柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行典型故障及原因分析

張翠霞

(4808工廠威海修船廠，山東 威海 264200)

柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，如果有功功率分配嚴(yán)重不平衡，會(huì)造成一臺發(fā)電機(jī)負(fù)荷全部轉(zhuǎn)移給另一臺發(fā)電機(jī)，從而可能使其中一臺發(fā)電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，另一臺超負(fù)荷運(yùn)行。如果無功功率分配不均，在兩機(jī)組之間將產(chǎn)生無功性質(zhì)的環(huán)流，當(dāng)環(huán)流太大時(shí)，會(huì)引起發(fā)電機(jī)電流過載而燒壞。有功功率或無功功率分配不均，會(huì)直接影響電站的運(yùn)行安全，加強(qiáng)日常檢查、及時(shí)排除故障，保證柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要。下面就幾種并聯(lián)運(yùn)行的典型故障進(jìn)行分析。

1 電流沖擊大，發(fā)電機(jī)主開關(guān)瞬時(shí)跳閘

1.1 故障現(xiàn)象

某船2臺型號為T2H-90型(額定電壓400 V，額定功率90 kW，額定電流162 A，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定功率因數(shù)0.8)不可控相復(fù)勵(lì)同步發(fā)電機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)，1#柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，并入2#柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)，出現(xiàn)兩功率因數(shù)表一個(gè)指示容性，一個(gè)指示感性，且1#發(fā)電機(jī)電流表電流瞬時(shí)達(dá)到最大量程的異?，F(xiàn)象。并車沖擊電流很大，導(dǎo)致1#發(fā)電機(jī)主開關(guān)跳閘，無法并車使用。

1.2 故障分析

根據(jù)故障現(xiàn)象分析為無功功率分配不均故障。交流發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，無功功率是否能均勻分配，主要是與發(fā)電機(jī)組的外特性有關(guān)。

如果機(jī)組外特性不相同，在發(fā)電機(jī)之間就有均衡電流產(chǎn)生，當(dāng)2臺機(jī)組的外特性在空載點(diǎn)重合時(shí)，此電流從外特性較平的發(fā)電機(jī)流向外特性較陡的發(fā)電機(jī)；對前者來講，是一個(gè)感性電流，對后者來講，是一個(gè)容性電流。使前者的內(nèi)電勢降低，后者的內(nèi)電勢升高，2臺發(fā)電機(jī)的端電壓趨向相等，均衡的結(jié)果，使前者運(yùn)行在功率因數(shù)較低的一條特性上，后者運(yùn)行在功率因數(shù)較高的一條特性上。如果發(fā)電機(jī)原先有無功功率輸出，現(xiàn)在再加上這一部分的無功均衡電流，矢量相加的結(jié)果使這2臺發(fā)電機(jī)的總電流不再相等，功率因數(shù)也不相等。外特性差異過大時(shí)，會(huì)造成一臺發(fā)電機(jī)電流過載、主開關(guān)跳閘。為了避免出現(xiàn)這種情況，同容量不可控相復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)通常采用勵(lì)磁均壓線，保證其外特性曲線斜率一致，以保持無功功率分配均衡?？煽叵鄰?fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，則是采用無功調(diào)差裝置。

1.3 故障排除方法及驗(yàn)證

查看隨船配電板原理圖，并聯(lián)時(shí)2臺發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組通過2個(gè)繼電器的常開觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁均壓線連接。對2臺發(fā)電機(jī)分別供電檢查，發(fā)現(xiàn)1#發(fā)電機(jī)合閘時(shí)對應(yīng)的繼電器動(dòng)作，2#發(fā)電機(jī)合閘時(shí)對應(yīng)的未動(dòng)作。分析并車時(shí)2#發(fā)電機(jī)繼電器常開觸點(diǎn)不閉合，導(dǎo)致均壓線未連通，出現(xiàn)上述故障。

更換該繼電器后，重新并車，工作正常，兩機(jī)功率表、功率因數(shù)表、電流表指示基本一致，無功功率分配均勻，故障排除。

2 無功功率分配不均

2.1 故障現(xiàn)象

某船2臺型號為1FC6(額定電壓390 V，額定功率310 kW，額定電流574 A，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定功率因數(shù)0.8)的無刷交流同步發(fā)電機(jī)修后進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，單機(jī)負(fù)載試驗(yàn)，運(yùn)行參數(shù)正常，其穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率試驗(yàn)記錄1如表1所示。

表1 柴油發(fā)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率試驗(yàn)記錄1

兩臺機(jī)的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率均為2.4%，穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率均為1.79%，調(diào)速特性和調(diào)壓特性一致。

當(dāng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，觀察配電板上的功率表，兩機(jī)有功功率分配均勻，但2個(gè)功率因數(shù)表顯示不均勻，指針波動(dòng)較大，兩電流表數(shù)值相差很大，無功功率分配超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。

2.2 故障分析

該發(fā)電機(jī)調(diào)差裝置原理圖如圖1所示。

圖1 調(diào)差裝置原理圖

因單機(jī)穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率及穩(wěn)態(tài)調(diào)速率正常，并車時(shí)出現(xiàn)故障，根據(jù)原理圖分析，可能故障原因如下幾點(diǎn)。

圖2 調(diào)差裝置矢量圖

2)調(diào)差電流互感器輸出線路開路。如無功調(diào)差電流互感器輸出線路開路，調(diào)差裝置測得的電壓不隨無功電流的變化而變化，相當(dāng)于無功調(diào)差不起作用，不能實(shí)現(xiàn)理想的下垂特性，同樣導(dǎo)致無功功率分配不均，只是無功功率分配差值比調(diào)差線路接錯(cuò)要小一些。

3)調(diào)差電位器S開路或接觸不良。其原理類似于調(diào)差電流互感器輸出線路開路。

2.3 故障排除方法及驗(yàn)證

檢查時(shí)按就簡原則排查故障，首先檢查調(diào)差電流互感器輸出線路通斷情況，線圈正常；檢查輸入接線端子排接線是否正確或松動(dòng)，檢查正常；檢查調(diào)差電位器阻值是否正常、變化是否平穩(wěn)，檢查中發(fā)現(xiàn)，調(diào)整調(diào)差電位器S阻值有時(shí)變化正常、有時(shí)開路，對該電位器進(jìn)行更換，將電位器整定到出廠刻度值。

調(diào)整后進(jìn)行并聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)，過程穩(wěn)定，最大無功功率分配差值為2.4%，滿足無功功率分配差值小于機(jī)組額定無功功率的10%的標(biāo)準(zhǔn)要求，故障排除。2臺發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)記錄1見表2。

表2 2臺發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)記錄1

3 有功功率分配不均，機(jī)組無法穩(wěn)定運(yùn)行

3.1 故障現(xiàn)象

某船2臺型號為CAT.3406C(額定電壓440 V，額定功率320 kW，額定電流524.9 A，額定轉(zhuǎn)速1 800 r/min，額定功率因數(shù)0.8)的柴油發(fā)電機(jī)組單機(jī)負(fù)載試驗(yàn)，運(yùn)行參數(shù)正常，其穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率試驗(yàn)記錄2如表3所示。

表3 柴油發(fā)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率試驗(yàn)記錄2

并聯(lián)試驗(yàn)時(shí)，1#發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，并入2#發(fā)電機(jī)組時(shí)，出現(xiàn)2#發(fā)電機(jī)組自動(dòng)搶負(fù)荷，持續(xù)上升。將1#發(fā)電機(jī)組調(diào)速器加速，又出現(xiàn)1#發(fā)電機(jī)組負(fù)荷持續(xù)上升，兩機(jī)組始終無法穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行。

3.2 故障分析

有功功率分配主要取決于發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)的外特性。如圖3所示。

圖3 發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)外特性圖

如果1#發(fā)電機(jī)和2#發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)的外特性均為下降特性，如圖3(a)，2臺發(fā)電機(jī)穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，頻率是一致的，2臺發(fā)電機(jī)各自承擔(dān)的負(fù)荷為P1和P2，總功率為P=P1+P2，頻率為f1。如果負(fù)荷增加，則頻率從f1下降至f2，2臺發(fā)電機(jī)分別發(fā)出功率為P3、P4。如果2臺發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)的外性相差很大，負(fù)荷分配也就越不均勻，即使調(diào)節(jié)柴油機(jī)油門，使2臺發(fā)電機(jī)在總功率為20%時(shí)有一個(gè)分配預(yù)差也難以補(bǔ)償，隨著負(fù)荷的增加，還是有可能超出分配差值，從圖3可以看出，外特性越是平坦，它所承擔(dān)的負(fù)荷變化值越多，分配誤差越有可能超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。

如果1#發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)的外特性為下降特性，2#發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)的外特性為平特性，如圖3(b)。電網(wǎng)頻率為f′，1#發(fā)電機(jī)工作點(diǎn)在A點(diǎn)，始終只承擔(dān)功率P′。當(dāng)負(fù)荷功率等于2P′時(shí)，2個(gè)發(fā)電機(jī)各承擔(dān)一半功率。當(dāng)負(fù)荷功率大于2P′時(shí)，其超過2P′的部分均由2#發(fā)電機(jī)承擔(dān)。當(dāng)負(fù)荷功率處于P′～2P′之間時(shí)，2#發(fā)電機(jī)只承擔(dān)總功率減去P′后剩下來的、小于P′的功率。當(dāng)負(fù)荷功率等于P′時(shí)，2#發(fā)電機(jī)不承擔(dān)任何功率，它的工作點(diǎn)在B點(diǎn)。如果負(fù)荷功率進(jìn)一步減少，2#發(fā)電機(jī)要轉(zhuǎn)入電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)運(yùn)行。

如果2臺發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)的外特性均為平特性，當(dāng)這二條特性不重合時(shí)，就找不到共同運(yùn)行點(diǎn)，即使重合，負(fù)荷也無法以一個(gè)明確的比例來分配，即使調(diào)節(jié)均勻，也極度不穩(wěn)定，極易造成一臺負(fù)荷全部轉(zhuǎn)移給另一臺發(fā)電機(jī)，而使其中一臺處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，逆功率保護(hù)動(dòng)作，自動(dòng)退出并聯(lián)運(yùn)行。

為了使發(fā)電機(jī)有功功率均勻分配，發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足下列3個(gè)要求：①各臺發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)外特性應(yīng)盡量一致，并且是下降特性；②外特性的線性度要好，并盡可能成一直線；③負(fù)荷增加時(shí)的外特性和負(fù)荷減小時(shí)的外特性應(yīng)盡量一致。

通過單機(jī)試驗(yàn)記錄觀察，判斷本次故障主要原因是2臺發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)調(diào)速率為0%，調(diào)速特性太平造成。需對發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)的特性曲線進(jìn)行調(diào)整，使調(diào)速特性呈下降并盡量一致。

3.3 故障排除方法及驗(yàn)證

啟動(dòng)1#柴油發(fā)電機(jī)組，空載時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)調(diào)速器，將轉(zhuǎn)速調(diào)整為1 803 r/min，合閘后帶額定負(fù)荷、功率因數(shù)調(diào)整為0.8，將轉(zhuǎn)速調(diào)整為1 773 r/min。

啟動(dòng)2#柴油發(fā)電機(jī)組，空載時(shí)調(diào)整原動(dòng)機(jī)調(diào)速器，將轉(zhuǎn)速也調(diào)整為1 803 r/min，合閘后帶額定負(fù)荷、功率因數(shù)調(diào)整為0.8，將轉(zhuǎn)速也調(diào)整為1 773 r/min。

兩機(jī)的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率均為1.7%。調(diào)整后進(jìn)行并車試驗(yàn)，并聯(lián)運(yùn)行穩(wěn)定，最大有功功率分配差值為3.1%，滿足有功功率分配差值小于機(jī)組額定有功功率的15%標(biāo)準(zhǔn)要求，故障排除。2臺發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)記錄2如表4所示。

表4 2臺發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)記錄2

4 結(jié)束語

柴油發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)過程中一般先進(jìn)行單機(jī)試驗(yàn)，為了滿足并聯(lián)運(yùn)行有功功率和無功功率分配差值要求，單機(jī)時(shí)應(yīng)盡量調(diào)整好柴油發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率，使需要并聯(lián)運(yùn)行的機(jī)組的調(diào)速特性和調(diào)壓特性盡量一致，并均呈現(xiàn)下降趨勢。在并車調(diào)試過程中若出現(xiàn)有功功率、無功功率分配不均現(xiàn)象，一般在并車過程中通過調(diào)整柴油機(jī)調(diào)速器和發(fā)電機(jī)調(diào)差電位器進(jìn)行有功功率和無功功率調(diào)整。此階段調(diào)整時(shí)，單機(jī)的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)要檢查發(fā)電機(jī)組單機(jī)特性是否也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并做好記錄。

無論發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行還是并聯(lián)運(yùn)行，若發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)、電流值、電壓異常，掌握發(fā)電機(jī)特性要求，查清勵(lì)磁系統(tǒng)中各個(gè)元器件的作用以及工作原理，是保證排除故障的基礎(chǔ)，特別在日常檢修和保養(yǎng)中，不能隨意調(diào)整電阻值，且接線端子不能隨意顛倒。