孙嘉宁 徐良
1概述
发电机的励磁系统必须配备灭磁及过压保护装置，这对发电机安全运行至关重要。国内目前广泛使用的灭磁方式有两种：串联吸能灭磁方式和并联移能灭磁方式。
串 联吸能灭磁方式主要指五、六十年代广泛采用的仿苏的DM2型短弧原理灭磁开关，它集切断电流与吸收磁场能量于一体，由开关开断时产生的电弧吸收转子中的磁场储能，存在着过压保护能力差、灭磁时间长、小电流不能可靠分断、触头烧蚀严重等弊病。随着机组容量不断增大以及励磁方式的改变，此方式已逐步被淘汰。
并 联移能灭磁方式兴起于80年代中期。鉴于上述串联吸能灭磁的缺点，国内科研单位及生产厂家纷纷寻求并联移能灭磁。曾经出现过“人工过零”移能法，换流熔丝加电子开关移能法等等，这些方法灭磁均存在一定的弊端。合肥合能电气有限责任公司经过探索，率先采用磁场开断技术，即由移能型灭磁开关切断励磁电源，以开关开断时的弧压，开通并联于磁场两端的氧化锌阀片组吸收磁场能量，达到了很好的灭磁和过压保护效果。
在氧化锌阀片串并组合技术上采用均能的原则，使用计算机对氧化锌阀片进行优化组合，并且尽量提高移能效率，留有足够的能量裕度，加强对氧化锌阀片的保护和对磁场断路器检测调试。使装置具有灭磁容量大、速度快、动作可靠、寿命长等优点。
2 HMGB系列产品主要结构及设计原理
2．1结构
H MGB系列灭磁及过压保护装置分为一次主电路和二次控制、信号电路两大部分。一次电路主要由磁场断路器和吸能元件部分—氧化锌阀片串并联组合等组成（见图1）。二次电路为控制电路和信号电路，信号电路可对装置的动作进行计数和信号输出。
2．2灭磁原理
当同步发电机发生内部故障时，虽然继电保护装置快速将发电机与系统解列，但磁场电流产生的感应电势继续维持故障电流，时间较长有可能烧坏导线和绝缘，如果对地故障电流足够大，还要烧坏铁芯。所以在继电保护切断主断路器的同时还要求迅速完全的灭磁，所谓灭磁就是将转子绕组的磁场能量衰灭至零。对灭磁的要求是：在转子绝缘允许的情况下，尽可能快的将转子磁能消去，才能尽可能地缩短故障点电弧燃烧时间，缩小烧蚀面积，避免故障扩大。
灭磁原理为图2所示。若要使发电机转子电流迅速衰减，转子电流的衰减变化势必与转子两端的反电势相等。灭磁电压方程式为：
Ldi／dt＋u＝0
可见，电感中电流衰减率正比于其端部反电势u，反电势u越大，灭磁时间越短。但是，反电势u不能超过转子绕组绝缘耐压允许值Vm。兼顾两者的理想灭磁方案是：u保持恒定为Vm，电流保持一固定变化率（di／dt），按直线规律衰减至零，如图3所示。
 
2．3移能型磁场断路器工作原理
磁场断路器选用移能型灭磁开关，如DM4型和DMX型。移能型灭磁开关的特点是：有很强
的建弧断流能力，在分断时能够建立起稳定的电弧电压，并且分断电流范围宽，小电流下亦能可靠分断。因而这类磁场断路器可以迅速切断励磁电源回路，并建立稳定的弧压开通氧化锌阀片组吸收绝大部分磁场能量，达到移能灭磁的目的。同时使开关触头拉弧时间很短（＜30 ms），吸收能量很少，对触头起到保护作用，延长磁场断路器使用寿命。
按图3所示，当磁场断路分断时，其回路的电压方程为：
U1－（Uk1＋Uk2）＋Ur＝0 整理得：Uk1＋Uk2＝U1＋Ur
U1—励磁电源电压
Ur—氧化锌阀片开通电压
Uk—磁场断路器分断时双触头弧压Uk＝Uk1＋Uk2
即当磁场断路器的弧压Uk大于等于U1＋Ur时，氧化锌阀片才会开通。典型移能灭磁波形见图4。
在t1以前为正常工作状态：Uk＝0，Ur＝U1为正常励磁电压，IK＝励磁电流，Ir＝0；t1时刻开始灭磁，QF分闸，Uk上升，但UK＜U1＋Ur不满足换流条件，Ir＝0。到t2时刻，Uk＝U1＋Ur氧化锌阀片开始导通，Ir上升，Ik下降，到t3时刻，Uk＝U1＋U残，Ur＝U残，Ik＝0，QF熄弧，励磁电流全部移入氧化锌阀片，移能结束。t3～t4时刻为阀片吸能灭磁阶段，励磁电流快速线性下降，不到0．5s即可衰减到零，t4时刻灭磁结束。t4后U1及Uk波形拖的尾巴，系转子阻尼绕组的感生电流衰减所致。由此可见，t1～t3阶段为磁场断路吸能阶段，该时间越短，则吸能越少，烧损也就越小。
2．4高能氧化锌阀片工作原理
高能氧化锌阀片是以氧化锌为主要成份的掺杂少量杂物的半导体元件，通过高温烧结而成，外形为圆形片状，上下端面喷有金属电极，侧面涂有绝缘釉。其内部为氧化锌晶粒被晶界分开的多晶体结构，晶粒的电阻率为1～10Ω·cm为低阻态，晶界的电阻率为1012～1013Ω·cm呈现为高阻态。因此，在氧化锌电极上加的电压，绝大部分加在高阻的晶界层上，晶界层的厚度决定了阀片的压敏电压，而流通量由它的面积所决定。晶界层是发热体，晶粒是吸热体，它决定阀片能量的承受力。由于材料本身的物理特性使氧化锌阀片具有良好的非线性伏安特性（或称压敏特性），若外加电压低于某一临界值，氧化阀片呈高阻态，其伏安特性是线性的；当外加电压超过临界值，它的伏安特性就转变为非线性：电压略有增加，电流就陡然增加几个数量级，这种对电压变化极为敏感的特性称为压敏特性。
根据发电机的容量，将阀片进行串、并联搭配后接入保护电路。当发电机在正常工作电压下，阀片处于截止区，呈现高阻状态，基本不耗能，只有极小的漏电流（＜50μA）通过，近似于开路。当出现过电压时或事故灭磁时，阀片处于导通区，流经阀片的电流很大，电压却抑制在一个定值，不随各种工况下的电流变化而变化，达到快速吸收磁场能量和限压的目的，有效地改善了系统灭磁和过压保护的技术指标，大大地缩短灭磁时间（一般不大于0．5s）。
理想灭磁时间为：Tm＝τln（1＋1／m）
阀片灭磁时间为：Tm＝τ（l－β）ln（1＋1／m）
式中：τ—励磁绕组时间常数，τ＝L／r L—励磁绕组电感 r—励磁绕组电阻 m—灭磁电压倍数m＝Vm／i0r i0—灭磁时励磁绕组初始电流 β＝1／α，对于氧化锌阀片β＝1／20
所以，阀片灭磁时间为理想灭磁时间的20／19倍，具有最接近理想灭磁的特性。
3氧化锌阀片串并联组合技术
目前国内生产的单只氧化锌阀片能承受的能量仅为15～25 kJ，而大型发电机励磁绕组中存贮的能量达几百万焦耳。因此必须采用大量的氧化锌阀片进行串并联组合以提供足够的能容。由于氧化锌阀片间存在着固有的离散性，因此保证氧化锌阀片串、并联组合的均衡性，是氧化锌阀片串并联组合技术的关键。
对于氧化锌阀片组合的均衡性有观点追求电流均衡，因而在各氧化锌支路上串联均流电阻，以得到各支路的电流均等。我们认为这样做降低了氧化锌的压敏特性，又不可能解决动态均流。因为灭磁的过程氧化锌吸收电流大小不是恒定的，串联均流电阻只能在某点达到电流均等，而不可能动态变化全过程中达到电流均等。如图5所示的并联支路，当电压衰减到U时，两支路电流差为ΔI，为减小非线性不一致的影响，必须在支路中串入较大的线性电阻，这样无疑降低装置的压敏特性，加大阀片的淘汰率，所以均流的观点是不可取的。
高能氧化锌阀片是能量元件，造成阀片损坏的主要原因就是能量超过极限而引起的热击穿，贯穿出一个弹孔状小孔，孔壁上呈现出极低的电阻形成该元件片的短路。几百只氧化锌元件中只要有一只承受不住能量的冲击而短路，该元件所在的支路的所有元件都会随之击穿，引起一条支路的短路，转子的磁场能量在这个短路点释放，燃起很大的电弧将装置烧毁，所以阀片串并组合技术是保证灭磁柜质量的关键，只要每条支路吸收的能量比较均匀，就不至于引起热击穿损坏，因此应追求各氧化锌支路吸引能量的均衡，均能是灭磁设计方案中遵循的原则。
均能配片就是在测试、选配、组合氧化锌阀片时通过计算机，计算出实际等效灭磁支路应承受的能量，按设计给定误差范围，配出每一支路的氧化锌阀片。
对于同一条氧化锌支路，流经的电流是相等的，能量的分散度仅取决于元件间电压的分散度，只要控制电压的分散度，就控制了串联元件的能量分散度，如我们将电压分散度控制在10％，按单片阀片能容量为10 kJ计算，则串联时由电压分散度引起的能量分散度使单片最大能容为11 kJ，在允许的范围之内。对于并联支路，由于非线性系数α远远大于1，导致并联各支路电流极为不均。例如两只阀片并联，它们的α＝20，电压分散度为5％时电流可相差2．65倍。所以在串并联组合中，元件能量不均主要是由并联引起的。因此，在均能配片时，用串联控制阀片电压的分散度，用并联控制阀片在灭磁过程中吸收能量的均衡性。
4 HMGB系列产品的保护措施
4．1灭磁移能效率和灭磁能容的确定
当发电机处于空载误强励状况时磁场能量最大，灭磁情况也最为严重，所以计算各发电机组灭磁容量时，只须考虑该机组可能出现的最大空载误强励电流所对应的能量。此时发电机转子电感储能为：
Wfo＝1／2×L×I2
式中：I——最大强励电流 L——电感量L＝R×T R——转子直流电阻（75℃） T——转子绕组的饱和时间常数（定子出口短路）
由于励磁绕组和阻尼绕组的存在，总要消耗一部分能量，因此阀片所吸收的能量只可能是总磁场贮能的一部分，定义移能效率为：
ηW＝Wrn／Wfo×100％ Wrn——阀片吸收的能量
由前述灭磁时间公式可知：当灭磁过压倍数m较小时，灭磁时间Tm就长，励磁绕组耗能多；当灭磁过压倍数m较大时，励磁电流衰减快，阻尼绕组感应电流大，阻尼绕组耗能较多，同时造成剩余磁能也使灭磁时间Tm加大。而移能效率ηW随灭磁过电压变化与灭磁时间Tm恰好相反，ηM极大值与Tm极小值几乎重合。从中得出一重要结论：移能效率越高，灭磁时间越短。所以应寻求最佳过压倍数，在机组条件允许条件下，尽可能将灭磁时间Tm选取到最小值，来设计灭磁装置的过压倍数，定义此值为最佳灭磁电压，换言之，应该提高灭磁移能效率，让氧化锌阀片充分发挥作用，吸收到最大磁能。实践中，水电机组的灭磁移能效率达到75％～80％，火电机灭磁移能效率达到35％～45％。
在确定阀片实际承受灭磁能量后，还有30％的灭磁裕量，以保证装置的可靠性和耐用性。这样即使有30％的氧化锌阀片退出运行，装置仍能正常工作。
4．2氧
为防止氧化锌阀片被击穿后短路，各阀片支路必需串联快速熔断器。其作用是：当氧化锌阀片老化而被击穿时，熔断器立即响应，快速熔断，使该路退出工作。为保证整个设备的正常运行，采用如下方案：（1）每支路氧化锌阀片的极限能熔即为熔体最小熔断值，以保证在氧化锌阀片刚击穿即熔断。（2）设计熔断时间为1．95 ms，提高熔断速度。（3）设计足够长度（270 mm），保证在熔断的瞬间建立一定的弧压，以利于该支路的能量迅速分散到其他支路上去。
4．3氧
氧化锌阀片在持续电压的作用下，阻值不断降低、泄漏电流分量（或功率损耗）不断增大的现象，称为老化（或劣化）。若阀片不密封，易受潮湿气体或腐蚀性气体的侵蚀，其伏安特性将发生变化，在截止区的漏电流增大，导致阀片电阻的老化加剧，所能承受的灭磁容量降低，最终发生能量击穿。因此，应对阀片进行严格地筛选并清理、烘干；使用绝缘保护套，配合密封垫圈、金属电极板和高强度的绝缘压板对氧化锌阀片进行密封压装，此结构能有效的防止氧化锌阀片受潮湿气体的侵蚀而老化，并且当氧化锌阀片被击穿而产生电弧时，本结构能将电弧熄灭在保护套内，保证邻近电路的完全。
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