船舶發電機無功功率分配故障分析

于風衛，　韓加卓

(青島遠洋船員職業學院，山東 青島　266071)

船舶發電機無功功率分配故障分析

于風衛，韓加卓

(青島遠洋船員職業學院，山東 青島266071)

以實船發電機勵磁系統為例，針對一起因維修中勵磁系統信號測量環節的接線錯誤導致的并聯運行失效故障。在對發電機勵磁系統、無功功率分配裝置的工作原理進行分析的基礎上，進一步分析了故障原因及引起無功功率分配故障的機理，并提出勵磁系統維修、管理應注意的問題，供船舶電氣技術人員參考。

船舶工程； 發電機； 勵磁系統； 無功功率分配； 故障分析

0　引　言

現代化船舶對電力供應的要求越來越高，交流發電機的勵磁系統不僅用于維持電網電壓恒定，而且用于發電機并聯運行時的無功功率的合理、穩定分配[1-2]。發電機勵磁系統故障不僅會影響到供電品質，嚴重時會導致整個電力系統崩潰，危及船舶作業和航行安全。在發電機維護管理與施工中，由于不當操作而導致發電機勵磁系統故障影響正常營運的情況時有發生。某集裝箱船在塢修時對發電機進行了清潔保養，工作完成后由于勵磁系統不當的連線導致船舶開航后發電機無法并聯運行，嚴重影響了船舶正常營運，造成巨大損失，也給船舶航行安全帶來威脅。本文以故障為例，對發電機勵磁系統、無功功率分配裝置的工作原理，以及引起無功功率分配故障的機理進行分析，并提出勵磁系統維修、管理應注意的問題。

1　故障現象

該輪船主電站配有HFC6型無刷同步發電機2臺，單機運行供電未發現異常。某航次，船舶裝載了大量的冷藏箱，須雙機并聯運行。并聯運行時發現，2臺機組的輸出電流均明顯高于單機運行時的電流值，特別是2號發電機電流更高，負荷稍高即導致冷藏箱配電開關因分級卸載而跳閘，同時發電機嚴重發熱。船上輪機管理人員分別測取了發電機單機運行和并聯運行時，不同負荷下的電流變化情況。單機運行時，1號機組功率為110kW時的輸出電流為170A，2號機組功率為100kW時的輸出電流為180A。并聯運行時的電流變化情況如表1所示。

表1　并聯運行時電流隨負荷的變化

2　故障分析

2.1發電機負載電流分析

I=IP+IQ

(1)

有功分量與發電機的端電壓U同相位，無功分量超前(容性)或滯后(感性)端電壓90°。其相量圖如圖1所示。由測得的數據可知，發電機并聯運行時在承擔的有功負荷比單機運行時少的情況下，總電流卻大幅增加。發電機承擔的有功負荷少，則輸出電流中有功分量小。根據式(1)和圖1可知，發電機輸出電流大幅增加是由于發電機無功電流大幅增加引起的。這一大幅增加的無功電流來自并聯運行時機組間的無功環流。

圖1　發電機電流相量圖

2.2并聯運行時的無功環流

2.2.1并聯運行機組間的電勢差

當發電機有輸出電流時，在發電機的電樞繞組上也存在壓降，電樞繞組的阻抗主要為同步電抗，其壓降在相位上超前電流約90°。式(2)為同步發電機的電勢平衡方程式[3]：

E0=U+jXsI

(2)

式中： E0——發電機空載電勢；

U——發電機端電壓；

I——發電機電流；

Xs——發電機同步電抗。

由式(2)可知，發電機在輸出相同端電壓的情況下，其電動勢隨著負載電流的變化也會有所不同。即，并聯運行的各發電機組，雖然端電壓是相同的，但機組間會存在電勢差ΔE。假設2號機組電勢高，則2臺發電機并聯運行產生電勢差的相量圖如圖2所示。由電工學理論可得式(3)[3]：

(3)

式中：P——發電機輸出有功功率；

m——相數；

E0——發電機空載電勢；

U——發電機端電壓；

Xs——發電機同步電抗；

θ——功率角。

根據式(3)，若發電機有功功率P及m、U、f保持不變，則Esinθ為常數，即E1sinθ1=E2sinθ2，故圖2中E0的終端軌跡與U平行。在2臺發電機形成的環路中，ΔE與電勢高的2號機組端電壓U2同相位，與U1反相位。

圖2　并聯運行時機組間電勢差

2.2.2無功環流的產生及對無功分配的影響

由于電勢差的存在，在2臺機組間產生一個環流，如圖3(a)所示。環流經過的回路主要是感抗，故IQH是無功電流，滯后ΔE約90°。此環流對于電勢較高的2號機組，相當于輸出一個感性無功環流；對于電勢較低的1號機組，相當于輸出一個容性無功電流。發電機總的輸出無功電流IQ相當于承擔電網無功負載的無功電流分量IQF與無功環流分量IQH的疊加，其相量圖如圖3(b)所示。無功環流使電勢較高的2號機組輸出的感性無功電流增加，承擔的無功負荷增加；使電勢較低的1號機組輸出的感性無功電流被部分或全部抵消，承擔的感性無功負荷減小，甚至呈容性。可見，無功環流影響兩機組間無功功率的分配。機組間電勢差越大，無功環流越大，無功環流太大時，可導致發電機電流大幅增加，甚至電流過載。當2臺機組有功功率均分時，總是電勢高的機組輸出電流大于電勢低的機組。

圖3　發電機間無功環流Q相量圖

本文所述并聯運行故障就是由于兩機組間存在電勢差，并聯運行時無功功率分配嚴重不均，導致電流大幅增加。從測得的數據看，2號機組電勢高，1號機組電勢低，且1號機組輸出的為容性無功電流。

2.2.3無功功率的分配與調整

圖4　發電機并聯運行時無功功率的分配與調整

2.3發電機的無功分配裝置

無功分配裝置根據發電機承擔的無功負荷的大小來改變發電機的勵磁電流，從而使在網運行機組電勢基本相等，實現無功功率均分(相同容量的機組)[4]。此輪發電機的并聯運行無功功率分配是在勵磁系統中加裝了環流補償裝置。

2.3.1勵磁系統組成

該輪發電機采用的是可控相復勵無刷勵磁方式，勵磁機采用Thyripart勵磁系統，如圖5所示[5]。圖5中，G1是同步發電機的繞組，G2是勵磁機的繞組，V2是旋轉整流器，T1～T3是相復勵變壓器，L1是相復勵調壓裝置的移相電抗器，V29是三相橋式整流器，V28是分流用晶閘管，T4是環流補償裝置檢測電流用的電流互感器。相復勵變壓器的輸出經V29整流得到直流勵磁電流，由圖6所示電壓校正器(AVR)根據電壓偏差來對相復勵裝置的輸出進行分流控制，維持電壓恒定。AVR檢測的發電機端電壓信號由圖1中X1/1、X1/3接線端子取得，是V相、W相間的線電壓。圖6中AVR的輸出端子X3/5、X3/3、X3/6接至圖5中X3連接器，用于控制晶閘管V28的導通角，通過控制分流的多少來控制勵磁機的勵磁電流[6-8]。

2.3.2環流補償裝置

環流補償裝置實質是一個無功電流檢測裝置，加在AVR的電壓檢測電路中。由電流互感器T4(見圖5)檢測發電機的輸出電流，此電流在可調電阻R上產生的壓降US與U相電流成比例且同相，US與檢測的發電機線電壓信號疊加，作為AVR的輸入電壓信號。環流補償裝置電壓檢測電路的相量圖如圖7所示[1，9-10]。圖7中IU為發電機U相電流，IUQ和IUP分別為IU的無功分量與有功分量，環流補償裝置的輸出電壓，即AVR的輸入電壓為UO。當發電機輸出電流中的有功分量不變而無功分量增加時，即發電機的U相電流從IU變為IU′時，環流補償裝置的輸出電壓從UO變為UO′，電壓的幅值明顯隨著無功分量的增加而增加；當發電機輸出電流中的無功分量不變而有功分量增加時，即發電機U相電流從IU變為IU″時，環流補償裝置的輸出電壓從UO變為UO″，電壓的幅值無明顯變化。可見環流補償裝置的輸出電壓主要是隨著發電機無功電流的變化而變化的[2，8]。當發電機并聯運行時，若機組間存在電勢差，電勢高的機組輸出感性無功電流增加，則AVR檢測的電壓信號也增大，相當于檢測到發電機的端電壓升高，AVR控制使發電機勵磁電流減小，輸出電勢降低；同時，電勢低的發電機組勵磁電流增加，輸出電勢升高。經環流補償裝置的自動調節，2臺機組的電勢基本相等，使無功負荷均分。當發電機的感性無功負荷增加時，由于去磁的電樞反應，發電機的端電壓會下降，為了維持電壓恒定，調壓系統的調節是增加勵磁電流。可以看出，環流補償裝置的調節與調壓系統相反，環流補償裝置使無功均分的同時也導致調壓系統調節不足。因此，加裝環流補償裝置后，發電機承擔感性負載時，電壓調整特性如圖8所示。由圖8可知，隨著承擔無功負荷的增加，發電機端電壓呈下降趨勢，特性曲線的斜率用調壓調差系數表示。并聯運行的發電機組，要合理、穩定地分配無功功率，要求各臺發電機組空載電壓相等，電壓調整特性的調差系數盡可能相同[1]。這樣無論負荷怎樣變化，并聯運行中的機組總能穩定地均分無功功率。調整圖6中可調電阻R可調整發電機的調壓調差系數，調整可調電阻Rp可調整發電機的空載電壓[1，5]。

圖5　該輪無刷發電機勵磁系統電路圖

圖6　AVR電壓檢測電路

圖7　環流補償裝置相量圖

圖8　電壓調整特性

2.4無功分配裝置故障分析

根據上述分析，本文所述故障的可能原因是并聯運行的2臺發電機空載電壓相差太大或電壓特性的調差系數相差太大。把2臺發電機的空載電壓均調整為446V，然后對2臺機組分別單機加負載運行試驗。在承擔相同負載情況下，1號發電機電壓降為439V，2號發電機電壓升為451V。船舶電網負荷總體呈電感性，可以看出，2號發電機隨著承擔感性無功負荷的增加，端電壓逐漸升高，與電壓調整特性正常的1號機組恰好相反。這說明故障確實是由勵磁系統的無功分配裝置引起的。當2臺機組并聯運行時，隨著負荷的增加，1號機組電壓降低，而2號機組電壓升高，負荷越大，二者之間的電勢差越大，無功環流導致2臺機組輸出電流大幅增加，當環流達到一定程度，導致發電機過載和次要負載分級卸載是必然的。圖6中的可調電阻R只能調整調差系數的大小，而不能改變電壓調整特性的方向。因此，2號發電機的電壓調整特性與1號相反，問題不是參數調整不合適，而是AVR電壓檢測線路或環流補償裝置電流檢測用的電流互感器接線錯誤，電壓檢測線路(X1/1、 X1/3端子)或電流互感器兩端(X2/5、X2/9端子)接反，當發電機承擔的無功負荷變化時，環流補償裝置的輸出與正常時相反。圖9為電流互感器兩端接反時的相量圖。當電流互感器兩端接反時，在可調電阻R上產生的壓降與發電機V相電流反相，當發電機輸出電流中的有功分量不變而無功分量增加時，環流補償裝置的輸出電壓沒有增加，反而明顯減小，AVR檢測的電壓信號也減小，相當于檢測到發電機電壓降低，AVR控制使V28分流減少，發電機勵磁電流增大，輸出電壓升高，故發電機是上翹的電壓調整特性。

圖9　電流互感器兩端接反時的相量圖

2臺發電機剛在塢修中進行過解體清潔，很可能是在清潔后線路重新連接時出錯，把2號發電機調壓環流補償裝置的電流互感器(圖5中T4)副邊接線(X2/5、X2/9端子)對調，開機加載試驗，發電機的電壓調整特性變為下傾趨勢，證明上述判斷是正確的。對2號發電機的電壓調整特性進行了重新調整，使其與1號一致，然后并聯運行試驗，故障現象消除。

3　結　語

發電機的勵磁系統在初次調整好后很少出現故障，故障大部分是由于在使用、維修中的不當調節和連線錯誤所致。因此，系統運行正常的情況下不要輕易調節各可調電阻，維修和保養中需拆卸線路時要做好標記，以防接錯。對于勵磁系統中的各電壓互感器、電抗器和電流互感器等元件，盡管是輸出交流信號，但后續電路可能涉及信號的疊加，與相位有關，接線端子也不可任意顛倒。

[1]姜錦范.船舶電站及自動化[M].大連： 大連海事大學出版社,2006.

[2]丁志東，劉國海.同步發電機勵磁對穩定性影響的研究[J].大電機技術,2007，144(4)： 60-64.

[3]鄭華耀.船舶電氣設備及系統[M]大連： 大連海事大學出版社,2005.

[4]王文義.船舶電站組建與調試[M].哈爾濱： 哈爾濱工程大學出版社,2009.

[5]Instruction for THYRIPART Excitation System[G]. HYUNDAI Electrical Co Ltd, 2000.

[6]曹慧東.同步發電機靜止勵磁系統的典型故障分析[J].山西電力,2008,144(1)： 29-31.

[7]SCHAEFER R C, KIM K. Excitation control of the synchronous generator[J]. IEEE Tran on Industry Applications Magazine, 2001,17(2)： 37- 43.

[8]于彩虹,張保國.柴油發電機組勵磁系統電路分析[J].內燃機與動力裝置,2007,99(3)： 24-29.

[9]胡虔生,胡敏強.電機學[M].北京： 中國電力出版社,2009.

[10]王文義.船舶電站[M].哈爾濱： 哈爾濱工程大學出版社,2008.

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