船舶發電機并車回路二次側故障診斷

潘德華 徐正喜 李文華 吳大立

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

0 引言

為了適應體積、空間、各時段負荷分配等條件的要求，船舶電網一般設置兩臺或多臺發電機組，以提高電站供電的可靠性和連續性，船舶同步待并發電機組要并入電網必須同時滿足三個條件：電壓相等、頻率相等、相位一致。如果操縱人員在操作時，由于某種因素或操作失誤造成上述條件中任一不具備，合閘主開關時就會導致并車失敗，甚至導致全船失電，嚴重時還會使發電機受到損壞[1-4]。所以在以往的文獻中大多討論主回路或一次側發生問題時的處理，很少涉及二次側故障問題的分析。本文就是通過某船的實例來說明二次側故障時各參數的特征，了解其測量電壓的變化規律，最后提出預防措施。

1 并車的基本原理

某船的并車一次線路原理圖如圖1。發電機組的三相電壓通過電壓互感器二次側送至并車操縱臺，再由操作人員進行觀察操作進行并車。電壓互感器二次側中間相V相接地，這是為了防止一、二次線圈擊穿時，一次側高壓穿入二次側，危及人身和設備的安全。

并車操縱臺同期控制回路原理如圖2，其由待并機組選擇開關、同步表、電壓表、頻率表等組成。首先由待并機手動選擇開關選擇待并機組（3臺主發和岸電），使KM1-4A、KM1-4B小型繼電器相應的線圈得電，再通過其觸點將相應待并發電機組的電壓信號送至同步表旋轉電機、電壓表和頻率表，觀察待并機組的電壓和頻率，實現同步表頭相位指示同步，同時繼電器的觸點也完成待并機組相互間的電氣絕緣與隔離。每組待并機電壓信號共UVW三線分別由KM1-4A和KM1-4B二只繼電器共同完成，其中UV相轉換繼電器為KM1-4A，W相為KM1-4B。如當待并機組選擇開關為“岸電”，KM1A和KM1B二只繼電器同時導通，其中KM1A將岸電電壓互感器二次側U相和V相電壓信號送至同步表，KM1B則將W相電壓信號送至同步表。當同步表指示到中間為“0”時，即可進行并車合閘。當不進行并車操作時，將待并機組選擇開關置于“斷開”位置。

圖1 并車一次線路原理圖

圖2 并車操縱臺同期控制回路原理圖

2 發電機并車二次故障現象

船舶在碼頭停泊期間是由岸電供電，當要出航時船上發電機啟動與岸電進行并車轉移船上負載后，斷開岸電轉為船上發電機供電，以保證船舶上原有的用電設備不斷電。再根據船上可能要投入負載的多少，啟動其他幾臺發電機組進行并網以保證船上的供電量。

本文的二次故障現象是在船上1號發電機組啟動供電斷開岸電后，船上2號發電機組并網時發生。船上1號發電機組帶全船少量負載，啟動2號發電機組前，對設備的絕緣情況進行了檢查，在正常的范圍內。

并車操作：將待并機組選擇開關打到1號發電機組，用電壓選擇開關檢查1號發電機組三相電壓正常，檢查2號發電機組電壓、頻率的正常。選用2號發電機組為待并機組，電壓互感器二次側電壓通過繼電器觸點的閉合，送至測量電壓表和同步表旋轉電機進行檢測。在檢查三相電壓時，發現電壓顯示值異常，U2V2相為200V，V2W2相顯示390V，W2U2相顯示至滿量程450V，且W2U2相電壓的顯示值呈200V～450V規律性變化，同時發現2號發電機控制屏內電壓互感器有煙冒出，操作人員立即斷開2號發電機控制屏電源，將發電機組停機；在檢查控制屏發現1號發電機控制屏電壓互感器也往外冒煙，1號發電機組停機，接岸電；

維修人員對1、2號發電機控制屏檢查發現：電壓互感器上二次側的U、V相燒毀，且電壓互感器發燙，1號機組的互感器一次側保險絲已熔斷。

3 故障現象診斷

從故障現象中可看出：電壓互感器這一基本的設備元件，其發熱冒煙直至燒毀的直接原因應為繞組過流造成發熱，且均為二次側故障。同時電壓互感器二次側外部接口的共同連接點是并車操縱臺，其主要作用是實現電力系統3臺發電機組的同期并網功能，因此故障點可定位于并車操縱臺的同期并車控制回路。其產生過流發熱的原因可能有兩種：① 單只電壓互感器二次側相間短路造成 (如圖3)；② 兩只電壓互感器二次側相間短接造成 (如圖4)。

圖3 單只電壓互感器二次側相間短路示意圖

圖4 兩只電壓互感器二次側間相短接示意圖

結合互感器過流發熱分析，由于電網電源頻率和待并機組頻率不可能完全一致，相位也不一定相同，W2U2相顯示電壓值呈規律性的交變（差頻周期）特征，而單相電壓互感器二次側相間短路不會出現此電壓的交變規律，因此故障可確定為：兩只電壓互感器二次側線間短接造成。通過對其工作原理分析，故障應為在1號主發機組在與岸電并車完成后，再將待并機組開關打到2號機組，這時1號機組的KM2A繼電器觸點沒有斷開，當2號機組接通KM3A繼電器線圈時，其觸點閉合，造成兩只電壓互感器二次側的U、V相連通（V相是接地相，應一直相連）。

兩只電壓互感器二次側間相短接故障模式的等效電路如圖5所示：

圖5 兩只電壓互感器二次側U相相接等效電路圖

在圖5中，為待并機組電壓互感器二次側耦合電壓，Z2為二次側線圈阻抗；為電網供電機組電壓互感器二次側耦合電壓，Z1為其二次側線圈阻抗；

從等效電路中可以得出為：

從上兩式可看出，假設兩臺發電機電壓的幅值相同，當與同向時，回路電流為“0”，則電壓表測得的為發電機電壓；當與反向時，電壓為“0”，但回路電流為：即為電壓互感器二次側短路電流，所以當故障發生后，兩臺電壓互感器二次側的電流值，隨著二次側耦合電壓頻率的變化，其電流在“0”與短路電流之間周期變化；因此電壓互感器二次側UV相間會產生過流發熱冒煙現象，直至線圈燒毀。

圖6 兩只電壓互感器二次側U相相接矢量圖

圖6 中，u2、v2、w2點為待并機組的三相相電壓，u1、v1為向電網供電發電機的兩相，u’、v1即為圖5中Δe˙的測量電壓顯示值，因二次側v1、v2點接地，故不論變化與否其一直相接，電壓值相等，即v1與v2點重合。

建立以v點為圓點坐標系，假設圖中二次側電壓幅值相等，且為a，則各點坐標如圖所示，因的電壓隨頻率變化，所以u1點的軌跡方程為：x2＋y2＝a2；電壓矢量u’、v1中u’（α、β）的坐標為：

則：

帶入u1點的軌跡方程有：

從上述方程中可看出：u’（α、β）的軌跡方程是一個以v2u2線段中點為圓心，α/2為半徑的圓，說明電壓u’、v1在測量電壓表的顯示值（U2V2相電壓）應在0～390 V之間變化，u’w2電壓值在測量電壓表（W2U2相電壓）的顯示值在之間，即142.75 V～532.75 V之間規律性變化；這與觀察到測量電壓值規律性變化完全相符，只是電壓表的量程是0～450 V，因此看不到超出部分的電壓值。

4 預防故障的措施

為了防止類似破壞性故障發生，可應采取以下一些預防措施：

在電壓互感器二次側加裝熔斷器，進行短路保護，防止短路時產生是短路電流燒毀互感器；由于電壓互感器為380 V/100 V，15 VA，所以額定電流為15/100＝0.15 A，因此選用的熔斷器應小于 0.15×7＝1.05 A，耐壓應大于

對于并車發電機數量少于三臺的，在繼電器的觸點輸出應相互間設置聯鎖保護。當一個繼電器觸點沒有釋放時，另一個繼電器線圈應無法接通，防止電壓互感器二次側有相接可能；

電壓互感器的電壓可直接通過待并機手動選擇開關輸入給同步表，取消繼電器轉換的中間環節，提高可靠性；

補充操作規程。當發現有類似電壓不穩定的情況，須將待并機組選擇開關迅速置位于“斷開”位置，防止不正常現象的進一步惡化，而后檢查設備。

5 結束語

本文以某船發電機并車二次側繼電器故障為例，利用矢量解析圖的分析方法，將故障的過程機理進行了深入的剖析，說明了二次側各相電壓的變化規律，提出了對該類問題的預防措施，有效地保證設備的安全。

[1] 史際昌. 船舶電氣[M]. 大連： 大連海事大學出版社,1999.

[2] 王煥文. 艦船電力系統及自動裝置. 北京： 科學出版社, 2004.

[3] 姜維堯. 船舶電氣及控制培訓教程[M]. 北京： 中華人民共和國港務監督局, 1999.

[4] 施億生. 謝紹惠. 船舶電站[M]. 北京： 國防工業出版社, 1981.