閆 偉

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010)

船舶同步發(fā)電機(jī)自動電壓調(diào)節(jié)器故障分析

閆 偉

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010)

文章介紹了某船發(fā)電機(jī)因自動電壓調(diào)節(jié)器故障導(dǎo)致無法并電運(yùn)行，詳細(xì)分析了調(diào)壓器差動橫向電流補(bǔ)償?shù)脑聿⑻岢龉芾斫ㄗh，對船舶電氣管理有一定的參考意義。

同步發(fā)電機(jī)；自動電壓調(diào)節(jié)器；故障；管理

船舶電力系統(tǒng)是指由一個(gè)或幾個(gè)在統(tǒng)一監(jiān)控運(yùn)行的船舶電源及與之相連接的船舶電網(wǎng)組成并向負(fù)載供電的整體[1]。發(fā)電機(jī)是整個(gè)供電整體的核心部分，將發(fā)電柴油機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，起到非常重要的作用。此船配有3臺主發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)主要參數(shù)為：日本大洋(TAIYO)FEK50F-10 ，額定電壓440 V ，額定容量為1 250 kVA， 絕緣等級為10級 ，額定轉(zhuǎn)速為720 r/min。故障發(fā)生時(shí)已正常運(yùn)行21 200 h。

1 故障現(xiàn)象

船舶海上航行，正常使用3#發(fā)電機(jī)向主配電板供電，電壓440 V、電流520 A，駕駛臺通知備車開航，機(jī)艙值班人員準(zhǔn)備啟動2#發(fā)電機(jī)，機(jī)旁檢查發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、調(diào)速器、油壓、水壓等均正常，值班人員將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)至遙控，發(fā)現(xiàn)手動并電困難。此船主配電板3臺發(fā)電機(jī)未裝功率因數(shù)表。值班人員發(fā)現(xiàn)2#發(fā)電機(jī)空載電壓為460 V，頻率為60 Hz。通知電氣主管人員下機(jī)艙后，手動調(diào)節(jié)的電壓調(diào)節(jié)器上的電壓調(diào)節(jié)旋鈕，電壓有變化，可以使電壓恢復(fù)到接近額定電壓440 V，此時(shí)調(diào)壓器旋鈕已經(jīng)調(diào)到極限位置。主管人員再次將2#發(fā)電機(jī)與3#發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。此時(shí)，2#發(fā)電機(jī)的電流比3#發(fā)電機(jī)電流高210～300 A。電氣主管人員啟動1#發(fā)電機(jī)，檢查1#發(fā)電機(jī)空載電壓為442 V，頻率為60.3 Hz，將1#發(fā)電機(jī)解列與3#發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)運(yùn)行正常，2臺發(fā)電機(jī)電壓、電流、功率偏差均在正常范圍內(nèi)。為了確認(rèn)故障原因所在，電氣主管人員再次將1#發(fā)電機(jī)與2#發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)2#發(fā)電機(jī)的電流依然比1#發(fā)電機(jī)高出許多。為了船舶航行安全，使用1#發(fā)電機(jī)與3#發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。至此，完全可以確認(rèn)2#發(fā)電機(jī)為故障機(jī)。

2 故障原因分析

2#發(fā)電機(jī)故障現(xiàn)象為空載電壓偏大，與其它發(fā)電機(jī)并車?yán)щy，即使能夠并網(wǎng)運(yùn)行，電流明顯高于其它發(fā)電機(jī)，可以斷定為并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)無功功率分配不均。2臺并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)如果端電壓不相等，在頻率、相位一致時(shí)，會在2臺發(fā)電機(jī)之間產(chǎn)生無功性質(zhì)的環(huán)流，最終的結(jié)果將使電壓高的發(fā)電機(jī)輸出的無功功率大于電壓低的發(fā)電機(jī)，而并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)端電壓的穩(wěn)定是通過控制內(nèi)部勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電路都配有自動電壓調(diào)節(jié)器。目前遠(yuǎn)洋船舶的自動電壓調(diào)節(jié)器主要有3種類型：一種是通過均壓線來實(shí)現(xiàn)無功功率分配，而根據(jù)發(fā)電機(jī)容量不同又分為直流均壓線連接和交流均壓線連接2種情況；第二種是利用帶有橫向電流補(bǔ)償(又稱為電流穩(wěn)定)環(huán)節(jié)的電壓調(diào)節(jié)器；第三種為帶有差動橫向電流補(bǔ)償(又稱為差動電流穩(wěn)定)環(huán)節(jié)的電壓調(diào)節(jié)器。該發(fā)電機(jī)為無刷同步發(fā)電機(jī)，調(diào)壓器為帶有差動橫向電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)的調(diào)壓器，其勵(lì)磁回路如圖1所示。

注：CCT為橫向電流補(bǔ)償電流互感器；DCT為差動電流互感器；CCR為橫向電流補(bǔ)償電阻；ACB為發(fā)電機(jī)主開關(guān)副觸頭；VR為電壓調(diào)節(jié)器；PT為電源變壓器；AVR為自動電壓調(diào)節(jié)器。圖1 船舶發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電路

方框內(nèi)的部件在集控室配電板內(nèi)部。其勵(lì)磁機(jī)有2個(gè)勵(lì)磁繞組，即主勵(lì)磁繞組和副勵(lì)磁繞組。相復(fù)勵(lì)單元供電給主勵(lì)磁繞組，假如該單元單獨(dú)起作用時(shí)，將使發(fā)電機(jī)處于過勵(lì)磁狀態(tài)；總配電板匯流排經(jīng)自動電壓調(diào)節(jié)器供電給副勵(lì)磁繞組，提供與主勵(lì)磁方向相反的勵(lì)磁。自動電壓調(diào)節(jié)器通過晶閘管調(diào)節(jié)勵(lì)磁機(jī)的副勵(lì)磁繞組的電流，使端電壓保持在要求的范圍內(nèi)。2臺發(fā)電機(jī)需要并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，無功功率的自動均衡分配是由差動橫向電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)的。主要由橫向電流補(bǔ)償電流互感器、橫向電流補(bǔ)償電阻以及配電板上發(fā)電機(jī)主開關(guān)的常閉觸頭等組成。發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，本發(fā)電機(jī)的主開關(guān)有電，串連在差動橫向電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)的常閉觸電斷開，此時(shí)自動電壓調(diào)節(jié)器的差動橫向電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)沒有起到作用[2]。

當(dāng)發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，本發(fā)電機(jī)主開關(guān)副觸頭斷開，其它所有未運(yùn)行發(fā)電機(jī)的主開關(guān)副觸頭保持閉合，這相當(dāng)于運(yùn)行發(fā)電機(jī)差動電流輸入端被其它停止的發(fā)電機(jī)的主開關(guān)短路，此時(shí)該發(fā)電機(jī)的差動橫向電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)不起作用，發(fā)電機(jī)的調(diào)壓特性為僅有電壓負(fù)反饋、無差動橫向電流補(bǔ)償時(shí)的調(diào)壓特性。

2臺發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的無功功率平均分配是由差動橫向電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)保證的，每臺發(fā)電機(jī)的差動橫向電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)是經(jīng)過差動電流互感器的副邊耦合(圖1中為k2/L2)，每臺發(fā)電機(jī)差動電流互感器的耦合端并聯(lián)了發(fā)電機(jī)主開關(guān)的常閉副觸頭。當(dāng)2臺發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，參與并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)差動橫向電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)經(jīng)過未運(yùn)行發(fā)電機(jī)的主開關(guān)常閉觸頭構(gòu)成回路，起到差動橫向電流補(bǔ)償作用，經(jīng)自動電壓調(diào)壓器調(diào)整作用實(shí)現(xiàn)無功功率的自動均衡分配，自動電壓調(diào)節(jié)器的工作原理圖如圖2。

圖2 自動電壓調(diào)節(jié)器工作原理方框圖

相位控制電路主要由2只開關(guān)管組成，PID電路的輸出控制主晶閘管電路開、關(guān)的動作，向晶閘管發(fā)送脈沖信號使得晶閘管導(dǎo)通。PID通過相位控制電路來調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角，從而達(dá)到反向勵(lì)磁調(diào)整電壓的目的。根據(jù)以上對帶有差動橫向電流補(bǔ)償功能的調(diào)壓器原理的分析，因?yàn)?#發(fā)電機(jī)的故障現(xiàn)象是發(fā)電機(jī)空載電壓過高和無功功率分配不均，故首先檢查副勵(lì)磁系統(tǒng)。將2#發(fā)電機(jī)停止運(yùn)行，檢查橫向電流補(bǔ)償電流互感器，差動電流互感器，電源變壓器的源端和副端正常，無短路、斷路和接地現(xiàn)象。萬用表測量橫向電流補(bǔ)償電阻的阻值與3#發(fā)電機(jī)的橫向電流補(bǔ)償電阻阻值相同。電氣主管人員拆掉蓋板將其印刷電路板露出，再次啟動2#發(fā)電機(jī)對自動電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行在線檢測并記錄檢測數(shù)據(jù)，同時(shí)啟動3#發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行，對自動電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行在線檢測并記錄同樣的檢測數(shù)據(jù)，2臺發(fā)電機(jī)自動電壓調(diào)節(jié)器的檢測數(shù)據(jù)對比，如表1所示。

表1 2臺發(fā)電機(jī)自動電壓調(diào)節(jié)器的檢測數(shù)據(jù)對比 V

3 故障排除

分別停止2#和3#發(fā)電機(jī)，將2臺發(fā)電機(jī)的自動電壓調(diào)節(jié)器印刷電路板互換，再啟動運(yùn)行，3#發(fā)電機(jī)出現(xiàn)了前面的故障，2#發(fā)電機(jī)正常。停止2臺發(fā)電機(jī)，將2只自動電壓調(diào)節(jié)器印刷電路板換回，并用備用電路板更換2#發(fā)電機(jī)自動電壓調(diào)節(jié)器印刷電路板。啟動2#、3#發(fā)電機(jī)，調(diào)整2#發(fā)電機(jī)電壓，再一次對上面的測量點(diǎn)進(jìn)行測量，與3#發(fā)電機(jī)的數(shù)據(jù)對比基本吻合。對2#發(fā)電機(jī)進(jìn)行空載和重載調(diào)試、并車調(diào)試，各項(xiàng)參數(shù)恢復(fù)正常。檢查換下的電路板，無明顯損壞跡象。對照測量的參數(shù)分析，認(rèn)為是電路板上的元器件老化所致。

4 發(fā)電機(jī)日常管理中的注意事項(xiàng)

1)為保證發(fā)電機(jī)正常工作，在它附近不應(yīng)有水、油堆積，不能有腐蝕性氣體，以免損傷發(fā)電機(jī)絕緣，沖洗機(jī)艙時(shí)不能將水濺入發(fā)電機(jī)中；要注意發(fā)電機(jī)的正常通風(fēng)冷卻，經(jīng)常清洗濾網(wǎng)，溫度也不可太低，防止導(dǎo)電器件上凝結(jié)有水珠。

2)監(jiān)視發(fā)電機(jī)電壓、頻率、功率因數(shù)數(shù)值，電壓容許變化范圍不超過±2.5%，頻率的變換范圍不超過0.5%，功率因數(shù)正常在0.8。并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)要接近，如果偏差大電網(wǎng)穩(wěn)定性將下降[3]。

3)停用時(shí)間較長或修理過的發(fā)電機(jī)應(yīng)檢查對地絕緣電阻，采用500 V兆歐表測量，冷態(tài)絕緣電阻應(yīng)大于2×106Ω，測量絕緣時(shí)應(yīng)拆除相關(guān)電子元件，避免對電子元件的損害。

4)正常運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)電壓要控制在額定值附近，三相之間相差不得超過1%，三相電流任何兩相電流相差不得超過15%。

5)停機(jī)時(shí)，經(jīng)常檢查勵(lì)磁回路變壓器等處的接線、匝間絕緣等。

5 結(jié)束語

帶有差動橫向電流補(bǔ)償(又稱為差動電流穩(wěn)定)環(huán)節(jié)的電壓調(diào)節(jié)器在國外廠家生產(chǎn)的交流發(fā)電機(jī)上比較多，國內(nèi)也有生產(chǎn)廠家采用這種技術(shù)。我國《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》規(guī)定，靜態(tài)電壓變化率應(yīng)在±2.5%以內(nèi)，突加60%負(fù)載，瞬時(shí)電壓值不低于額定電壓的85%[3]。差動橫向電流補(bǔ)償線路比較簡單，可以使并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組保持較好的恒壓特性，無功功率分配也可以達(dá)到相關(guān)要求。熟悉帶差動橫向電流補(bǔ)償?shù)恼{(diào)壓器工作原理、做好日常維護(hù)管理工作才能降低船舶交流發(fā)電機(jī)的故障率，保證船舶安全營運(yùn)。

[1]張春來.船舶電氣[M]. 大連：大連海事大學(xué)出版社，2008.

[2]厲啟宏.船舶交流發(fā)電機(jī)調(diào)壓器差動橫向電流補(bǔ)償工作原理分析[J].上海造船，2004(1)：61-65.

[3]左春寬.船舶動力裝置[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2012.

In this paper,the faults are introduced on automatic voltage regulator of the synchronous generator.The principle of automatic voltage regulator is analyzed with its differential cross-compensation in detail，suggestion is given for management,which provides reference for marine electrical management.

synchronous generator;automatic voltage regulator;fault;management

閆偉(1976-)，男，江蘇南通人，講師，大學(xué)本科，研究方向?yàn)榇皠恿ρb置管理與維修。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.06.011

2016-07-19