第五章 同步发电机的灭磁

第五章同步发电机的灭磁

第一节概述

近年来，随着主机容量的增加，发电机的自动灭磁系统越来越受到重视。

特别是对于采用快速励磁系统的同步发电机而言，当电机内部出现故障时，要求尽快地灭磁以缩短在故障点的燃弧时间。当采用发电机-变压器组接线时，在发电机外部至变压器以及主断路器连接的导线上出现故障时，发电机也需要快速灭磁。

当发电机定子绕组发生接地时，将产生接地故障电流。如果发电机中性点经高电阻接地，一个定子线棒的绝缘被击穿，故障电流较小，铁芯损伤不会太严重。如果故障电流较大，除击穿线棒绝缘外，还将有严重的铜和铁芯的烧坏，这种故障至少需要更换损坏的绝缘，甚至部分地拆修发电机的定子铁芯。从这一观点出发，有的制造厂认为发电机可以不用灭磁开关，对于生产具有无刷励磁系统机组的厂家，更倾向于这一观点。因为在小电流故障时，并不需要快速灭磁，而当大故障电流时，快速灭磁能否限制铜以及铁芯的损坏仍有争议。

如果认为不采用快速灭磁装置，在某些场合本来很小的损坏会导致更大的烧损事故。采用简单而有效的快速灭磁装置还是有必要的。特别是现代大型水轮发电机多采用单元式接线，为降低发电机、变压器及高压电缆（若有的话）故障所造成的损害，希望发电机在此情况下能快速灭磁。由于汽轮发电机转子本身的巨大阻尼作用，使汽轮发电机的快速灭磁变得十分困难。但对水轮发电机，快速灭磁是可以实现的，并且具有十分重要的意义。

如上所述，对发电机灭磁系统的主要要求是可靠而迅速地消耗存储在发电机中的磁场能量。最简单的灭磁方式是切断发电机的励磁绕组与电源的连接。但是这样将使励磁绕组两端产生较高的过电压，危及到主绝缘的安全。为此，灭磁时必须使励磁绕组接至可使磁场能量耗损的闭合回路中。

目前灭磁系统就其原理而言，主要有以下几种方式：

（1）具有短弧栅片的灭磁系统；

（2）利用非线性电阻的灭磁系统；

（3）利用恒值电阻的灭磁系统。

如按磁场能量的消耗方式而言，在灭弧栅片式灭磁系统中，磁场能量主要消耗在开关中，可称为耗能型。在线性恒值和非线性电阻灭磁系统中，灭磁开关不全部承受耗能任务，磁场能量主要消耗在线性和非线性电阻端，故此类系统可称为非耗能型或转移型灭磁系统。

就近年来的发展趋势而言，非耗能型的线性和非线性电阻灭磁系统获得了广泛的运用。

第二节线性电阻灭磁过程中的一对矛盾

——灭磁速度及转子过电压

现代大型水轮发电机多采用单元式接线，为降低发电机、变压器及高压电缆（若有的话）故障所造成的损害，希望发电机在此情况下能快速灭磁。由于汽轮发电机转子本身的巨大阻尼作用，使汽轮发电机的快速灭磁变得十分困难。但对水轮发电机，快速灭磁是可以实现的，并且具有十分重要的意义。从国外某大型水电站，曾因主变压器至升压站的500KV电缆故障，致使整个电缆廊道烧毁，造成巨大的经济损失。国内的大型水轮发电机也有因不能快速灭磁而造成主变压器或发电机大规模烧损的情况发生。

早期采用的灭磁电路如图5-1所示，若灭磁开始，发电机定子开关已跳，并且不考虑阻尼的作用，则灭磁过程中发电机励磁电流：

图5-1 早期线性电阻灭磁电路

i I e L L

t T M

=-(5-1) 式中：

i L——灭磁过程中发电机的励磁电流；

I L——灭磁开始瞬间发电机的励磁电流；

T M——灭磁时间常数。

T

L

R

R

M

L M

=+(5-2)

式中：

L——发电机励磁绕组的电感；

R L——发电机励磁绕组的电阻值；

R M——灭磁电阻值。

在灭磁开始瞬间励磁绕组两端的过电压为：

U I R

LM L M

=(5-3)

在电力系统故障时，励磁系统要进行强励，设灭磁开始时励磁已上升顶值，则有

I K I

L Le

=⋅(5-4)

式中：

I L——灭磁开始时的励磁电流；

K——励磁倍数，通常K=1.8～2；

I Le——发电机的额定励磁电流。

将式（5-4）代入式（5-3）可得:

U K I R K R

R

U KK U

LM Le M

M

L Le M Le

=⋅==(5-5)

式中：

U Le——发电机额定励磁电压；

K M ——灭磁电阻和励磁绕组电阻之比。

K R R M M L = (5-6)

由上可见，若要加快灭磁速度，则要加大R M ，以减少灭磁时间常数T M ，然而，R M 加大，会使灭磁开始时的转子过电压升高，通常选K M =5，K=2，则灭磁过程中转子过电压可能达额定励磁电压的100倍，这样就形成了加快灭磁速度和减小灭磁时发电机转子过电压的矛盾。怎样解决这一矛盾呢？仔细分析一下灭磁过程曲线（图5-2）即可发现在灭磁过程中只是开始时励磁绕组两端的电压很高，随着励磁电流的衰减，励磁绕组两端的电压在不断降低，这意味着励磁绕组中电流的衰减速度在不断变慢（U L di dt

L L =），从而使整个灭磁过程变得很长。我们若能使灭磁过程中励磁绕组两端的电压基本不变，则励磁电流将一直以较高的速度衰减，从而使整个灭磁过程大为缩短，这样就较好地解决了灭磁速度和转子过电压的矛盾。即所谓理想灭磁。利用燃弧栅灭磁，压敏电阻灭磁及它励系统中用逆变灭磁的特性均接近理想灭磁。

图5-2 线性电阻灭磁过程

第三节 利用燃弧栅灭磁的自动灭磁开关

如图5-3所示，这种开关（国产型号DM2）是利用燃弧栅中的电弧作为灭弧过程中的耗能元件，燃弧栅将整个电弧分隔成一段段的短弧，据短弧极效应原理，短弧的压降基本恒定，这使灭磁过程中励磁绕组两端的电压基本不变，整个灭磁过程接近理想灭磁过程（图5-4）。

图5-3 采用燃弧栅灭磁开关灭磁的电路原理图

图5-4 燃弧栅灭磁过程

当发电机采用静止晶闸管励磁系统时，若采用燃弧栅灭磁开关灭磁，由于晶闸管整流桥和灭磁开关是串联的，晶闸管整流桥的工作状态将对灭磁过程和发电机转子过电压产生重大影响（图5-5）。

图5-5 静止可控硅励磁系统采用燃弧栅灭磁电路图

在灭磁过程中，若整流桥处于逆变状态，即整流桥的输出电压为负值，则励磁绕组两端的电压U L 等