某船并車瞬間主斷路器脫扣現象的分析及處理

摘" " 要：某船在發電機組調試過程中，出現發電機組同步并網時主斷路器瞬間異常脫扣現象，本文基于這次主斷路器瞬時脫扣現象，闡述故障分析、試驗排查及故障處理方案，總結了此次故障排查處理過程中獲取的經驗。

關鍵詞：發電機并網；瞬時脫扣；斷路器

中圖分類號：U661.78 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Analysis and Solution for the Instantaneous Disconnection Phenomenon of the Main Circuit Breaker of the Generator Parallel Operation on Ship

CHEN Yang1，" ZHAO Shaomeng2 ，" JIN Song2

（ 1.First Military Representative Office of Navy in Guangzhou，" Guangzhou" 510715， China;" 2. CSSC Huangpu Wenchong Shipping

Co.， Ltd.，" Guangzhou" 510715， China ）

Abstract： During the debugging process of a certain ship’s generator set， there was an occasional abnormal tripping phenomenon of the main circuit breaker during the synchronous grid connection of the genetator set. Based on the instantaneous tripping phenomenon of the main circuit breaker of a ship’s generator set during parallel operation， this article elaborates on the fault analysis， trouble shooting and fault handling plan， and summarizes the experience gained during this fault trouble shooting process.

Key words： generator grid connection;" instantaneous disconnection;" circuit breaker

1" " 引言

船舶用電設備繁多，船舶電站作為一種孤島型電站，受空間及發電機單機容量限制，滿足大功率船舶用電需求時均需要安裝多臺發電機組，且發電機組在網數量也隨著船舶電網負荷的變化而隨之改變。某船調試階段，同一臺發電機在不同時間并車時，發生了兩次待并發電機合閘成功瞬間主斷路器異常脫扣的故障。對于孤島型電站，發電機組系統的穩定運行尤為重要。發電機組的并網和解列運行就是一項頻繁而重要的操作。故而對此故障的排除勢在必行。

2" " 故障現象及原因分析

2.1" "故障現象

發電機組同步合閘調試階段，分別完成了對該船配置的4組發電機組單機負荷試驗摸底和調速調壓性能試驗摸底，每臺機組都運行正常且滿足技術指標要求。發電機自動增機減機模擬試驗時，自動電站模式下，在網功率1 200 kW（試驗負載），三臺發電機在網，模擬其中一臺發電機故障，待并發電機自動起動并車，故障發電機自動解列停機。在待并發電機組并車成功瞬間，其主回路上的斷路器（以下稱主斷路器）異常脫扣，并發出“主斷路器短延時保護”報警。機旁停機，并檢查相關線路及電氣元器件，無發現異常現象。單獨起動待并發電機，單機運行正常且無其它異常現象，隨后，手動并車無異常現象，運行正常。過了一段時間后，上述故障現象再次出現。

1）第一次故障出現后的現象

第一次發電機并車主斷路器瞬間脫扣后，解列發電機組合閘主斷路器記錄脫扣瞬時電流值為30.59 kA，且滅弧室有明顯的熏黑跡象；檢查線路沒有損傷的跡象；發電機組、發電機組電站控制器、主配電板匯流排和合閘控制線路均未發現異常現象。

2）第二次故障出現后的現象

第二次發電機并車主斷路器瞬間脫扣后，解列發電機組合閘主斷路器記錄脫扣瞬時電流值為30.54 kA，斷路器分斷時間為0.01 s，無其它明顯痕跡。其余電氣元器件和部件的現象與第一次故障出現后的現象相同。

這兩次同步合閘異常情況均出現在自動同步合閘的情況下。該船的4臺發電機組型號相同，功率均為1000kW，主斷路器的瞬時脫扣值設定為30000 A。故障現象說明待并發電機主斷路器出現了大電流沖擊導致其瞬間脫扣，能夠引起主斷路器大電流沖擊瞬時脫扣的情況有以下兩個原因：

（1）由于回路中出現短路而引發的大電流沖擊分閘；

（2）發電機非同步并車時，相角差過大引起的大電流沖擊分閘。

由于兩次故障發生后電氣元器件和線纜均未有明顯的損傷和松動現象，且對主斷路器處的短路理論計算值約為40.88 kA。所以，引起此處的大電流沖擊分閘的現象可能是發電機組非同步并車導致的。

2.2" "自動合閘原理

電站監控系統自動合閘原理如下：

半自動、自動、越控控制方式下，有機組在網，在機組操縱面板上輸入合閘指令或機組控制器收到增機指令。發電機組控制器接收到有效的機組合閘指令后，根據發電機組狀態及機組斷路器狀態判斷是否響應合閘指令，此時發電機組控制器檢測到發電機組斷路器兩側均有電，通過向本機組發送調速指令，準備進行發電機組斷路器自動準同步并車。以匯流排頻率為機組的調速基準，設定調速目標為（50+0.12）Hz。當調節的機組頻率高于匯流排頻率，電網有電且發電機組主斷路器處于分閘狀態時，發出允許同步信號。發電機組控制器的自動準同步模塊收到允許同步信號后將執行準同步并車，準同步并車輸出的條件如下：

1）合閘電壓差1∽15 V（可調）；

2）頻率差+0.1∽0.5 Hz（可調）；

3）發電機組未合閘；

4）發電機組無故障；

5）合閘超前時間：85 ms（可調）。

2.3" "故障原因分析

發生主斷路器合閘瞬間沖擊脫扣的故障現象可能的原因分析如下：

1）發電機組控制器在輸出合閘指令后，由于發電機主斷路器及附屬控制線路未及時執行合閘指令，使主斷路器在實際完成合閘功能時，合閘相位角已超出正確位置，從而發生待并主斷路器短延時脫扣；

2）發電機組控制器接收到有效的機組合閘指令后，將根據機組斷路器狀態判斷是否響應合閘指令，此時發電機組控制器會檢測發電機組主斷路器兩側是否有電壓。若發電機組主斷路器兩側均有電壓，則發電機組控制器通過向本機組發送調速指令，進行發電機組主斷路器自動準同步并車。若發電機組主斷路器匯流排側無電壓，則發電機組控制器將判斷出當前電站處于失電狀態，發電機組控制器不會進行發電機組主斷路器自動準同步，直接對發電機組母排發出合閘信號。因此，當匯流排有電壓，但由于匯流排監測線路接線不牢固導致待并發電機組控制器未檢測到匯流排電壓，待并發電機組控制器在執行合閘功能時，未進行發電機組主斷路器自動準同步并車，直接輸出合閘指令，導致發電機組未在正確合閘相角并車，從而發生待并主斷路器短延時脫扣；

3）發電機組控制器接收到有效的機組合閘指令后，將根據機組斷路器狀態判斷是否響應合閘指令，此時發電機組控制器會通過輸入控制器的發電機組電壓UUV和匯流排電壓UUV進行合閘相位角判斷。若由于輸入待并發電機組控制器的電壓不是發電機組電壓UUV或匯流排電壓UUV，待并發電機組控制器將在錯誤的合閘相角位置執行合閘功能，從而發生待并主斷路器短延時脫扣；

4）發電機組起動后轉速還未穩定，電壓值還未達到平穩電壓，但啟動過程曲線上的機組電壓、頻率數值已滿足自動同步并車要求，機組控制器在判斷相角差也達到同步合閘要求后（控制器合閘超前時間設置為85 ms），發出合閘指令。此時，合閘電壓差和頻率差處于設置的邊界值附近，在主斷路器動作時間過程中頻率又有了一定變化，實際合閘時相位角差超出了理想合閘角度（超前5度-滯后5度）。

3" " "故障排查

3.1" "同步合閘主斷路器故障排查

故障發生后，首先考慮是否由于主斷路器執行故障導致同步合閘失敗。因此，對同步合閘主斷路器進行合閘時間測試，測試過程中主斷路器主體未安裝在抽屜座內，主電路不通電的情況下進行。合閘時間測試回路圖如圖1所示。

合閘時間是測量合閘信號給出至斷路器主觸頭閉合的時間。經過50組的測試合閘試驗采樣得出合閘時間均在40 ms以內。符合GJB 370-97 3.9.7.1.3的要求。主斷路器能夠正常響應合閘指令，不存在故障情況。

3.2" "發電機組合閘回路原理分析及排查

發電機并車回路原理圖見圖2，從圖2中可分析得出，其控制回路簡單，除了手動同步合閘回路，還有半自動、自動同步合閘回路。其中半自動和自動合閘回路的合閘信號是由發電機控制器發出的合閘指令進行同步合閘的，可認為是同一回路。手動合閘回路和半自動、自動合閘回路上發電機組母排和電網母排的采樣電壓互感器也是同一組。

當回路得到合閘指令時，手動同步合閘指令發出到主斷路器執行合閘動作經過兩個繼電器；半自動、自動同步合閘指令發出到主斷路器執行合閘動作經過3個繼電器。檢查這幾個繼電器動作時間及響應均無異常現象。采樣回路與合閘回路上的電氣元氣件無異常。

檢查采樣回路至發電機組控制器的輸入信號，發電機組用于同步合閘判定的輸入為UUV相，電網母排上用于同步合閘判斷的輸入也為UUV相，兩者相同，并無錯相的現象。

3.3" "故障流程模擬方法進行試驗排查

1）故障流程模擬試驗方法

對每臺機組并車過程中的沖擊電流進行電量分析儀錄波，分析主斷路器并車合閘過程中對電網的沖擊，并在每次合閘并車過程中觀察待并機組電壓波形與電網電壓波形。

電能質量分析儀接入位置：根據圖3所示位置接入電量分析儀，方便在實際合閘時觀察各信號的波形情況。

2）故障流程模擬試驗流程及現象

用模擬方法分別模擬機組滑油壓力低、冷卻水溫度高、發電機繞組溫度高等信號，指定的備用機組應立即起動，自動并網成功后，逐步卸去故障機組負載，并對故障機組發出停機指令。按照試驗流程對四臺發電機組進行自動增機減機功能試驗。模擬試驗過程中，并無發生過發電機組同步并網瞬間主斷路器異常脫扣現象。但在試驗過程中，監測到一次由發電機組控制器發送發電機組啟動命令到發電機組啟動到發電機組合閘并網成功時間為8.99 s，柴油機組有瞬間增加大負載的轟鳴現象，電能質量分析儀記錄本次沖擊電流峰值為4.7 kA。試驗監測到的電壓電流波形圖如圖4-圖6所示。

4" " 故障處理

從以上的故障現象、線路排查、反復的模擬試驗可以得出，此故障發生時回路不存在線路松脫及接錯線的情況。通過非同步并車沖擊電流的計算方法[2]，可以計算主斷路器合閘瞬間待并發電機組與電網之間存在的相角差值。

發電機超瞬態通過簡化的存在相角差并車時的沖擊電流計算公式[1]為：

式中：Xd”為發電機組廠家提供的直軸超瞬態電抗值，為38 mΩ；XN”= Xd”/2。

式中：im為電流瞬時值。

模擬試驗過程中出現的同步并網發電機組合閘瞬間電流沖擊的瞬時值為4.7 kA。按照式（1）和式（2）計算可以得出發生并網發電機時與電網的相位差為15.5°，超出了同步合閘并網的條件設置。

結合多天的反復模擬試驗結果，未出現待并主斷路器短延時脫扣故障。上述待并發電機主斷路器并車短延時脫扣故障大概率為偶發故障。待并發電機并車瞬間主斷路器短延時脫扣可能是合閘瞬間相位角偏差過大，會產生較大的沖擊電流引起開關跳閘。通過分析發電機組控制器的合閘時機判斷方法及判斷條件，有可能存在判定發電機滿足合閘條件時，待并機組仍處于起動過程中，轉速和電壓存在明顯波動，在合閘指令發出至合閘動作延時時間內，相位角已顯著超出正常合閘允許范圍。該同型機組和監控大批量的在該型船舶上經過長時間使用驗證，未出現過同類故障情況反饋。證明本船出現的偶發待并發電機并車瞬間主斷路器大電流沖擊脫扣的情況可能是相關裝備在各自的指標合格范圍內的極端耦合所導致。

為避免這種偶發故障的再次出現，需要將發電機組控制器控制參數中“機組運行”信號濾波時間進行延長處理，延長機組控制器開始判斷合閘時機的時間，以便能夠使此臺發電機組能夠完全運行至穩定狀態后進行并車。所延長的時間為監測到發電機組啟動電壓值至發電機組運行穩定的時長。

5" " 結論

經過上述處理及使用觀察，目前此故障現象沒有再出現。由此可得出在以后的控制器參數“機組運行”的信號濾波時長設置時，不能僅依靠經驗值，而應參照發電機組的特性數據進行合理的時長設置，以規避此類故障的發生。

參考文獻

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