淺談新海鳳輪電站的原理與維護

張棟成

(中港疏浚有限公司，上海200136)

0 引言

船舶電站：在艦船上將非電形態的能量轉換成為符合要求的電能并向船舶電網供電的設備的總稱。一般由船舶發電機組(原動機、發電機)以及由開關電器、保護裝置、測量儀表、控制設備等構成的配電盤組合而成，船舶電站是船舶電力系統的核心[1]。船舶電站根據電流類型、原動機類型、功用、自動化程度可劃分為多種形式電站，如直流電站和交流電站；柴油機、蒸汽機、汽輪機、燃氣輪機電站；主電站、應急電站和臨時應急電站；手動電站、半自動電站和全自動電站。主接線主要有下列形式：①單母線不分段②單母線分段③雙母線不分段④雙母線分段[2]。

1 電站簡介

1.1 配電板基本結構

新海鳳輪船舶電站單線圖如下所示：

圖1 新海鳳輪電力系統一次線路單線圖

由圖1可見，新海鳳輪船舶電站組成由兩臺軸帶發電機，輔發電機，應急發電機，左、右主變壓器，左、右690 V配電板，左、中、右、應急400 V配電板，艏、艉岸電箱，左主發電機開關A，右主發電機開關B，左主變壓器原邊開關C，右主變壓器原邊開關D，左主變壓器副邊開關E，右主變壓器副邊開關F，左匯流排聯絡開關G，右匯流排聯絡開關H，輔發電機開關I，應急發電機開關J，應急配電板聯絡開關K，主配電板供電開關L，主配電板上反供電開關O，應急配電板反向供電開關P,艏部岸電開關M，艉部岸電開關N，各動力設備等組成。主接線采用雙母線分段形式：400 V母線和690 V母線；400 V左匯流排，中匯流排和應急配電板匯流排、右匯流排，690 V左匯流排和右匯流排。

1.2 配電模式劃分

新海鳳為耙吸式挖泥船，由于采用一拖三復合驅動模式即主機拖帶螺旋槳、軸帶發電機和泥泵，在正常施工過程中，兩臺主機需要不定時的降速和升速，且船舶施工在某些特定情況下（例如單泵施工，雙泵串聯吹岸），兩臺主機工況并不一定同步。另由于施工的需求，船舶采用了大功率的三相異步電動機（高壓沖水泵電機1320 kW，側推電機650 kW），考慮經濟性，電站采取了AC 690 V和400 V兩種電壓等級。而發電機并聯運行的理想條件包括：相序一致，三相對稱交流電壓幅值相等，相位相同，頻率相等[2]。因此新海鳳電站當中各發電機采取短暫并聯運行，以實現配電模式切換，且采用西門子LOGO，監控E、F、G、H、I、O斷路器狀態，形成各發電機之間長時間并聯運行保護，并采取斷開H或I或O斷路器的方式，避免發電機之間長時間并聯運行。

根據配電板各空氣斷路器的不同狀態組合，新海鳳船舶電站分出8種主要配電模式，詳見圖2所示。除8種主要配電模式外，部分無定義的配電模式可通過手動配電實現。

配電板選擇遙控的情況下，由功率管理系統負責監視和調整功率，實現配電模式的操作和執行。除8#模式應急模式，其他幾種配電模式均可互相切換。應急發電機在應急模式下采取8#供電模式單供應急配電板，主配電板失電后應發啟動20 s延時。要切換到其他模式需要將應急發電機的工作模式改為harbour模式，然后采用7#模式供電，再切換到其他模式。

1.3 電站的控制

新海鳳輪電站控制可分為自動控制和手動控制（半自動控制），自動化電站具有以下功能：1）發電機操作方式選擇，2）發電機的自動啟動，3）自動準同步并車，4）自動分級卸載，5）重載詢問，6）重要負載分級啟動，7）自動解列[2]。

PLC4、5為自動化電站核心部分，包含配電模式切換控制、輔助動力設備自動控制、功率管理等主要功能的程序。自動化電站的實現依靠MIMIC PLC4、5，配電板PLC 4A、5A協同作用，同時接收其他PLC的信號，如推進PLC6、7，液壓控制PLC2等,以此實現配電模式切換、全船功率管理和輔助動力設備集中控制。

功率管理系統（PMS）主要功能有：1）配電板失電自動啟動輔發電機；2）執行和引導配電模式之間切換；3）引導側推的啟動，并釋放軸發和主機功率保障啟動成為可能；4）防止主機過載；5）防止主發電機過載；6）防止主變壓器過載。當配電板部分失電時，經過2 s延時依靠聯絡開關G或者H的dead busbar功能實現恢復供電。

自動準同步并車和自動解列：經過發電機同步條件判斷，當發生配電模式轉換時，如3#->1#或1#->3#模式，同步條件滿足時自動進入并車程序或解列程序，通過升速或降速信號控制待命機組的頻率和相位，發出相應斷路器合閘或分閘信號。當解列時如1#->6#或1#->7#模式，若電網總負載大于待并機組額定功率時，解列指令自動取消并顯示復位。允許軸帶發電的同步條件：①主機控制權限在機艙時，需要定速模式或無特定模式同時泥泵離合器脫排或疏浚模式同時泥泵離合器脫排，主機轉速≥97%；②主機控制權在駕駛臺，需要定速模式，且主機轉速≥97%。

次要設備自動分級卸載和重要設備分級自動啟動功能：1)當主變壓器或者輔發電機或者應急發電機過載，即功率達到105%額定功率時，PMS會采取優先脫扣的方式，經過延時卸載空調和廚房次要設施；2)全網失電恢復供電后，為迅速恢復電力系統正常運行，同時考慮系統穩定性，采取限制每級啟動電流值，按重要順序依次逐級啟動，如圖3所示，本船第一級為：1臺230 V主穩頻器，2臺舵機油泵，第二級為：1臺泥門鎖緊泵，2臺推進齒輪箱控制油備用泵，2臺可調槳液壓泵，2臺泥泵齒輪箱滑油備用泵，2臺推進齒輪箱滑油備用泵等。

重載詢問：①當側推電機啟動前，會向PMS發出啟動請求，PMS根據軸帶發電機和主機的功率是否充足（軸發至少1500 kW,主機至少650 kW），及時給予相應調整（軸發功率不足則降低高壓沖水泵電機轉速;主機功率不足則降低可調槳槳角），給設備啟動允許反饋或禁止啟動并產生報警；②當高壓沖水泵啟動時，會向PMS發出啟動請求，PMS根據軸發功率是否充足，給出啟動允許或禁止啟動并產生報警；③當泥泵離合器需要合排時，會向PMS發出啟動請求，PMS通過降低可調槳螺距來調整主機的富余功率，直至滿足泥泵運轉所需的功率，給出合排允許。否則給出禁止合排，并產生報警。

手動控制，輔發電機控制屏上選擇本地控制。手動配電模式是半自動的，切換主要從各個斷路器所在控制屏上通過合閘、分閘按鈕進行操作，發電機同步依靠自動同步表進行。此時PMS將不起作用，若側推控制器、高壓沖水變頻器、泥泵離合器、可調槳控制器處于本地控制，則PMS也無法調整其功率。

2 實例故障

2.1 3#模式切換1#模式，卻切換到2#模式

這種情況，容易誤導以為配電程序出問題，然而并非如此。首先考慮發電機并聯保護功用：當左、右軸帶發電機長時間并聯運行時即E與F斷路器同時合閘超過1秒，并聯保護會自動斷開H斷路器。因此需要查看G斷路器為何遙控不分閘。具體操作可以先從手動操作G斷路器，看其合分是否正常。若手動分斷出現問題，則需要檢查斷路器本體及其附屬器件和相關電路。若手動操作正常，則需要檢查PLC4A輸出的控制G斷路器遙控分閘的微型中間繼電器是否正常通斷。本次故障則是中間繼電器觸點接觸不良引起。

2.2 空氣斷路器意外脫扣或合閘無反應

空氣斷路器脫扣，正常狀況下應為發電機或配電板出現失壓、過載、短路或者發電機逆功率而保護脫扣。然而實際情況下，多數遇到的都是非正常原因脫扣，例如過載延時誤動作，失壓線圈吸合不到位，繞組高溫、發電機漏水等外圍連鎖動作，斷路器自身機械原因等。新海鳳輪曾出現過因D、E、O斷路器誤動作導致配電板失電。D/E經過長時間觀察發現過電流檢測模塊micrologic 5.0出現電流檢測值波動較大，且測量值比實際大，在大負荷工作時引起過載長延時動作。O斷路器則因失壓線圈吸合不到位，偶爾彈出導致脫扣。

圖3 自動優先啟動順序圖

2.3 外部電源故障引起配電失敗

狀況1：錨泊期間，輔發柴油機正常保養，因此需要將配電模式由6#轉到7#，當保養完畢由7#到6#模式時，K開關未正常合閘，手動操作合閘完成配電。狀況2：切換7#模式時，配電過程中，發生配電失敗，主配電板失電。如圖1所示，7#到6#模式時，首先輔發電機空氣斷路器I先合閘，而后應急配電板取電開關O斷開。由于K與J斷路器存在連鎖，所以此時J先斷開而后K延時合閘，配電轉換完成；其他模式切7#模式時，則K斷路器先分閘，而后J斷路器才能合閘。在模式轉換期間，應急配電板會出現短時的失電。此時船舶24V電源由艏、艉24V充放電板的蓄電池維持，而配電板24V工作電源來自艉部充放電板的3#分配電板。結合兩次現象，對蓄電池狀況進行檢查，當斷開400V交流電源后，發現蓄電池瞬間下降到15V，壓降很大，確定由電池組不能正常供電引起配電失敗。及時更換新的蓄電池組后，實驗配電功能切換均正常。

2.4 D斷路器預充磁失敗

從電機學原理來看，變壓器合閘時類同于電動機起動，都有大電流沖擊，其非周期分量可達十幾倍額定電流。大容量的變壓器合閘沖擊電流可能會引起發電機跳閘。為了防止這種現象發生，高壓變壓器往往采用預充磁方式合閘，以減少沖擊電流。預充磁通常有兩種方式：高壓變壓器初級繞組先通過電阻接至中壓配電板母線，經延時后變壓器主斷路器接通旁路電阻，然后再斷開電阻電路；另一種從低壓電網接通一臺等壓變比的小型變壓器與中壓變壓器的次級繞組并聯，高壓變壓器的初級繞組會感應一個高電壓，經延時后，高壓變壓器主斷路器合閘，然后再斷開小變壓器電路[1]。

圖4 預充磁計時計數回路原理圖

新海鳳輪主變壓器視在功率為1600 kVA，690V/400 V，采用原邊串聯電阻方式進行預充磁。充磁延時采用計數器和計時器配合，最多3次/6min，原理如圖4所示：K103.6為計時器，受控于K103.8的輔助觸點；K103.7為計數器，在K103.6上電時被復位計數次數，由K103.2動作次數來計數預充磁次數，最多3次；K103.8在首次預充磁開始時得電，控制K103.6開始計時6 min；K103.9受控于K103.7，當預充磁次數達到預設次數3后得電，形成預充磁閉鎖，使得預充磁動作結束同時使得合閘操作無效。

本次故障則由于控制合閘線圈得電的延時繼電器K103.3輔助觸點線頭脫落導致D斷路器沒有給出合閘反饋，遙控系統反復充磁達到次數限制而閉鎖。

2.5 應發供電，大負荷啟動時H斷路器脫開后自動合閘

對動態電壓調整率的要求，我國《鋼制海船入級規范2009》規定：交流發電機在負載為空載，轉速為額定轉速，電壓接近額定值的狀態下，突加和突卸60%額定電流及功率因數不超過0.4（滯后）的對稱負載時，當電壓跌落時，其瞬態電壓值應不低于額定電壓的85%，當電壓上升時，其瞬態電壓值應不超過額定電壓的120%，而恢復到最后穩定值相差3%以內所需的時間，則不應超過1.5s[1]。

應發正常供電，液壓泵啟動時斷路器H脫扣后又自動合閘，脫扣原因為發電機電壓過低而低壓監測設定值偏移，自動合閘則由配電板的dead busbar功能實現。出現發電機電壓過低可能為：柴油機調速器故障，發電機AVR故障。新海鳳應急發電機出現由于調速器執行機構卡堵，引起游車，使得配電模式不能切換且大負荷動作時發電機電壓和頻率波動較大；H斷路器的問題則由于電子調速器供電不足引起突加大負荷時，柴油機電子調速器工作異常引起調速不良，引起發電機電壓和頻率下降明顯，導致低壓保護動作。

3 電站維護

日常維護檢查：電站各種配電模式切換試驗，確保模式之間的切換準確、有效。定期分批對配電板各屏內的電氣元器件進行檢查、緊固，異常的元件及時給予更換。保證電站系統的控制電源穩定，保證配電板的良好絕緣,日常檢查多注意配電板各儀表參數，根據配電模式檢查相關斷路器監測的實時電流與儀表是否相符。平時巡回檢查注意發電機周遭環境有無漏水、漏油；關注發電機冷卻水溫和冷卻空氣溫度，周圍環境溫度，保證發電機良好冷卻。軸承潤滑油油位、油質時常關注；潤滑油脂定期適量加注，注意牛油孔的疏通與否；AVR定期檢查接線，除灰；無刷自勵發電機定期檢查勵磁機和旋轉二極管組成的勵磁回路阻值，測量二極管及穩壓電阻電容特性是否正常；發電機的控制電源和備用電池保證切換正常，電池和充電機工況良好，或者保證電池和調速器控制單元、執行單元備用件充足。

季度及年度檢查：配電板上重要斷路器每季度搖到“試驗”位置測試合閘、分閘、失壓脫扣等控制功能；完全抽出進行內部檢查清潔。需用專用儀器校驗的，如過載、短路保護時間整定，電流值整定，每4～5年申請由船級社認可資質的單位校驗，并出具校驗數據報告，做好相應標識[2]。

4 結論

船舶電站自動化最主要的目的在于保證船舶供電的連續性、可靠性和供電品質。對于船舶電氣管理人員，最重要的任務就是管理好船舶電力系統，保證電站供電可靠、參數穩定、運行經濟、使用安全。一旦發生故障能夠迅速恢復供電，排除故障[2]。這就需要通過對以往各種故障認真的分析和總結，不斷地積累經驗，逐步提高電站管理和維修水平。

參考文獻：

[1] 吳志良.船舶電站及其自動化系統[M].大連：大連海事大學出版社，2009,（4）:90-95.

[2] 趙殿禮,張春來.船舶電氣設備管理與工藝（第2版）[M].大連：大連海事大學出版社,2010,(4):123-130.