船舶電氣設備偶發故障分析探討

郜世杰，陳 穎

（1.海軍駐廣州427廠軍事代表室，廣州510715；2.海軍駐上海711所軍事代表室，上海200041）

1 引言

目前船舶上所配置的主配電板、發電機組、各類監控系統等電氣設備，在試驗、使用過程中難免會出現一些偶發故障，此類故障具有以下明顯特征：一是發生時機偶然；二是發生過程短促，過程記錄不明確；三是故障導致的結果多樣、定位不清晰。

基于上述特征，對該類問題的處理并沒有具體的方法，往往通過對可能出現故障點的電氣元件進行大面積重新接插，或更換元器件等手段進行排除。如果成功消除了故障現象，此類故障便會簡單的歸結為元器件松動、接觸不良或設備保養不到位等原因。然而這種處理方法雖然能短時間改善或規避故障的發生，但由于故障機理的不確定性，并沒有從根本上解決故障問題，因此對設備的后續使用者來說造成了一定的隱患和不確定性。本文通過對某型艦船上偶然發生的發電機組失壓故障進行分析，通過實船試驗明確了所謂接觸不良現象的電氣特性，成功人為復現故障現象，從根本上解決了故障問題。

某型艦船上所配置的相復勵勵磁系統發電機組，在碼頭試驗期間發電機穩定運行過程中，偶然發生了發電機組欠壓報警，隨后發電機組電壓迅速跌落，主開關跳閘。現場服務人員停機檢查后并未發現原動機組、發電機、主開關等部件存在故障，再次起機后發電機組能穩定建壓并連續運行。

相復勵勵磁系統以其結構簡單、可靠性高和較好的復勵性能，是目前我國船用交流發電機的主要勵磁方式[1]-[3]，它可以很好的保證規范要求的靜態和動態性能。基于相復勵勵磁系統的發電機組通常會配備輔助的電壓調節裝置，用來滿足發電機的電壓特性和負載特性[4]-[5]。在發電機組的調試及使用過程中，經常會遇到發電機組建壓失敗的問題，如不能及時解決將會影響發電機組的正常使用，導致船舶失去動力而無法運行。

發電機組建壓失敗分為兩種情況：一種是發電機輸出電壓為0，屬于發電機失磁的情況，此時若發電機組的元器件無損壞，只需對發電機進行充磁即可；另一種是發電機輸出電壓為剩磁電壓。本文以第二種建壓失敗故障為基礎，對這種基于相復勵勵磁系統的同步發電機輸出剩磁電壓的原因進行分析。

2 相復勵勵磁系統的原理

圖1 相復勵勵磁系統的原理框圖

相復勵勵磁系統的同步發電機勵磁系統的原理框圖，如圖1所示。發電機在起機時，利用發電機中的剩磁建立剩磁電壓，剩磁電壓通過相復勵裝置后，經過整流橋D進行整流后，輸出直流電壓u作為勵磁繞組L的勵磁電壓，從而產生勵磁電流。由于勵磁繞組流過勵磁電流，發電機開始迅速建壓，從而形成正反饋通路，使得發電機實現快速起勵，完成發電機組的建壓過程。圖1中的電抗器X1和諧振電容C1用來在發電機達到一定轉速時候發生諧振（諧振頻率），從而在短時間內產生較大的勵磁電流，使得發電機實現快速起勵。勵磁繞組兩端接有充磁電路，如圖中所示。

3 發電機建壓失敗的可能原因

當發電機組輸出的電壓為發電機的剩磁電壓，表明發電機組的勵磁回路出現故障，其故障有以下幾種：

（1）勵磁回路斷路或短路

當勵磁回路斷路或短路時，勵磁繞組無法得到勵磁電流，整個相復勵系統也無法形成正反饋，因此導致發電機端輸出電壓只有剩磁電壓；

（2）分流用的開關管短路

當開關管出現短路故障時，整流橋輸出勵磁電流全部消耗在分流電阻上，勵磁繞組得不到勵磁電流，因此發電機輸出電壓只有剩磁電壓；

（3）充磁回路短路

當充磁回路短路故障時，會將勵磁繞組短路，導致勵磁電流為0，因此發電機輸出電壓只有剩磁電壓；

（4）濾波電容C擊穿短路

當濾波電容C被擊穿短路時，會將勵磁繞組短路，導致勵磁電流為0，因此發電機輸出電壓只有剩磁電壓。

4 某船故障原因分析

某船的發電機組在調試過程出現偶爾輸出電壓為剩磁電壓的建壓失敗故障。由于該故障是偶爾出現，因此根據上述3節中的分析可排除第（2）、（3）、（4）三種可能性，因為若開關管或濾波電容出現短路故障，則為硬件出現故障，這種故障會在每次發電機組起機時必然出現，因此對第（1）種可能性進行重點排查。

經過排查，發現系統勵磁回路中F1短接片的緊固螺絲有所松動，此處的勵磁回路的連接線如圖2所示，實際連接圖片如圖3所示。圖2中兩個F1和F2分別代表控制回路的勵磁線和電機回路的勵磁線。從圖3中可以看出，若短接片的緊固螺絲有所松動，可能會造成三種后果：

圖2 勵磁回路連接線

圖3 實際連接圖

（1）勵磁回路斷路

若短接片松動較多，則可能造成控制回路與電機回路的勵磁線發生斷路，使得發電機的勵磁繞組無法得到勵磁電流，導致發電機輸出只有剩磁電壓，故人為的將該點斷開，對發電機進行起機試驗，發電機輸出電壓只有剩磁電壓26 V，故障得到復現，說明這種可能性較大。

（2）勵磁回路接觸電阻較大

當短接片松動但沒有完全斷開的狀態時，連接點相當于接入一個較大的接觸電阻，即勵磁回路接入一個較大的限流電阻，當電阻達到一定的值時，勵磁電流幾乎為0，使得發電機輸出電壓只有剩磁電壓。為了驗證接觸電阻的大小對勵磁電流的影響，進行了這種勵磁回路接觸不良的模擬試驗，其試驗原理如圖4所示：分別在勵磁回路的F1線路中串入600 Ω、1 800 Ω、2 700 Ω和3 600 Ω的電阻，對發電機進行空載起動建壓的試驗，分別測量串入各種電阻情況下的勵磁電流和發電機輸出端電壓，從而判斷出當勵磁回路串入多大電阻時會導致發電機建壓失敗。從試驗數據看出，當勵磁回路串接的電阻達到2.7kΩ以上時，發電機輸出端電壓只有30 V左右，與該船發電機組建壓失敗的情況相同，此時的勵磁電流只有mA級；當發電機組勵磁回路的接觸電阻達到3 kΩ以上時，可以導致發電機建壓失敗，因此短接片接觸不良造成此次發電機組出現偶爾建壓失敗的可能性較大。

圖4 勵磁回路接觸不良模擬試驗電路圖

（3）勵磁回路短路

從圖3中可以看出，F1與F2的短接片之間的電氣間隙較小， 在短接片松動的情況下由于外力作用可能會造成兩塊短接片短接，引起勵磁回路短路，從而導致發電機輸出只有剩磁電壓的故障。因此人為的將兩塊短接片短接，將發電機進行起動建壓試驗，輸出電壓為26 V，與此次故障現象相同，因此此次發電機偶爾輸出電壓只有剩磁電壓的故障也不排除這種可能性。

5 結束語

經過上述的排查過程，基本可以判斷此次故障的原因在于勵磁回路F1的短接片松動造成勵磁回路接觸不良或短路所致。將此短接片進行緊固后，多次對發電機組進行起停機試驗，發電機組均建壓正常，且之后的長期運行中發電機組均運行正常，表明此次故障得到有效解決。

經過此次排查發現，當發電機偶爾出現建壓失敗時，應重點排查勵磁回路的線路，而非元器件的更換與排查，因為若是元器件出現問題，則故障現象不是偶然而是必然出現的。

本文對此次發電機組建壓失敗的排查過程、分析與結論，是成功解決電氣設備偶發故障的典型案例，可為同類設備出現類似問題時提供一定的參考。

[1]王文義.船舶發電機電磁疊加相復勵恒壓裝置的調試[J].船海工程,2012(08).

[2]史際昌.電磁式相復勵自勵恒壓系統最佳參數的計算[J].大連海運學院學報, 1986.08.

[3]王華強.中小型同步發電機相復勵勵磁系統分析[J].荊門職業技術學院學報, 1999.06.

[4]張珺.發電機勵磁調節器的動態試驗研究[J].機械與自動化, 2013.05.

[5]周臘吾, 黃守道.一種同步發電機無刷勵磁系統的設計[J].防爆電機,2001.03.