船舶同步发电机并车常见故障分析

    王健

    

    

    摘 要：介绍船舶同步发电机并车的工作原理和常见故障，分析其原因，提出维护和处理建议。

    关键词：无刷同步交流发电机;发电机并车;自动电压调节器（AVR）;自动并车模块

    中图分类号：U665.11? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? 文章编号：1006—7973（2019）09-0084-02

    船舶电站是船舶的重要组成部分，是船舶电力系统的核心，船舶电站的可靠运行对保证船舶安全具有重要意义。船舶电站由发电装置和配电装置组成，船舶通常设有2-3台同容量、同型号的发电机组，日常由一台发电机向电网供电。随着船舶的大型化和自动化程度的不断提高，越来越多的船舶设备需要用电能来驱动和控制，电能成为船舶运行和生产的主要能源和动力。特别在船舶进出航道或需要启动较大用电设备时，就需要2台甚至3台发电机并列运行。或者是发电机日常保养中为了能够不间断地供电，都需要进行并车，解列。本文通过一例发电机并车故障来分析其产生原因和注意事项。

    1 故障现象

    某轮有2台无刷同步交流发电机。型号MX-H-350-4，额定功率350KW/437、5KVA。我上船以后发现2台发电机无法相互自动准同步并车，平常并车都是采用手动准同步并车。曾经因为手动并车后负载转移不及时，引起主开关跳闸，造成全船失电。

    2 故障分析

    2.1发电机的工作原理

    无刷交流发电机的工作原理是：①发电机采用旋转磁场式，其励磁绕组装在转子上，而交流励磁机采用旋转电枢式，其励磁绕组装在定子上，发电机的励磁绕组和励磁机的电枢绕组固定在同一转轴上，转轴上还有一个旋转整流器，这样转子部分自成闭合电路。②励磁机的励磁电流则通过调节进入励磁机磁场的电流来控制交流无刷发电机的输出电压。所以无刷发电机的电压调节就是调节发电机定子绕组向励磁机定子绕组供应的电流，主要由相复励励磁装置和自动电压调节器（AVR）两部分组成。③可控相复励励磁装置根据同步发电机的实际电压，调节励磁机的励磁电流，控制流过同步发电机励磁绕组的电流，实现稳定同步发电机输出电压和自动分配无功功率的目的。④自动电压调节器（AVR）采用分流校正同步发电机的电压，使系统具有满意的静态性能。

    由于2台发电机单独运行时都能正常起压，在负载变化时也能完成功率的正常分配，并且能保持输出电压的稳定。即排除了发电机本身的问题，问题应该出在了并车环节。

    2.2 发电机的并联运行

    2.2.1交流同步发电机并联运行条件

    （1）相序一致：待并发电机必须与运行机（电网）相序一致。出厂时各台发电机的相序都已检查，校对一致了，因此实际并车操作时不必再检查相序。

    （2）频率相等：待并发电机的频率应与运行机（电网）频率相等。实际操作时，允许误差在0.5Hz以内。

    （3）相位相等：待并发电机电压相位（或初相位）应与运行机（电网）电压相位相等。实际并车操作时，允许相差10-15度以内。

    （4）电压相等：待并发电机电压应与运行机（电网）电压的有效值相等。实际操作时电压之差允许在10%以内。

    2.2.2 交流同步发电机并联运行操作方法

    目前船上采用的并联运行操作方法主要可分为三类：a.准同步法。b.自同步法。C.粗同步法（电抗同步法）。现在船舶上通常采用的手动并车，半自动并车及自动并车均属于准同步并车法。准同步法是将待并发电机组及运行发电机的电压、频率和相位都调整到十分接近，再合上待并发电机组的主开关。此法在并車时产生的冲击电流、冲击转矩和母线电压的下降都很小，对系统的影响较小。

    2.2.2.1手动准同步并车通常采用灯光法和整步表法来检测并车条件。

    灯光法分为灯光明暗法和灯光旋转法。同步表是一种用来检测待并发电机与电网电压、频率及相位差大小和方向的仪表。手动并车时我们借助同步灯或同步表旋转方向来判断待并机的频率是高于还是低于电网频率，从而决定待并机是加速或减速，通过调节频差到满足并车要求时，抓取相位差为零的时刻按下合闸按钮。我们船上的管理人员一般都是在整步表指针转至55分时进行并车合闸操作，这种不管合闸时差频大小而盲目采取固定提前量的做法是不恰当的，因为从主开关接到合闸指令到其主触点闭合需要的时间和不同操作人员操作需要的时间（操作人员反应时间、手按按钮到按钮触点闭合时间）是不同的。如果相位差较大，容易在并车瞬间产生相当大的冲击电流和冲击转矩，会对发电机造成损伤，甚至会引起主开关跳闸，造成全船失电，影响船舶安全。所以船上一般都安装有自动准同步并车装置。

    2.2.2.2自动准同步并车装置的功能和组成

    （1）组成：由自动准同步装置和自动调频调载装置配合完成。

    （2）功能：①检测待并发电机电压与电网电压之间的频率和频差符号，并根据频差的大小和符号，向待并发电机发出相应的自动整步的加速或减速信号。②检测频差、相位差和电压差，当满足允许合闸条件时，适时地发出合闸指令。

    （3）如图1所示合闸控制电路把电压差允许鉴别的条件、频差允许鉴别条件与恒定提前时间（主开关合闸时间）捕获脉冲通过一个合闸与门送出合闸控制信号，使主开关合闸操作。

    2.2.3交流同步发电机并车失败的原因

    交流同步发电机并车失败的原因通常有以下几方面：①电网参数波动太大：由于有较大负载波动，引起电网功率、频率、电压大幅度波动，当并车合闸时产生较大的冲击电流而使主开关跳闸，所以并车时应断开剧烈波动的负载，待并车完成后再接通负载。②由于自动调频调载装置故障而无法合理分配负载或者手动并车时负载转移不及时使逆功率继电器动作引起主开关跳闸。③操作不当，没有满足并联运行的条件就随意并车而引起大的冲击电流使主开关跳闸。④自动并车装置故障，无法给主开关发出合闸指令。⑤均压线故障或均压线接线端钮松脱。

    3故障查找

    3.1排除怀疑项

    通过试验，就是在电网参数平稳，波动不大的情况下，两台发电机也不能互相自动准同步并车，那就排除了电网不稳的原因。手动准同步并车以后，随着负载的变化发电机能够完成功率的自动分配，说明自动调频调载装置也是正常的，也排除了它的原因。能够手动准同步并车合闸，说明能够满足并联运行的条件，主开关也没有问题。检查均压线与接线端钮也是正常的。通过上述分析，基本可以确定造成这种故障现象的原因是自动并车装置出现了问题，无法发出合闸指令。

    3.2确定怀疑项

    （1）自动并车装置不能发出合闸指令一般有以下几个原因：①装置本身出现故障。②机组运行不稳定，无法寻觅同步投入条件。③合闸电路有故障，不能合闸。

    （2）如图2所示，并联运行模块EP200的输入电源是通过接在发电机单相电路中的电流互感器提供的。图中并联单机开关打开时为并联运行，闭合时为单机运行。

    （3）在1#发电机运行时把2#发电机启动起来，调试到准同步状态，按下并车按钮，测量并联运行模块EP200的并联单机开关两端，发现2台发电机的并联单机开关均为闭合状态。而并联单机开关的打开是通过并车按钮控制一个接触器来实现的。按下并车按钮，检查发现接触器不动作，检查从按钮到接触器接线正常，线圈控制电压正常，确定是接触器故障。换新接触器，恢复接线，并车试验，并车恢复正常。

    4 结束语

    随着科技的发展，船舶的自动化程度越来越高，信息技术和其它高新技术也都是建立在电能应用基础之上的。这就要求我们的船舶管理人员除了要不断地提高自己的专业技能，同时也要对船上的主要机电设备加强维护管理，既要会操作，也要充分了解它们性能特点，工作原理，才能做到科学管理、精心维护、精确保养，才能精确地了解设备的工作状态，发现问题时能够下手，敢于下手。确保机电设备始终处于良好的技术状态，确保船舶安全营运。

    参考文献：

    [1]赵殿礼，张春来.船舶电气设备及系统[M].大连海事大学出版社，2009

    [2]阮礽忠.船舶电气设备维修技术[M].机械工业出版社，2013

    [3]兰海，卢芳，孟杰.船舰电力系统[M].国防工业出版社，2015