船舶同步發電機自動電壓調節器故障分析

閆 偉

(南通航運職業技術學院，江蘇 南通 226010)

船舶同步發電機自動電壓調節器故障分析

閆 偉

(南通航運職業技術學院，江蘇 南通 226010)

文章介紹了某船發電機因自動電壓調節器故障導致無法并電運行，詳細分析了調壓器差動橫向電流補償的原理并提出管理建議，對船舶電氣管理有一定的參考意義。

同步發電機；自動電壓調節器；故障；管理

船舶電力系統是指由一個或幾個在統一監控運行的船舶電源及與之相連接的船舶電網組成并向負載供電的整體[1]。發電機是整個供電整體的核心部分，將發電柴油機的機械能轉換為電能，起到非常重要的作用。此船配有3臺主發電機，發電機主要參數為：日本大洋(TAIYO)FEK50F-10 ，額定電壓440 V ，額定容量為1 250 kVA， 絕緣等級為10級 ，額定轉速為720 r/min。故障發生時已正常運行21 200 h。

1 故障現象

船舶海上航行，正常使用3#發電機向主配電板供電，電壓440 V、電流520 A，駕駛臺通知備車開航，機艙值班人員準備啟動2#發電機，機旁檢查發電機轉速、調速器、油壓、水壓等均正常，值班人員將發電機轉至遙控，發現手動并電困難。此船主配電板3臺發電機未裝功率因數表。值班人員發現2#發電機空載電壓為460 V，頻率為60 Hz。通知電氣主管人員下機艙后，手動調節的電壓調節器上的電壓調節旋鈕，電壓有變化，可以使電壓恢復到接近額定電壓440 V，此時調壓器旋鈕已經調到極限位置。主管人員再次將2#發電機與3#發電機并網運行。此時，2#發電機的電流比3#發電機電流高210～300 A。電氣主管人員啟動1#發電機，檢查1#發電機空載電壓為442 V，頻率為60.3 Hz，將1#發電機解列與3#發電機并網時運行正常，2臺發電機電壓、電流、功率偏差均在正常范圍內。為了確認故障原因所在，電氣主管人員再次將1#發電機與2#發電機并網運行，發現2#發電機的電流依然比1#發電機高出許多。為了船舶航行安全，使用1#發電機與3#發電機并網運行。至此，完全可以確認2#發電機為故障機。

2 故障原因分析

2#發電機故障現象為空載電壓偏大，與其它發電機并車困難，即使能夠并網運行，電流明顯高于其它發電機，可以斷定為并網運行時無功功率分配不均。2臺并聯運行的發電機如果端電壓不相等，在頻率、相位一致時，會在2臺發電機之間產生無功性質的環流，最終的結果將使電壓高的發電機輸出的無功功率大于電壓低的發電機，而并聯運行的發電機端電壓的穩定是通過控制內部勵磁發電機的勵磁實現，所設計的勵磁發電機的勵磁電路都配有自動電壓調節器。目前遠洋船舶的自動電壓調節器主要有3種類型：一種是通過均壓線來實現無功功率分配，而根據發電機容量不同又分為直流均壓線連接和交流均壓線連接2種情況；第二種是利用帶有橫向電流補償(又稱為電流穩定)環節的電壓調節器；第三種為帶有差動橫向電流補償(又稱為差動電流穩定)環節的電壓調節器。該發電機為無刷同步發電機，調壓器為帶有差動橫向電流補償環節的調壓器，其勵磁回路如圖1所示。

注：CCT為橫向電流補償電流互感器；DCT為差動電流互感器；CCR為橫向電流補償電阻；ACB為發電機主開關副觸頭；VR為電壓調節器；PT為電源變壓器；AVR為自動電壓調節器。圖1 船舶發電機勵磁電路

方框內的部件在集控室配電板內部。其勵磁機有2個勵磁繞組，即主勵磁繞組和副勵磁繞組。相復勵單元供電給主勵磁繞組，假如該單元單獨起作用時，將使發電機處于過勵磁狀態；總配電板匯流排經自動電壓調節器供電給副勵磁繞組，提供與主勵磁方向相反的勵磁。自動電壓調節器通過晶閘管調節勵磁機的副勵磁繞組的電流，使端電壓保持在要求的范圍內。2臺發電機需要并聯運行時，無功功率的自動均衡分配是由差動橫向電流補償環節實現的。主要由橫向電流補償電流互感器、橫向電流補償電阻以及配電板上發電機主開關的常閉觸頭等組成。發電機單機運行時，本發電機的主開關有電，串連在差動橫向電流補償環節的常閉觸電斷開，此時自動電壓調節器的差動橫向電流補償環節沒有起到作用[2]。

當發電機單機運行時，本發電機主開關副觸頭斷開，其它所有未運行發電機的主開關副觸頭保持閉合，這相當于運行發電機差動電流輸入端被其它停止的發電機的主開關短路，此時該發電機的差動橫向電流補償環節不起作用，發電機的調壓特性為僅有電壓負反饋、無差動橫向電流補償時的調壓特性。

2臺發電機并聯運行時的無功功率平均分配是由差動橫向電流補償環節保證的，每臺發電機的差動橫向電流補償環節是經過差動電流互感器的副邊耦合(圖1中為k2/L2)，每臺發電機差動電流互感器的耦合端并聯了發電機主開關的常閉副觸頭。當2臺發電機并聯運行時，參與并聯運行的發電機差動橫向電流補償環節經過未運行發電機的主開關常閉觸頭構成回路，起到差動橫向電流補償作用，經自動電壓調壓器調整作用實現無功功率的自動均衡分配，自動電壓調節器的工作原理圖如圖2。

圖2 自動電壓調節器工作原理方框圖

相位控制電路主要由2只開關管組成，PID電路的輸出控制主晶閘管電路開、關的動作，向晶閘管發送脈沖信號使得晶閘管導通。PID通過相位控制電路來調節晶閘管的導通角，從而達到反向勵磁調整電壓的目的。根據以上對帶有差動橫向電流補償功能的調壓器原理的分析，因為2#發電機的故障現象是發電機空載電壓過高和無功功率分配不均，故首先檢查副勵磁系統。將2#發電機停止運行，檢查橫向電流補償電流互感器，差動電流互感器，電源變壓器的源端和副端正常，無短路、斷路和接地現象。萬用表測量橫向電流補償電阻的阻值與3#發電機的橫向電流補償電阻阻值相同。電氣主管人員拆掉蓋板將其印刷電路板露出，再次啟動2#發電機對自動電壓調節器進行在線檢測并記錄檢測數據，同時啟動3#發電機空載運行，對自動電壓調節器進行在線檢測并記錄同樣的檢測數據，2臺發電機自動電壓調節器的檢測數據對比，如表1所示。

表1 2臺發電機自動電壓調節器的檢測數據對比 V

3 故障排除

分別停止2#和3#發電機，將2臺發電機的自動電壓調節器印刷電路板互換，再啟動運行，3#發電機出現了前面的故障，2#發電機正常。停止2臺發電機，將2只自動電壓調節器印刷電路板換回，并用備用電路板更換2#發電機自動電壓調節器印刷電路板。啟動2#、3#發電機，調整2#發電機電壓，再一次對上面的測量點進行測量，與3#發電機的數據對比基本吻合。對2#發電機進行空載和重載調試、并車調試，各項參數恢復正常。檢查換下的電路板，無明顯損壞跡象。對照測量的參數分析，認為是電路板上的元器件老化所致。

4 發電機日常管理中的注意事項

1)為保證發電機正常工作，在它附近不應有水、油堆積，不能有腐蝕性氣體，以免損傷發電機絕緣，沖洗機艙時不能將水濺入發電機中；要注意發電機的正常通風冷卻，經常清洗濾網，溫度也不可太低，防止導電器件上凝結有水珠。

2)監視發電機電壓、頻率、功率因數數值，電壓容許變化范圍不超過±2.5%，頻率的變換范圍不超過0.5%，功率因數正常在0.8。并聯運行時，功率因數要接近，如果偏差大電網穩定性將下降[3]。

3)停用時間較長或修理過的發電機應檢查對地絕緣電阻，采用500 V兆歐表測量，冷態絕緣電阻應大于2×106Ω，測量絕緣時應拆除相關電子元件，避免對電子元件的損害。

4)正常運行時發電機電壓要控制在額定值附近，三相之間相差不得超過1%，三相電流任何兩相電流相差不得超過15%。

5)停機時，經常檢查勵磁回路變壓器等處的接線、匝間絕緣等。

5 結束語

帶有差動橫向電流補償(又稱為差動電流穩定)環節的電壓調節器在國外廠家生產的交流發電機上比較多，國內也有生產廠家采用這種技術。我國《鋼質海船入級與建造規范》規定，靜態電壓變化率應在±2.5%以內，突加60%負載，瞬時電壓值不低于額定電壓的85%[3]。差動橫向電流補償線路比較簡單，可以使并聯運行的發電機組保持較好的恒壓特性，無功功率分配也可以達到相關要求。熟悉帶差動橫向電流補償的調壓器工作原理、做好日常維護管理工作才能降低船舶交流發電機的故障率，保證船舶安全營運。

[1]張春來.船舶電氣[M]. 大連：大連海事大學出版社，2008.

[2]厲啟宏.船舶交流發電機調壓器差動橫向電流補償工作原理分析[J].上海造船，2004(1)：61-65.

[3]左春寬.船舶動力裝置[M].大連：大連海事大學出版社，2012.

In this paper,the faults are introduced on automatic voltage regulator of the synchronous generator.The principle of automatic voltage regulator is analyzed with its differential cross-compensation in detail，suggestion is given for management,which provides reference for marine electrical management.

synchronous generator;automatic voltage regulator;fault;management

閆偉(1976-)，男，江蘇南通人，講師，大學本科，研究方向為船舶動力裝置管理與維修。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.06.011

2016-07-19