浅谈新海凤轮电站的原理与维护

张栋成

(中港疏浚有限公司，上海200136)

0 引言

船舶电站：在舰船上将非电形态的能量转换成为符合要求的电能并向船舶电网供电的设备的总称。一般由船舶发电机组(原动机、发电机)以及由开关电器、保护装置、测量仪表、控制设备等构成的配电盘组合而成，船舶电站是船舶电力系统的核心[1]。船舶电站根据电流类型、原动机类型、功用、自动化程度可划分为多种形式电站，如直流电站和交流电站；柴油机、蒸汽机、汽轮机、燃气轮机电站；主电站、应急电站和临时应急电站；手动电站、半自动电站和全自动电站。主接线主要有下列形式：①单母线不分段②单母线分段③双母线不分段④双母线分段[2]。

1 电站简介

1.1 配电板基本结构

新海凤轮船舶电站单线图如下所示：

图1 新海凤轮电力系统一次线路单线图

由图1可见，新海凤轮船舶电站组成由两台轴带发电机，辅发电机，应急发电机，左、右主变压器，左、右690 V配电板，左、中、右、应急400 V配电板，艏、艉岸电箱，左主发电机开关A，右主发电机开关B，左主变压器原边开关C，右主变压器原边开关D，左主变压器副边开关E，右主变压器副边开关F，左汇流排联络开关G，右汇流排联络开关H，辅发电机开关I，应急发电机开关J，应急配电板联络开关K，主配电板供电开关L，主配电板上反供电开关O，应急配电板反向供电开关P,艏部岸电开关M，艉部岸电开关N，各动力设备等组成。主接线采用双母线分段形式：400 V母线和690 V母线；400 V左汇流排，中汇流排和应急配电板汇流排、右汇流排，690 V左汇流排和右汇流排。

1.2 配电模式划分

新海凤为耙吸式挖泥船，由于采用一拖三复合驱动模式即主机拖带螺旋桨、轴带发电机和泥泵，在正常施工过程中，两台主机需要不定时的降速和升速，且船舶施工在某些特定情况下（例如单泵施工，双泵串联吹岸），两台主机工况并不一定同步。另由于施工的需求，船舶采用了大功率的三相异步电动机（高压冲水泵电机1320 kW，侧推电机650 kW），考虑经济性，电站采取了AC 690 V和400 V两种电压等级。而发电机并联运行的理想条件包括：相序一致，三相对称交流电压幅值相等，相位相同，频率相等[2]。因此新海凤电站当中各发电机采取短暂并联运行，以实现配电模式切换，且采用西门子LOGO，监控E、F、G、H、I、O断路器状态，形成各发电机之间长时间并联运行保护，并采取断开H或I或O断路器的方式，避免发电机之间长时间并联运行。

根据配电板各空气断路器的不同状态组合，新海凤船舶电站分出8种主要配电模式，详见图2所示。除8种主要配电模式外，部分无定义的配电模式可通过手动配电实现。

配电板选择遥控的情况下，由功率管理系统负责监视和调整功率，实现配电模式的操作和执行。除8#模式应急模式，其他几种配电模式均可互相切换。应急发电机在应急模式下采取8#供电模式单供应急配电板，主配电板失电后应发启动20 s延时。要切换到其他模式需要将应急发电机的工作模式改为harbour模式，然后采用7#模式供电，再切换到其他模式。

1.3 电站的控制

新海凤轮电站控制可分为自动控制和手动控制（半自动控制），自动化电站具有以下功能：1）发电机操作方式选择，2）发电机的自动启动，3）自动准同步并车，4）自动分级卸载，5）重载询问，6）重要负载分级启动，7）自动解列[2]。

PLC4、5为自动化电站核心部分，包含配电模式切换控制、辅助动力设备自动控制、功率管理等主要功能的程序。自动化电站的实现依靠MIMIC PLC4、5，配电板PLC 4A、5A协同作用，同时接收其他PLC的信号，如推进PLC6、7，液压控制PLC2等,以此实现配电模式切换、全船功率管理和辅助动力设备集中控制。

功率管理系统（PMS）主要功能有：1）配电板失电自动启动辅发电机；2）执行和引导配电模式之间切换；3）引导侧推的启动，并释放轴发和主机功率保障启动成为可能；4）防止主机过载；5）防止主发电机过载；6）防止主变压器过载。当配电板部分失电时，经过2 s延时依靠联络开关G或者H的dead busbar功能实现恢复供电。

自动准同步并车和自动解列：经过发电机同步条件判断，当发生配电模式转换时，如3#->1#或1#->3#模式，同步条件满足时自动进入并车程序或解列程序，通过升速或降速信号控制待命机组的频率和相位，发出相应断路器合闸或分闸信号。当解列时如1#->6#或1#->7#模式，若电网总负载大于待并机组额定功率时，解列指令自动取消并显示复位。允许轴带发电的同步条件：①主机控制权限在机舱时，需要定速模式或无特定模式同时泥泵离合器脱排或疏浚模式同时泥泵离合器脱排，主机转速≥97%；②主机控制权在驾驶台，需要定速模式，且主机转速≥97%。

次要设备自动分级卸载和重要设备分级自动启动功能：1)当主变压器或者辅发电机或者应急发电机过载，即功率达到105%额定功率时，PMS会采取优先脱扣的方式，经过延时卸载空调和厨房次要设施；2)全网失电恢复供电后，为迅速恢复电力系统正常运行，同时考虑系统稳定性，采取限制每级启动电流值，按重要顺序依次逐级启动，如图3所示，本船第一级为：1台230 V主稳频器，2台舵机油泵，第二级为：1台泥门锁紧泵，2台推进齿轮箱控制油备用泵，2台可调桨液压泵，2台泥泵齿轮箱滑油备用泵，2台推进齿轮箱滑油备用泵等。

重载询问：①当侧推电机启动前，会向PMS发出启动请求，PMS根据轴带发电机和主机的功率是否充足（轴发至少1500 kW,主机至少650 kW），及时给予相应调整（轴发功率不足则降低高压冲水泵电机转速;主机功率不足则降低可调桨桨角），给设备启动允许反馈或禁止启动并产生报警；②当高压冲水泵启动时，会向PMS发出启动请求，PMS根据轴发功率是否充足，给出启动允许或禁止启动并产生报警；③当泥泵离合器需要合排时，会向PMS发出启动请求，PMS通过降低可调桨螺距来调整主机的富余功率，直至满足泥泵运转所需的功率，给出合排允许。否则给出禁止合排，并产生报警。

手动控制，辅发电机控制屏上选择本地控制。手动配电模式是半自动的，切换主要从各个断路器所在控制屏上通过合闸、分闸按钮进行操作，发电机同步依靠自动同步表进行。此时PMS将不起作用，若侧推控制器、高压冲水变频器、泥泵离合器、可调桨控制器处于本地控制，则PMS也无法调整其功率。

2 实例故障

2.1 3#模式切换1#模式，却切换到2#模式

这种情况，容易误导以为配电程序出问题，然而并非如此。首先考虑发电机并联保护功用：当左、右轴带发电机长时间并联运行时即E与F断路器同时合闸超过1秒，并联保护会自动断开H断路器。因此需要查看G断路器为何遥控不分闸。具体操作可以先从手动操作G断路器，看其合分是否正常。若手动分断出现问题，则需要检查断路器本体及其附属器件和相关电路。若手动操作正常，则需要检查PLC4A输出的控制G断路器遥控分闸的微型中间继电器是否正常通断。本次故障则是中间继电器触点接触不良引起。

2.2 空气断路器意外脱扣或合闸无反应

空气断路器脱扣，正常状况下应为发电机或配电板出现失压、过载、短路或者发电机逆功率而保护脱扣。然而实际情况下，多数遇到的都是非正常原因脱扣，例如过载延时误动作，失压线圈吸合不到位，绕组高温、发电机漏水等外围连锁动作，断路器自身机械原因等。新海凤轮曾出现过因D、E、O断路器误动作导致配电板失电。D/E经过长时间观察发现过电流检测模块micrologic 5.0出现电流检测值波动较大，且测量值比实际大，在大负荷工作时引起过载长延时动作。O断路器则因失压线圈吸合不到位，偶尔弹出导致脱扣。

图3 自动优先启动顺序图

2.3 外部电源故障引起配电失败

状况1：锚泊期间，辅发柴油机正常保养，因此需要将配电模式由6#转到7#，当保养完毕由7#到6#模式时，K开关未正常合闸，手动操作合闸完成配电。状况2：切换7#模式时，配电过程中，发生配电失败，主配电板失电。如图1所示，7#到6#模式时，首先辅发电机空气断路器I先合闸，而后应急配电板取电开关O断开。由于K与J断路器存在连锁，所以此时J先断开而后K延时合闸，配电转换完成；其他模式切7#模式时，则K断路器先分闸，而后J断路器才能合闸。在模式转换期间，应急配电板会出现短时的失电。此时船舶24V电源由艏、艉24V充放电板的蓄电池维持，而配电板24V工作电源来自艉部充放电板的3#分配电板。结合两次现象，对蓄电池状况进行检查，当断开400V交流电源后，发现蓄电池瞬间下降到15V，压降很大，确定由电池组不能正常供电引起配电失败。及时更换新的蓄电池组后，实验配电功能切换均正常。

2.4 D断路器预充磁失败

从电机学原理来看，变压器合闸时类同于电动机起动，都有大电流冲击，其非周期分量可达十几倍额定电流。大容量的变压器合闸冲击电流可能会引起发电机跳闸。为了防止这种现象发生，高压变压器往往采用预充磁方式合闸，以减少冲击电流。预充磁通常有两种方式：高压变压器初级绕组先通过电阻接至中压配电板母线，经延时后变压器主断路器接通旁路电阻，然后再断开电阻电路；另一种从低压电网接通一台等压变比的小型变压器与中压变压器的次级绕组并联，高压变压器的初级绕组会感应一个高电压，经延时后，高压变压器主断路器合闸，然后再断开小变压器电路[1]。

图4 预充磁计时计数回路原理图

新海凤轮主变压器视在功率为1600 kVA，690V/400 V，采用原边串联电阻方式进行预充磁。充磁延时采用计数器和计时器配合，最多3次/6min，原理如图4所示：K103.6为计时器，受控于K103.8的辅助触点；K103.7为计数器，在K103.6上电时被复位计数次数，由K103.2动作次数来计数预充磁次数，最多3次；K103.8在首次预充磁开始时得电，控制K103.6开始计时6 min；K103.9受控于K103.7，当预充磁次数达到预设次数3后得电，形成预充磁闭锁，使得预充磁动作结束同时使得合闸操作无效。

本次故障则由于控制合闸线圈得电的延时继电器K103.3辅助触点线头脱落导致D断路器没有给出合闸反馈，遥控系统反复充磁达到次数限制而闭锁。

2.5 应发供电，大负荷启动时H断路器脱开后自动合闸

对动态电压调整率的要求，我国《钢制海船入级规范2009》规定：交流发电机在负载为空载，转速为额定转速，电压接近额定值的状态下，突加和突卸60%额定电流及功率因数不超过0.4（滞后）的对称负载时，当电压跌落时，其瞬态电压值应不低于额定电压的85%，当电压上升时，其瞬态电压值应不超过额定电压的120%，而恢复到最后稳定值相差3%以内所需的时间，则不应超过1.5s[1]。

应发正常供电，液压泵启动时断路器H脱扣后又自动合闸，脱扣原因为发电机电压过低而低压监测设定值偏移，自动合闸则由配电板的dead busbar功能实现。出现发电机电压过低可能为：柴油机调速器故障，发电机AVR故障。新海凤应急发电机出现由于调速器执行机构卡堵，引起游车，使得配电模式不能切换且大负荷动作时发电机电压和频率波动较大；H断路器的问题则由于电子调速器供电不足引起突加大负荷时，柴油机电子调速器工作异常引起调速不良，引起发电机电压和频率下降明显，导致低压保护动作。

3 电站维护

日常维护检查：电站各种配电模式切换试验，确保模式之间的切换准确、有效。定期分批对配电板各屏内的电气元器件进行检查、紧固，异常的元件及时给予更换。保证电站系统的控制电源稳定，保证配电板的良好绝缘,日常检查多注意配电板各仪表参数，根据配电模式检查相关断路器监测的实时电流与仪表是否相符。平时巡回检查注意发电机周遭环境有无漏水、漏油；关注发电机冷却水温和冷却空气温度，周围环境温度，保证发电机良好冷却。轴承润滑油油位、油质时常关注；润滑油脂定期适量加注，注意牛油孔的疏通与否；AVR定期检查接线，除灰；无刷自励发电机定期检查励磁机和旋转二极管组成的励磁回路阻值，测量二极管及稳压电阻电容特性是否正常；发电机的控制电源和备用电池保证切换正常，电池和充电机工况良好，或者保证电池和调速器控制单元、执行单元备用件充足。

季度及年度检查：配电板上重要断路器每季度摇到“试验”位置测试合闸、分闸、失压脱扣等控制功能；完全抽出进行内部检查清洁。需用专用仪器校验的，如过载、短路保护时间整定，电流值整定，每4～5年申请由船级社认可资质的单位校验，并出具校验数据报告，做好相应标识[2]。

4 结论

船舶电站自动化最主要的目的在于保证船舶供电的连续性、可靠性和供电品质。对于船舶电气管理人员，最重要的任务就是管理好船舶电力系统，保证电站供电可靠、参数稳定、运行经济、使用安全。一旦发生故障能够迅速恢复供电，排除故障[2]。这就需要通过对以往各种故障认真的分析和总结，不断地积累经验，逐步提高电站管理和维修水平。

参考文献：

[1] 吴志良.船舶电站及其自动化系统[M].大连：大连海事大学出版社，2009,（4）:90-95.

[2] 赵殿礼,张春来.船舶电气设备管理与工艺（第2版）[M].大连：大连海事大学出版社,2010,(4):123-130.