船舶電站逆功率故障淺析

譚健 江金芬

摘? ? 要：船舶電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)船舶運(yùn)行至關(guān)重要，船舶電站運(yùn)行不穩(wěn)定對(duì)船舶航行的危害很大，研究分析引起并列運(yùn)行發(fā)電機(jī)逆功率的主要原因及其故障排除方法非常必要。船舶電站逆功率故障的原因，主要從調(diào)速器、逆功率保護(hù)繼電器、功率分配及并車(chē)模塊、調(diào)速特性等方面分析，針對(duì)不同的故障原因采用靈活有效的處理方法，才能準(zhǔn)確快速的排除故障。

關(guān)鍵詞：船舶電站;逆功率;調(diào)速器

中圖分類(lèi)號(hào)：U665.1? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Ship power station is the heart of the ship， its safe and stable operation is very important to the reliability of ship operation. The unstable operation of ship power stations is harmful to the navigation of ships. Therefore， it is necessary to analyze the main causes of the reverse power of parallel generators and its troubleshooting methods. The causes of reverse power fault of the ship power station are mainly analyzed from the aspects of governor， reverse power protection relay， power distribution and parallel module， speed regulation characteristics， etc. In order to eliminate the fault accurately and quickly， effective treatment methods should be flexibly adopted for different fault reasons.

Key words： Ship power station; Reverse power; Governor

1? ? 前言

船舶電站是船舶電氣設(shè)備的核心，其作用是源源不斷地給船舶用電設(shè)備提供電能。船舶電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)船舶安全航行起到至關(guān)重要的作用。因此必須做到供電安全可靠、穩(wěn)定，一旦發(fā)生故障能夠迅速排除。本文主要對(duì)電站逆功率現(xiàn)象進(jìn)行具體分析。

2? ?發(fā)電機(jī)逆功率運(yùn)行的危害

發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)是發(fā)電機(jī)非常重要的一種主保護(hù)，又稱(chēng)為功率方向保護(hù)。發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能通過(guò)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為電能，其功率的方向是由發(fā)電機(jī)流向配電板的供電母線(xiàn);但當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生故障引起功率反向流動(dòng)時(shí)，功率由母線(xiàn)流向發(fā)電機(jī)，即發(fā)電機(jī)不但不發(fā)電反而吸收功率，也就是說(shuō)發(fā)電機(jī)變成了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。

短時(shí)間逆功率運(yùn)行對(duì)發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)并沒(méi)有什么危害，但是長(zhǎng)時(shí)間逆功率運(yùn)行則可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的繞組過(guò)熱甚至燒毀;同時(shí)，發(fā)電機(jī)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)運(yùn)行后會(huì)給原動(dòng)機(jī)一個(gè)反向的力矩，極有可能會(huì)導(dǎo)致原動(dòng)機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞，造成巨大的損失。

發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)的設(shè)置，是為了在發(fā)生逆功率故障時(shí)保護(hù)發(fā)電機(jī)和原動(dòng)機(jī)的安全。在逆功率超過(guò)一定數(shù)值并在設(shè)定的延時(shí)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有恢復(fù)到正常范圍時(shí)，逆功率保護(hù)動(dòng)作會(huì)切斷發(fā)電機(jī)出口的主開(kāi)關(guān)，將故障發(fā)電機(jī)組脫離電網(wǎng)運(yùn)行。因此，應(yīng)盡量避免發(fā)電機(jī)組發(fā)生逆功率故障，并在發(fā)生故障時(shí)候逆功率保護(hù)裝置能及時(shí)準(zhǔn)確動(dòng)作。

3? ?并列運(yùn)行發(fā)電機(jī)組發(fā)生逆功率的原因

導(dǎo)致船舶電站逆功率故障的原因很多，主要從調(diào)速器、逆功率保護(hù)繼電器、功率分配及并車(chē)模塊、調(diào)速特性等方面分析，針對(duì)不同的故障原因采用靈活有效的處理方法，這樣才能準(zhǔn)確快速排除故障。

3.1? 調(diào)速器故障

調(diào)速器是控制原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的核心部件。原動(dòng)機(jī)調(diào)速器故障會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致并列運(yùn)行發(fā)電機(jī)組功率分配不均并呈現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，當(dāng)某臺(tái)發(fā)電機(jī)逆功率達(dá)到設(shè)定值并在整定時(shí)間內(nèi)未恢復(fù)正常，則逆功率保護(hù)動(dòng)作將該臺(tái)發(fā)電機(jī)組解列。所以，原動(dòng)機(jī)調(diào)速器故障是引起發(fā)動(dòng)機(jī)逆功率的重要原因之一。

3.2? 功率分配和并車(chē)模塊故障

發(fā)電機(jī)并車(chē)與保護(hù)單元（PPU）是控制船舶電站電力分配和并車(chē)的專(zhuān)用模塊，該模塊是實(shí)現(xiàn)電站自動(dòng)啟停、并車(chē)、功率分配、保護(hù)的關(guān)鍵部件。如果該模塊工作不穩(wěn)定甚至發(fā)生故障，必定會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)功率的大幅震蕩，并可能導(dǎo)致逆功率保護(hù)動(dòng)作解列。

3.3? 并列運(yùn)行發(fā)電機(jī)組調(diào)速特性差異大

并列運(yùn)行發(fā)電機(jī)組調(diào)速特性差異大也是導(dǎo)致逆功率保護(hù)動(dòng)作的原因之一。每臺(tái)發(fā)電機(jī)組的調(diào)速特性都不完全一樣，只要差異控制在一定范圍內(nèi)，則各發(fā)電機(jī)組并列穩(wěn)定運(yùn)行是沒(méi)有問(wèn)題的，但當(dāng)差異超出規(guī)定范圍時(shí)發(fā)電機(jī)組就可能發(fā)生逆功率。因此，電站的調(diào)試也是先進(jìn)行單機(jī)調(diào)試，將各發(fā)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性調(diào)整至基本相同時(shí)再進(jìn)行并列運(yùn)行試驗(yàn)，確保發(fā)電機(jī)組調(diào)速特效基本相同是發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的重要條件之一。

3.4? 外部電磁干擾

電站的核心控制部件基本上都是電氣控制器件，主要包括PPU、PLC、原動(dòng)機(jī)調(diào)速器以及各種繼電器等電子元器件。這些電子設(shè)備工作電流都比較小，屬于弱電設(shè)備，較大的電磁干擾會(huì)直接導(dǎo)致這些電氣設(shè)備的工作異常甚至導(dǎo)致事故發(fā)生，所以電磁干擾也是發(fā)電機(jī)發(fā)生逆功率不可忽視的原因之一。

3.5? 原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大

原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大會(huì)直接導(dǎo)致發(fā)電機(jī)功率不穩(wěn)定，也會(huì)導(dǎo)致逆功率的發(fā)生。原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大的原因有很多，PPU、PLC、電磁干擾都可能是原因。另外，原動(dòng)機(jī)的供油系統(tǒng)故障也會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速功率波動(dòng)，如：燃油系統(tǒng)泄漏或者存在空氣、燃油質(zhì)量差，燃油存在水分和其他雜質(zhì)、燃油供給系統(tǒng)的輸送泵、濾網(wǎng)堵塞等，都會(huì)破壞燃油供給的連續(xù)性，從而導(dǎo)致逆功率的發(fā)生。

3.6? 逆功率保護(hù)繼電器故障

逆功率繼電器在電站中應(yīng)用比較普遍，對(duì)電站的安全運(yùn)行非常重要。逆功率繼電器是一個(gè)測(cè)量功率方向的電器，當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)逆功率達(dá)到整定值時(shí)，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后繼電器動(dòng)作將該發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)解列。如果輸入的電流和電壓極性接反，則會(huì)導(dǎo)致該繼電器誤動(dòng)作，整定值不正確也會(huì)導(dǎo)致靈敏度不符合要求。所以，當(dāng)發(fā)電機(jī)組發(fā)生逆功率故障時(shí)，有必要重點(diǎn)檢查逆功率保護(hù)繼電器工作和接線(xiàn)是否正常、整定值是否正確，如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題必須及時(shí)進(jìn)行處理。

4? ?某船電站逆功率故障實(shí)例分析

4.1? 某船電站基本情況及逆功率故障現(xiàn)象

某船電站系統(tǒng)由兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組、1套主配電板、1套發(fā)電機(jī)控制板等設(shè)備組成：發(fā)電機(jī)的額定功率為120 kW、額定電流228.2 A、額定電壓390 V、額定頻率50 Hz、額定功率因素0.8（滯后）;發(fā)電機(jī)采用柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，柴油機(jī)為雙列、四沖程、水冷、直噴式柴油機(jī)。

電站逆功率故障發(fā)生前狀態(tài)：兩臺(tái)發(fā)電機(jī)雙機(jī)并列運(yùn)行穩(wěn)定，電站總功率51 kW（左機(jī)25.7 kW，左機(jī)25.3 kW）;船舶航速17.3 kn。

該船在航行過(guò)程中左發(fā)電機(jī)逆功率解列甩負(fù)荷至零，電站負(fù)荷全部轉(zhuǎn)至右發(fā)電機(jī)，主配電板和發(fā)電機(jī)控制板均觸發(fā)左機(jī)逆功率聲光報(bào)警。發(fā)電機(jī)逆功率發(fā)生前后功率分配，如圖1所示。

4.2? 故障原因分析及排除

左發(fā)電機(jī)組發(fā)生逆功率解列后，技術(shù)人員認(rèn)真分析故障現(xiàn)象并積極進(jìn)行故障排查。該電站發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)的整定值為額定功率的8%～15%、延時(shí)3～8 s，發(fā)電機(jī)的額定功率為120 kW，即逆功率整定值為-9.6 至-18 kW。通過(guò)查詢(xún)電站歷史參數(shù)和報(bào)警記錄，發(fā)現(xiàn)發(fā)生逆功率的左發(fā)電機(jī)功率最低到了-13.3 kW左右，并持續(xù)了近6 s后逆功率保護(hù)動(dòng)作發(fā)電機(jī)解列。這說(shuō)明逆功率保護(hù)動(dòng)作正常，排除了保護(hù)誤動(dòng)的可能。那么導(dǎo)致發(fā)生逆功率的原因是什么呢？通過(guò)進(jìn)一步排查，發(fā)現(xiàn)左發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 500～1 282 r/min時(shí)發(fā)生間斷波動(dòng)，而正常運(yùn)行的右發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定于額定轉(zhuǎn)速。

根據(jù)以往電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)很可能是燃油系統(tǒng)故障引起。但通過(guò)對(duì)燃油系統(tǒng)進(jìn)行排查，并未發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)漏油和存在空氣，清洗燃油濾器后轉(zhuǎn)速波動(dòng)現(xiàn)象依然存在，所以燃油系統(tǒng)不是引起發(fā)電機(jī)逆功率的原因。

通過(guò)外接監(jiān)控器監(jiān)控PPU和PLC的運(yùn)行，并施加相應(yīng)的模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)模塊的相關(guān)監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)功能均正常，這也排除了PPU和PLC存在故障的可能。

并列運(yùn)行發(fā)電機(jī)組調(diào)速特性差異大也會(huì)引起逆功率保護(hù)動(dòng)作，但這只是針對(duì)多臺(tái)并列運(yùn)行發(fā)電機(jī)組而言的，發(fā)電機(jī)組單機(jī)運(yùn)行功率和轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)下仍然波動(dòng)一般是不會(huì)發(fā)生的。

那么，極有可能的原因是發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生故障，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致逆功率故障的發(fā)生。該電站原動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)是廣泛應(yīng)用的電子調(diào)速系統(tǒng)，故對(duì)該電子調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的分析。

電子調(diào)速系統(tǒng)的主要部件有：電子調(diào)速器、轉(zhuǎn)速傳感器、電磁執(zhí)行器和控制開(kāi)關(guān)等，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

電子調(diào)速系統(tǒng)的工作原理：柴油機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速由磁電式轉(zhuǎn)速傳感器探測(cè)，轉(zhuǎn)速指令由電子調(diào)速器上的轉(zhuǎn)速設(shè)定電位器和外部遙控電位器設(shè)定;指令值與設(shè)定值比較后得到轉(zhuǎn)速偏差信號(hào);該偏差信號(hào)經(jīng)PID調(diào)節(jié)器放大后得出柴油機(jī)燃油供給量油門(mén)，該油門(mén)指令與當(dāng)前電磁執(zhí)行器實(shí)際輸出位置比較后得出油門(mén)偏差量，從而精準(zhǔn)地控制執(zhí)行器的輸出位置也就是精準(zhǔn)控制了柴油機(jī)的供油量，使柴油機(jī)在所設(shè)定的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。

電子調(diào)速系統(tǒng)作為一個(gè)閉環(huán)控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其任何一個(gè)部件故障均會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速失控，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組逆功率的發(fā)生。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳感器是比較容易發(fā)生故障的，經(jīng)對(duì)傳感器安裝的角度、距離、清潔程度以及接線(xiàn)進(jìn)行檢查均未發(fā)現(xiàn)異常，更換傳感器也并未消除逆功故障;對(duì)調(diào)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組的電子調(diào)速器和電磁執(zhí)行器后重新啟動(dòng)，發(fā)電機(jī)組逆功率故障并未轉(zhuǎn)移，這就排除了因轉(zhuǎn)速傳感器、電子調(diào)速器和電磁執(zhí)行器故障導(dǎo)致逆功率的發(fā)生。

進(jìn)一步對(duì)電子調(diào)速系統(tǒng)檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組機(jī)旁控制柜控制高速/低速轉(zhuǎn)換的繼電器存在接觸不良的故障，繼電器觸頭閉合正常情況下電阻應(yīng)該是非常小的，若接觸電阻較大就可能會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)速失控故障。電子調(diào)速器通過(guò)電信號(hào)控制柴油機(jī)的高速和低速，高、低速繼電器的觸點(diǎn)之間存在幾十歐姆的電阻且電阻值不斷變化的接觸，直接導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致逆功率故障的發(fā)生。通過(guò)更換故障的高、低速繼電器后，右發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)現(xiàn)象消失，雙機(jī)并列運(yùn)行穩(wěn)定可靠，逆功率故障得到了根本的解除。

4.3? 更換高、低速繼電器后雙機(jī)并列運(yùn)行的效果

更換合格的高、低速繼電器后并車(chē)運(yùn)行功率曲線(xiàn)圖，如圖3所示。從圖3可以看出電站總功率為50 kW左右，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行功率分配均勻穩(wěn)定，功率差值很小，相差值基本在±2 kW范圍內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)技術(shù)要求。發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)的整定值為額定功率的8%～15%，更換繼電器后逆功率故障得到了根本解決。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

船舶電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到船舶的安全穩(wěn)定運(yùn)行。由于船舶電站設(shè)備較多，控制系統(tǒng)也較復(fù)雜，其連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中難免會(huì)發(fā)生各種故障，逆功率就是電站常見(jiàn)的故障之一。引起發(fā)電機(jī)組逆功率故障的原因不僅局限于以上分析，電站管理人員必須熟悉電站的工作原理、設(shè)備組成和控制邏輯，這樣在排除故障時(shí)才能準(zhǔn)確到位。

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