高速直流断路器用作灭磁开关的技术条件

高速直流断路器用作灭磁开关的技术条件
作者：司永智
来源：《科技传播》2013年第04期
摘要随着发电机容量的增加，其内部磁场储存的磁能也相应的增大。

与此相应，灭磁方式也逐步由耗能型转向移能型。

所谓耗能型，就是由灭磁开关在开断励磁电流的过程中，消耗掉全部灭磁能量。

所谓移能型，就是灭磁开关并不消耗全部磁场能量，而将大部分磁场能量由灭磁电阻消耗，灭磁开关本身只消耗一小部分磁场能量。

为实现移能，在大型发电机上曾广泛用带副触头的专用灭磁开关。

即在跳开灭磁开关时，先将其副触头闭合，接通灭磁电阻，随即打开灭磁开关，切断励磁电源回路。

近来为实现移能，采用了如下方案，为切断励磁电源回路通用的高速直流断路器，而接通灭磁电阻则采用可控硅整流元件（SCR）。

由于可控硅元件只有在承受反向电压时才能触发导通，在需要灭磁时，它是先跳开直流断路器，随即能该（SCR），将灭磁电阻接入。

通用的高速直流断路器是用来切断直流供电回路，如直流牵引电源，牵引轨车，直流电机，轧钢设备弓电等的短路电流而设计的，将它用来切断励磁电流，其工作过程显然与切断短路电流的过程完全相同，本文试图对这一不同过程从概念上作一分析，以有利于在励磁系统设计中对该高速直流断路器的选型。

关键词高速直流断路器；耗能型灭磁开关；灭磁模块
中图分类号TM561 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）85-0021-02
1 高速直流断路器的特性简介
在目前大型机组的励磁系统中，较为普遍的是采用Secheron公司的UR型高速直流断路器。

例如某600MW的励磁系统中，就采用了HPB60M-81S型高速直流断路器。

该型号中的60表示其额定运行电流为6000A，M表示其机构为电磁保持。

81代表其弧道形式及额定运行电压为1 000V。

S表示固定式。

UR型高速直流断路器切断短路电流的特性如图1所示。

由图1可知，该型直流断路器的确是高速断路器，当预期短路电流为ISS时，其切断电流Icut-off小于Iss，既短路电流到达峰值以前，它已将短路电流切断。

图1中Id为其整定的跳闸电流，当电流超过Id ，其跳闸机构开始响应。

其响应时间t，是从电流升至Id到断路器触头开始分开的时间。

Ti的大小与初始电流上升率di/dt有关。

图1中Tb为总断开时间，它是从电流升至Id到电弧熄灭电流降为零的时间。

应当特别注意的是，回路中的短路电流上升速度（按整数曲线）是决定于回路的时间常数τ。

该600MW机组采用的HP360M-81S的短路切断能力的参数为，在运行电压为1000V时，切断或闭合短路电流为100KA，τ=10ms。

（当运行电压低于额定运行电压时，其切断短路电
流能力尚可提高）。

也就是图1中Iss=100KA，τ=10ms。

按此参数，电流上升到Id时的di/dt 大约等于7KA/ms，查有关曲线可知其Ti=2～4.5ms，其Tb=23ms，其Icut-off=60KA。

当该高速直流断路器用做灭磁开关时，我们并不关心这一套数据。

例如机械响应时间Ti，我们并不关心短路电流引起的机械响应时间，而是关心从跳闸线圈开始有电流到主触头开始打开的时间。

由于该断路器是M型（HPB60M-81S），这时的响应时间Ti=20ms。

再者，应当注意的是HPB60M-81S的弧电压为1000V，切断时的电压〈=2500V（2.5倍额定运行电压）。

2 耗能型灭磁开关的特性简介
为了对直流断路器如何切断直流电流的过程有一个较清楚的概念，先了解一下耗能型灭磁开关是如何切断励磁电流的过程是很有必要的。

现按我国生产的DM型灭磁开关为例，介绍如下：
DM型灭磁开关与前面介绍的高速直流断路器的灭弧原理基本上是相同的，即都是采用短弧灭弧原理。

实验证明，当电流在很大范围内变换时，俩栅片间所产生的短弧电压Uk保持为常数。

若栅片间隙为n，则弧电压Uarc为：Uarc=n，
Uk=常数。

当栅片间隙为2ms～3ms时，其短弧电压Uk=25V～30V。

当灭磁开始时的励磁电流为Io时，灭磁开关打开，形成电弧，电弧随即又被引入短路间隙栅片间，形成电弧压降Uarc= nUk，这时转子磁场能量向DM 灭磁开关通过电弧释放。

为计算在这种情况下的励磁电流的衰减过程，可将弧压降看成是一个反向电势，形成一个反向电流。

显然、该反向电流的峰值为Iy= Uarc/r反向电流的变化规律应当是Iy（1-e-t/τ）.因此励磁电流的衰减规律应当是：
if=Io-Iy（1-e-t/τ）
τ=L/R 转子绕组的时间常数
L-转子电感
r-转子电阻
由于Uarc大于励磁电压U，Iy可能大于Io数倍。

但励磁电流并不会反向。

当励磁电流衰减到接近于零，不能维护栅片间隙的短弧电压时，电弧就熄灭了。

这就完成了励磁电流的切断，也同时完成了磁场能量的消耗，因而完成了灭磁。

在这一过程中，如图2所示，弧电压基本保持常数。

应当注意的是，虽然电流在很大范围内变化时，Uarc基本保持不变。

但实验也证明，当电流衰减到接近于零时，将会形成电流突然中断，此时将形成尖峰过电压。

为此灭弧栅应采取措施。

减小或消除这一过电压。

3 直流断路器的灭磁模块的技术分析
高速直流断路器用做灭磁开关的技术分析，就是要分析直流断路器配合灭磁模块进行灭磁的过程。

所谓灭磁模块就是可控硅元件加灭磁电阻的一个装置。

这种情况下的励磁回路接线如图3所示。

由前面介绍的HPB60M-81S型断路器特性可知其跳闸响应时间t为20ms。

若在发跳闸命令的同时，发出整流器逆变命令，这时灭磁过程将是非常有利的，它决大减轻直流断路器切断回路的负担。

但为了突出直流断路器与灭磁模块的关系，在以下的分析中，假定整流器的输出电压U=0。

由图3可知，若灭磁开始时的励磁电流为Io在灭磁过程中，存在以下关系式：
i0=I0f（t）=i R -τIarc
由于高速直流断路器的灭弧原理是采用短电弧熄弧原理，当不能维持所需的弧电压
Uarc=nUk时，电弧将熄灭，断路器就断开了。

在直流断路器断开后，i0=I0f（t）= i R。

在这以后，电流将接指数衰减，其衰减的时间常数τ=L/（r+R），当电流衰减为零时，灭磁过程完成。

现在讨论以下几种情况：
1）灭磁开始时，IoR〈 Uarc，若出现这种情况，则断路器中不能建立稳定的电弧断路器将立即断开。

断路器中消耗的磁场能量很小；
2）灭磁开始时，IoR 〉Uarc。

这时断路器中将建立稳定的电弧。

由于弧电压Uarc为常数，而它又与电阻R关联。

这时i R将维护为i R= Uarc/R，同时i0- i R= i0- Uarc/R，将流过断路器。

由于电阻R和断路器中的电弧都消耗磁场能量，这一电流（ i0- Uarc/R）将快速衰减。

当i0- Uarc/R=0时，断路器中的弧电压不能维持。

断路器中的电弧熄灭，断路器断开。

4 结论
根据以上粗略的概念分析，使我们对采用高速直流断路器配合灭磁模块进行灭磁的物理过程有了比较清楚的认识，从励磁回路的设备选择来看，可以有以下几点结论：
1）由于灭磁模块的存在，直流断路器的切断励磁电流的负担已大大减轻；
2）对直流断路器的选择，不能只看其切断电流值，还要看回路的时间常数，要分析它能消耗的磁场能量，是否满足灭磁的最大要求；
3）灭磁模块中的SCR，其瞬时导通电流较大，但持续电流大致为Uarc/R，以后则为指数衰减电流；
4）灭磁电阻的形式，电阻值和参量要充分考虑这一过程。

参考文献
[1]DC High-Speed Circuit-Breakers.Secheron公司产品说明.
[2]DM型自动灭磁开关产品说明书.
[3]李荃成编著.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].1版.中国电力出版社，2002，7.。