自动灭磁装置简介

针对大型发电机磁场开关在灭磁可靠性方面存在的问题，提出一种全新的超级安全自动灭磁配置方式，并定名为“无源零开断的自动灭磁装置及方法”。本发明运用无源电力电子器件，组成多个功能组，与励磁主回路构成拓扑网络的巧妙连接，使之既不影响正常运行的参数性能，又随时为事故灭磁做好准备，还顺便提供了强大的吸收谐波过电压的功能，一但接到灭磁指令，双重启动功能组动作，接通放电移能功能组的放电通道，预充电容器迅速放电转移磁场电流，再反向充电建压导通灭磁电阻完成灭磁。本发明也是一套新型的灭磁技术方法，将难以控制的灭磁过程完全掌控起来，不但灭磁性能大幅提升，成本造价却可节约五成以上，具有很高的性价比。

自99年、2000年连续发生DM4双断口开关，在误强励灭磁烧毁事故后，我们围绕灭磁方式、灭磁容量、灭磁能力、灭磁特性等问题开展了多方面、多层次的研究工作，这些研究也逐步揭示了灭磁失败、烧开关的根本原因，就是开关遮断容量不能满足机组误强励工况的灭磁要求，以及开关的接线方式不合理，这就是传统强开关灭磁的致命弱点，不论是国产的还是进口的都存在。国外产品要稍好一些，不在于它的开关，而在于它配的灭磁电阻，多为SiC非线性电阻或线性电阻，使开关实现了软开断，常规参数下开关的遮断容量并不大，但是在超强极限参数下是否还能满足就要具体分析了，就所见到的灭磁配置都存在一定问题，要么开关容量不足，要么灭磁电阻不合适，而且就了低就不了高，就了高又损失了低，这就是灭磁问题的最大困难之所在，要想突破也在这里，就是解决好大参数下的建压能力问题。

自动灭磁装置解决思路

若想解决这个问题，有两个思路，之一，继续走强开关遮断的路，所以就有了四断口、八断口的灭磁方式，但是断口总是有限的，谁又能保证多断口灭磁就一定不会烧了吗？再多断口的开关仍然是开关，它也不能摆脱开关所具有的特性和缺点。之二，超越开关，充分利用现代励磁的特点，其灭磁性能是靠巧妙的电路结构和精确的特性参数的配合来实现的，无需复杂的控制装置或繁复的机械结构，具有超常的可靠性和稳定性，并突破了灭磁开关容量和遮断能力的限制瓶颈，可以满足各种容量和工况（包括空载误强励、机端三相短路）的灭磁要求，同时兼顾常规参数和极限参数的差异。

自动灭磁装置优点

新的思路中融汇了多种灭磁方式的优点，克服各自的不足，突破性的解决了关闭整流器和转移磁场电流的技术关键，加以巧妙的电路组合，构成完善的拓扑结构，从而实现了磁场断路器(FCB)的零电气强度分闸，即零开断灭磁技术，磁场开关不再承受高电气强度、高容量的遮断压力（或电应力），是对直流电感负载大电流强开断技术的根本性的突破，也是对大型、超大型同步发电机，特别是水电机组，极高电气强度下遮断转移磁场电流的巧妙解决方案。

自动灭磁装置成果

以上是我们前期研究已经取得的实际进展，也是二十多年来灭磁研究的积累与深化，基本完成了文字上、理念上、原理上和方法上的研发工作，新型自动灭磁方式的原理结构已经确定，配套的分析计算方法也趋成熟，并申报了国家发明专利，专利申请号：200510019636.1，发明名称：无源零开断的自动灭磁装置及方法。实现了长江电力成立几年来的又一项自主创新的技术成果，在各级领导的关注支持下，此项目正在开展实质性的产品和应用的研究和试验工作，预计j将实现工业试验和试运行，介时将全面完成该科技成果向实用化、产品化和市场化的转化工作，突破该技术领域的某些限制瓶颈和垄断封锁，真正主导和掌握大型电机灭磁技术的主动权，这不仅仅是灭磁方式上的完善和突破，更是精典电机灭磁技术、灭磁理论的跨越和突破，更符合现代大型、超大型电机励磁技术的发展需要，也是我们励磁人对国家电力事业和科技创新的一点贡献。 2100433B

研究一种即有高效率、高性能，又有高可靠的新型自动灭磁方式。技术关键是首个超高电气强度下的磁场电流转移新技术，彻底摆脱了开关的束缚，通过巧妙的电路结构和参数配合，即可实现对任何容量、任何参数发电机组的可靠灭磁，重点解决的技术问题就是，利用无源电力电子器件，实现零电流、零电压的零开断灭磁。

自动灭磁装置技术经济指标

预计达到的技术经济指标为，彻底杜绝发变组事故灭磁或励磁系统故障误强励灭磁，因磁场开关容量不足而烧毁的事故，或因灭磁时间长、灭磁不成功而导致发变组事故扩大的情况发生，减少一次这类事故就相当于数倍该项目投资的损失。同时该装置性能很高但造价平平，具有很高的性价比和很低的维护成本，相比动则数十万的进口庞然大物来，可谓物美价廉、简单可靠。

该技术成果，就是根据具体的对象而设计的一套技术方案和计算方法，可以根据用户需求提供全面的技术服务，所依托的就是葛洲坝电厂的机组模型，对大型水电厂具有典型的代表性，当然对三峡电厂等超大型机组也具有应用价值和实际需要，以应对和解决三峡机组灭磁存在的潜在危险，用该计算分析方法对三峡灭磁所作的分析，证明了这方面问题的存在。

自动灭磁装置经济指标和效益

特别是针对十一五期间国家水电发展的规划，一大批超大型水电机组的投产，若能运用此项自主创新的自动灭磁新技术，解决好机组灭磁安全的问题，其技术经济指标和效益是巨大的，简单列表对比如下：

技经性能灭磁方式 磁场开关的安全电应力(KJ) 极限灭磁要求的电应力(KJ) 结构复杂性 灭磁不安全性 性能系数 经济合理性(万/套) 性价比

GZB国产开关/ZnO 150 400 3 5 6 30 0.2

GZB进口开关/ZnO 120 240 4 5 5 50 0.1

上项改进配置ZnO∥Rx 120 120 4 3 15 50 0.3

SX全进口配置/SiC 240 600 5 4 25 250 0.1

SX零开断自动灭磁/ZnO 0 48 3 1 30 50 0.6

SX无开断自动灭磁 　 48 1 1 32 40 0.8

GZB零开断自动灭磁/ZnO 0 15 3 1 15 25 0.6

GZB无开断自动灭磁 　 15 1 1 12 15 0.8

由于当今大多采用氧化锌非线性电阻灭磁，所以以下的讨论都是基于氧化锌非线性电阻。采用碳化硅灭磁时与氧化锌非线性电阻灭磁设计的原则类似。而对于线性电阻的灭磁，所要考虑的仅仅是灭磁电阻以及电阻功率的选取，标准中有确切规定。

灭磁系统设计考虑工况

灭磁系统设计所需考虑的工况，在国内有些争议。一是建议按照额定负载下，发电机机端三相短路的工况考核灭磁系统电流、能容以及需要建立的弧压。二是认为在空载发电机励磁失控误强励的工况来考核。

通常认为最危险的工况是空载励磁失控误强励。此时开关面临应对整流输出直流电压和灭磁残压的叠加，并且电流也上升到失控强励的电流（此电流值不会比三相短路电流小），而且可以证明此时发电机储存的能量比三相短路的能量要大。因而采用此工况是合适的。

灭磁设计需要考虑的几个问题

ZnO（这里以及文中其他地方所提到的ZnO均是指低场强高能量的非线性ZnO电阻）与SiC相比有较强的非线性特性，在灭磁过程中磁场电压几乎不变，灭磁速度快，可以使发电机的灭磁更接近于理想灭磁，因此在我国得到了广泛的应用。本文主要针对ZnO灭磁设计中值得注意的问题展开讨论。

在灭磁主回路确定的前提下，ZnO灭磁的设计中主要考虑的问题包括：灭磁能容的估算、灭磁阀片最大允许通流能力、灭磁装置最大允许电流、灭磁电阻的残压、灭磁电阻正反向荷电率、并联支路灭磁电阻的均流和均能等。

灭磁容量的计算

事 实上根据ZnO阀片的试验结果，ZnO阀片的最大能容远远大于其标称容量。ZnO非线性电阻的能容量不是设计中最重要的因素，因为ZnO容量基本能够满足灭磁支路最大允许电流时的能容，而非线性灭磁电阻的损坏主要是由短时过电流以及长期老化引起。以火电135MW自并激机组为例，根据能容的计算，一般都在2MJ以下，而发电机的额定励磁电流一般在1300A以上。IEC37.18标准规定，发电机最大可能产生的励磁电流为额定励磁电流的3倍，即3900A以上。一般非线性灭磁电阻的并联支路数在32路以上，甚至不少于40支路，当采用两个阀片串联时，则阀片数量不少于80片。而阀片的实际能容都在30KJ以上，大多数阀片的最大能容在50-60KJ以上。也就是说，当ZnO并联支路数满足要求时，一般阀片的总能容都远远在灭磁能容的计算值之上。

这里有两点值得大家注意：第一，在我们在考虑最危险灭磁工况时，灭磁阀片的能容不应该简单地考虑阀片的标称能容，而应该考虑阀片的最大能容，在此基础上考虑均能、均流因素以及一定的裕量。也就是说，在考虑发电机最危险灭磁工况时，阀片的每片能容按30KJ计算是可行的。第二，理论上同样配比的材料烧制出的阀片的能容与阀片的体积成正比，所以同样截面的ZnO阀片，残压较高的阀片应该具有较大的能容。2100433B

串联耗能灭磁

磁最初就是直接利用耗能开关吸收发电机转子中储存的能量。比如俄罗斯生产的耗能开关利用弧间隔燃烧来耗能。但是这种方式存在如下缺点：

a.体积大

b.不易维护

c.灭磁成功与否取决于弧的形成

d.容易引起事故

e.产品根据发电机机组容量需要特殊订制，不易规模化，系列化

由于这些缺点的存在，采用耗能开关的灭磁方式逐渐被并联移能灭磁方式代替。

机械开关并联移能灭磁

机 械开关串联于励磁主回路、灭磁耗能电阻并联在转子两端是这类灭磁的接线方式。

ANSI/IEEEC37.18-1979标准规定，一般机械开关需要有至少一对主触头（MK1）、一对灭磁常闭触头（MK2）。20年来，随着国内ZnO电阻耗能在灭磁系统中的应用，灭磁触头也并非必要了。但值得注意的是，在不采用灭磁触头的灭磁系统中，需认真核算ZnO的灭磁残压与荷电率。

这类灭磁方式在国内是主要的灭磁方式。主回路有明显的开断触头，在励磁系统内部故障时，可以开断励磁主回路，切断故障源，快速地消灭发电机主磁场，将发电机损失控制在最小范围内。使用的机械开关主要有DM2、DM4、DMX、E3H、E4H、UR、PHB、MM74、CEX等。

这类灭磁方式的主要问题是灭磁开关选型比较困难。小机组选大的开关，成本比较高；选小开关满足不了工况要求；大型尤其是巨型水力发电机机组开关选择更为困难。

电子开关并联移能灭磁

前 些年，国内一些厂家将灭磁开关建压任务转移到电力电子器件上来。其原理是利用电容的放电过程，使可控硅的电流降到零，并形成反压使之关断。

这类方式下开关动作时间短，因此开关在开断过程中所需遮断能容就小，并且建压速度快，利于快速灭磁。但其缺点是开关动作的可靠性取决于电子回路工作的可靠性。

与机械开关比较它没有触头磨损，易于维护，成本也低。但在大电流系统中不宜采用。它存在两个问题：发热问题及器件选型问题。然而值得注意的是，随着电力电子器件的快速发展，高电压大电流的全控器件也会在不久投入商业运行。电力电子器件将在灭磁中发挥更大的作用。但是长期通流带来的发热仍是采用这种方法需解决的首要问题。

为克服上述两种灭磁方式的缺点，人们开始在材料科学领域探索，寻找一种既不发热，又可以建压的材料。将PTC电阻或钼棒与开关并联，利用材料在温度升高时电阻急剧增加的特点，建立比较高的电压，打通灭磁电阻回路，实现灭磁。也可以采用超导材料串入回路，在需要灭磁时使超导材料失超。但是若要建立比较高的电压，超导体的长度相应比较长，体积比较大。

由于以上灭磁方式的缺陷，业内人士希望能够将可控硅整流桥直接关断，将机械开关移至励磁变低压侧。这样解决了励磁系统具有明显开路点的问题、又解决了机械并联灭磁方式开关难选择的问题。

交流灭磁

与水轮发电机相比，灭磁对于汽轮发电机要相对容易一些。主要因为转子电感值较小，阻尼绕组作用比较明显，因此交流灭磁在汽轮发电机励磁系统应用较多。交流灭磁是将直流开关难开断、难建压的问题转移到励磁源的交流侧。

交流灭磁是利用可控硅阳极电源负半周辅助实现的一种灭磁方式。灭磁开关既可以安装在交流侧也可以安装在直流侧，但都必须配合封脉冲的措施(由于交流灭磁开关跳开过程中同步电源缺相而导致的自动封锁脉冲等效于封脉冲)，否则都不能实现交流灭磁。

当灭磁开关装在交流侧时，可以利用在灭磁开关打开的过程中一相无电流而自动分断的特点，并借助可控硅的自然续流将可控硅阳极的交流电压引入到灭磁过程中去。即使在发电机转子电流换流到灭磁电阻支路前，有可控硅的触发脉冲使得某个桥臂的两个可控硅直通，形成转子回路短接灭磁，仍然可以保证交流侧灭磁开关的分断而实现自然续流灭磁。当然这样灭磁时间会比较长，按转子时间常数Td0进行衰减，而且灭磁过程中最多只能利用灭磁开关两个断口的弧压。

当灭磁开关安装在直流侧时，必须配合封脉冲措施，否则不能实现交流灭磁。灭磁开关安装在直流侧的好处是灭磁过程中可以充分利用灭磁开关串联断口的弧压。事实上，封脉冲是一种简便易行的方法，而其作用非常显著，因此在采用交流灭磁的场合，封脉冲措施是必须的。

值得注意的是，交流灭磁需要考虑以下两种情况：

第一，需要考虑机端三相短路。当发电机机端三相短路时，只能够靠灭磁开关的断口弧压灭磁，如果灭磁电阻换流需要的电压大于交流灭磁开关的断口电压，则不能成功灭磁，就会损坏交流开关。考虑到这种情况，一般在转子两端设置电子跨接器或机械跨接器，甚至两者都设置。

第二，需要考虑到可控硅整流桥臂是否存在可控硅损坏，是否有桥臂短路的情况，以及在交流侧短路的异常情况下可否可靠灭磁。

当然，采用封闭母线的发电机组发电机机端短路可以认为基本不存在，一般励磁变到整流桥之间短路几率也比较小。若整流装置交流侧故障，只要整流桥臂熔断器选择合理，是能够降低此类故障几率的，所以这些异常工况也不必考虑。即使机端短路也能够利用短路点比较低的电压进行电流转移，实现灭磁。

由于汽轮发电机转子储能比较小，电感比较小，加之阻尼比较大，参与灭磁过程作用比较大，采用短接转子灭磁，也是能够接受的。所以在配备了跨接器的情况下，可以单独采用交流灭磁。然而通常建议在水轮发电机灭磁中不选择单独的交流灭磁。而是选择机械开关并联移能灭磁或下面介绍的冗余灭磁方案。

冗余灭磁

所谓冗余灭磁，是同时采用两种及两种以上的方法灭磁，如在交流、直流侧分别设置开关，在灭磁过程中同时分断，共同建压，在跳灭磁开关的同时封锁脉冲，利用封脉冲后可控硅续流形成的交流电压辅助灭磁等等，这类灭磁方式的好处是，当一种灭磁不能正常工作时，另外的灭磁方式仍然能够可靠地实现灭磁，当多种灭磁都正常时，可以大大降低对开关的要求。如三峡灭磁设计甚至可以在两重以上故障情况下可靠灭磁。

实现交直流冗余灭磁可以采用多种方法[2]，不同的方法结果可能相差很大，或者需要高性能的交/直流灭磁开关作为必要的保障。

采用以下的灭磁时序可以最大限度地降低对交/直流灭磁开关的要求，实现多种工况下的可靠灭磁，即：正常情况下采用逆变灭磁；故障时首先采用约1-2个调节器控制周期的逆变灭磁，然后采用硬件封脉冲手段闭锁调节器输出脉冲，如果有交流灭磁开关可以同时跳交流灭磁开关（一般情况交流灭磁并非必须设置交流灭磁开关，但对于大型发电机配备交流灭磁开关是有益的），最后延时6到7毫秒（对于50赫兹而言）跳直流灭磁开关.