国内外大型灭磁开关结构评价

1国内外大型灭磁开关结构评价陈小明胡先洪邵显钧朱必良（葛洲坝水力发电厂湖北宜昌市443002）摘要：本文通过对我国水电厂使用的三种大型灭磁开关优缺点的分析，提出了一套归类描述灭磁开关结构的方法，并以此来评价我国部分水电厂现用灭磁开关结构的特点，分析得出CEX98-4.1灭磁开关结构的科学性和我厂选用其的合理性。关键词：DM2、DM4、DMX、CEX98、灭磁开关结构1引言同步发电机励磁系统中的灭磁开关，是发电机组内部故障的最后保护装置。当发电机定子、单元联接的主变压器或励磁系统发生故障，如励磁变压器故障、发电机滑环短路、励磁主回路短路及元件故障、发电机励磁调节器误强励故障等，灭磁开关应迅速跳开，以达到灭磁的目的。发电机灭磁不仅能迅速安全的切断发电机转子电流，还能消耗吸收发电机的转子磁能。直流灭磁开关的灭弧原理及结构与交流开关不同，我国常用的几种大型灭磁开关在灭弧原理及结构上也有所区别。因此对国内外大型灭磁开关的结构进行评价很有必要。2国产大型灭磁开关的结构评价最早应用于大中型水轮发电机组静止可控硅励磁系统的国产大型灭磁开关是DM2型灭磁开关，它有一个由圆铜片组成的特殊灭弧室，用来吸收转子磁能和切断转子电流。DM2是一个单断口、双触头结构的单极开关，一个主触头和一个弧触头并联，跳闸时主触头先断开，弧触头后断开，转子电流在弧触头上产生电弧，经纵向和横向电磁力作用（即双向电磁吹弧），进入灭弧室旋转并被铜片灭弧栅分割成短电弧，只有当绝大部分转子磁能在灭弧室变为热能后，电弧才熄灭。DM2灭弧室采用金属灭弧栅灭弧原理，即灭弧栅为金属铜片，吸收热能效果好，电弧弧压稳定，这是其优点之一。但是，由于DM2是一个切断电流和吸收能量于一体的灭磁开关，随着发电机组容量的增大，其灭磁容量越来越不能满足要求，再加之其复杂的吹弧过程容易被其他参与灭磁的转子电量的干扰而中断，因此灭磁失败甚至灭磁开关烧毁的事故就时有发生。由于磁能被铜栅片吸收，故烧毁严重，不能频繁动作，维护工作量打。另外其机构易拒动。现在，大中型水轮发电机组静止可控硅励磁系统采用投入灭磁电阻放电灭磁方式，即灭磁开关跳闸切断转子电流，灭磁电阻并接到发电机转子两端吸收转子磁能。这样就可以大大减轻灭磁开关的灭磁负担，此时也可以采用交流开关。通常将此类的灭磁开关称为磁场断路器。国产DM4双断口灭磁开关就是这种移能式的磁场断路器。由于DM4采用双断口组合，恰好满足发电机转子正负极使用，因而得到广泛使用。但是，DM4双断口灭磁开关在结构上也有三点不足之处：2(1)没有用于投入灭磁电阻的辅助常闭断口，因而实施放电灭磁方式比较困难。尽管在灭磁电阻回路中串联整流二极管也能简单的解决此问题，但是，在正常运行中，灭磁电阻要承受可控硅整流器输出的反向电压的冲击，降低了灭磁电阻的使用寿命；(2)DM4采用双断口单触头结构，即每个断口只有一种触头，这个触头既是正常运行中的主触头，又是灭弧中的弧触头，由于灭磁跳闸所产生的电弧对触头的损伤必然影响触头的接触电阻，为了保证触头正常运行中的接触电阻不超标，在大电流灭磁后，一般都要检查该触头损伤情况，增加了维护工作量；(3)灭弧罩采用绝缘灭弧栅灭弧原理，也称为长电弧灭弧原理。灭弧栅片为绝缘材料，吸热效果差，电弧弧压不稳定，极大的影响灭磁能量从灭磁开关向灭磁电阻上转移的过程。如果这种移能转移失败，DM4灭磁开关就有可能在灭磁中损坏。新型国产大型灭磁开关DMX，不仅吸收了DM4多断口的优点，而且吸收了DM2多触头接触和金属灭弧栅灭弧罩，更重要的设置了专用的常闭辅助断口，使灭磁电阻的投入方式更加合理。同时还具有合闸永磁保持、反磁分闸、永磁吹弧、后备分闸和多端口同轴同步等优点。从结构上讲，DMX系列灭磁开关优于DM2和DM4都好，应用起来更加方便。3进口大型灭磁开关的结构评价调研进口灭磁装置在我国的应用情况，我们发现其灭磁原理采用的都为放电灭磁方式，即在灭磁开关跳闸前，首先闭合灭磁开关辅助常闭断口，即放电触头或触发可控硅跨接器，将灭磁电阻并接到发电机转子两端，利用灭磁电阻吸收灭磁能量。我国进口的灭磁开关种类很多，结构也各不相同，我们可以对照下面三个内容进行描述：（1）常开主断口数量和触头结构，即有无专用弧触头；（2）有无常闭辅助断口；（3）灭弧罩采用何种灭弧和吹弧原理。因为这三个主要内容不仅描述了灭磁开关的结构，而且也反映了灭磁开关结构的优缺点。具体来说，具有常闭辅助断口的灭磁开关最适合放电灭磁方式，即当今的先进灭磁方式；双断口灭磁开关比单断口灭磁开关更加适合励磁回路；设置专用的弧触头有利于保护主触头；采用短电弧栅灭弧原理，即采用金属灭弧栅灭弧罩，吸热好，电弧稳定；电磁吹弧简单。按照灭磁开关上述三个主要特点，部分进口灭磁开关描述如下：ASLG4000：单断口单触头，绝缘灭弧栅灭弧罩，电磁吹弧，外型如DM4；AMF-1A/B：双主断口双主触头+双弧触头+放电触头，绝缘灭弧栅灭弧罩，气吹+电磁吹弧，外型如国产6KV小车开关；AMF-CC-3.1：双主断口双主触头+三弧触头+放电触头，金属灭弧栅灭弧罩，电磁吹弧，外型如国产DW10空气开关；CEX54-2.1：双主断口单触头+放电触头，绝缘灭弧栅灭弧罩，电磁吹弧，3外型如国产DW10空气开关；ALG：三相交流开关，三断口单触头，绝缘灭弧栅灭弧罩，电磁吹弧；UR36：单断口单触头，金属灭弧栅灭弧罩，电磁吹弧，外型如DM2；EX74：单断口单触头+放电触头，金属灭弧栅灭弧罩，气吹+电磁吹弧，外型如国产6KV小车开关；CEX98-4.1：双主断口双主触头+四弧触头+放电触头，金属灭弧栅灭弧罩，电磁吹弧，外型如国产DW10空气开关；在上述灭磁开关的排列中，前四种是以前进口的灭磁开关，现在已经不再生产，后四种是近几年进口的灭磁开关。按照灭磁开关的断口数、触头结构、灭弧和吹弧原理排序，后四种灭磁开关中最好的是CEX98-4.1，其次是EX74，最后是UR26。ALG本身就是一个框架式交流开关，其灭磁必须同励磁装置的逆变灭磁配合。按照对进口灭磁开关的描述，对应于CEX98-4.1灭磁开关，DMX选型为：双主断口四主触头+四弧触头+放电触头，金属灭弧栅灭弧罩，电磁吹弧。比较二者的结构，除DMX的主触头数比CEX98-4.1多一倍外，其他都相同。主触头放电触头弧触头放电电阻图1DMX的应用原理图。图一是DMX灭磁开关的具体应用电气原理主接线图，由于主触头没有灭弧罩而弧触头有灭弧罩，故这两种触头的电气符号不同。采用多个弧触头串联，可以提高灭磁开关的电弧电压和遮断电压。CEX98-4.1灭磁开关的具体应用电气原理主接线图同图1基本相同，只是将正负极的主触头各减少一个，并且相应的去掉两个主弧触头之间的短接线。弧触头越多，即灭弧罩越多，开关的灭弧能力就越强，而主触头多于两个就没有必要了，所以CEX98-4.1灭磁开关比DMX更具有合理性和适用性。DMX和CEX98-4.1灭磁开关都有三种触头，这里用虚线来表示这三种触头的联动关系：灭磁开关跳闸时，首先是常闭的放电触头闭合，接着是主触头断开，最后才是弧触头断开。DMX灭磁开关已经在部分电厂应用，CEX98-4.1灭磁开关也即将在三峡电厂和葛洲坝大江电厂应用。从现有资料来看，CEX98-4.1灭磁开关结构合理，工艺精致，外观漂亮，比国产DMX先进。但是DMX的体积尺寸比较合适，而4CEX98-4.1灭磁开关的宽度太宽，有1.8米，极大的影响了该开关的应用范围。解决CEX98-4.1尺寸太宽问题的方法是选用两台CEX98-2.1灭磁开关来替代一台CEX98-4.1，即在励磁绕组正负极各使用一台，二者在一次主回路上串联，在二次控制回路上并联。一台CEX98-2.1的宽度小于1米，两台上下布置，整个灭磁柜体宽度也就小于1米。三峡电厂为解决一台CEX98-4.1灭弧能力不足的问题，使用了两台CEX98-4.1，即在励磁绕组正负极各使用一台，并且上下布置。由此可见，这种方式也是可行的。综上所述，根据其结构和特点，CEX98-4.1开关适合应用于大型水电站灭磁过电压保护装置上。[参考文献][1]三峡发电机灭磁系统及过电压保护研究报告[R].合肥：中国科学院等离子体物理研究所，2001.[2]陈小明，邵显钧，胡先洪.进口灭磁开关调研报告[R].宜昌：葛洲坝水力发电厂，2001.[3]邵显钧.双断口磁场断路器配高能氧化锌非线性电阻灭磁存在问题与改进[J].中国电力，2000（8）.[4]陈小明.发电机灭磁失败原因分析及改进措施[J].电力系统自动化，1999（22）.附录：大型灭磁开关照片（陈小明编辑）1、DM2灭磁开关52、DM4灭磁开关（没有灭弧罩）3、DMX2灭磁开关64、EX74灭磁开关75、UR36灭磁开关6、CXE98灭磁开关