某船舵機啟動箱斷路器跳閘故障分析及排除

王守海

（大連遼南船廠，遼寧大連 116041）

0 引言

某型船全長160 m，型寬21 m，滿載排水量為10 000 t。其舵機艙裝有2臺250 kN?m轉葉式液壓舵機，每臺舵機均設有 2套獨立的電動液壓泵組，每套泵組配ABB電機，功率為18.5 kW。每套泵組由單獨的啟動箱控制，起動方式為直接起動。每套電動液壓泵組均能單獨驅動舵機正常工作。船上配有一套自動操舵儀，操舵臺設于駕駛室內，可進行自動、隨動、手動操舵。在舵機艙內設有1只簡易操縱箱，可進行應急操舵。4套泵組中左1、右1由應急配電板供電；左2、右2由主配電板供電。

1 故障現象

本船第一次航行試驗時，在正常操舵情況下，多次出現舵機泵組啟動箱內電源開關跳閘的現象。同時，主配電板、應急配電板的相應配電開關也出現跳閘現象，具體情況記錄如下：1）左1（2#泵組）啟動箱斷路器跳閘1次；2）右2（3#泵組）啟動箱斷路器跳閘1次；3）左2（4#泵組）啟動箱斷路器跳閘2次；4）主配電板上的左2（4#泵組）啟動箱供電斷路器跳閘1次；5）應急配電板的左1（2#泵組）啟動箱供電斷路器跳閘1次。

航行試驗結束后，舵機配套廠家對舵機的機械部分、液壓部分和電氣部分均進行了詳細檢查，未發現故障產生的原因。之后，在駕駛室頻繁快速操作操舵儀泵組轉換開關時，左 2（4#泵組）啟動箱斷路器有跳閘現象。在舵機艙簡易操舵臺（操舵儀廠家設備）頻繁快速轉換開關切換泵組時，一直出現左 2（4#泵組）啟動箱斷路器跳閘現象。而單獨操作使用1臺泵組時未出現跳閘現象。

2 原因分析

2.1 故障診斷分析

1）經初步判斷，左2（4#泵組）啟動箱斷路器有質量問題。經現場與其它斷路器調換后試驗，該斷路器跳閘頻率仍較高，因此對其進行了更換。

2）檢查、校核舵機泵組啟動箱斷路器的配置及其脫扣器的整定值是否滿足舵機泵組電動機的使用要求。

啟動箱斷路器的選配主要依據控制電動機的起動電流，而電動機起動電流的大小是電動機固有的特性，隨電機種類、容量、極數以及制造廠的不同而異，一般為額定電流的5～7倍[1]。在電動機起動時間內，應避免因電動機起動電流和沖擊電流而產生的保護斷路器脫扣現象。圖1為保護協調的斷路器動作特性與電動機起動電流特性[2]。選擇斷路器時應充分考慮電動機的類型、起動方式、起動頻繁程度、負載特性、環境溫度、起動功率因數等因素。同時要保證斷路器的動作特性曲線在電動機起動電流曲線的上方或右方，且2條曲線不應相交[3]。本船舵機的單泵電機額定功率為18.5 kW，額定電流為34.2 A，取其起動電流為額定電流的7倍進行計算分析。查閱設計手冊的相關參數可知，當采用直接起動方式時，斷路器瞬時脫扣器的整定電流應大于電動機額定電流的11.9倍，即該斷路器整定電流應大于34.2×11.9＝406.98 (A)。若考慮斷路器瞬時脫扣器的動作電流為額定電流的10倍，則應選用脫扣器額定電流大于40.6 A的斷路器。舵機泵組啟動器選用的開關型號為施耐德 NSX80H-MA50斷路器，額定電流為50 A，選型余量約1.2倍。因此，從單臺泵組看，斷路器配置及其脫扣器整定值符合設計要求，且單臺泵組運行時未出現跳閘現象。

從故障現象來看，跳閘現象多在頻繁快速轉換操舵泵組時出現，因此應對操舵儀和簡易操舵臺上的轉換開關狀態進行查看。兩設備由同一設備廠家提供，操作面板相同，其面板布置如圖2所示。

圖1 保護協調的斷路器動作特性和電動機起動電流特性

圖2 操舵儀上配置轉換開關示意圖

從圖2面板可看出，轉換開關為5檔旋轉開關。從［左Ⅱ右Ⅰ］檔快速切換至［左Ⅱ右Ⅱ］時，左2舵4#泵組在運行中有瞬間斷電再上電的現象；同樣地，當［左Ⅰ右Ⅰ］檔快速切換至［左Ⅰ右Ⅱ］時，左1舵2#泵組在運行中經歷了瞬間斷電再上電的過程；從［左Ⅱ右Ⅱ］檔快速切換至［左Ⅰ右Ⅱ］時，右2舵3#泵組在運行中出現瞬間斷電再上電的現象；當［左Ⅱ右Ⅰ］檔快速切換至［左Ⅰ右Ⅰ］時，因中間有［停］檔間隔，延長了轉換時間，因此右1舵1#泵組在運行過程中沒有瞬間斷電再上電的現象，故障現象中沒有出現1#泵組啟動器開關跳閘現象。

對于直接起動的電機，由于受電機內部剩余電壓的影響,出現斷開（失電）現象，瞬時再起動時會出現較大的沖擊電流。當運行的電動機從電源切除后，瞬時再起動時電動機尚未停止運轉，故仍具有剩余電壓。此時電動機電流的大小由剩余電壓和電源電壓的大小及兩者的相位決定，其最大值出現在兩者相位完全相同的時候。假設電動機起動電流倍數為7，起動功率因數為0.3，考慮斷路器動作誤差為20%時，查閱設計手冊可得：起動沖擊電流及斷路器瞬時脫扣器的最小整定電流是電動機額定電流的倍數，按直接起動瞬時再起動時的23.8倍來計算。則計算斷路器瞬時脫扣器的整定電流應大于電動機額定電流的 23.8倍，即該整定電流應大于34.2×23.8＝813.96(A)；如果考慮斷路器的瞬時脫扣器的動作電流為額定電流的10倍，則應選用脫扣器額定電流大于81.4 A的斷路器。而舵機啟動器內選用的開關為施耐德NSX80H-MA50斷路器，其額定電流為50 A，10倍的脫扣器整定電流值顯然不能滿足要求，因此引起瞬時大電流沖擊斷路器跳閘的現象。

2.2 應急發電機瞬態電壓降校核

在操舵儀或簡易操舵臺上快速操作轉換開關，同時會出現1臺泵組起動，另1臺泵組斷開瞬時再起動的情況。此時的電流較大，有必要對電站壓降情況進行校核。本船主電站容量較大，在正常航行狀態下，應急配電板上的電源由主配電板提供。本次舵機泵組開關跳閘的故障均是在主配電板供電的情況下發生的，期間未發現主電站對其產生影響，因此忽略主電站的影響因素。倘若應急電站單獨工作，［左Ⅰ右Ⅱ］檔快速切換至［左Ⅰ右Ⅰ］時，左1舵2#泵組在運行中有瞬間斷電再上電的過程，此時左Ⅰ舵 2#泵組、右Ⅰ舵 1#泵組均由應急配電板供電，因此有必要對此工況進行校核。

假設全船由應急發電機供電，將2臺舵機的電機投入運行。假設左1舵2#泵組電機發生瞬間斷電再上電現象，電機沖擊電流達到電機額定電流的14倍。右Ⅰ舵1#泵組同時起動，起動電流為額定電流的7倍。應急發電機瞬態電壓降計算如下。

1）應急發電機參數

發電機額定電流IN=666 A

2）舵機電機參數

電機額定電流為34.2 A，IST為電動機的起動電流，斷電瞬間上電沖擊電流為電動機起動電流的 2倍。

3）發電機瞬態電壓降計算

4）計算結果分析

根據CCS鋼質海船入級規范要求，由電力系統供電的電氣設備應能夠在正常的電壓波動情況下穩定運行[4]。一般交流設備規定的電壓偏離可為額定瞬態電壓波動值的±20%。計算可得應急發電機的瞬態電壓降為16%，滿足CCS規范要求。

3 解決方案

從上述分析可以得出，在舵機泵組轉換過程中存在某臺泵組電機瞬間斷電再上電的現象，因此出現了較大的沖擊電流，從而導致了斷路器跳閘故障的發生。通過分析可以得出以下2種解決方案。

1）針對舵機泵組斷開瞬時再起動，沖擊電流較大的情況，調整、更換泵組啟動箱、主配電板、應急配電板內相應的斷路器及其脫扣器額定值，調整瞬時脫扣的設定值，以保證面臨較大沖擊電流時，斷路器能夠正常使用，且不發生跳閘現象。具體調整如下：將舵機啟動器內選用的開關改為施耐德NSX80H-MA80斷路器，額定電流為80 A，且設置為11倍的過載（可承受880 A的沖擊電流）。上一級主配電板及應急配電板對應供電斷路器的設定值也應隨之調整，由原有的 50/100，600 A調整為100/100，900 A，即設定NSX100H-MA100的整定值為9倍，以達到選擇性保護的目的。

2）盡量避免泵組發生斷開瞬時再起動的現象，減小起動沖擊電流對舵機各斷路器的影響，確保原配斷路器正常使用。主要從操舵儀和簡易操舵臺上的轉換開關調整入手，通過修改、延長轉換操作的時間，避免泵組斷開瞬時再起動工況的發生?？蓪⑥D換開關改為獨立式操作的按鍵式按鈕，或增加操舵儀控制電路的相應部分的延時等。

由于操舵儀和簡易操舵臺為設備廠的定型產品，若做修改需要一定的流程，在航行試驗時間不充裕的情況下，船廠選擇方案1），即對各啟動箱內斷路器進行了更換、調整。通過后續幾個航次的試驗，舵機正常使用，沒有出現斷路器跳閘的現象。

4 結束語

轉葉式液壓舵機是機、電、液一體化設備，故障產生的原因比較復雜，需要涉及的專業知識范圍也比較廣，因此，其供電斷路器跳閘故障原因很多。本文對舵機液壓泵組斷開瞬再起動時的沖擊電流較大引起相應斷路器跳閘的情況進行了分析，并給出了解決方案，可為今后相關故障的排查工作提供借鑒和參考。同時，對于配有4臺泵組相互轉換的雙舵機系統，在設計時應充分考慮相互間的接口形式及控制方式等問題，盡量避免舵機泵組發生斷開瞬時再起動的現象。尤其是當泵組電機功率較大時，正常操舵過程中更應該避免出現此類運行工況，以確保整套舵機操舵系統及配電網絡系統的穩定、可靠，保證船舶航行的安全性。