船舶发电机无功功率分配故障分析

于风卫，　韩加卓

(青岛远洋船员职业学院，山东 青岛　266071)

船舶发电机无功功率分配故障分析

于风卫，韩加卓

(青岛远洋船员职业学院，山东 青岛266071)

以实船发电机励磁系统为例，针对一起因维修中励磁系统信号测量环节的接线错误导致的并联运行失效故障。在对发电机励磁系统、无功功率分配装置的工作原理进行分析的基础上，进一步分析了故障原因及引起无功功率分配故障的机理，并提出励磁系统维修、管理应注意的问题，供船舶电气技术人员参考。

船舶工程； 发电机； 励磁系统； 无功功率分配； 故障分析

0　引　言

现代化船舶对电力供应的要求越来越高，交流发电机的励磁系统不仅用于维持电网电压恒定，而且用于发电机并联运行时的无功功率的合理、稳定分配[1-2]。发电机励磁系统故障不仅会影响到供电品质，严重时会导致整个电力系统崩溃，危及船舶作业和航行安全。在发电机维护管理与施工中，由于不当操作而导致发电机励磁系统故障影响正常营运的情况时有发生。某集装箱船在坞修时对发电机进行了清洁保养，工作完成后由于励磁系统不当的连线导致船舶开航后发电机无法并联运行，严重影响了船舶正常营运，造成巨大损失，也给船舶航行安全带来威胁。本文以故障为例，对发电机励磁系统、无功功率分配装置的工作原理，以及引起无功功率分配故障的机理进行分析，并提出励磁系统维修、管理应注意的问题。

1　故障现象

该轮船主电站配有HFC6型无刷同步发电机2台，单机运行供电未发现异常。某航次，船舶装载了大量的冷藏箱，须双机并联运行。并联运行时发现，2台机组的输出电流均明显高于单机运行时的电流值，特别是2号发电机电流更高，负荷稍高即导致冷藏箱配电开关因分级卸载而跳闸，同时发电机严重发热。船上轮机管理人员分别测取了发电机单机运行和并联运行时，不同负荷下的电流变化情况。单机运行时，1号机组功率为110kW时的输出电流为170A，2号机组功率为100kW时的输出电流为180A。并联运行时的电流变化情况如表1所示。

表1　并联运行时电流随负荷的变化

2　故障分析

2.1发电机负载电流分析

I=IP+IQ

(1)

有功分量与发电机的端电压U同相位，无功分量超前(容性)或滞后(感性)端电压90°。其相量图如图1所示。由测得的数据可知，发电机并联运行时在承担的有功负荷比单机运行时少的情况下，总电流却大幅增加。发电机承担的有功负荷少，则输出电流中有功分量小。根据式(1)和图1可知，发电机输出电流大幅增加是由于发电机无功电流大幅增加引起的。这一大幅增加的无功电流来自并联运行时机组间的无功环流。

图1　发电机电流相量图

2.2并联运行时的无功环流

2.2.1并联运行机组间的电势差

当发电机有输出电流时，在发电机的电枢绕组上也存在压降，电枢绕组的阻抗主要为同步电抗，其压降在相位上超前电流约90°。式(2)为同步发电机的电势平衡方程式[3]：

E0=U+jXsI

(2)

式中： E0——发电机空载电势；

U——发电机端电压；

I——发电机电流；

Xs——发电机同步电抗。

由式(2)可知，发电机在输出相同端电压的情况下，其电动势随着负载电流的变化也会有所不同。即，并联运行的各发电机组，虽然端电压是相同的，但机组间会存在电势差ΔE。假设2号机组电势高，则2台发电机并联运行产生电势差的相量图如图2所示。由电工学理论可得式(3)[3]：

(3)

式中：P——发电机输出有功功率；

m——相数；

E0——发电机空载电势；

U——发电机端电压；

Xs——发电机同步电抗；

θ——功率角。

根据式(3)，若发电机有功功率P及m、U、f保持不变，则Esinθ为常数，即E1sinθ1=E2sinθ2，故图2中E0的终端轨迹与U平行。在2台发电机形成的环路中，ΔE与电势高的2号机组端电压U2同相位，与U1反相位。

图2　并联运行时机组间电势差

2.2.2无功环流的产生及对无功分配的影响

由于电势差的存在，在2台机组间产生一个环流，如图3(a)所示。环流经过的回路主要是感抗，故IQH是无功电流，滞后ΔE约90°。此环流对于电势较高的2号机组，相当于输出一个感性无功环流；对于电势较低的1号机组，相当于输出一个容性无功电流。发电机总的输出无功电流IQ相当于承担电网无功负载的无功电流分量IQF与无功环流分量IQH的叠加，其相量图如图3(b)所示。无功环流使电势较高的2号机组输出的感性无功电流增加，承担的无功负荷增加；使电势较低的1号机组输出的感性无功电流被部分或全部抵消，承担的感性无功负荷减小，甚至呈容性。可见，无功环流影响两机组间无功功率的分配。机组间电势差越大，无功环流越大，无功环流太大时，可导致发电机电流大幅增加，甚至电流过载。当2台机组有功功率均分时，总是电势高的机组输出电流大于电势低的机组。

图3　发电机间无功环流Q相量图

本文所述并联运行故障就是由于两机组间存在电势差，并联运行时无功功率分配严重不均，导致电流大幅增加。从测得的数据看，2号机组电势高，1号机组电势低，且1号机组输出的为容性无功电流。

2.2.3无功功率的分配与调整

图4　发电机并联运行时无功功率的分配与调整

2.3发电机的无功分配装置

无功分配装置根据发电机承担的无功负荷的大小来改变发电机的励磁电流，从而使在网运行机组电势基本相等，实现无功功率均分(相同容量的机组)[4]。此轮发电机的并联运行无功功率分配是在励磁系统中加装了环流补偿装置。

2.3.1励磁系统组成

该轮发电机采用的是可控相复励无刷励磁方式，励磁机采用Thyripart励磁系统，如图5所示[5]。图5中，G1是同步发电机的绕组，G2是励磁机的绕组，V2是旋转整流器，T1～T3是相复励变压器，L1是相复励调压装置的移相电抗器，V29是三相桥式整流器，V28是分流用晶闸管，T4是环流补偿装置检测电流用的电流互感器。相复励变压器的输出经V29整流得到直流励磁电流，由图6所示电压校正器(AVR)根据电压偏差来对相复励装置的输出进行分流控制，维持电压恒定。AVR检测的发电机端电压信号由图1中X1/1、X1/3接线端子取得，是V相、W相间的线电压。图6中AVR的输出端子X3/5、X3/3、X3/6接至图5中X3连接器，用于控制晶闸管V28的导通角，通过控制分流的多少来控制励磁机的励磁电流[6-8]。

2.3.2环流补偿装置

环流补偿装置实质是一个无功电流检测装置，加在AVR的电压检测电路中。由电流互感器T4(见图5)检测发电机的输出电流，此电流在可调电阻R上产生的压降US与U相电流成比例且同相，US与检测的发电机线电压信号叠加，作为AVR的输入电压信号。环流补偿装置电压检测电路的相量图如图7所示[1，9-10]。图7中IU为发电机U相电流，IUQ和IUP分别为IU的无功分量与有功分量，环流补偿装置的输出电压，即AVR的输入电压为UO。当发电机输出电流中的有功分量不变而无功分量增加时，即发电机的U相电流从IU变为IU′时，环流补偿装置的输出电压从UO变为UO′，电压的幅值明显随着无功分量的增加而增加；当发电机输出电流中的无功分量不变而有功分量增加时，即发电机U相电流从IU变为IU″时，环流补偿装置的输出电压从UO变为UO″，电压的幅值无明显变化。可见环流补偿装置的输出电压主要是随着发电机无功电流的变化而变化的[2，8]。当发电机并联运行时，若机组间存在电势差，电势高的机组输出感性无功电流增加，则AVR检测的电压信号也增大，相当于检测到发电机的端电压升高，AVR控制使发电机励磁电流减小，输出电势降低；同时，电势低的发电机组励磁电流增加，输出电势升高。经环流补偿装置的自动调节，2台机组的电势基本相等，使无功负荷均分。当发电机的感性无功负荷增加时，由于去磁的电枢反应，发电机的端电压会下降，为了维持电压恒定，调压系统的调节是增加励磁电流。可以看出，环流补偿装置的调节与调压系统相反，环流补偿装置使无功均分的同时也导致调压系统调节不足。因此，加装环流补偿装置后，发电机承担感性负载时，电压调整特性如图8所示。由图8可知，随着承担无功负荷的增加，发电机端电压呈下降趋势，特性曲线的斜率用调压调差系数表示。并联运行的发电机组，要合理、稳定地分配无功功率，要求各台发电机组空载电压相等，电压调整特性的调差系数尽可能相同[1]。这样无论负荷怎样变化，并联运行中的机组总能稳定地均分无功功率。调整图6中可调电阻R可调整发电机的调压调差系数，调整可调电阻Rp可调整发电机的空载电压[1，5]。

图5　该轮无刷发电机励磁系统电路图

图6　AVR电压检测电路

图7　环流补偿装置相量图

图8　电压调整特性

2.4无功分配装置故障分析

根据上述分析，本文所述故障的可能原因是并联运行的2台发电机空载电压相差太大或电压特性的调差系数相差太大。把2台发电机的空载电压均调整为446V，然后对2台机组分别单机加负载运行试验。在承担相同负载情况下，1号发电机电压降为439V，2号发电机电压升为451V。船舶电网负荷总体呈电感性，可以看出，2号发电机随着承担感性无功负荷的增加，端电压逐渐升高，与电压调整特性正常的1号机组恰好相反。这说明故障确实是由励磁系统的无功分配装置引起的。当2台机组并联运行时，随着负荷的增加，1号机组电压降低，而2号机组电压升高，负荷越大，二者之间的电势差越大，无功环流导致2台机组输出电流大幅增加，当环流达到一定程度，导致发电机过载和次要负载分级卸载是必然的。图6中的可调电阻R只能调整调差系数的大小，而不能改变电压调整特性的方向。因此，2号发电机的电压调整特性与1号相反，问题不是参数调整不合适，而是AVR电压检测线路或环流补偿装置电流检测用的电流互感器接线错误，电压检测线路(X1/1、 X1/3端子)或电流互感器两端(X2/5、X2/9端子)接反，当发电机承担的无功负荷变化时，环流补偿装置的输出与正常时相反。图9为电流互感器两端接反时的相量图。当电流互感器两端接反时，在可调电阻R上产生的压降与发电机V相电流反相，当发电机输出电流中的有功分量不变而无功分量增加时，环流补偿装置的输出电压没有增加，反而明显减小，AVR检测的电压信号也减小，相当于检测到发电机电压降低，AVR控制使V28分流减少，发电机励磁电流增大，输出电压升高，故发电机是上翘的电压调整特性。

图9　电流互感器两端接反时的相量图

2台发电机刚在坞修中进行过解体清洁，很可能是在清洁后线路重新连接时出错，把2号发电机调压环流补偿装置的电流互感器(图5中T4)副边接线(X2/5、X2/9端子)对调，开机加载试验，发电机的电压调整特性变为下倾趋势，证明上述判断是正确的。对2号发电机的电压调整特性进行了重新调整，使其与1号一致，然后并联运行试验，故障现象消除。

3　结　语

发电机的励磁系统在初次调整好后很少出现故障，故障大部分是由于在使用、维修中的不当调节和连线错误所致。因此，系统运行正常的情况下不要轻易调节各可调电阻，维修和保养中需拆卸线路时要做好标记，以防接错。对于励磁系统中的各电压互感器、电抗器和电流互感器等元件，尽管是输出交流信号，但后续电路可能涉及信号的叠加，与相位有关，接线端子也不可任意颠倒。

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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