同步发电机灭磁系统的应用

王庆元

【摘 要】本文介绍了灭磁方案在同步发电机励磁系统上的使用情况，并对其原理特性的优缺点、经济等方面进行具体的分析。

【关键词】灭磁系统；弧压；磁场开关；励磁系统；残压；移能

0.前言

同步发电机在运行中，当发生定子绕组匝间短路、定子绕组相间短路、定子接地短路等故障时，继电保护装置就快速地将发电机从系统中切除，但发电机的感应电势却依然存在，继续供给励磁电流，故将会发生导线的熔化和绝缘材料的烧损，甚至烧坏铁芯。因此，当发生上述发电机的短路等故障时，在继电保护动作将发电机断路器跳开的同时，还应迅速地给发电机灭磁。灭磁就是将发电机转子绕组中的磁场能量尽快地减小到最小程度。当然，最简单的灭磁方法是将发电机转子励磁绕组与电源断开，但励磁绕组是一个大电感，突然断开，将使励磁绕组的两端产生很高的过电压，危害转子的绝缘，所以，用断开转子回路电源的办法来灭磁是不恰当的。将发电机转子绕组接到耗损磁场能量的闭合回路中去，才是可行的。

1.灭磁的方案及原理简述

就灭磁的方案及原理而言，各学派的观点是同的。针对灭磁问题，经过广大工程技术人员的研究和试验，出现了较多的灭磁方案，但总结一下也就有两种灭磁方案，耗能型灭磁装置和移能型灭磁装置。耗能型灭磁装置灭磁时，是将同步发电机的转子能量消耗在磁场开关中，而移能型灭磁装置灭磁时，是磁场开关将发电机的转子能量转移到线性或非线性电阻中去。

2.耗能型灭磁方案

耗能型灭磁方案是2000年前所采用的方案。其灭磁原理简图见图1。其原理主要由磁场开关FMK和线性电阻R构成。当灭磁时，FMK主触头打开，储存在发电机励磁回路中的磁场能量形成电弧并在燃烧室中燃烧，将电能转换为热能直至息弧，当电弧燃烧1至2秒钟后，接触器FC闭合，将最后一小部分磁场能量释放在电阻R上，为防止产生危害转子绝缘的过电压，R的阻值不能取太大，一般取R=5Rf，这样过电压就限制在励磁电压5倍之内，但灭磁的时间却不能减小了间。在此灭磁过程中磁场开关承担了大部分磁场能量，每当事故灭磁后，检修人员都要检查磁场开关，修复烧损的触头，给用户带来了工作量。由于开关的耗能负担重，故开关烧损及拒动的现象也就时有发生。当今随着发电机的容量增加，磁场能量也相应地增加，选更大容量的磁场开关很困难，故该种耗能型灭磁方案已不再使用了，新的移能型 灭磁方案也就获得了发展。

3.移能型灭磁方案

移能型灭磁方案主要由磁场开关FMK和非线性电阻FR构成，因为非线性电阻具有限压平稳等优点，所以是灭磁的理想元件。移能型灭磁方案能不能可靠地灭磁，换流是问题的关键。下面就讨论换流。

交流灭磁原理 -见图2。

图中所示的灭磁原理是由磁场开关与氧化锌非线性电阻所构成。系统正常工作时，磁场开关 FMK合闸，开关拉弧电压UK等于零，由于二极管的单向导通特性，非线性电阻FR上没有电流，励磁电流If 经发电机转子回流到三相可控硅桥负极。灭磁时，FMK跳闸并在其断口建立起弧压UK，当弧压升高到一定程度时，加在 FR上的电压就能等于或大于氧化锌残压UR，此时FR被击穿导通，FMK断弧，磁场能量就消耗在非线性电阻上了，可见磁场开关只是起到了转移磁场能量的作用，那么换流的条件是什么呢，由图2可知节点电压方程为：UK—Uf = UR —（式1）。由式1可知若成功转移能量，就必须保证电压关系UK—Uf ≥UR—（式2）的成立。显然有以下三种方法让式2成立：

第一种方法：降低非线性电阻的残压UR，如果要降低残压UR，转子回路放电电流小，灭磁时间将要延长，起不到故障状态下快速灭磁的目的，此方法不行。

第二种方法：提高开关的弧压UK，即选择弧压高的开关。由于生产这种开关的造价高且市场又小，所以对开发生产的积极性有影响，故提高开关的弧压，就不现实了。

第三种方法：降低电源电压Uf，电源电压是根据励磁系统动态指标的要求计算而来，Uf的降低极大地降低了励磁系统的强力顶值倍数，不满足国家标准，故电源电压Uf不能减小。

在上述方法都不可行的情况下，安徽徽凯电器有限公司推出了一种交流灭磁装置。其原理就是利用在交流电源到负半波时，式2等式左边的电压相减就变成相加了，但是跳开关的同时一定要断开可控硅的触发脉冲。其等效电路图见图 3。由图3知，断开触发脉冲后，由于有转子电感的续流作用，励磁电流If可认为是恒定的，电源Uf 由具有交流分量的直流变为正弦交流电源，并且，三相可控硅整流桥中拉脉冲前导通的两只可控硅将继续导通（设是+A和-C相），其余四只可控硅关断并不会再导通。拉断触发脉冲的时刻，有可能是在交流电源的正半波，也可能是负半波，当在正半波时，加在非线性电阻两端的电压是UK—Uf，故需要较高的弧压UK去满足换流条件，而在负半波时，加在非线性电阻两端的电压是UK+Uf，用较低的弧压就满足换流条件了，看来每次灭磁操作也有一定的随意性。交流灭磁装置的产生，降低了对灭磁开关弧压的高要求，比较容易地满足式2的换流条件，这在设计灭磁系统时，就可选择弧压较低的磁场开关，也是较经济的。通过对耗能型灭磁和移能型灭磁的分析，可知移能型交流灭磁方案的推广应用是必然的。

【参考文献】

[1]李自淳.交流灭磁探讨.大电机技术，2006.

[2]安徽徽凯电气有限公司.大型发电机组转子过电压及其保护.