发电机灭磁与过电压保护

1 绪论随着我国电力工业的发展，对发电机安全稳定运行提出了更高的要求，励磁系统性能的优劣是 机组安全运行的关键之一。当发电机内部故障或停机时，继电保护装置能快速把发电机与系统断开。 但电机的惯性使转子转速不能突变，储藏在励磁绕组中的磁场能也不能迅速消失，励磁电流突变势 必在转子绕组两端引起相当大的暂态过电压，这将造成电机内部绝缘损坏等问题。因此，发电机出 现故障停机时必须把转子励磁绕组的磁场能尽快地减弱到可能小的程度，这就是所说的灭磁。灭磁 的关键是：断流和消磁。相应的灭磁保护装置主要包括两大部分，一是磁场断路器或灭磁开关，二 是吸能限压元件，即灭磁电阻。灭磁开关起断流和部分消磁的作用；灭磁电阻起消磁耗能的作用。 所论述的灭磁方式、设计灭磁方案都是围绕断流和消磁来展开。目前常用的磁场断路器及非线性电 阻灭磁系统，在某些电站的实际运行中曾发生灭磁失败致烧毁励磁系统设备事故，暴露了灭磁系统 在参数设计及设备选择上存在的一些问题，包括磁场断路器的性能参数要求及其选择计算方法、灭 磁电阻容量要求及其选择计算方法、对灭磁时间的要求、发电机应考虑的严重灭磁工况等。本文试 图对这些问题进行分析，并以这些依据设计出合理的灭磁方案。2 灭磁方式及原理2.1 灭磁方式灭磁系统从原理上分有两种：灭磁开关耗能型灭磁方式和灭磁电阻耗能型灭磁（或移能型灭磁 方式）。灭磁开关耗能型灭磁方式的原理是利用开关断口上的电弧燃烧来消耗转子能量以达到灭磁的目 的。灭磁时直接跳灭磁开关，切断转子电流灭磁。灭磁开关跳开后，切断了供电电源和转子绕组的 电流回路。但励磁绕组具有很大电感，在开断直流时，会在断口两端产生很高的过电压，该过电压 将会使断口开断所产生的电弧维持燃烧，直到磁场储能在电弧上全部消耗，转变为热能。最终因能 量耗尽，电弧不能维持燃烧，断口熄弧开断。这种灭磁方式对开关的要求较高：开关在分断转子 电流时，要维持电弧的燃烧来消耗能量，并控制电弧电压在安全范围内，不能强力吹弧。强力吹弧 会使转子回路产生较高的过电压，威胁转子回路的安全。开关应具有足够的能容量，对于直接开 断直流电感性负载回路的开关其能承受的最大而不会损坏开关的燃弧能量，称之为开关的能容量。 磁场能量越大，则电弧维持燃烧的时间就越长，当超过开关的能容量时，就可能烧损或烧坏断口的 触头，或烧坏开关的燃弧室。这种开关灭磁方式存在的问题是：开关的能容量有限，大容量的灭 磁开关难以制造。灭磁开关在每次灭磁后，灭磁室的绝缘下降，绝缘水平的恢复需要一定的时间。 小电流开断时，常常会造成吹弧失败烧坏触头。鉴于上述问题，对于大容量的机组，一般不采用这种灭磁方式。 灭磁电阻耗能型灭磁或移能型灭磁方式的原理是灭磁时将转子电感回路接通一灭磁电阻旁路， 强迫转子电流流经这一高阻值的灭磁旁路，使转子能量消耗在灭磁回路的电阻上，直到零而完成灭 磁。这种移交能量给电阻消耗以达到灭磁的方式在一定程度上降低了灭磁开关的要求且灭磁时间大 大缩短。克服了灭磁开关耗能型灭磁长期存在的缺点。因此得到广泛应用。交流灭磁就是属于这种 方式。按灭磁的电阻分可分为非线性电阻氧化锌灭磁、非线性电阻碳化硅灭磁和线性电阻灭磁。与 交流灭磁对应的就是直流灭磁。直流灭磁是最早使用的方式，现在还有部分厂家仍在使用该方式1；随着发电机组容量的不断增加，交流灭磁方式慢慢取代了部分直流灭磁方式。2.2直流灭磁原理直流灭磁是一种利用直流灭磁开关来切断励磁绕组中的电流，并吸收其磁场能量；或利用直流ABC图 1 灭磁原理图直接断开FMK为直流灭磁；封脉冲后再断 FNK 为交流灭磁。同时， UR 由正压变为负压灭磁开关的电弧电压将励磁绕组中的能量转移到并接到励磁绕组 两端的电阻上的一种灭磁方式。也属于移能型灭磁方式。这里以 灭磁开关加非线性电阻灭磁为例。其原理如图 1 所示（励磁方式 采用了可控硅整流装置 SCR），FMK 为灭磁开关（通常称为磁场 断路器）， R 为非线性电阻， U 表示非线性电阻的电压。正常VR运行时FMK闭合，SCR输出整流电压U和整流电流I。U为d d R正压（即上正下负）。灭磁时，FMK双断口同时断开，触头拉弧 并将电弧吹入灭弧罩，电弧在FMK双断口形成电弧电压U 和UK1K 2当Ur大于竹的导通电压Urv时，非线性电阻击穿导通，励磁电流1r流经Rv，磁场电流由FMK 转到Rv上来，FMK双断口电弧熄灭，Ir衰减，直到U和Rv均为零，转子磁能变为热能，发电 机灭磁成功（也称为换流成功）。二极管D保证R只在发电机励磁电压口尺反压（即下正上负）时投 入。避免在机组运行时，有电流流过ZnO阀片，而加速ZnO阀片的老化。灭磁条件可用（1）式表 示：U = （U + U ） - U 三 U（1）RK1 K 2dRV直流灭磁方式的优点就是线路及操作简单，直接断开FMK即可。但是，因在无灭磁电阻并联方 式中，灭磁开关分断时，要靠维持电弧燃烧来消耗能量，不能强力吹磁。同时要控制电弧电压，避 免过电压对转子绝缘造成威胁；而在有非线性并联灭磁电阻方式中，要求灭磁开关产生的电弧电压 应尽量大，以满足灭磁条件式（1）。随着发电机组容量的增大，早期灭磁开关，如DM2,其灭磁 容量越来越不能满足要求2对于常用的移能灭磁开关，如DM4双断口开关，也有电弧弧压不够高 的缺陷，致使灭磁条件难以满足，灭磁失败，烧毁开关。2.3 交流灭磁原理交流灭磁的原理就是将可控硅整流装置交流侧电压引入直流侧，使可控硅的输出电压U成为d一个交变电压，当U V0时，在不需要灭磁开关建立很高的电压情况下就能迅速将转子中的转移到d非线性电阻中消耗掉，而达到灭磁的目的。其原理图也如图1 所示，但在跳开灭磁开关之前，需要 通过一中间继电器去切除可控硅触发脉冲（简称封脉冲）。由于发电机转子是具有储能的大电感，封 脉冲后它相当于一直流恒流源，使得原先导通的两只可控硅继续导通，且不可控，相当于一个闭合 的开关；其余四只可控硅不会再导通，使得在与励磁电源输入端连接的三相支路中，只有两相电流 流过，励磁电源相当于一单相交流恒压源，这样交流电压就被引入直流电路。这时开断交流灭磁开关，加在非线性电阻两端的电压就是灭磁开关断开时的弧压和励磁变压器所输出的单相交流电压的 叠加（/J Uk 2）+ 1 Ud 1，其等效电路如图2所示。在J变为负值灭磁条件式很容图2 交流灭磁等效原理图易满足。转子的磁能经 ZnO 释放，随即使开关断口熄弧，快速灭磁 成功。交流电压灭磁的条件可用（2）式表示：（U + U ）+ I U I 三 U（2）K1 K2dRV该条件的物理意义是利用阳极电压的负半波与灭磁开关断口所 建立的反电势叠加后更有利于非线性电阻导通，从而实现快速灭磁。这种方式的主要优点就是：灭磁条件容易实现。由于是将交流电 引入了整流装置的直流侧，靠交流负半周电压和灭磁开关的电弧电压的叠加使非线性电阻导通灭磁 的，这样就不需要很高的开关电弧电压。与直流灭磁方式相比，交流灭磁方式因多了切除可控硅触发脉冲控制线路，所以显得复杂。一旦封脉冲电路出现故障，可能会使得灭磁失败。封脉冲必须满足三个条件：第一，发电机正常运行 时不能封脉冲。第二，停机或事故停机时，要在保护出口动作，且主断路器分闸以后封脉冲。第三要在磁场断路器分闸前封脉冲。三个条件中，前两者主要是为了避免发电机因失磁而引起的事故； 最后一个条件，主要是为了可靠实现交流灭磁。若磁场断路器在封脉冲之前分闸，灭磁方式实际是直流移能灭磁，灭磁条件很难实现，会出现灭磁电阻无法投入工作，导致灭磁失败。3 主电路设计原则设计灭磁的关键是以最短的时间消去磁场能量，使发电机电压消失，使事故程度降低到最小。那么灭磁设计的原则就是：能够转移电流实现灭磁，安全转移能量，快速消耗能量。最重要 的是转移电流的实现，即保证换流的成功。其次要安全转移能量，这根灭磁开关的选择有关。快速 耗掉能量也很关键，跟电阻的选择有莫大的关系。所以，对于灭磁方案的选择、灭磁开关和非线性 电阻的选配首要考虑的是能够在最严重工况下灭磁。3.1 灭磁中换流及条件磁场断路器（灭磁开关）的作用有两点，一是迅速切断发电机励磁绕组欲励磁电源的通路，二 是将发电机的励磁电流迅速转移到灭磁电阻中衰耗，磁场能量由灭磁电阻吸收。将励磁电流转移到 灭磁电阻的过程就是灭磁的换流过程。图3为具有非线性电阻灭磁功能的发电机励磁主回路示意图。QF2UKIIKQF1IR11QF2图 3 非线性电阻灭磁主回路示意图磁场断路器QF带有联动的两副主触头，正常运行时QF2通，QF1断（在图2中是二极管D）； QF动作灭磁时，QF1先闭合，QF2后断开。设t为QF1闭合时刻；t为QF2断开时刻。t瞬间QF灭磁动作，121QF1先闭合，电阻内因正常励磁电压U作用产生一附加电流（此电流方向与图中规定的I方向相 dR反），使I也增加一个附加电流。t时刻QF2断开，产生电弧随着电弧的拉长弧压U不断上升使转K 2 K子电压U （或非线性电阻电压U ）不断上升，由于U的作用，I也随之反向并不断上升。因转L R L R子有相当大的电感量，故转子内励磁电流I不能突变，在短时间内可视作恒量。由柯希霍夫结点定L律：I = I +1，I不断上升必然使I不断下降，即完成励磁电流从磁场断路器向灭磁电阻的转L K R R K移，称为换流。设t为I下降为零时刻，到t时刻，I全部转移到R中，换流结束，U、U、3 K 3 L K LI、I均按指数规律衰减，当I、I衰减到零，灭磁结束。t -1为换流时间，此期间也为QF燃R LL R32弧吸能过程，此过程越长，弧触头及弧罩烧损越严重。故希望换流时间越短越好。值得说明的是， UK不是可以无限升高，其最大值受到断路器结构的限制，U能达到的最大值（最大断口弧压U ）是K KM磁场断路器的重要技术参数之一。灭磁开关动作后瞬间，电压、电流分布如图3-1所示，根据柯希霍 夫回路定律有如下电压表达式：U + U -U =0dLK或 U = U + U（3）K L dU的最大值U =I +R，如R值过大U U -U ，柯希霍夫回路定律不能成立。这时励LLM RMLMKM dM磁电流最大值(强励电流)1不能全部换入R中衰耗掉，1 = (U -U ) /R K I R + E(5)KMdc f V式中： K为发电机定子三相突然短路电流在转子中感应电流的直流分量(短路发生0. 1 s后)相dc对于转子额定电流I的最大倍数。该标准对凸极发电机建议取K =3； R为灭磁电阻的电阻值；Ef dc V为磁场断路器分断时励磁功率整流器的输出电压。式(5)中K I R为发电机灭磁过程中灭磁电阻上的最大电压U ，故式(5)dc f VRM也可以表达为：U U +E(6)KMRM按低压电器标准定义，该电压可认为是磁场断路器主触头额定分断能力所对应的分断电压，在这里该电压是采用磁场断路器主触头在分断转子回路时的最高恢复电压，即转子回路被切除后（流过 触头的电流为零时），触头两端的最高电压。4）主触头额定连续电流。标准说明该电流应大于按发电机额定容量计算的转子电流的10%。5）主触头在额定短时电压下的额定分断电流。该标准要求该电流应不小于在励磁功率整流器 输出为强励顶值电压时的转子短路电流。按低压电器标准的定义，本条是规定了磁场断路器主触头 的额定短路分断能力。6）主触头在额定最大分断电压下的额定分断电流/加该标准给出了额定分断电流的计算:I KMKdcI +旦fRV(7)式中，K 、 I 、 E的含义同上。本条是规定了磁场断路器主触头的额定分断能力。dc f7）放电触头（即常闭触头）在额定电压下的分断电流。该标准要求该电流应不小于励磁系统在 额定电压下的额定连续电流，并说明该参数是考虑磁场断路器在额定电压下发生误跳后又很快重合 时的分断要求。按低压电器标准的定义，本条是规定了磁场断路器放电触头的额定分断能力。8） 主触头额定0. 5 s短时电流。它是磁场断路器主触头在0. 5s内可承受的最大通过电流（直 流）。标准说明，该参数是考虑发电机励磁回路故障时，要求磁场断路器主触头应具有的电流承受（热 承受）能力，其持续时间为0. 5 s；此参数尚应不低于发电机定子三相突然短路时，对磁场断路器主 触头电流承受能力的要求。对后一种情况，标准说明应考虑此时转子电流（包括短路感应电流）的峰 值和直流分量，对凸极电机其最大值分别建议为3. 5（电流峰值系数K ）和3. 0（直流分量系数K ）c dc倍的额定励磁电流。该标准对“励磁回路故障”未具体指明其故障类型。9）放电触头（即常闭触头）额定15s短时电流。它是磁场断路器放电触头在15S内可承受的最大 通过电流（直流）。标准中说明该参数是考虑同步电动机启动的要求。10）放电触头（即常闭触头）额定0. 5 s短时电流。它是磁场断路器放电触头在0. 5 s内可承受 的最大通过电流（直流）。标准中说明该参数是考虑发电机定子突然三相短路时，磁场断路器放电触 头对此时的转子电流（最大值为K I ）应具有持续0. 5 s的承受能力。dc f11）放电触头（即常闭触头）额定闭合电流。该参数是当横跨在放电触头两端的电压为额定最大 电压时，放电触头能可靠闭合电流（峰值）。标准中说明该参数是考虑在发电机定子突然三相短路灭 磁时，放电触头应具有能可靠地接通灭磁电阻的闭合能力。12）额定控制电压。该标准尚规定了磁场断路器性能参数的试验或测试条件。对磁场断路器的 额定分断能力，该标准要求应按实际应用的发电机灭磁回路或相当的回路中进行测试。3.3 非线性电阻的选配非线性电阻是一种由陶瓷工艺制成的具有半导体特性的阀片。由于制造工艺的不同又分为高压型和高能型。高能氧化锌（ZnO）非线性电阻阀片（以下简称“电阻阀片”），单位体积能容可做到300J/ cm 3，单只电阻阀片的标称容量为20 kJ/只。电阻阀片具有优良的非线性伏安特性，作为灭磁吸能元件，当电阻阀片开通后，其伏安特性平坦，几乎接近恒压，最接近理想灭磁特性。如图4中的曲 线。图4 ZnO电阻灭磁伏安特性曲线选配原则： 标称电压U和残压U10 mA残常用10 mA 电流作为电阻阀片的电流随电压陡峭上升标志，将此对应电压值称为标称电压U（或称动作电压）。电阻阀片流过100 A电流的电压值称为残压U或U 。一般U10mA残100 A100 A/U =1.5= K （称为残压比） 。10 mA1残压U的选择：根据换流条件，必须使强励时励磁电流I 通过灭磁电阻的最大残压满足：残LMU WU - U 条件，即U wU - U ，否则由于非线性电阻的伏安特性很“硬”，使得LM KM dM残 KM dM在灭磁时不能导通，起不了灭磁的作用。全部磁场能量以及励磁电源继续提供的能量均由磁断路器吸收，必将使其烧毁。考虑满足U W U - U 或U 三U + U 条件时，有一个最大的LM KM dM KM dM LM问题是U 的限制。U是磁场断路器的重要技术参数之一，受到断路器结构的限制。若发电机KM KM额定励磁电压U 较高，磁场断路器1个或2个断口弧压还不够，就需要多个主触头串联（如选用四断LN口开关），形成更高的断口弧压，以满足上面的要求。 荷电率 K 。2正常持续运行时，加在电阻阀片上的电压U与U的比值称为荷电率K。要求R10 mA2K = U /U WO. 75。这样，电阻阀片可以工作100年，可重复开通1 000次以上。这就是在选择2 R10mAU 时，要满足U / UW0. 75之条件。10 mALN10mA由上述可知，U的选择，要结合U 、U 、U 、U的值，同时满足：U 三U +残KMLNdMfmKMdMU 和U / UW0. 75的条件。一般应大于3. 5倍励磁电源电压U，或0. 350. 6 ULM LN10 mAd fm 灭磁装置灭磁总能量 W 。m灭磁装置总能量W计算，只须考虑发电机组可能出现的最大空载误强励电流所对应的能量。mW =mXnX W。式中，m为电阻阀片串联数，由残压U的值决定；n为电阻阀片并联支路数；W为 mn残n单片电阻阀片使用容量，取10 kJ/只（有的厂家取15 kJ/只）。现在，电阻阀片生产厂家对单个电 阻阀片作全电流测试，即对100 A以下的各点电流、电压作快速密集的采样，将采样的各对数据由计 算机作拟合曲线处理，建立数据库。再根据用户机组参数选择上述各参数，并用均能的原则在数据 库里对电阻阀片进行合理的组合匹配，可使各并联支路的吸收能量误差小于2% 。本文只叙述了灭磁 电阻与磁场断路器组合匹配的相关要素，而其它诸如额定电压、电流、功率、分断电流、绝缘耐压 等均按常规要求选择。3.4 灭磁电阻容量选择应考虑灭磁工况一般情况下，对灭磁电阻容量的要求，最严重的灭磁工况是发电机三相突然短路时的灭磁，其 次是误强励空载或者误强励磁负载下的灭磁。 ANSI/ IEEE C37 . 18 标准已明确将发电机三相突然短 路的灭磁工况，作为灭磁系统设计应考虑的灭磁工况，即灭磁过程中灭磁电阻上的最大电压为按发 电机三相突然短路工况计算。在发电机到发电机断路器之间发生突然短路时，保护跳闸后并未能切 除短路，从灭磁开始及随后的灭磁过程，发电机转子电流中将存在着定子短路电流在转子中的感应 电流，此时灭磁系统为带三相突然短路灭磁。因此，发电机灭磁电阻容量应考虑该灭磁工况，也要 按发电机三相突然短路的灭磁工况进行选择3， 选择时还要参照 3.3中的选配原则来进行。3.5 对灭磁时间要求发电机事故灭磁时，从避免或减少设备的损坏及缩小事故的影响等方面考虑，要求发电机有尽可 能短的灭磁时间。下面从灭磁时间与磁场断路器额定分断能力的关系及变压器、发电机对灭磁时间 的要求，对发电机可能取得的最小灭磁时间的要求进行分析讨论。对于灭磁电阻耗能型灭磁的发电机，只能用增大灭磁电阻的方法减少灭磁时间，即提高灭磁时 灭磁电阻上的电压。灭磁时灭磁电阻上电压的最高允许值，受限于转子绝缘允许的最高电压或磁场 断路器的额定分断能力。对前者，我国的规程规定为不超过出厂试验时转子对地交流耐压幅值的 70。灭磁时灭磁电阻上电压的最高允许值通常决定于后者。因此，在设计所考虑的发电机最严重 灭磁工况确定后，对型式已选定的灭磁电阻，发电机可能取得的最小灭磁时间，将取决于磁场断路 器的额定分断能力，即取决于磁场断路器在分断最严重灭磁工况对应的最大转子电流时所允许的最 高分断电压。例如，一个按误强励灭磁工况考虑的灭磁系统，误强励灭磁开始时的转子电流（即流过 磁场断路器主触头的最大电流）为5 kA，误强励时励磁晶闸管的输出电压为1.6 kV。当选择的磁场断 路器的额定分断能力为在分断5 kA电流时允许的最高分断电压为3.6 kV，误强励灭磁工况下灭磁时 灭磁电阻上电压的最高允许值只能取不大于2 kV。当以5 kA，2 kV作为灭磁电阻特性上的一个工作 点来选择灭磁电阻时，设计的发电机灭磁系统将符合“使发电机灭磁时间尽可能短”的设计要求。 若为减少灭磁时问再提高灭磁时灭磁电阻上的电压，则在误强励灭磁时，所选择的磁场断路器可能 无法分断励磁品闸管与转子连接的回路，而可能导致磁场断路器毁坏。对该发电机，只有选择有更 高额定分断能力的磁场断路器，该断路器在分断相同的最大灭磁电流时有更高的允许最高分断电压， 发电机的灭磁时间才能进一步减少。应该要说明的是，上文所指的磁场断路器的额定分断能力，指 的是断路器按照ANSI / IEEEC37. 18的标准进行试验所确定的分断能力，即磁场断路器的额定分断能 力是以实际应用的发电机灭磁回路或等效回路进行试验所确定的分断能力。3.6 电厂设备对发电机灭磁时间要求发电机灭磁可能取得的最小灭磁时间，一般取决于所选择的磁场断路器的额定分断能力。因此需 要分析电厂设备对发电机灭磁时间的要求，以便判断所选择的磁场断路器的额定分断能力是否合适。当发电机至发电机断路器之间发生短路事故时，继电保护将动作跳闸灭磁。由于保护使断路器 跳闸后短路点并未切除，短路电流由发电机电势维持。灭磁的功用是要尽快地降低发电机的电势， 使短路电流尽快地衰减，以避免或减少设备的损坏及缩小事故的影响。设备在短路工况下的安全性 通常以设备对短路电流的动、热稳定耐受能力衡量。由于设备短路动稳定耐受能力是以短路后0. 1s 的短路电流（即短路电流的最大幅值）核算，设备短路动稳定的耐受时间一般均很短，如某些变压器 承受三相短路动稳定时间仅有0. 25 s。而发电机灭磁一般仅可能在短路发生的0. 1 s后才开始（转 子电流开始下降）。可见发电机的灭磁时间再短，也难以降低设备短路动稳定所考虑的短路电流。发 电机及变压器对短路热稳定的耐受时间一般均较长，如变压器承受三相短路热稳定一般为2s、发电 机为20 s,较短的发电机灭磁时间，可以避免或减少设备由于短路热稳定的损坏。发电机或变压器 短路热稳定的耐受时间是按耐受幅值为恒定的对称短路电流来考虑的。但在发电机至发电机断路器 之间发生短路故障发电机进行灭磁的情况下，灭磁过程中发电机将提供衰减的短路电流。对工程设 计，可认为灭磁开始后短路电流周期分量的衰减与此时灭磁过程中转子电流的衰减有相同规律，以 此估计在发电机进行灭磁情况下发电机或变压器短路热稳定的耐受时间。当灭磁采用非线性电阻时，在发电机断路器跳闸后灭磁开始时，由发电机提供的三相短路电流周期分量的初始值要比变压器2 s耐受的短路电流周期分量I小得多。在灭磁时，由发电机提供短k 路电流的变压器承受短路热稳定时间是相当长的，发电机至变压器间变压器的其他发电设备承受发 电机短路电流的热稳定允许时间一般不低于变压器的承受能力。大、中型发电机中性点一般采用消 弧线圈或变压器接地。中性点采用消弧线圈接地的发电机可允许带单相接地运行一段时间；中性点 采用变压器接地的发电机单相接地短路时，定子铁心不损坏的允许时间尚未见规定。早年德IBEG 公司的研究认为：当接地电流为20A120A时，电弧的允许时间为4s4对一些大型发电机，制造商 认为在接地电流为40A时此允许时间为2.5s，均大于变压器承受三相短路热稳定的允许时间。所以， 若为保证磁场断路器在灭磁系统时不超过其额定分段能力，发电机可取较长的灭磁时间，不一定要 达到一些电厂认为需不大于Is的要求，以降低灭磁电阻上的最大电压值，确保灭磁系统工作的安全 可靠。3.7 封脉冲的方法实现交流快速移能灭磁的关键是切除可控硅整流桥的触发脉冲，也正因为切脉冲后直流侧励磁 电压变成交流，在负半周时可以变阻力为动力，大大地帮助磁场断路器移能换流。具体封脉冲可有 如下3种方法。 软件封脉冲。如果励磁调节器采用微机控制，则可在灭磁指令发出的同时给微机调节器一个 独立同步接点，启动微机通过预先设置好的软件程序使触发脉冲封锁。此法可靠性相对较低，如微 机死机可能使封脉冲失败，或在正常运行中产生误封脉冲，造成失磁故障。 断电源。在发灭磁指令同时用一对常闭接点断开励磁调节器内脉冲放大单元的电源（一般为 直流24V），此法简单易行，也很可靠。但因放大单元的电源回路内串接了一对常闭接点，加上联 接电缆、端子等过渡部件，降低了供电的可靠性，万一此电源在运行时中断，会造成失磁故障。 控制端封脉冲。一般的励磁调节器内，脉冲形成电路模块上都有“脉冲控制”引出端，用一 个接点控制该端的逻辑电平为“0”或“1”，就能控制触发脉冲的“有”或“无”。4 设计方案在开关的选择上可以选择两个断口和四个断口的断路器。电阻选的是非线性电阻ZnO。因此有 两种方案。如果选择四个断口开关的灭磁方案，由于灭磁开关是四个断口的，所建立的弧压很高， 在转子线圈的保护上就存在一定的困难，电阻阀片的片数由转子的储藏能量决定，在转子储能一定 的情况下片数是一定的，建立的弧压越高在电阻上的灭磁电压就越高，灭磁时间就越短。但带来的 问题是，电阻上的电压越高，转子承担的过电压就越高，这对转子的绝缘造成了威胁。因此，本文 本着安全、可靠的原则进行选择灭磁方案，选的是两个断口的开关配非线性电阻ZnO的灭磁方案5 设计计算控制线路设计按照计算结果进行设计。原则上要可行、合理和实用。计算包括：断路器最大分 断电流计算、转子储能计算、灭磁电阻能容量计算和灭磁电阻残压计算。设以下的发电机励磁参数 为例：机组额定电压：U n=15.75 KV额定励磁电压： U =457.5 Vfn额定励磁电流： I =1650 Afn最高励磁电压： U =1281 VfM空载励磁电压： U =105 V空载励磁电流： I =1056 Afo转子线圈电阻：R =0.3（15C）f定子绕组三相开路时，转子绕组时间常数： T =10 s do强励倍数： K =2115.1 磁场断路器的选择磁场断路器主触头上的电流值，将随发电机的灭磁工况而有不同的数值。选开关电流时按最严 重工况考虑，即在机端三相短路灭磁的工况下。机端三相短路时，参照了ANSI / IEEE C37.181979 标准 ，该标准对凸极发电机推荐机端三相短路灭磁开始时的转子电流取： I =3I 。KM fn所以=31 =3X1650A=4950AKM fn式中： I 为灭磁开关的最大分断电流KMI 为转子额定励磁电流fn这里选的是 I =5000KM对照附表1满足要求并且是两个断口的断路器有:DMX-1600-2型、DMX-1600-2型、DM4-2500/500 型和GXWIM-4000三种开关。本文选的是DMX-1600-2/1型双断口开关（后面加的1表示有1个常 闭断口）。5.2 灭磁电阻的选择灭磁电阻分为线性和非线性两种。线性电阻灭磁是一种比较经典的灭磁方式，具有安全可靠、 接线简单、造价低等特点。就原理而言，线性与非线性灭磁电阻作用原理相同，但线性电阻灭磁过 程较为简单。线性电阻的缺点是灭磁速度较慢，为ZnO非线性电阻灭磁时间的3.2倍，SiC非线性 电阻的 2.18 倍。为缩短灭磁时间，线性电阻值选得越大，灭磁速度也越快，但同时，转子励磁绕组 承受的过电压倍数也越高。灭磁电阻所吸收的能量一般约为磁场能量的 60%左右；另外，在灭磁过程中，励磁绕组、阻尼绕 组也消耗一定比例的磁场能量。因此，灭磁电阻实际吸收能量比计算值稍。基于这种情况，电阻散 热可忽略不计，在灭磁种可以认为全部能量作用于使用使电阻温度升高。灭磁电阻的尺丫的能量容。发电机转子最大储能一般可按空载有控误强励状态的储能计算此时 励磁电流取为额定电流的2倍,铁心进入饱和区.根据电工理论,真机实验及大量的使用经验,该能量值 可用下式计算:W =（3 5） WfM foW =1 L Ifo 2 fo foL = T Rfo do f 75c式中: W 转子绕组的最大储能 单位 JfMW 转子绕组的空载储能 单位 JfoL 转子绕组在空载时不饱和电感 单位 Hfo1 空载励磁电流.取为 1056AfoT 定子绕组三相开路时,转子绕组时间常数为 10sdoR转子绕组直流电阻（75C温度时）f （75OC）R=0.3Qf （75OC）由此可以得知:W =（35） W协=（35） 1 L 12 = （35） 1 T R12fMf02 fo fo2 do f （75C） fo=（3 5）X0.5X 10X0.3X10562=50181128363520（J）式中（35）系数,小容量机组取较大值,大容量机组取较小值.实际灭磁电阻的额定能量容为:WN=K X K X W =1.3X 0.5X （50181128363520）=32617735436288（J）式中：%为容量储备系数,按中国电力行业标准DL/T5831995第4.5.2d）要求应为1/0.8=1.25, 般可取 1.3,是考虑灭磁电阻各并联组件串联了特种熔断器,运行中 30%组件退出后仍可保证可靠灭 磁的要求. K 耗能分配系数,因转子储能不完全消耗在灭磁电阻中,还有转子电阻,磁场短路器,阻尼2绕组及汽轮机的整段铁心中均有耗能,汽发机组经验值为0.5。考虑必要的安全裕量选取偏大一点的整数，本设计灭磁额定能量选取4.0MJ 灭磁残压选择。按照电力部行业标准DL / T8432003中第6. 6. 3条“在强励状态下灭磁时发电机转子过电压值不应超过6倍额定励磁电压值”。灭磁残压U W6 U =6X457.5V=2745V残fn对所选定的DMX16002交流磁场断路器，额定电压为800V,最大弧压可达4400V （见表1）,为满足高能氧化锌电阻移能换流灭磁的临界条件，灭磁电阻残压应满足：U wU -1.3X K X U -AU残 int11 fn=4400-1.3X2X457.5-300=2910V式中： U 为磁场断路器的额定遮断电压，intU 为额定励磁电压， fn1.3为尖峰系数，K 11为强励倍数，U为设计安全裕量，取为300V。综合以上计算及安全考虑，实际选取：U =1800V,额定灭磁电流5000A,非线性电阻4串50并,残单片能容量20kJ，每支路电流100A。由于交流灭磁时利用阳极电压负半波辅助建压,整流器输出电压 U 为负值,考虑d最严重情况U =0时，灭磁开关建压要求为：U 三U + U =1800 VKM KM 残 dM对照附表1,本文选的DMX-1600-2/1型双断口开关符合这个要求。6 总控制电路6.1 总电路图灭磁总控制电路图如图5所示DMX线圈得电图 5 灭磁总控制电路框图6.2磁场断路器主电路图磁场断路器主电路图如图6 所示CE图 6 DMX-1600-2/1 主电路图说明：图中DM表示磁场断路器；X表示设计序号；表示额定工作电流（A）；2 表示常开断口数量； 1 表示常闭断口数量。发电机正常运行时，断路器常开触头是闭合的，常闭触头是打开的；常闭触头的断开使非线性 电阻与电源隔离，以避免可控励磁系统300Hz换相过电压直接加于ZnO上而导致加速老化。当机组 灭磁时常闭触头先闭合、常开触头后打开，使转子励磁电流全部转移到非线性电阻放电回路中去， 达到灭磁的目的。6.3 封脉冲图如图7所示：设计的封脉冲电路采用的是葛洲坝二江水电6号机和7号机（125MW）从2001 年 11 月开始实施交流灭磁方案，这是在控制端封脉冲。脉冲输入AS :LIVCC脉冲输出24VDC光隔+ 15VI二图4-3 葛图洲7坝葛洲二坝二江江电电厂厂封脉封冲控脉制电冲路控图 制电路图 这里值得注意的是，一定要使封脉冲在先，磁场断路器触头分离在后，这样最多等待十几毫秒 就能顺利换流（等待交流阳极电压的负半周）；如果反之，磁场断路器触头分离时脉冲尚未切掉， 则由于触头弧压不够，不满足换流条件，断路器不能换流熄弧，电弧在触头间持续燃烧，会加剧触 头的烧损。6.4磁场断路器控制电路图磁场断路器控制电路图如图 8 所示：图 8断路器控制线路图7 结论8 致谢9 参考文献与附录1 王丹,陆继明,毛承雄.三峡水轮发电机组灭磁方案研究.电网技 术,2002,26(6):39-422 陈小明.发电机灭磁失败原因分析及改进措施.电力系统自动化.1999,23(22)：54-57.3 梁建行，陈红君，张重农发电机灭磁电阻容量的选择计算的讨论水电厂自动化， 2002，(1)4 贾焕年，曹梅月.电力系统谐振接地.北京：中国电力出版社，2000.表1：常用磁场断路器型号、主要技术参数参数额定电压强励电压额定电流最大分断电最大分断电断口弧压型号/V/V/A压/V流/A/V800-2600800600300016001600-280016001000500022002300-28002300100080002200D 3000-28003000100080002200M 3500-28003500100080002200X 1600-4100016001600500036002300-4100023001600800036003000-4100030001600800036003500-410003500160080003600D 1000/500500125010002000M 1600/500500125016003200150042500/5005001250250050001800200/8008001600200600400/80080016004001200D 630/800800160063018902500,M 800/80080016008002400单断口三8 1000/80080016001000300014001600/8008001600160048002500/800800160025007500GXWIM-6302203004001000(分2档)6301500GXWIM-2000220500800, 10002000(分4档)1600320020004000GXWIM-400022050025005000（分3档）3200400064008000