某型船發電站異常損傷問題分析

彭見仁， 張俊洪， 李文艷

（海軍工程大學 電氣工程學院， 湖北 武漢 430033）

0 引言

某型船在執行“左柴油發電機組加負荷”指令時發生發電機異常并網。事后檢查確認并電網電壓為U，網時電樞電壓為0.78U， 在約0.22U 逆壓差條件下發生并網，形成巨大的逆流沖擊導致電機異常損傷。 低壓差并網損傷事件引起使用單位和保障部門的高度重視， 主管單位迅速成立了專項調查組對此事件進行調查。在“某型船左柴發機組損傷原因分析會” 上專家教授們對于電機異常損傷是機械故障還是電氣故障的爭論十分激烈， 部分專家認為在配套保護單元功能良好的情況下， 低壓差逆流沖擊不可能導致電機出現如此毀壞性損傷， 造成電機損傷的原因是設備緊固問題導致的機械性故障， 電機轉速升高、震動加劇、軸承過熱與機座發生諧振所致。 此說法雖然可以作為電機損傷程度的一個原因， 但這不足以解釋電機并網在非線性運動狀態下的過程描述。 柴發機組并網是一個復雜的非線性過程， 系統中某些特定參數會隨著轉速、溫度、等條件發生變化。文章結合故障設備勘測、調研及相關試驗對發電機“異常損傷”的原因進行了系統分析，取得了相關結論。

1 系統組成及勘驗結果

1.1 損傷電機勘驗情況

發電機非換向器端電樞繞組端部翻轉甩直， 繞組導線可見彎折和斷損，并頭焊縫脫焊，可見脫落變形的并頭套，無緯帶（綁扎帶）脫落磨損，可見大量的磨損塵屑和粉塵。 換向器端電樞繞組、換向器及定子主副極絕緣未見明顯損傷；電機內部遍布無緯帶磨損塵屑和粉塵； 斷路器的滅弧室和觸頭有燒損痕跡， 且與斷路器過電流脫扣器動作相關的連鎖裝置處于鎖定位置。 由此判斷，斷路器進行了保護分斷。 對發電機斷路器進行了電動操作，斷路器工作均正常。 柴油機檢查曲柄箱，未見曲軸及連桿損傷。 開蓋檢查，未見凸輪軸、連桿、供油齒條損傷。 對柴油機氣缸進行檢查，發現兩個氣缸有拉痕。

1.2 發電機斷路器勘驗情況

電機并網過程中過大逆電流沖擊的關聯保護有自動器特大電流瞬時保護、及逆流保護電器的反時限保護。

1.2.1 斷路器技術指標

直流發電機斷路器裝于發電機控制板中， 對發電機進行短路保護。

額定工作電壓：UN；額定電流：IN；過電流脫扣器整定值：2.54IN（誤差±10%）；傳動方式：電動機傳動及應急正面手柄傳動；額定控制電源電壓：UN。

1.2.2 斷路器勘驗情況

經勘驗發現：①斷路器的滅弧室與觸頭有燒損痕跡；②與斷路器的過電流脫口動作相關的連鎖裝置處于鎖定位置。

由此可以判斷，斷路器進行了分斷保護（該型斷路器過電流脫扣器動作值2.54IN）避免了故障的擴大。

1.2.3 自動器過電流保護單元技術狀態評估

自動器過流脫扣單元主要組成要素為過電流脫扣機構。特大電流保護過程原理是，當電樞發生特大電流過流時，電磁機構銜鐵動作，自動器直接分斷實施保護。 經檢測，自動器過電流脫扣單元結構正常、緊固性正常；無異常部件。 對地絕緣大于11GΩ，絕緣無異常。

1.3 發電機控制板逆流保護單元測試情況

發控板逆流保護單元為一裝置式保護電器， 發電機出現逆流時，逆流保護電器反時限動作，聯動電樞自動器失壓脫扣，實施保護。

經檢測，發控板逆流保護單元結構正常、定位緊固無異常，逆流反時限保護功能無異常。

結合損傷電機以及相關聯保護裝置的勘驗情況可以得出以下推論：發電機與電網在0.22U 壓差并網，根據直流電機的能量轉換及可逆性可知， 當電樞電壓小于電網電壓，電樞電流與電樞電壓反向，電磁轉矩與轉速同向，該直流電機轉換為電動機運行狀態。 該壓差將使電樞回路產生逆流沖擊。過程中逆流沖擊產生加速轉矩，使機組轉速升高。當柴發機組轉速超過柴油機停機保護轉速時，柴油機斷油停機。 在電機轉速升高的過程中發生了綁扎帶斷裂磨損，斷路器在電機轉速最高時發生了保護分斷。發電機端接部發生了毀壞性的損傷， 電樞繞組彎折斷損可能發生了電樞內部短路。

以上對電機并網的損傷過程進行了初略的分析，下面主要對柴發機組的并網過程建立數學模型通過Matlab進行仿真研究，通過仿真對主要參數的波形進行分析。

2 并網過程分析與數學建模

柴油發電機組并網前運行狀態： 初勵磁建壓后電樞自動器閉合， 通過調研與測量得出發電機組相關的狀態數據為，電網電壓約為U、發電機電樞電壓約為0.78U、初始轉速n0，而后柴油機組發生了停機保護（保護轉速約為1.11n0）、柴發機組最高轉速達1.47n0r，之后降速至停機。由于直流柴發機組并網， 并網過程只有過流保護和逆流保護裝置，并沒有反饋調節保護裝置（相當于開環系統），如果要考慮勵磁調節器和轉速調速器的影響會使整個運算過程復雜化，為簡化分析，沖擊過程中忽略轉速調節器和勵磁調節器作用且不考慮停機保護， 建立基本計算方程如下：

2.1 電壓平衡方程

式中：U—電網電壓；Ea為電樞電壓（Ea=CeΦn）；△u—換向器與電刷之間的接觸電阻取2V；Ra—電樞繞組電阻；Ia—電樞電流；Ta—時間常數。

2.2 轉矩平衡方程

3 仿真實驗

3.1 基礎參數仿真

根據計算公式， 結合初始工況和參數測量得到基礎參數數據。 將基礎數據帶入模型A 有計算波形曲線如圖1 所示。

由仿真曲線可以看出：

（1）轉速曲線為一單邊上升“漸進”曲線。

（2）約125ms 時，逆向電流沖擊達到峰值約為2.37 萬安培。

（3）約350ms 時，機組轉速達到停機保護轉速830r/min。

（4）約900ms 時，機組轉速進入漸飽和區，飽和轉速達948r/min。

圖1 基礎參數數據下電機轉速和電樞電流的波形Fig.1 The waveform of motor and armature current under basic parameter data

3.2 控制邊界條件的仿真分析

在發電機出現“異常損傷”這一實際工況過程中，基礎數據的計算結果只是理論上描述電機轉速與電流隨時間的變化規律，與實際工況存在誤差。 對此本文對比基礎參數提出4 組邊界條件，對比工況盡可能的還原真實軌跡。

3.2.1 考慮初勵磁完成后跳轉電壓的誤差影響

基礎數據中，跳轉電壓按參數標定值給出，考慮實際值的可能偏差，按合理偏差5%計，取跳轉電壓0.746U。

3.2.2 同時考慮跳轉電壓和電網電壓的誤差影響

基礎數據中，電網電壓為上一次測量的歷史數據，考慮電池放電后的比重均衡及電壓表的誤差，按正偏差5%計，即取初始電壓0.746 U、電網電壓取1.05 U。

3.2.3 考慮轉動慣量J 的誤差影響

基礎數據中轉動慣量按發電機實用公式測量計算取得，該系統中柴油機效率顯著偏低，故轉動慣量測量計算值預計偏大。忽略柴油機慣量影響，取轉動慣量下限測量計算值（473），對比計算。 誤差影響參看同時考慮跳轉電壓及電網電壓可能偏差（分別取0.746U、1.05U）。

3.2.4 同時考慮電樞電阻Ra 與轉動慣量J 的誤差影響

基礎數據中電樞電阻按靜態電橋法測量時為0.193Ω（顯著失真），查找同型號電機履歷薄并換算至艙室工作溫度時有計算值0.001985Ω，考慮到該阻值的可能誤差 （如網路、 滑動接觸因素等）， 折中修正該阻值為0.002084Ω。 取電阻值0.003Ω 對比計算，誤差影響參看考慮停車保護、取轉動慣量下限計算值473 及上限值2216。考慮邊界因素條件下的參數數據如表1 所示。

電機與電網并網，約0.22U 壓差瞬間產生3.8IN的逆電流（時間非常短），參照逆流保護裝置的反時限特性試驗，0.95IN以上的逆流持續0.4s，開關動作。分析曲線逆流保護應該在0.5s 之前動作，但考慮到電機轉速升高，電樞電壓增大，逆壓差應該減小，實際峰值電流持續時間不足0.4 秒，逆流保護裝置未動作。

表1 考慮邊界因素條件下的計算參數Tab.1 The several sets of parameter data considering boundary factors

4 結束語

由上述仿真實驗結果以及關聯保護單元的狀態評估我們可以得出低壓差并網損傷機理： 待并發電機電樞自動器在0.22U 左右逆壓差發生并網，產生特大逆流沖擊，這一過程中自動器過流脫扣單元與發控板逆流保護單元技術狀態良好但均未工作，電樞自動器未分斷電樞電路，沖擊電流使柴發機組迅速升速。 升速過程中由于電流過大導致繞組并頭套端接部過熱熔錫， 并導致繞組內部短路，同時再次形成逆流沖擊，二次逆流沖擊使自動器跳閘保護。

鑒于待并發電機跳轉電壓與電網電壓并網存在將近0.22U 壓差的誤差影響，此潛存隱患嚴重影響了設備的安全運行， 建議調整自動器特大電流保護參數使其涵蓋約0.22U 低壓差逆向電流沖擊范圍。