某新型訓練艦舵機斷路器跳閘原因分析與解決方案

蔣恒深，丁 平，李洪聰

(無錫德林防務裝備股份有限公司，江蘇 無錫 214000)

舵機是控制船舶航向，保障航行安全的重要設備，一旦失靈，船即失去控制。因此，我國《鋼制海船入級與建造規范》根據《國際海上人命安全公約》(SOLAS公約)的規定，對舵機提出了明確要求：必須要有一套主操舵裝置和一套輔操舵裝置或主操舵裝置有2套以上的動力設備，當其中1套失效時，另外1套能迅速投入工作[1]。

1 操舵系統組成

該艦配備2個獨立的舵機，每個舵機配備2個獨立電機液壓泵組，用于驅動舵機運行，如圖1所示。

圖1 舵機驅動系統示意圖

通過操舵儀上的旋轉開關可以選擇運行左Ⅰ液壓泵組或者左Ⅱ液壓泵組，以及右Ⅰ液壓泵組或者右Ⅱ液壓泵組，如圖2所示。

圖2 操舵儀廠家配置的旋轉開關

該艦舵機的電機液壓泵組，采用ABB380 V/50 HZ/4級18.5 kW船用三相異步電機驅動，額定電流IN=35.1 A。啟動方式為直接啟動，按照電機樣本啟動電流IS=7IN=245.7 A。啟動箱配備的斷路器為施耐德NSX80H-MA50斷路器，該斷路器的額定電流為IN=50 A，脫扣電流出廠時設置為11倍的IN，約為550 A，符合技術要求。但是該艦在試航過程中，當電機泵組旋轉切換時出現多次偶發舵機啟動箱斷路器跳閘現象。

2 原因分析

在排除電氣元件質量問題、漏電等故障后，檢修人員對電機工作工況進行了仔細的檢查，并對跳閘現象進行了總結，發現使用操舵儀的旋轉開關在進行電機泵組旋轉切換時，即當舵機電機泵組處于左Ⅱ右Ⅱ檔位運行時，在切換到左Ⅱ右Ⅰ時，偶然會出現左Ⅱ電機啟動箱斷路器跳閘，當舵機電機泵組處于左Ⅰ右Ⅱ檔位運行時，在切換到左Ⅰ右Ⅰ時，偶然會出現左Ⅰ電機啟動箱斷路器跳閘。反復試驗，發現左Ⅱ右Ⅱ檔切換到左Ⅱ右Ⅰ檔時，左Ⅱ觸點有瞬間失電狀態，同理左Ⅰ觸點也有類似情況，經過拆解操舵儀旋轉切換開關，發現其機械結構確實存在觸點在旋轉過程中瞬間斷開又接通的情況。

2.1 電機啟動特性

圖3是三相異步電動機直接啟動的典型曲線，其中Ir為額定電流：電動機滿額定負載情況下的電流；Id為啟動電流，根據具體應用情況的不同，啟動時間td為5～30 s不同，其平均啟動電流為7.2倍的額定電流；Id為峰值啟動電流，系統通電后前兩個半波期間的瞬態電流:10～15 ms，約為14倍額定電流。該舵機啟動箱斷路器設置11脫扣電流即550 A大于14倍電機額定電流，滿足要求。

圖3 典型電機的啟動曲線

2.2 現場檢測

采用示波器及電流探頭對現場電機的啟動電流進行了檢測，通過快速旋轉操舵儀的旋轉開關在進行電機泵組切換，檢測出電機最大沖擊電流為640 A(電流探頭為1mV/A)，即現場檢測出沖擊電流為電機額定電流35.1 A的18.2倍。

通過查找文獻[2]、[3]，異步電動機在電源短暫中斷后，又重新恢復供電。由于加到電機上的電壓，是電源電壓和轉子剩余磁場在定子感應的電壓的向量差，在最不利的投入分離角時，會產生比正常啟動嚴重得多的非周期沖擊電流和電磁力矩而造成電機的損傷。電機瞬間斷電重啟的沖擊電流與三相異步電機斷電后的殘余電壓和斷電后重新恢復供電時電源的初始相位角有關，當殘余電壓和恢復供電時的相位角相反時，沖擊電流最大，約出現在瞬時斷電再上電的10 ms內出現。沖擊電流約為額定電流的15～21倍。本文實測電流約為額定電流的18.2倍，驗證了文獻結論。

2.3 解決方案

為了避免出現電機泵組切換時，電機出現瞬時斷電再上電的工況，將操舵儀的組合旋轉開關更改為兩個獨立旋轉開關，如圖4所示，并且在轉換過程中稍作停頓，等待電機滅磁后進行轉換，避免切換時的電流沖擊。

圖4 旋轉開關改進措施

3 結束語

通過現場測試驗證了該艦舵機的電機在通過操舵儀旋轉開關進行泵組切換時，存在瞬時斷電再上電的工況，導致瞬時沖擊超出正常啟動范圍。通過現場整改，將操舵儀的組合旋轉開關更改為兩個獨立旋轉開關，徹底解決了偶發跳閘問題。另外分析了異步電動機斷電后重合閘的非同期沖擊和防護措施，為后續類似解決類似問題及技術設計提供了參考思路。