4同步发电机励磁灭磁原理

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wenku.baidu.com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。
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。
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。
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） 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=Ciβ 氧化性β≈0.04，碳化硅β ≈ 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。
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Δu<0，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 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。
UL +
LQ
u
RV
IRV
± Uz ≥ UL － Uz ≥ UL ，Uk要求高，不推荐使用； ＋ Uz ≥ UL ，Uk要求低，推荐使用；
整流：Uk 逆变：Uk 封脉冲：
Uk ± Uz ≥ UL， Uz交变，交流灭磁推荐。
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3×10 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）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。
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Δu<0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，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。
3.4、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。
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
MK + UK LP + UZ a＝90°Uz波形 灭磁换流公式 Uk
IK
IL
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。
L
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
4.3、降低电感负载切断电弧措施
1) 接放电电阻 R U 2 t=0 U 2 t=0 +
uR
R
L
+ 1
R
+
iL
2) 接续流二极管 VD
+ 1
-
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。
1.2、灭磁开关定义
灭磁开关 Field Circuit Breaker：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。
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。
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
主触头
磁场断路器主触头
主触头
跨接器
晶闸管
续流二极管
灭磁电阻
碳化硅非线性电阻 氧化性非线性电阻
灭磁电阻
5.1、灭磁电阻的种类
灭磁电阻伏安特性曲线
3.9、DM2灭磁开关灭弧罩
3.10、短弧灭弧罩弧压参数
3mm25V
• ΑΓΠ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：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δ为3毫米左右。
t
4.2、电感负载切断产生电弧
S
1、刀闸处产生电弧
2 t=0
+
uR
R
L
U i L (0 ) R
iL (0 ) 0
+
U
+
iL
-
di uL eL L dt
uL -
2、刀闸两端产生过电压
Uk
Ud
If
R
di Uk U eL U L dt
U f -Um
2.2、直流电弧电压的特点
（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。
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。
S
S + VD
uL
-
uR
R
L
+
iL
uL
-
4.4、降低电弧措施在灭磁中的应用
2 t=0
U + 1 S
+
uR
R
L
R
+
uL
-
U
+ 1 -
放电灭磁原理=灭磁电阻灭磁；灭磁开关降为磁场断路器
主触头
主触头
放电触头
续流二极管
灭磁电阻
线性电阻
S VD
iL
2 t=0
+
uR
R
L
+
iL
uL
-
灭磁电阻 线性电阻
4.5、灭磁开关与磁场断路器区别
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。
2.3、直流电弧伏安特性
（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。
4.1、电感负载切断暂态过程
U
-
(2) 变化曲线
U R
U 36 .8 % R
O
U
u
uR
iL
O
t
-U
S
U iL R R t di u L L U e L R dt t uR i L R U e L
R t e L
uR t =0 2 + R + 1
L
iL + uL -
uL