发电机励磁和自动灭磁开关

何为发电机励磁和自动灭磁开关灭磁讲座之一前言 励磁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，本人既快乐又惶恐，一直想写一些励磁技术培训博客感大家。 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，首先开场灭磁技术讲座，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，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洲坝电厂黄大可教师的意见，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一样，但是对于传播励磁知识，都有一个炽热的心。 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，只向广阔用户提供一种产品，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。 从构造上讲，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根本原理。 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，我们都需要快速平安的减小励磁，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。 同步发电机平安可靠的灭磁，是一个不仅关系到励磁系统本身平安，而且直接关系到整个电力系统平安运行的大问题。 灭磁是发电机部短路时限制故障扩大的唯一方法。 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，非线性电阻灭磁开展，逆变灭磁和交流灭磁，伴随着现代励磁的根底即三相全控桥整流电路的出现而开展。 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展简要说明，以后再进展专门分析。DM2单断口灭磁开关，一个灭弧罩，主触头和弧触头别离二者并联，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，主触头和弧触头别离，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平安、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。我们总是担忧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。这种担忧是有道理的，以前我们很多电厂屡次发生灭磁失败，有的烧消灭磁开关，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，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，但是灭磁平安性较氧化锌电阻好。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展分析，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参加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参加一个变化的弧电阻，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构造。 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，是我们进展灭磁开关选择的平安校核标准。 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进展平安校核总是正确的。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。 比方，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，灭磁能量已经开场消耗。如果此后的Uk不能大于Uz+UL，比方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UkUz+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平安，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) 标签：开关弧压换流公司电阻残压测量科聚公司杂谈分类：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那么要关注这个参数，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，灭磁开关电流从开场转移到到换流完毕，灭磁电阻两端电压根本维持不变，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，那么Uk=Uz+UL；Ik+IRv-IL=0，那么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，那么需要灭磁电阻导通即IRv=IL，而灭磁电阻导通，那么需要外加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1000V，灭磁过程中Uz也是1000V，按照基尔霍夫电压定律，Uk必须大于或等于2000V，才能使UL等于或到达1000V，才能让这个氧化锌灭磁电阻导通，才能使IRv=IL，Ik=0，灭磁换流才能成功。那么是不是这个灭磁开关的弧压就是2000V呢？显然不是！这个2000V只是此回路灭磁过程中的开关弧压，而不是这个开关所具有的最大弧压。如果我们选用2000V的灭磁电阻残压，如果开关设计的弧压高于3000V，此时的Uk=3000V，灭磁也换流成功。 所以，我们在发电机励磁回路测量的灭磁开关弧压，是一个受到整流电压和灭磁电阻电压限制的开关弧压，整流电压高，开关弧压也就高；灭磁电阻残压高，开关弧压也就高。下面我们来看三种不同灭磁电流条件下的灭磁波形，除了进一步说明这个结论外外，更重要的是培训分析灭磁波形能力。在上图中浅蓝色是开关电流Ik，黑色是转子电压UL，红色是开关电压Uk, 军绿色是灭磁电阻电流IRv。灭磁前为UL正向，Ik=1500A，Uk=0，IRv=0；大约在60ms跳开关，Uk拉弧建压，UL由正变负，随着Uk的不断升高，UL也迅速增加，当Uk1500V时，换流成功，Ik=0，IRv=1500A，UL=1200且根本维持不变，直到灭磁完成；整个灭磁时间为390ms在上图中，灭磁前Ik=3000A，Uk=0，IRv=0；大约在75ms跳开关，Uk带着UL快速上升，当Uk2000V时，换流成功，Ik=0，IRv=3000A，Uk=1500V根本不变，充分显示了氧化锌灭磁电阻的稳压特点，使得灭磁电流按照线性快速衰减，整个灭磁时间1.2秒，灭磁能量按照电压乘以电流再乘以时间，得出焦耳数量在上图中，灭磁前Ik=300A，Uk=0，IRv=0；大约在80ms跳开关，Uk和UL快速上升，当Uk1400V时，换流成功，Ik=0，IRv=300A，Uk=1100V，灭磁时间170ms，这是一个小电流下的灭磁录波 上面这三个灭磁录波，是时代科聚电气试验法国CEX98-2560-4.14个灭弧断口，配4个灭磁罩的灭磁波形，这显然是带着灭磁电阻的灭磁录波，而真真试验灭磁开关的弧压，必须去掉灭磁电阻才行，这里将RV用红色框起来，表示下面的回路中没有这个灭磁电阻。 利用上面这个电感回路进展灭磁试验，就能够得到我们在开关选型中需要的开关弧压参数，科聚公司提供了两个录波图，如以下图所示。在上图中，跳开关前Ik=1450A，Uk=0；大约在40ms跳开关，Ik快速下降，而Uk快速上升，测得开关弧压为3250V在上图中，跳开关前Ik=1700A，Uk=0；大约在40ms跳开关，测得开关弧压为4400V 总结上述两个录波，我们得到CEX98-2560-4.1的开关弧压有两个，如果科聚公司再进展同样参数的开关弧压试验，我们就会得到四个不同的弧压值，因为弧压的分散性较大，它与以下因素有关： 1、首先与开关构造有关，如灭弧罩构造尺寸、长弧短弧、栅片数目等、吹弧措施(气吹、磁吹)、引弧系统。 2、其次与电流大小有关，特别是用吹弧线圈磁吹时如CEX开关，电流太小使吹弧磁场过弱，导致弧压降低；但有的开关如DM4在电流过大时弧压也会降低。 3、最后与回路电感有关，回路电感太小使感应电势减小，弧压也会降低。 4、电弧具有随机性，以上条件不变时，弧压也会有变化。 那么，如何决定CEX98-2560-4.1的开关弧压呢？本人将继续在以后的灭磁技术讲座中进展专题分析，现在首先祝广阔读者新年愉快，身体安康。 最后告诉大家的是，科聚公司是我国目前进展灭磁开关试验最有经历的科研单位，依托中科院等离子体研究院，成功进展了许多灭磁开关的弧压试验，是我们委托灭磁开关试验的首选科研单位，我们应该感他们的辛勤劳动。科聚公司，除了有一批优秀的灭磁专家外，还有一个我国目前最大的电感，可以进展所有灭磁试验，他们的氧化锌灭磁电阻都要利用这个电感进展1：1灭磁试验后才能出厂，可以使广阔用户更加放心如何进展和分析灭磁开关弧压试验灭磁讲座之四(2010-01-09 19:44:05) 标签：灭磁开关弧压波形励磁电弧电流过电压杂谈分类：灭磁技术讲座 正如前文所述，灭磁开关弧压试验不是在具有灭磁电阻的回路中进展的，否者所测得的开关弧压受到灭磁电阻残压限制。时代科聚公司采用如下开关弧压试验电路图，这里，U是试验电源电压；R和L表示大电感负载参数，QF是试验中的灭磁开关，QF1、QF2、QF3表示这个QF有三个断口，用了三个分压电阻来测量这三个断口的开关弧压，Uk是开关总弧压；Ik是利用分流器来测量开关电流，而所谓分流器实际上就是串联在回路中的毫欧姆级的铜电阻；K是试验电源开关，也是后备灭磁开关，只有当QF拒动或者发生灭磁失败才启动K，保护人身和试验设备平安。 开关弧压试验的大致步骤如下：预先设定的R和L参数，合上K和QF，调节U使Ik上升到预定值后，跳开QF，用试验仪器自动记录Ik和Uk，然后分析并确定灭磁开关的弧压试验值。 正如前文所提供的CEX98-2560-4.1开关弧压数据那样，每次进展的弧压试验值具有分散性，因此，我们有必要总结一套科学的弧压波形分析方法，进而确定开关弧压值。 我们首先来分析CEX98-2560-4.1两次弧压试验波形。这里以Ik=1700A的弧压波形为根底，然后手动将Ik=1450A的弧压波形叠加上去。显然，我们不能说这个开关的弧压是3250V或4400V。如果将试验电流增加到2560A或者更高，假设最高弧压与试验电流的关系是线性的，那么开关弧压将到达8650V或更高，这显然也是错误的，因为弧压不仅具有分散性，还具有非线性特征。 在下面的波形中，我们将Ukmax与Umax的比值，成为过电压倍数。显然，Ukmax高出Umax局部，就是电感负载反向感应电势局部，灭磁开关弧压等于电源电压和负载反向感应电势之和；灭磁开关拉弧建压，就是为了产生转子反向过电压。 既然弧压具有分散性和非线性，那么我们确定开关的弧压首先要明确灭磁开关的应用环境，比方电源额定电压和最大电压、负载额定电流和最大电流，负载的过电压能力等。如果不考虑灭磁开关的应用环境，也得不到这个开关的其他试验资料，我们只能确定CEX98-2560-4.1开关弧压不低于3000V或大于3000V；如果该开关应用于额定电流附近，那么我们就确定开关的弧压不低于4000V或大于4000V。 事实上，如果我们加大试验电流到额定值附近，我们就会得出一个比拟准确的弧压值，此时的弧压波形最高处会出现一小段平坦的地方。弧压波形顶部平坦部位的平均值，就是开关的弧压值。CEX98-2560-4.1两次弧压试验波形顶部没有平坦出现，这是由于灭弧能量太小，以至于开关拉弧减压过程中就消耗掉了整个灭磁能量。 我们看DMX-3000-2/1灭磁开关断流试验波形，Uk上部出现了平坦部位，于是确定该开关的弧压为2244V。 弧压波形顶部会出现平坦部位，说明电弧在开关灭弧室进入稳定燃烧状态，只有电弧稳定燃烧状态下，弧压已经于电流的大小无关，弧压的非线性和稳压特性显露无疑。正是弧压的这种特性，过去的灭磁方式仅采用开关灭磁，现在的灭磁方式变为电阻灭磁，但灭磁开关大都采用金属灭弧栅片，即具有很好稳压特性的短弧原理。 所谓短弧原理，就是采用金属灭弧栅片，将一个长电弧隔离成一个个短电弧，使其弧压稳定。相对于短弧，长弧原理那么采用绝缘材料灭弧栅片，使电弧进一步变长。 2009年10月励磁会议上，与会代表得到了一本科聚公司论文集，这是他们对于我国励磁事业的又一次奉献，此时，我呼吁我国大型励磁厂家向科聚学习，编辑自己的励磁论文集，并免费提供应广阔励磁技术人员。 在这论文集中，科聚公司自淳、辉、宣自平和山核电的子明、余前军总结了科聚公司“磁场断路器的弧压试验，给出了局部灭磁开关典型弧压试验波形和试验结果。希望读者通过比拟弧压波形和试验结果表，体会“弧压波形顶部平坦部位的平均值，就是开关的弧压值。最后，再次说明，由于我们现在采用的灭磁方式是电阻灭磁，灭磁开关就像交流断路器一样，主要起切断电流的作用，因此，放电灭磁系统中的灭磁开关也称为磁场断路器。确定灭磁开关弧压的三大心得灭磁讲座之五(2010-01-18 15:10:11) 标签：最大分断电压过电压倍数断口电弧标准分类：灭磁技术讲座 正如读者所说的那样，发电厂是不能去掉灭磁电阻测量灭磁开关弧压的，只能进展发电机空载和负载灭磁试验，此时的开关弧压是受回路限制的。我们之所以在这里讨论这个问题，这是因为灭磁开关的选型，除了额定电压、额定电流等常规参数外，最主要的灭磁开关弧压。 即便是科研单位和励磁厂家进展灭磁开关弧压试验，也是具有很大风险的。就拿灭磁开关的跳闸操作，都是采用远方控制，严禁现地手动操作，否者一旦失败，电弧就会造成人身伤害。 下面是我们在进展灭磁试验的照片，采用CEX98-5000-4.1灭磁开关配合ZnO并联PTC灭磁试验，照片由好朋友明君拍摄，共进展了三次灭磁试验。灭磁开关在夜幕中拉弧建压，才让我们见识到了这蓝色的诡异的电弧。 可见，灭磁开关弧压试验并不是出厂常规试验，而是产品定型后的型式试验。另外，由于国外灭磁开关试验按照国际标准，没有弧压试验这个概念，相应的只有“最大分断电压和“过电压倍数。因此，我们不能期望所用的灭磁开关都有灭磁开关弧压数据。 弧压概念源自于联教科书，相比于“最大分断电压和“过电压倍数这个概念，对象清楚。现在我们国家标准朝着国际标准看齐，于是对于国家标准是否应该采用这个弧压概念，现在有争议，这是可以理解的，但是，只有我们清楚了弧压比“最大分断电压和“过电压倍数更适合描述开关的灭弧能力，我们的国家标准应该采用弧压概念，我的建议是：最大分断电压弧压、过电压倍数弧压。 作为一个资深的工程师，作为一个励磁产品的设计者，作为一个爱好励磁的现场技术人员，我们如何确定灭磁开关弧压？我的最新心得有下面三个方面。 第一、直接看灭磁开关技术参数的弧压值。 断口弧压大于或等于某个值，实际上是不小于这个值，因此该值就是我们所需弧压值。例如对于DMX2双断口灭磁开关来说，断口弧压为 2800V。 断口弧压能量，是断口进展弧压试验时所消耗的能量，该断口在运用中，只有弧能不大于这个值就是平安的。 上述参数是灭磁开关厂家试验得来的，有的是按照低压电器标准GB或IEC试验得来的，有的是按照自己的试验条件进展的。如果在应用中发现选择的灭磁开关弧压裕度不大，特别是采用氧化性电阻灭磁，我们可能要进一步核实开关弧压值，这就需要分析弧压试验波形，看一看弧压值是否就是弧压波形顶部平坦部位的平均值。第二、直接看灭磁开关技术参数的最大分断电压或过电压倍数 按照低压电器标准GB或IEC试验开关的最大分断电压、额定分断电流和过电压倍数，试验电路原理接线同灭磁开关弧压试验，即由试验电源、灭磁开关和小电感负载组成。而采用放电电阻灭磁的灭磁开关，应该按照ANSI/IEEE C37.18“旋转电机磁场放电回路封闭式断路器来选择灭磁开关，即按照实际的发电机灭磁回路选择和试验进展，相当于发电机的空载、负载、强励、误强励、三相短路灭磁试验。显然，这是一个不能在现场全部进展的灭磁试验，我们只能在灭磁装置投运以后进展发电机空载和负载灭磁试验，无法进展发电机的强励、误强励、三相短路试验，这些恰恰是真真考验灭磁开关的试验。 如何解决这个难题，方法有两个，一个采用1：1的模拟灭磁试验大电感负载，在灭磁装置投运以前进展发电机空载、负载和强励灭磁试验，就像科聚公司那样；另一个就是进展GB或IEC型式试验小电感负载，按GB或IEC标准试验所得的最大分断电压和分断电流选择灭磁开关，校核灭磁平安性。第一个方法得到了开关厂家、开关用户和专家的认同，但是本钱很高。后一个方法有争议，争议焦点就是大电感负载和小电感负载对于最大分断电压试验的影响。对于这个问题，下次讲座进展分析。 根据GB或IEC试验方法看最大分断电压和过电压倍数，按照IEEE C37.18关于直流磁场断路器最大分断电压不小于磁场断路器灭磁分断时灭磁电阻上的电压与此时励磁电源电压之和的技术要求，我们可以确定：灭磁开关最大分断电压就是我们所说的灭磁开关弧压，额定分断电流就是我们所说的开关弧电流。正是基于这个认识，我在上表中增添了红色的弧压二字。 为什么过电压倍数也是弧压呢？因为我们曾经在前面说过：灭磁开关弧压等于电源电压和负载反向感应电势之和；灭磁开关拉弧建压，就是为了产生转子反向过电压。显然，这个过电压由灭磁开关弧压引起，知道了过电压倍数，也就知道了灭磁开关弧压围。 需要指出的是，上表中的CEX98/06的最大分断电压是说弧压不小于此值，HPB最大分断电压或过电压倍数是不大于此值，那些到底如何确定这些开关的弧压，主要方法依然是分析弧压波形，下次讲座将分析上述两个开关的弧压波形，同时分析额定分断电流采用预期值的局限性。 第三、直接数金属灭弧栅片数量进展推算 我们前面曾经说过：灭磁开关大都采用金属灭弧栅片，即具有很好稳压特性的短弧原理短弧原理，就是采用金属灭弧栅片，将一个长电弧隔离成一个个短电弧电弧稳定燃烧状态下，弧压已经于电流的大小无关 按照这个理论，我们只要搞清楚金属灭弧栅片的数量，在金属灭弧栅片的数量上乘以一个常数，就得到了灭磁开关弧压。 由于所乘的常数与灭弧栅片之间的距离有关，距离大常数就大。考虑到这是一种估算方法，经历数据是：金属片距离为2mm，常数取30V；3mm取40V，4mm取50V。5mm取60V。再说一遍，这只是一种推算方法。通过这个估算原理，我们可以得到：金属灭弧栅片越多，灭磁开关的弧压就越高。对于，以后会有一个专题进展介绍，其目的是让我们了解电弧的特性。灭磁开关技术标准的学习心得灭磁讲座之六(2010-02-24 09:23:51) 标签：ieeec37.18c37.14iec77直流断路器时间常数灭磁开关杂谈分类：灭磁技术讲座 对于发电机灭磁开关的疑难问题，如果有明确的技术标准，我只需要进展一次标准宣讲即可，完全没有必要在此长篇大论。遗憾的是，发电机灭磁开关标准不仅不多，而且还不能在网上免费收索到。我不知道国际励磁标准是什么人通过什么途径编制的，我只知道国励磁标准是国家和企业出钱的科研工程，其成果应该属于国有资产，但是广阔的励磁技术人员也是必须花钱才能得到的。我们励磁有一次登载国家励磁标准，还是由标准的主编竺士章教师发给我们的，几天后，竺教师来，请从网上将此标准撤下来，因为有人反映涉及到侵权。由此我想到，这就如同论文作者也不能免费下载自己的论文一样滑稽可笑；由此我想到，还是我们励磁好，一切下载皆免费。 中华人民国国家标准GB/T 7409.3-2007?同步电机励磁系统大、中型同步发电机励磁系统技术要求?，完全没有发电机灭磁开关技术要求。中华人民国电力行业标准DL/T 583-2006?大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件?有一段灭磁开关技术要求，但是很简单，主要是对灭磁开关的分断能力要求。 我们电力行业正在编写?发电机灭磁及转子过电压保护装置技术条件第一局部灭磁开关?，我们应该期待这个标准弥补我们现有标准的缺乏，并且指导我们的学习和工作。本灭磁讲座，也是在看到这个标准草稿后的有感而发，因为这个标准没有写上“弧压二字，很令我失望，有一点脱离我国励磁环境和习惯，为此我用博客阐述个人观点。 关于灭磁开关最重要的国际标准，是美国国家标准局或国际电气/电子工程师协会的ANSI/IEEE C37.18，标准名字翻译为?用于旋转电机的封闭式磁场放电断路器?。该标准规定和描述了在灭磁电阻回路中具有放电触头灭磁开关的选择和应用指南。该标准最大奉献是对电机磁场放电回路断路器对发电机为磁场断路器定义了下述的12个性能参数，并规定了这些参数在具体应用时的选择计算方法及测试条件。 1额定电压Rated nominal voltage class。 2主触头额定短时电压Rated short-time voltage of main contacts。 3主触头额定最大分断电压Rated maximum interrupting voltage of main contacts。该电压应不小于磁场断路器在定子突然短路情况下分断转子电流时，磁场断路器主触头上的直流恢复电压。 4主触头额定连续电流Rated continuous current of main contacts。 5主触头在额定短时电压下的额定分断电流Rated interrupting current of main contacts at rated short-time voltage。 6主触头在额定最大分断电压下的额定分断电流Rated interrupting current of main contacts at rated maximum interrupting voltage。 7放电触头即常闭触头在额定电压下的额定分断电流Rated interrupting current of the discharge contacts at rated nominal voltage。 8主触头额定0.5s短时电流Rated 0.5s short-time current of main contacts。 9放电触头即常闭触头额定15s短时电流Rated 15s short-time current of the discharge contacts。 10放电触头即常闭触头额定0.5s短时电流Rated 0.5s short-time current of the discharge contacts。 11放电触头即常闭触头额定闭合电流Rated making current of the discharge contacts。 12额定控制电压(Rated control voltage)。 看见上述复杂的参数，我感到欣慰的是，该标准定义的磁场断路器，就是我长期推荐的具有放电断口的灭磁开关，我喜欢的多断口灭磁开关CEX06和DMX2就属于此类。我曾经公开说过：具有放电断口的灭磁开关，才是真真用于灭磁的专用开关，否那么就是用于其他直流回路的替代品，看来，我的判断是对的。 ANSI/IEEE C37.18理论性很强，我没有细读，也缺乏细读的水平，但是我国有很多励磁专家研读过。我要告诉读者一个好消息，我国著名励磁专家梁建行教师专著?发电机灭磁系统的分析与计算?即将由电力出版发行，里面对ANSI/IEEE C37.18进展了详细讲解，值得大家期待。 ANSI/IEEE C37.18还涉及一些灭磁开关的试验，按照这个试验得出的灭磁开关数据，我们一般注明：按ANSI/IEEE C37.18标准定义。从以下图的CEX06参数表看，这些参数符合ANSI/IEEE C37.18的标准定义，该开关可能是按ANSI/IEEE C37.18标准进展试验的，表中的辅助电极就是ANSI/IEEE C37.18中的放电触头。 具有放电断口的灭磁开关按照ANSI/IEEE C37.18标准得出的发电机磁场断路器数据，完全满足和符合灭磁开关的设计选型和应用需要，这是无可争议的。对于没有放电触头且主要应用于地铁的快速直流开关，国外按照IEC77或者ANSI/IEEE C37.14?在外壳中使用的低压直流电力断路器?标准进展试验，国按照相应国标进展，其数据是否可以作为灭磁开关的设计选型和应用，这是有争议的。瑞士HPB系列快速直流断路器在我们励磁行业应用于发电机灭磁回路，但是它的型式试验是按照IEC77标准进展试验。至于瑞士UR系列灭磁开关，其型式试验标准有三个，但都是将其视为快速直流断路器进展试验，其主要考核容是短路电流的切断能力。因此，我国励磁厂家对于这类直流开关的介绍是错误的：HPB45M-82S 型直流断路器是瑞士SECHERON公司生产的高速直流断路器，主要用于发电机转子磁场的分断。应该改为：HPB45M-82S 型直流断路器是瑞士SECHERON公司生产的高速直流断路器，可以用于发电机转子磁场的分断。我没有找到ANSI/IEEE C37.14或者IEC77或者其他直流断路器试验标准，我只能从HPB和UR灭磁开关的型式试验报告中了解这些标准，因此本文只能算是学习心得。无论是HPB还是UR，开关电流参数都是利用下面这个波形进展说明的，其中预期切断电流值Iss是试验电路最大电流，不是开关试验过程中真真切断的短路电流Icut off。按照这个国际标准，开关的预期短路电流应该大于应用回路的最大短路电流，这也是没有争议的。有争议的是灭磁开关的弧压参数，也就是最大分断电压或遮断电压或过电压参数，按照ANSI/IEEE C37.14或者IEC77或者其他直流断路器试验标准得出的值，是否可以直接应用在我们灭磁开关的设计选型中。因为上述两个试验标准要求试验回路的时间常数为10-15毫秒，而我们励磁回路的时间常数都是数秒甚至10秒以上。这里再次重复：分析弧压试验波形，弧压值就是弧压波形顶部平坦部位的平均值。上图中V轴上的arc也佐证了这个观点。尽管按照ANSI/IEEE C37.18标准试验得出的开关弧压，可以直接应用于灭磁开关的设计选型和校核，但是ANSI/IEEE C37.18标准要求该试验应在励磁电路短路或电机电枢短路下进展，要求试验电感与励磁回路的电感等效，这是极不科学的，也是很不现实的。即便是CEX06的型式试验的时间常数也只有15毫秒，也是远小于发电机转子时间常数。在我看来，全世界只有科聚公司的灭磁开关试验条件局部满足ANSI/IEEE C37.18的标准要求。我以前对于上述有争议的技术问题也是处于一种彷徨中，但是经过一番学习和思考，我已经坚决的认为：无论是按照ANSI/IEEE C37.18标准还是按照ANSI/IEEE C37.14或者IEC77或者其他直流断路器试验标准，得出的灭磁开关弧压值都是可以作为灭磁开关的设计选型和灭磁平安校核的，正如我的上篇博客“确定灭磁开关弧压的三大法那么所说的那样。况且我国励磁厂家在设计选型灭磁开关时，也是认可灭磁开关厂家的弧压参数，不管这个参数是在什么时间常数下取得的。我的这种观点或者我们励磁厂家这种做法的理由如下：第一，我们现在采用放电灭磁，我们需要的弧压只需上升到平台后即可，至于这个平台有多长，也就是说试验回路的时间常数大小，或者说试验回路的电感量大小，主要改变了灭磁能量大小，对于灭磁开关的换流影响不大。只要灭磁开关的弧压足够高，就能在30毫秒左右成功换流，灭磁能量将由灭磁电阻而不是灭磁开关来消耗。第二，对于励磁回路这个一阶电路来说，试验回路时间常数的大小，主要影响的是衰减时间，而不是灭磁初始量。影响灭磁初始量的最主要因数是电弧建立瞬间的长短以及电弧进入灭弧室后的特性。灭磁开关分断瞬间，就相当于在励磁回路中突然串联一个电弧电阻，电弧电阻的大小决定了转子绕组的感应电势大小，感应电势叠加试验电源就等于灭磁开关弧压。而电弧电阻主要由灭磁开关特性决定，并非由试验回路的时间常数决定，只要超过10毫秒以上的时间常数，就能够产生感因反电势，就能够进展开关弧压试验。时间常数长，开关的弧压试验过程长，能量大，这对以试验灭磁开关的灭弧容量是必须的，但对于试验开关的弧压不是必须的。第三，进展灭磁开关弧压试验，时间常数或电感量也会影响弧压的大小，但是科聚公司进展弧压试验发现“回路电感太小使感应电势减小，弧压也会降低，时间常数越大，其弧压可能会更高。因此，如果小时间常数下弧压满足要求，大时间常数下就更能满足要求。第四，尽管ANSI/IEEE C37.14或者IEC77标准是一种低压直流开关标准，但是对灭磁开关的型式试验，已经将试验电压上升为2000V以上，这实际上是高压直流开关标准了。第五，完全按照ANSI/IEEE C37.18标准试验得出的开关弧压是困难的，承受ANSI/IEEE C37.14或者IEC77标准是一种实用的工程方法。HPB和CEX06灭磁开关参数比拟灭磁讲座之七(2010-03-24 16:43:35) 标签：urhpbcex06灭磁开关弧压比拟时间常数杂谈分类：灭磁技术讲座 目前，我国大型发电机组都是采用进口灭磁开关，开关类型主要由ABB励磁公司主导，大都采用瑞士UR和HPB系列单端口灭磁开关，但是西门子、阿尔斯通、安德里茨伊林励磁公司那么选择CEX06系列灭磁开关，我本人也是竭力推荐CEX06灭磁开关，因为这是专门用于发电机灭磁开关，并且有利于机组的检修隔离。因此，在我国励磁厂家的宣传和招投标中，经常会比拟这两种灭磁开关的电气参数，为此，我现在也来比拟一番，并最终按ANSI/IEEE C37.18标准定义给出参数表格。 首先，我们来看HPB45M-82S型式试验关键容和图表，该开关的额定电流为4500A。 上图是HPB短路电流分断能力试验方法，Icc是稳态电流，也就是预期短路电流值，Ud是试验电源电压，d是开关弧压，d是弧电流。d/Ud=过电压倍数。 TABLE 4.2.3是HPB在小时间常数下的分断试验，时间常数为13.1毫秒，试验电压电压Udo=1880V，预期分断电流78kA，实际分断弧电流平均值53+46.2+50.4/3=49.87kA，平均弧压3850+3830+3890/3=3856V。 TABLE 4.2.4.2是HPB在大时间常数下的分断试验，时间常数为99毫秒，试验电压电压Udo=1880V，预期分断电流21.3kA，实际分断弧电流平均值9.3+9.8+9.6/3=9.57kA，平均弧压3440+3330+3090/3=3287V。接着，我们再看CEX06 5000 4.2型式试验关键容和图表。该开关额定电流5000A，四个弧断口，两个放电断口。试验中将四个弧断口串联，两个放电断口只试验一个，利用分流器Shunt测量电流，同时测量电源电压和开关两端的电压，如以下图所示。 上述试验表格是四断口CEX06小时间常数下的分断试验，时间常数为15毫秒，当试验电压U=2000V，实际分断弧电流30kA，平均过电压值即开关弧压值3710+3280/2=3495V；当试验电压U=3000V，实际分断弧电流5kA，平均过电压值5330+5110/2=5220V。最后，按照按ANSI/IEEE C37.18标准定义给出HPB45M-82S和CEX06 5000 4.2电气技术参数。 综合比拟得出结论：CEX06 5000 4.2 的最大分断电压弧压比HPB45M-82S高，但额定分断电流灭磁能量比HPB45M-82S小，因为CEX06 5000 4.2灭弧栅片总数量比HPB45M-82S多，但灭磁栅片灭弧罩总质量比HPB45M-82S小。自动灭磁开关插图学习灭磁讲座之八.终结篇(2010-04-16 16:51:31) 载标签：电弧灭弧室动触头励磁定子联分类：灭磁技术讲座电机灭磁技术的鼻祖之作，洲坝电厂黄大可教师翻印，励磁小明学习插图，仅供大家参考。线性电阻放电灭磁原理图，灭磁时开关4先合，开关3后断开，线圈1建立灭磁电压，由灭磁电阻R吸收。按照最大灭磁电压Um等于5倍空载励磁电压选择R，灭磁电压和电流按照指数衰减，灭磁时间较长，Tm=0.77 碳化硅电阻放电灭磁原理图，按照Um等于5倍空载励磁电压选择灭磁电阻R，灭磁时间较短，Tm=0.25，由此可见碳化硅灭磁比线性电阻灭磁快很多，国产氧化锌电阻灭磁最快。联-1自动开关灭磁原理图，开关3是主触头，开关4是弧触头，灭磁时开关3先断开，开关4后断开产生电弧进入灭弧栅5燃烧，吸收转子灭磁能力。电阻6是电弧断开过程中的灭磁电阻，防止电弧断开时产生过电压。我国60年代仿制品成为DM1自动灭磁开关，纯粹开关灭磁吸能原理。-1自动开关灭磁主触头和弧触头构造图，1是主触头静触头，2是动触头，3是弧触头动触头，4是弧触头静触头，分断时2先向下运动，电流转移到弧触头，4后再向下运动，电弧产生，电磁力将其引入灭弧室。-1系列，即我国DM系列灭磁开关，将一长电弧分割成一些短电弧，采用多个灭弧栅片串联灭磁。由于短电弧灭弧栅片间的电压和电流具有非线性特性，就相当于将一个非线性电阻串在灭磁回路，灭磁速度也很快，灭磁电压按照灭弧栅片数量确定。图10显示：两片金属灭弧栅片之间的弧压与电流没有关系，总是在22-32V之间。试验间距为3毫米左右。按照这个试验结果，我要修改我前面博客给出的经历数据“金属片距离为2mm，常数取30V；3mm取40V，4mm取50V。5mm取60V改为“金属片距离为3mm，常数取30V；4mm取40V，5mm取50V。DM系列自动灭磁开关，最乖僻的就是灭弧室中电弧的路径：沿着这个缺口进入灭弧室，绕后顺时针旋转，在旋转的过程中不断穿过金属铜片而进入下一个间隙，如此这般最后从这个缺口出来。-1系列自动灭磁开关在火电励磁机励磁系统的灭磁录波，采用机械式的光线录波仪，录波清晰，注释详细。由于是汽轮机灭磁，当励磁电流1下降为零，转子能量转移到阻尼绕组，在其作用下的定子电流依然很大，按励磁电流Ip=0的灭磁时间为0.06秒灭磁开关吸能时间，按定子电流Icr=0的灭磁时间为0.54秒。所以，汽轮发电机采用快速灭磁达不到目的，因为灭磁的真正目的是消耗转子能量，让定子电压和定子电流尽快为零。-1系列自动灭磁开关在水电励磁机励磁系统的灭磁录波，由于转子磁能都在励磁绕组上，故灭磁开关的吸能时间较长，灭磁效果较好，故水轮机推荐采用快速灭磁。上面两个录波注释很详细，在当时的技术条件下做的如此之好，实在令人敬仰。前两个是定子短路灭磁，考验最大灭磁能量，这个试验我们几乎不做，后一个是空载灭磁，这是我们标准灭磁试验工程。从励磁电流1900A到灭磁完毕，只有0.54秒，属于快速灭磁。在灭磁过程中，灭磁电压从2100V慢慢降到1920V，这个过程就是短电弧原理造成。只有灭磁电压稳定，灭磁时间才能最快。-1系列自动灭磁开关在离子激磁励磁系统的灭磁，我想是半导体整流励磁，那是上世纪60年代，先进。 按照我以前的设想，我将写很多灭磁技术讲座，比方：洲坝灭磁技术开展史、三峡电厂灭磁特点、交流灭磁、交直流双灭磁等等。但是由于精力和时间有限，连载完毕，以后有时机单独撰写，感励磁同事对我博客的关注。 最后，回忆这些灭磁技术讲座，我来给大家讲一讲不同类型的灭磁开关灭弧室的电弧路径。电弧路径是我临时想出的一个词，就是电弧在灭弧室的运动路线图。 1国产DM4灭磁开关采用绝缘灭弧栅片即长电弧原理，在动触头分开瞬间，触头两段产生电弧。随着动静触头分开，电弧变长。在吹弧线圈的电磁力作用下，电弧进入灭弧室，由于采用绝缘片，电弧只能变长，直到能量被转移或者被电弧本身的发热吸能为止。特点就是电弧电压不稳定，电弧越长弧压越高。长电弧路线图如下所示： 2国产DMX2、法国CEX06、瑞士HPB灭磁开关采用金属灭弧栅片即短电弧原理，在动触头分开瞬间，触头两段产生电弧。随着动静触头分开，电弧变长。在吹弧线圈的电磁力作用下，电弧进入灭弧室，由于采用金属片，电弧被分割成短弧，直到能量被转移或者被金属片吸能为止。特点就是电弧电压稳定，弧压主要由开关本身确定。普通短电弧路线图如下所示： 3瑞士UR、德国GE RAPID灭磁开关采用金属灭弧栅片即短电弧原理，在动触头分开瞬间，触头两段产生电弧。随着动静触头分开，电弧变长。在吹弧线圈的电磁力作用下，电弧进入灭弧室，由于采用金属片，电弧被分割成短电弧。由于灭弧栅片方向垂直，故电弧方向也垂直。垂直短电弧路线图如下所示： 4联-1系列，即我国DM系列灭磁开关采用金属灭弧栅片即短电弧原理，在动触头分开瞬间，触头两段产生电弧。随着动静触头分开，电弧变长。在吹弧线圈的电磁力作用下，电弧进入灭弧室。在灭弧室电磁线圈的作用下，按照左手定律，电弧产生旋转半圈或者大半圈，电弧在金属片上变成电流。旋转短电弧路线图如下所示：37 / 37