铁芯。定子铁芯是构成磁路并固定定子绕组的重要部件，通常由0.5mm或3.5mm厚、导磁性能良好的冷轧硅钢片叠压而成。大型汽轮发电机的定子铁芯尺寸很大，硅钢片冲成扇形，再用多片拼装成圆形。

(2)定子绕组。定子绕组嵌放在定子铁芯内圆的定子槽中，分三相布置，互成120°角度，以保证转子旋转时在三相定子绕组中产生互成120°相位差的电动势。每个槽内放有上下两组绝缘导体(亦称线棒)，每个线棒分为直线部分(置于铁芯槽内)和两个端接部分。直线部分是切割磁力线并产生感应电动势的导体有效边，线棒端接部分则起到连接作用，把相关线棒按照一定的规律连接起来，构成发电机的定子三相绕组。中、小型汽轮发电机的定子线棒均为实心线棒，而大型汽轮发电机由于散热的需要，多采用内部冷却的线棒，譬如由若干实心线棒和可通水的空心线棒并联组成。

(3)机座及端盖。机座的作用是支撑和固定发电机定子铁芯。机座一般用钢板焊接而成，必须有足够的强度和刚度，并能满足通风散热的要求。端盖的作用是将发电机本体的两端封盖起来，并与机座、定子铁芯和转子一起构成发电机内部完整的通风系统。

转子

汽轮发电机的转子如图3所示，主要由转子铁芯、励磁绕组(转子绕组)、护环和风扇等组成，是汽轮发电机最重要的部件之一。由于汽轮发电机转速高，转子受的离心力很大，所以转子都呈细长形，且制成隐极式的，以便更好地固定励磁绕组。

(1)转子铁芯。发电机转子本体采用高强度、导磁性能良好的合金钢加工而成。沿转子本体表面轴向铣出用于放置励磁绕组的凹槽。槽的排列方式一般为辐射式，槽与槽之间的部分为齿，俗称小齿。未加工的部分通称大齿，大齿作为磁极的极身，是主磁通必经之路。

(2)励磁绕组。励磁绕组为若干个线圈组成的同心式绕组，线圈则用矩形扁铜线绕制而成。励磁绕组放在槽内后，绕组的直线部分用槽楔压紧，端部径向固定采用护环，轴向固定采用云母块和中心环。励磁绕组的引出线经导电杆连接到集电环上，再经过电刷引出。

(3)护环和中心环。汽轮发电机转速很高，励磁绕组端部承受很大的离心力，所以要用护环和中心环来紧固。护环把励磁绕组端部套紧，使绕组端部不发生径向位移和变形；中心环用以支持护环，并防止端部的轴向移动。

(4)集电环。集电环分为正、负两个集电环，由坚硬耐磨的合金锻钢制成，装于发电机转子的励磁端外侧。正、负两个集电环分别通过引线接到励磁绕组的两端，并借电刷装置引至发电机励磁系统上。

(5)风扇。风扇装于发电机转子的两端，用以加快气体在定子铁芯和转子部分的循环，提高冷却效果。

冷却系统

发电机运行时，其内部产生的各种损耗会转化为热能，引起发电机发热。尤其是大型汽轮发电机，因其结构细长，中部热量不易散发，发热问题更显得严重。如果发电机温度过高，会直接影响绝缘的使用寿命，因此冷却对于大型汽轮发电机是非常重要的问题。

励磁系统

励磁系统的主要作用是：

①发电机正常运转时，按主机负荷情况供给和自动调节励磁电流，以维持一定的端电压和无功功率的输出。

②发电机并列运行时，使无功功率分配合理。

③当系统发生突然短路故障时，能对发电机进行强励，以提高系统运行的稳定性。短路故障切除后，使电压迅速恢复正常。

④当发电机负荷突减时，能进行强行减磁，以防止电压过分升高。

⑤发电机发生内部故障，如匝间短路或转子发生两点接地故障时，能够对发电机自动减磁或灭磁。

发电机是电力系统的“心脏”，其能否安全运行，将直接关系到电力系统的稳定和电能的质量。汽轮发电机的绝缘材料长期处在高温和潮湿的恶劣环境下，并且承受着巨大的机械应力，极易发生绝缘故障。与变压器相比，发电机增加了旋转部分，除了电气绝缘故障外，还有各种机械故障。另外，发电机本身机械结构复杂，还有庞大的辅机设备，使得发电机系统的任一部件发生故障都可能导致整个系统停止运行。汽轮发电机的故障大致可归为以下几种典型故障：

(1)定子铁芯故障。

铁芯故障通常发生在大型汽轮发电机上。由于制造或安装过程中损伤了定子铁芯，形成片间短路，流过短路处的环流随时间逐渐增大，致使硅钢片熔化，并流入定子槽，从而烧坏绕组绝缘，最后因定子绕组接地导致发电机定子铁芯烧毁。小型发电机则可能由于自身振动过于剧烈、轴承损坏等原因，造成定、转子间摩擦而使定子铁芯损坏。这类故障的早期征兆是大的短路电流、高温和绝缘材料的热解。

(2)绕组主绝缘故障。

1)绝缘老化。主要发生在大容量的汽轮发电机定子槽内。环氧云母绝缘因存在放电而受损，最后引发绝缘事故。

2)绝缘的先天性缺陷。主绝缘中存在空洞或杂质而引起局部放电，局部放电进一步发展，从而引起绝缘故障。

(3)定子绕组股线故障。

绕组股线故障主要是股线短路故障，多发生在电负荷大，定子绕组承受较大的电、热以及机械应力的大型发电机中。定子线棒通常由多根股线组合而成，股间有绝缘，并需进行换位。在运行中，若发生严重的绕组振动，则可能损坏股线间的绝缘，导致股线问短路而产生电弧放电，进而侵蚀和熔化其他股线，破坏定子线棒的主绝缘，可能发生接地故障或相间短路故障。另外，当绕组振动过大时，也会引起槽口等处的定子线棒股线问的绝缘疲劳断裂，从而导致电弧放电。

(4)定子端部绕组故障。

发电机运行时，持续的机械应力或因暂态过程产生巨大的冲击力，可使定子端部绕组发生机械位移。大型汽轮发电机中，此类位移有时可达几毫米，从而使端部产生振动，引发疲劳磨损，使绝缘材料出现裂缝，从而发生局部放电。这类故障的先兆是振动和局部放电。

(5)转子绕组故障。

汽轮发电机转子绕组故障主要是由于电、热、机械应力引起的。譬如，转子离心力使转子绝缘损坏从而引起绕组匝间短路，造成局部过热，进而损坏主绝缘。匝间短路会使发电机转子出现磁通量不对称，转子受力不平衡，引起转子振动。可通过监测机组振动是否加大，气隙磁通波形畸变程度等现象来诊断该类故障。

(6)转子本体故障。

强大的离心力同样也可能引起转子本体故障。

例如：转子自重力的作用导致刚体疲劳，使转子本体及与之相连的部件的表面发生裂纹；进一步发展，将导致转子发生灾难性的故障。转子过热也会引起严重的疲劳断裂；电力系统突发暂态过程时，会对转子产生冲击应力，若发电机和系统之问存在共振条件时，转子会激发扭振现象。转子或联轴器发生机械故障时，会导致转子偏心引起振动，引发转子本体故障。

(7)冷却水系统故障。

因冷却水质不洁等原因会引起部分冷却水管道堵塞，导致汽轮发电机局部过热，并最后烧坏发电机绝缘。其先兆是定子线棒或冷却水的温度偏高，材料热解使冷却介质中产生杂质微粒，使发电机的放电量增加。

1)在设计制造过程中，要根据发电机容量、工作环境和运行要求进行电磁设计，科学合理地加工部件和正确选择电机材料。譬如，发电机绝缘材料选用不当、材料不符合规定，都会造成绝缘材料磨损、腐蚀、变形、破裂和老化等。

2)汽轮发电机组自身的结构特点。例如，由于发电机冷却水系统的故障，引起部分冷却水管道堵塞或漏水，导致汽轮发电机局部过热或绕组受潮，并最后烧坏发电机绝缘。

3)汽轮发电机组自身的工作特点。汽轮发电机的绝缘材料长期处在高温和潮湿的恶劣环境下，并且承受着巨大的机电应力，极易发生绝缘故障。由于汽轮发电机与大电网相连，当电力系统突发暂态过程时，会对转子产生冲击。机电系统之间存在共振条件时，会引发破坏性的转子扭振现象。

1)安装调试不到位。汽轮发电机组在运输、安装、调试的环节中出现问题，造成设备故障缺陷。譬如，汽轮发电机在安装或大修后，如果轴系对中不好，或者发电机定子和转子的中心不重合，极易引起轴系的弯曲振动，破坏机组转子本体及转子绝缘。

2)运行操作管理问题。运行人员没有按照操作规程正确调控发电机组，或者采取了错误的操作方法，造成人为故障等。譬如，使发电机组长期超负荷运行，会引起发电机过热，使发电机绝缘过早老化。

3)维护管理问题。维护人员没有严格按照维护规定的技术要求完成各项工作。在维修过程中，如果维修不当，没有达到修理技术要求，修理质量不高，很容易造成发电机组内部绝缘被人为损伤。