发电机励磁和自动灭磁开关.doc

何为发电机励磁和自动灭磁开关（灭磁讲座之一）前言 励磁陈小明溯江而上开博一年多，得到了许多朋友的厚爱和支持，特别是得到了励磁界朋友的肯定，本人既高兴又惶恐，一直想写一些励磁技术培训博客感谢大家。 在励磁网上的论坛里，发现发电机灭磁技术，特别是自动灭磁开关的技术问题很热门，故决定在这个辞旧迎新的日子里，首先开始灭磁技术讲座，阐述我个人对灭磁技术的理解，希望大家喜欢，希望大家评论和留言，或给我发邮件，互相学习和交流，共同进步。 2009年12月21日，我带着这个想法征求葛洲坝电厂黄大可老师的意见，他很支持，并且给了我一本他自己翻印的书，有了他的支持，更加增添了我的决心和信心，尽管我们在很多技术问题上看法不尽相同，但是对于传播励磁知识，都有一个火热的心。 何为发电机励磁和自动灭磁开关？ 由发电机、变压器和输电设备构成的电力系统，只向广大用户提供一种产品，那就是电。衡量这种产品的质量指标主要有两个，一个是频率，一个是电压。保证频率的稳定需要发电机调速器，保证电压的稳定需要发电机励磁装置。 从结构上讲，发电机分为静止的定子和旋转的转子，励磁装置向转子提供可以调节的直流电流产生旋转磁场，旋转磁场切割定子线圈产生交流的感应电势，感应电势经过输电线路向用户提供电力。用户的电压过低就增加励磁，电压过高就减少励磁，最终保持电力系统电压的稳定，这是直流励磁的同步发电机励磁装置的最基本原理。 目前还有少量的交流励磁的同步发电机，例如双馈风力发电机，此时的励磁装置输出可以调整幅值和频率的交流励磁电源，励磁的作用不仅只是稳定电压，还可以小范围的稳定频率。 无论何种励磁，只有在发电机正常运行时需要励磁，当发电机停机备用、检修和故障时，我们都需要快速安全的减小励磁，使发电机的磁通降低到接近于零的过程称为灭磁过程。 最简单的灭磁方式是断开转子绕组。但是由于回路电感很大，在转子绕组两端产生相当大的过电压，会使绝缘击穿。因此，灭磁时必须使转子绕组接至放电电阻或反电势上。执行这种操作的电器称为自动灭磁开关。 同步发电机安全可靠的灭磁，是一个不仅关系到励磁系统本身安全，而且直接关系到整个电力系统安全运行的大问题。 灭磁是发电机内部短路时限制故障扩大的唯一办法。 发电机灭磁技术的演变，首先跟随了励磁技术的演变，其次就是自动灭磁开关的演变。灭磁技术的演变按照灭弧栅灭磁，线性电阻灭磁，非线性电阻灭磁发展，逆变灭磁和交流灭磁，伴随着现代励磁的基础即三相全控桥整流电路的出现而发展。 在灭磁系统中，自动灭磁开关占据很重要的地位，其分类复杂。按照灭磁开关是否参与吸收灭磁能量，分为耗能型（灭弧栅灭磁）和移能型（电阻灭磁）；按照灭磁开关的断口数量，分为多断口（正极断口、负极断口、常闭断口、主断口、弧断口）和单断口；按照灭弧栅片是金属还是非金属，分为短弧原理灭弧栅和长弧原理灭弧栅；按照灭磁开关安装位置，分为直流灭磁开关和交流灭磁开关。 本灭磁技术讲座，主要分析四种自动直流灭磁开关，这里按照上面的分类进行简要说明，以后再进行专门分析。（DM2单断口灭磁开关，一个灭弧罩，主触头和弧触头分离（二者并联），采用铜片灭弧栅片，属于短弧原理灭弧栅，耗能型开关，可以吸收4MJ左右的能量）（DM4双断口灭磁开关，两个灭弧罩，只有一种触头，即主触头和弧触头共用，采用绝缘材料灭弧栅片，属于长弧原理灭弧栅，移能型开关，但也可以吸收0.2MJ左右的能量）（CEX98/06双断口+放电断口灭磁开关，主触头和弧触头分离，弧触头和放电触头配灭弧罩，一个弧触头一个灭弧罩，弧触头的数量可以在1-4个数量中选配，采用铁片灭弧栅片，属于短弧原理灭弧栅，移能型灭磁开关，每一个灭弧罩大约可以吸收0.05MJ左右的能量）（HPB单断口灭磁开关，只有一种触头，采用铁片灭弧栅片，属于短弧原理灭弧栅，移能型灭磁开关，可以吸收0.9MJ左右的能量） 一般来说，带常闭断口的开关是专门用于灭磁的开关；双断口灭磁开关，在停机后可以隔离发电机转子与励磁装置回路，有利于检修试验。 由于励磁装置灭磁设备主要考虑的是安全、快速的吸收转子能量，因而灭磁方式的分类主要是按吸收能量方式来划分的： 需要说明的是，移能放电灭磁系统中也有灭磁开关，但是其主要作用是切断励磁电流回路，即利用灭磁开关断开励磁绕组时产生的反电势，将励磁电流转移到灭磁电阻中，并通过灭磁电阻来吸收磁场能量。因此，放电灭磁系统中的灭磁开关也称为磁场断路器。而开关灭磁系统中的灭磁开关，不仅要切断励磁电流回路，还要利用灭弧栅片来吸收整个灭磁能量，此时，开关的负担很大，往往不能满足大型水电站的灭磁需要，故纯粹的开关灭磁方式越来越少见，电阻灭磁方式越来越普遍。何为自动灭磁开关的弧压（灭磁讲座之二） 何为自动灭磁开关弧压，简单的说就是电弧电压，就是灭磁开关在分断过程中，因为转子电流不能突变而拉弧所建立的电弧电压。也有人称之为断口弧压、分断弧压、断流弧压等。 在灭磁开关的选型设计中，我们常常会经常谈到灭磁开关弧压。我们总是担心设计选型的灭磁开关弧压不够，灭磁失败造成灭磁开关烧毁。这种担心是有道理的，以前我们很多电厂多次发生灭磁失败，有的烧毁灭磁开关，有的烧毁励磁功率柜，满柜的电气设备被烟熏火燎，宽大的绝缘板被击穿，硕大的导电铜排化为一娄黑烟，整个现场惨不忍睹。 分析这些灭磁失败事故，大多数的结论就是灭磁开关弧压不够，使得发电机转子能量不能成功转移到灭磁电阻，炙热的弧电流将灭磁开关烧毁。 阐述灭磁开关弧压在灭磁中的作用，我们首先要清楚现在的灭磁方式都是属于电阻放电灭磁，正常运行时灭磁电阻不投入工作，事故停机灭磁时，灭磁电阻立即并联在发电机转子两端，巨大的转子磁能向这个灭磁电阻放电。 其次，我们还有了解灭磁电阻。目前使用的灭磁电阻，就其伏安特性来说有两种，分为线性电阻和非线性电阻，而非线性电阻又分为氧化锌电阻和碳化硅电阻。氧化锌电阻的伏安特性很硬，只有当外加电压大于其击穿电压，氧化锌电阻才导通，而碳化硅电阻很软，只要外加电压就导通。汽轮发电机组一般采用线性电阻灭磁，水轮发电机组一般采用非线性电阻灭磁，国内采用氧化锌电阻，国外采用碳化硅电阻。大型水电站也采用碳化硅灭磁电阻，理由只有一个：碳化硅电阻特性软，灭磁初始需要的开关弧压低，尽管由于其稳压特性不好，造成灭磁时间过长，但是灭磁安全性较氧化锌电阻好。下面是三种灭磁电阻的外形照片和伏安特性曲线。 有了上面的预备知识，我们再利用下面这个灭磁原理接线图进行分析，让大家进一步了解灭磁开关弧压以及在灭磁过程中的重要性。（可控硅励磁整流器LP、直流灭磁开关MK、发电机转子绕组LQ、非线性灭磁电阻Rv，整流器输出电压Uz、灭磁开关弧压Uk、灭磁电压UL，灭磁开关电流Ik、灭磁电阻电流IRv、转子电流IL） 看见这个经典的灭磁原理接线，我们应该立即得出这样的判断：电阻放电灭磁，是自动灭磁开关配合氧化锌电阻灭磁方式。 在上图中，正常运行励磁时MK闭合，Uz=-UL，灭磁电阻Rv不导通，Ik=IL，IRv=0。当我们跳灭磁开关灭磁，触头断开瞬间，在动静主触头间产生高强度电场，产生金属和空气电离即形成电弧，相当于在这个电感回路突然加入了一个变化的弧电阻，流经开关的电流在这个弧电阻上就形成我们称之的弧压，弧电阻变化率越高弧压就越高，弧电流越大弧压也越高。在这个具有大电感的转子回路突然加入一个变化的弧电阻，就会改变转子电流变化率，就会在转子两端产生感应反电势UL，弧电阻变化率越高，感应反电势就越高；转子电感量越大，感应电势所具有的能量也就越大。感应反电势UL的大小说明了灭磁开关Uk的弧压大小。影响弧电阻的因素有很多，其中最主要的因素就是灭磁开关触头断开的速度和灭弧室以及灭弧栅片的结构。 在上图中，要想让灭磁开关的电弧熄灭，只有两个途径，第一，灭弧栅片巨大，能够将所有电弧的能量，也就是转子磁能全部消耗；第二，尽快将开关电流转移到灭磁电阻上，用灭磁电阻来消耗转子磁能。第一种方式就是传统的开关灭磁，不需要灭磁电阻，第二种方法就是电阻放电灭磁，转子磁能变为电阻热能。 实现电阻灭磁的关键，就是快速的让灭磁电阻导通，而灭磁电阻的导通依赖于灭磁电阻上的反压，也就是转子感应电势的反压。只有当转子反压高于氧化锌电阻的击穿电压后，转子电流才能流经电阻，实现IL=IRv，Ik=0，此时，我们把灭磁电阻两端的电压称为灭磁电压UL。 从上面电路的回路方程上看，在励磁整流柜输出Uz不变的情况下，要想转子反电势高，也就是要求灭磁开关的弧压Uk高，只有当灭磁开关的弧压Uk Uz+UL，灭磁电阻才能导通，灭磁能量才能转移。Uk Uz+UL就是保证电阻灭磁方式成功灭磁换流的关键公式，是我们进行灭磁开关选择的安全校核标准。 无论灭磁开关的灭弧室有多大，无论采用何种灭磁电阻，按照灭磁换流公式Uk Uz+UL进行安全校核总是正确的。但是，如果我们针对不同的灭弧室大小以及不同的灭磁电阻大小来分析灭磁换流公式，会使得我们对整个灭磁过程更加清晰，会是我们的技术工作趋于务实。 比如，如果采用线性电阻和碳化硅灭磁电阻，上面电路中的RV只能在跳开关灭磁后投入，当UkUz后，转子两端就呈现反向电压，RV就导通，灭磁能量已经开始消耗。如果此后的Uk不能大于Uz+UL，比如说还差一点或者说裕度不够，尽管灭磁开关还不能熄弧，但是灭磁电阻依然还在耗能，只要灭磁开关的灭弧室具有一定的热容量，最后转子磁能由灭磁电阻和灭磁开关共同消耗，最终灭磁也能完成。可见，在灭磁开关具有一定的弧容量下，线性电阻和碳化硅电阻灭磁换流公式Uk（Uz+UL）的90%也可以。有了这样的概念，我们就会了解国外所有水电机组和国内大型水电机组都采用碳化硅灭磁电阻的原因，有了这样的概念，我们就能理性的对待灭磁弧压，我们的技术设计就会既先进又经济，更加务实。 一旦采用了碳化硅灭磁电阻，已经说明设计理念是以牺牲灭磁速度来确保灭磁安全，此时再谈如何提高灭磁速度，意义已经不大，对此，我们应该有清醒的认识。如何测量灭磁开关弧压（灭磁讲座之三）(2009-12-31 16:24:00) 转载标签： 开关弧压换流公司电阻残压测量科聚公司安徽杂谈分类： 灭磁技术讲座 正如前文所述，灭磁开关弧压是一个很重要参数，开关厂家需要计算和设计这个参数，励磁厂家需要使用这个参数，我们现场励磁技术人员则要关注这个参数，必要时应该测量这个参数。 不要以为这个参数可以在发电机励磁回路测量的到，实际上，我们在发电机励磁回路测量的灭磁开关弧压，是一个受到电源电压，特别受到灭磁电阻电压限制的弧压，而不是我们灭磁开关选型所需要的开关弧压。 我们还是用这个经典的发电机灭磁原理图来分析。由于采用的是氧化性灭磁电阻，其稳压特性很好，当转子反向电压大于灭磁电阻的击穿电压后，灭磁开关电流从开始转移到到换流结束，灭磁电阻两端电压基本维持不变，这里用UL表示。这里的灭磁电阻击穿电压，其专业名称是灭磁电阻残压，是大电流下的电阻电压。 按照基尔霍夫定律定律来看，Uk-Uz-UL=0，则Uk=Uz+UL；Ik+IRv-IL=0，则IL=Ik+IRv。灭磁前Uk=0，Uz=UL；IL=Ik，IRv=0。灭磁瞬间，按照大电感回路的换路定律，IL不变，要想让开关分断即Ik=0，则需要灭磁电阻导通即IRv=IL，而灭磁电阻导通，则需要外加UL足够大。在Uz不变的情况下，只有Uk足够大，才能使UL足够大，于是我们说Uk Uz+UL就是保证电阻灭磁方式成功灭磁换流的关键公式。 在上图中，我们假设氧化锌电阻的残压选为10