船舶電站逆功率故障淺析

譚健 江金芬

摘? ? 要：船舶電站的安全穩定運行對船舶運行至關重要，船舶電站運行不穩定對船舶航行的危害很大，研究分析引起并列運行發電機逆功率的主要原因及其故障排除方法非常必要。船舶電站逆功率故障的原因，主要從調速器、逆功率保護繼電器、功率分配及并車模塊、調速特性等方面分析，針對不同的故障原因采用靈活有效的處理方法，才能準確快速的排除故障。

關鍵詞：船舶電站;逆功率;調速器

中圖分類號：U665.1? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Ship power station is the heart of the ship， its safe and stable operation is very important to the reliability of ship operation. The unstable operation of ship power stations is harmful to the navigation of ships. Therefore， it is necessary to analyze the main causes of the reverse power of parallel generators and its troubleshooting methods. The causes of reverse power fault of the ship power station are mainly analyzed from the aspects of governor， reverse power protection relay， power distribution and parallel module， speed regulation characteristics， etc. In order to eliminate the fault accurately and quickly， effective treatment methods should be flexibly adopted for different fault reasons.

Key words： Ship power station; Reverse power; Governor

1? ? 前言

船舶電站是船舶電氣設備的核心，其作用是源源不斷地給船舶用電設備提供電能。船舶電站的安全穩定運行對船舶安全航行起到至關重要的作用。因此必須做到供電安全可靠、穩定，一旦發生故障能夠迅速排除。本文主要對電站逆功率現象進行具體分析。

2? ?發電機逆功率運行的危害

發電機逆功率保護是發電機非常重要的一種主保護，又稱為功率方向保護。發電機正常運行時是將原動機的機械能通過旋轉的磁場轉化為電能，其功率的方向是由發電機流向配電板的供電母線;但當發電機發生故障引起功率反向流動時，功率由母線流向發電機，即發電機不但不發電反而吸收功率，也就是說發電機變成了電動機運行。

短時間逆功率運行對發電機來說并沒有什么危害，但是長時間逆功率運行則可能導致發電機的繞組過熱甚至燒毀;同時，發電機變為電動機運行后會給原動機一個反向的力矩，極有可能會導致原動機的嚴重損壞，造成巨大的損失。

發電機逆功率保護的設置，是為了在發生逆功率故障時保護發電機和原動機的安全。在逆功率超過一定數值并在設定的延時時間內沒有恢復到正常范圍時，逆功率保護動作會切斷發電機出口的主開關，將故障發電機組脫離電網運行。因此，應盡量避免發電機組發生逆功率故障，并在發生故障時候逆功率保護裝置能及時準確動作。

3? ?并列運行發電機組發生逆功率的原因

導致船舶電站逆功率故障的原因很多，主要從調速器、逆功率保護繼電器、功率分配及并車模塊、調速特性等方面分析，針對不同的故障原因采用靈活有效的處理方法，這樣才能準確快速排除故障。

3.1? 調速器故障

調速器是控制原動機轉速的核心部件。原動機調速器故障會導致發電機轉速波動，進而導致并列運行發電機組功率分配不均并呈現震蕩現象，當某臺發電機逆功率達到設定值并在整定時間內未恢復正常，則逆功率保護動作將該臺發電機組解列。所以，原動機調速器故障是引起發動機逆功率的重要原因之一。

3.2? 功率分配和并車模塊故障

發電機并車與保護單元（PPU）是控制船舶電站電力分配和并車的專用模塊，該模塊是實現電站自動啟停、并車、功率分配、保護的關鍵部件。如果該模塊工作不穩定甚至發生故障，必定會導致發電機功率的大幅震蕩，并可能導致逆功率保護動作解列。

3.3? 并列運行發電機組調速特性差異大

并列運行發電機組調速特性差異大也是導致逆功率保護動作的原因之一。每臺發電機組的調速特性都不完全一樣，只要差異控制在一定范圍內，則各發電機組并列穩定運行是沒有問題的，但當差異超出規定范圍時發電機組就可能發生逆功率。因此，電站的調試也是先進行單機調試，將各發電機組穩態和動態特性調整至基本相同時再進行并列運行試驗，確保發電機組調速特效基本相同是發電機并列運行的重要條件之一。

3.4? 外部電磁干擾

電站的核心控制部件基本上都是電氣控制器件，主要包括PPU、PLC、原動機調速器以及各種繼電器等電子元器件。這些電子設備工作電流都比較小，屬于弱電設備，較大的電磁干擾會直接導致這些電氣設備的工作異常甚至導致事故發生，所以電磁干擾也是發電機發生逆功率不可忽視的原因之一。

3.5? 原動機轉速波動大

原動機轉速波動大會直接導致發電機功率不穩定，也會導致逆功率的發生。原動機轉速波動大的原因有很多，PPU、PLC、電磁干擾都可能是原因。另外，原動機的供油系統故障也會導致發電機轉速功率波動，如：燃油系統泄漏或者存在空氣、燃油質量差，燃油存在水分和其他雜質、燃油供給系統的輸送泵、濾網堵塞等，都會破壞燃油供給的連續性，從而導致逆功率的發生。

3.6? 逆功率保護繼電器故障

逆功率繼電器在電站中應用比較普遍，對電站的安全運行非常重要。逆功率繼電器是一個測量功率方向的電器，當發電機出現逆功率達到整定值時，經過一定延時后繼電器動作將該發電機從電網解列。如果輸入的電流和電壓極性接反，則會導致該繼電器誤動作，整定值不正確也會導致靈敏度不符合要求。所以，當發電機組發生逆功率故障時，有必要重點檢查逆功率保護繼電器工作和接線是否正常、整定值是否正確，如發現問題必須及時進行處理。

4? ?某船電站逆功率故障實例分析

4.1? 某船電站基本情況及逆功率故障現象

某船電站系統由兩臺發電機組、1套主配電板、1套發電機控制板等設備組成：發電機的額定功率為120 kW、額定電流228.2 A、額定電壓390 V、額定頻率50 Hz、額定功率因素0.8（滯后）;發電機采用柴油機作為原動機，柴油機為雙列、四沖程、水冷、直噴式柴油機。

電站逆功率故障發生前狀態：兩臺發電機雙機并列運行穩定，電站總功率51 kW（左機25.7 kW，左機25.3 kW）;船舶航速17.3 kn。

該船在航行過程中左發電機逆功率解列甩負荷至零，電站負荷全部轉至右發電機，主配電板和發電機控制板均觸發左機逆功率聲光報警。發電機逆功率發生前后功率分配，如圖1所示。

4.2? 故障原因分析及排除

左發電機組發生逆功率解列后，技術人員認真分析故障現象并積極進行故障排查。該電站發電機逆功率保護的整定值為額定功率的8%～15%、延時3～8 s，發電機的額定功率為120 kW，即逆功率整定值為-9.6 至-18 kW。通過查詢電站歷史參數和報警記錄，發現發生逆功率的左發電機功率最低到了-13.3 kW左右，并持續了近6 s后逆功率保護動作發電機解列。這說明逆功率保護動作正常，排除了保護誤動的可能。那么導致發生逆功率的原因是什么呢？通過進一步排查，發現左發電機轉速在1 500～1 282 r/min時發生間斷波動，而正常運行的右發電機轉速基本穩定于額定轉速。

根據以往電站運行經驗，發電機轉速波動很可能是燃油系統故障引起。但通過對燃油系統進行排查，并未發現系統漏油和存在空氣，清洗燃油濾器后轉速波動現象依然存在，所以燃油系統不是引起發電機逆功率的原因。

通過外接監控器監控PPU和PLC的運行，并施加相應的模擬信號進行測試，發現模塊的相關監測、控制和保護功能均正常，這也排除了PPU和PLC存在故障的可能。

并列運行發電機組調速特性差異大也會引起逆功率保護動作，但這只是針對多臺并列運行發電機組而言的，發電機組單機運行功率和轉速在穩態下仍然波動一般是不會發生的。

那么，極有可能的原因是發電機調速系統發生故障，導致轉速波動進而導致逆功率故障的發生。該電站原動機的調速系統是廣泛應用的電子調速系統，故對該電子調速系統進行詳細的分析。

電子調速系統的主要部件有：電子調速器、轉速傳感器、電磁執行器和控制開關等，其結構組成如圖2所示。

電子調速系統的工作原理：柴油機的實際轉速由磁電式轉速傳感器探測，轉速指令由電子調速器上的轉速設定電位器和外部遙控電位器設定;指令值與設定值比較后得到轉速偏差信號;該偏差信號經PID調節器放大后得出柴油機燃油供給量油門，該油門指令與當前電磁執行器實際輸出位置比較后得出油門偏差量，從而精準地控制執行器的輸出位置也就是精準控制了柴油機的供油量，使柴油機在所設定的轉速下穩定運行。

電子調速系統作為一個閉環控制的自動控制系統，其任何一個部件故障均會導致轉速失控，進而導致發電機組逆功率的發生。調速系統的轉速傳感器是比較容易發生故障的，經對傳感器安裝的角度、距離、清潔程度以及接線進行檢查均未發現異常，更換傳感器也并未消除逆功故障;對調兩臺發電機組的電子調速器和電磁執行器后重新啟動，發電機組逆功率故障并未轉移，這就排除了因轉速傳感器、電子調速器和電磁執行器故障導致逆功率的發生。

進一步對電子調速系統檢查，發現發電機組機旁控制柜控制高速/低速轉換的繼電器存在接觸不良的故障，繼電器觸頭閉合正常情況下電阻應該是非常小的，若接觸電阻較大就可能會發生轉速失控故障。電子調速器通過電信號控制柴油機的高速和低速，高、低速繼電器的觸點之間存在幾十歐姆的電阻且電阻值不斷變化的接觸，直接導致發電機組轉速不穩定，最終導致逆功率故障的發生。通過更換故障的高、低速繼電器后，右發電機組轉速波動現象消失，雙機并列運行穩定可靠，逆功率故障得到了根本的解除。

4.3? 更換高、低速繼電器后雙機并列運行的效果

更換合格的高、低速繼電器后并車運行功率曲線圖，如圖3所示。從圖3可以看出電站總功率為50 kW左右，兩臺發電機組并列運行功率分配均勻穩定，功率差值很小，相差值基本在±2 kW范圍內，達到了設計技術要求。發電機逆功率保護的整定值為額定功率的8%～15%，更換繼電器后逆功率故障得到了根本解決。

5? ?結束語

船舶電站的安全穩定運行直接關系到船舶的安全穩定運行。由于船舶電站設備較多，控制系統也較復雜，其連續運行過程中難免會發生各種故障，逆功率就是電站常見的故障之一。引起發電機組逆功率故障的原因不僅局限于以上分析，電站管理人員必須熟悉電站的工作原理、設備組成和控制邏輯，這樣在排除故障時才能準確到位。

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