船舶電氣設備偶發(fā)故障分析探討

郜世杰，陳 穎

（1.海軍駐廣州427廠軍事代表室，廣州510715；2.海軍駐上海711所軍事代表室，上海200041）

1 引言

目前船舶上所配置的主配電板、發(fā)電機組、各類監(jiān)控系統(tǒng)等電氣設備，在試驗、使用過程中難免會出現(xiàn)一些偶發(fā)故障，此類故障具有以下明顯特征：一是發(fā)生時機偶然；二是發(fā)生過程短促，過程記錄不明確；三是故障導致的結果多樣、定位不清晰。

基于上述特征，對該類問題的處理并沒有具體的方法，往往通過對可能出現(xiàn)故障點的電氣元件進行大面積重新接插，或更換元器件等手段進行排除。如果成功消除了故障現(xiàn)象，此類故障便會簡單的歸結為元器件松動、接觸不良或設備保養(yǎng)不到位等原因。然而這種處理方法雖然能短時間改善或規(guī)避故障的發(fā)生，但由于故障機理的不確定性，并沒有從根本上解決故障問題，因此對設備的后續(xù)使用者來說造成了一定的隱患和不確定性。本文通過對某型艦船上偶然發(fā)生的發(fā)電機組失壓故障進行分析，通過實船試驗明確了所謂接觸不良現(xiàn)象的電氣特性，成功人為復現(xiàn)故障現(xiàn)象，從根本上解決了故障問題。

某型艦船上所配置的相復勵勵磁系統(tǒng)發(fā)電機組，在碼頭試驗期間發(fā)電機穩(wěn)定運行過程中，偶然發(fā)生了發(fā)電機組欠壓報警，隨后發(fā)電機組電壓迅速跌落，主開關跳閘?，F(xiàn)場服務人員停機檢查后并未發(fā)現(xiàn)原動機組、發(fā)電機、主開關等部件存在故障，再次起機后發(fā)電機組能穩(wěn)定建壓并連續(xù)運行。

相復勵勵磁系統(tǒng)以其結構簡單、可靠性高和較好的復勵性能，是目前我國船用交流發(fā)電機的主要勵磁方式[1]-[3]，它可以很好的保證規(guī)范要求的靜態(tài)和動態(tài)性能?；谙鄰蛣顒畲畔到y(tǒng)的發(fā)電機組通常會配備輔助的電壓調節(jié)裝置，用來滿足發(fā)電機的電壓特性和負載特性[4]-[5]。在發(fā)電機組的調試及使用過程中，經常會遇到發(fā)電機組建壓失敗的問題，如不能及時解決將會影響發(fā)電機組的正常使用，導致船舶失去動力而無法運行。

發(fā)電機組建壓失敗分為兩種情況：一種是發(fā)電機輸出電壓為0，屬于發(fā)電機失磁的情況，此時若發(fā)電機組的元器件無損壞，只需對發(fā)電機進行充磁即可；另一種是發(fā)電機輸出電壓為剩磁電壓。本文以第二種建壓失敗故障為基礎，對這種基于相復勵勵磁系統(tǒng)的同步發(fā)電機輸出剩磁電壓的原因進行分析。

2 相復勵勵磁系統(tǒng)的原理

圖1 相復勵勵磁系統(tǒng)的原理框圖

相復勵勵磁系統(tǒng)的同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的原理框圖，如圖1所示。發(fā)電機在起機時，利用發(fā)電機中的剩磁建立剩磁電壓，剩磁電壓通過相復勵裝置后，經過整流橋D進行整流后，輸出直流電壓u作為勵磁繞組L的勵磁電壓，從而產生勵磁電流。由于勵磁繞組流過勵磁電流，發(fā)電機開始迅速建壓，從而形成正反饋通路，使得發(fā)電機實現(xiàn)快速起勵，完成發(fā)電機組的建壓過程。圖1中的電抗器X1和諧振電容C1用來在發(fā)電機達到一定轉速時候發(fā)生諧振（諧振頻率），從而在短時間內產生較大的勵磁電流，使得發(fā)電機實現(xiàn)快速起勵。勵磁繞組兩端接有充磁電路，如圖中所示。

3 發(fā)電機建壓失敗的可能原因

當發(fā)電機組輸出的電壓為發(fā)電機的剩磁電壓，表明發(fā)電機組的勵磁回路出現(xiàn)故障，其故障有以下幾種：

（1）勵磁回路斷路或短路

當勵磁回路斷路或短路時，勵磁繞組無法得到勵磁電流，整個相復勵系統(tǒng)也無法形成正反饋，因此導致發(fā)電機端輸出電壓只有剩磁電壓；

（2）分流用的開關管短路

當開關管出現(xiàn)短路故障時，整流橋輸出勵磁電流全部消耗在分流電阻上，勵磁繞組得不到勵磁電流，因此發(fā)電機輸出電壓只有剩磁電壓；

（3）充磁回路短路

當充磁回路短路故障時，會將勵磁繞組短路，導致勵磁電流為0，因此發(fā)電機輸出電壓只有剩磁電壓；

（4）濾波電容C擊穿短路

當濾波電容C被擊穿短路時，會將勵磁繞組短路，導致勵磁電流為0，因此發(fā)電機輸出電壓只有剩磁電壓。

4 某船故障原因分析

某船的發(fā)電機組在調試過程出現(xiàn)偶爾輸出電壓為剩磁電壓的建壓失敗故障。由于該故障是偶爾出現(xiàn)，因此根據(jù)上述3節(jié)中的分析可排除第（2）、（3）、（4）三種可能性，因為若開關管或濾波電容出現(xiàn)短路故障，則為硬件出現(xiàn)故障，這種故障會在每次發(fā)電機組起機時必然出現(xiàn)，因此對第（1）種可能性進行重點排查。

經過排查，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)勵磁回路中F1短接片的緊固螺絲有所松動，此處的勵磁回路的連接線如圖2所示，實際連接圖片如圖3所示。圖2中兩個F1和F2分別代表控制回路的勵磁線和電機回路的勵磁線。從圖3中可以看出，若短接片的緊固螺絲有所松動，可能會造成三種后果：

圖2 勵磁回路連接線

圖3 實際連接圖

（1）勵磁回路斷路

若短接片松動較多，則可能造成控制回路與電機回路的勵磁線發(fā)生斷路，使得發(fā)電機的勵磁繞組無法得到勵磁電流，導致發(fā)電機輸出只有剩磁電壓，故人為的將該點斷開，對發(fā)電機進行起機試驗，發(fā)電機輸出電壓只有剩磁電壓26 V，故障得到復現(xiàn)，說明這種可能性較大。

（2）勵磁回路接觸電阻較大

當短接片松動但沒有完全斷開的狀態(tài)時，連接點相當于接入一個較大的接觸電阻，即勵磁回路接入一個較大的限流電阻，當電阻達到一定的值時，勵磁電流幾乎為0，使得發(fā)電機輸出電壓只有剩磁電壓。為了驗證接觸電阻的大小對勵磁電流的影響，進行了這種勵磁回路接觸不良的模擬試驗，其試驗原理如圖4所示：分別在勵磁回路的F1線路中串入600 Ω、1 800 Ω、2 700 Ω和3 600 Ω的電阻，對發(fā)電機進行空載起動建壓的試驗，分別測量串入各種電阻情況下的勵磁電流和發(fā)電機輸出端電壓，從而判斷出當勵磁回路串入多大電阻時會導致發(fā)電機建壓失敗。從試驗數(shù)據(jù)看出，當勵磁回路串接的電阻達到2.7kΩ以上時，發(fā)電機輸出端電壓只有30 V左右，與該船發(fā)電機組建壓失敗的情況相同，此時的勵磁電流只有mA級；當發(fā)電機組勵磁回路的接觸電阻達到3 kΩ以上時，可以導致發(fā)電機建壓失敗，因此短接片接觸不良造成此次發(fā)電機組出現(xiàn)偶爾建壓失敗的可能性較大。

圖4 勵磁回路接觸不良模擬試驗電路圖

（3）勵磁回路短路

從圖3中可以看出，F(xiàn)1與F2的短接片之間的電氣間隙較小， 在短接片松動的情況下由于外力作用可能會造成兩塊短接片短接，引起勵磁回路短路，從而導致發(fā)電機輸出只有剩磁電壓的故障。因此人為的將兩塊短接片短接，將發(fā)電機進行起動建壓試驗，輸出電壓為26 V，與此次故障現(xiàn)象相同，因此此次發(fā)電機偶爾輸出電壓只有剩磁電壓的故障也不排除這種可能性。

5 結束語

經過上述的排查過程，基本可以判斷此次故障的原因在于勵磁回路F1的短接片松動造成勵磁回路接觸不良或短路所致。將此短接片進行緊固后，多次對發(fā)電機組進行起停機試驗，發(fā)電機組均建壓正常，且之后的長期運行中發(fā)電機組均運行正常，表明此次故障得到有效解決。

經過此次排查發(fā)現(xiàn)，當發(fā)電機偶爾出現(xiàn)建壓失敗時，應重點排查勵磁回路的線路，而非元器件的更換與排查，因為若是元器件出現(xiàn)問題，則故障現(xiàn)象不是偶然而是必然出現(xiàn)的。

本文對此次發(fā)電機組建壓失敗的排查過程、分析與結論，是成功解決電氣設備偶發(fā)故障的典型案例，可為同類設備出現(xiàn)類似問題時提供一定的參考。

[1]王文義.船舶發(fā)電機電磁疊加相復勵恒壓裝置的調試[J].船海工程,2012(08).

[2]史際昌.電磁式相復勵自勵恒壓系統(tǒng)最佳參數(shù)的計算[J].大連海運學院學報, 1986.08.

[3]王華強.中小型同步發(fā)電機相復勵勵磁系統(tǒng)分析[J].荊門職業(yè)技術學院學報, 1999.06.

[4]張珺.發(fā)電機勵磁調節(jié)器的動態(tài)試驗研究[J].機械與自動化, 2013.05.

[5]周臘吾, 黃守道.一種同步發(fā)電機無刷勵磁系統(tǒng)的設計[J].防爆電機,2001.03.