刘中山，薛士龙



船舶电站无功功率故障分析

刘中山，薛士龙

（上海海事大学物流工程学院，上海 201306）

相复励无刷励磁系统是目前船舶电站中广泛应用的一种励磁装置。通过结合实际船舶电站中出现的无功分配不均现象，介绍船舶电站无功功率分配不均产生的原因、励磁系统相复励装置工作原理和自动电压调节器（Automatic Voltage RegulatorAVR）各调节旋钮的含义。结合对故障原因和功率平衡装置工作原理的了解，并通过AVR旋钮的调节，实现对船舶电站出现的无功功率分配不均现象调节。通过本次故障的处理，希望给船舶电气管理人员日常维护管理电站提供一定的参考。

船舶电站 无功功率 励磁系统 相复励 自动电压调节器

0 前言

科学技术不断发展前进，带动现代化船舶吨位突飞猛进的增加，进而对船舶同步发电机的性能和电力供应系统提出了更高的要求。同步发电机的重要组成部分励磁系统不仅可以维持船舶电网电压的稳定，还可以实现发电机并联运行时无功功率的调节和分配。同步发电机励磁系统出现故障不仅影响船舶电网供电质量，有损用电设备，严重时可能导致发电机跳闸，更甚是出现全船失电现象，危及船舶正常作业和安全航行[1,2]。鉴于船舶航行外界环境的不稳定性，发电机长时间运行工作出现部件老化、螺丝松动及接线脱落等现象导致发电机励磁系统故障影响正常营运情况时有发生。某公司远洋多用途船，在一次航行中多次出现无功功率分配严重不均，为船舶正常航行和作业带来巨大影响。本文以此船故障为例，对同步无刷发电机的励磁系统、自动调压装置以及故障处理调节进行分析。

1 故障现象

该轮船有3台同容量的西门子1FC5型无刷同步发电机，单机运行都是正常工况。在某港口应用甲板克令吊进行装卸货时，需要2台发电机并联运行，选用1#和2#发电机并联运行。在甲板300T克令吊启动后，发现1#发电机负荷偏低，无功电流较高，2#发电机正常；当克令吊动作时，发现2#发电机有功和无功都处于正常波动状态，但是1#发电机有功增加不大，无功电流明显增加很大。鉴于此状况，改为2#和3#发电机并联运行，发现3#发电机运行状态与之前1#发电机类似。现在以1#和2#发电机并联运行时状况为例，其电流变化情况如表1所示。

2 故障现象原理分析

2.1 负载电流分析

当发电机主开关合闸时，发电机接通负载供电，此时发电机要同时承担有功功率和无功功率，所以发电机的输出电流由有功电流P和无功电流Q两部分组成,即

=P+Q（1）

根据电路基本知识可知，有功分量电流与电压同相位，无功分量电流超前（容性负载）或滞后（感性负载）电压90°，即有功电流与发电机端电压同相位，无功电流与发电机端电压相差90°[3，4]。船舶负载一般为感性负载，其向量图如图1所示。

发电机承担的有功功率小，输出电流中有功电流分量就小。由图1可得其有功电流分量和无功电流分量公式（2）和（3）。当有功功率变化不大，发电机输出总电流增大则是由无功电流增大所引起。

I=I（2）

I=I（3）

图1 发电机电流向量图

2.2 并联运行机组电势差分析

以隐极式同步发电机为例，当发电机接通负载有输出电流时，电枢绕组上存在电枢反应电抗和漏磁电抗X,统称为同步电抗，同步电抗产生压降。忽略高次谐波及不考虑饱和及齿槽的影响，隐极式同步发电机的电势平衡方程式为（4）所示[5]：

U=E-jXI (4)

式中：---隐极式同步发电机端电压；

E---隐极式同步发电机空载电势；

X---隐极式同步发电机的同步电抗；

---隐极式同步发电机电流。

发电机并网运行时，电网电压即发电机的端电压，因此并网发电机的端电压相同。由（4）式可看出，发电机电流的变化引起发电机电枢绕组上压降的变化。因此，并联机组中各发电机电流不相等时，各自的空载电动势E不同，机组之间就会产生一个电势差。

2.3 环流的产生及对无功功率的影响

图2 发电机并联运行时环流

并联机组之间存在电势差，因此发电机组之间产生一个环流，假设1#发电机的空载电势高，发电机组间环流如图2所示[6]。因为同步发电机的定子绕组的电抗较电阻大得多，从而产生的环流基本上是一个无功电流I，与电势差相位角相差约90°。此环流对电动势较高的发电机相当于输出一个感性无功电流；对电动势较低的发电机相当于输入一个容性无功电流。每台发电机在正常分担电网无功电流I的同时还要加上相应的无功环流I，如图3和公式（5）所示。

图3 并联运行时每台发电机输出无功电流

由图3可以看出，对电势高的1#发电机电网无功电流I与无功环流I同相位，1#发电机承担的无功负荷增加；对于电势低的2#发电机其相位相反，2#发电机承担的无功负荷减小，甚至呈现容性。因此，环流电流影响并联机组中各发电机的无功负荷的分配。机组间电势差越大，产生的无功环流越大，对各发电机无功负荷分配影响越严重。当无功负荷分配严重不均时，将导致单台发电机无功电流超过其设定保护值，如果在额定时间内没有下降到保护值以下，保护装置触发，使发电机跳闸。针对此船，在装卸货过程中就因为无功电流分配严重不均发生发电机跳闸现象。

根据同步发电机空载电动势公式（6），可知发电机空载电动势E与磁通Φ成正比。由公式（7）和（8）得，励磁电流（）产生磁势（），磁势产生磁通（Φ），因此发电机空载电动势E与励磁电流成正比。改变励磁电流就可以改变发电机的空载电动势，即改变励磁电流可以调节并联运行时的无功功率的分配。

E=4.44ƒNΦK(6)

(7)

Φ =(8)

3 1FC5型船用无刷同步发电机励磁系统的工作原理

1FC5型船用无刷同步发电机是可控相复励无刷同步发电机，主要组成部分为定子绕组（电枢绕组）、转子（励磁绕组和旋转整流器）和交流励磁机转子（电枢绕组）、定子绕组（磁场绕组）、相复励装置和自动电压调节器（Automatic Voltage RegulatorAVR）等。发电机的转子为隐极式的，转子本体圆周表面开槽，嵌放着励磁绕组。转子表面1/3没有开槽，构成大齿，为磁极中心区[5]。在同一根转轴的另一侧装有励磁机的电枢转子和旋转整流器。发电机励磁系统（相复励装置和AVR）装在发电机控制屏内。

3.1 相复励装置

西门子1FC5型可控相复励无刷同步发电机励磁系统电路原理如图4所示。图4中，G1为同步发电机，G2为励磁机，C1为谐振电容器，A1为AVR，L1为移相电抗器，R1为串联电阻，R2为同轴电位器，T1～T3为电流互感器，T4、T5为中间互感器，T6为相复励变压器，T7、T8为测量变压器，V1为三相桥式静止整流器，V2为旋转整流器[6-11]。

相复励装置是由T1～T3电流互感器、移相电抗器L1、谐振电容C1、相复励变压器T6和三相桥式静止整流器V1组成。电流互感器的二次侧向相复励变压器T6提供电流信号；发电机端电压通过移相电抗器L1移相90°并转化为电流源向相复励变压器T6提供电压信号。相复励变压器有两组绕组，一次侧为电压绕组，二次侧为输出绕组，其中电流信号从抽头接出，相当于自耦变压器，输出电流经过三相桥式静止整流器V1向励磁机的定子磁场绕组供电[7]。如图5（a）和5（b）所示。图5（a）所示，一次侧输入电压信号，二次侧输出电压分量；图5（b）所示，一次侧输入电流信号，二次侧输出电流分量。电压分量信号和电流分量信号在T6中转化为磁通叠加输出，由AVR根据电压分量和电流分量对相复励装置输出进行控制，维持电压恒定。

3.2 自动电压调节器调整

西门子1FC5发电机AVR的调整主要有电压调节范围、灵敏度、稳定性和调差特性。功能更加完善的AVR还具有其他附加功能，进一步加强保护发电机的安全运行[8-11]。

电压调节范围整定原件一般是电位器，分别位于AVR板上和发电机控制屏内，即内电压调节旋钮US和外电压调整器。一般情况下维护管理人员只需调整外电压调整器，内电压调节旋钮在AVR出厂前已经校正。

AVR都具有稳定电路来保证发电机输出电压有良好的静态和动态性能。AVR板上TN旋钮为控制电压稳定调节旋钮。电压自动调节过程出现电压不稳定主要是AVR的调节速度与励磁系统时间常数不匹配引起的。速度太快则会发生电压不稳定；速度太慢又不能及时调整电压瞬间波动，电压回复时间延长。

调节精度又称为灵敏度，是指发电机所带负载在允许范围内变化时，经AVR调节后的电压变化率，通过AVR板上VR旋钮进行调节。灵敏度过高会引起电压振荡，过低会引起稳态电压调整率变差或并联运行时无功振荡，AVR板上VR旋钮在出厂前已调试好，维护管理人员尽量少动。

调差特性是每台带有AVR的发电机必备的，是解决并联机组运行时机组间无功电流分配问题的。在发电机控制屏内，即R2同轴点位器。如果将R2箭头方向调到“0”位，则切除调差作用。

4 故障排除

当发电机单机运行时，发电机正常稳定供电，发电机组并联运行时，电流出现分配不均匀时：

有功功率不变，两台发电机供电总电流等于一台发电机单独供电时电流，属于单机额定电压没有调节为相同，电流分担有差别，需要在发电空载时将电压调到相同电压值；

有功功率不变，两台发电机供电总电流大于一台发电机单独供电时电流，属于单机额定电压及其压降特性没有调节为相同，电流在发电机内部有环流，需要调匀；

有功功率不变，两台发电机并联供电，发电机电流交替大幅摆动，属于单机额定电压及其压降特性相差太大，电流在发电机内部有环流，需要调匀；

电流分配时好时坏，可能是器件线路故障问题。

无功功率分配或环流问题可以检查一下各个环节：

励磁系统所有器件、线路及各个节点有无异常，尤其是各个电流互感器、移相电抗器，相复励变流器，检查是否恶劣天气航行后出现的接线松动或脱落；

单机压降特性可调点1：电流互感器副边抽头、同轴电位器R2，都是调节送入AVR的信号调节，相当于调节AVR对发电机电流变化的比例值与灵敏度；

电机压降特性可调点2：对于换新的AVR，有时也需要根据实际情况调节后才能正常工作，1FC5系列发电机AVR板上有3个旋钮：

US：内部电压设定，顺时针方向调节为电压升高，反之降低

VR：灵敏度调节，顺时针方向调节为灵敏度提高，反之降低

TN：动态反应时间调节，顺时针方向调节为反应时间变长，反之变短。

针对此船电站出现的故障，首先是检查每台发电机励磁系统中各个部件的接线情况，并将每台发电机空载电压调为相同。然后单独测试每台发电机，观察在正常负载下发电机运行情况，发现单机运行正常。在将其中2台发电机并联加载运行，发现无功电流分配依然严重不均。鉴于船上有同型号新的AVR备件，于是决定对1#发电机的AVR换新，换新后先检查单机空载电压并调成相同，在单机测试加载后的运行情况，运行正常。将1#和2#发电机并联运行，加载后发现无功功率分配有所变好，但是仍然存在分配不均。根据厂家说明，AVR上US、VR、TN 3个旋钮。其中US不用调节；TN可以调节，向数字大方向调节，最大可调到11点方向；VR可以微动，向数字小的方向调节，最大可调到4点钟方向。根据厂家意见，分别调节新的AVR上的TN和VR，经过多次调节实验，最终将TN调节到8点钟方向，VR调节到3点半方向，再次并联加载测试，发现两台发电机的有功负荷和无功分配都处于正常范围内。在此后的几个港口装卸货中都应用这两台发电并联运行，负荷多次冲击没有出现过大的无功分配不均现象。

当发电机并联应用中出现无功分配不均应急调节时可将无功电流大的发电机的电压调低些，同时将无功电流小的发电机的电压调高些。

5 结束语

船舶发电机的励磁系统调整好后一般不会出现大的故障，发电机组并联运行调试好后有功负荷和无功负荷的分配也会维持稳定，因此维护管理人员正常情况下不需要调节各可调电阻及AVR上个旋钮。在需要拆线维护保养过程中应及时做好标记，确保正确恢复接线。由于船舶航行的特殊情况，在经历严重恶劣的天气后，发电机组并联运行时可能会出现一些无功分配不均，可以尝试将发电机卸载重新启动再次并网或者改变并网发电机的顺序情况，可以恢复正常。船舶电站如果出现比较大的故障，对船舶管理人员来讲是非常棘手的问题，应根据船舶实际情况出发，多方面来考虑问题原因。

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Analysis of Reactive Power Failure at Ship Power Station

Liu Zhongshan, Xue Shilong

(School of Logistics Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM711

A

1003-4862（2017）09-0037-05

2017-06-15

刘中山（1989-），男，硕士。研究方向：船舶电力推进控制系统。