同步发电机的灭磁含义和方法
一、灭磁的含义
当发电机或发电机一变压器组发生故障时，继电保护动作在跳开发电机的同时，还应迅速将发电机灭磁。所谓灭磁就是将发电机励磁绕组的磁场尽快地减弱到最小限度，最快的方法是将励磁绕组断开，但因励磁绕组是一个大的电感，突然断开必将在直流侧产生很高的电压，危及转子绕组绝缘、整流桥的安全。因此，实用方法是在断开励磁绕组与励磁电源回路的同时，将一个电阻接入励磁绕组，让磁场储能迅速耗尽。整个过程由自动灭磁装置来实现。
对发电机的灭磁要求有两点，首先灭磁时间应尽可能短；其次励磁绕组两端的过电压不应超过额定励磁电压的4～5倍。
为同时满足上述要求，假设灭磁开始时的转子励磁电流为ifd0且以某一变化率difd／dt衰减，而磁通的变化率在转子滑环间（即励磁绕组两端）产生的电压值刚好等于允许值，以后电流ifd保持这一速率直线衰减到零，如图1中直线1所示，为理想灭磁曲线。实际的灭磁曲线可能是直线2或直线3等。根据它们与理想曲线接近的程度，可以评价灭磁方案的优劣。
图1 不同方案的灭磁曲线
二、灭磁的方法
灭磁方法种类较多，如单独励磁机灭磁、对线性电阻放电灭磁、对非线性电阻放电灭磁、采用灭弧栅灭磁，当采用全控桥的半导体励磁系统时，还可利用全控桥逆变灭磁。其中，单独励磁机灭磁方法只用于小型机组，它的灭磁时间较长。下面介绍几种常用灭磁方法。
（1）线性放电电阻灭磁
当发电机内部发生短路故障时，即使把发电机从母线上断开了，短路电流依然存在，使故障造成的损坏继续扩大；只有将转子回路的电流也降为零，使发电机的感应电动势尽快地减至最小，才能将故障损坏限制在最小的范围内。最常用的方法是在转子回路内加装灭磁开关，利用放电电阻灭磁。
利用放电电阻灭磁的接线如图2所示。同步发电机正常运行时，灭磁开关q处于合闸状态。q的主触头q1闭合，使励磁机能正常地向发电机转子提供励磁电流；触头q2断开灭磁电阻r回路。
当灭磁时，q跳闸，q2先闭合，使发电机转子的励磁绕组接入r；然后q断开，这就保证励磁绕组接入放电电阻r（即灭磁电阻）时没有开路状态出现，避免了过电压的产生。发电机转子绕组并联了灭磁电阻r后，转子绕组的电流就按照指数曲线衰减，并将转子绕组中的磁场能量几乎全部转变成热能，消耗在r上。
在灭磁过程中，灭磁的时间与r有关，r越大，灭磁过程越快，反之，灭磁过程就慢些。手册规定r的数值一般为转子绕组热状态电阻值的4～5倍，灭磁时间为5～7s。
图2 线性放电电阻灭磁示意图
（2）非线性电阻灭磁
由于放电电阻r不能取得很大，从而加长了灭磁时间。当将r改为非线性电阻，其特性是通过其中的电流较大时，动态电阻小；电流较小时，动态电阻大。合适选择非线性电阻，可以做到灭磁初态时，转子电压不超过容许值，而灭磁时间减小。
（3）采用灭弧栅灭弧
以上方法中，灭磁开关并不承受耗能的主要任务。应用最广泛的灭磁方法是利用带有灭磁栅的快速灭磁开关，它利用串联短弧的端电压不变的特性控制灭弧过程，将磁场储能主要消耗在灭磁开关内，灭磁速度较快，几乎接近理想灭磁。
应用灭磁开关灭磁的原理示意图如图3所示。在灭磁过程中，dm的主触头1-2先断开，3-4仍关闭，故不产生电弧；经极短的时间以后，灭弧触头3-4断开，在它上面产生了电弧。由于横向磁场的作用，电弧被驱入灭弧栅中，并被分割成很多串联的短弧，在灭弧栅内燃烧，直到励磁绕组中电流下降到零时才熄灭。在产生容许的过电压倍数条件下，利用灭弧栅灭磁的灭磁时间仅为放电电阻方式灭磁时间的24％左右。
图3 同步发电机灭磁原理示意图
近年来，国内外已普遍采用双断口直流开关（双断口磁场断路器），配以非线性电阻的方法来灭磁。非线性电阻采用氧化锌元件，有良好的压敏特性，灭磁过程中两端电压始终维持在灭磁电压控制值上，因此非常接近理想灭磁，灭磁速度快；氧化锌元件作为过电压保护元件，过电压动作值可灵活整定；氧化锌元件非线性电阻系数很小，正常电压下漏电流很小，可直接跨接在励磁绕组两端，灭磁可靠；采用双断口直流开关，灭磁过程中励磁电源与励磁绕组完全断开，有利于加快灭磁过程；可靠灭磁，非线性电阻的总电能量应大于励磁绕组的最大储能。因此，这种灭磁方法具有灭磁速度快、灭磁可靠、结构简单、运行维护方便、灭磁过电压动作值可灵活整定等特点。
图4示出了双断口直流开关、非线性电阻灭磁的原理图。图中dm为双断口直流开关，nr1、nr2、nr3为氧化锌非线性电阻，nr1的动作电压低于nr2、nr3的动作电压。
图4 非线性电阻灭磁的原理图
正常运行时，发电机的励磁电压为ufd，晶闸管 vso2、vso3不导通，二极管v1、v2、v3不导通，所以nr1、nr2、nr3中无电流。励磁绕组发生正向过电压，当达到触发晶闸管的动作整定值时，vso2、vso3导通，能量迅速消耗在非线性电阻nr2、nr3中，过电压值限制由正向过电压保护整定值确定，能量被吸收后，过电压消失；励磁绕组发生反向过电压，v1迅速导通，能量迅速消耗在非线性电阻nr1中，反向过电压值限制由nr1动作值确定，过电压能量被吸收后，反向过电压即消失，在此过程中，因nr1的动作值低，所以nr2、nr3不承担反向过电压保护任务。
发电机正常停机时，通过可控整流桥逆变灭磁，并不需要断开灭磁开关dm。发电机事故紧急停机时，跳灭磁开关dm，dm断开后，励磁电流ifd强迫分断，励磁绕组发生反向过电压，极性是d端为正、f端为负，此时磁场能量通过二极管v1消耗在nr1中，完成灭磁过程。需要指出，灭磁过程中nr1上电压基本不变，所以很接近理想灭磁，灭磁速度快。dm断开后，整流桥侧的正向过电压或反向过电压，均由非线性电阻nr3吸取过电压能量，直到过电压消失，过电压值受nr3动作值的限制。
（4）利用全控桥逆变灭磁
如果采用晶闸管整流桥向转子供应励磁电流时，就可以应用逆变灭磁。在主回路内不增添设备就能进行快速灭磁。这一方式简单、经济、无触点，得到了广泛采用。
在现代发电机的自动励磁调节系统中，几乎都采用了三相全控桥对aer的输出信号进行功率放大，实现对发电机励磁的自动调节。三相全控桥的负载是发电机励磁绕组或励磁机的励磁绕组，符合逆变条件。当发电机故障或停机需要灭磁时，只要将控制角α增大到某一合适的角度（如140°）就可进行逆变灭磁。当励磁机或发电机有他励电源时，由于逆变灭磁过程中交流电压不变，励磁电流等速减小，灭磁过程相当迅速。当励磁机或发电机采用自励方式时，随着灭磁过程的进行，交流电压随之降低，灭磁速度也就减慢。
事实上，逆变灭磁到一定程度时，负载电感l中的能量不能维持逆变，此时要借助灭磁电阻（与励磁绕组并接）使l中的储能释放，以进行灭磁。如前所述，在现代大型发电机自并励磁方式中，逆变灭磁只是在发电机正常停机时使用，发电机故障进行灭磁是采用灭磁装置或非线性电阻进行灭磁的。
