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对发电机灭磁开关的性能要求李自淳夏维珞彭辉符仲恩（中国科学院等离子体物理所科聚公司，安徽合肥230031）［摘要］本文通过理论分析，探讨了对发电机灭磁开关的一般通用要求，及对开断性能起关键作用的特殊要求。
［关键词］灭磁开关；通用要求；开断性能；弧压1前言作为发电机主保护的灭磁保护，一直是电机界特别是励磁界关注的要点。
发电机的灭磁系统有如汽车的制动系统，对主机的安全运行至关重要。
灭磁开关是灭磁系统中的主要关键部件之一，它的作用一是迅速切断发电机励磁绕组与励磁电源的通路；二是迅速熄灭发电机内部的磁场。
实现这两个功能的关键是迅速消耗发电机磁场的能量（转化成热能）。
过去的灭磁开关（如DM2型自动灭磁开关）靠自身的栅片来吸收磁能，故栅片烧损严重，维护工作量大，不能频繁动作，不能满足大、中型发电机灭磁的需要，但老的中小型机组仍有应用。
目前国内外广泛采用的是移能型灭磁开关，叫做磁场断路器。
它在灭磁时将励磁电流及磁场能量迅速转移到灭磁电阻中衰耗，本身基本不吸收能量。
目前国内外可用的灭磁开关约有几十种，其性能各异；同时有关单位还在研制新型的灭磁开关（特别是大电流、高参数的产品）。
在选用和研制灭磁开关时，首先应明确对其性能的要求，现在就此问题作一探讨。
2一般通用要求灭磁开关作为“开关(或断路器)”的一种，应该满足对开关的一般通用要求，如：1）通流性能好接触电阻小，运行温升低，短时过流量大。
2）绝缘强度高能耐受正常运行中的工作电压及暂态过程中短时过电压的冲击而不损坏。
3）机械动作灵合闸分闸动作灵敏可靠，不能误动和拒动。
4）综合性能优结构牢固稳定，安装维护简便，工艺精良，外形美观，体积小，重3 对开断性能的要求开关的重要特性是开断性能，而不同的开关，其开断机理是不同的。
总的可分成三类：3.1 交流过零开断[1]12L图2 熔断器开断短路电流等值电路图大多数交流高压断路器属此机理。
它利用交流电流的零点自然熄弧，但熄弧后断口要承受“恢复电压”而不能“复燃”。
自动灭磁开关与灭磁技术探究随着我国科学技术不断的发展，灭磁开关产品逐渐的成熟，导致其型号不断增多，对于其磁场断路器的操作要求也逐渐增加，本文就灭磁开关与灭磁技术分析，结合其安装试验等内容展开分析，希望对于我国发电机励磁系统控制水平的提升，起到积极促进的作用。
标签：灭磁开关；灭磁技术；选择0 前言灭磁开关，主要是指用于快速降低励磁回路中的电流的开关，其作用原理包括直流灭磁以及交流灭磁，且两种灭磁原理都有着自己的优势。
近年来人们对于该技术有不同的观点；为了更好的完善励磁装置灭磁设备，加强此方面的研究是非常有必要的。
1 GE rapid系列灭磁开关和赛雪龙系列灭磁开关比较基础特性：GE rapid：①材质为高绝缘强度塑料②IEC、EN等国家权威认证③抗环境因素干扰、出头具备清洁功能④模块化设计三种框架尺寸，最大额定功率到8000A，不用强制冷风、附件更换方便⑤产品设计统一，应用范围广机械设计：GE rapid：①可以应用到负载大的工业、轨道应用②产品防护等级高③绝缘效果佳UR（HPB）：①环境条件应用受限②不具备双重绝缘设计触头系统：GE rapid：①2-stage触头系统包括主触点及弧触点设计，正常电气寿命情况下，不用维护②烧损点在可更换的弧触点上③自身清洁功能保证不会在分断电路时出现熔悍情况④维护成本低UR（HPB）：1-stage触头系统，分断中易烧损、触头易熔悍且中易烧损、触头易熔悍且维护成本高维护寿命：GE rapid：①免维护设计②附件模块化设计更换便捷③寿命达五千次，在寿命期间不需要维护UR（HPB）：①附件需要更换且维护成本高②寿命可达两千次低电流操作：GE rapid：自身的灭弧能力，与电流没有关系，不需要增加磁吹弧系统UR（HPB）：需要额外的磁吹弧系统，且灭弧性能受电流影响驱动系统：GE rapid：电磁线圈与机械成闭锁机构，合闸后不需要电功率，来帮助主触头系统闭合UR（HPB）：在各合闸后仍需要额外的电功率电流测量模块：GE rapid提供一体化模块；UR（HPB）客户自行外接额定电流等级与范围：GE rapid：260、4000、6000、8000、10000不用风冷UR（HPB）：500、1200、2000、2600、4000、4500、6000低触头功耗：GE rapid：100W at 2600A2 灭磁技术GE rapid灭磁开关应用短电弧原理，即利用金属灭弧栅片，在动触头分开的同时在触头两段形成电弧。
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分类：我爱励磁司安徽杂谈正如前文所述，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等于或达到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。
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，本人既高兴又惶恐，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，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。
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，只能进行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行灭磁开关弧压试验，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。
下面是我们在常州进行灭磁试验的照片，采用CEX98-5000-4.1灭磁开关配合ZnO并联PTC灭磁试验，照片由好朋友张明君拍摄，共进行了三次灭磁试验。
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。
弧压概念源自于苏联教科书，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，是断口进行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安全的。
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行的。
何为自动灭磁开关的弧压（灭磁讲座之二）(2009-12-24 17:53:53) 标签：弧压弧电阻转子碳化硅反电势
分类：我爱励磁
磁能发电机杂谈
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Uk﹥Uz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。
