某船舵机启动箱断路器跳闸故障分析及排除

王守海

（大连辽南船厂，辽宁大连 116041）

0 引言

某型船全长160 m，型宽21 m，满载排水量为10 000 t。其舵机舱装有2台250 kN⋅m转叶式液压舵机，每台舵机均设有 2套独立的电动液压泵组，每套泵组配ABB电机，功率为18.5 kW。每套泵组由单独的启动箱控制，起动方式为直接起动。每套电动液压泵组均能单独驱动舵机正常工作。船上配有一套自动操舵仪，操舵台设于驾驶室内，可进行自动、随动、手动操舵。在舵机舱内设有1只简易操纵箱，可进行应急操舵。4套泵组中左1、右1由应急配电板供电；左2、右2由主配电板供电。

1 故障现象

本船第一次航行试验时，在正常操舵情况下，多次出现舵机泵组启动箱内电源开关跳闸的现象。同时，主配电板、应急配电板的相应配电开关也出现跳闸现象，具体情况记录如下：1）左1（2#泵组）启动箱断路器跳闸1次；2）右2（3#泵组）启动箱断路器跳闸1次；3）左2（4#泵组）启动箱断路器跳闸2次；4）主配电板上的左2（4#泵组）启动箱供电断路器跳闸1次；5）应急配电板的左1（2#泵组）启动箱供电断路器跳闸1次。

航行试验结束后，舵机配套厂家对舵机的机械部分、液压部分和电气部分均进行了详细检查，未发现故障产生的原因。之后，在驾驶室频繁快速操作操舵仪泵组转换开关时，左 2（4#泵组）启动箱断路器有跳闸现象。在舵机舱简易操舵台（操舵仪厂家设备）频繁快速转换开关切换泵组时，一直出现左 2（4#泵组）启动箱断路器跳闸现象。而单独操作使用1台泵组时未出现跳闸现象。

2 原因分析

2.1 故障诊断分析

1）经初步判断，左2（4#泵组）启动箱断路器有质量问题。经现场与其它断路器调换后试验，该断路器跳闸频率仍较高，因此对其进行了更换。

2）检查、校核舵机泵组启动箱断路器的配置及其脱扣器的整定值是否满足舵机泵组电动机的使用要求。

启动箱断路器的选配主要依据控制电动机的起动电流，而电动机起动电流的大小是电动机固有的特性，随电机种类、容量、极数以及制造厂的不同而异，一般为额定电流的5～7倍[1]。在电动机起动时间内，应避免因电动机起动电流和冲击电流而产生的保护断路器脱扣现象。图1为保护协调的断路器动作特性与电动机起动电流特性[2]。选择断路器时应充分考虑电动机的类型、起动方式、起动频繁程度、负载特性、环境温度、起动功率因数等因素。同时要保证断路器的动作特性曲线在电动机起动电流曲线的上方或右方，且2条曲线不应相交[3]。本船舵机的单泵电机额定功率为18.5 kW，额定电流为34.2 A，取其起动电流为额定电流的7倍进行计算分析。查阅设计手册的相关参数可知，当采用直接起动方式时，断路器瞬时脱扣器的整定电流应大于电动机额定电流的11.9倍，即该断路器整定电流应大于34.2×11.9＝406.98 (A)。若考虑断路器瞬时脱扣器的动作电流为额定电流的10倍，则应选用脱扣器额定电流大于40.6 A的断路器。舵机泵组启动器选用的开关型号为施耐德 NSX80H-MA50断路器，额定电流为50 A，选型余量约1.2倍。因此，从单台泵组看，断路器配置及其脱扣器整定值符合设计要求，且单台泵组运行时未出现跳闸现象。

从故障现象来看，跳闸现象多在频繁快速转换操舵泵组时出现，因此应对操舵仪和简易操舵台上的转换开关状态进行查看。两设备由同一设备厂家提供，操作面板相同，其面板布置如图2所示。

图1 保护协调的断路器动作特性和电动机起动电流特性

图2 操舵仪上配置转换开关示意图

从图2面板可看出，转换开关为5档旋转开关。从［左Ⅱ右Ⅰ］档快速切换至［左Ⅱ右Ⅱ］时，左2舵4#泵组在运行中有瞬间断电再上电的现象；同样地，当［左Ⅰ右Ⅰ］档快速切换至［左Ⅰ右Ⅱ］时，左1舵2#泵组在运行中经历了瞬间断电再上电的过程；从［左Ⅱ右Ⅱ］档快速切换至［左Ⅰ右Ⅱ］时，右2舵3#泵组在运行中出现瞬间断电再上电的现象；当［左Ⅱ右Ⅰ］档快速切换至［左Ⅰ右Ⅰ］时，因中间有［停］档间隔，延长了转换时间，因此右1舵1#泵组在运行过程中没有瞬间断电再上电的现象，故障现象中没有出现1#泵组启动器开关跳闸现象。

对于直接起动的电机，由于受电机内部剩余电压的影响,出现断开（失电）现象，瞬时再起动时会出现较大的冲击电流。当运行的电动机从电源切除后，瞬时再起动时电动机尚未停止运转，故仍具有剩余电压。此时电动机电流的大小由剩余电压和电源电压的大小及两者的相位决定，其最大值出现在两者相位完全相同的时候。假设电动机起动电流倍数为7，起动功率因数为0.3，考虑断路器动作误差为20%时，查阅设计手册可得：起动冲击电流及断路器瞬时脱扣器的最小整定电流是电动机额定电流的倍数，按直接起动瞬时再起动时的23.8倍来计算。则计算断路器瞬时脱扣器的整定电流应大于电动机额定电流的 23.8倍，即该整定电流应大于34.2×23.8＝813.96(A)；如果考虑断路器的瞬时脱扣器的动作电流为额定电流的10倍，则应选用脱扣器额定电流大于81.4 A的断路器。而舵机启动器内选用的开关为施耐德NSX80H-MA50断路器，其额定电流为50 A，10倍的脱扣器整定电流值显然不能满足要求，因此引起瞬时大电流冲击断路器跳闸的现象。

2.2 应急发电机瞬态电压降校核

在操舵仪或简易操舵台上快速操作转换开关，同时会出现1台泵组起动，另1台泵组断开瞬时再起动的情况。此时的电流较大，有必要对电站压降情况进行校核。本船主电站容量较大，在正常航行状态下，应急配电板上的电源由主配电板提供。本次舵机泵组开关跳闸的故障均是在主配电板供电的情况下发生的，期间未发现主电站对其产生影响，因此忽略主电站的影响因素。倘若应急电站单独工作，［左Ⅰ右Ⅱ］档快速切换至［左Ⅰ右Ⅰ］时，左1舵2#泵组在运行中有瞬间断电再上电的过程，此时左Ⅰ舵 2#泵组、右Ⅰ舵 1#泵组均由应急配电板供电，因此有必要对此工况进行校核。

假设全船由应急发电机供电，将2台舵机的电机投入运行。假设左1舵2#泵组电机发生瞬间断电再上电现象，电机冲击电流达到电机额定电流的14倍。右Ⅰ舵1#泵组同时起动，起动电流为额定电流的7倍。应急发电机瞬态电压降计算如下。

1）应急发电机参数

发电机额定电流IN=666 A

2）舵机电机参数

电机额定电流为34.2 A，IST为电动机的起动电流，断电瞬间上电冲击电流为电动机起动电流的 2倍。

3）发电机瞬态电压降计算

4）计算结果分析

根据CCS钢质海船入级规范要求，由电力系统供电的电气设备应能够在正常的电压波动情况下稳定运行[4]。一般交流设备规定的电压偏离可为额定瞬态电压波动值的±20%。计算可得应急发电机的瞬态电压降为16%，满足CCS规范要求。

3 解决方案

从上述分析可以得出，在舵机泵组转换过程中存在某台泵组电机瞬间断电再上电的现象，因此出现了较大的冲击电流，从而导致了断路器跳闸故障的发生。通过分析可以得出以下2种解决方案。

1）针对舵机泵组断开瞬时再起动，冲击电流较大的情况，调整、更换泵组启动箱、主配电板、应急配电板内相应的断路器及其脱扣器额定值，调整瞬时脱扣的设定值，以保证面临较大冲击电流时，断路器能够正常使用，且不发生跳闸现象。具体调整如下：将舵机启动器内选用的开关改为施耐德NSX80H-MA80断路器，额定电流为80 A，且设置为11倍的过载（可承受880 A的冲击电流）。上一级主配电板及应急配电板对应供电断路器的设定值也应随之调整，由原有的 50/100，600 A调整为100/100，900 A，即设定NSX100H-MA100的整定值为9倍，以达到选择性保护的目的。

2）尽量避免泵组发生断开瞬时再起动的现象，减小起动冲击电流对舵机各断路器的影响，确保原配断路器正常使用。主要从操舵仪和简易操舵台上的转换开关调整入手，通过修改、延长转换操作的时间，避免泵组断开瞬时再起动工况的发生。可将转换开关改为独立式操作的按键式按钮，或增加操舵仪控制电路的相应部分的延时等。

由于操舵仪和简易操舵台为设备厂的定型产品，若做修改需要一定的流程，在航行试验时间不充裕的情况下，船厂选择方案1），即对各启动箱内断路器进行了更换、调整。通过后续几个航次的试验，舵机正常使用，没有出现断路器跳闸的现象。

4 结束语

转叶式液压舵机是机、电、液一体化设备，故障产生的原因比较复杂，需要涉及的专业知识范围也比较广，因此，其供电断路器跳闸故障原因很多。本文对舵机液压泵组断开瞬再起动时的冲击电流较大引起相应断路器跳闸的情况进行了分析，并给出了解决方案，可为今后相关故障的排查工作提供借鉴和参考。同时，对于配有4台泵组相互转换的双舵机系统，在设计时应充分考虑相互间的接口形式及控制方式等问题，尽量避免舵机泵组发生断开瞬时再起动的现象。尤其是当泵组电机功率较大时，正常操舵过程中更应该避免出现此类运行工况，以确保整套舵机操舵系统及配电网络系统的稳定、可靠，保证船舶航行的安全性。