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1、对发电机灭磁开关的性能要求李自淳 夏维珞 彭辉 符仲恩（中国科学院等离子体物理所科聚公司,安徽 合肥 303)摘 要 本文通过理论分析，探讨了对发电机灭磁开关的一般通用要求,及对开断性能起关键作用的特殊要求。关键词 灭磁开关;通用要求；开断性能；弧压1前言作为发电机主保护的灭磁保护，一直是电机界特别是励磁界关注的要点.发电机的灭磁系统有如汽车的制动系统，对主机的安全运行至关重要。灭磁开关是灭磁系统中的主要关键部件之一，它的作用一是迅速切断发电机励磁绕组与励磁电源的通路;二是迅速熄灭发电机内部的磁场。实现这两个功能的关键是迅速消耗发电机磁场的能量(转化成热能）。过去的灭磁开关（如DM2型自动灭磁
2、开关）靠自身的栅片来吸收磁能，故栅片烧损严重,维护工作量大，不能频繁动作，不能满足大、中型发电机灭磁的需要,但老的中小型机组仍有应用.目前国内外广泛采用的是移能型灭磁开关，叫做磁场断路器.它在灭磁时将励磁电流及磁场能量迅速转移到灭磁电阻中衰耗，本身基本不吸收能量。目前国内外可用的灭磁开关约有几十种,其性能各异；同时有关单位还在研制新型的灭磁开关（特别是大电流、高参数的产品)。在选用和研制灭磁开关时,首先应明确对其性能的要求，现在就此问题作一探讨。2 一般通用要求灭磁开关作为“开关（或断路器）”的一种，应该满足对开关的一般通用要求,如：）通流性能好 接触电阻小,运行温升低,短时过流量大。2)绝缘
3、强度高 能耐受正常运行中的工作电压及暂态过程中短时过电压的冲击而不损坏.3）机械动作灵 合闸分闸动作灵敏可靠，不能误动和拒动. 图1交流电弧过零时的复燃和熄灭）综合性能优 结构牢固稳定，安装维护简便，工艺精良，外形美观，体积小，重量轻,价格低。 对开断性能的要求开关的重要特性是开断性能,而不同的开关，其开断机理是不同的。总的可分成三类:3.1 交流过零开断1大多数交流高压断路器属此机理。它利用交流电流的零点自然熄弧，但熄弧后断口要承受“恢复电压”而不能“复燃”。这就必须保证熄弧后断口间介质绝缘耐压强度恢复上升的速度大于恢复电压上升的速度。见图1,图中ud为介质耐压强度，r为恢复电压。熄弧后两者
4、都在上升，必须保证udutr（图1b)，才能完成熄弧开断；如u上升速度低于utr（图1a)，出现uut，则势必造成复燃，开断失败.用这种原理开断的开关一般用“气吹（空气开关）或“油吹(油开关)等手段加速断口间隙的冷却和去游离,以提高其介质恢复的速度，以此提高开断能力。3.2 交直流吸能强迫开断2 填充石英砂的熔断器和前述的吸能型直流灭磁开关（DM）属此机理。它们的弧压uk很高，高于电源电压e,故强迫弧电流下降到零而熄灭，熄弧过程中电感的磁能和电源提供的能量由熔断器或开关本身吸收。图 熔断器开断过程图图2 熔断器开断短路电流等值电路图现以熔断器FU开断短路电流的工况为例分析其开断过程，其等值电路
5、如图2所示，开断过程如图3所示.图中：uk 开断弧压e 电源电压L - 电源内感和回路电感i 短路电流i 截断电流im 预期电流峰值按图2定义的电压正负极性,根据柯希霍夫回路定律，得移项得: (1)根据楞次定律： 移项得： (2） FU熔断开断过程如图3所示.此图水平轴t为时间轴，图中虚线所画的正弦波表示电源电压e，粗黑线表示U两端电压u,次粗黑线表示回路电流ia.在时刻t1以前为正常工作状态，F导通短路，故uk=0，回路正常电流与短路电流相比小得多(约为千分之一），可忽略不计,故a。在t1时刻发生金属性短路，此时回路中的负载仅剩下L（电阻忽略不计），因uk0,由（1）式得= e，从图3看时刻
6、为正，故据(2）式得ia/dt0，即a迅速上升。如果没有熔断器FU的限制，将按图中虚线上升至预期电流峰值im。但由于U的熔芯受到快速上升的短路电流i的加热，经过短暂的时间（约2ms）到时刻即快速熔断（t12为弧前时间），uk从突然上升到uke。由（1）式得，从（2)式得dia/d0，短路电流不会下降熄灭，还会继续上升，必将引起熔断器爆炸;如果u，但不够大，使i/t的负值也不够大，则电流a下降速度不够快,使燃弧时间延长,FU吸能增加，一旦吸能超过其极限能容量，也会引起爆炸。由上可见，使短路电流ia快速下降熄弧的关键是FU熔断后弧压uk要足够高。但也不是越高越好，过高的u是一种操作过电压，会损坏电
7、气设备的绝缘。直流灭磁开关MK吸能开断的电路如图4所示，开断过程如图所示。 图5直流开关吸能开断过程图比较图4和图2、图5和图3，发现两者很相似。开断过程的分析也很相似,图中t时刻前MK合闸,断口弧压uk=；2时刻K分闸，k迅速上升到uku，故uLuz0, di/t0，迅速下降；到t3时刻,i0,电弧熄灭;以后MK断口承受恢复电压而不复燃.t2t3为燃弧时间,该阶段开关吸收L的磁能及电源继续提供的能量.3 直流移能换流开断3用于交、直流灭磁的磁场断路器属此机理。灭磁时，将发电机的励磁电流转换到灭磁电阻中是这种开断方式的关键，叫做换流。一般的发电机励磁回路如图所示。按图6所标示的电压极性，根据柯
8、希霍夫回路定律：UL+U-U= 0,移项得UK =UU。按最严重工况考虑,必须保证：图6发电机励磁回路图P-励磁电源 Lff-励磁绕组电感/电阻 RV-灭磁电阻MK-磁场断路器UK磁场断路器弧压 U-电源电压IK磁场断路器电流 UL-转子电压 V灭磁电阻电流 (3） 式中：UM 磁场断路器保证能达到的最大开断弧压； ULM 最大（强励）励磁电流IL 流过RV时,其两端最高残压;UZ 最大(强励）电源电压峰值。这就是正确换流的必要条件。近年出现“交流灭磁”的新概念,即在可控硅整流静止励磁系统中，把磁场断路器放在励磁电源交流侧，或虽放在直流侧但在分闸同时切除整流电源可控硅的触发脉冲，这时正确换流的
9、必要条件变为 (4）或 （5)磁场断路器分断后，断口弧压uk能迅速上升到顶值，并满足式（3）、（)或（5）的要求，则开关电流迅速转移到灭磁电阻中去，断路器迅速熄弧开断。此过程越快,燃弧时间越短，断路器吸收能量就越少，触头及弧室的烧损也越小,这对延长断路器的寿命、减少维护量、提高动作频繁度都是有利的。所以说对于直流移能开断的磁场断路器，提高其开断能力的关键是提高断口弧压及建压速度。4结论通过对以上三种开断机理的分析，可看出对于直流灭磁开断来讲，不管是吸能强迫开断还是移能换流开断，提高断口弧压（遮断电压）及建压速度是提高开断能力的关键。参 考 文 献1 徐国政等. 高压断路器原理和应用清华大学出版社, 200年10月第版。2 李自淳。 GD型高压大容量限流断路器保护装置. 科大创新公司科聚分公司产品说明书,2004年。3 上海汽轮发电机有限公司，科大创新股份有限公司科聚分公司 大型同步发电机交流和直流灭磁研究报告 25年12月。文中如有不足，请您指教！ /
