某型船電網振蕩的原因分析及對策

胡緒昌，陳 勇，孟海輝

（中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

某型船電網振蕩的原因分析及對策

胡緒昌，陳 勇，孟海輝

（中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

本文分析了某型船電力系統在電網振蕩時各電氣參數變化的特點及電網發生振蕩的原因，闡述了處理電網振蕩的方法，提出了一種新的處理方法，并提出了一些建議。

電網振蕩 功率 解列 負荷

0 引言

某型船主電網為380 V、50 Hz交流電，由7臺同步交流發電機供電，分別為5臺汽輪發電機（額定功率為1200 kW）和2臺停泊發電機（額定功率為616 kW）。在出海作業期間，全船用電的最大負荷為1200 kW，一般由2臺汽輪發電機并網發電，兩臺停泊發電機在汽輪機出現應急的情況下，投入并網發電。從電網以往的運行情況來看，電網運行過程中經常會出現電網振蕩的現象，此現象會對電網產生沖擊，嚴重時會導致電網崩潰。突然性的全船停電會對船舶的航行安全和特裝設備的運行產生危害，特別是在作業期間，停電事故是絕對不允許發生的，因此對船舶電網的運行管理尤其重要。

1 交流同步發電機組并聯運行的條件

1）相序一致：待并發電機組必須與電網相序一致（檢查相序可用相序表）。出廠時，各臺發電機組的相序都已檢查、校對一致，因此實際并車操作時，不必再檢查相序；

2）頻率相等：待并發電機組的頻率應與電網頻率相等，實際操作時，允許誤差在0.5 Hz 以內；

3）相位相等：待并發電機組電壓初相位應與電網電壓相位相同，實際并車操作時，允許待并發電機組相位與電網相位相差10°～15°以內；

4）電壓有效值相等：待并發電機組電壓有效值與電網電壓有效值相等，實際操作時，待并發電機組電壓有效值與電網電壓有效值之差允許在10%以內。

如圖1所示，電站每一臺發電機的配電屏都設有電壓表、頻率表、電流表、功率表和勵磁電流表。用來監測電力系統中各種電氣參數，同時對某些電氣參數進行調整，如：電壓、頻率、勵磁電流的調整等。

2 電網振蕩的類型和電氣量的變化特征

電網振蕩時依據其電氣量的變化特征可分為電網的異步振蕩和電網的同步振蕩。

2.1 電網的異步振蕩

電力系統發生異步振蕩時，其電氣量變化特點是：兩側系統失步，兩側等值電動勢的相位差在0°～360°的范圍里變化，有功及無功功率的大小和方向做周期性變化，電網電壓周期性變化，在振蕩中心處，變化幅度最大，幅值可在零到電源電動勢之間變化，聯絡線及整個電網中的電流均做周期性變化，其中聯絡線上的電流變化幅度最大。

2.2 電網的同步擺動

某型船，在出海航行期間是兩臺發電機并聯運行為全船供電，且每一臺發電機均裝有自勵恒壓裝置，來保證并聯發電機的電壓和頻率相等，我船的電網振蕩大部分屬于電網同步擺動。電網發生同步擺動時，它的特點是：兩側系統不失步，兩側系統等值電動勢在0°～90°之間變化。聯絡線上的有功功率大小周期性變化，但功率的傳遞方向不變化，而無功功率變化不大，電壓有變化但不大，整個電網中電流均作周期性變化，且聯絡線上的電流變化最大。圖1中，電流表和功率表的指針在其最大幅值和零之間來回往復擺動。

圖1 發電機配電控制屏

3 電網出現振蕩的原因分析

3.1 出現異步振蕩的原因分析

1）在待并網發電機并網初期，發電機輸入的機械轉矩T1或產生的電磁轉矩T 突然發生變化時，由于轉子系統的慣性而引起轉子的振蕩，從而引起電壓和頻率發生微弱振蕩。多數情況下，這種振蕩屬于衰減振蕩，由于汽輪發電機具有自動平衡的調節作用，所以這種振蕩經過多次衰減振蕩后能達到平衡狀態。這種情況在以往我船電網運行中也曾有過，不過大部分出現在并網運行的初期。

2）由于汽輪發電機長時間的運行、設備的老化、船舶航行時船體的搖晃等因素，勵磁系統中勵磁接線會出現接觸不良、松動、甚至突然斷裂的現象，勵磁電流會不穩定，從而使發電機的電壓處于一種不穩定的狀態，在以往海上作業期間中某型船曾經出現過這樣的情況。

3）每一臺發電機都配置有自動調壓裝置，并聯運行單臺發電機的調壓裝置出現故障，會導致電壓出現振蕩，這種現象危害較大，對船舶的用電設備產生巨大的危害，尤其是特裝設備。

3.2 電網出現同步擺動的原因

電網出現同步擺動時，具體表現在電站兩臺發電機的儀表指數出現來回擺動的現象，且擺動的頻率越來越快，嚴重時單臺發電機逆功跳閘，負荷突然轉移到另一臺發電機上，發電機的電流過大，超過整定值，主開關調閘，主電網失電。

3.2.1 發電機調器的原因

1）單臺汽輪機調速器的伺服電機出現卡死或打滑的現象，使其無法調速或調速靈敏度下降。

2）由于汽輪發電機使用的是液壓調速系統，發電機長時間在油氣和粉塵較多的環境中運行，會使雜質進入液壓油，從而使調速靈敏度下降。

3）調速器的其他機械故障，會導致電站發電機配電控制屏上無法對發電機的轉速無法條件，從而引起電網同步擺動。

3.2.2 電氣方面的原因

1） 由于船舶發電機和電網的容量都不大，當大的用電設備（如錨機，空調、主海水泵等）的投入或撤除以及大的用電設備的頻繁啟動（如空壓機），會引起電網的電壓和頻率發生變化， 并聯運行發電機的負載平衡點受到破壞。

2） 汽輪發電機長時間運行，勵磁機的碳刷磨損較多，粉塵聚集在碳刷和集電環上，勵磁機集電環打火，導致勵磁電流不穩定，電網的功率因數產生晃動。

3）由于每一臺發電機的運行特性都不一樣，并聯運行發電機的性能搭配不合理，并聯運行的發電機就會出現互相“搶”負荷，使電網處在一種不穩定的運行狀態，嚴重時甚至出現負荷突然轉移的現象。

4）根據發電機的運行特性，發電機輸出功率在額定功率的75%的狀況下運行比較穩定，船舶的用電負荷在白天和夜里的負荷相差200 kW左右，負荷的差異同樣會引起發電機運行不穩定，電網同樣會出現擺動的現象。

4 電網發生擺動時處理方法

4.1 電網異步振蕩的處理方法

1）對于并網初期電網就發生異步振蕩的情況，要果斷解列待并發電機，待查明原因后再次并網工作。

2）對于在并聯發電機組運行過程中，出現勵磁電流擺動幅度比較大的現象，要迅速檢查發電機的勵磁系統，如不及時檢查，會導致電網突然崩潰。

4.2 電網同步擺動的處理方法

由于我船電網的振蕩大部分屬于電網的同步擺動，下面重點闡述電網同步擺動的處理方法。

常用的處理方法：

1）在電網擺動初期，擺動頻率不高的情況下，應及時重新分配兩臺汽輪機的負荷，使其能找到一個新的負載平衡點。

2）在重新分配負荷無效果的情況下，調節轉速，卸載掉一部分不影響船舶航行的負荷（如船用空調、機爐艙抽送風），解列一臺發電機機，保留一臺可靠的發電機工作，并迅速并上剛解列的那臺發電機，若并網后，電網仍出現擺動現象，需再次撤除剛并網的發電機，將停泊發電機迅速投入并網工作，待重新并網一臺可靠的汽輪發電機后，解列停泊發電機。

4.3 新的處理方法

隨著現代科學技術的發展，目前應用于電力系統的同步解列依據主要有電壓、電流、頻率、UCOSφ判據和相角差判據等。處理的主要裝置有：自動調載調頻裝置、自動分級卸載裝置等。本文提出用相位超前滯后來判斷電流方向是否正常作為判斷依據，減少裝置的誤動率

圖2 相位角超前滯后判斷原理圖

圖3

采用相位角超前滯后來判斷電流方向是否正常，其原理為：將從電網上采集到的電壓、電流信號為模擬量，用A/D裝置轉換為方波，如圖3所示。

在電流方波后加一微分電路就可以電流I上升沿，把與電壓U相與得到兩種情況的輸出波形。如圖4（a）所示，把電流方向流入的情況記為“+”，如圖4(b)所示，電流方向流出的情況記為“-”。出方向為“+”時不解列，出方向為“-”時可能解列。

此方法可以作為輔助判斷依據，并且真實反應了電網中電流的變化情況。當裝置報警時，只是有可能解列發電機，給電站管理人員提供一個發生振蕩的信號，當裝置一直在報警，或者是報警的時間比較長，就要快速處理。

圖4（a）電流方向為流入的情況（b）電流方向為流出的情況

5 結束語

由于振蕩對電網具有很強的危害性，為了能提供安全可靠的電力保障，提出三點建議：

1）電站帶更和電站管理人員要認真總結電網出現振蕩的特征和以往的處理方法。做發現及時、處理及時。

2）電工崗位制定詳細的應急處理方案，平時應加強電網振蕩處理的針對性訓練，在處理時能做到指揮流暢，各崗位密切配合，動作迅速，操作準確。

3）加強專業理論的學習，及時處理設備出現的故障，平時認真細致地做好設備的維護保養工作。

[1] 史際昌. 船舶電汽設備及系統. 大連: 大連海事出版社, 2001.

[2] 海濤等. 電網振蕩時有功功率變化量的研究. 自動化技術與應用, 2007.

Reason and Countermeasure of Power Grid Oscillation for a Ship

Hu Xuchang, Chen Yong, Meng Haihui
(China Satellite Maritime Tracking and Control Department , Jiangyin 214431, Jiangsu, China)

This text analyzes the characteristics of electric varieties for a marine electric system in a oscillation. It studies the reason of the power grid oscillation, states the method to deal with the oscillation, puts forward a new treatment, and gives some suggestions

power grid oscillation; power; solution row; load

TM727

A

1003-4862（2015）06-0063-03

2015-03-26

胡緒昌（1985-），男，工程師。專業方向：船舶動力。