某型船電網(wǎng)振蕩的原因分析及對策

胡緒昌，陳 勇，孟海輝

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

某型船電網(wǎng)振蕩的原因分析及對策

胡緒昌，陳 勇，孟海輝

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

本文分析了某型船電力系統(tǒng)在電網(wǎng)振蕩時各電氣參數(shù)變化的特點(diǎn)及電網(wǎng)發(fā)生振蕩的原因，闡述了處理電網(wǎng)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(wǎng)振蕩 功率 解列 負(fù)荷

0 引言

某型船主電網(wǎng)為380 V、50 Hz交流電，由7臺同步交流發(fā)電機(jī)供電，分別為5臺汽輪發(fā)電機(jī)（額定功率為1200 kW）和2臺停泊發(fā)電機(jī)（額定功率為616 kW）。在出海作業(yè)期間，全船用電的最大負(fù)荷為1200 kW，一般由2臺汽輪發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電，兩臺停泊發(fā)電機(jī)在汽輪機(jī)出現(xiàn)應(yīng)急的情況下，投入并網(wǎng)發(fā)電。從電網(wǎng)以往的運(yùn)行情況來看，電網(wǎng)運(yùn)行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)電網(wǎng)振蕩的現(xiàn)象，此現(xiàn)象會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰。突然性的全船停電會對船舶的航行安全和特裝設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生危害，特別是在作業(yè)期間，停電事故是絕對不允許發(fā)生的，因此對船舶電網(wǎng)的運(yùn)行管理尤其重要。

1 交流同步發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的條件

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

2）頻率相等：待并發(fā)電機(jī)組的頻率應(yīng)與電網(wǎng)頻率相等，實(shí)際操作時，允許誤差在0.5 Hz 以內(nèi)；

3）相位相等：待并發(fā)電機(jī)組電壓初相位應(yīng)與電網(wǎng)電壓相位相同，實(shí)際并車操作時，允許待并發(fā)電機(jī)組相位與電網(wǎng)相位相差10°～15°以內(nèi)；

4）電壓有效值相等：待并發(fā)電機(jī)組電壓有效值與電網(wǎng)電壓有效值相等，實(shí)際操作時，待并發(fā)電機(jī)組電壓有效值與電網(wǎng)電壓有效值之差允許在10%以內(nèi)。

如圖1所示，電站每一臺發(fā)電機(jī)的配電屏都設(shè)有電壓表、頻率表、電流表、功率表和勵磁電流表。用來監(jiān)測電力系統(tǒng)中各種電氣參數(shù)，同時對某些電氣參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如：電壓、頻率、勵磁電流的調(diào)整等。

2 電網(wǎng)振蕩的類型和電氣量的變化特征

電網(wǎng)振蕩時依據(jù)其電氣量的變化特征可分為電網(wǎng)的異步振蕩和電網(wǎng)的同步振蕩。

2.1 電網(wǎng)的異步振蕩

電力系統(tǒng)發(fā)生異步振蕩時，其電氣量變化特點(diǎn)是：兩側(cè)系統(tǒng)失步，兩側(cè)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(wǎng)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(lián)絡(luò)線及整個電網(wǎng)中的電流均做周期性變化，其中聯(lián)絡(luò)線上的電流變化幅度最大。

2.2 電網(wǎng)的同步擺動

某型船，在出海航行期間是兩臺發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行為全船供電，且每一臺發(fā)電機(jī)均裝有自勵恒壓裝置，來保證并聯(lián)發(fā)電機(jī)的電壓和頻率相等，我船的電網(wǎng)振蕩大部分屬于電網(wǎng)同步擺動。電網(wǎng)發(fā)生同步擺動時，它的特點(diǎn)是：兩側(cè)系統(tǒng)不失步，兩側(cè)系統(tǒng)等值電動勢在0°～90°之間變化。聯(lián)絡(luò)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(wǎng)中電流均作周期性變化，且聯(lián)絡(luò)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(fù)擺動。

圖1 發(fā)電機(jī)配電控制屏

3 電網(wǎng)出現(xiàn)振蕩的原因分析

3.1 出現(xiàn)異步振蕩的原因分析

1）在待并網(wǎng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)初期，發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩T1或產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T 突然發(fā)生變化時，由于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的慣性而引起轉(zhuǎn)子的振蕩，從而引起電壓和頻率發(fā)生微弱振蕩。多數(shù)情況下，這種振蕩屬于衰減振蕩，由于汽輪發(fā)電機(jī)具有自動平衡的調(diào)節(jié)作用，所以這種振蕩經(jīng)過多次衰減振蕩后能達(dá)到平衡狀態(tài)。這種情況在以往我船電網(wǎng)運(yùn)行中也曾有過，不過大部分出現(xiàn)在并網(wǎng)運(yùn)行的初期。

2）由于汽輪發(fā)電機(jī)長時間的運(yùn)行、設(shè)備的老化、船舶航行時船體的搖晃等因素，勵磁系統(tǒng)中勵磁接線會出現(xiàn)接觸不良、松動、甚至突然斷裂的現(xiàn)象，勵磁電流會不穩(wěn)定，從而使發(fā)電機(jī)的電壓處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，在以往海上作業(yè)期間中某型船曾經(jīng)出現(xiàn)過這樣的情況。

3）每一臺發(fā)電機(jī)都配置有自動調(diào)壓裝置，并聯(lián)運(yùn)行單臺發(fā)電機(jī)的調(diào)壓裝置出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致電壓出現(xiàn)振蕩，這種現(xiàn)象危害較大，對船舶的用電設(shè)備產(chǎn)生巨大的危害，尤其是特裝設(shè)備。

3.2 電網(wǎng)出現(xiàn)同步擺動的原因

電網(wǎng)出現(xiàn)同步擺動時，具體表現(xiàn)在電站兩臺發(fā)電機(jī)的儀表指數(shù)出現(xiàn)來回擺動的現(xiàn)象，且擺動的頻率越來越快，嚴(yán)重時單臺發(fā)電機(jī)逆功跳閘，負(fù)荷突然轉(zhuǎn)移到另一臺發(fā)電機(jī)上，發(fā)電機(jī)的電流過大，超過整定值，主開關(guān)調(diào)閘，主電網(wǎng)失電。

3.2.1 發(fā)電機(jī)調(diào)器的原因

1）單臺汽輪機(jī)調(diào)速器的伺服電機(jī)出現(xiàn)卡死或打滑的現(xiàn)象，使其無法調(diào)速或調(diào)速靈敏度下降。

2）由于汽輪發(fā)電機(jī)使用的是液壓調(diào)速系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)長時間在油氣和粉塵較多的環(huán)境中運(yùn)行，會使雜質(zhì)進(jìn)入液壓油，從而使調(diào)速靈敏度下降。

3）調(diào)速器的其他機(jī)械故障，會導(dǎo)致電站發(fā)電機(jī)配電控制屏上無法對發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無法條件，從而引起電網(wǎng)同步擺動。

3.2.2 電氣方面的原因

1） 由于船舶發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的容量都不大，當(dāng)大的用電設(shè)備（如錨機(jī)，空調(diào)、主海水泵等）的投入或撤除以及大的用電設(shè)備的頻繁啟動（如空壓機(jī)），會引起電網(wǎng)的電壓和頻率發(fā)生變化， 并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的負(fù)載平衡點(diǎn)受到破壞。

2） 汽輪發(fā)電機(jī)長時間運(yùn)行，勵磁機(jī)的碳刷磨損較多，粉塵聚集在碳刷和集電環(huán)上，勵磁機(jī)集電環(huán)打火，導(dǎo)致勵磁電流不穩(wěn)定，電網(wǎng)的功率因數(shù)產(chǎn)生晃動。

3）由于每一臺發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性都不一樣，并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的性能搭配不合理，并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)就會出現(xiàn)互相“搶”負(fù)荷，使電網(wǎng)處在一種不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)負(fù)荷突然轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。

4）根據(jù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，發(fā)電機(jī)輸出功率在額定功率的75%的狀況下運(yùn)行比較穩(wěn)定，船舶的用電負(fù)荷在白天和夜里的負(fù)荷相差200 kW左右，負(fù)荷的差異同樣會引起發(fā)電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，電網(wǎng)同樣會出現(xiàn)擺動的現(xiàn)象。

4 電網(wǎng)發(fā)生擺動時處理方法

4.1 電網(wǎng)異步振蕩的處理方法

1）對于并網(wǎng)初期電網(wǎng)就發(fā)生異步振蕩的情況，要果斷解列待并發(fā)電機(jī)，待查明原因后再次并網(wǎng)工作。

2）對于在并聯(lián)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中，出現(xiàn)勵磁電流擺動幅度比較大的現(xiàn)象，要迅速檢查發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)，如不及時檢查，會導(dǎo)致電網(wǎng)突然崩潰。

4.2 電網(wǎng)同步擺動的處理方法

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

常用的處理方法：

1）在電網(wǎng)擺動初期，擺動頻率不高的情況下，應(yīng)及時重新分配兩臺汽輪機(jī)的負(fù)荷，使其能找到一個新的負(fù)載平衡點(diǎn)。

2）在重新分配負(fù)荷無效果的情況下，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，卸載掉一部分不影響船舶航行的負(fù)荷（如船用空調(diào)、機(jī)爐艙抽送風(fēng)），解列一臺發(fā)電機(jī)機(jī)，保留一臺可靠的發(fā)電機(jī)工作，并迅速并上剛解列的那臺發(fā)電機(jī)，若并網(wǎng)后，電網(wǎng)仍出現(xiàn)擺動現(xiàn)象，需再次撤除剛并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)，將停泊發(fā)電機(jī)迅速投入并網(wǎng)工作，待重新并網(wǎng)一臺可靠的汽輪發(fā)電機(jī)后，解列停泊發(fā)電機(jī)。

4.3 新的處理方法

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前應(yīng)用于電力系統(tǒng)的同步解列依據(jù)主要有電壓、電流、頻率、UCOSφ判據(jù)和相角差判據(jù)等。處理的主要裝置有：自動調(diào)載調(diào)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(jù)，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(wǎng)上采集到的電壓、電流信號為模擬量，用A/D裝置轉(zhuǎn)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(jù)，并且真實(shí)反應(yīng)了電網(wǎng)中電流的變化情況。當(dāng)裝置報警時，只是有可能解列發(fā)電機(jī)，給電站管理人員提供一個發(fā)生振蕩的信號，當(dāng)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(jié)束語

由于振蕩對電網(wǎng)具有很強(qiáng)的危害性，為了能提供安全可靠的電力保障，提出三點(diǎn)建議：

1）電站帶更和電站管理人員要認(rèn)真總結(jié)電網(wǎng)出現(xiàn)振蕩的特征和以往的處理方法。做發(fā)現(xiàn)及時、處理及時。

2）電工崗位制定詳細(xì)的應(yīng)急處理方案，平時應(yīng)加強(qiáng)電網(wǎng)振蕩處理的針對性訓(xùn)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(zhǔn)確。

3）加強(qiáng)專業(yè)理論的學(xué)習(xí)，及時處理設(shè)備出現(xiàn)的故障，平時認(rèn)真細(xì)致地做好設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工作。

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

[2] 海濤等. 電網(wǎng)振蕩時有功功率變化量的研究. 自動化技術(shù)與應(yīng)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(yè)方向：船舶動力。