某型船发电站异常损伤问题分析

彭见仁， 张俊洪， 李文艳

（海军工程大学 电气工程学院， 湖北 武汉 430033）

0 引言

某型船在执行“左柴油发电机组加负荷”指令时发生发电机异常并网。事后检查确认并电网电压为U，网时电枢电压为0.78U， 在约0.22U 逆压差条件下发生并网，形成巨大的逆流冲击导致电机异常损伤。 低压差并网损伤事件引起使用单位和保障部门的高度重视， 主管单位迅速成立了专项调查组对此事件进行调查。在“某型船左柴发机组损伤原因分析会” 上专家教授们对于电机异常损伤是机械故障还是电气故障的争论十分激烈， 部分专家认为在配套保护单元功能良好的情况下， 低压差逆流冲击不可能导致电机出现如此毁坏性损伤， 造成电机损伤的原因是设备紧固问题导致的机械性故障， 电机转速升高、震动加剧、轴承过热与机座发生谐振所致。 此说法虽然可以作为电机损伤程度的一个原因， 但这不足以解释电机并网在非线性运动状态下的过程描述。 柴发机组并网是一个复杂的非线性过程， 系统中某些特定参数会随着转速、温度、等条件发生变化。文章结合故障设备勘测、调研及相关试验对发电机“异常损伤”的原因进行了系统分析，取得了相关结论。

1 系统组成及勘验结果

1.1 损伤电机勘验情况

发电机非换向器端电枢绕组端部翻转甩直， 绕组导线可见弯折和断损，并头焊缝脱焊，可见脱落变形的并头套，无纬带（绑扎带）脱落磨损，可见大量的磨损尘屑和粉尘。 换向器端电枢绕组、换向器及定子主副极绝缘未见明显损伤；电机内部遍布无纬带磨损尘屑和粉尘； 断路器的灭弧室和触头有烧损痕迹， 且与断路器过电流脱扣器动作相关的连锁装置处于锁定位置。 由此判断，断路器进行了保护分断。 对发电机断路器进行了电动操作，断路器工作均正常。 柴油机检查曲柄箱，未见曲轴及连杆损伤。 开盖检查，未见凸轮轴、连杆、供油齿条损伤。 对柴油机气缸进行检查，发现两个气缸有拉痕。

1.2 发电机断路器勘验情况

电机并网过程中过大逆电流冲击的关联保护有自动器特大电流瞬时保护、及逆流保护电器的反时限保护。

1.2.1 断路器技术指标

直流发电机断路器装于发电机控制板中， 对发电机进行短路保护。

额定工作电压：UN；额定电流：IN；过电流脱扣器整定值：2.54IN（误差±10%）；传动方式：电动机传动及应急正面手柄传动；额定控制电源电压：UN。

1.2.2 断路器勘验情况

经勘验发现：①断路器的灭弧室与触头有烧损痕迹；②与断路器的过电流脱口动作相关的连锁装置处于锁定位置。

由此可以判断，断路器进行了分断保护（该型断路器过电流脱扣器动作值2.54IN）避免了故障的扩大。

1.2.3 自动器过电流保护单元技术状态评估

自动器过流脱扣单元主要组成要素为过电流脱扣机构。特大电流保护过程原理是，当电枢发生特大电流过流时，电磁机构衔铁动作，自动器直接分断实施保护。 经检测，自动器过电流脱扣单元结构正常、紧固性正常；无异常部件。 对地绝缘大于11GΩ，绝缘无异常。

1.3 发电机控制板逆流保护单元测试情况

发控板逆流保护单元为一装置式保护电器， 发电机出现逆流时，逆流保护电器反时限动作，联动电枢自动器失压脱扣，实施保护。

经检测，发控板逆流保护单元结构正常、定位紧固无异常，逆流反时限保护功能无异常。

结合损伤电机以及相关联保护装置的勘验情况可以得出以下推论：发电机与电网在0.22U 压差并网，根据直流电机的能量转换及可逆性可知， 当电枢电压小于电网电压，电枢电流与电枢电压反向，电磁转矩与转速同向，该直流电机转换为电动机运行状态。 该压差将使电枢回路产生逆流冲击。过程中逆流冲击产生加速转矩，使机组转速升高。当柴发机组转速超过柴油机停机保护转速时，柴油机断油停机。 在电机转速升高的过程中发生了绑扎带断裂磨损，断路器在电机转速最高时发生了保护分断。发电机端接部发生了毁坏性的损伤， 电枢绕组弯折断损可能发生了电枢内部短路。

以上对电机并网的损伤过程进行了初略的分析，下面主要对柴发机组的并网过程建立数学模型通过Matlab进行仿真研究，通过仿真对主要参数的波形进行分析。

2 并网过程分析与数学建模

柴油发电机组并网前运行状态： 初励磁建压后电枢自动器闭合， 通过调研与测量得出发电机组相关的状态数据为，电网电压约为U、发电机电枢电压约为0.78U、初始转速n0，而后柴油机组发生了停机保护（保护转速约为1.11n0）、柴发机组最高转速达1.47n0r，之后降速至停机。由于直流柴发机组并网， 并网过程只有过流保护和逆流保护装置，并没有反馈调节保护装置（相当于开环系统），如果要考虑励磁调节器和转速调速器的影响会使整个运算过程复杂化，为简化分析，冲击过程中忽略转速调节器和励磁调节器作用且不考虑停机保护， 建立基本计算方程如下：

2.1 电压平衡方程

式中：U—电网电压；Ea为电枢电压（Ea=CeΦn）；△u—换向器与电刷之间的接触电阻取2V；Ra—电枢绕组电阻；Ia—电枢电流；Ta—时间常数。

2.2 转矩平衡方程

3 仿真实验

3.1 基础参数仿真

根据计算公式， 结合初始工况和参数测量得到基础参数数据。 将基础数据带入模型A 有计算波形曲线如图1 所示。

由仿真曲线可以看出：

（1）转速曲线为一单边上升“渐进”曲线。

（2）约125ms 时，逆向电流冲击达到峰值约为2.37 万安培。

（3）约350ms 时，机组转速达到停机保护转速830r/min。

（4）约900ms 时，机组转速进入渐饱和区，饱和转速达948r/min。

图1 基础参数数据下电机转速和电枢电流的波形Fig.1 The waveform of motor and armature current under basic parameter data

3.2 控制边界条件的仿真分析

在发电机出现“异常损伤”这一实际工况过程中，基础数据的计算结果只是理论上描述电机转速与电流随时间的变化规律，与实际工况存在误差。 对此本文对比基础参数提出4 组边界条件，对比工况尽可能的还原真实轨迹。

3.2.1 考虑初励磁完成后跳转电压的误差影响

基础数据中，跳转电压按参数标定值给出，考虑实际值的可能偏差，按合理偏差5%计，取跳转电压0.746U。

3.2.2 同时考虑跳转电压和电网电压的误差影响

基础数据中，电网电压为上一次测量的历史数据，考虑电池放电后的比重均衡及电压表的误差，按正偏差5%计，即取初始电压0.746 U、电网电压取1.05 U。

3.2.3 考虑转动惯量J 的误差影响

基础数据中转动惯量按发电机实用公式测量计算取得，该系统中柴油机效率显著偏低，故转动惯量测量计算值预计偏大。忽略柴油机惯量影响，取转动惯量下限测量计算值（473），对比计算。 误差影响参看同时考虑跳转电压及电网电压可能偏差（分别取0.746U、1.05U）。

3.2.4 同时考虑电枢电阻Ra 与转动惯量J 的误差影响

基础数据中电枢电阻按静态电桥法测量时为0.193Ω（显著失真），查找同型号电机履历薄并换算至舱室工作温度时有计算值0.001985Ω，考虑到该阻值的可能误差 （如网路、 滑动接触因素等）， 折中修正该阻值为0.002084Ω。 取电阻值0.003Ω 对比计算，误差影响参看考虑停车保护、取转动惯量下限计算值473 及上限值2216。考虑边界因素条件下的参数数据如表1 所示。

电机与电网并网，约0.22U 压差瞬间产生3.8IN的逆电流（时间非常短），参照逆流保护装置的反时限特性试验，0.95IN以上的逆流持续0.4s，开关动作。分析曲线逆流保护应该在0.5s 之前动作，但考虑到电机转速升高，电枢电压增大，逆压差应该减小，实际峰值电流持续时间不足0.4 秒，逆流保护装置未动作。

表1 考虑边界因素条件下的计算参数Tab.1 The several sets of parameter data considering boundary factors

4 结束语

由上述仿真实验结果以及关联保护单元的状态评估我们可以得出低压差并网损伤机理： 待并发电机电枢自动器在0.22U 左右逆压差发生并网，产生特大逆流冲击，这一过程中自动器过流脱扣单元与发控板逆流保护单元技术状态良好但均未工作，电枢自动器未分断电枢电路，冲击电流使柴发机组迅速升速。 升速过程中由于电流过大导致绕组并头套端接部过热熔锡， 并导致绕组内部短路，同时再次形成逆流冲击，二次逆流冲击使自动器跳闸保护。

鉴于待并发电机跳转电压与电网电压并网存在将近0.22U 压差的误差影响，此潜存隐患严重影响了设备的安全运行， 建议调整自动器特大电流保护参数使其涵盖约0.22U 低压差逆向电流冲击范围。