船舶發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)故障分析

李 博

現(xiàn)代船舶使用的中低壓柴油發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)端幾乎都是三相同步發(fā)電機(jī)，按照勵磁方式的不同，可以將三相同步發(fā)電機(jī)分為有刷勵磁式和無刷勵磁式兩種。其中，三相無刷勵磁發(fā)電機(jī)具有故障率低、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)保養(yǎng)較為便利（無須像有刷勵磁設(shè)備一樣頻繁更換電刷）等優(yōu)點(diǎn)。1FC6系列同步無刷發(fā)電機(jī)是引進(jìn)德國西門子技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品，因其體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)行穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用于船舶領(lǐng)域。本文結(jié)合該系列發(fā)電機(jī)的一起勵磁系統(tǒng)典型故障，分析故障原因，介紹排除過程，總結(jié)排除方法。

一、發(fā)電機(jī)組成及勵磁系統(tǒng)簡介

三相無刷同步發(fā)電機(jī)（以下簡稱發(fā)電機(jī)）一般由四部分組成：主機(jī)、勵磁機(jī)、勵磁系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)整流裝置。其中主機(jī)勵磁繞組、勵磁機(jī)電樞繞組及旋轉(zhuǎn)整流裝置，通過軸承固定在發(fā)電機(jī)的前后端蓋上，工作時由發(fā)動機(jī)帶動與軸一同旋轉(zhuǎn)。勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)出的三相交流電經(jīng)固定在轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)整流器整流后變成直流，直流輸出端接在主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組上。1FC6系列發(fā)電機(jī)采用THYRIPART相復(fù)勵磁系統(tǒng)，并帶有自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）與可控硅分流式自動勵磁穩(wěn)壓系統(tǒng)。為提高發(fā)電機(jī)電壓精度，采用AVR可控硅電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁電流。若發(fā)電機(jī)電壓高于額定值，可控硅分流值加大，使勵磁電流減小；當(dāng)發(fā)電機(jī)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(hù)裝置，它防止過電壓損壞旋轉(zhuǎn)整流模塊及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組。

二、故障現(xiàn)象及初步分析

在與前任輪機(jī)長交接班的過程中得知，船舶的一號副機(jī)在單機(jī)起錨的過程中出現(xiàn)過跳電的情況，原因可能是原動機(jī)高壓油泵齒條卡阻，導(dǎo)致起錨時副機(jī)承受大幅增加的沖擊負(fù)荷，原動機(jī)供油量跟不上造成發(fā)電機(jī)跳電。其他姊妹船上經(jīng)常出現(xiàn)高壓油泵運(yùn)動部件驅(qū)動導(dǎo)套與殼體發(fā)生卡阻現(xiàn)象導(dǎo)致齒條移動阻力大供油量不足，進(jìn)而導(dǎo)致副機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)異常的情況。故障的發(fā)生給船舶的正常運(yùn)營帶來了風(fēng)險。

造成發(fā)電機(jī)主開關(guān)異常跳閘的原因一般有以下幾種：

（1）電流過大。當(dāng)發(fā)電機(jī)電流超過額定電流的135%，延時15~30 s時發(fā)電機(jī)主開關(guān)跳閘；當(dāng)發(fā)電機(jī)電流超過額定電流250%，延時400 ms時發(fā)電機(jī)主開關(guān)跳閘；當(dāng)發(fā)電機(jī)電流超過額定電流10倍時，發(fā)電機(jī)主開關(guān)跳閘。

（2）欠壓或者失壓。當(dāng)發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)主開關(guān)跳閘。延時是為了避免電壓瞬時波動而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)跳閘。

（3）逆功率。當(dāng)并聯(lián)運(yùn)行時一臺發(fā)電機(jī)從其他發(fā)電機(jī)吸收功率持續(xù)超過某個值（10%的額定功率）10 s，主發(fā)電機(jī)開關(guān)跳閘。

（4）主開關(guān)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(jìn)行檢查。首先在停機(jī)狀態(tài)下對一號副機(jī)原動機(jī)所有缸高壓油泵的齒條活絡(luò)情況進(jìn)行了檢查，手動推動齒條能夠達(dá)到最大位置，松開后可以自行復(fù)位，手動盤車觀察高壓油泵導(dǎo)套上下移動自如，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的卡阻情況。其次查看了油門驅(qū)動機(jī)構(gòu)、調(diào)速器內(nèi)部接線情況，沒有運(yùn)動部位卡阻、接線破損及接線端子松動情況。在出現(xiàn)故障后的停泊期間也正常單獨(dú)使用過一號副機(jī)，只是與起錨時相比負(fù)荷不大。根據(jù)檢查情況分析，高壓油泵齒條卡阻造成主開關(guān)跳閘的可能性不大。

啟動一號副機(jī)并檢查原動機(jī)和發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)無異常，換用一號副機(jī)單機(jī)運(yùn)行，在與運(yùn)行機(jī)并車后進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移的過程中沒有發(fā)現(xiàn)異常。船舶處于錨泊狀態(tài)，副機(jī)負(fù)荷在280 kW左右，運(yùn)行一天時間沒有出現(xiàn)主開關(guān)跳閘現(xiàn)象，其間啟停的最大功率設(shè)備是主空壓機(jī)，功率約為45 kW。船舶起錨狀態(tài)下，副機(jī)的負(fù)荷約為500 kW。第二天先采取兩臺副機(jī)并聯(lián)運(yùn)行模式，啟動消防泵、壓載泵等設(shè)備，總負(fù)荷大約550 kW；在這個過程中同時啟動兩臺主空壓機(jī)，產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷并沒有造成一號發(fā)電機(jī)主開關(guān)跳閘。于是逐漸轉(zhuǎn)移負(fù)荷到一號副機(jī)使其單機(jī)運(yùn)行，負(fù)載平穩(wěn)轉(zhuǎn)移并沒有出現(xiàn)異常情況，并保持運(yùn)行約半小時；然后降低一號副機(jī)負(fù)荷到370 kW，在這種狀態(tài)下同時啟動兩臺主空壓機(jī)，在啟動的瞬間沒有異常。但是在主空壓機(jī)卸荷結(jié)束后，從一號副機(jī)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(shù)由0.85下降到0.78；頻率沒有明顯變化；同時出現(xiàn)主開關(guān)跳閘現(xiàn)象，主開關(guān)斷開后，副機(jī)處于空載狀態(tài)電壓又迅速回升到400 V，功率因數(shù)為1。同樣的操作在其他兩臺副機(jī)上試驗沒有出現(xiàn)主開關(guān)跳閘現(xiàn)象。結(jié)合造成發(fā)電機(jī)主開關(guān)異常跳閘的原因分析，故障很可能由發(fā)電機(jī)端引發(fā)，而且是由受到?jīng)_擊負(fù)荷影響較大的元器件引發(fā)。

（二）查找故障點(diǎn)

首先檢查發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)中各元件的外觀情況和接線端子的連接狀態(tài)，均正常；對發(fā)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行清潔，排除灰塵等造成的影響。拆下一號發(fā)電機(jī)的AVR板，并將其安裝到同型號的二號發(fā)電機(jī)進(jìn)行試驗，二號副機(jī)能在兩臺主空壓機(jī)同時啟動產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷作用下正常運(yùn)行，說明一號發(fā)電機(jī)的AVR板功能正常。

排除了AVR板的故障，結(jié)合副機(jī)在空載、平穩(wěn)加減負(fù)荷及并聯(lián)運(yùn)行中電壓正常的情況，可以排除發(fā)電機(jī)主機(jī)定轉(zhuǎn)子和勵磁機(jī)定轉(zhuǎn)子存在匝間故障的可能性。發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行期間電壓沒有出現(xiàn)明顯的波動、偏大或偏小等現(xiàn)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(xù)的電壓變化，而不是在大沖擊負(fù)荷作用條件下才出現(xiàn)電壓大幅降低的情況。

發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間負(fù)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(tǒng)中可控硅、靜止整流模塊、旋轉(zhuǎn)整流模塊、壓敏模塊中的半導(dǎo)體元件上，再加上機(jī)器運(yùn)行轉(zhuǎn)速高、離心力大以及船上高濕高溫高鹽的環(huán)境易加劇半導(dǎo)體元件的老化。如果這些部件中的某個半導(dǎo)體元件處于故障狀態(tài)將導(dǎo)致電壓有明顯的變化，故障很可能是某個或某幾個半導(dǎo)體元件處于性能變劣的臨界狀態(tài)。根據(jù)懷疑的故障元件所處的位置，按照由易到難的原則進(jìn)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(dǎo)通情況，確認(rèn)正常后進(jìn)行更換，然后進(jìn)行突加大沖擊負(fù)荷試驗，造成發(fā)電機(jī)主開關(guān)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(tài)下反向電阻，阻值無窮大，確認(rèn)正常后進(jìn)行更換，然后進(jìn)行突加大負(fù)荷沖擊試驗，造成發(fā)電機(jī)主開關(guān)跳閘，這方面原因也可以排除。

第三，準(zhǔn)備更換轉(zhuǎn)子軸上安裝的旋轉(zhuǎn)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(jìn)行測量，正反向都不導(dǎo)通，確認(rèn)正常后進(jìn)行更換。然后進(jìn)行突加大沖擊負(fù)荷試驗，一號副機(jī)運(yùn)行正常，并且反復(fù)多次試驗都正常。單機(jī)運(yùn)行一天后，再次進(jìn)行突加大負(fù)荷沖擊試驗仍可以正常運(yùn)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(dǎo)通情況，測量結(jié)果也都是不導(dǎo)通，說明這個元件在沒有大負(fù)荷沖擊的情況下可以保持高阻值狀態(tài)不會導(dǎo)通，但是利用船上現(xiàn)有的測量設(shè)備很難確定具體多大的過電壓造成其導(dǎo)通。

（三）確定故障原因

當(dāng)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中發(fā)生突然短路、失步、非全相滑差運(yùn)行、非同期合閘等故障時，會在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生很高的感應(yīng)過電壓，危及勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的安全。這種情況需在轉(zhuǎn)子回路中并聯(lián)壓敏模塊，進(jìn)行電壓鉗位吸收多余電流，防止過電壓對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及旋轉(zhuǎn)整流模塊產(chǎn)生危害。

發(fā)電機(jī)、壓敏模塊、旋轉(zhuǎn)整流模塊參數(shù)分別見表1、表2和表3，壓敏模塊狀態(tài)變化如圖1所示。

表1 1FC6 502-6SA43發(fā)電機(jī)參數(shù)

表2 MMY20K750X壓敏模塊技術(shù)參數(shù)

表3 MDD100-12旋轉(zhuǎn)整流模塊參數(shù)

圖1 壓敏模塊狀態(tài)變化

從以上參數(shù)對比可發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)的勵磁電壓和電流明顯小于壓敏模塊標(biāo)稱電壓Un（閾值電壓）和最大限制電流Ip，在正常狀態(tài)下是不會造成壓敏模塊導(dǎo)通的。旋轉(zhuǎn)整流模塊所能承受的峰值電壓遠(yuǎn)大于壓敏模塊標(biāo)稱電壓，這樣才可以起到保護(hù)作用。更換性能正常的壓敏模塊后消除了一號發(fā)電機(jī)的異?，F(xiàn)象，說明突加大負(fù)荷所產(chǎn)生的過電壓不足以達(dá)到壓敏模塊的標(biāo)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(dāng)同步發(fā)電機(jī)有功負(fù)荷突然增加時，在突然發(fā)生功率角加大、功率因數(shù)減小的過程中，會有暫時的異步運(yùn)行，這時轉(zhuǎn)子勵磁繞組的導(dǎo)體與定子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場間有相對運(yùn)動，導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)過電壓。此電壓值已經(jīng)達(dá)到壓敏模塊的閾值電壓，使壓敏模塊導(dǎo)通，旁通了勵磁電流，造成發(fā)電機(jī)輸出電壓迅速大幅下降。而發(fā)電機(jī)主開關(guān)有失壓保護(hù)功能，在發(fā)電機(jī)輸出電壓降低到失壓保護(hù)動作值后不能及時恢復(fù)，必然導(dǎo)致主開關(guān)跳閘。

四、發(fā)電機(jī)其他常見故障及排除方法

（1）發(fā)電機(jī)無法建立輸出電壓。測量主發(fā)電機(jī)定子線圈是否存在短路，主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈是否存在短路或斷路，勵磁機(jī)定子線圈是否存在短路或斷路，查找勵磁系統(tǒng)故障，檢查勵磁機(jī)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(fā)電機(jī)輸出電壓遠(yuǎn)低于正常值。檢查可控硅是否燒穿導(dǎo)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(zhuǎn)整流模塊是否短路，勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子線圈是否短路，主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈是否短路。

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

（4）發(fā)電機(jī)電壓不穩(wěn)定，出現(xiàn)波動。檢查連接插件是否接觸不良，AVR板是否調(diào)節(jié)不當(dāng)，旋轉(zhuǎn)整流模塊是否被擊穿。

五、結(jié)語

本文涉及的發(fā)電機(jī)主開關(guān)跳閘故障，原因是勵磁系統(tǒng)中壓敏模塊元器件性能變劣導(dǎo)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(shè)備不能正常使用的情況并不少見。當(dāng)然，準(zhǔn)確判斷故障并能正確處理，仍需在實踐中不斷學(xué)習(xí)和總結(jié)。要從根本上解決發(fā)電機(jī)運(yùn)行中存在的問題，必須堅持預(yù)防為主的原則。惡劣海況和糟糕的環(huán)境容易加劇電子元器件性能變差，因此，船舶電氣設(shè)備負(fù)責(zé)人應(yīng)定期檢查船上各種電氣設(shè)備，并配備必要的備件和檢查儀表，做到有效預(yù)防故障且一旦發(fā)生故障可迅速排除，保障船舶正常運(yùn)營。