同步發(fā)電機的滅磁含義和方法
一、滅磁的含義
當(dāng)發(fā)電機或發(fā)電機一變壓器組發(fā)生故障時，繼電保護動作在跳開發(fā)電機的同時，還應(yīng)迅速將發(fā)電機滅磁。所謂滅磁就是將發(fā)電機勵磁繞組的磁場盡快地減弱到最小限度，最快的方法是將勵磁繞組斷開，但因勵磁繞組是一個大的電感，突然斷開必將在直流側(cè)產(chǎn)生很高的電壓，危及轉(zhuǎn)子繞組絕緣、整流橋的安全。因此，實用方法是在斷開勵磁繞組與勵磁電源回路的同時，將一個電阻接入勵磁繞組，讓磁場儲能迅速耗盡。整個過程由自動滅磁裝置來實現(xiàn)。
對發(fā)電機的滅磁要求有兩點，首先滅磁時間應(yīng)盡可能短；其次勵磁繞組兩端的過電壓不應(yīng)超過額定勵磁電壓的4～5倍。
為同時滿足上述要求，假設(shè)滅磁開始時的轉(zhuǎn)子勵磁電流為ifd0且以某一變化率difd／dt衰減，而磁通的變化率在轉(zhuǎn)子滑環(huán)間（即勵磁繞組兩端）產(chǎn)生的電壓值剛好等于允許值，以后電流ifd保持這一速率直線衰減到零，如圖1中直線1所示，為理想滅磁曲線。實際的滅磁曲線可能是直線2或直線3等。根據(jù)它們與理想曲線接近的程度，可以評價滅磁方案的優(yōu)劣。
圖1 不同方案的滅磁曲線
二、滅磁的方法
滅磁方法種類較多，如單獨勵磁機滅磁、對線性電阻放電滅磁、對非線性電阻放電滅磁、采用滅弧柵滅磁，當(dāng)采用全控橋的半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)時，還可利用全控橋逆變滅磁。其中，單獨勵磁機滅磁方法只用于小型機組，它的滅磁時間較長。下面介紹幾種常用滅磁方法。
（1）線性放電電阻滅磁
當(dāng)發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生短路故障時，即使把發(fā)電機從母線上斷開了，短路電流依然存在，使故障造成的損壞繼續(xù)擴大；只有將轉(zhuǎn)子回路的電流也降為零，使發(fā)電機的感應(yīng)電動勢盡快地減至最小，才能將故障損壞限制在最小的范圍內(nèi)。最常用的方法是在轉(zhuǎn)子回路內(nèi)加裝滅磁開關(guān)，利用放電電阻滅磁。
利用放電電阻滅磁的接線如圖2所示。同步發(fā)電機正常運行時，滅磁開關(guān)q處于合閘狀態(tài)。q的主觸頭q1閉合，使勵磁機能正常地向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供勵磁電流；觸頭q2斷開滅磁電阻r回路。
當(dāng)滅磁時，q跳閘，q2先閉合，使發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勵磁繞組接入r；然后q斷開，這就保證勵磁繞組接入放電電阻r（即滅磁電阻）時沒有開路狀態(tài)出現(xiàn)，避免了過電壓的產(chǎn)生。發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組并聯(lián)了滅磁電阻r后，轉(zhuǎn)子繞組的電流就按照指數(shù)曲線衰減，并將轉(zhuǎn)子繞組中的磁場能量幾乎全部轉(zhuǎn)變成熱能，消耗在r上。
在滅磁過程中，滅磁的時間與r有關(guān)，r越大，滅磁過程越快，反之，滅磁過程就慢些。手冊規(guī)定r的數(shù)值一般為轉(zhuǎn)子繞組熱狀態(tài)電阻值的4～5倍，滅磁時間為5～7s。
圖2 線性放電電阻滅磁示意圖
（2）非線性電阻滅磁
由于放電電阻r不能取得很大，從而加長了滅磁時間。當(dāng)將r改為非線性電阻，其特性是通過其中的電流較大時，動態(tài)電阻小；電流較小時，動態(tài)電阻大。合適選擇非線性電阻，可以做到滅磁初態(tài)時，轉(zhuǎn)子電壓不超過容許值，而滅磁時間減小。
（3）采用滅弧柵滅弧
以上方法中，滅磁開關(guān)并不承受耗能的主要任務(wù)。應(yīng)用最廣泛的滅磁方法是利用帶有滅磁柵的快速滅磁開關(guān)，它利用串聯(lián)短弧的端電壓不變的特性控制滅弧過程，將磁場儲能主要消耗在滅磁開關(guān)內(nèi)，滅磁速度較快，幾乎接近理想滅磁。
應(yīng)用滅磁開關(guān)滅磁的原理示意圖如圖3所示。在滅磁過程中，dm的主觸頭1-2先斷開，3-4仍關(guān)閉，故不產(chǎn)生電弧；經(jīng)極短的時間以后，滅弧觸頭3-4斷開，在它上面產(chǎn)生了電弧。由于橫向磁場的作用，電弧被驅(qū)入滅弧柵中，并被分割成很多串聯(lián)的短弧，在滅弧柵內(nèi)燃燒，直到勵磁繞組中電流下降到零時才熄滅。在產(chǎn)生容許的過電壓倍數(shù)條件下，利用滅弧柵滅磁的滅磁時間僅為放電電阻方式滅磁時間的24％左右。
圖3 同步發(fā)電機滅磁原理示意圖
近年來，國內(nèi)外已普遍采用雙斷口直流開關(guān)（雙斷口磁場斷路器），配以非線性電阻的方法來滅磁。非線性電阻采用氧化鋅元件，有良好的壓敏特性，滅磁過程中兩端電壓始終維持在滅磁電壓控制值上，因此非常接近理想滅磁，滅磁速度快；氧化鋅元件作為過電壓保護元件，過電壓動作值可靈活整定；氧化鋅元件非線性電阻系數(shù)很小，正常電壓下漏電流很小，可直接跨接在勵磁繞組兩端，滅磁可靠；采用雙斷口直流開關(guān)，滅磁過程中勵磁電源與勵磁繞組完全斷開，有利于加快滅磁過程；可靠滅磁，非線性電阻的總電能量應(yīng)大于勵磁繞組的最大儲能。因此，這種滅磁方法具有滅磁速度快、滅磁可靠、結(jié)構(gòu)簡單、運行維護方便、滅磁過電壓動作值可靈活整定等特點。
圖4示出了雙斷口直流開關(guān)、非線性電阻滅磁的原理圖。圖中dm為雙斷口直流開關(guān)，nr1、nr2、nr3為氧化鋅非線性電阻，nr1的動作電壓低于nr2、nr3的動作電壓。
圖4 非線性電阻滅磁的原理圖
正常運行時，發(fā)電機的勵磁電壓為ufd，晶閘管 vso2、vso3不導(dǎo)通，二極管v1、v2、v3不導(dǎo)通，所以nr1、nr2、nr3中無電流。勵磁繞組發(fā)生正向過電壓，當(dāng)達到觸發(fā)晶閘管的動作整定值時，vso2、vso3導(dǎo)通，能量迅速消耗在非線性電阻nr2、nr3中，過電壓值限制由正向過電壓保護整定值確定，能量被吸收后，過電壓消失；勵磁繞組發(fā)生反向過電壓，v1迅速導(dǎo)通，能量迅速消耗在非線性電阻nr1中，反向過電壓值限制由nr1動作值確定，過電壓能量被吸收后，反向過電壓即消失，在此過程中，因nr1的動作值低，所以nr2、nr3不承擔(dān)反向過電壓保護任務(wù)。
發(fā)電機正常停機時，通過可控整流橋逆變滅磁，并不需要斷開滅磁開關(guān)dm。發(fā)電機事故緊急停機時，跳滅磁開關(guān)dm，dm斷開后，勵磁電流ifd強迫分斷，勵磁繞組發(fā)生反向過電壓，極性是d端為正、f端為負，此時磁場能量通過二極管v1消耗在nr1中，完成滅磁過程。需要指出，滅磁過程中nr1上電壓基本不變，所以很接近理想滅磁，滅磁速度快。dm斷開后，整流橋側(cè)的正向過電壓或反向過電壓，均由非線性電阻nr3吸取過電壓能量，直到過電壓消失，過電壓值受nr3動作值的限制。
（4）利用全控橋逆變滅磁
如果采用晶閘管整流橋向轉(zhuǎn)子供應(yīng)勵磁電流時，就可以應(yīng)用逆變滅磁。在主回路內(nèi)不增添設(shè)備就能進行快速滅磁。這一方式簡單、經(jīng)濟、無觸點，得到了廣泛采用。
在現(xiàn)代發(fā)電機的自動勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，幾乎都采用了三相全控橋?qū)er的輸出信號進行功率放大，實現(xiàn)對發(fā)電機勵磁的自動調(diào)節(jié)。三相全控橋的負載是發(fā)電機勵磁繞組或勵磁機的勵磁繞組，符合逆變條件。當(dāng)發(fā)電機故障或停機需要滅磁時，只要將控制角α增大到某一合適的角度（如140°）就可進行逆變滅磁。當(dāng)勵磁機或發(fā)電機有他勵電源時，由于逆變滅磁過程中交流電壓不變，勵磁電流等速減小，滅磁過程相當(dāng)迅速。當(dāng)勵磁機或發(fā)電機采用自勵方式時，隨著滅磁過程的進行，交流電壓隨之降低，滅磁速度也就減慢。
事實上，逆變滅磁到一定程度時，負載電感l(wèi)中的能量不能維持逆變，此時要借助滅磁電阻（與勵磁繞組并接）使l中的儲能釋放，以進行滅磁。如前所述，在現(xiàn)代大型發(fā)電機自并勵磁方式中，逆變滅磁只是在發(fā)電機正常停機時使用，發(fā)電機故障進行滅磁是采用滅磁裝置或非線性電阻進行滅磁的。

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