船舶电站逆功率故障浅析

谭健 江金芬

摘    要：船舶电站的安全稳定运行对船舶运行至关重要，船舶电站运行不稳定对船舶航行的危害很大，研究分析引起并列运行发电机逆功率的主要原因及其故障排除方法非常必要。船舶电站逆功率故障的原因，主要从调速器、逆功率保护继电器、功率分配及并车模块、调速特性等方面分析，针对不同的故障原因采用灵活有效的处理方法，才能准确快速的排除故障。

关键词：船舶电站;逆功率;调速器

中图分类号：U665.1                                文獻标识码：A

Abstract： Ship power station is the heart of the ship， its safe and stable operation is very important to the reliability of ship operation. The unstable operation of ship power stations is harmful to the navigation of ships. Therefore， it is necessary to analyze the main causes of the reverse power of parallel generators and its troubleshooting methods. The causes of reverse power fault of the ship power station are mainly analyzed from the aspects of governor， reverse power protection relay， power distribution and parallel module， speed regulation characteristics， etc. In order to eliminate the fault accurately and quickly， effective treatment methods should be flexibly adopted for different fault reasons.

Key words： Ship power station; Reverse power; Governor

1    前言

船舶电站是船舶电气设备的核心，其作用是源源不断地给船舶用电设备提供电能。船舶电站的安全稳定运行对船舶安全航行起到至关重要的作用。因此必须做到供电安全可靠、稳定，一旦发生故障能够迅速排除。本文主要对电站逆功率现象进行具体分析。

2   发电机逆功率运行的危害

发电机逆功率保护是发电机非常重要的一种主保护，又称为功率方向保护。发电机正常运行时是将原动机的机械能通过旋转的磁场转化为电能，其功率的方向是由发电机流向配电板的供电母线;但当发电机发生故障引起功率反向流动时，功率由母线流向发电机，即发电机不但不发电反而吸收功率，也就是说发电机变成了电动机运行。

短时间逆功率运行对发电机来说并没有什么危害，但是长时间逆功率运行则可能导致发电机的绕组过热甚至烧毁;同时，发电机变为电动机运行后会给原动机一个反向的力矩，极有可能会导致原动机的严重损坏，造成巨大的损失。

发电机逆功率保护的设置，是为了在发生逆功率故障时保护发电机和原动机的安全。在逆功率超过一定数值并在设定的延时时间内没有恢复到正常范围时，逆功率保护动作会切断发电机出口的主开关，将故障发电机组脱离电网运行。因此，应尽量避免发电机组发生逆功率故障，并在发生故障时候逆功率保护装置能及时准确动作。

3   并列运行发电机组发生逆功率的原因

导致船舶电站逆功率故障的原因很多，主要从调速器、逆功率保护继电器、功率分配及并车模块、调速特性等方面分析，针对不同的故障原因采用灵活有效的处理方法，这样才能准确快速排除故障。

3.1  调速器故障

调速器是控制原动机转速的核心部件。原动机调速器故障会导致发电机转速波动，进而导致并列运行发电机组功率分配不均并呈现震荡现象，当某台发电机逆功率达到设定值并在整定时间内未恢复正常，则逆功率保护动作将该台发电机组解列。所以，原动机调速器故障是引起发动机逆功率的重要原因之一。

3.2  功率分配和并车模块故障

发电机并车与保护单元（PPU）是控制船舶电站电力分配和并车的专用模块，该模块是实现电站自动启停、并车、功率分配、保护的关键部件。如果该模块工作不稳定甚至发生故障，必定会导致发电机功率的大幅震荡，并可能导致逆功率保护动作解列。

3.3  并列运行发电机组调速特性差异大

并列运行发电机组调速特性差异大也是导致逆功率保护动作的原因之一。每台发电机组的调速特性都不完全一样，只要差异控制在一定范围内，则各发电机组并列稳定运行是没有问题的，但当差异超出规定范围时发电机组就可能发生逆功率。因此，电站的调试也是先进行单机调试，将各发电机组稳态和动态特性调整至基本相同时再进行并列运行试验，确保发电机组调速特效基本相同是发电机并列运行的重要条件之一。

3.4  外部电磁干扰

电站的核心控制部件基本上都是电气控制器件，主要包括PPU、PLC、原动机调速器以及各种继电器等电子元器件。这些电子设备工作电流都比较小，属于弱电设备，较大的电磁干扰会直接导致这些电气设备的工作异常甚至导致事故发生，所以电磁干扰也是发电机发生逆功率不可忽视的原因之一。

3.5  原动机转速波动大

原动机转速波动大会直接导致发电机功率不稳定，也会导致逆功率的发生。原动机转速波动大的原因有很多，PPU、PLC、电磁干扰都可能是原因。另外，原动机的供油系统故障也会导致发电机转速功率波动，如：燃油系统泄漏或者存在空气、燃油质量差，燃油存在水分和其他杂质、燃油供给系统的输送泵、滤网堵塞等，都会破坏燃油供给的连续性，从而导致逆功率的发生。

3.6  逆功率保护继电器故障

逆功率继电器在电站中应用比较普遍，对电站的安全运行非常重要。逆功率继电器是一个测量功率方向的电器，当发电机出现逆功率达到整定值时，经过一定延时后继电器动作将该发电机从电网解列。如果输入的电流和电压极性接反，则会导致该继电器误动作，整定值不正确也会导致灵敏度不符合要求。所以，当发电机组发生逆功率故障时，有必要重点检查逆功率保护继电器工作和接线是否正常、整定值是否正确，如发现问题必须及时进行处理。

4   某船电站逆功率故障实例分析

4.1  某船电站基本情况及逆功率故障现象

某船电站系统由两台发电机组、1套主配电板、1套发电机控制板等设备组成：发电机的额定功率为120 kW、额定电流228.2 A、额定电压390 V、额定频率50 Hz、额定功率因素0.8（滞后）;发电机采用柴油机作为原动机，柴油机为双列、四冲程、水冷、直喷式柴油机。

电站逆功率故障发生前状态：两台发电机双机并列运行稳定，电站总功率51 kW（左机25.7 kW，左机25.3 kW）;船舶航速17.3 kn。

该船在航行过程中左发电机逆功率解列甩负荷至零，电站负荷全部转至右发电机，主配电板和发电机控制板均触发左机逆功率声光报警。发电机逆功率发生前后功率分配，如图1所示。

4.2  故障原因分析及排除

左发电机组发生逆功率解列后，技术人员认真分析故障现象并积极进行故障排查。该电站发电机逆功率保护的整定值为额定功率的8%～15%、延时3～8 s，发电机的额定功率为120 kW，即逆功率整定值为-9.6 至-18 kW。通过查询电站历史参数和报警记录，发现发生逆功率的左发电机功率最低到了-13.3 kW左右，并持续了近6 s后逆功率保护动作发电机解列。这说明逆功率保护动作正常，排除了保护误动的可能。那么导致发生逆功率的原因是什么呢？通过进一步排查，发现左发电机转速在1 500～1 282 r/min时发生间断波动，而正常运行的右发电机转速基本稳定于额定转速。

根据以往电站运行经验，发电机转速波动很可能是燃油系统故障引起。但通过对燃油系统进行排查，并未发现系统漏油和存在空气，清洗燃油滤器后转速波动现象依然存在，所以燃油系统不是引起发电机逆功率的原因。

通过外接监控器监控PPU和PLC的运行，并施加相应的模拟信号进行测试，发现模块的相关监测、控制和保护功能均正常，这也排除了PPU和PLC存在故障的可能。

并列運行发电机组调速特性差异大也会引起逆功率保护动作，但这只是针对多台并列运行发电机组而言的，发电机组单机运行功率和转速在稳态下仍然波动一般是不会发生的。

那么，极有可能的原因是发电机调速系统发生故障，导致转速波动进而导致逆功率故障的发生。该电站原动机的调速系统是广泛应用的电子调速系统，故对该电子调速系统进行详细的分析。

电子调速系统的主要部件有：电子调速器、转速传感器、电磁执行器和控制开关等，其结构组成如图2所示。

电子调速系统的工作原理：柴油机的实际转速由磁电式转速传感器探测，转速指令由电子调速器上的转速设定电位器和外部遥控电位器设定;指令值与设定值比较后得到转速偏差信号;该偏差信号经PID调节器放大后得出柴油机燃油供给量油门，该油门指令与当前电磁执行器实际输出位置比较后得出油门偏差量，从而精准地控制执行器的输出位置也就是精准控制了柴油机的供油量，使柴油机在所设定的转速下稳定运行。

电子调速系统作为一个闭环控制的自动控制系统，其任何一个部件故障均会导致转速失控，进而导致发电机组逆功率的发生。调速系统的转速传感器是比较容易发生故障的，经对传感器安装的角度、距离、清洁程度以及接线进行检查均未发现异常，更换传感器也并未消除逆功故障;对调两台发电机组的电子调速器和电磁执行器后重新启动，发电机组逆功率故障并未转移，这就排除了因转速传感器、电子调速器和电磁执行器故障导致逆功率的发生。

进一步对电子调速系统检查，发现发电机组机旁控制柜控制高速/低速转换的继电器存在接触不良的故障，继电器触头闭合正常情况下电阻应该是非常小的，若接触电阻较大就可能会发生转速失控故障。电子调速器通过电信号控制柴油机的高速和低速，高、低速继电器的触点之间存在几十欧姆的电阻且电阻值不断变化的接触，直接导致发电机组转速不稳定，最终导致逆功率故障的发生。通过更换故障的高、低速继电器后，右发电机组转速波动现象消失，双机并列运行稳定可靠，逆功率故障得到了根本的解除。

4.3  更换高、低速继电器后双机并列运行的效果

更换合格的高、低速继电器后并车运行功率曲线图，如图3所示。从图3可以看出电站总功率为50 kW左右，两台发电机组并列运行功率分配均匀稳定，功率差值很小，相差值基本在±2 kW范围内，达到了设计技术要求。发电机逆功率保护的整定值为额定功率的8%～15%，更换继电器后逆功率故障得到了根本解决。

5   结束语

船舶电站的安全稳定运行直接关系到船舶的安全稳定运行。由于船舶电站设备较多，控制系统也较复杂，其连续运行过程中难免会发生各种故障，逆功率就是电站常见的故障之一。引起发电机组逆功率故障的原因不仅局限于以上分析，电站管理人员必须熟悉电站的工作原理、设备组成和控制逻辑，这样在排除故障时才能准确到位。

参考文献

[1] 赵殿礼，张春来.船舶电站控制与管理技术[M].大连海事大学出版社，2009.

[2] 傅克阳，周美荣.船舶柴油机[M].上海浦江教育出版社，2013.

[3] 卢冠钟.船舶电气与自动化[M].大连海事大学出版社，2014.

[4] 林业春.船舶电气及控制系统[M].上海交通大学出版社，2015.

[5] 陈刚，宋新新.船舶工程技术手册[M].上海交通大学出版社，2009.

[6] 陈胜林，陈国民，林华峰.船舶电工[M].国防工业出版社，2008.

[7] 阮礽忠.船舶电气设备维修技术[M].机械工业出版社，2018.