船舶發電機勵磁系統故障分析

李 博

現代船舶使用的中低壓柴油發電機組的發電機端幾乎都是三相同步發電機，按照勵磁方式的不同，可以將三相同步發電機分為有刷勵磁式和無刷勵磁式兩種。其中，三相無刷勵磁發電機具有故障率低、運行穩定、維護保養較為便利（無須像有刷勵磁設備一樣頻繁更換電刷）等優點。1FC6系列同步無刷發電機是引進德國西門子技術生產的產品，因其體積小、質量輕、運行穩定，被廣泛應用于船舶領域。本文結合該系列發電機的一起勵磁系統典型故障，分析故障原因，介紹排除過程，總結排除方法。

一、發電機組成及勵磁系統簡介

三相無刷同步發電機（以下簡稱發電機）一般由四部分組成：主機、勵磁機、勵磁系統、旋轉整流裝置。其中主機勵磁繞組、勵磁機電樞繞組及旋轉整流裝置，通過軸承固定在發電機的前后端蓋上，工作時由發動機帶動與軸一同旋轉。勵磁機轉子發出的三相交流電經固定在轉軸上的旋轉整流器整流后變成直流，直流輸出端接在主發電機的轉子繞組上。1FC6系列發電機采用THYRIPART相復勵磁系統，并帶有自動電壓調節器（AVR）與可控硅分流式自動勵磁穩壓系統。為提高發電機電壓精度，采用AVR可控硅電壓調節器調節發電機勵磁電流。若發電機電壓高于額定值，可控硅分流值加大，使勵磁電流減小；當發電機電壓低于額定值時，可控硅分流值減小，使勵磁電流加大。壓敏模塊是一個保護裝置，它防止過電壓損壞旋轉整流模塊及發電機轉子繞組。

二、故障現象及初步分析

在與前任輪機長交接班的過程中得知，船舶的一號副機在單機起錨的過程中出現過跳電的情況，原因可能是原動機高壓油泵齒條卡阻，導致起錨時副機承受大幅增加的沖擊負荷，原動機供油量跟不上造成發電機跳電。其他姊妹船上經常出現高壓油泵運動部件驅動導套與殼體發生卡阻現象導致齒條移動阻力大供油量不足，進而導致副機運行出現異常的情況。故障的發生給船舶的正常運營帶來了風險。

造成發電機主開關異常跳閘的原因一般有以下幾種：

（1）電流過大。當發電機電流超過額定電流的135%，延時15~30 s時發電機主開關跳閘；當發電機電流超過額定電流250%，延時400 ms時發電機主開關跳閘；當發電機電流超過額定電流10倍時，發電機主開關跳閘。

（2）欠壓或者失壓。當發電機的電壓在額定電壓的35%與70%之間時，欠壓脫扣裝置延時0.3 ~0.5 s動作， 發電機主開關跳閘。延時是為了避免電壓瞬時波動而導致發電機跳閘。

（3）逆功率。當并聯運行時一臺發電機從其他發電機吸收功率持續超過某個值（10%的額定功率）10 s，主發電機開關跳閘。

（4）主開關的原因。

三、故障檢查與排除

（一）故障初步定位

因為船舶航線較短，在開航后第一次錨泊時進行檢查。首先在停機狀態下對一號副機原動機所有缸高壓油泵的齒條活絡情況進行了檢查，手動推動齒條能夠達到最大位置，松開后可以自行復位，手動盤車觀察高壓油泵導套上下移動自如，并沒有發現明顯的卡阻情況。其次查看了油門驅動機構、調速器內部接線情況，沒有運動部位卡阻、接線破損及接線端子松動情況。在出現故障后的停泊期間也正常單獨使用過一號副機，只是與起錨時相比負荷不大。根據檢查情況分析，高壓油泵齒條卡阻造成主開關跳閘的可能性不大。

啟動一號副機并檢查原動機和發電機運轉無異常，換用一號副機單機運行，在與運行機并車后進行負載轉移的過程中沒有發現異常。船舶處于錨泊狀態，副機負荷在280 kW左右，運行一天時間沒有出現主開關跳閘現象，其間啟停的最大功率設備是主空壓機，功率約為45 kW。船舶起錨狀態下，副機的負荷約為500 kW。第二天先采取兩臺副機并聯運行模式，啟動消防泵、壓載泵等設備，總負荷大約550 kW；在這個過程中同時啟動兩臺主空壓機，產生的沖擊負荷并沒有造成一號發電機主開關跳閘。于是逐漸轉移負荷到一號副機使其單機運行，負載平穩轉移并沒有出現異常情況，并保持運行約半小時；然后降低一號副機負荷到370 kW，在這種狀態下同時啟動兩臺主空壓機，在啟動的瞬間沒有異常。但是在主空壓機卸荷結束后，從一號副機控制屏電壓表上可見電壓波動明顯，由400 V迅速下降到100 V左右；功率因數由0.85下降到0.78；頻率沒有明顯變化；同時出現主開關跳閘現象，主開關斷開后，副機處于空載狀態電壓又迅速回升到400 V，功率因數為1。同樣的操作在其他兩臺副機上試驗沒有出現主開關跳閘現象。結合造成發電機主開關異常跳閘的原因分析，故障很可能由發電機端引發，而且是由受到沖擊負荷影響較大的元器件引發。

（二）查找故障點

首先檢查發電機勵磁系統中各元件的外觀情況和接線端子的連接狀態，均正常；對發電機內部進行清潔，排除灰塵等造成的影響。拆下一號發電機的AVR板，并將其安裝到同型號的二號發電機進行試驗，二號副機能在兩臺主空壓機同時啟動產生的沖擊負荷作用下正常運行，說明一號發電機的AVR板功能正常。

排除了AVR板的故障，結合副機在空載、平穩加減負荷及并聯運行中電壓正常的情況，可以排除發電機主機定轉子和勵磁機定轉子存在匝間故障的可能性。發電機正常運行期間電壓沒有出現明顯的波動、偏大或偏小等現象，說明插件接觸良好，電壓整定器、整流變壓器、電抗線圈正常。如果上述元器件存在故障會造成持續的電壓變化，而不是在大沖擊負荷作用條件下才出現電壓大幅降低的情況。

發電機運行期間負荷波動頻繁，會造成勵磁電流勵磁電壓頻繁變化，這些變化長期作用在勵磁系統中可控硅、靜止整流模塊、旋轉整流模塊、壓敏模塊中的半導體元件上，再加上機器運行轉速高、離心力大以及船上高濕高溫高鹽的環境易加劇半導體元件的老化。如果這些部件中的某個半導體元件處于故障狀態將導致電壓有明顯的變化，故障很可能是某個或某幾個半導體元件處于性能變劣的臨界狀態。根據懷疑的故障元件所處的位置，按照由易到難的原則進行故障原因查找。

第一，從方便更換的部位開始查找，更換可控硅。先用萬用表測量備用可控硅導通情況，確認正常后進行更換，然后進行突加大沖擊負荷試驗，造成發電機主開關跳閘，可以排除這方面原因。

第二，更換靜止整流模塊，先用萬用表測量冷態下反向電阻，阻值無窮大，確認正常后進行更換，然后進行突加大負荷沖擊試驗，造成發電機主開關跳閘，這方面原因也可以排除。

第三，準備更換轉子軸上安裝的旋轉整流模塊和壓敏模塊，先更換壓敏模塊，用萬用表對備用壓敏模塊進行測量，正反向都不導通，確認正常后進行更換。然后進行突加大沖擊負荷試驗，一號副機運行正常，并且反復多次試驗都正常。單機運行一天后，再次進行突加大負荷沖擊試驗仍可以正常運行，說明故障的原因存在于壓敏模塊中。對更換下來的壓敏模塊用萬用表測量正反向的導通情況，測量結果也都是不導通，說明這個元件在沒有大負荷沖擊的情況下可以保持高阻值狀態不會導通，但是利用船上現有的測量設備很難確定具體多大的過電壓造成其導通。

（三）確定故障原因

當發電機在運行中發生突然短路、失步、非全相滑差運行、非同期合閘等故障時，會在轉子繞組中產生很高的感應過電壓，危及勵磁系統和發電機轉子的安全。這種情況需在轉子回路中并聯壓敏模塊，進行電壓鉗位吸收多余電流，防止過電壓對發電機轉子及旋轉整流模塊產生危害。

發電機、壓敏模塊、旋轉整流模塊參數分別見表1、表2和表3，壓敏模塊狀態變化如圖1所示。

表1 1FC6 502-6SA43發電機參數

表2 MMY20K750X壓敏模塊技術參數

表3 MDD100-12旋轉整流模塊參數

圖1 壓敏模塊狀態變化

從以上參數對比可發現，發電機的勵磁電壓和電流明顯小于壓敏模塊標稱電壓Un（閾值電壓）和最大限制電流Ip，在正常狀態下是不會造成壓敏模塊導通的。旋轉整流模塊所能承受的峰值電壓遠大于壓敏模塊標稱電壓，這樣才可以起到保護作用。更換性能正常的壓敏模塊后消除了一號發電機的異常現象，說明突加大負荷所產生的過電壓不足以達到壓敏模塊的標稱電壓。因此故障原因是壓敏模塊元器件性能變劣、閾值電壓降低了。

本例故障中，當同步發電機有功負荷突然增加時，在突然發生功率角加大、功率因數減小的過程中，會有暫時的異步運行，這時轉子勵磁繞組的導體與定子電流產生的旋轉磁場間有相對運動，導體切割磁力線產生感應過電壓。此電壓值已經達到壓敏模塊的閾值電壓，使壓敏模塊導通，旁通了勵磁電流，造成發電機輸出電壓迅速大幅下降。而發電機主開關有失壓保護功能，在發電機輸出電壓降低到失壓保護動作值后不能及時恢復，必然導致主開關跳閘。

四、發電機其他常見故障及排除方法

（1）發電機無法建立輸出電壓。測量主發電機定子線圈是否存在短路，主發電機轉子線圈是否存在短路或斷路，勵磁機定子線圈是否存在短路或斷路，查找勵磁系統故障，檢查勵磁機勵磁整流回路是否開路，整流二極管是否燒壞，勵磁繞組端子接線是否正確。比較常見的故障就是勵磁回路開路或者整流二極管燒壞。

（2）發電機輸出電壓遠低于正常值。檢查可控硅是否燒穿導通，AVR板是否損壞造成分流過大，靜止整流模塊是否損壞。測量整流變壓器是否存在匝間短路，壓敏電阻、旋轉整流模塊是否短路，勵磁機轉子線圈是否短路，主發電機轉子線圈是否短路。

（3）發電機輸出電壓明顯高于正常值。檢查可控硅是否損壞不導通，AVR板損壞是否不起分流作用，以及旋轉整流模塊可能存在的故障。

（4）發電機電壓不穩定，出現波動。檢查連接插件是否接觸不良，AVR板是否調節不當，旋轉整流模塊是否被擊穿。

五、結語

本文涉及的發電機主開關跳閘故障，原因是勵磁系統中壓敏模塊元器件性能變劣導致閾值電壓降低。在筆者參與解決的電氣故障中，因元器件性能惡化造成設備不能正常使用的情況并不少見。當然，準確判斷故障并能正確處理，仍需在實踐中不斷學習和總結。要從根本上解決發電機運行中存在的問題，必須堅持預防為主的原則。惡劣海況和糟糕的環境容易加劇電子元器件性能變差，因此，船舶電氣設備負責人應定期檢查船上各種電氣設備，并配備必要的備件和檢查儀表，做到有效預防故障且一旦發生故障可迅速排除，保障船舶正常運營。