某船舵機(jī)啟動箱斷路器跳閘故障分析及排除

王守海

（大連遼南船廠，遼寧大連 116041）

0 引言

某型船全長160 m，型寬21 m，滿載排水量為10 000 t。其舵機(jī)艙裝有2臺250 kN?m轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)，每臺舵機(jī)均設(shè)有 2套獨立的電動液壓泵組，每套泵組配ABB電機(jī)，功率為18.5 kW。每套泵組由單獨的啟動箱控制，起動方式為直接起動。每套電動液壓泵組均能單獨驅(qū)動舵機(jī)正常工作。船上配有一套自動操舵儀，操舵臺設(shè)于駕駛室內(nèi)，可進(jìn)行自動、隨動、手動操舵。在舵機(jī)艙內(nèi)設(shè)有1只簡易操縱箱，可進(jìn)行應(yīng)急操舵。4套泵組中左1、右1由應(yīng)急配電板供電；左2、右2由主配電板供電。

1 故障現(xiàn)象

本船第一次航行試驗時，在正常操舵情況下，多次出現(xiàn)舵機(jī)泵組啟動箱內(nèi)電源開關(guān)跳閘的現(xiàn)象。同時，主配電板、應(yīng)急配電板的相應(yīng)配電開關(guān)也出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，具體情況記錄如下：1）左1（2#泵組）啟動箱斷路器跳閘1次；2）右2（3#泵組）啟動箱斷路器跳閘1次；3）左2（4#泵組）啟動箱斷路器跳閘2次；4）主配電板上的左2（4#泵組）啟動箱供電斷路器跳閘1次；5）應(yīng)急配電板的左1（2#泵組）啟動箱供電斷路器跳閘1次。

航行試驗結(jié)束后，舵機(jī)配套廠家對舵機(jī)的機(jī)械部分、液壓部分和電氣部分均進(jìn)行了詳細(xì)檢查，未發(fā)現(xiàn)故障產(chǎn)生的原因。之后，在駕駛室頻繁快速操作操舵儀泵組轉(zhuǎn)換開關(guān)時，左 2（4#泵組）啟動箱斷路器有跳閘現(xiàn)象。在舵機(jī)艙簡易操舵臺（操舵儀廠家設(shè)備）頻繁快速轉(zhuǎn)換開關(guān)切換泵組時，一直出現(xiàn)左 2（4#泵組）啟動箱斷路器跳閘現(xiàn)象。而單獨操作使用1臺泵組時未出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象。

2 原因分析

2.1 故障診斷分析

1）經(jīng)初步判斷，左2（4#泵組）啟動箱斷路器有質(zhì)量問題。經(jīng)現(xiàn)場與其它斷路器調(diào)換后試驗，該斷路器跳閘頻率仍較高，因此對其進(jìn)行了更換。

2）檢查、校核舵機(jī)泵組啟動箱斷路器的配置及其脫扣器的整定值是否滿足舵機(jī)泵組電動機(jī)的使用要求。

啟動箱斷路器的選配主要依據(jù)控制電動機(jī)的起動電流，而電動機(jī)起動電流的大小是電動機(jī)固有的特性，隨電機(jī)種類、容量、極數(shù)以及制造廠的不同而異，一般為額定電流的5～7倍[1]。在電動機(jī)起動時間內(nèi)，應(yīng)避免因電動機(jī)起動電流和沖擊電流而產(chǎn)生的保護(hù)斷路器脫扣現(xiàn)象。圖1為保護(hù)協(xié)調(diào)的斷路器動作特性與電動機(jī)起動電流特性[2]。選擇斷路器時應(yīng)充分考慮電動機(jī)的類型、起動方式、起動頻繁程度、負(fù)載特性、環(huán)境溫度、起動功率因數(shù)等因素。同時要保證斷路器的動作特性曲線在電動機(jī)起動電流曲線的上方或右方，且2條曲線不應(yīng)相交[3]。本船舵機(jī)的單泵電機(jī)額定功率為18.5 kW，額定電流為34.2 A，取其起動電流為額定電流的7倍進(jìn)行計算分析。查閱設(shè)計手冊的相關(guān)參數(shù)可知，當(dāng)采用直接起動方式時，斷路器瞬時脫扣器的整定電流應(yīng)大于電動機(jī)額定電流的11.9倍，即該斷路器整定電流應(yīng)大于34.2×11.9＝406.98 (A)。若考慮斷路器瞬時脫扣器的動作電流為額定電流的10倍，則應(yīng)選用脫扣器額定電流大于40.6 A的斷路器。舵機(jī)泵組啟動器選用的開關(guān)型號為施耐德 NSX80H-MA50斷路器，額定電流為50 A，選型余量約1.2倍。因此，從單臺泵組看，斷路器配置及其脫扣器整定值符合設(shè)計要求，且單臺泵組運行時未出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象。

從故障現(xiàn)象來看，跳閘現(xiàn)象多在頻繁快速轉(zhuǎn)換操舵泵組時出現(xiàn)，因此應(yīng)對操舵儀和簡易操舵臺上的轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行查看。兩設(shè)備由同一設(shè)備廠家提供，操作面板相同，其面板布置如圖2所示。

圖1 保護(hù)協(xié)調(diào)的斷路器動作特性和電動機(jī)起動電流特性

圖2 操舵儀上配置轉(zhuǎn)換開關(guān)示意圖

從圖2面板可看出，轉(zhuǎn)換開關(guān)為5檔旋轉(zhuǎn)開關(guān)。從［左Ⅱ右Ⅰ］檔快速切換至［左Ⅱ右Ⅱ］時，左2舵4#泵組在運行中有瞬間斷電再上電的現(xiàn)象；同樣地，當(dāng)［左Ⅰ右Ⅰ］檔快速切換至［左Ⅰ右Ⅱ］時，左1舵2#泵組在運行中經(jīng)歷了瞬間斷電再上電的過程；從［左Ⅱ右Ⅱ］檔快速切換至［左Ⅰ右Ⅱ］時，右2舵3#泵組在運行中出現(xiàn)瞬間斷電再上電的現(xiàn)象；當(dāng)［左Ⅱ右Ⅰ］檔快速切換至［左Ⅰ右Ⅰ］時，因中間有［停］檔間隔，延長了轉(zhuǎn)換時間，因此右1舵1#泵組在運行過程中沒有瞬間斷電再上電的現(xiàn)象，故障現(xiàn)象中沒有出現(xiàn)1#泵組啟動器開關(guān)跳閘現(xiàn)象。

對于直接起動的電機(jī)，由于受電機(jī)內(nèi)部剩余電壓的影響,出現(xiàn)斷開（失電）現(xiàn)象，瞬時再起動時會出現(xiàn)較大的沖擊電流。當(dāng)運行的電動機(jī)從電源切除后，瞬時再起動時電動機(jī)尚未停止運轉(zhuǎn)，故仍具有剩余電壓。此時電動機(jī)電流的大小由剩余電壓和電源電壓的大小及兩者的相位決定，其最大值出現(xiàn)在兩者相位完全相同的時候。假設(shè)電動機(jī)起動電流倍數(shù)為7，起動功率因數(shù)為0.3，考慮斷路器動作誤差為20%時，查閱設(shè)計手冊可得：起動沖擊電流及斷路器瞬時脫扣器的最小整定電流是電動機(jī)額定電流的倍數(shù)，按直接起動瞬時再起動時的23.8倍來計算。則計算斷路器瞬時脫扣器的整定電流應(yīng)大于電動機(jī)額定電流的 23.8倍，即該整定電流應(yīng)大于34.2×23.8＝813.96(A)；如果考慮斷路器的瞬時脫扣器的動作電流為額定電流的10倍，則應(yīng)選用脫扣器額定電流大于81.4 A的斷路器。而舵機(jī)啟動器內(nèi)選用的開關(guān)為施耐德NSX80H-MA50斷路器，其額定電流為50 A，10倍的脫扣器整定電流值顯然不能滿足要求，因此引起瞬時大電流沖擊斷路器跳閘的現(xiàn)象。

2.2 應(yīng)急發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓降校核

在操舵儀或簡易操舵臺上快速操作轉(zhuǎn)換開關(guān)，同時會出現(xiàn)1臺泵組起動，另1臺泵組斷開瞬時再起動的情況。此時的電流較大，有必要對電站壓降情況進(jìn)行校核。本船主電站容量較大，在正常航行狀態(tài)下，應(yīng)急配電板上的電源由主配電板提供。本次舵機(jī)泵組開關(guān)跳閘的故障均是在主配電板供電的情況下發(fā)生的，期間未發(fā)現(xiàn)主電站對其產(chǎn)生影響，因此忽略主電站的影響因素。倘若應(yīng)急電站單獨工作，［左Ⅰ右Ⅱ］檔快速切換至［左Ⅰ右Ⅰ］時，左1舵2#泵組在運行中有瞬間斷電再上電的過程，此時左Ⅰ舵 2#泵組、右Ⅰ舵 1#泵組均由應(yīng)急配電板供電，因此有必要對此工況進(jìn)行校核。

假設(shè)全船由應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電，將2臺舵機(jī)的電機(jī)投入運行。假設(shè)左1舵2#泵組電機(jī)發(fā)生瞬間斷電再上電現(xiàn)象，電機(jī)沖擊電流達(dá)到電機(jī)額定電流的14倍。右Ⅰ舵1#泵組同時起動，起動電流為額定電流的7倍。應(yīng)急發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓降計算如下。

1）應(yīng)急發(fā)電機(jī)參數(shù)

發(fā)電機(jī)額定電流IN=666 A

2）舵機(jī)電機(jī)參數(shù)

電機(jī)額定電流為34.2 A，IST為電動機(jī)的起動電流，斷電瞬間上電沖擊電流為電動機(jī)起動電流的 2倍。

3）發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓降計算

4）計算結(jié)果分析

根據(jù)CCS鋼質(zhì)海船入級規(guī)范要求，由電力系統(tǒng)供電的電氣設(shè)備應(yīng)能夠在正常的電壓波動情況下穩(wěn)定運行[4]。一般交流設(shè)備規(guī)定的電壓偏離可為額定瞬態(tài)電壓波動值的±20%。計算可得應(yīng)急發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)電壓降為16%，滿足CCS規(guī)范要求。

3 解決方案

從上述分析可以得出，在舵機(jī)泵組轉(zhuǎn)換過程中存在某臺泵組電機(jī)瞬間斷電再上電的現(xiàn)象，因此出現(xiàn)了較大的沖擊電流，從而導(dǎo)致了斷路器跳閘故障的發(fā)生。通過分析可以得出以下2種解決方案。

1）針對舵機(jī)泵組斷開瞬時再起動，沖擊電流較大的情況，調(diào)整、更換泵組啟動箱、主配電板、應(yīng)急配電板內(nèi)相應(yīng)的斷路器及其脫扣器額定值，調(diào)整瞬時脫扣的設(shè)定值，以保證面臨較大沖擊電流時，斷路器能夠正常使用，且不發(fā)生跳閘現(xiàn)象。具體調(diào)整如下：將舵機(jī)啟動器內(nèi)選用的開關(guān)改為施耐德NSX80H-MA80斷路器，額定電流為80 A，且設(shè)置為11倍的過載（可承受880 A的沖擊電流）。上一級主配電板及應(yīng)急配電板對應(yīng)供電斷路器的設(shè)定值也應(yīng)隨之調(diào)整，由原有的 50/100，600 A調(diào)整為100/100，900 A，即設(shè)定NSX100H-MA100的整定值為9倍，以達(dá)到選擇性保護(hù)的目的。

2）盡量避免泵組發(fā)生斷開瞬時再起動的現(xiàn)象，減小起動沖擊電流對舵機(jī)各斷路器的影響，確保原配斷路器正常使用。主要從操舵儀和簡易操舵臺上的轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)整入手，通過修改、延長轉(zhuǎn)換操作的時間，避免泵組斷開瞬時再起動工況的發(fā)生。可將轉(zhuǎn)換開關(guān)改為獨立式操作的按鍵式按鈕，或增加操舵儀控制電路的相應(yīng)部分的延時等。

由于操舵儀和簡易操舵臺為設(shè)備廠的定型產(chǎn)品，若做修改需要一定的流程，在航行試驗時間不充裕的情況下，船廠選擇方案1），即對各啟動箱內(nèi)斷路器進(jìn)行了更換、調(diào)整。通過后續(xù)幾個航次的試驗，舵機(jī)正常使用，沒有出現(xiàn)斷路器跳閘的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)是機(jī)、電、液一體化設(shè)備，故障產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，需要涉及的專業(yè)知識范圍也比較廣，因此，其供電斷路器跳閘故障原因很多。本文對舵機(jī)液壓泵組斷開瞬再起動時的沖擊電流較大引起相應(yīng)斷路器跳閘的情況進(jìn)行了分析，并給出了解決方案，可為今后相關(guān)故障的排查工作提供借鑒和參考。同時，對于配有4臺泵組相互轉(zhuǎn)換的雙舵機(jī)系統(tǒng)，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮相互間的接口形式及控制方式等問題，盡量避免舵機(jī)泵組發(fā)生斷開瞬時再起動的現(xiàn)象。尤其是當(dāng)泵組電機(jī)功率較大時，正常操舵過程中更應(yīng)該避免出現(xiàn)此類運行工況，以確保整套舵機(jī)操舵系統(tǒng)及配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠，保證船舶航行的安全性。