何为自动灭磁开关的弧压(灭磁讲座之二)
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何为自动灭磁开关的弧压(灭磁讲座之二)(2009-12-24 17:53:53) 标签:弧压弧电阻转子碳化硅反电势
分类:我爱励磁
磁能发电机杂谈
何为自动灭磁开关弧压,简单的说就是电弧电压,就是灭磁开关在分断过程中,因为转子电流不能突变而拉弧所建立的电弧电压。也有人称之为断口弧压、分断弧压、断流弧压等。
在灭磁开关的选型设计中,我们常常会经常谈到灭磁开关弧压。我们总是担心设计选型的灭磁开关弧压不够,灭磁失败造成灭磁开关烧毁。这种担心是有道理的,以前我们很多电厂多次发生灭磁失败,有的烧毁灭磁开关,有的烧毁励磁功率柜,满柜的电气设备被烟熏火燎,宽大的绝缘板被击穿,硕大的导电铜排化为一娄黑烟,整个现场惨不忍睹。
分析这些灭磁失败事故,大多数的结论就是灭磁开关弧压不够,使得发电机转子能量不能成功转移到灭磁电阻,炙热的弧电流将灭磁开关烧毁。
阐述灭磁开关弧压在灭磁中的作用,我们首先要清楚现在的灭磁方式都是属于电阻放电灭磁,正常运行时灭磁电阻不投入工作,事故停机灭磁时,灭磁电阻立即并联在发电机转子两端,巨大的转子磁能向这个灭磁电阻放电。
其次,我们还有了解灭磁电阻。目前使用的灭磁电阻,就其伏安特性来说有两种,分为线性电阻和非线性电阻,而非线性电阻又分为氧化锌电阻和碳化硅电阻。氧化锌电阻的伏安特性很硬,只有当外加电压大于其击穿电压,氧化锌电阻才导通,而碳化硅电阻很软,只要外加电压就导通。汽轮发电机组一般采用线性电阻灭磁,水轮发电机组一般采用非线性电阻灭磁,国内采用氧化锌电阻,国外采用碳化硅电阻。大型水电站也采用碳化硅灭磁电阻,理由只有一个:碳化硅电阻特性软,灭磁初始需要的开关弧压低,尽管由于其稳压特性不好,造成灭磁时间过长,但是灭磁安全性较氧化锌电阻好。下面是三种灭磁电阻的外形照片和伏安特性曲线。
有了上面的预备知识,我们再利用下面这个灭磁原理接线图进行分析,让大家进一步了解灭磁开关弧压以及在灭磁过程中的重要性。
(可控硅励磁整流器LP、直流灭磁开关MK、发电机转子绕组LQ、非线性灭磁电阻Rv,整流器输出电压Uz、灭磁开关弧压Uk、灭磁电压UL,灭磁开关电流Ik、灭磁电阻电流IRv、
转子电流IL)
看见这个经典的灭磁原理接线,我们应该立即得出这样的判断:电阻放电灭磁,是自动灭磁开关配合氧化锌电阻灭磁方式。
在上图中,正常运行励磁时MK闭合,Uz=-UL,灭磁电阻Rv不导通,Ik=IL,IRv=0。当我们跳灭磁开关灭磁,触头断开瞬间,在动静主触头间产生高强度电场,产生金属和空气电离即形成电弧,相当于在这个电感回路突然加入了一个变化的弧电阻,流经开关的电流在这个弧电阻上就形成我们称之的弧压,弧电阻变化率越高弧压就越高,弧电流越大弧压也越高。在这个具有大电感的转子回路突然加入一个变化的弧电阻,就会改变转子电流变化率,就会在转子两端产生感应反电势UL,弧电阻变化率越高,感应反电势就越高;转子电感量越大,感应电势所具有的能量也就越大。感应反电势UL的大小说明了灭磁开关Uk的弧压大小。影响弧电阻的因素有很多,其中最主要的因素就是灭磁开关触头断开的速度和灭弧室以及灭弧栅片的结构。
在上图中,要想让灭磁开关的电弧熄灭,只有两个途径,第一,灭弧栅片巨大,能够将所有电弧的能量,也就是转子磁能全部消耗;第二,尽快将开关电流转移到灭磁电阻上,用灭磁电阻来消耗转子磁能。第一种方式就是传统的开关灭磁,不需要灭磁电阻,第二种方法就是电阻放电灭磁,转子磁能变为电阻热能。
实现电阻灭磁的关键,就是快速的让灭磁电阻导通,而灭磁电阻的导通依赖于灭磁电阻上的反压,也就是转子感应电势的反压。只有当转子反压高于氧化锌电阻的击穿电压后,转子电流才能流经电阻,实现IL=IRv,Ik=0,此时,我们把灭磁电阻两端的电压称为灭磁电压UL。
从上面电路的回路方程上看,在励磁整流柜输出Uz不变的情况下,要想转子反电势高,也就是要求灭磁开关的弧压Uk高,只有当灭磁开关的弧压Uk ≥
Uz+UL,灭磁电阻才能导通,灭磁能量才能转移。Uk ≥ Uz+UL就是保证电阻灭磁方式成功灭磁换流的关键公式,是我们进行灭磁开关选择的安全校核标准。
无论灭磁开关的灭弧室有多大,无论采用何种灭磁电阻,按照灭磁换流公式Uk ≥ Uz+UL进行安全校核总是正确的。但是,如果我们针对不同的灭弧室大小以及不同的灭磁电阻大小来分析灭磁换流公式,会使得我们对整个灭磁过程更加清晰,会是我们的技术工作趋于务实。
比如,如果采用线性电阻和碳化硅灭磁电阻,上面电路中的RV只能在跳开关灭磁后投入,当Uk﹥Uz后,转子两端就呈现反向电压,RV就导通,灭磁能量已经开始消耗。如果此后的Uk不能大于Uz+UL,比如说还差一点或者说裕度不够,尽管灭磁开关还不能熄弧,但是灭磁电阻依然还在耗能,只要灭磁开关的灭弧室具有一定的热容量,最后转子磁能由灭磁电阻和灭磁开关共同消耗,最终灭磁也能完成。可见,在灭磁开关具有一定的弧容量下,线性电阻和碳化硅电阻灭磁换流公式Uk≥(Uz+UL)的90%也可以。有了这样的概念,我们就会了解国外所有水电机组和国内大型水电机组都采用碳化硅灭磁电阻的原因,有了这样的概念,我们就能理性的对待灭磁弧压,我们的技术设计就会既先进又经济,更加务实。
一旦采用了碳化硅灭磁电阻,已经说明设计理念是以牺牲灭磁速度来确保灭磁安全,此时再谈如何提高灭磁速度,意义已经不大,对此,我们应该有清醒的认识。