发电机励磁和自动灭磁开关Word下载.docx

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灭磁是发电机内部短路时限制故障扩大的唯一办法。

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，非线性电阻灭磁发展，逆变灭磁和交流灭磁，伴随着现代励磁的基础即三相全控桥整流电路的出现而发展。

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行简要说明，以后再进行专门分析。

（DM2单断口灭磁开关，一个灭弧罩，主触头和弧触头分离（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，主触头和弧触头分离，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安全、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。

如何测量灭磁开关弧压（灭磁讲座之三）

（2009-12-3116:

24:

00）

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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。

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Uk≥1500V时，换流成功，Ik=0，IRv=1500A，UL=1200且基本维持不变，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带领UL快速上升，当Uk≥2000V时，换流成功，Ik=0，IRv=3000A，Uk=1500V基本不变，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Uk≥1400V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，是安徽时代科聚电气有限公司试验法国CEX98-2560-4.1（4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行灭磁试验，就能够得到我们在开关选型中需要的开关弧压参数，安徽科聚公司提供了两个录波图，如下图所示。

（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，如果科聚公司再进行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，它与下列因素有关：

1、首先与开关结构有关，如灭弧罩结构（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行专题分析，现在首先祝广大读者新年愉快，身体健康。

最后告诉大家的是，安徽科聚公司是我国目前进行灭磁开关试验最有经验的科研单位，依托中科院合肥等离子体研究院，成功进行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，我们应该感谢他们的辛勤劳动。

（安徽科聚公司，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，可以进行所有灭磁试验，他们的氧化锌灭磁电阻都要利用这个电感进行1：

1灭磁试验后才能出厂，可以使广大用户更加放心）

如何进行和分析灭磁开关弧压试验（灭磁讲座之四）

（2010-01-0919:

44:

05）

灭磁开关弧压

波形

励磁

电弧

电流

过电压

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行的，否者所测得的开关弧压受到灭磁电阻残压限制。

安徽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安全。

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，每次进行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的弧压波形为基础，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，则开关弧压将达到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部分，就是电感负载反向感应电势部分，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，比如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较准确的弧压值，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，表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，长弧原理则采用绝缘材料灭弧栅片，使电弧进一步变长。

2009年10月大连励磁会议上，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贡献，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，并免费提供给广大励磁技术人员。

在这论文集中，科聚公司李自淳、彭辉、宣自平和秦山核电的陈子明、余前军总结了科聚公司“磁场断路器的弧压试验”，给出了部分灭磁开关典型弧压试验波形和试验结果。

希望读者通过比较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）

（2010-01-1815:

10:

11）

最大分断电压

过电压倍数

断口

标准

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。

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/IEEEC37.18“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行，相当于发电机的空载、负载、强励、误强励、三