柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行典型故障及原因分析

張翠霞

(4808工廠威海修船廠，山東 威海 264200)

柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時，如果有功功率分配嚴重不平衡，會造成一臺發(fā)電機負荷全部轉(zhuǎn)移給另一臺發(fā)電機，從而可能使其中一臺發(fā)電機處于電動機狀態(tài)，另一臺超負荷運行。如果無功功率分配不均，在兩機組之間將產(chǎn)生無功性質(zhì)的環(huán)流，當環(huán)流太大時，會引起發(fā)電機電流過載而燒壞。有功功率或無功功率分配不均，會直接影響電站的運行安全，加強日常檢查、及時排除故障，保證柴油發(fā)電機組并聯(lián)穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟運行至關(guān)重要。下面就幾種并聯(lián)運行的典型故障進行分析。

1 電流沖擊大，發(fā)電機主開關(guān)瞬時跳閘

1.1 故障現(xiàn)象

某船2臺型號為T2H-90型(額定電壓400 V，額定功率90 kW，額定電流162 A，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定功率因數(shù)0.8)不可控相復勵同步發(fā)電機負荷試驗，1#柴油發(fā)電機組運行，并入2#柴油發(fā)電機組時，出現(xiàn)兩功率因數(shù)表一個指示容性，一個指示感性，且1#發(fā)電機電流表電流瞬時達到最大量程的異常現(xiàn)象。并車沖擊電流很大，導致1#發(fā)電機主開關(guān)跳閘，無法并車使用。

1.2 故障分析

根據(jù)故障現(xiàn)象分析為無功功率分配不均故障。交流發(fā)電機并聯(lián)運行時，無功功率是否能均勻分配，主要是與發(fā)電機組的外特性有關(guān)。

如果機組外特性不相同，在發(fā)電機之間就有均衡電流產(chǎn)生，當2臺機組的外特性在空載點重合時，此電流從外特性較平的發(fā)電機流向外特性較陡的發(fā)電機；對前者來講，是一個感性電流，對后者來講，是一個容性電流。使前者的內(nèi)電勢降低，后者的內(nèi)電勢升高，2臺發(fā)電機的端電壓趨向相等，均衡的結(jié)果，使前者運行在功率因數(shù)較低的一條特性上，后者運行在功率因數(shù)較高的一條特性上。如果發(fā)電機原先有無功功率輸出，現(xiàn)在再加上這一部分的無功均衡電流，矢量相加的結(jié)果使這2臺發(fā)電機的總電流不再相等，功率因數(shù)也不相等。外特性差異過大時，會造成一臺發(fā)電機電流過載、主開關(guān)跳閘。為了避免出現(xiàn)這種情況，同容量不可控相復勵發(fā)電機并聯(lián)運行時通常采用勵磁均壓線，保證其外特性曲線斜率一致，以保持無功功率分配均衡。可控相復勵發(fā)電機并聯(lián)運行時，則是采用無功調(diào)差裝置。

1.3 故障排除方法及驗證

查看隨船配電板原理圖，并聯(lián)時2臺發(fā)電機勵磁繞組通過2個繼電器的常開觸點實現(xiàn)勵磁均壓線連接。對2臺發(fā)電機分別供電檢查，發(fā)現(xiàn)1#發(fā)電機合閘時對應(yīng)的繼電器動作，2#發(fā)電機合閘時對應(yīng)的未動作。分析并車時2#發(fā)電機繼電器常開觸點不閉合，導致均壓線未連通，出現(xiàn)上述故障。

更換該繼電器后，重新并車，工作正常，兩機功率表、功率因數(shù)表、電流表指示基本一致，無功功率分配均勻，故障排除。

2 無功功率分配不均

2.1 故障現(xiàn)象

某船2臺型號為1FC6(額定電壓390 V，額定功率310 kW，額定電流574 A，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定功率因數(shù)0.8)的無刷交流同步發(fā)電機修后進行負載試驗，單機負載試驗，運行參數(shù)正常，其穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率試驗記錄1如表1所示。

表1 柴油發(fā)電機組穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率試驗記錄1

兩臺機的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率均為2.4%，穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率均為1.79%，調(diào)速特性和調(diào)壓特性一致。

當并聯(lián)運行時，觀察配電板上的功率表，兩機有功功率分配均勻，但2個功率因數(shù)表顯示不均勻，指針波動較大，兩電流表數(shù)值相差很大，無功功率分配超出標準范圍。

2.2 故障分析

該發(fā)電機調(diào)差裝置原理圖如圖1所示。

圖1 調(diào)差裝置原理圖

因單機穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率及穩(wěn)態(tài)調(diào)速率正常，并車時出現(xiàn)故障，根據(jù)原理圖分析，可能故障原因如下幾點。

圖2 調(diào)差裝置矢量圖

2)調(diào)差電流互感器輸出線路開路。如無功調(diào)差電流互感器輸出線路開路，調(diào)差裝置測得的電壓不隨無功電流的變化而變化，相當于無功調(diào)差不起作用，不能實現(xiàn)理想的下垂特性，同樣導致無功功率分配不均，只是無功功率分配差值比調(diào)差線路接錯要小一些。

3)調(diào)差電位器S開路或接觸不良。其原理類似于調(diào)差電流互感器輸出線路開路。

2.3 故障排除方法及驗證

檢查時按就簡原則排查故障，首先檢查調(diào)差電流互感器輸出線路通斷情況，線圈正常；檢查輸入接線端子排接線是否正確或松動，檢查正常；檢查調(diào)差電位器阻值是否正常、變化是否平穩(wěn)，檢查中發(fā)現(xiàn)，調(diào)整調(diào)差電位器S阻值有時變化正常、有時開路，對該電位器進行更換，將電位器整定到出廠刻度值。

調(diào)整后進行并聯(lián)運行試驗，過程穩(wěn)定，最大無功功率分配差值為2.4%，滿足無功功率分配差值小于機組額定無功功率的10%的標準要求，故障排除。2臺發(fā)電機組并聯(lián)運行試驗記錄1見表2。

表2 2臺發(fā)電機組并聯(lián)運行試驗記錄1

3 有功功率分配不均，機組無法穩(wěn)定運行

3.1 故障現(xiàn)象

某船2臺型號為CAT.3406C(額定電壓440 V，額定功率320 kW，額定電流524.9 A，額定轉(zhuǎn)速1 800 r/min，額定功率因數(shù)0.8)的柴油發(fā)電機組單機負載試驗，運行參數(shù)正常，其穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率試驗記錄2如表3所示。

表3 柴油發(fā)電機組穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率試驗記錄2

并聯(lián)試驗時，1#發(fā)電機組運行，并入2#發(fā)電機組時，出現(xiàn)2#發(fā)電機組自動搶負荷，持續(xù)上升。將1#發(fā)電機組調(diào)速器加速，又出現(xiàn)1#發(fā)電機組負荷持續(xù)上升，兩機組始終無法穩(wěn)定并聯(lián)運行。

3.2 故障分析

有功功率分配主要取決于發(fā)電機原動機的外特性。如圖3所示。

圖3 發(fā)電機原動機外特性圖

如果1#發(fā)電機和2#發(fā)電機原動機的外特性均為下降特性，如圖3(a)，2臺發(fā)電機穩(wěn)定并聯(lián)運行時，頻率是一致的，2臺發(fā)電機各自承擔的負荷為P1和P2，總功率為P=P1+P2，頻率為f1。如果負荷增加，則頻率從f1下降至f2，2臺發(fā)電機分別發(fā)出功率為P3、P4。如果2臺發(fā)電機原動機的外性相差很大，負荷分配也就越不均勻，即使調(diào)節(jié)柴油機油門，使2臺發(fā)電機在總功率為20%時有一個分配預差也難以補償，隨著負荷的增加，還是有可能超出分配差值，從圖3可以看出，外特性越是平坦，它所承擔的負荷變化值越多，分配誤差越有可能超出標準范圍。

如果1#發(fā)電機原動機的外特性為下降特性，2#發(fā)電機原動機的外特性為平特性，如圖3(b)。電網(wǎng)頻率為f′，1#發(fā)電機工作點在A點，始終只承擔功率P′。當負荷功率等于2P′時，2個發(fā)電機各承擔一半功率。當負荷功率大于2P′時，其超過2P′的部分均由2#發(fā)電機承擔。當負荷功率處于P′～2P′之間時，2#發(fā)電機只承擔總功率減去P′后剩下來的、小于P′的功率。當負荷功率等于P′時，2#發(fā)電機不承擔任何功率，它的工作點在B點。如果負荷功率進一步減少，2#發(fā)電機要轉(zhuǎn)入電動機工作狀態(tài)運行。

如果2臺發(fā)電機原動機的外特性均為平特性，當這二條特性不重合時，就找不到共同運行點，即使重合，負荷也無法以一個明確的比例來分配，即使調(diào)節(jié)均勻，也極度不穩(wěn)定，極易造成一臺負荷全部轉(zhuǎn)移給另一臺發(fā)電機，而使其中一臺處于電動機狀態(tài)，逆功率保護動作，自動退出并聯(lián)運行。

為了使發(fā)電機有功功率均勻分配，發(fā)電機原動機應(yīng)滿足下列3個要求：①各臺發(fā)電機原動機外特性應(yīng)盡量一致，并且是下降特性；②外特性的線性度要好，并盡可能成一直線；③負荷增加時的外特性和負荷減小時的外特性應(yīng)盡量一致。

通過單機試驗記錄觀察，判斷本次故障主要原因是2臺發(fā)電機原動機穩(wěn)態(tài)調(diào)速率為0%，調(diào)速特性太平造成。需對發(fā)電機原動機的特性曲線進行調(diào)整，使調(diào)速特性呈下降并盡量一致。

3.3 故障排除方法及驗證

啟動1#柴油發(fā)電機組，空載時調(diào)整發(fā)電機原動機調(diào)速器，將轉(zhuǎn)速調(diào)整為1 803 r/min，合閘后帶額定負荷、功率因數(shù)調(diào)整為0.8，將轉(zhuǎn)速調(diào)整為1 773 r/min。

啟動2#柴油發(fā)電機組，空載時調(diào)整原動機調(diào)速器，將轉(zhuǎn)速也調(diào)整為1 803 r/min，合閘后帶額定負荷、功率因數(shù)調(diào)整為0.8，將轉(zhuǎn)速也調(diào)整為1 773 r/min。

兩機的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率均為1.7%。調(diào)整后進行并車試驗，并聯(lián)運行穩(wěn)定，最大有功功率分配差值為3.1%，滿足有功功率分配差值小于機組額定有功功率的15%標準要求，故障排除。2臺發(fā)電機組并聯(lián)運行試驗記錄2如表4所示。

表4 2臺發(fā)電機組并聯(lián)運行試驗記錄2

4 結(jié)束語

柴油發(fā)電機組試驗過程中一般先進行單機試驗，為了滿足并聯(lián)運行有功功率和無功功率分配差值要求，單機時應(yīng)盡量調(diào)整好柴油發(fā)電機組的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率，使需要并聯(lián)運行的機組的調(diào)速特性和調(diào)壓特性盡量一致，并均呈現(xiàn)下降趨勢。在并車調(diào)試過程中若出現(xiàn)有功功率、無功功率分配不均現(xiàn)象，一般在并車過程中通過調(diào)整柴油機調(diào)速器和發(fā)電機調(diào)差電位器進行有功功率和無功功率調(diào)整。此階段調(diào)整時，單機的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率會發(fā)生變化，此時要檢查發(fā)電機組單機特性是否也滿足標準要求，并做好記錄。

無論發(fā)電機單機運行還是并聯(lián)運行，若發(fā)電機的功率因數(shù)、電流值、電壓異常，掌握發(fā)電機特性要求，查清勵磁系統(tǒng)中各個元器件的作用以及工作原理，是保證排除故障的基礎(chǔ)，特別在日常檢修和保養(yǎng)中，不能隨意調(diào)整電阻值，且接線端子不能隨意顛倒。