同步发电机励磁系统灭磁及过电压保护技术发展方向

1、电气技术高研班系列培训教材同步发电机励磁系统灭磁及过电压保护技术发展方向第一章 引言11发展概况灭磁就是在发电机组的内部发生故障时，在转子绝缘允许的情况下，尽快地将发电机转子绕组中励磁电流所产生的磁场减弱到尽可能小的过程。当发电机组内部发生短路或发电机出口变压器出现短路故障时，灭磁可使发电机的感应电势迅速下降至零，尽可能减少故障造成的损失。八十年代以前国内由于发电机组容量小，主要是直流励磁机励磁。随着发电机机组容量的增加，又出现了由直流励磁机带交流励磁机，再加二极管整流给发电机励磁的三机励磁系统。这两种励磁系统的励磁电源输出电压平稳，电压纹波系数小，调节反应速度慢，强励倍数小，基本上采用灭磁开

2、关串联灭磁。三机励磁系统的灭磁电路接线简单，灭磁速度较直流励磁机系统的要快，因开关动作次数少，开关本身一些问题未能暴露出来。到八十年代，发电机单机容量越来越大，三机励磁的缺点越明显，如发电机体积庞大，机轴长，震动大，造价高，顶值倍数低，调节反应速度慢等等。随着硅元件技术的不断成熟，出现了可控硅静止励磁系统即自并励系统。该系统具有：功耗小，机轴短，震动小，厂房小，造价低，调节反应速度快，顶值倍数大的优点。随着发电机单机容量的增加，可控硅快速励磁系统的采用以及励磁功率的加大，耗能型的短弧栅片灭磁系统能力不足，灭磁开关拒动及小电流不能吹弧等问题越来越充分地暴露出来，尤其是上个世纪八十年代初期，曾多次

3、发生DM2灭磁开关烧毁事故，甚至因此而导致发电机定子或转子烧伤的事故。1983年白山电厂投运的300MW水电机组是当时国内水轮发电机组中单机容量最大，转子时间常数最长，阳极电压最高，采用了可控硅自并励系统的机组。转子灭磁是用两台DM2-2500型灭磁开关串联灭磁方式。正常灭磁时，灭磁速度快；而强励、误强励时，灭磁速度慢，每次灭磁，灭磁开关的弧触头、灭弧室烧损严重；逆变时，威胁转子绝缘电压，甚至导致转子绕组绝缘击穿；而由于阳极电压达1300伏，换向尖峰电压可达4200伏，致使励磁系统常常出问题，引起误强励，导致灭磁开关动作次数增加，开关动作次数的增加，使得开关本身的许多问题暴露出来。如开关机构不

4、可靠，弧触头与主触头配合不易调节，有拒动问题，小电流分断能力弱，吹弧不稳定，开关电流、弧电压、及灭磁能量不易调节，弧触头和吹弧室烧损严重，开关动作后必须进行处理等。为了解决自并励系统中串联灭磁的灭磁电压不稳定的问题，到1984年，提出了并联灭磁方式。并联灭磁的灭磁电压不再受励磁电源电压波动的影响，而直接由吸能元件的残压决定。开关仅用作开断励磁电源，故又称之为直流断路器或磁场断路器。要求开关开断时建立的弧电压应大于励磁电源电压和灭磁残压之和。否则将无法断开励磁电源，将转子电流迫入吸能元件中，导致烧开关。从84年至94年这十年时间，基本上完成了从串联灭磁到并联灭磁的转换。为了解决DM2灭磁开关小电

5、流分断能力弱，吹弧不稳定，开关弧电压不易调节，弧触头和吹弧室烧损严重，开关动作后必须进行处理等问题，到八十年代中期，提出了可控硅电子开关换流开断方式和熔断器开断方式及DM4型磁场断路器加氧化锌非线性电阻的灭磁方法。自八十年代中期至九十年代中期，一直围绕着开关、熔断器问题进行探讨，而对灭磁和过电压问题的讨论趋于低调。但在这段时间内，许多机组出现过非全相异步运行，烧毁灭磁元件。还发现了可控硅整流时换相尖峰过电压对励磁系统造成故障的现象。94年至98年，解决了非全相保护和换相尖峰过电压的吸收问题。98年又出现了多台自并励机组事故灭磁时，烧毁DM4开关的现象。99年1月5日国家励磁协会在上海召开会议，

6、专题讨论三峡水电站发电机灭磁问题。三峡水电站发电机的阳极电压为1500伏，励磁绕组已按现行绝缘标准订制，如何解决阳极电压、开关弧电压和转子绕组的绝缘之间的矛盾？开关如何选择？会上提出将交流灭磁方式作为2000年的攻关项目。99年10月17日在合肥召开了交流灭磁研讨会，会议期间与会者观看了交流灭磁的试验，肯定了交流灭磁方案的可行性。1 2转子灭磁及过电压保护的基本要求和参数121基本名词吸能元件是指发电机灭磁过程中主要消耗转子绕组贮能的器件。灭磁能量是指在灭磁过程中吸能元件能够消耗的能量数。灭磁时间是指从发电机开始灭磁到定子电压下降到定子额定输出电压的百分之五的时间。荷电率是指长期加在吸能元件上

7、的最高电压与其U10mA之比值。当荷电率在75%以下，非线性电阻可长期工作。尖峰率是指在可控硅励磁方式中，励磁电源由于可控硅换相产生的尖峰电压与其阳极电压峰值之比。残压是指非线性电阻中流过某一电流Imax时，在线性电阻元件两端产生的电压峰值Umax。动作寿命是指吸能元件在正常灭磁过程中，允许灭磁的次数。一次回路是指励磁主回路。二次回路是指信号回路或控制回路。非线性系数是指在非线性电阻的伏安特性曲线中，某一区域内静态电阻与动态电阻的比值。可以表达非线性电阻的电流随电压指数性变化的情况。漏电流是指在非线性电阻上两端加上其50%U10mA电压时，非线性电阻过电压保护性能。U10mA是指当非线性电阻上

8、流过10mA电流时，在非线性电阻两端产生的电压。122转子灭磁及过电压保护的基本要求根据在任何情况下，过电压不得超过转子绝缘电压的0.65倍的原则，对转子灭磁及过电压保护的基本要求如下：（一） 灭磁能量要充分，动作寿命长；应能允许在最危险的情况下使用1000次以上。（二） 最大过电压应小于0.65倍转子绝缘电压。（三） 元器件长期工作寿命应在20年以上。（四） 灭磁时间尽可能的短。（五） 开关应能可靠开断，即开关建立的弧电压与励磁电源电压之压差，应大于吸能元件的残压；一般高200伏左右。（六） 吸能元件的残压应大于3.5倍励磁电源电压。（七） 过电压保护值应小于0.9倍功率管的耐压值。（八）

9、一次回路与二次回路的耐压应大于转子绕组的绝缘电压。对于可控硅静止励磁系统而言，还应有：（九） 吸能元件在逆变时的负半周电压下也应能长期运行，即荷电率小于0.5。（十） 应将尖峰率压缩在1.5以内。123灭磁及过电压保护的基本参数：灭磁及过电压保护的基本参数主要有下列：（一） 灭磁能量；（二） 灭磁时间；（三） 残压；（四） 尖峰率；（五） 正、反向荷电率；（六） 一、二次回路的耐压；（七） 吸能元件的漏电流；（八） 吸能元件的非线性系数；（九） 残压比。第二章 转子过电压的来源21、转子过电压的分类发电机组在运行中受到较大的扰动时，静止励磁的同步发电机在转子励磁绕组上可能产生正向过电压或反向过

10、电压。通常当发电机出现两相、三相突然短路、失步、非同期合闸、灭磁、非全相运行时，由于发电机的电枢反应会使转子电流发生剧烈摆动。当转子电流企图摆至负方向而被硅元件截止时，在转子励磁绕组内可能感应很高的正向过电压，威胁硅元件以及转子励磁绕组绝缘的安全。静止可控硅励磁电源会因可控硅管的关断出现换相尖峰过电压。从交流侧通过励磁变压器和气隙传递过来的有大气过电压、电网操作过电压也会出现在转子系统中。转子过电压主要分类为：（一） 灭磁过电压。过电压的时间短，持续时间不长，能量较大且集中，目前已得到相当重视和熟悉。（二） 可控硅换相尖峰过电压.其时间极短，持续时间长，能量小。它是一些机组误强励、误失磁的根本

11、原因，必需采取保护措施。（三） 非全相及大滑差异步运行过电压。过电压剧烈，持续时间不定，能量无法估计。这种运行状况出现较少，但危害很大，应引起重视。22灭磁过电压及其保护在发电机的内部发生故障时均提出灭磁的要求。简单的办法是尽快切断励磁电源。但由于同步发电机转子绕组具有很大的电感。断开电源时在其两端会引起很高的电压，可能造成绕组绝缘被击穿的危险，这种过电压称为灭磁过电压。 由于同步发电机转子绕组是个大电感，断开电源的同时，为转子绕组提供一个电流回路，使得转子绕组中储存的能量能在这个回路中衰灭，同时限制转子绕组两端的电压。这就是灭磁过电压保护的原理。 灭磁过电压保护的设计，首先需对可能出现的各种

12、故障下的灭磁，进行磁场能量的计算，将其中最大磁场能量定为选择非线性电阻能容量的依据。最大灭磁能量计算的准确是灭磁装置设计的关键，灭磁时间的快慢是判断灭磁装置优劣的关键指标。选择最佳灭磁电压，可得到最短灭磁时间。 目前的灭磁元件主要有线性电阻、碳化硅非线性电阻、氧化锌非线性电阻。221线性电阻灭磁假设定子绕组开路，且不计饱和和阻尼绕组的影响时，励磁电流If将按下列规律衰减，If=Ifoe-Im/Tm Tm=Lf/(Rf+Rm) Tm=Tf/(1+k)式中 If-励磁电流； tm-灭磁时间；Ifo-灭磁时的起始电流；Tm-灭磁时间常数； Tf-励磁绕组时间常数； Lf-励磁绕组的自感Rf-励磁绕组

13、的电阻；Rm-线性电阻。 灭磁时间常数 Tm与线性电阻Rm有关，从加速灭磁过程来看， Rm 愈大，对灭磁愈有利。但Rm 愈大，灭磁时的起始电压IfoRm也愈高，可能引起过电压。因此，假定励磁绕组两端所容许的最高电压为Ufm，则必须 IfoRmUfm即 RmUfm /Ifo= （Ufm/ Uf）/Rm=kRf如k=5，则tm=0.77Tf。线性电阻的伏安特性曲线如图221a中的曲线3。线性电阻灭磁的缺点是：灭磁电压随转子电流的衰减而线性下降，灭磁速度较低，保护效果不好，不能满足更高的要求，因而只能用于中等容量的机组。2U1U3U图221a222非线性电阻非线性系数是描述压敏电阻非线性程度的电参数

14、.通过实验可以建立起电流与电压的函数关系,从中可以看出非线性的强弱。取一非线性电阻，在其两端施加脉冲电压（脉冲宽度应窄到不使非线性电阻发热为宜），记录各电压值对应的电流值，绘制在方格纸上，用平滑的曲线连接各点，即可得该非线电阻伏安特性曲线。在曲线上取一点A（U，I），作该点切线。A点的电压与电流的比值U/I=Rc,称为该点的静态电阻，该点切线的斜率dU/dI=Rd称为该点的动态电阻。称静态电阻与动态电阻的比值Rc/Rd=为非线性系数。=Rc/Rd=U/I/dU/dI=dI/I/dU/U或dI/I=dU/U两边积分dI/I=dU/U得：lnI=lnU+C1 令C1=-lnU则：lnI=lnU-l

15、nC=ln(U/C) 或I=（U/C） 由上式可知，非线性电阻在A点附近的电流变化范围由参数和C值决定，该式是由非线性电阻伏安特性的近似式。值越大，压敏特性越好，非线性越显著。但在电流变化很宽的范围内，值并不是一个常数。一般情况下，在小电流和大电流端，值均有下降。人们常用10mA电流作为非线性电阻的电流随电压陡峭上升标志，并将此对应的电压值称为压敏电压，写成U10mA。而在大电流脉冲情况下，人们常用残压来说明非线性电阻的伏安特性。一般情况用残压比来衡量非线性电阻的过压保护性能。非线性系数越大，非线性越强，残压比就越小，过电压保护性能就越好。灭磁中常见的非线性电阻有SIC非线性电阻和ZNO非线性

16、电阻。它们的伏安特性曲线与线性电阻的伏安特性如图221a中的2和1.（一）SIC非线性电阻SIC非线性电阻伏安特性曲线如图221a曲线2,由于SIC非线性电阻的非线性系数值小（=4），漏电流大，直接接在电路中作为保护元件,消耗功率大，需强迫风冷。所以一般情况下SIC非线性电阻作为保护元件，不直接接在电路中,而是通过接触器、开关、可控硅器件等设备进行切换。SIC非线性电阻的灭磁时间为理想灭磁时间的4/3倍。用可控硅器件进行切换时，一旦过电压使可控硅导通，SIC非线性电阻动作，可控硅无法自行关断。必须加一套复杂的过电压动作检测，发现SIC非线性电阻动作后，还必须有一套继电器动作，使全控桥作短期逆变

17、，以关断可控硅，然后再使全控桥退出逆变。此外，还必须检测全控桥逆变是否成功，不成功者还必须指示发停机。整套设备结构复杂，且逆变和停机的要求是电厂无法接受的。（二）ZNO非线性电阻ZNO非线性电阻是一种由陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料。它的工作电压、电流可通过元件的尺寸来调整，具有制造工艺简单、成本低廉的优点ZNO非线性电阻的伏安特性曲线如图221a曲线1，ZNO非线性电阻的非线性系数值越大（=20），在同一工作电压下，其漏电流比SIC非线性电阻的好，而在大电流冲击下，ZNO非线性电阻的稳压性能比SIC非线性电阻的好。故一般情况下，可直接接在电路中作为保护元件，兼有优良的转子过电压保护功能。

18、由于ZNO非线性电阻漏电流小，如果加在可控硅器件进行切换，当过电压过去以后，随着加在ZNO非线性电阻上电压跌落，通过可控硅的电流迅速减小到其维持电流以下，使得可控硅自行关断。故用ZNO非线性电阻作为吸能元件的灭磁装置，设备结构简单、便于维护。氧化锌非线性电阻的伏安特性曲线比碳化硅非线性电阻特性曲线更加平稳。这意味着，灭磁时，氧化锌非线性电阻能将灭磁过电压限制在一个更平稳的范围内，几乎为恒压。灭磁时，氧化锌非线性电阻导通电压变化很小，可近似看成常数U1（U1既是阀片的残压）如不考虑阻尼和饱和作用，转子电感可看成一常数L，转子电流下降率di/dt=U1/L为常数，转子电流是直线下降的。所以氧化锌非

19、线性电阻灭磁时间要快得多，这在事故灭磁时尤为重要。23整流柜可控硅换相尖峰过电压及其保护在静止可控硅励磁系统中，励磁电源输出的大小由可控硅的导通角控制。在可控硅换相关断过程中，由电路中激发起电磁能量的互相转换和传递，其直流侧产生了尖峰过电压，该尖峰过电压的峰值可达阳极电压的三倍左右，容易引起转子系统软击穿事故，甚至引起器件烧毁和停机事故。可控硅励磁电源出现误强励和误失磁的几率比二极管整流电源高得的多，这主要是由于可控硅换相时产生的尖峰过电压引起的。当可控硅触发角与重叠角之和，为500左右时，尖峰过电压UP最大。定义=UP/2 Uac为尖峰率，其中UP为尖峰过电压的峰值电压，Uac为阳极电压的有

20、效值。对未加尖峰过电压保护的几十台大小机组（40MW至300MW）的测试表明，其尖峰率为2倍左右，即UP3Uac,设转子绕组绝缘电压为U绝，励磁电源输出额定电压为Ud,对于非可控硅励磁电源，电压波动率UP/Ud=1,绝缘安全系数U绝/Ud10。对于静止可控硅励磁电源，当Ud和U绝均与对于非可控硅励磁电源相当时，由于Ud还不到其阳极电压Uac一半，所以它的电压波动率UP/Ud6，缘安全系数U绝/Ud2。两种励磁电源绝缘安全系数相差甚远，当然运行可靠性降低。由于静止可控硅励磁系统的转子绝缘裕度不够，引起转子绝缘劣化加速，故障叠起。对于换相尖峰电压引起的励磁故障，由于过电压时间短（仅几微秒），能量小

21、（几个焦耳），一般对绝缘形成不了直接击穿，多为闪络放电，形成非金属击穿，事故后绝缘能恢复，故障点不易查找。对于可控硅微秒级上升前沿的尖峰电压来说，通过变压器高低压线圈的匝间杂散电容耦合也可产生感应过电压或反射波叠加过电压。在脉冲变压器的一侧是可控硅几千伏的高压电位，另一侧是十几伏的低压电子线路，稍有一点电位扰动，就会从高压侧传到低压侧，引起电子线路的紊乱。这种在高低压悬殊的连接点、隔离点产生的感应过电压也是非可控硅电源没有的，所以励磁故障多从脉冲变处产生、发展。对不动声色这种过电压曾经发现脉冲变发生击穿，引起多次误强励和失磁故障。但更多的是故障发生后找不到脉冲变的击穿点。对于上述问题应当采用两

22、种方法来解决。一是削去、尖峰过电压，使尖峰率降至15倍下。方法是在可控硅励磁电源的直流侧加装尖峰吸收器，可使安全系数U绝/Ud2。二是提高脉冲变的绝缘等级，将脉冲变绝缘电压为阳极电压的3-4倍提高到8倍以上。这两种方法曾被白山电厂等单位采纳，十多年再未发生过此类事故。以上方法仅仅是局部和一定范围内的改进，要彻底解决问题，建立一个适应可控硅励磁系统的新的可靠的绝缘规范是必要的。尖峰过电压必须引起充分的重视，对已运行的机组，可加强尖峰电压的吸收，并对薄弱的局部加强绝缘，但最终应该用新的可靠的规范来解决问题。对汽轮发电机组采用可控硅整流电源的问题应慎重，因为提高汽轮发电机组转子绝缘等级难度较大而且可

23、靠性要求更高。24非全相及大滑差异步运行过电压及其保护发电机组在投合和脱离电网时，因开关原因出现非全相运行是可能的，近年来国内就出现过数次。由于误操作，发电机在大滑差下异步运行也会发生。在这两种工况下，定子负序电流产生的反转磁场以两倍转速切割转子绕组，产生很强的转子过电压。其能量来源于电网和机械能转换，该能量透过气隙传递到转子中，。由于时间不定，这部分能量可能会远远超过灭磁能量，阀片将全部损坏，与阀片串联的熔断器连续熔断，最后一路熔断时将产生过电压，并将转子绕组绝缘击穿。既使熔断器产生的过电压示击穿转子绕组（或不配备阀片保护），反转磁场的感应电势也可能击穿转子绕组。因此有必要对非全相及大滑差异

24、步运行工况下的过电压进行保护，其作用是当出现上述工况时，将转子绕组两端的电压牢牢地限制在安全的电压范围内，确保转子电流有一流通的通道。由于该电流的流过，转子绕组中会产生相反的磁场，抵消定子负序电流产生的反转磁场，在一定程度上保护转子表面及护环不至于烧坏。第三章 转子灭磁及过电压保护的发展过程31、串联灭磁方式1984年以前发电机灭磁装置多采用吸能元件与励磁电源和转子绕组在一个串联回路中，称之为串联灭磁方式，又称灭磁开关灭磁或灭弧灭磁。相距3-5mm金属极板间的电弧的电压降，能够在电流变化很大的范围内几乎保持不变（约30-50伏），灭弧栅就是利用栅片间电弧电阻的这种非线性制成的灭磁装置，其基本接

25、线原理图如31a，图中为整流励磁电源，为发电机转子提供励磁电流；FMK为带灭弧栅的灭磁开关,开关用来切断励磁电源的供电回路,灭弧栅用来吸收能量,LQ为发电机转子绕组。 2 FMK 1 LP LP 3.1a 工作原理：正常工作时，灭磁开关FMK主触头1和灭弧触头2均闭合上，励磁电源LP给转子绕组LQ励磁；灭磁时，先断开主触头，后断开灭弧触头。当灭弧触断开时，转子励磁绕组可等效为电感Lf和电阻Rf的串联，励磁电源的励磁电压为Uo。灭磁时起始电流Ifo，由于电感上电流不能突变，该电流仍等于灭磁前的励磁电流，即Ifo=Uo/Rf,由于是串联灭磁方式，灭磁中励磁绕组端电压Ui与开关电压UK及励磁电源电压

26、Uo的关系为：UI=Uk-Uo，因灭磁开关的短弧阴极效应，在电流由大到小变化范围内，开关两端的电压UK变化很小。但灭磁开关维持恒压的特性并不能直接维持转子绕组端电压的稳定，还需取决于励磁电源电压Uo的状况。 当励磁电源为输出电压波形平稳且变化缓慢的直流励磁机时，因UO变化不大，尚可近似为“理想灭磁”。此时，假设定子绕组开路，且不计饱和阻尼绕组的影响时，励磁电流由灭磁时的起始值Ifo衰减到零所需的灭磁时间Tm为：TmTfln(1+1/k) k=Ufm/Uo其中Uo-励磁电压；Ufm-励磁绕组两端所允许的最高电压；k-过电压倍数Tm-为灭磁时间；Tf-为发电机励磁绕组的时间常数；Ifo-为灭磁时的

27、起始电流。当励磁方式变化时，尤其是采用可控硅静止励磁系统后，情况就不同了。这种励磁电源输出电压的特点是：电压纹波系数大（交流成份幅值高），电压变化快，电压调节变化范围大，甚至可由正几倍（强励）到负几倍（强减）额定励磁电压变化。在这种励磁方式下，灭磁过程中维持开关压降Uk不变与“理想灭磁”中维持励磁绕组端电压Ui不变已完全是两码事了。由于串联灭磁在灭磁过程中励磁电源、灭磁开关与转子绕组仍然构成回路，励磁电源工况不但可以影响灭磁过程中励磁绕组的端电压，而且在灭磁过程中继续输出电能，灭磁开关不但要消耗转子绕组贮存的磁场能量，而且还要吸收励磁电源继续提供的能量，这无疑增加了开关的负担。况且励磁电源提供

28、的这部分能量并不是一个确定的数值，它取决于励磁电源的工况，在某些工况下，这部分能量甚至超过转子绕组贮存的能量。另外，灭磁开关还存在着分断小电流能力弱、机构动作不可靠，有时拒动、吹弧不稳定、弧触头和吹弧室烧损严重、开关动作后绝缘水平下降，动作后必须进行处理以及开关电流、弧电压、能容不能调节等问题。32并联灭磁及其开断方式321并联灭磁为了解决串联灭磁的灭磁电压不稳定的问题，1984年，提出了并联灭磁方式。并联灭磁方式是指吸能元件与励磁电源和转子绕组组成一个并联回路。在灭磁开始后，迅速切断了励磁电源与励磁绕组及吸能元件的联系，因而避免了串联灭磁方式中出现的励磁电源电压变化影响灭磁速度和灭磁能量的问

29、题。其基本接线原理图如下图所示。LP励磁电源，为发电机转子提供励磁电流；FMK为灭磁开关，在灭磁时用于切断励磁电源；XR为吸能元件，灭磁时用来吸收转子中的储能；LQ为转子绕组。 FMK LP XR LQ Lf Rf工作原理：正常工作时，灭磁开关FMK闭合，励磁电源LP给转子绕组LQ励磁；灭磁开关FMK跳开，切断励磁电源LP给转子绕组LQ的励磁回路，因转子绕组LQ中所储能量被XR消耗。并联灭磁的特点在于：由吸能元件直接控制灭磁过程中的励磁绕组端电压，而与励磁电源电压变化与否无关。在并联灭磁方式中，常见的吸能元件有线性电阻、SiC非线性电阻和ZnO非线性电阻等。3.2.2并联灭磁直流回路开断方式并

30、联灭磁直流回路有多种开断方式1）、熔断器开断方式熔断器开断方式是由于灭磁开关存在以下问题而提出的改进方案。a) 灭磁开关不能建立足够的弧电压，迫使能量转移到非线性电阻上。b) 可控硅励磁电源电压的波动使灭磁开关特性不能和非线性电阻特性很好地配合。c) 小电流时灭磁开关的串联磁吹减弱，不能建立足够的弧电压，以实现能量转移。 K LFRRD 上图是这种灭磁方案的原理图。当系统或发电机出现故障时需切除励磁电源时，自动灭磁开关分闸，建立几十伏的弧电压，将电流转入熔断器中，经几到一百多毫秒延时后，熔断器的熔体开始熔断，产生高电压，导通非线性电阻，而熔断器熔体熔断后励磁电源被切断，转子的磁场能量由非线性电

31、阻吸收。该方案的好处是：（一） 结构简单、性能良好、造价便宜、动作可靠。（二） 熔断器能在几到一百多毫秒的时间里产生高电压，可靠分断电路，将磁场能量迫入非线性电阻中，弥补了灭磁开关弧压较低、弧压不稳定及不能和非线性电阻很好配合的缺陷。（三） 电路的公断任务主要由熔断器承担，灭磁开关消耗的能量极小，分断时无弧光、无声响，弧室壁的弧迹很小，不需每次清理开关。开关只要有足够的通流和耐压，在分断时能产生几十伏的电压即可做灭磁开关使用。增加了开关选择的灵活性。（四） 可选择不同的熔体长度来满足调节熔断器的熔断弧压的要求。该方案的缺点是：灭磁动作后需手动更换熔断器，虽与DM2开关灭磁后需清理的工作量比省时

32、省力，但毕竟需人去更换，换流能否成功，还要依赖机械开关的动作可靠性，若开关拒动，则无法灭磁。对于要求自动化程度较高或无人值守的实施，这一方案的应用将会受到限制。84至94年，由于开关问题，该方案作为临时措施，我国有几百台机组使用该方案。2）、电子开关开断方式。事故时真空放电管导通，早已充好电的电容向可控硅p1放电，p1快速关断，转子两端感应的高电压使非线性电阻导通灭磁。KP1CFDGFMKLFR主要特点是：（） 灭磁无响声、无弧光；（） 无机械开关机构发卡拒动等问题。存在的主要问题是：（） 可控硅长期通流发热，须通风冷却，通风系统故障也使系统不能正常工作。（） 此开关无明显的断口，结线复杂，检

33、修维护不够方便。（） 长期带高电压（约）的充电电容装在电气二次设备的柜子中，不利于二次设备及检修人员的人身安全。3）、热敏元器件（PTC）灭磁方案 PTC与磁场开关断口并联，灭磁时在PTC两端产生较高的电压，若灭磁开关拒动，PTC灭磁方案将不起作用。33 94年至98年，解决了非全相保护和换相尖峰过电压的吸收问题。目前国内94年发明的专利产品（专利号：ZL 94 2 18823.3）非全相及大滑差异步运行过电压保护器在全国各大中型发电机组已得到了广泛的应用，当发电机组出现非全相及大滑差异步运行时，转子绕组会产生剧烈的过电压。此时非全相保护器能可靠地限制转子绕组上的过电压，并确保转子绕组电流通过

34、非全相保护器有一条流通通路而不至于开路，且由于该电流的作用，转子绕组将上产生一相反磁场，抵消定子负序电流产生的反转磁场，保护转子表面及护环不至于烧损。有效地避免了发电机组出现非全相及大滑差异步运行时对发电机组造成的危害，对于灭磁氧化锌电阻及转子绝缘起到了很好的保护作用。 对于可控硅整流励磁系统出现的尖峰过电压，在励磁功率柜交流侧加装浪涌吸收器吸收交流侧过电压，在励磁电源直流侧加装尖峰过电压吸收器吸收电源侧尖峰过电压。尖峰过电压吸收器（专利号：ZL 94 2 17545.X）采用高能氧化锌阀片与阻容串联组合而成，充分利用氧化锌的非线性伏安特性，将电压限制在一定范围内的特点，同时考虑到尖峰电压的能

35、量分布，利用电容两端电压不能突变的特点，将尖峰电压的前段高电压部分的能量吸收在SPA尖峰吸收器的氧化锌组件中，从而使得尖峰吸收器能有效地吸收可控硅整流桥直流侧换相尖峰过电压，将尖峰过电压限制在安全范围内，大大减少了换相尖峰过电压对转子系统的破坏作用。随着发电机单机容量的增加，可控硅快速励磁系统的采用以及励磁功率的加大，灭磁系统因换流不成功，导致灭磁开关烧毁，发电机跳闸的事故时有发生，有的虽未发生事故，但在某种工况下也存在换流不成功的隐患。灭磁系统可靠性的问题，不得不再次提到日程上来。近年来，人们在研究解决换流不成功的问题上做了很多有益的探讨和尝试，尽管方案种类繁多， 但效果并不理想，其主要原因

36、之一就是直流电流的开断实在是比交流电流开断难得多。如果能把交流电流过零点熄弧的原理用在直流电流的开断中，那问题就变得简单多了。1999年安徽凯立科技股份有限公司提出交流电压灭磁方案，同年十月在合肥召开了交流灭磁研讨会，肯定了交流电压灭磁的可行性。34 交流灭磁技术341、交流灭磁的基本原理交流灭磁的一次原理电路图如图1所示，灭磁时需要通过一中间继电器的分闸动作去切除励磁电源的可控硅触发脉冲（简称拉脉冲），然后跳灭磁开关。由于发电机转子是具有储能的大电感，其释能的时间常数为几秒量级，拉脉冲后。它相当于一直流恒流源，也就是使励磁电源的可控硅始终有两只导通、四只关断；由于可控硅触发脉冲被切除，四只关

37、断的可控硅管不会导通，但因转子的直流恒源作用，两只导通的可控硅始终导通，且不可控；又因该直流恒流源的输出为单方向直流，两只导通的可控硅在此仅相当于导体。这就使用在与励磁电源输入端相连接的三相支路中有两相电流流过，一相无电流，在此过程中，三相励磁变压器只相当于单相交流电压源，其输出仅为单相正弦波电压，此时，励磁电源相当于一交流恒压源，拉脉冲以后的电路图可以等效为如图2所示。这样电流回路由于上述单相交流恒压源与转子形成的直流恒流源串联而形成闭合回路。当交流灭磁开关开断时，就使得交流开关的断口处产生弧压。利用上述交流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，当满足条件时，转子电流全部切

38、换到ZNO中，随即使开头断口点熄弧开关开断成功，这样就将发电机转子储存的磁能经ZNO释放，完成快速灭磁。在交流灭磁中，灭磁开关可以使用直流断路器，也可以使用交交流开关。方案之一如图所示，将开关放在可控硅直流侧。方案之二如下图所示，开关在交流进行控制。一般情况下二者灭磁效果相同，但是图3方案存在下问题：1）当发生可控硅击穿时，即使开关K开断，由于可控硅续流，仍然无法正常灭磁。2）当系统具有起励设备、电制动时，实现起励与正常灭磁的切换相对困难。3）由于交流开关一般为四断口，图3方案实际具有建弧作用的只有两个断口，当出现发电机内部、出口、励磁变等故障时，由于弧压较低，无法实现正常灭磁。而图1方案为四

39、个断口串联，弧压相对较高，灭磁的可靠性要大的多。所以一般情况下采用图1方案比较可靠。 3.4.2 实验室实验 1999年10月份，在合肥召开了关于交流灭磁的技术研讨会，与会专家及技术人员对交流灭磁理论进行了进一步的分析探讨，对其可行性进行了论证。为了进一步验证交流灭磁理论，同时证明在大型同步发电机自并励系统中运用交流灭磁，在各种工况下都能使ZnO可靠灭磁，会议期间在合肥凯立公司实验室进行了现场试验。试验的接线图如图5所示。试验分四步进行，在四种工况下分别测试了励磁电压（U0）、励磁电流（I2）、开关弧压（UK）、灭磁电流（I1）、转子电流（I2）、转子电压（U1）六个参数的数据波形图。由波形图

40、可以分析出各种工况下的灭磁过程。a. 只拉脉冲，不跳灭磁开关：ZnO的残压小于阳极电压的峰值，直接利用交流负半波电压将转子电流全部切换到ZnO中。由试验波形（图6）可以看出拉脉冲后励磁电源的第一个负半波时，随着励磁电源电压幅值增大励磁电流逐渐减小，ZnO支路的电流逐渐增大，图5、实验室试验接线图 图6、只拉脉冲，不跳灭磁开关当励磁电源电压幅值增大到一定值时励磁电流减小到零，可控硅自动关断，而此时ZnO支路的电流与转子电流相等，这表明交流灭磁切换成功。交流灭磁切换成功后，转子进入恒压灭磁，电流值随时间而减小到零，灭磁电流同转子电流一样随时间而减小到零，此时灭磁结束。b. 拉脉冲，同时跳灭磁开关（

41、 URUaC（试验波形见图6）：ZnO的残压小于阳极电压的峰值，本工况下的灭磁波形类似于上述工况下（只拉脉冲，不跳灭磁开关）的灭磁波形，因电流为零，开关为无电流开断，没有能量消耗，也无弧压。c.拉脉冲，同时跳灭磁开关（试验波形见图7），ZnO残压略高于可控硅电源阳极电压峰值，转子电流不能完全进入ZnO可控硅不会自动关断，要靠开关帮助，开关弧压与励磁电压（交流电压）的叠加值升高至大于等于ZnO的残压时，转子电流全部切换到ZnO中，从而将转子的磁能经ZnO释放，完成快速灭磁。d.不拉脉冲直接跳灭磁开关（直流灭磁）（试验波形见图8），ZnO残压必须低于灭磁开关弧压。 在跳灭磁开关时，开关断口处产生弧

42、压，当经过很长时间弧压达到一很大值（开关弧压大于励磁电压与ZnO残压之和）时开关开断，此时ZnO支路电流等于转子电流，励磁电流为零，由ZnO灭磁。由于完全依靠开关建弧实现电流转移，灭磁开关触头烧损严重。图7. 拉脉冲，同时跳灭磁开关.ZnO残压略高于可控硅电源阳极电压峰值图8.不拉脉冲直接跳灭磁开关通过上述试验，以及对试验过程、试验波形的分析，可以得出如下结论：a.要使在拉脉冲而不跳灭磁开关时全部由ZnO灭磁,必须使ZnO的残压小于阳极电压的峰值.b.当ZnO残压值大于励磁电源阳极电压的峰值时,拉脉冲后,励磁电源的负半波不能使转子电流完全切换到ZnO支路中,须跳灭磁开关,灭磁开关只要产生很小弧

43、压就能可靠开断,将转子电流完全切换到ZnO上使其灭磁.c.如果不拉脉冲直接跳灭磁开关,开关弧头烧损严重,当发电机出现空载误强励时,开关所建弧压不能满足开断条件而不能开断,以至烧毁.。ZnO不能参与灭磁,转子只能续流灭磁,灭磁时间大大延长,对发电机组大为不利.3.4.3白山发电厂现场实验2000年5月15日,由东北电管局、白山电厂、葛洲坝电厂、凯立公司等单位参加,在白山电厂300MW，2机组进行了交流电压灭磁现场试验。试验工况一（试验波形图见图9）：励磁电流为200A,阳极电压为247V。灭磁电阻灭磁时开关弧压为1173V。图9. 白山电厂300MW，2机组交流电压灭磁现场试验一试验工况二：（试验波形图见图10）：励磁电流为932A，阳极电压为1000V。灭磁电阻灭磁时开关弧压