某型船电网振荡的原因分析及对策

胡绪昌，陈 勇，孟海辉

（中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431）

某型船电网振荡的原因分析及对策

胡绪昌，陈 勇，孟海辉

（中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431）

本文分析了某型船电力系统在电网振荡时各电气参数变化的特点及电网发生振荡的原因，阐述了处理电网振荡的方法，提出了一种新的处理方法，并提出了一些建议。

电网振荡 功率 解列 负荷

0 引言

某型船主电网为380 V、50 Hz交流电，由7台同步交流发电机供电，分别为5台汽轮发电机（额定功率为1200 kW）和2台停泊发电机（额定功率为616 kW）。在出海作业期间，全船用电的最大负荷为1200 kW，一般由2台汽轮发电机并网发电，两台停泊发电机在汽轮机出现应急的情况下，投入并网发电。从电网以往的运行情况来看，电网运行过程中经常会出现电网振荡的现象，此现象会对电网产生冲击，严重时会导致电网崩溃。突然性的全船停电会对船舶的航行安全和特装设备的运行产生危害，特别是在作业期间，停电事故是绝对不允许发生的，因此对船舶电网的运行管理尤其重要。

1 交流同步发电机组并联运行的条件

1）相序一致：待并发电机组必须与电网相序一致（检查相序可用相序表）。出厂时，各台发电机组的相序都已检查、校对一致，因此实际并车操作时，不必再检查相序；

2）频率相等：待并发电机组的频率应与电网频率相等，实际操作时，允许误差在0.5 Hz 以内；

3）相位相等：待并发电机组电压初相位应与电网电压相位相同，实际并车操作时，允许待并发电机组相位与电网相位相差10°～15°以内；

4）电压有效值相等：待并发电机组电压有效值与电网电压有效值相等，实际操作时，待并发电机组电压有效值与电网电压有效值之差允许在10%以内。

如图1所示，电站每一台发电机的配电屏都设有电压表、频率表、电流表、功率表和励磁电流表。用来监测电力系统中各种电气参数，同时对某些电气参数进行调整，如：电压、频率、励磁电流的调整等。

2 电网振荡的类型和电气量的变化特征

电网振荡时依据其电气量的变化特征可分为电网的异步振荡和电网的同步振荡。

2.1 电网的异步振荡

电力系统发生异步振荡时，其电气量变化特点是：两侧系统失步，两侧等值电动势的相位差在0°～360°的范围里变化，有功及无功功率的大小和方向做周期性变化，电网电压周期性变化，在振荡中心处，变化幅度最大，幅值可在零到电源电动势之间变化，联络线及整个电网中的电流均做周期性变化，其中联络线上的电流变化幅度最大。

2.2 电网的同步摆动

某型船，在出海航行期间是两台发电机并联运行为全船供电，且每一台发电机均装有自励恒压装置，来保证并联发电机的电压和频率相等，我船的电网振荡大部分属于电网同步摆动。电网发生同步摆动时，它的特点是：两侧系统不失步，两侧系统等值电动势在0°～90°之间变化。联络线上的有功功率大小周期性变化，但功率的传递方向不变化，而无功功率变化不大，电压有变化但不大，整个电网中电流均作周期性变化，且联络线上的电流变化最大。图1中，电流表和功率表的指针在其最大幅值和零之间来回往复摆动。

图1 发电机配电控制屏

3 电网出现振荡的原因分析

3.1 出现异步振荡的原因分析

1）在待并网发电机并网初期，发电机输入的机械转矩T1或产生的电磁转矩T 突然发生变化时，由于转子系统的惯性而引起转子的振荡，从而引起电压和频率发生微弱振荡。多数情况下，这种振荡属于衰减振荡，由于汽轮发电机具有自动平衡的调节作用，所以这种振荡经过多次衰减振荡后能达到平衡状态。这种情况在以往我船电网运行中也曾有过，不过大部分出现在并网运行的初期。

2）由于汽轮发电机长时间的运行、设备的老化、船舶航行时船体的摇晃等因素，励磁系统中励磁接线会出现接触不良、松动、甚至突然断裂的现象，励磁电流会不稳定，从而使发电机的电压处于一种不稳定的状态，在以往海上作业期间中某型船曾经出现过这样的情况。

3）每一台发电机都配置有自动调压装置，并联运行单台发电机的调压装置出现故障，会导致电压出现振荡，这种现象危害较大，对船舶的用电设备产生巨大的危害，尤其是特装设备。

3.2 电网出现同步摆动的原因

电网出现同步摆动时，具体表现在电站两台发电机的仪表指数出现来回摆动的现象，且摆动的频率越来越快，严重时单台发电机逆功跳闸，负荷突然转移到另一台发电机上，发电机的电流过大，超过整定值，主开关调闸，主电网失电。

3.2.1 发电机调器的原因

1）单台汽轮机调速器的伺服电机出现卡死或打滑的现象，使其无法调速或调速灵敏度下降。

2）由于汽轮发电机使用的是液压调速系统，发电机长时间在油气和粉尘较多的环境中运行，会使杂质进入液压油，从而使调速灵敏度下降。

3）调速器的其他机械故障，会导致电站发电机配电控制屏上无法对发电机的转速无法条件，从而引起电网同步摆动。

3.2.2 电气方面的原因

1） 由于船舶发电机和电网的容量都不大，当大的用电设备（如锚机，空调、主海水泵等）的投入或撤除以及大的用电设备的频繁启动（如空压机），会引起电网的电压和频率发生变化， 并联运行发电机的负载平衡点受到破坏。

2） 汽轮发电机长时间运行，励磁机的碳刷磨损较多，粉尘聚集在碳刷和集电环上，励磁机集电环打火，导致励磁电流不稳定，电网的功率因数产生晃动。

3）由于每一台发电机的运行特性都不一样，并联运行发电机的性能搭配不合理，并联运行的发电机就会出现互相“抢”负荷，使电网处在一种不稳定的运行状态，严重时甚至出现负荷突然转移的现象。

4）根据发电机的运行特性，发电机输出功率在额定功率的75%的状况下运行比较稳定，船舶的用电负荷在白天和夜里的负荷相差200 kW左右，负荷的差异同样会引起发电机运行不稳定，电网同样会出现摆动的现象。

4 电网发生摆动时处理方法

4.1 电网异步振荡的处理方法

1）对于并网初期电网就发生异步振荡的情况，要果断解列待并发电机，待查明原因后再次并网工作。

2）对于在并联发电机组运行过程中，出现励磁电流摆动幅度比较大的现象，要迅速检查发电机的励磁系统，如不及时检查，会导致电网突然崩溃。

4.2 电网同步摆动的处理方法

由于我船电网的振荡大部分属于电网的同步摆动，下面重点阐述电网同步摆动的处理方法。

常用的处理方法：

1）在电网摆动初期，摆动频率不高的情况下，应及时重新分配两台汽轮机的负荷，使其能找到一个新的负载平衡点。

2）在重新分配负荷无效果的情况下，调节转速，卸载掉一部分不影响船舶航行的负荷（如船用空调、机炉舱抽送风），解列一台发电机机，保留一台可靠的发电机工作，并迅速并上刚解列的那台发电机，若并网后，电网仍出现摆动现象，需再次撤除刚并网的发电机，将停泊发电机迅速投入并网工作，待重新并网一台可靠的汽轮发电机后，解列停泊发电机。

4.3 新的处理方法

随着现代科学技术的发展，目前应用于电力系统的同步解列依据主要有电压、电流、频率、UCOSφ判据和相角差判据等。处理的主要装置有：自动调载调频装置、自动分级卸载装置等。本文提出用相位超前滞后来判断电流方向是否正常作为判断依据，减少装置的误动率

图2 相位角超前滞后判断原理图

图3

采用相位角超前滞后来判断电流方向是否正常，其原理为：将从电网上采集到的电压、电流信号为模拟量，用A/D装置转换为方波，如图3所示。

在电流方波后加一微分电路就可以电流I上升沿，把与电压U相与得到两种情况的输出波形。如图4（a）所示，把电流方向流入的情况记为“+”，如图4(b)所示，电流方向流出的情况记为“-”。出方向为“+”时不解列，出方向为“-”时可能解列。

此方法可以作为辅助判断依据，并且真实反应了电网中电流的变化情况。当装置报警时，只是有可能解列发电机，给电站管理人员提供一个发生振荡的信号，当装置一直在报警，或者是报警的时间比较长，就要快速处理。

图4（a）电流方向为流入的情况（b）电流方向为流出的情况

5 结束语

由于振荡对电网具有很强的危害性，为了能提供安全可靠的电力保障，提出三点建议：

1）电站带更和电站管理人员要认真总结电网出现振荡的特征和以往的处理方法。做发现及时、处理及时。

2）电工岗位制定详细的应急处理方案，平时应加强电网振荡处理的针对性训练，在处理时能做到指挥流畅，各岗位密切配合，动作迅速，操作准确。

3）加强专业理论的学习，及时处理设备出现的故障，平时认真细致地做好设备的维护保养工作。

[1] 史际昌. 船舶电汽设备及系统. 大连: 大连海事出版社, 2001.

[2] 海涛等. 电网振荡时有功功率变化量的研究. 自动化技术与应用, 2007.

Reason and Countermeasure of Power Grid Oscillation for a Ship

Hu Xuchang, Chen Yong, Meng Haihui
(China Satellite Maritime Tracking and Control Department , Jiangyin 214431, Jiangsu, China)

This text analyzes the characteristics of electric varieties for a marine electric system in a oscillation. It studies the reason of the power grid oscillation, states the method to deal with the oscillation, puts forward a new treatment, and gives some suggestions

power grid oscillation; power; solution row; load

TM727

A

1003-4862（2015）06-0063-03

2015-03-26

胡绪昌（1985-），男，工程师。专业方向：船舶动力。