導(dǎo)讀
某船在發(fā)電機(jī)組調(diào)試過程中，出現(xiàn)發(fā)電機(jī)組同步并網(wǎng)時(shí)主斷路器瞬間異常脫扣現(xiàn)象，本文基于這次主斷路器瞬時(shí)脫扣現(xiàn)象，闡述故障分析、試驗(yàn)排查及故障處理方案，總結(jié)了此次故障排查處理過程中獲取的經(jīng)驗(yàn)。
一、引言
船舶用電設(shè)備繁多 , 船舶電站作為一種孤島型電站，受空間及發(fā)電機(jī)單機(jī)容量限制，滿足大功率船舶用電需求時(shí)均需要安裝多臺(tái)發(fā)電機(jī)組，且發(fā)電機(jī)組在網(wǎng)數(shù)量也隨著船舶電網(wǎng)負(fù)荷的變化而隨之改變。
某船調(diào)試階段，同一臺(tái)發(fā)電機(jī)在不同時(shí)間并車時(shí) , 發(fā)生了兩次待并發(fā)電機(jī)合閘成功瞬間主斷路器異常脫扣的故障。
對(duì)于孤島型電站，發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要。
發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)和解列運(yùn)行就是一項(xiàng)頻繁而重要的操作。
故而對(duì)此故障的排除勢(shì)在必行。
二、故障現(xiàn)象及原因分析
1、故障現(xiàn)象
發(fā)電機(jī)組同步合閘調(diào)試階段，分別完成了對(duì)該船配置的 4 組發(fā)電機(jī)組單機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)摸底和調(diào)速調(diào)壓性能試驗(yàn)摸底，每臺(tái)機(jī)組都運(yùn)行正常且滿足技術(shù)指標(biāo)要求。
發(fā)電機(jī)自動(dòng)增機(jī)減機(jī)模擬試驗(yàn)時(shí)，自動(dòng)電站模式下，在網(wǎng)功率 1200kW(試驗(yàn)負(fù)載)，三臺(tái)發(fā)電機(jī)在網(wǎng)，模擬其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)故障，待并發(fā)電機(jī)自動(dòng)起動(dòng)并車，故障發(fā)電機(jī)自動(dòng)解列停機(jī)。
在待并發(fā)電機(jī)組并車成功瞬間，其主回路上的斷路器(以下稱主斷路器)異常脫扣，并發(fā)出“主斷路器短延時(shí)保護(hù)”報(bào)警。
機(jī)旁停機(jī)，并檢查相關(guān)線路及電氣元器件，無發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。
單獨(dú)起動(dòng)待并發(fā)電機(jī)，單機(jī)運(yùn)行正常且無其它異?，F(xiàn)象，隨后，手動(dòng)并車無異?，F(xiàn)象，運(yùn)行正常。
過了一段時(shí)間后，上述故障現(xiàn)象再次出現(xiàn)。
1)第一次故障出現(xiàn)后的現(xiàn)象
第一次發(fā)電機(jī)并車主斷路器瞬間脫扣后，解列發(fā)電機(jī)組合閘主斷路器記錄脫扣瞬時(shí)電流值為 30.59kA，且滅弧室有明顯的熏黑跡象;
檢查線路沒有損傷的跡象;
發(fā)電機(jī)組、發(fā)電機(jī)組電站控制器、主配電板匯流排和合閘控制線路均未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。
2)第二次故障出現(xiàn)后的現(xiàn)象
第二次發(fā)電機(jī)并車主斷路器瞬間脫扣后，解列發(fā)電機(jī)組合閘主斷路器記錄脫扣瞬時(shí)電流值為 30.54 kA，斷路器分?jǐn)鄷r(shí)間為 0.01 s，無其它明顯痕跡。
其余電氣元器件和部件的現(xiàn)象與第一次故障出現(xiàn)后的現(xiàn)象相同。
這兩次同步合閘異常情況均出現(xiàn)在自動(dòng)同步合閘的情況下。
該船的 4 臺(tái)發(fā)電機(jī)組型號(hào)相同，功率均為1000kW，主斷路器的瞬時(shí)脫扣值設(shè)定為 30 000 A。
故障現(xiàn)象說明待并發(fā)電機(jī)主斷路器出現(xiàn)了大電流沖擊導(dǎo)致其瞬間脫扣，能夠引起主斷路器大電流沖擊瞬時(shí)脫扣的情況有以下兩個(gè)原因：
(1)由于回路中出現(xiàn)短路而引發(fā)的大電流沖擊分閘;
(2)發(fā)電機(jī)非同步并車時(shí)，相角差過大引起的大電流沖擊分閘。
由于兩次故障發(fā)生后電氣元器件和線纜均未有明顯的損傷和松動(dòng)現(xiàn)象，且對(duì)主斷路器處的短路理論計(jì)算值約為 40.88 kA。
所以，引起此處的大電流沖擊分閘的現(xiàn)象可能是發(fā)電機(jī)組非同步并車導(dǎo)致的。
2、自動(dòng)合閘原理
電站監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)合閘原理如下：
半自動(dòng)、自動(dòng)、越控控制方式下，有機(jī)組在網(wǎng)，在機(jī)組操縱面板上輸入合閘指令或機(jī)組控制器收到增機(jī)指令。
發(fā)電機(jī)組控制器接收到有效的機(jī)組合閘指令后，根據(jù)發(fā)電機(jī)組狀態(tài)及機(jī)組斷路器狀態(tài)判斷是否響應(yīng)合閘指令，此時(shí)發(fā)電機(jī)組控制器檢測(cè)到發(fā)電機(jī)組斷路器兩側(cè)均有電，通過向本機(jī)組發(fā)送調(diào)速指令，準(zhǔn)備進(jìn)行發(fā)電機(jī)組斷路器自動(dòng)準(zhǔn)同步并車。
以匯流排頻率為機(jī)組的調(diào)速基準(zhǔn)，設(shè)定調(diào)速目標(biāo)為(50+0.12)Hz。
當(dāng)調(diào)節(jié)的機(jī)組頻率高于匯流排頻率，電網(wǎng)有電且發(fā)電機(jī)組主斷路器處于分閘狀態(tài)時(shí)，發(fā)出允許同步信號(hào)。
發(fā)電機(jī)組控制器的自動(dòng)準(zhǔn)同步模塊收到允許同步信號(hào)后將執(zhí)行準(zhǔn)同步并車，準(zhǔn)同步并車輸出的條件如下：
1)合閘電壓差 1 ∽ 15 V(可調(diào));
2)頻率差 +0.1 ∽ 0.5 Hz(可調(diào));
3)發(fā)電機(jī)組未合閘;
4)發(fā)電機(jī)組無故障;
5)合閘超前時(shí)間：85 ms(可調(diào))。
3、故障原因分析
發(fā)生主斷路器合閘瞬間沖擊脫扣的故障現(xiàn)象可能的原因分析如下：
1)發(fā)電機(jī)組控制器在輸出合閘指令后，由于發(fā)電機(jī)主斷路器及附屬控制線路未及時(shí)執(zhí)行合閘指令，使主斷路器在實(shí)際完成合閘功能時(shí)，合閘相位角已超出正確位置，從而發(fā)生待并主斷路器短延時(shí)脫扣;
2)發(fā)電機(jī)組控制器接收到有效的機(jī)組合閘指令后，將根據(jù)機(jī)組斷路器狀態(tài)判斷是否響應(yīng)合閘指令，此時(shí)發(fā)電機(jī)組控制器會(huì)檢測(cè)發(fā)電機(jī)組主斷路器兩側(cè)是否有電壓。
若發(fā)電機(jī)組主斷路器兩側(cè)均有電壓，則發(fā)電機(jī)組控制器通過向本機(jī)組發(fā)送調(diào)速指令，進(jìn)行發(fā)電機(jī)組主斷路器自動(dòng)準(zhǔn)同步并車。
若發(fā)電機(jī)組主斷路器匯流排側(cè)無電壓，則發(fā)電機(jī)組控制器將判斷出當(dāng)前電站處于失電狀態(tài)，發(fā)電機(jī)組控制器不會(huì)進(jìn)行發(fā)電機(jī)組主斷路器自動(dòng)準(zhǔn)同步，直接對(duì)發(fā)電機(jī)組母排發(fā)出合閘信號(hào)。
因此，當(dāng)匯流排有電壓，但由于匯流排監(jiān)測(cè)線路接線不牢固導(dǎo)致待并發(fā)電機(jī)組控制器未檢測(cè)到匯流排電壓，待并發(fā)電機(jī)組控制器在執(zhí)行合閘功能時(shí)，未進(jìn)行發(fā)電機(jī)組主斷路器自動(dòng)準(zhǔn)同步并車，直接輸出合閘指令，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組未在正確合閘相角并車，從而發(fā)生待并主斷路器短延時(shí)脫扣;
3)發(fā)電機(jī)組控制器接收到有效的機(jī)組合閘指令后，將根據(jù)機(jī)組斷路器狀態(tài)判斷是否響應(yīng)合閘指令，此時(shí)發(fā)電機(jī)組控制器會(huì)通過輸入控制器的發(fā)電機(jī)組電壓 UUV 和匯流排電壓 UUV 進(jìn)行合閘相位角判斷。
若由于輸入待并發(fā)電機(jī)組控制器的電壓不是發(fā)電機(jī)組電壓 UUV 或匯流排電壓 UUV，待并發(fā)電機(jī)組控制器將在錯(cuò)誤的合閘相角位置執(zhí)行合閘功能，從而發(fā)生待并主斷路器短延時(shí)脫扣;
4)發(fā)電機(jī)組起動(dòng)后轉(zhuǎn)速還未穩(wěn)定，電壓值還未達(dá)到平穩(wěn)電壓，但啟動(dòng)過程曲線上的機(jī)組電壓、頻率數(shù)值已滿足自動(dòng)同步并車要求，機(jī)組控制器在判斷相角差也達(dá)到同步合閘要求后(控制器合閘超前時(shí)間設(shè)置為 85 ms)，發(fā)出合閘指令。
此時(shí)，合閘電壓差和頻率差處于設(shè)置的邊界值附近，在主斷路器動(dòng)作時(shí)間過程中頻率又有了一定變化，實(shí)際合閘時(shí)相位角差超出了理想合閘角度(超前5度-滯后5度)。
三、故障排查
1、同步合閘主斷路器故障排查
故障發(fā)生后，首先考慮是否由于主斷路器執(zhí)行故障導(dǎo)致同步合閘失敗。
因此，對(duì)同步合閘主斷路器進(jìn)行合閘時(shí)間測(cè)試，測(cè)試過程中主斷路器主體未安裝在抽屜座內(nèi)，主電路不通電的情況下進(jìn)行。
合閘時(shí)間測(cè)試回路圖如圖 1 所示。
▲圖 1 主斷路器合閘時(shí)間測(cè)試回路
合閘時(shí)間是測(cè)量合閘信號(hào)給出至斷路器主觸頭閉合的時(shí)間。
經(jīng)過 50 組的測(cè)試合閘試驗(yàn)采樣得出合閘時(shí)間均在 40 ms 以內(nèi)。
符合 GJB 370-97 3.9.7.1.3 的要求。
主斷路器能夠正常響應(yīng)合閘指令，不存在故障情況。
2、發(fā)電機(jī)組合閘回路原理分析及排查
發(fā)電機(jī)并車回路原理圖見圖 2，從圖 2 中可分析得出，其控制回路簡(jiǎn)單，除了手動(dòng)同步合閘回路，還有半自動(dòng)、自動(dòng)同步合閘回路。
其中半自動(dòng)和自動(dòng)合閘回路的合閘信號(hào)是由發(fā)電機(jī)控制器發(fā)出的合閘指令進(jìn)行同步合閘的，可認(rèn)為是同一回路。
手動(dòng)合閘回路和半自動(dòng)、自動(dòng)合閘回路上發(fā)電機(jī)組母排和電網(wǎng)母排的采樣電壓互感器也是同一組。
▲圖 2 發(fā)電機(jī)并車回路原理圖
當(dāng)回路得到合閘指令時(shí)，手動(dòng)同步合閘指令發(fā)出到主斷路器執(zhí)行合閘動(dòng)作經(jīng)過兩個(gè)繼電器;
半自動(dòng)、自動(dòng)同步合閘指令發(fā)出到主斷路器執(zhí)行合閘動(dòng)作經(jīng)過 3個(gè)繼電器。
檢查這幾個(gè)繼電器動(dòng)作時(shí)間及響應(yīng)均無異?，F(xiàn)象。
采樣回路與合閘回路上的電氣元?dú)饧o異常。
檢查采樣回路至發(fā)電機(jī)組控制器的輸入信號(hào)，發(fā)電機(jī)組用于同步合閘判定的輸入為 UUV 相，電網(wǎng)母排上用于同步合閘判斷的輸入也為 UUV 相，兩者相同，并無錯(cuò)相的現(xiàn)象。
3、故障流程模擬方法進(jìn)行試驗(yàn)排查
1)故障流程模擬試驗(yàn)方法
對(duì)每臺(tái)機(jī)組并車過程中的沖擊電流進(jìn)行電量分析儀錄波，分析主斷路器并車合閘過程中對(duì)電網(wǎng)的沖擊，并在每次合閘并車過程中觀察待并機(jī)組電壓波形與電網(wǎng)電壓波形。
電能質(zhì)量分析儀接入位置：
根據(jù)圖 3 所示位置接入電量分析儀，方便在實(shí)際合閘時(shí)觀察各信號(hào)的波形情況。
注：
(1)本側(cè)電壓，記錄并車前后的波形;
(2)匯流排電壓，記錄并車前后的波形;
(3)合閘輸出，記錄合閘時(shí)刻波形;
(4)分閘輸出，記錄分閘時(shí)刻波形;
(5)三相電流，分析沖擊電流。
其他：合閘反饋，記錄合閘成功時(shí)刻波形。
2)故障流程模擬試驗(yàn)流程及現(xiàn)象
用模擬方法分別***組滑油壓力低、冷卻水溫度高、發(fā)電機(jī)繞組溫度高等信號(hào)，指定的備用機(jī)組應(yīng)立即起動(dòng)，自動(dòng)并網(wǎng)成功后，逐步卸去故障機(jī)組負(fù)載，并對(duì)故障機(jī)組發(fā)出停機(jī)指令。
按照試驗(yàn)流程對(duì)四臺(tái)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)增機(jī)減機(jī)功能試驗(yàn)。
模擬試驗(yàn)過程中，并無發(fā)生過發(fā)電機(jī)組同步并網(wǎng)瞬間主斷路器異常脫扣現(xiàn)象。
但在試驗(yàn)過程中，監(jiān)測(cè)到一次由發(fā)電機(jī)組控制器發(fā)送發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)命令到發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)到發(fā)電機(jī)組合閘并網(wǎng)成功時(shí)間為 8.99 s，柴油機(jī)組有瞬間增加大負(fù)載的轟鳴現(xiàn)象，電能質(zhì)量分析儀記錄本次沖擊電流峰值為 4.7kA。
試驗(yàn)監(jiān)測(cè)到的電壓電流波形圖如圖4- 圖6所示。
▲圖 4 電能質(zhì)量分析儀電壓電流 RMS 波形圖
▲圖 5 電能質(zhì)量分析儀三相電流波形圖
▲圖 6 合閘瞬間同步信號(hào)監(jiān)測(cè)波形圖
注：波形 A 為發(fā)電機(jī)組 AB 線電壓波形;
波形 B為電網(wǎng)匯流排 AB 相電壓波形;
波形 C 為主斷路器合閘動(dòng)作波形。
四、故障處理
從以上的故障現(xiàn)象、線路排查、反復(fù)的模擬試驗(yàn)可以得出，此故障發(fā)生時(shí)回路不存在線路松脫及接錯(cuò)線的情況。
通過非同步并車沖擊電流的計(jì)算方法 [2]，可以計(jì)算主斷路器合閘瞬間待并發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)之間存在的相角差值。
發(fā)電機(jī)超瞬態(tài)通過簡(jiǎn)化的存在相角差并車時(shí)的沖擊電流計(jì)算公式 [1] 為：
式中：im 為電流瞬時(shí)值。
模擬試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的同步并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組合閘瞬間電流沖擊的瞬時(shí)值為 4.7 kA。
按照式(1)和式(2)計(jì)算可以得出發(fā)生并網(wǎng)發(fā)電機(jī)時(shí)與電網(wǎng)的相位差為15.5°，超出了同步合閘并網(wǎng)的條件設(shè)置。
結(jié)合多天的反復(fù)模擬試驗(yàn)結(jié)果，未出現(xiàn)待并主斷路器短延時(shí)脫扣故障。
上述待并發(fā)電機(jī)主斷路器并車短延時(shí)脫扣故障大概率為偶發(fā)故障。
待并發(fā)電機(jī)并車瞬間主斷路器短延時(shí)脫扣可能是合閘瞬間相位角偏差過大，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流引起開關(guān)跳閘。
通過分析發(fā)電機(jī)組控制器的合閘時(shí)機(jī)判斷方法及判斷條件，有可能存在判定發(fā)電機(jī)滿足合閘條件時(shí)，待并機(jī)組仍處于起動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)速和電壓存在明顯波動(dòng)，在合閘指令發(fā)出至合閘動(dòng)作延時(shí)時(shí)間內(nèi)，相位角已顯著超出正常合閘允許范圍。
該同型機(jī)組和監(jiān)控大批量的在該型船舶上經(jīng)過長時(shí)間使用驗(yàn)證，未出現(xiàn)過同類故障情況反饋。
證明本船出現(xiàn)的偶發(fā)待并發(fā)電機(jī)并車瞬間主斷路器大電流沖擊脫扣的情況可能是相關(guān)裝備在各自的指標(biāo)合格范圍內(nèi)的極端耦合所導(dǎo)致。
為避免這種偶發(fā)故障的再次出現(xiàn)，需要將發(fā)電機(jī)組控制器控制參數(shù)中“機(jī)組運(yùn)行”信號(hào)濾波時(shí)間進(jìn)行延長處理，延長機(jī)組控制器開始判斷合閘時(shí)機(jī)的時(shí)間，以便能夠使此臺(tái)發(fā)電機(jī)組能夠完全運(yùn)行至穩(wěn)定狀態(tài)后進(jìn)行并車。
所延長的時(shí)間為監(jiān)測(cè)到發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)電壓值至發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定的時(shí)長。
五、結(jié)論
經(jīng)過上述處理及使用觀察，目前此故障現(xiàn)象沒有再出現(xiàn)。
由此可得出在以后的控制器參數(shù)“機(jī)組運(yùn)行”的信號(hào)濾波時(shí)長設(shè)置時(shí)，不能僅依靠經(jīng)驗(yàn)值，而應(yīng)參照發(fā)電機(jī)組的特性數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的時(shí)長設(shè)置，以規(guī)避此類故障的發(fā)生。
參考文獻(xiàn)
[1] 楊亞男 , 趙繼權(quán) , 包磊 . 某軍貿(mào)船發(fā)電機(jī)并聯(lián)異常跳閘故障分析與修復(fù) [J]. 廣東造船 , 2023, 42(1)：97-100.
[2] 馬曉中 , 李東輝 . 發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行沖擊電流的計(jì)算 [J]. 電氣技術(shù) , 2019,20(3)：57-61.
原創(chuàng)作者系：
1、海裝駐廣州地區(qū)第一軍事代表室，陳 旸;
2、中船黃埔文沖船舶有限公司，趙少萌、金 松
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