同步发电机的励磁系统
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：
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+- 图5-1 早期线性电阻灭磁电路
iL?ILe式中：
iL——灭磁过程中发电机的励磁电流； IL——灭磁开始瞬间发电机的励磁电流； TM——灭磁时间常数。
?tTM (5-1)
TM?式中：
L——发电机励磁绕组的电感； RL——发电机励磁绕组的电阻值； RM——灭磁电阻值。
在灭磁开始瞬间励磁绕组两端的过电压为：
L?RM RL (5-2)
ULM?ILRM
(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
IL?K?ILe
式中：
IL——灭磁开始时的励磁电流； K——励磁倍数，通常K=1.8～2； ILe——发电机的额定励磁电流。 将式（5-4）代入式（5-3）可得:
(5-4)
ULM?K?ILeRM?K式中：
ULe——发电机额定励磁电压；
RMU?KKMULe RLLe (5-5)
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KM——灭磁电阻和励磁绕组电阻之比。
KMRM ?RL (5-6)
由上可见，若要加快灭磁速度，则要加大RM，以减少灭磁时间常数TM，然而，RM加大，会使灭磁开始时的转子过电压升高，通常选KM=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
diL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（UL?L），
dt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）。
+Um-+U2-+UL-F 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UL等
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于灭磁开关灭磁电压UM和整流桥的输出电压UZ之和。即：
UL?UM?UZ
(5-7)
由于整流桥的输出电压会随着发电机电压及励磁电流的减小而降低，故整个灭磁过程中励磁绕组两端的电压有较大的变化，使转子过电压增加，整个过程离理想灭磁较远，而且整流桥的阳极电压越高，这种差别越大，如图5-6所示。
图5-6 整流桥逆变时的灭磁过程
图5-7 整流桥强励时的灭磁过程
在灭磁过程中，若整流桥处于强励状态，则励磁绕组两端的电压UL等于灭磁开关灭磁电压UM和整流桥的输出电压UZ之差。即：
UL?UM?UZ
(5-8)
这样的结果是使灭磁开始一段过程中，励磁绕组两端的电压UL较小从而使励磁电流的衰减变慢，灭磁过程延长（如图5-7）。 比较图5-6和图5-7不难看出，整流桥的工作状态对灭磁过程有很大的影响，并使灭磁过程偏离理想灭磁，晶闸管整流桥的阳极电压越高，这种差别也就越大。这种情况在发电机发生空载误强励（发电机的端电压即整流桥的阳极电压可能升到额定值的1.5倍）时，显得尤为突出。
这时，励磁绕组两端的电压很低，灭磁过程会变得很长。同时，灭磁过程中耗能元件（燃弧栅）吸收能量的很大一部分是由励磁电源提供的，这加大了耗能元件的负担。
产生这种结果的原因是由于励磁绕组，耗能元件灭磁开关和励磁电源（整流桥）三者是串联的，称串联灭磁，若将三者改为并联（图5-8）称并联灭磁。当采用并联灭磁时，则上述问题可得到解决，用此方案灭磁时，励磁绕组中的能量消耗在DM的燃栅上。这样使灭磁过程中转子绕组两端了电压基本不变，接近理想灭磁的要求。这个方案中要求D和DM之间有较好的配合，目前正在研究之中。
DFFLQKZ 图5-8 并联灭磁接线原理图
第四节 利用压敏电阻灭磁
一、压敏电阻
目前用于灭磁的压敏电阻有碳化硅压敏电阻，和氧化锌压敏电阻，由于后者有压敏特性好，泄漏电流小，能容大等许多优点，在我国用得较多。
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同步发电机的励磁系统 DFLQFKZYM 图5-9 压敏电阻灭磁接线图
图5-10 压敏电阻的伏安特性
所谓压敏电阻是指它的电阻值会随它两端的电压变化的电阻，即当它两端电压限低时，它呈高阻态，只有很小的电流（微安级）从中流过，但当它两端的电压高于某一数值时，它的电阻急剧降低，允许有很大的电流从中流过，图5-9、5-10表示了压敏电阻灭磁的接线图和它的伏安特性，在使用中，我们常用非线性系数?来表示压敏电阻压敏特性的好坏，定义：
Re ??Rc其中：
(5-9)
Rc?Rc?U为工作点的静态电阻； IdU为工作点的动态电阻。 dI显然，?越小，压敏电阻的压敏特性越好。不难看出，压敏电阻的伏安特性类似于稳压二极管，但压敏电阻有双向稳压特性。
当大电流流过压敏电阻，由于它两端的电压也很高，故压敏电阻上要消耗大量的能量，使压敏电阻发热。若流过压敏电阻的电流过大，或电流持续的时间过长，使压敏电阻上消耗的能量超过其极限允许值时，压敏电阻会击穿损坏，损坏后的压敏电阻呈短路状态。通常把一次通流过程中压敏电阻上允许消耗的最大能量称为压敏电阻的能容量。它是压敏电阻的主要性能指标之一。
二、能量问题
压敏电阻在灭磁过程中，要吸收转子的磁场能量，而压敏电阻所能吸收的最大能量是有限制的。若其吸收的能量超过它的容量，压敏电阻便会因过热而烧毁。因此，准确计算发电机在各种可能运行方式下转子绕组储存的磁场能量，便成为适当地选取压敏电阻能容量的基础，在计算机上进行的大量计算表明，在发电机各种运行方式中，发生空载误强励时，压敏电阻上消耗的能量往往最大，我们可对此过程进行近似分析。
在发电机空载并忽略阻尼绕组作用的情况下，励磁绕组中储藏的磁场能量为：
WL?式中：
IL——励磁绕组中的励磁电流；
12L?IL 2 (5-10)
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第五章 同步发电机的灭磁
