船舶发电机励磁系统故障分析

李 博

现代船舶使用的中低压柴油发电机组的发电机端几乎都是三相同步发电机，按照励磁方式的不同，可以将三相同步发电机分为有刷励磁式和无刷励磁式两种。其中，三相无刷励磁发电机具有故障率低、运行稳定、维护保养较为便利（无须像有刷励磁设备一样频繁更换电刷）等优点。1FC6系列同步无刷发电机是引进德国西门子技术生产的产品，因其体积小、质量轻、运行稳定，被广泛应用于船舶领域。本文结合该系列发电机的一起励磁系统典型故障，分析故障原因，介绍排除过程，总结排除方法。

一、发电机组成及励磁系统简介

三相无刷同步发电机（以下简称发电机）一般由四部分组成：主机、励磁机、励磁系统、旋转整流装置。其中主机励磁绕组、励磁机电枢绕组及旋转整流装置，通过轴承固定在发电机的前后端盖上，工作时由发动机带动与轴一同旋转。励磁机转子发出的三相交流电经固定在转轴上的旋转整流器整流后变成直流，直流输出端接在主发电机的转子绕组上。1FC6系列发电机采用THYRIPART相复励磁系统，并带有自动电压调节器（AVR）与可控硅分流式自动励磁稳压系统。为提高发电机电压精度，采用AVR可控硅电压调节器调节发电机励磁电流。若发电机电压高于额定值，可控硅分流值加大，使励磁电流减小；当发电机电压低于额定值时，可控硅分流值减小，使励磁电流加大。压敏模块是一个保护装置，它防止过电压损坏旋转整流模块及发电机转子绕组。

二、故障现象及初步分析

在与前任轮机长交接班的过程中得知，船舶的一号副机在单机起锚的过程中出现过跳电的情况，原因可能是原动机高压油泵齿条卡阻，导致起锚时副机承受大幅增加的冲击负荷，原动机供油量跟不上造成发电机跳电。其他姊妹船上经常出现高压油泵运动部件驱动导套与壳体发生卡阻现象导致齿条移动阻力大供油量不足，进而导致副机运行出现异常的情况。故障的发生给船舶的正常运营带来了风险。

造成发电机主开关异常跳闸的原因一般有以下几种：

（1）电流过大。当发电机电流超过额定电流的135%，延时15~30 s时发电机主开关跳闸；当发电机电流超过额定电流250%，延时400 ms时发电机主开关跳闸；当发电机电流超过额定电流10倍时，发电机主开关跳闸。

（2）欠压或者失压。当发电机的电压在额定电压的35%与70%之间时，欠压脱扣装置延时0.3 ~0.5 s动作， 发电机主开关跳闸。延时是为了避免电压瞬时波动而导致发电机跳闸。

（3）逆功率。当并联运行时一台发电机从其他发电机吸收功率持续超过某个值（10%的额定功率）10 s，主发电机开关跳闸。

（4）主开关的原因。

三、故障检查与排除

（一）故障初步定位

因为船舶航线较短，在开航后第一次锚泊时进行检查。首先在停机状态下对一号副机原动机所有缸高压油泵的齿条活络情况进行了检查，手动推动齿条能够达到最大位置，松开后可以自行复位，手动盘车观察高压油泵导套上下移动自如，并没有发现明显的卡阻情况。其次查看了油门驱动机构、调速器内部接线情况，没有运动部位卡阻、接线破损及接线端子松动情况。在出现故障后的停泊期间也正常单独使用过一号副机，只是与起锚时相比负荷不大。根据检查情况分析，高压油泵齿条卡阻造成主开关跳闸的可能性不大。

启动一号副机并检查原动机和发电机运转无异常，换用一号副机单机运行，在与运行机并车后进行负载转移的过程中没有发现异常。船舶处于锚泊状态，副机负荷在280 kW左右，运行一天时间没有出现主开关跳闸现象，其间启停的最大功率设备是主空压机，功率约为45 kW。船舶起锚状态下，副机的负荷约为500 kW。第二天先采取两台副机并联运行模式，启动消防泵、压载泵等设备，总负荷大约550 kW；在这个过程中同时启动两台主空压机，产生的冲击负荷并没有造成一号发电机主开关跳闸。于是逐渐转移负荷到一号副机使其单机运行，负载平稳转移并没有出现异常情况，并保持运行约半小时；然后降低一号副机负荷到370 kW，在这种状态下同时启动两台主空压机，在启动的瞬间没有异常。但是在主空压机卸荷结束后，从一号副机控制屏电压表上可见电压波动明显，由400 V迅速下降到100 V左右；功率因数由0.85下降到0.78；频率没有明显变化；同时出现主开关跳闸现象，主开关断开后，副机处于空载状态电压又迅速回升到400 V，功率因数为1。同样的操作在其他两台副机上试验没有出现主开关跳闸现象。结合造成发电机主开关异常跳闸的原因分析，故障很可能由发电机端引发，而且是由受到冲击负荷影响较大的元器件引发。

（二）查找故障点

首先检查发电机励磁系统中各元件的外观情况和接线端子的连接状态，均正常；对发电机内部进行清洁，排除灰尘等造成的影响。拆下一号发电机的AVR板，并将其安装到同型号的二号发电机进行试验，二号副机能在两台主空压机同时启动产生的冲击负荷作用下正常运行，说明一号发电机的AVR板功能正常。

排除了AVR板的故障，结合副机在空载、平稳加减负荷及并联运行中电压正常的情况，可以排除发电机主机定转子和励磁机定转子存在匝间故障的可能性。发电机正常运行期间电压没有出现明显的波动、偏大或偏小等现象，说明插件接触良好，电压整定器、整流变压器、电抗线圈正常。如果上述元器件存在故障会造成持续的电压变化，而不是在大冲击负荷作用条件下才出现电压大幅降低的情况。

发电机运行期间负荷波动频繁，会造成励磁电流励磁电压频繁变化，这些变化长期作用在励磁系统中可控硅、静止整流模块、旋转整流模块、压敏模块中的半导体元件上，再加上机器运行转速高、离心力大以及船上高湿高温高盐的环境易加剧半导体元件的老化。如果这些部件中的某个半导体元件处于故障状态将导致电压有明显的变化，故障很可能是某个或某几个半导体元件处于性能变劣的临界状态。根据怀疑的故障元件所处的位置，按照由易到难的原则进行故障原因查找。

第一，从方便更换的部位开始查找，更换可控硅。先用万用表测量备用可控硅导通情况，确认正常后进行更换，然后进行突加大冲击负荷试验，造成发电机主开关跳闸，可以排除这方面原因。

第二，更换静止整流模块，先用万用表测量冷态下反向电阻，阻值无穷大，确认正常后进行更换，然后进行突加大负荷冲击试验，造成发电机主开关跳闸，这方面原因也可以排除。

第三，准备更换转子轴上安装的旋转整流模块和压敏模块，先更换压敏模块，用万用表对备用压敏模块进行测量，正反向都不导通，确认正常后进行更换。然后进行突加大冲击负荷试验，一号副机运行正常，并且反复多次试验都正常。单机运行一天后，再次进行突加大负荷冲击试验仍可以正常运行，说明故障的原因存在于压敏模块中。对更换下来的压敏模块用万用表测量正反向的导通情况，测量结果也都是不导通，说明这个元件在没有大负荷冲击的情况下可以保持高阻值状态不会导通，但是利用船上现有的测量设备很难确定具体多大的过电压造成其导通。

（三）确定故障原因

当发电机在运行中发生突然短路、失步、非全相滑差运行、非同期合闸等故障时，会在转子绕组中产生很高的感应过电压，危及励磁系统和发电机转子的安全。这种情况需在转子回路中并联压敏模块，进行电压钳位吸收多余电流，防止过电压对发电机转子及旋转整流模块产生危害。

发电机、压敏模块、旋转整流模块参数分别见表1、表2和表3，压敏模块状态变化如图1所示。

表1 1FC6 502-6SA43发电机参数

表2 MMY20K750X压敏模块技术参数

表3 MDD100-12旋转整流模块参数

图1 压敏模块状态变化

从以上参数对比可发现，发电机的励磁电压和电流明显小于压敏模块标称电压Un（阈值电压）和最大限制电流Ip，在正常状态下是不会造成压敏模块导通的。旋转整流模块所能承受的峰值电压远大于压敏模块标称电压，这样才可以起到保护作用。更换性能正常的压敏模块后消除了一号发电机的异常现象，说明突加大负荷所产生的过电压不足以达到压敏模块的标称电压。因此故障原因是压敏模块元器件性能变劣、阈值电压降低了。

本例故障中，当同步发电机有功负荷突然增加时，在突然发生功率角加大、功率因数减小的过程中，会有暂时的异步运行，这时转子励磁绕组的导体与定子电流产生的旋转磁场间有相对运动，导体切割磁力线产生感应过电压。此电压值已经达到压敏模块的阈值电压，使压敏模块导通，旁通了励磁电流，造成发电机输出电压迅速大幅下降。而发电机主开关有失压保护功能，在发电机输出电压降低到失压保护动作值后不能及时恢复，必然导致主开关跳闸。

四、发电机其他常见故障及排除方法

（1）发电机无法建立输出电压。测量主发电机定子线圈是否存在短路，主发电机转子线圈是否存在短路或断路，励磁机定子线圈是否存在短路或断路，查找励磁系统故障，检查励磁机励磁整流回路是否开路，整流二极管是否烧坏，励磁绕组端子接线是否正确。比较常见的故障就是励磁回路开路或者整流二极管烧坏。

（2）发电机输出电压远低于正常值。检查可控硅是否烧穿导通，AVR板是否损坏造成分流过大，静止整流模块是否损坏。测量整流变压器是否存在匝间短路，压敏电阻、旋转整流模块是否短路，励磁机转子线圈是否短路，主发电机转子线圈是否短路。

（3）发电机输出电压明显高于正常值。检查可控硅是否损坏不导通，AVR板损坏是否不起分流作用，以及旋转整流模块可能存在的故障。

（4）发电机电压不稳定，出现波动。检查连接插件是否接触不良，AVR板是否调节不当，旋转整流模块是否被击穿。

五、结语

本文涉及的发电机主开关跳闸故障，原因是励磁系统中压敏模块元器件性能变劣导致阈值电压降低。在笔者参与解决的电气故障中，因元器件性能恶化造成设备不能正常使用的情况并不少见。当然，准确判断故障并能正确处理，仍需在实践中不断学习和总结。要从根本上解决发电机运行中存在的问题，必须坚持预防为主的原则。恶劣海况和糟糕的环境容易加剧电子元器件性能变差，因此，船舶电气设备负责人应定期检查船上各种电气设备，并配备必要的备件和检查仪表，做到有效预防故障且一旦发生故障可迅速排除，保障船舶正常运营。