发电机灭磁工作原理
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灭磁工作原理
当发电机组的内部或发电机出口端发生故障以及正常停机时都要快速切断励磁电源，由 于发电机转子绕组是个储能的大电感， 因此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，造成转子绝缘击穿， 所以必须尽快将转子电感中的磁能快速消耗， 这就是通常
所说的灭磁。
通常使用的灭磁方法有：线性电阻灭磁、灭磁开关灭磁、逆变灭磁和非线性电阻灭磁。本 公司采用氧化锌非线性电阻灭磁方式利用其特殊的伏安特性，达到近似恒压灭磁的效果。
灭磁的原理如图1所示，其中i转子中的电流、FR1为氧化锌非线性电阻、 FMK为灭磁
开关、Uo为励磁电压、LP为整流电源、Uk为灭磁开关弧压、UR为氧化锌非线性电阻残压。 若要使转子电流衰减至零， 必须在转子两端加一个与其励磁电源电势相反的电势 U，灭磁方
程式为Ldi/dt+U=O。可见电感中电流衰减率正比于反向电势 U，反向电势越大，灭磁时间
越短。但反向电势受转子绝缘水平限， 限不能超过转子绝缘允许值因此最理想的灭磁方式是
灭磁电压保持恒定，电流保持一个固定的变化率( di/dt=-U/L )按直线规律衰减至零。由于
氧化锌非线性电阻残压 UR变化很小，灭磁时近似于恒压，即 UR=U。发电机正常运行时转
子电压低，氧化锌非线性电阻呈高阻态， 漏电流仅为微安级。 灭磁时，灭磁开关FMK跳开,
切开励磁电源，在满足 Uk》UO+UR时，电流被迫入灭磁过电压保护器中，转子绕组中所储 能量被氧化锌非线性电阻消耗，且氧化锌良好的伏安特性保证了这部分能量几乎以恒压的形 式消耗，确保了发电机组的安全。
图1
发电机转子灭磁及过电压保护装置 采用多组氧化锌非线性电阻并联跨接于转子绕组两端，
由于氧化锌非线性电阻 FR1、线性电阻R1、快速熔断器 RD、二极管D1组成(见图2)。 其核心部件FR1具有限制反向过电压和吸收磁能的作用； 各支路中都有特制熔断器 RD，熔
断器的熔断时间小于 2ms并且熔丝电压足够高，当部分支路必生故障，其相应熔断器快速 熔断，产生的电压将故障支路的短路电流迅速迫入其他支路，故障支路被切除。线性电阻 R1和二极管D1在机组正常运行时降低氧化锌非线性电阻 FR1的荷电率，延缓阀片老化。
（1）主要部件与作用
同步发电机在运行时常因一些故障或其他原因使转子系统出现过电压。 这些过电压产生的条
件不同、强弱不同，所以应当采取不同的保护方法。 同步发电机转子灭磁及过电压保护装置
基本原理如图2、图3所示。
（2）非全相及大滑差异步运行保护器（ FQ ）
因发电机断路器的非全相或非同期合闸等原因会使发电机非全相运行或大滑差异步运行， 在这两种运行状况下， 转子绕组中将产生剧烈的过电压， 由于此时电网和励磁电源的能量均
能传递到转子绕组中， 能量远超过通常灭磁装置的灭磁能量， 当灭磁装置中氧化锌阀片的熔
断器全部熔断时，转子绕组开路，此时转子绕组相当于恒流源， 产生的过电压将会击穿转子
绕组的绝缘。 非全相及大滑差异步运行保护器”能在以上情况下快速动作，构成转子续流
通道，避免转子绕组开路，有效防止转子绝缘击穿事故发生。
在图2中，非全相及大滑差异步运行保护器装置 由FR2、线性电阻R2和R、可控硅触发
器CF、可控硅KPT、二极管D1组成；在图3中由FR2构成。其中FR2防止正向及反向过 电压，线性电阻
R2用来降低氧化锌非线性电阻的荷电率， D1 一方面降低正常运行时氧化
锌非线性电阻的荷电率，另一方面在出现反向过电压时作为 FR2的导电通道，线性电阻 R
和可控硅触发器CF配合触发可控硅KPT启动正向过压回路。在发电机正常运行情况下， 非全相及大滑差异步运行保护器处于开路状态，仅有极小的漏电流 （微安级），在转子灭磁
工况下，因保护器导通电压远高于灭磁高能氧化锌非线性电阻的导通电压， 故不会参予灭磁
工作；当出现非全相或大滑差异步运行而产生剧烈正向过电压时， 灭磁高能氧化锌非线性电
阻由于二极管的阻断作用而不会动作。 图2中R和CF所组成的过电压测量回路将动作， 发
出触发脉冲，可控硅 KPT导通，FR2进入导通状态，限制发电机转子的过电压，保护转子 不受损害。当出现非全相或大滑差异步运行产生反向过电压时保护器不需要触发器只需要 D2支路即进入工作状态。与此同时，灭磁电阻也参与工作，使转子过电压被限制在允许范 围内，保障转子不受损害。 但需要说明的是，非全相及大滑差异步运行保护器除具有一般氧 化锌非线性电阻的特性以外， 还有一个特殊的特性， 即在吸收一定的能量以后， 将会改变非
线性特性曲线，自动降低导通电压，当周期性或持续性的过电压波到来时， 随着时间的增加，
保护器吸收能量的增加和温度的提高， 保护器导通电压迅速下降，低于灭磁氧化锌非线性电
阻的导通电压，使灭磁氧化锌非线性电阻退出工作。
非全相大滑差异步运行保护器在结构上采取了防潮、密封及防爆措施，运行安全可靠，使 本公司的同步发电机灭磁及过电压保护装置具有更完善的转子系统过电压保护功能。 该装置
投运以来，多次在发电机发生非全相运行或大滑差异步运行时起到保护作用， 从而避免由于
转子开路而造成对转子绝缘的损坏，具有较大的社会效益和经济效益。
（3） 励磁电源侧过电压保护器（ FR3）
对于直流励磁机励磁系统，二极管整流励磁系统，正常运行中出现的正向过电压和灭磁开 关分断后电源侧线路电感及变压器漏电感所储存的能量产生的过电压。 本公司的励磁电源侧
过电压保护器FR3针对以上情况出现的过电压能可靠限制。该装置主要由图 3中的快速熔
断器RD1和氧化锌非线性电阻 FR3组成。
（4） 尖峰过电压吸收器（SPA）
可控硅整流励磁系统电源侧出现的过电压主要由图 2中的 尖峰吸收器” SPA加以限制。随着
发电机容量越来越大，可控硅性能的提高，可控硅静止整流励磁系统的应用也越来越之泛。 可控硅整流桥换相时直流侧会出现尖峰过电压，其值最高可能达到整流系统阳极电压的
倍。如果不加限制，长期累积效果可能引起转子系统绝缘的击穿事故， 甚至引起相关元器件
的烧毁以及停机事故。 2.5 本公司的尖峰过电压吸收器 SPA采用高能氧化锌阀片与阻容件器联组合成，充分利用氧化
锌的非线性伏特性，将电压限制在某一范围之内， 同时考虑尖峰电压的能量分布， 利用电容
两端电压不能突变的特点， 将尖峰过电压的前段高电压部分的能量吸收在氧化锌组件中， 其
他能量由氧化锌和电容共同及收。在尖峰电压过去以后，电容的能量通过电阻快速释放掉。
SPA的原理接线图见图 4: RC组成一个高频通道，将可控硅换相时产生的高频尖峰电压传
输给氧化锌非线性电阻 FR4，FR4动作吸收尖峰电压，并且限制高频尖峰电压不超过一定的
幅值，从而保证了可控硅换相时不会引起转子回路的过高电压。回路中的
FR5是RC支路
的保护元件，因为在特定频率下，支路有可能产生谐振而出现过高的电压， 致RC元件损坏。
故当电压超过FR5动作电压时，FR5动作保护RC元件。
4. 灭磁过电压保护设定值
对发电机励磁绕组回路过电压保护动作值的设定，首先应考虑发电机励磁绕组的绝缘水平。
国际电工委员会IEC标准规定，发电机励磁绕组的额定试验工频交流电压有效值 Us为额定
励磁电压的10倍，但是最高值不超过 3500V、最低值不低于1500V。即：
Us= 10UfN , 1500V
通常在交接试验或大修后试验电压值将较出厂值低，一般取 70 %规定值。
(1) 非线性灭磁电阻容量的选择：
空载励磁绕组储能：
2 2
W°= °.5 X.0 心0 =O.5Rf0 XTd0 XIf0
强励时，励磁绕组的储能，考虑到饱和及耗能分配影响，应乘以相应系数
2
WC= 0.5 >LCX(KvXIfN)
2
WC= 0.5 >KSKR Rf0 Tdo>Kv>fN)
式中IfN ------------- 额定励磁电流
If0 --------- 空载励磁电流
Td0 ――发电机空载时间常数
KV ――强励电压倍数
KS ――强励时励磁绕组饱和系数，一般取 KS= 0.4水电取0.6
KR —— 灭磁时由灭磁电阻分担的磁场总容量，一般取 KR = 0.7
Rf0 ――励磁绕组电阻(75 °
考虑20%裕度。
(2) 非线性灭磁电阻残压的选择：
通常非线性电阻最大残压 U残一般不低于励磁绕组出厂试验电压的 30%，不高于50%。
U残=UfN > ( 3〜5),可控硅整流一般选 4，二极管整流一般选 3;
U10mA = U 残 / 1.5 。
灭磁阀片的动作电压值约为 U残X1/1.2〜1.3 合肥凯立生产的非线性灭磁电阻阀片特点：
1•阀片单片容量20KJ，最低电压不低于 280V ;
2•阀片流过100A的电压和流过10mA的电压比值仅为1.5倍；
(残压比 K = U 残/ U 10mA =匸5)
3.漏电流小，二分之一一 U 10mA电压下的电流1= 1/2 U 10mA< 50 ；
4•阀片能在持续运行电压 Ue= 0.75 U10mA下工作100年。
5. 选取阀片数量时应注意考虑安装方式， 一般一条组件上压装 4组(残压低于1000V时最多
可压装5组)，每组中最多可串连 3片(残压低于800V时最多2片)，每组单独配一个熔
丝；也可采用双抽头式，即一条组件上压装 8组，每两组共用一个熔丝。
(3) 非全相过电压保护器残压的选择：
U非全相=U残XI.5
(4) 尖峰吸收器SPA
不加SPA出现的尖峰值为：
Ui = 2.5 杓ac
U尖峰残压=Uac X1.12 侥
电容参数：CJ41 20卩/630V
电阻参数：RX20 100Q /100W
(5) 电源侧过电压保护
比非线性灭磁电阻残压略高。
例：哈尔滨第三发电厂 1#机
额定功率200MW三机励磁方式
UfN = 450V
IfN = 1765A
交流励磁机额定输出电压： 415V
灭磁电阻残压： 1350V额定能容：0.36MJ
非全相及大滑差保护残压： 2025V
电源侧保护阀片： 1550V
(6) KPT组件及 D2
KPT组件是由可控硅 KPT、二极管D1组成，其参数选取：
