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1、2014.10.10,同步发电机励磁灭磁原理,目录,1、灭磁开关及直流灭磁原理；2、直流电弧特性；3、灭弧措施及灭弧罩分析；4、电感回路分断与转子灭磁电路比较；5、灭磁电阻和开关分类；6、理想灭磁分析；7、交流灭磁原理。,1.1、同步发电机灭磁定义,灭磁 De Excitation，将发电机转子磁场能量转移或消耗并使发电机机端电压快速下降的过程。从施加灭磁信号起，发电机励磁电流衰减到5%空载励磁电流以下的那一时刻的时间为灭磁时间。灭磁时间探讨：（1）励磁电流起始值的10%合理性；（2）以发电机电压下降到500V的科学性。,1.2、灭磁开关定义,灭磁开关 Field Circuit Breake
2、r：在故障情况下快速切断并且消耗发电机转子磁场能量。 由于直流电流没有自然过零点，首先是切断直流电流比较困难，要想切断转子直流电流，灭磁开关只能朝2个方面发展：1、采用耗能型灭磁开关，直接把转子电流消耗到零；2、采用转移性灭磁开关，把转子电流转移到灭磁电阻上消耗。在故障情况下快速切断发电机磁场电流的直流开关称为磁场断路器，此时的磁场能量主要由灭磁电阻来消耗，这种灭磁方式称为放电灭磁方式。,安装在发电机转子直流侧的磁场断路器称为直流灭磁开关DC FCB，安装在励磁变压器二次侧且与灭磁电阻联动的三相交流断路器称为交流灭磁开关AC FCB。在跳交流灭磁开关前投入灭磁电阻的灭磁方式称为交流灭磁方式。,
3、1.3、灭磁方式分类,串联灭磁、并联灭磁电路原理比较,科学的灭磁时间，应从灭磁开始直到定子电压等于500V为止。水轮机以5%空载额定电流为止，汽轮机以36.8%额定电压为止，都不科学。,1.4、直流灭磁原理分析,灭磁换流公式Uk Uz UL整流：Uk Uz UL ，Uk要求高，不推荐使用；逆变：Uk Uz UL ，Uk要求低，推荐使用；封脉冲： Uk Uz UL， Uz交变，交流灭磁推荐。,a90Uz波形,2.1、直流电弧的产生机理,直流电弧是由于直流两极之间的电场强度过大，气体发生电机穿而持续形成等离子体,使得电流通过了通常状态下的绝缘介质（例如空气）的现象。（1）自由电子的生成。触头刚分离
4、时，由于触头间的间隙很小，在电压作用下其间形成很高的电场强度，当电场强度超过310 V/m时，阴极触头表面的自由电子在强电场的作用下，被拉出金属表面，称为强电场发射或称冷电子发射。同时，触头刚刚分离时，触头间接触压力和接触面减小、接触电阻增大，使接触表面剧烈发热，局部高温，使此处电子获得动能发射出来，称为热电子发射。（2）碰撞游离形成电弧。触头间的自由电子，在触头间电场的作用下加速运动，撞击间隙中的中性气体分子，使中性质点游离，产生自由电子和正离子，这种游离过程称为碰撞游离。碰撞游离不断进行，不断加剧，带电质点成倍增加，发展为“电子崩”。大量带电质点充满间隙，气体导通，强烈放电，形成电弧。（3
5、）电弧的维持与平衡。电弧高温下形成热游离，热游离供给弧隙大量的电子和正离子，维持放电的进行。另一方面，由于热平衡，电弧温度达到某一数值后不在上升，电导达到某一值后也不再上升，热游离将在一定强度下稳定下来，达到平衡状态。,2.2、直流电弧电压的特点,Ua=U1+U2+U3,Ue 是阴极和阳极电压降之和，平均20V； L 是电弧长度 （cm）； E 是弧柱的电压梯度 （V/cm）。对处于平静的、自然冷却空气中的电弧，E为15到20 V/cm，一旦电弧冷却后可上升到50 V/cm。,（1）电弧电压特性。电弧电压沿电弧长度分布，分为阴极区、弧柱区和阳极区3个部分，每一个部分电位梯度或特性不相同。 电弧
6、的两端总是与固态（或液态）导体在导体端部相连，长度很小（10-4cm）的端部电弧称为弧根，分为阴极电弧和阳极电弧，它们是维持电弧过程的发生地方。 直流电弧电压就是电弧两端的电压，可以简称弧压Ua，这是发电机灭磁设计中常常用到的电气参数。,2.3、直流电弧伏安特性,短电弧伏安特性曲线，是采用短电弧原理灭磁的重要依据，即在电弧很短的情况下，弧压基本不随弧电流变化而恒定。造成短电弧伏安特性的主要原因是电弧很短，阴极弧压其主要作用，且不随弧电流变化。长电弧伏安特性曲线，弧柱弧压起主要作用，由于弧柱的导电能力随热游离的增强而上升，因而弧柱弧压随电弧的变长而增加，随电流的上升而下降。长电弧的重要特点是电流
7、增大时,弧压下降,弧柱电位梯度也低，每厘米长电弧电压降通常不过几百伏，有时在1伏以下。,（2）电弧伏安特性。电弧伏安特性是一个非线性特性，不同的弧隙距离（电弧长）具有不同的伏安特性。 直流电弧的伏安特性，是在一定的弧隙距离下，电弧电压Ua与电弧电流Ia的关系，即Ua=f（Ia）。因不同的弧隙即电弧的长短变化，电弧的伏安特性是一簇曲线，短电弧曲线在下方，电弧变长，曲线上移。,3.1、直流电弧灭弧措施之一,在直流电弧稳定燃烧的外部条件中，如能保持u0，则能保持dia/dt 0从而使直流电弧熄灭，因此消耗电压，即增加电阻压降和电弧压降是低压开关熄灭直流电弧的有效方法，常用具体措施如下：1、拉长电弧
8、拉长电弧，抬高电弧伏安特性曲线，使之不能满足电弧稳定燃烧的外部条件。,3.2、直流电弧灭弧措施之二,3、在开关断口上装设灭弧栅 在开关断开上装设灭弧栅，并形成一个灭弧罩，这是极为普遍的灭弧方式，也是灭磁开关广泛采用的方式。根据灭弧栅片的材料属性，灭弧栅有2种类型：（1）金属材料灭弧栅。采用钢片组成的灭弧栅片，将一个长电弧分割成很多短电弧，弧根（阴极和阳极）增多，整个电弧的电压也就增多，造成u0使得电弧熄灭。 如果由钢片组成的灭弧栅横向布置在开关触头上，称为横向金属灭弧罩，如图9-19（a）。如果由钢片组成的灭弧栅纵向布置在开关触头上，称为纵向金属灭弧罩，如图9-19（b）。无论是横向还是纵向，
9、当开关断开时，电弧电流产生的磁场与钢片栅片作用力，使电弧拉入灭弧栅内被钢片分割成多段短弧。,3.3、绝缘材料灭弧栅,（2）绝缘材料灭弧栅。采用陶土材料或石棉水泥等绝缘材料压制成狭缝型的灭弧栅片，利用横吹和拉长电弧方式，把电弧能量消耗在灭弧栅片以及由此构成的灭弧罩内。绝缘材料灭弧栅灭弧原理，其实是拉长电弧灭弧原理，与短电弧灭弧原理相差很大，但是都是采用灭弧栅片和灭弧罩型式。 在静触头1和动触头2活动上方，罩上一些绝缘灭弧栅片，如图9-12（a）所示。当动触头分离静触头产生电弧以后，在磁吹装置的磁场作用下，对电弧产生电磁力，将其拉入灭弧片构成的狭缝中，起到拉长电弧的作用，同时促使电弧与灭弧片冷壁紧
10、密接触，加强冷却作用。灭弧栅片总是固定安装在一个称为灭弧罩的绝缘外壳里面，如图9-12（b）。在灭弧栅片下方，留有动静触头运动的空间，称为灭弧室。在灭弧栅片上方，安装有防止电弧火焰外喷的灭焰栅。,3.4、绝缘材料灭弧栅,3.5、混合材料灭弧栅,灭弧栅片由金属和绝缘材料混合组合，下端是金属，上端是绝缘材料。混合材料灭弧栅兼顾金属短弧和绝缘长弧特点，小电流电弧短电弧属性，大电流电弧既是短电弧又有长电弧属性。国产DM-8G灭磁开关就是如此。,3.6、DM4灭磁开关灭弧罩,国产DM4灭磁开关采用绝缘灭弧栅片即长电弧原理，在动触头分开瞬间，触头两段产生电弧。随着动静触头分开，电弧变长。在吹弧线圈的电磁力
11、作用下，电弧进入灭弧室，由于采用绝缘片，电弧只能变长，直到能量转移或者吸能为止。特点就是电弧电压不稳定，电弧越长弧压越高。长电弧路线图如下所示。,3.7、DM8G/CEX/HPB灭弧罩,国产DM8G、法国CEX、瑞士HPBM灭磁开关采用混合灭磁栅片即短电弧和长电弧混合原理，在动触头分开瞬间，触头两端产生电弧。随着动静触头的分离，电弧变长。在吹弧线圈的电磁力作用下，电弧进入灭磁时，并且被金属片分割成多个短电弧。如果灭弧电流过大，电弧外喷，多个短电弧进入绝缘灭弧栅片，短电弧被拉长，形成长长的短电弧。,3.8、UR/GErapid灭弧罩,瑞士UR、德国GE RAPID灭磁开关采用混合灭磁栅片即短电弧
12、和长电弧混合原理，在动触头分开瞬间，触头两端产生电弧。随着动静触头的分离，电弧变长。在吹弧线圈的电磁力作用下，电弧进入灭磁时，并且被金属片分割成多个短电弧。如果灭弧电流过大，电弧外喷，多个短电弧进入绝缘灭弧栅片，短电弧被拉长，形成多个长的短电弧。由于灭弧栅片方向垂直，故电弧方向也垂直，垂直短电弧路线图如下所示。,3.9、DM2灭磁开关灭弧罩,3.10、短弧灭弧罩弧压参数,系列，即我国DM系列灭磁开关，将一长电弧分割成一些短电弧，采用多个灭弧栅片串联灭磁。由于短电弧灭弧栅片间的电压和电流具有非线性特性，就相当于将一个非线性电阻串在灭磁回路，灭磁速度也很快，灭磁电压按照灭弧栅片数量确定。图10显示
13、：两片金属灭弧栅片之间的弧压与电流没有关系，总是在22-32V之间。试验间距为3毫米左右。,3mm25V,(2) 变化曲线,4.1、电感负载切断暂态过程,4.2、电感负载切断产生电弧,1、刀闸处产生电弧,直流电感回路切断相当于同步发电机灭磁开关跳闸Ud整流电压，Uk灭磁开关弧压；Um灭磁电压,2、刀闸两端产生过电压,4.3、降低电感负载切断电弧措施,2) 接续流二极管 VD,1) 接放电电阻,直流继电器和直流接触器线圈两端并联续流二极管得到广泛应用，效果很好。,4.4、降低电弧措施在灭磁中的应用,放电灭磁原理=灭磁电阻灭磁；灭磁开关降为磁场断路器,放电触头,灭磁电阻,续流二极管,灭磁电阻,线性
14、电阻,主触头,主触头,线性电阻,4.5、灭磁开关与磁场断路器区别,灭磁开关：切断电流+消耗全部磁能。磁场断路器：切断电流+消耗拉弧建压过程中的部分磁能。,跨接器,灭磁电阻,续流二极管,灭磁电阻,碳化硅非线性电阻,主触头,主触头,氧化性非线性电阻,晶闸管,磁场断路器主触头,作为电器名称，都称为灭磁开关。根据应用场合，可以称为磁场断路器。,磁场断路器主触头,5.1、灭磁电阻的种类,线性电阻1（大功率）（慢）非线性电阻（低场强大电流）碳化硅灭磁电阻2 （SiC） （稍快）氧化锌灭磁电阻3 （ZnO）（最快）,灭磁电阻伏安特性曲线,氧化锌灭磁电阻和避雷器MOV比较：高场强高电压；高场强低电压1mA压敏
15、电压；10mA压敏电压残压概念：100A电压值,氧化锌和碳化硅比较：碳化硅没有漏电流、压敏电压和残压只有伏安特性及其表达式U=Ci氧化性0.04，碳化硅 0.4,5.2、灭磁开关的种类,灭磁开关分类：单断口、双断口、多断口（主断口、弧断口、放电断口即常闭触头）单触头、多触头、金属灭弧栅片,5.3、HPB单断口单触头灭磁开关,5.4、HPB单断口单触头灭磁开关,（1）HPB灭磁开关是一个单（极）断口灭磁开关，停机检修，除了要分断灭磁开关，还需要断开转子电缆，才能隔离发电机转子和功率柜装置之间的电气联系，不便于实施安全措施。（2）HPB灭磁开关还是一个单（1个）触头结构灭磁开关。对于单触头灭磁开关
16、来说，只有一个触头，不可避免会因为分断弧电流而灼伤触头面，造成接触电阻越来越大，需要定期维护保养。（3）HPB没有短接灭磁电阻的放电触头（常闭触头）。作为灭磁开关使用，还需要配置另外的跨接器。跳闸灭磁时，首先触发跨接器，将灭磁电阻跨接在发电机转子两端，然后分断触头，完成灭磁全过程。（4）HPB灭磁开关没有明显可见断口，合上和分断状态不清晰。,5.5、GErapid单断口双触头灭磁开关,5.6、GErapid单断口双触头灭磁开关,（1） GErapid灭磁开关是一个单（极）断口灭磁开关，停机检修，除了要分断灭磁开关，还需要断开转子电缆，才能隔离发电机转子和功率柜装置之间的电气联系，不便于实施安全
17、措施。（2） GErapid灭磁开关是一个双（2个）触头结构灭磁开关。双（2个）触头分为主触头和弧触头，主触头是正常运行触头，要求接触面好，接触电阻小；弧触头是分断弧电流触头，要求分断能力强。灭磁开关跳闸时，先分主触头，后分弧触头，主触头不产生电弧，只有弧触头产生电弧，这样有效保护了主触头免维护，而弧触头对于接触电阻要求很小，也是免维护。（3） GErapid没有短接灭磁电阻的放电触头（常闭触头）。作为灭磁开关使用，还需要配置另外的跨接器。（4） GErapid灭磁开关没有明显可见断口，合上和分断状态不清晰。,5.7、CEX多断口双触头灭磁开关,（1） CEX灭磁开关是一个多（极）断口灭磁开关
18、，停机检修，只需分断开关就能隔离发电机转子和功率柜装置之间的电气联系，便于实施安全措施。（2） CEX灭磁开关还是一个双（2个）触头结构灭磁开关，触头免维护。 （3）更为重要的是，CEX 还有一个短接灭磁电阻的放电触头（常闭触头），是一个名副其实的灭磁开关。跳闸灭磁时，首先合上放电触头，将灭磁电阻跨接在发电机转子两端，然后分断主触头，最后分断弧触头，完成灭磁全过程。（4）灭磁开关是一个具有明显可见断口的灭磁开关，合上和分断状态清晰可见。,5.8、CEX灭磁开关的应用,5.9、灭磁开关结构选择,1、具有常闭辅助断口的灭磁开关最适合放电灭磁方式，也是专用灭磁开关的标志；2、双断口灭磁开关比单断口灭
19、磁开关更加适合励磁回路的应用，检修试验方便；3、设置专用的弧触头有利于保护主触头，维护工作量少；4、采用短电弧栅灭弧原理，即采用金属灭弧栅灭弧罩，吸热好，电弧稳定；电磁吹弧简单,DMX和CEX灭磁开关结构最好、是专业灭磁开关，推荐使用,6.1、发电机理想灭磁定义,衡量发电机灭磁性能指标有两个：灭磁速度和灭磁电压。其要求是速度快即灭磁时间短，灭磁电压不能超过转子允许电压值。,If, Ufp.u.,t,t=0,理想灭磁、SIC灭磁、线性电阻灭磁,最优的灭磁系统是灭磁电压较高且在灭磁过程中保持恒定，只有这样，灭磁电流才能按线性方式衰减，其灭磁时间才最短。最优的灭磁系统称为理想灭磁系统 。,6.2、发
20、电机理想灭磁成功实例,他励逆变灭磁是理想灭磁；/DM2灭磁开关接近理想灭磁。,If, Ufp.u.,t,t=0,理想灭磁、SIC灭磁、线性电阻灭磁,6.3、发电机理想灭磁失败实例,氧化锌灭磁电阻灭磁接近理想灭磁；汽轮发电机灭磁不能快速灭磁。,If, Ufp.u.,t,t=0,理想灭磁、SIC灭磁、线性电阻灭磁,6.4、水轮发电机与汽轮机灭磁区别,转子结构不同：空心与实心灭磁要求就不同：快速与慢速,转子绕组：励磁绕组、阻尼绕组。,阻尼绕组作用,水轮机快速灭磁,汽轮机快速灭磁效果,同步发电机灭磁的最终目的是降低发电机定子电压，降低转子电流是手段。只要当发电机定子电压小于500V，已经燃烧的电弧才能
21、熄灭。,7.1、交流灭磁开关的应用,SIEMENS励磁系统一般采用交流灭磁开关，即灭磁开关装设在功率柜交流侧，直流侧可以装设隔离刀闸交流灭磁开关定义：动作前投入灭磁电阻，动作时调节器逆变或封脉冲；交流隔离刀闸定义：输出电流等于零后操作，仅起隔离作用。,7.2、全控桥与半控桥灭磁区别,全控桥：整流与逆变整流特征相同能够逆变也能续流Uf反相恒定If线性衰减灭磁快半控桥：整流与续流整流特征相同不能逆变只能续流Uf0If非线性衰减灭磁慢续流二极管,只能续流灭磁：转子电流不经过励磁变压器以及交流电源回路，只经过续流二极管放电灭磁，时间很慢。,既能逆变灭磁，转子电流经过励磁变压器搜送入交流电源回路；还可以
22、续流灭磁，转子电流经过晶闸管放电灭磁，时间很慢。,7.3、全控桥逆变和续流电流路径,逆变灭磁续流灭磁A/B,逆变灭磁能量消耗：进入交流系统供电消耗，进入发电机做功续流灭磁能量消耗：转子、直流回路和晶闸管电阻发热消耗。由于电阻小，转子电感大，时间常数很大，转子电流衰减很慢。续流灭磁方法：（1）运行中脉冲消失；（2）运行中交流灭磁开关断开。,7.4、封脉冲下的交流灭磁原理,灭磁换流公式：Uk Uz UL,7.5、脉冲正常下交流灭磁原理,导通周期120,不切脉冲灭磁过程简述：1、KA+、KB+导通时分开关；2、MKB分断； MKA和MKC无法关断，电弧燃烧；3、KB+不导通，KA+无法关断；4、KA
23、-导通、KC-被关断；5、KA+和KA-导通，电流续流；6、 MKA 、MKC关断。,SCR关断条件,脉冲顺序,7.6、交流灭磁原理结论,1、在交流灭磁过程中，如果能够切除脉冲，励磁变二次侧交流电压的负半波就会引导励磁电流进入灭磁电阻，使得交流灭磁开关安全分断，快速灭磁任务完成。2、在脉冲正常的条件下进行交流灭磁，会造成励磁电流经同相可控硅短路，尽管交流灭磁开关也可以安全分断，但灭磁电阻无法投入工作，放电灭磁变为续流灭磁，达不到快速灭磁的目的。3、采用交流断路器灭磁，首先由跨接器接入线性或碳化硅非线性灭磁电阻，然后建议调节器始终逆变直到转子电路等于0才封闭脉冲。正常情况转子电流因为逆变全部转入灭磁电阻，实现放电灭磁。如果由于某种原因转移不成功，由于脉冲继续存在，很快转入续流灭磁，非常安全。,灭磁电阻放电灭磁,提问：123,中国励磁专业网 ,励磁陈小明的博客http:/,谢谢,
