船舶電站無功功率故障分析

劉中山，薛士龍

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船舶電站無功功率故障分析

劉中山，薛士龍

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306）

相復(fù)勵無刷勵磁系統(tǒng)是目前船舶電站中廣泛應(yīng)用的一種勵磁裝置。通過結(jié)合實際船舶電站中出現(xiàn)的無功分配不均現(xiàn)象，介紹船舶電站無功功率分配不均產(chǎn)生的原因、勵磁系統(tǒng)相復(fù)勵裝置工作原理和自動電壓調(diào)節(jié)器（Automatic Voltage RegulatorAVR）各調(diào)節(jié)旋鈕的含義。結(jié)合對故障原因和功率平衡裝置工作原理的了解，并通過AVR旋鈕的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對船舶電站出現(xiàn)的無功功率分配不均現(xiàn)象調(diào)節(jié)。通過本次故障的處理，希望給船舶電氣管理人員日常維護管理電站提供一定的參考。

船舶電站 無功功率 勵磁系統(tǒng) 相復(fù)勵 自動電壓調(diào)節(jié)器

0 前言

科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展前進，帶動現(xiàn)代化船舶噸位突飛猛進的增加，進而對船舶同步發(fā)電機的性能和電力供應(yīng)系統(tǒng)提出了更高的要求。同步發(fā)電機的重要組成部分勵磁系統(tǒng)不僅可以維持船舶電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，還可以實現(xiàn)發(fā)電機并聯(lián)運行時無功功率的調(diào)節(jié)和分配。同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)故障不僅影響船舶電網(wǎng)供電質(zhì)量，有損用電設(shè)備，嚴重時可能導(dǎo)致發(fā)電機跳閘，更甚是出現(xiàn)全船失電現(xiàn)象，危及船舶正常作業(yè)和安全航行[1,2]。鑒于船舶航行外界環(huán)境的不穩(wěn)定性，發(fā)電機長時間運行工作出現(xiàn)部件老化、螺絲松動及接線脫落等現(xiàn)象導(dǎo)致發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障影響正常營運情況時有發(fā)生。某公司遠洋多用途船，在一次航行中多次出現(xiàn)無功功率分配嚴重不均，為船舶正常航行和作業(yè)帶來巨大影響。本文以此船故障為例，對同步無刷發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)、自動調(diào)壓裝置以及故障處理調(diào)節(jié)進行分析。

1 故障現(xiàn)象

該輪船有3臺同容量的西門子1FC5型無刷同步發(fā)電機，單機運行都是正常工況。在某港口應(yīng)用甲板克令吊進行裝卸貨時，需要2臺發(fā)電機并聯(lián)運行，選用1#和2#發(fā)電機并聯(lián)運行。在甲板300T克令吊啟動后，發(fā)現(xiàn)1#發(fā)電機負荷偏低，無功電流較高，2#發(fā)電機正常；當(dāng)克令吊動作時，發(fā)現(xiàn)2#發(fā)電機有功和無功都處于正常波動狀態(tài)，但是1#發(fā)電機有功增加不大，無功電流明顯增加很大。鑒于此狀況，改為2#和3#發(fā)電機并聯(lián)運行，發(fā)現(xiàn)3#發(fā)電機運行狀態(tài)與之前1#發(fā)電機類似?，F(xiàn)在以1#和2#發(fā)電機并聯(lián)運行時狀況為例，其電流變化情況如表1所示。

2 故障現(xiàn)象原理分析

2.1 負載電流分析

當(dāng)發(fā)電機主開關(guān)合閘時，發(fā)電機接通負載供電，此時發(fā)電機要同時承擔(dān)有功功率和無功功率，所以發(fā)電機的輸出電流由有功電流P和無功電流Q兩部分組成,即

=P+Q（1）

根據(jù)電路基本知識可知，有功分量電流與電壓同相位，無功分量電流超前（容性負載）或滯后（感性負載）電壓90°，即有功電流與發(fā)電機端電壓同相位，無功電流與發(fā)電機端電壓相差90°[3，4]。船舶負載一般為感性負載，其向量圖如圖1所示。

發(fā)電機承擔(dān)的有功功率小，輸出電流中有功電流分量就小。由圖1可得其有功電流分量和無功電流分量公式（2）和（3）。當(dāng)有功功率變化不大，發(fā)電機輸出總電流增大則是由無功電流增大所引起。

I=I（2）

I=I（3）

圖1 發(fā)電機電流向量圖

2.2 并聯(lián)運行機組電勢差分析

以隱極式同步發(fā)電機為例，當(dāng)發(fā)電機接通負載有輸出電流時，電樞繞組上存在電樞反應(yīng)電抗和漏磁電抗X,統(tǒng)稱為同步電抗，同步電抗產(chǎn)生壓降。忽略高次諧波及不考慮飽和及齒槽的影響，隱極式同步發(fā)電機的電勢平衡方程式為（4）所示[5]：

U=E-jXI (4)

式中：---隱極式同步發(fā)電機端電壓；

E---隱極式同步發(fā)電機空載電勢；

X---隱極式同步發(fā)電機的同步電抗；

---隱極式同步發(fā)電機電流。

發(fā)電機并網(wǎng)運行時，電網(wǎng)電壓即發(fā)電機的端電壓，因此并網(wǎng)發(fā)電機的端電壓相同。由（4）式可看出，發(fā)電機電流的變化引起發(fā)電機電樞繞組上壓降的變化。因此，并聯(lián)機組中各發(fā)電機電流不相等時，各自的空載電動勢E不同，機組之間就會產(chǎn)生一個電勢差。

2.3 環(huán)流的產(chǎn)生及對無功功率的影響

圖2 發(fā)電機并聯(lián)運行時環(huán)流

并聯(lián)機組之間存在電勢差，因此發(fā)電機組之間產(chǎn)生一個環(huán)流，假設(shè)1#發(fā)電機的空載電勢高，發(fā)電機組間環(huán)流如圖2所示[6]。因為同步發(fā)電機的定子繞組的電抗較電阻大得多，從而產(chǎn)生的環(huán)流基本上是一個無功電流I，與電勢差相位角相差約90°。此環(huán)流對電動勢較高的發(fā)電機相當(dāng)于輸出一個感性無功電流；對電動勢較低的發(fā)電機相當(dāng)于輸入一個容性無功電流。每臺發(fā)電機在正常分擔(dān)電網(wǎng)無功電流I的同時還要加上相應(yīng)的無功環(huán)流I，如圖3和公式（5）所示。

圖3 并聯(lián)運行時每臺發(fā)電機輸出無功電流

由圖3可以看出，對電勢高的1#發(fā)電機電網(wǎng)無功電流I與無功環(huán)流I同相位，1#發(fā)電機承擔(dān)的無功負荷增加；對于電勢低的2#發(fā)電機其相位相反，2#發(fā)電機承擔(dān)的無功負荷減小，甚至呈現(xiàn)容性。因此，環(huán)流電流影響并聯(lián)機組中各發(fā)電機的無功負荷的分配。機組間電勢差越大，產(chǎn)生的無功環(huán)流越大，對各發(fā)電機無功負荷分配影響越嚴重。當(dāng)無功負荷分配嚴重不均時，將導(dǎo)致單臺發(fā)電機無功電流超過其設(shè)定保護值，如果在額定時間內(nèi)沒有下降到保護值以下，保護裝置觸發(fā)，使發(fā)電機跳閘。針對此船，在裝卸貨過程中就因為無功電流分配嚴重不均發(fā)生發(fā)電機跳閘現(xiàn)象。

根據(jù)同步發(fā)電機空載電動勢公式（6），可知發(fā)電機空載電動勢E與磁通Φ成正比。由公式（7）和（8）得，勵磁電流（）產(chǎn)生磁勢（），磁勢產(chǎn)生磁通（Φ），因此發(fā)電機空載電動勢E與勵磁電流成正比。改變勵磁電流就可以改變發(fā)電機的空載電動勢，即改變勵磁電流可以調(diào)節(jié)并聯(lián)運行時的無功功率的分配。

E=4.44?NΦK(6)

(7)

Φ =(8)

3 1FC5型船用無刷同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的工作原理

1FC5型船用無刷同步發(fā)電機是可控相復(fù)勵無刷同步發(fā)電機，主要組成部分為定子繞組（電樞繞組）、轉(zhuǎn)子（勵磁繞組和旋轉(zhuǎn)整流器）和交流勵磁機轉(zhuǎn)子（電樞繞組）、定子繞組（磁場繞組）、相復(fù)勵裝置和自動電壓調(diào)節(jié)器（Automatic Voltage RegulatorAVR）等。發(fā)電機的轉(zhuǎn)子為隱極式的，轉(zhuǎn)子本體圓周表面開槽，嵌放著勵磁繞組。轉(zhuǎn)子表面1/3沒有開槽，構(gòu)成大齒，為磁極中心區(qū)[5]。在同一根轉(zhuǎn)軸的另一側(cè)裝有勵磁機的電樞轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)整流器。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)（相復(fù)勵裝置和AVR）裝在發(fā)電機控制屏內(nèi)。

3.1 相復(fù)勵裝置

西門子1FC5型可控相復(fù)勵無刷同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)電路原理如圖4所示。圖4中，G1為同步發(fā)電機，G2為勵磁機，C1為諧振電容器，A1為AVR，L1為移相電抗器，R1為串聯(lián)電阻，R2為同軸電位器，T1～T3為電流互感器，T4、T5為中間互感器，T6為相復(fù)勵變壓器，T7、T8為測量變壓器，V1為三相橋式靜止整流器，V2為旋轉(zhuǎn)整流器[6-11]。

相復(fù)勵裝置是由T1～T3電流互感器、移相電抗器L1、諧振電容C1、相復(fù)勵變壓器T6和三相橋式靜止整流器V1組成。電流互感器的二次側(cè)向相復(fù)勵變壓器T6提供電流信號；發(fā)電機端電壓通過移相電抗器L1移相90°并轉(zhuǎn)化為電流源向相復(fù)勵變壓器T6提供電壓信號。相復(fù)勵變壓器有兩組繞組，一次側(cè)為電壓繞組，二次側(cè)為輸出繞組，其中電流信號從抽頭接出，相當(dāng)于自耦變壓器，輸出電流經(jīng)過三相橋式靜止整流器V1向勵磁機的定子磁場繞組供電[7]。如圖5（a）和5（b）所示。圖5（a）所示，一次側(cè)輸入電壓信號，二次側(cè)輸出電壓分量；圖5（b）所示，一次側(cè)輸入電流信號，二次側(cè)輸出電流分量。電壓分量信號和電流分量信號在T6中轉(zhuǎn)化為磁通疊加輸出，由AVR根據(jù)電壓分量和電流分量對相復(fù)勵裝置輸出進行控制，維持電壓恒定。

3.2 自動電壓調(diào)節(jié)器調(diào)整

西門子1FC5發(fā)電機AVR的調(diào)整主要有電壓調(diào)節(jié)范圍、靈敏度、穩(wěn)定性和調(diào)差特性。功能更加完善的AVR還具有其他附加功能，進一步加強保護發(fā)電機的安全運行[8-11]。

電壓調(diào)節(jié)范圍整定原件一般是電位器，分別位于AVR板上和發(fā)電機控制屏內(nèi)，即內(nèi)電壓調(diào)節(jié)旋鈕US和外電壓調(diào)整器。一般情況下維護管理人員只需調(diào)整外電壓調(diào)整器，內(nèi)電壓調(diào)節(jié)旋鈕在AVR出廠前已經(jīng)校正。

AVR都具有穩(wěn)定電路來保證發(fā)電機輸出電壓有良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。AVR板上TN旋鈕為控制電壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)旋鈕。電壓自動調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定主要是AVR的調(diào)節(jié)速度與勵磁系統(tǒng)時間常數(shù)不匹配引起的。速度太快則會發(fā)生電壓不穩(wěn)定；速度太慢又不能及時調(diào)整電壓瞬間波動，電壓回復(fù)時間延長。

調(diào)節(jié)精度又稱為靈敏度，是指發(fā)電機所帶負載在允許范圍內(nèi)變化時，經(jīng)AVR調(diào)節(jié)后的電壓變化率，通過AVR板上VR旋鈕進行調(diào)節(jié)。靈敏度過高會引起電壓振蕩，過低會引起穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率變差或并聯(lián)運行時無功振蕩，AVR板上VR旋鈕在出廠前已調(diào)試好，維護管理人員盡量少動。

調(diào)差特性是每臺帶有AVR的發(fā)電機必備的，是解決并聯(lián)機組運行時機組間無功電流分配問題的。在發(fā)電機控制屏內(nèi)，即R2同軸點位器。如果將R2箭頭方向調(diào)到“0”位，則切除調(diào)差作用。

4 故障排除

當(dāng)發(fā)電機單機運行時，發(fā)電機正常穩(wěn)定供電，發(fā)電機組并聯(lián)運行時，電流出現(xiàn)分配不均勻時：

有功功率不變，兩臺發(fā)電機供電總電流等于一臺發(fā)電機單獨供電時電流，屬于單機額定電壓沒有調(diào)節(jié)為相同，電流分擔(dān)有差別，需要在發(fā)電空載時將電壓調(diào)到相同電壓值；

有功功率不變，兩臺發(fā)電機供電總電流大于一臺發(fā)電機單獨供電時電流，屬于單機額定電壓及其壓降特性沒有調(diào)節(jié)為相同，電流在發(fā)電機內(nèi)部有環(huán)流，需要調(diào)勻；

有功功率不變，兩臺發(fā)電機并聯(lián)供電，發(fā)電機電流交替大幅擺動，屬于單機額定電壓及其壓降特性相差太大，電流在發(fā)電機內(nèi)部有環(huán)流，需要調(diào)勻；

電流分配時好時壞，可能是器件線路故障問題。

無功功率分配或環(huán)流問題可以檢查一下各個環(huán)節(jié)：

勵磁系統(tǒng)所有器件、線路及各個節(jié)點有無異常，尤其是各個電流互感器、移相電抗器，相復(fù)勵變流器，檢查是否惡劣天氣航行后出現(xiàn)的接線松動或脫落；

單機壓降特性可調(diào)點1：電流互感器副邊抽頭、同軸電位器R2，都是調(diào)節(jié)送入AVR的信號調(diào)節(jié)，相當(dāng)于調(diào)節(jié)AVR對發(fā)電機電流變化的比例值與靈敏度；

電機壓降特性可調(diào)點2：對于換新的AVR，有時也需要根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)后才能正常工作，1FC5系列發(fā)電機AVR板上有3個旋鈕：

US：內(nèi)部電壓設(shè)定，順時針方向調(diào)節(jié)為電壓升高，反之降低

VR：靈敏度調(diào)節(jié)，順時針方向調(diào)節(jié)為靈敏度提高，反之降低

TN：動態(tài)反應(yīng)時間調(diào)節(jié)，順時針方向調(diào)節(jié)為反應(yīng)時間變長，反之變短。

針對此船電站出現(xiàn)的故障，首先是檢查每臺發(fā)電機勵磁系統(tǒng)中各個部件的接線情況，并將每臺發(fā)電機空載電壓調(diào)為相同。然后單獨測試每臺發(fā)電機，觀察在正常負載下發(fā)電機運行情況，發(fā)現(xiàn)單機運行正常。在將其中2臺發(fā)電機并聯(lián)加載運行，發(fā)現(xiàn)無功電流分配依然嚴重不均。鑒于船上有同型號新的AVR備件，于是決定對1#發(fā)電機的AVR換新，換新后先檢查單機空載電壓并調(diào)成相同，在單機測試加載后的運行情況，運行正常。將1#和2#發(fā)電機并聯(lián)運行，加載后發(fā)現(xiàn)無功功率分配有所變好，但是仍然存在分配不均。根據(jù)廠家說明，AVR上US、VR、TN 3個旋鈕。其中US不用調(diào)節(jié)；TN可以調(diào)節(jié)，向數(shù)字大方向調(diào)節(jié)，最大可調(diào)到11點方向；VR可以微動，向數(shù)字小的方向調(diào)節(jié)，最大可調(diào)到4點鐘方向。根據(jù)廠家意見，分別調(diào)節(jié)新的AVR上的TN和VR，經(jīng)過多次調(diào)節(jié)實驗，最終將TN調(diào)節(jié)到8點鐘方向，VR調(diào)節(jié)到3點半方向，再次并聯(lián)加載測試，發(fā)現(xiàn)兩臺發(fā)電機的有功負荷和無功分配都處于正常范圍內(nèi)。在此后的幾個港口裝卸貨中都應(yīng)用這兩臺發(fā)電并聯(lián)運行，負荷多次沖擊沒有出現(xiàn)過大的無功分配不均現(xiàn)象。

當(dāng)發(fā)電機并聯(lián)應(yīng)用中出現(xiàn)無功分配不均應(yīng)急調(diào)節(jié)時可將無功電流大的發(fā)電機的電壓調(diào)低些，同時將無功電流小的發(fā)電機的電壓調(diào)高些。

5 結(jié)束語

船舶發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)調(diào)整好后一般不會出現(xiàn)大的故障，發(fā)電機組并聯(lián)運行調(diào)試好后有功負荷和無功負荷的分配也會維持穩(wěn)定，因此維護管理人員正常情況下不需要調(diào)節(jié)各可調(diào)電阻及AVR上個旋鈕。在需要拆線維護保養(yǎng)過程中應(yīng)及時做好標記，確保正確恢復(fù)接線。由于船舶航行的特殊情況，在經(jīng)歷嚴重惡劣的天氣后，發(fā)電機組并聯(lián)運行時可能會出現(xiàn)一些無功分配不均，可以嘗試將發(fā)電機卸載重新啟動再次并網(wǎng)或者改變并網(wǎng)發(fā)電機的順序情況，可以恢復(fù)正常。船舶電站如果出現(xiàn)比較大的故障，對船舶管理人員來講是非常棘手的問題，應(yīng)根據(jù)船舶實際情況出發(fā)，多方面來考慮問題原因。

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Analysis of Reactive Power Failure at Ship Power Station

Liu Zhongshan, Xue Shilong

(School of Logistics Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM711

A

1003-4862（2017）09-0037-05

2017-06-15

劉中山（1989-），男，碩士。研究方向：船舶電力推進控制系統(tǒng)。