船舶發(fā)電機無功功率分配故障分析

于風衛(wèi)，　韓加卓

(青島遠洋船員職業(yè)學院，山東 青島　266071)

船舶發(fā)電機無功功率分配故障分析

于風衛(wèi)，韓加卓

(青島遠洋船員職業(yè)學院，山東 青島266071)

以實船發(fā)電機勵磁系統(tǒng)為例，針對一起因維修中勵磁系統(tǒng)信號測量環(huán)節(jié)的接線錯誤導致的并聯(lián)運行失效故障。在對發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、無功功率分配裝置的工作原理進行分析的基礎上，進一步分析了故障原因及引起無功功率分配故障的機理，并提出勵磁系統(tǒng)維修、管理應注意的問題，供船舶電氣技術人員參考。

船舶工程； 發(fā)電機； 勵磁系統(tǒng)； 無功功率分配； 故障分析

0　引　言

現(xiàn)代化船舶對電力供應的要求越來越高，交流發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)不僅用于維持電網(wǎng)電壓恒定，而且用于發(fā)電機并聯(lián)運行時的無功功率的合理、穩(wěn)定分配[1-2]。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障不僅會影響到供電品質(zhì)，嚴重時會導致整個電力系統(tǒng)崩潰，危及船舶作業(yè)和航行安全。在發(fā)電機維護管理與施工中，由于不當操作而導致發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障影響正常營運的情況時有發(fā)生。某集裝箱船在塢修時對發(fā)電機進行了清潔保養(yǎng)，工作完成后由于勵磁系統(tǒng)不當?shù)倪B線導致船舶開航后發(fā)電機無法并聯(lián)運行，嚴重影響了船舶正常營運，造成巨大損失，也給船舶航行安全帶來威脅。本文以故障為例，對發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、無功功率分配裝置的工作原理，以及引起無功功率分配故障的機理進行分析，并提出勵磁系統(tǒng)維修、管理應注意的問題。

1　故障現(xiàn)象

該輪船主電站配有HFC6型無刷同步發(fā)電機2臺，單機運行供電未發(fā)現(xiàn)異常。某航次，船舶裝載了大量的冷藏箱，須雙機并聯(lián)運行。并聯(lián)運行時發(fā)現(xiàn)，2臺機組的輸出電流均明顯高于單機運行時的電流值，特別是2號發(fā)電機電流更高，負荷稍高即導致冷藏箱配電開關因分級卸載而跳閘，同時發(fā)電機嚴重發(fā)熱。船上輪機管理人員分別測取了發(fā)電機單機運行和并聯(lián)運行時，不同負荷下的電流變化情況。單機運行時，1號機組功率為110kW時的輸出電流為170A，2號機組功率為100kW時的輸出電流為180A。并聯(lián)運行時的電流變化情況如表1所示。

表1　并聯(lián)運行時電流隨負荷的變化

2　故障分析

2.1發(fā)電機負載電流分析

I=IP+IQ

(1)

有功分量與發(fā)電機的端電壓U同相位，無功分量超前(容性)或滯后(感性)端電壓90°。其相量圖如圖1所示。由測得的數(shù)據(jù)可知，發(fā)電機并聯(lián)運行時在承擔的有功負荷比單機運行時少的情況下，總電流卻大幅增加。發(fā)電機承擔的有功負荷少，則輸出電流中有功分量小。根據(jù)式(1)和圖1可知，發(fā)電機輸出電流大幅增加是由于發(fā)電機無功電流大幅增加引起的。這一大幅增加的無功電流來自并聯(lián)運行時機組間的無功環(huán)流。

圖1　發(fā)電機電流相量圖

2.2并聯(lián)運行時的無功環(huán)流

2.2.1并聯(lián)運行機組間的電勢差

當發(fā)電機有輸出電流時，在發(fā)電機的電樞繞組上也存在壓降，電樞繞組的阻抗主要為同步電抗，其壓降在相位上超前電流約90°。式(2)為同步發(fā)電機的電勢平衡方程式[3]：

E0=U+jXsI

(2)

式中： E0——發(fā)電機空載電勢；

U——發(fā)電機端電壓；

I——發(fā)電機電流；

Xs——發(fā)電機同步電抗。

由式(2)可知，發(fā)電機在輸出相同端電壓的情況下，其電動勢隨著負載電流的變化也會有所不同。即，并聯(lián)運行的各發(fā)電機組，雖然端電壓是相同的，但機組間會存在電勢差ΔE。假設2號機組電勢高，則2臺發(fā)電機并聯(lián)運行產(chǎn)生電勢差的相量圖如圖2所示。由電工學理論可得式(3)[3]：

(3)

式中：P——發(fā)電機輸出有功功率；

m——相數(shù)；

E0——發(fā)電機空載電勢；

U——發(fā)電機端電壓；

Xs——發(fā)電機同步電抗；

θ——功率角。

根據(jù)式(3)，若發(fā)電機有功功率P及m、U、f保持不變，則Esinθ為常數(shù)，即E1sinθ1=E2sinθ2，故圖2中E0的終端軌跡與U平行。在2臺發(fā)電機形成的環(huán)路中，ΔE與電勢高的2號機組端電壓U2同相位，與U1反相位。

圖2　并聯(lián)運行時機組間電勢差

2.2.2無功環(huán)流的產(chǎn)生及對無功分配的影響

由于電勢差的存在，在2臺機組間產(chǎn)生一個環(huán)流，如圖3(a)所示。環(huán)流經(jīng)過的回路主要是感抗，故IQH是無功電流，滯后ΔE約90°。此環(huán)流對于電勢較高的2號機組，相當于輸出一個感性無功環(huán)流；對于電勢較低的1號機組，相當于輸出一個容性無功電流。發(fā)電機總的輸出無功電流IQ相當于承擔電網(wǎng)無功負載的無功電流分量IQF與無功環(huán)流分量IQH的疊加，其相量圖如圖3(b)所示。無功環(huán)流使電勢較高的2號機組輸出的感性無功電流增加，承擔的無功負荷增加；使電勢較低的1號機組輸出的感性無功電流被部分或全部抵消，承擔的感性無功負荷減小，甚至呈容性。可見，無功環(huán)流影響兩機組間無功功率的分配。機組間電勢差越大，無功環(huán)流越大，無功環(huán)流太大時，可導致發(fā)電機電流大幅增加，甚至電流過載。當2臺機組有功功率均分時，總是電勢高的機組輸出電流大于電勢低的機組。

圖3　發(fā)電機間無功環(huán)流Q相量圖

本文所述并聯(lián)運行故障就是由于兩機組間存在電勢差，并聯(lián)運行時無功功率分配嚴重不均，導致電流大幅增加。從測得的數(shù)據(jù)看，2號機組電勢高，1號機組電勢低，且1號機組輸出的為容性無功電流。

2.2.3無功功率的分配與調(diào)整

圖4　發(fā)電機并聯(lián)運行時無功功率的分配與調(diào)整

2.3發(fā)電機的無功分配裝置

無功分配裝置根據(jù)發(fā)電機承擔的無功負荷的大小來改變發(fā)電機的勵磁電流，從而使在網(wǎng)運行機組電勢基本相等，實現(xiàn)無功功率均分(相同容量的機組)[4]。此輪發(fā)電機的并聯(lián)運行無功功率分配是在勵磁系統(tǒng)中加裝了環(huán)流補償裝置。

2.3.1勵磁系統(tǒng)組成

該輪發(fā)電機采用的是可控相復勵無刷勵磁方式，勵磁機采用Thyripart勵磁系統(tǒng)，如圖5所示[5]。圖5中，G1是同步發(fā)電機的繞組，G2是勵磁機的繞組，V2是旋轉整流器，T1～T3是相復勵變壓器，L1是相復勵調(diào)壓裝置的移相電抗器，V29是三相橋式整流器，V28是分流用晶閘管，T4是環(huán)流補償裝置檢測電流用的電流互感器。相復勵變壓器的輸出經(jīng)V29整流得到直流勵磁電流，由圖6所示電壓校正器(AVR)根據(jù)電壓偏差來對相復勵裝置的輸出進行分流控制，維持電壓恒定。AVR檢測的發(fā)電機端電壓信號由圖1中X1/1、X1/3接線端子取得，是V相、W相間的線電壓。圖6中AVR的輸出端子X3/5、X3/3、X3/6接至圖5中X3連接器，用于控制晶閘管V28的導通角，通過控制分流的多少來控制勵磁機的勵磁電流[6-8]。

2.3.2環(huán)流補償裝置

環(huán)流補償裝置實質(zhì)是一個無功電流檢測裝置，加在AVR的電壓檢測電路中。由電流互感器T4(見圖5)檢測發(fā)電機的輸出電流，此電流在可調(diào)電阻R上產(chǎn)生的壓降US與U相電流成比例且同相，US與檢測的發(fā)電機線電壓信號疊加，作為AVR的輸入電壓信號。環(huán)流補償裝置電壓檢測電路的相量圖如圖7所示[1，9-10]。圖7中IU為發(fā)電機U相電流，IUQ和IUP分別為IU的無功分量與有功分量，環(huán)流補償裝置的輸出電壓，即AVR的輸入電壓為UO。當發(fā)電機輸出電流中的有功分量不變而無功分量增加時，即發(fā)電機的U相電流從IU變?yōu)镮U′時，環(huán)流補償裝置的輸出電壓從UO變?yōu)閁O′，電壓的幅值明顯隨著無功分量的增加而增加；當發(fā)電機輸出電流中的無功分量不變而有功分量增加時，即發(fā)電機U相電流從IU變?yōu)镮U″時，環(huán)流補償裝置的輸出電壓從UO變?yōu)閁O″，電壓的幅值無明顯變化。可見環(huán)流補償裝置的輸出電壓主要是隨著發(fā)電機無功電流的變化而變化的[2，8]。當發(fā)電機并聯(lián)運行時，若機組間存在電勢差，電勢高的機組輸出感性無功電流增加，則AVR檢測的電壓信號也增大，相當于檢測到發(fā)電機的端電壓升高，AVR控制使發(fā)電機勵磁電流減小，輸出電勢降低；同時，電勢低的發(fā)電機組勵磁電流增加，輸出電勢升高。經(jīng)環(huán)流補償裝置的自動調(diào)節(jié)，2臺機組的電勢基本相等，使無功負荷均分。當發(fā)電機的感性無功負荷增加時，由于去磁的電樞反應，發(fā)電機的端電壓會下降，為了維持電壓恒定，調(diào)壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)是增加勵磁電流?？梢钥闯觯h(huán)流補償裝置的調(diào)節(jié)與調(diào)壓系統(tǒng)相反，環(huán)流補償裝置使無功均分的同時也導致調(diào)壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)不足。因此，加裝環(huán)流補償裝置后，發(fā)電機承擔感性負載時，電壓調(diào)整特性如圖8所示。由圖8可知，隨著承擔無功負荷的增加，發(fā)電機端電壓呈下降趨勢，特性曲線的斜率用調(diào)壓調(diào)差系數(shù)表示。并聯(lián)運行的發(fā)電機組，要合理、穩(wěn)定地分配無功功率，要求各臺發(fā)電機組空載電壓相等，電壓調(diào)整特性的調(diào)差系數(shù)盡可能相同[1]。這樣無論負荷怎樣變化，并聯(lián)運行中的機組總能穩(wěn)定地均分無功功率。調(diào)整圖6中可調(diào)電阻R可調(diào)整發(fā)電機的調(diào)壓調(diào)差系數(shù)，調(diào)整可調(diào)電阻Rp可調(diào)整發(fā)電機的空載電壓[1，5]。

圖5　該輪無刷發(fā)電機勵磁系統(tǒng)電路圖

圖6　AVR電壓檢測電路

圖7　環(huán)流補償裝置相量圖

圖8　電壓調(diào)整特性

2.4無功分配裝置故障分析

根據(jù)上述分析，本文所述故障的可能原因是并聯(lián)運行的2臺發(fā)電機空載電壓相差太大或電壓特性的調(diào)差系數(shù)相差太大。把2臺發(fā)電機的空載電壓均調(diào)整為446V，然后對2臺機組分別單機加負載運行試驗。在承擔相同負載情況下，1號發(fā)電機電壓降為439V，2號發(fā)電機電壓升為451V。船舶電網(wǎng)負荷總體呈電感性，可以看出，2號發(fā)電機隨著承擔感性無功負荷的增加，端電壓逐漸升高，與電壓調(diào)整特性正常的1號機組恰好相反。這說明故障確實是由勵磁系統(tǒng)的無功分配裝置引起的。當2臺機組并聯(lián)運行時，隨著負荷的增加，1號機組電壓降低，而2號機組電壓升高，負荷越大，二者之間的電勢差越大，無功環(huán)流導致2臺機組輸出電流大幅增加，當環(huán)流達到一定程度，導致發(fā)電機過載和次要負載分級卸載是必然的。圖6中的可調(diào)電阻R只能調(diào)整調(diào)差系數(shù)的大小，而不能改變電壓調(diào)整特性的方向。因此，2號發(fā)電機的電壓調(diào)整特性與1號相反，問題不是參數(shù)調(diào)整不合適，而是AVR電壓檢測線路或環(huán)流補償裝置電流檢測用的電流互感器接線錯誤，電壓檢測線路(X1/1、 X1/3端子)或電流互感器兩端(X2/5、X2/9端子)接反，當發(fā)電機承擔的無功負荷變化時，環(huán)流補償裝置的輸出與正常時相反。圖9為電流互感器兩端接反時的相量圖。當電流互感器兩端接反時，在可調(diào)電阻R上產(chǎn)生的壓降與發(fā)電機V相電流反相，當發(fā)電機輸出電流中的有功分量不變而無功分量增加時，環(huán)流補償裝置的輸出電壓沒有增加，反而明顯減小，AVR檢測的電壓信號也減小，相當于檢測到發(fā)電機電壓降低，AVR控制使V28分流減少，發(fā)電機勵磁電流增大，輸出電壓升高，故發(fā)電機是上翹的電壓調(diào)整特性。

圖9　電流互感器兩端接反時的相量圖

2臺發(fā)電機剛在塢修中進行過解體清潔，很可能是在清潔后線路重新連接時出錯，把2號發(fā)電機調(diào)壓環(huán)流補償裝置的電流互感器(圖5中T4)副邊接線(X2/5、X2/9端子)對調(diào)，開機加載試驗，發(fā)電機的電壓調(diào)整特性變?yōu)橄聝A趨勢，證明上述判斷是正確的。對2號發(fā)電機的電壓調(diào)整特性進行了重新調(diào)整，使其與1號一致，然后并聯(lián)運行試驗，故障現(xiàn)象消除。

3　結　語

發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)在初次調(diào)整好后很少出現(xiàn)故障，故障大部分是由于在使用、維修中的不當調(diào)節(jié)和連線錯誤所致。因此，系統(tǒng)運行正常的情況下不要輕易調(diào)節(jié)各可調(diào)電阻，維修和保養(yǎng)中需拆卸線路時要做好標記，以防接錯。對于勵磁系統(tǒng)中的各電壓互感器、電抗器和電流互感器等元件，盡管是輸出交流信號，但后續(xù)電路可能涉及信號的疊加，與相位有關，接線端子也不可任意顛倒。

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Analysis of Marine Generator Reactive Power Distribution Fault

YUFengwei,HANJiazhuo

(Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, China)

The process of fault analysis and troubleshooting of a practical system was taken as example. After the analysis of the principle of excitation system and reactive power distribution device, the process of checking and analysis was narrated and the reason of reactive power distribution fault was analyzed. The analysis was helpful to marine electrical engineers.

ship engineering; generator; excitation system; reactive power distribution; trouble analysis

2014-09-05

TM 307+.1

A

1673-6540(2015)04-0037-05