柴油發電機組并聯運行典型故障分析

張 潔

(青島前進船廠，山東 青島 200331)

柴油發電機組并聯運行是一種重要運行狀態。當船舶電網負荷用電量較大或船舶停靠碼頭、狹水道航行等特殊情況下，就會啟動第二臺或更多的柴油發電機組參與發電以滿足更大的船舶負荷要求。2臺或2臺以上柴油發電機組并聯運行的供電品質和可靠運行必須滿足相序一致、頻率一致和電壓一致3個基本前提，其中相序由發電機制造和電纜布置確定，頻率和電壓則與柴油發電機組的運行參數和運行特性密不可分。柴油機的穩態調速率和發電機的靜態電壓調整率是柴油發電機組正常并聯運行以及運行品質的決定因素。

柴油發電機組并聯運行時，如果出現負荷分配不均和負荷分配不穩等現象，會直接影響電站系統的運行安全，甚至對柴油發電機組本身造成不可逆轉的損傷。柴油發電機組并聯運行時有功功率分配不平衡，低負荷時往往會在并聯機之間引起有功環流，嚴重時出現逆功；高負荷時會出現1臺柴油發電機組已經滿載或過載，而另1臺柴油發電機組仍處于輕載狀態，機組過載會引起柴油發電機組安全保護裝置動作，影響整個電站系統的正常運行，嚴重時會造成柴油機拉缸等重大傷害。

1 柴油發電機組并聯運行時負荷分配超差

1.1 故障描述

3臺TBD604柴油發電機組修后單機水阻負荷試驗，運行參數正常，試驗數據如表1所示。

表1 TBD604柴油發電機組單機水阻負荷試驗數據記錄表

1.2 故障分析和定位

由表1知，3臺柴油發電機組單機水阻負荷試驗數據無明顯異常、機組運行時無異常現象、電壓調整率基本一致，穩態調速率1#機組和2#機組基本一致，3#機組的穩態調速率較其他2臺機組偏大。

柴油發電機組的轉速理論上為設定的恒定轉速，從而確保供電時頻率穩定以滿足設備使用要求，然而機組實際運行中由于負荷不斷發生變化，柴油機的實際轉速會偏離設定值。這種隨著負荷增大或減小而發生實際轉速偏離設定值的關系，稱為柴油機的穩態調速率。穩態調速率允許柴油機轉速在一定范圍內波動，這種柴油機轉速的變化反映在發電機組上就是發電機輸出電壓頻率的變化。

柴油發電機組的穩態調速率不同，即在設定轉速相同的情況下，帶同樣負荷后，不同機組柴油機實際轉速下降的幅度不同，發電機電壓的頻率不同，機組并聯運行后頻率相同，此時并聯柴油發電機組各自承擔的負荷不同。以1#機組帶載，3#機組并車為例，3#機組穩態調速率高，并車后帶載使3#機組轉速按照穩態調速率曲線下降，1#機組負荷轉移至3#機組的同時轉速按照穩態調速率上升，直至2臺機組轉速完全一致，各自承擔相應的負荷。如果并聯運行機組的穩態調速率一致或接近，則并聯運行機組的負荷分配按照穩態調速率曲線比較均衡，如果存在明顯偏差會導致在并車后負荷分配不均衡，其程度主要由穩態調速率的差別大小決定。

根據機組試驗數據分析判斷該故障為穩態調速率調整不當造成，需要對3#柴發機組的穩態調速率參照1#機組穩態調速率曲線進行調整。

1.3 故障處理和效果驗證

3#柴油發電機組重新進行負荷試驗，滿負荷后調節電壓至390 V，調節電子調速器的DROOP電位器，使頻率升高到48.7 Hz，然后主機卸荷，測量記錄電壓和頻率，試驗數據如表2所示。

完成調整后進行并車試驗，以2#機組和3#機組為例，實船負荷試驗數據記錄如表3所示，負荷分配均衡，滿足修后檢驗要求。

2 柴油發電機組并聯運行時功率因數表波動

2.1 故障描述

3臺12V190型柴油發電機組，修后單機純水阻負荷試驗數據無異常，試驗期間無異常現象，試驗數據如表4所示。

表2 3#柴油發電機組穩態調速率參數調整后負荷試驗數據匯總表

表3 2#機組和3#機組并聯運行數據記錄表

表4 12V190 BCD1柴油發電機組水阻負荷試驗數據匯總表

負荷試驗時任意2臺機組并聯運行無異常，帶船上負荷進行并車時,發現柴油發電機組雙機并聯運行時，功率因數表顯示幅度0.2范圍內，周期0.5 s左右的波動。

帶船上負荷試驗期間觀察發現任意2臺機組或3臺機組并聯都會有不同程度的功率因數表抖動情況，功率表未發現抖動。

2.2 故障分析和故障定位

柴油發電機組輸出的總功率為視在功率，包括有功功率和無功功率，有功功率用于保持用電設備正常運行所需的電功率，無功功率用于電路內電場和磁場的交換，在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。無功功率不對外做功，而是轉變為其他形式的能量。

功率因數是有功功率和視在功率的比值，是衡量電氣設備性能的一項重要指標。水阻負荷試驗中負荷的特性為純阻性，發電機輸出的功率基本上完全消耗在水阻負荷上，視在功率中主要為有功功率，功率因數接近1。

3臺柴油發電機組單機運行工況正常，負荷試驗數據無異常，機組運行穩定，任意兩機組并聯運行平穩，未發現功率因數表抖動現象，可以判斷有功功率分配正常。帶船上負荷與水阻負荷的區別是船上負荷通常為感性負荷，此時發電機輸出功率包括有功功率和無功功率，分析判定導致雙機并聯運行中功率因數表抖動的原因為無功分配不均震蕩。無功功率在柴油發電機組當前輸出功率中的比重不斷變化，會引起功率因數表波動，與實際現象符合，該現象主要是由于并聯運行的柴油發電機組調差特性曲線不一致導致。

柴油發電機組的調差特性是指發電機端電壓隨該電機無功負荷變化而變化的曲線，當前3臺發電機并聯運行時調差為正調差特性，即當無功電流或無功功率增加時端電壓隨之下降，柴油發電機組中所配1FC5系列發電機并聯運行時調差一般設定在2%～3.6%范圍內。

2.3 故障處理和效果驗證

在船上負荷工況下(雙機共200 kW，單機100 kW)對發電機AVR調壓板、調差裝置分別進行了調整，兩機組并聯運行時功率因數表抖動現象有明顯改善，幅度在±0.03范圍內，周期在1 s左右。

重新用負荷桶加電抗器模擬船上感性負荷，分別對3臺發電機組調節調差裝置電位器調整，統一各臺發電機組調差特性曲線。調試后兩機組并聯運行時功率因數表在水阻及電抗器負荷工況下，低工況下幅度在±0.01范圍內、周期在0.1 s左右。實船負荷工況下兩機組并車100 kW負荷時功率因數表幅度在±0.01范圍內，周期在2 s左右抖動，200 kW后無波動，試驗數據見表5所示。

表5 12V190 BCD1型柴油發電機組并聯運行試驗數據匯總表

3 柴油發電機組并聯運行時功率分配不穩

3.1 故障描述

2臺500 kW柴油發電機組，配置為TBD604L6型柴油機、1FC5型發電機，ECG1000-J型電子調速器，通過配電板內機組控制器采集機組運行參數并控制電子調速器調速完成并車狀態下的負荷分配。單機負荷試驗正常，數據如表6所示。

表6 TBD604L6型柴油發電機組負荷試驗單機數據匯總表

100 kW負荷并車試驗時出現2臺機組互相搶負荷的現象，負荷分配不穩，總負荷增大后負荷分配有改善，250 kW以上負荷并車試驗時機組可穩定均勻分配負荷，功率因數表無抖動，機組并聯運行期間配電板內負荷分配器動作正常。

3.2 故障分析和故障定位

單機負荷試驗中轉速穩定，系統運行無異常，可初步判斷系統硬件無故障，并聯運行時負荷分配表現為2臺并聯機組來回拉負荷無法穩定。遙控調速電位器阻值不均勻可導致調速不均勻，使轉速變化過快或緩慢引起調速系統超調，始終在調整過程中無法穩定；柴油發電機組電子調速器性能不匹配可導致并聯機組調整曲線不一致，負荷調整速度慢，嚴重時無法穩定。

調速電位器在發電機組單機負荷試驗并聯運行試驗時共用一個通道，單機試驗中手動和自動調速轉速變化均勻，無異常，同時斷電檢查調速線路絕緣良好，調速電位器電阻變化均勻，可以排除調速電位器的因素。

2臺并聯發電機組穩態調速率過低，在低負荷時會出現超調現象，以1#和2#柴油發電機組并聯運行帶100 kW負荷為例，負荷分配器調節一次，對應的柴油發電機組轉速上升或下降4轉，由表6可以看到2#發電機過低的穩態調速率會導致并聯運行時該機組負荷分配超調，無法實現2臺并聯機組負荷分配穩定。

2臺并聯發電機組穩態調速率如果過高，則會導致負荷分配器動作后負荷轉移慢，并聯機組實現負荷穩定分配的過程較長。根據故障現象分析判斷2臺并聯機組的穩態調速率需要調整和匹配。

3.3 故障處理措施和效果驗證

重新進行負荷試驗，調整1#、2#柴油發電機組電子調速器性能，將2臺機組穩態調速率統一調整為3%左右。

調整穩態調速率后，進行負荷并車試驗，試驗數據如表7所示，并車試驗中2臺機組負荷分配均勻，滿足試驗要求。

表7 穩態調速率性能試驗記錄表

4 對策和建議

4.1 轉速傳感器安裝和線路檢查

檢查轉速傳感器的安裝，安裝中要注意轉速傳感器對準飛輪的齒頂，安裝完成后手動盤車，檢查間隙正常后電動盤車。防止由于安裝距離太遠無法起動，或運行過程中轉速信號丟失導致游車。

檢查電子調速器齒條連桿無松動，執行器接線牢靠，接觸良好，避免偶發性轉速跳變。

4.2 初始值設定和參數調整

遙控調速的電動電位器應設定在中間位置后通過電子調速器轉速設定電位器設定柴油機轉速為額定轉速，確保額定轉速上下可調范圍大致相同。

空車電壓按照要求調整為統一值，單機負荷試驗時將電壓調整率和穩態調速率調整為統一值，穩態調速率推薦調整值為3%，確保并車后電壓調整率推薦調整值為4%。

5 結束語

發電機并聯運行中影響有功功率分配穩定、均衡的還有調速器線性、執行器和高壓油泵齒條連桿安裝、執行期油門反饋電位器精度、機械零位等因素；影響無功功率分配的還有AVR調壓線性，旋轉整流器等因素。但只要是合格的調速器和調壓系統，關鍵因素還是穩態調速率和靜態電壓調整率這兩個特性的調整，這是決定機組并聯運行穩定，負荷均衡的關鍵因素。