某型船發(fā)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(xué) 電氣工程學(xué)院， 湖北 武漢 430033）

0 引言

某型船在執(zhí)行“左柴油發(fā)電機組加負荷”指令時發(fā)生發(fā)電機異常并網(wǎng)。事后檢查確認并電網(wǎng)電壓為U，網(wǎng)時電樞電壓為0.78U， 在約0.22U 逆壓差條件下發(fā)生并網(wǎng)，形成巨大的逆流沖擊導(dǎo)致電機異常損傷。 低壓差并網(wǎng)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(diào)查組對此事件進行調(diào)查。在“某型船左柴發(fā)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(dǎo)致電機出現(xiàn)如此毀壞性損傷， 造成電機損傷的原因是設(shè)備緊固問題導(dǎo)致的機械性故障， 電機轉(zhuǎn)速升高、震動加劇、軸承過熱與機座發(fā)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(wǎng)在非線性運動狀態(tài)下的過程描述。 柴發(fā)機組并網(wǎng)是一個復(fù)雜的非線性過程， 系統(tǒng)中某些特定參數(shù)會隨著轉(zhuǎn)速、溫度、等條件發(fā)生變化。文章結(jié)合故障設(shè)備勘測、調(diào)研及相關(guān)試驗對發(fā)電機“異常損傷”的原因進行了系統(tǒng)分析，取得了相關(guān)結(jié)論。

1 系統(tǒng)組成及勘驗結(jié)果

1.1 損傷電機勘驗情況

發(fā)電機非換向器端電樞繞組端部翻轉(zhuǎn)甩直， 繞組導(dǎo)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(nèi)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(guān)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(fā)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(fā)現(xiàn)兩個氣缸有拉痕。

1.2 發(fā)電機斷路器勘驗情況

電機并網(wǎng)過程中過大逆電流沖擊的關(guān)聯(lián)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(shù)指標

直流發(fā)電機斷路器裝于發(fā)電機控制板中， 對發(fā)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(yīng)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(jīng)勘驗發(fā)現(xiàn)：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(guān)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(shù)狀態(tài)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(gòu)。特大電流保護過程原理是，當(dāng)電樞發(fā)生特大電流過流時，電磁機構(gòu)銜鐵動作，自動器直接分斷實施保護。 經(jīng)檢測，自動器過電流脫扣單元結(jié)構(gòu)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(fā)電機控制板逆流保護單元測試情況

發(fā)控板逆流保護單元為一裝置式保護電器， 發(fā)電機出現(xiàn)逆流時，逆流保護電器反時限動作，聯(lián)動電樞自動器失壓脫扣，實施保護。

經(jīng)檢測，發(fā)控板逆流保護單元結(jié)構(gòu)正常、定位緊固無異常，逆流反時限保護功能無異常。

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

以上對電機并網(wǎng)的損傷過程進行了初略的分析，下面主要對柴發(fā)機組的并網(wǎng)過程建立數(shù)學(xué)模型通過Matlab進行仿真研究，通過仿真對主要參數(shù)的波形進行分析。

2 并網(wǎng)過程分析與數(shù)學(xué)建模

柴油發(fā)電機組并網(wǎng)前運行狀態(tài)： 初勵磁建壓后電樞自動器閉合， 通過調(diào)研與測量得出發(fā)電機組相關(guān)的狀態(tài)數(shù)據(jù)為，電網(wǎng)電壓約為U、發(fā)電機電樞電壓約為0.78U、初始轉(zhuǎn)速n0，而后柴油機組發(fā)生了停機保護（保護轉(zhuǎn)速約為1.11n0）、柴發(fā)機組最高轉(zhuǎn)速達1.47n0r，之后降速至停機。由于直流柴發(fā)機組并網(wǎng)， 并網(wǎng)過程只有過流保護和逆流保護裝置，并沒有反饋調(diào)節(jié)保護裝置（相當(dāng)于開環(huán)系統(tǒng)），如果要考慮勵磁調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)速器的影響會使整個運算過程復(fù)雜化，為簡化分析，沖擊過程中忽略轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和勵磁調(diào)節(jié)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(wǎng)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(shù)。

2.2 轉(zhuǎn)矩平衡方程

3 仿真實驗

3.1 基礎(chǔ)參數(shù)仿真

根據(jù)計算公式， 結(jié)合初始工況和參數(shù)測量得到基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)。 將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速達到停機保護轉(zhuǎn)速830r/min。

（4）約900ms 時，機組轉(zhuǎn)速進入漸飽和區(qū)，飽和轉(zhuǎn)速達948r/min。

圖1 基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)下電機轉(zhuǎn)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(fā)電機出現(xiàn)“異常損傷”這一實際工況過程中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的計算結(jié)果只是理論上描述電機轉(zhuǎn)速與電流隨時間的變化規(guī)律，與實際工況存在誤差。 對此本文對比基礎(chǔ)參數(shù)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(zhuǎn)電壓的誤差影響

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中，跳轉(zhuǎn)電壓按參數(shù)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(zhuǎn)電壓0.746U。

3.2.2 同時考慮跳轉(zhuǎn)電壓和電網(wǎng)電壓的誤差影響

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中，電網(wǎng)電壓為上一次測量的歷史數(shù)據(jù)，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(wǎng)電壓取1.05 U。

3.2.3 考慮轉(zhuǎn)動慣量J 的誤差影響

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)動慣量按發(fā)電機實用公式測量計算取得，該系統(tǒng)中柴油機效率顯著偏低，故轉(zhuǎn)動慣量測量計算值預(yù)計偏大。忽略柴油機慣量影響，取轉(zhuǎn)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(zhuǎn)電壓及電網(wǎng)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(zhuǎn)動慣量J 的誤差影響

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中電樞電阻按靜態(tài)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(wǎng)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(zhuǎn)動慣量下限計算值473 及上限值2216?？紤]邊界因素條件下的參數(shù)數(shù)據(jù)如表1 所示。

電機與電網(wǎng)并網(wǎng)，約0.22U 壓差瞬間產(chǎn)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(xù)0.4s，開關(guān)動作。分析曲線逆流保護應(yīng)該在0.5s 之前動作，但考慮到電機轉(zhuǎn)速升高，電樞電壓增大，逆壓差應(yīng)該減小，實際峰值電流持續(xù)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(shù)Tab.1 The several sets of parameter data considering boundary factors

4 結(jié)束語

由上述仿真實驗結(jié)果以及關(guān)聯(lián)保護單元的狀態(tài)評估我們可以得出低壓差并網(wǎng)損傷機理： 待并發(fā)電機電樞自動器在0.22U 左右逆壓差發(fā)生并網(wǎng)，產(chǎn)生特大逆流沖擊，這一過程中自動器過流脫扣單元與發(fā)控板逆流保護單元技術(shù)狀態(tài)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(fā)機組迅速升速。 升速過程中由于電流過大導(dǎo)致繞組并頭套端接部過熱熔錫， 并導(dǎo)致繞組內(nèi)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(fā)電機跳轉(zhuǎn)電壓與電網(wǎng)電壓并網(wǎng)存在將近0.22U 壓差的誤差影響，此潛存隱患嚴重影響了設(shè)備的安全運行， 建議調(diào)整自動器特大電流保護參數(shù)使其涵蓋約0.22U 低壓差逆向電流沖擊范圍。