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：①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。②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：①开关的能容量有限，大容量的灭磁开关难以制造。②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。③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），VR为非线性电阻，RU表示非线性电阻的电压。正常运行时FMK闭合，SCR输出整流电压dU和整流电流dI。RU为正压（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1KU和2KU。同时，RU由正压变为负压，当RU大于VR的导通电压RVU时，非线性电阻击穿导通，励磁电流RI流经VR，磁场电流由FMK转到VR上来，FMK双断口电弧熄灭，RI衰减，直到RU和VR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VR只在发电机励磁电压RU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：

RU=（1KU+2KU）－dU ≥ RVU （1）

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dU成为一个交变电压，当dU＜0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C B A Uk1

Uk2 UR Ud

+ + +

+ -

- - - D

RV

IR FMK SCR Id

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 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（1KU+2KU） +∣dU∣，其等效电路如图2所示。在dU变为负值，灭磁条件（1）式很容易满足。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：

（1KU+2KU） +∣dU∣≥RVU （2）

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：①能够转移电流实现灭磁，②安全转移能量，③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。 Uk1

Uk2 UR Ud

+ +

+ -

- - D

RV

IR FMK

图 2 交流灭磁等效原理图 ～ GSQF2QF1UdURUKIKILRVIRLRLQF2

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1t为QF1闭合时刻；2t为QF2断开时刻。1t瞬间QF灭磁动作，QF1先闭合，电阻内因正常励磁电压dU作用产生一附加电流(此电流方向与图中规定的RI方向相反)，使KI也增加一个附加电流。2t时刻QF2断开，产生电弧随着电弧的拉长弧压KU不断上升使转子电压LU (或非线性电阻电压RU)不断上升，由于LU的作用，RI也随之反向并不断上升。因转子有相当大的电感量，故转子内励磁电流LI不能突变，在短时间内可视作恒量。由柯希霍夫结点定律：LI=KI+RI，RI不断上升必然使KI不断下降，即完成励磁电流从磁场断路器向灭磁电阻的转移，称为换流。设3t为KI下降为零时刻，到3t时刻，LI全部转移到R中，换流结束，KU、LU、RI、LI均按指数规律衰减，当LI、RI衰减到零，灭磁结束。3t-2t为换流时间，此期间也为QF燃弧吸能过程，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，KU不是可以无限升高，其最大值受到断路器结构的限制，KU能达到的最大值(最大断口弧压KMU)是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：

dU+ LU -KU =0

或KU= LU +dU （3）

LU的最大值LMU=RMI+R，如R值过大LMU>KMU-dMU，柯希霍夫回路定律不能成立。这时励磁电流最大值(强励电流)LMI不能全部换入R中衰耗掉，RMI=（KMU-dMU）/R

KMU≥dMU+ LMU

或 LMU≤KMU- dMU （4）

上式表明：磁场断路器的最大断口弧压KMU必须大于励磁电源电压最大(强励时)峰值dMU与灭磁电阻两端最大压降LMU (强励电流通过时)之和。

3.2 磁场断路器的性能参数要求及选择计算

作为在发电机灭磁系统这个特定环境中应用的磁场断路器，需要首先明确它应具有哪些性能参数、这些参数的定义及其要求，才能对灭磁系统进行正确的设计及设备选择。根据断路器在旋转电机放电回路中应用的特点，在ANSI／IEEE C37．18的标准中，对磁场断路器应具有的性能参数做出了规定，定义了12个性能参数，并对这些参数的测试条件及在具体应用时的选择方法提出了要求：