船舶电力系统组成及故障分析.docx

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船舶电力系统组成及故障分析

船舶电力系统组成及故障分析

内容摘要

船舶电力系统是在统一控制下船舶的电源及与之相连的电网组成，并向负载供电的系统。

本文主要介绍了“育鲲”轮电力系统组成及电站自动控制，其中包括发电机结构和原理、配电设备的组成和保护功能如主开关的过载短路保护，欠压保护，逆功率保护原理；以PPU作为核心控制器的船舶电站的自动控制原理和PLC的逻辑处理过程。

结合轴带发电机工作原理对“育鲲”轮电力系统中出现的轴带发电机故障造成全船失电进行故障分析，总结相关故障的原因及解决办法并取有效措施排除故障。

最后对电力系统部分电路提出改进意见。

关键词：

电力系统自动控制故障分析

ABSTRACT:

ThispapermainlyintroducestheelectricalpowersystemandautomaticcontrolsystemofYuKunVesselofDalianMaritimeUniversity,includingthestructureandprincipleofgenerators,thecompositionofpowerdistributionequipmentandtheprotectionfunctionsuchasthemainswitchoverloadshortcircuitprotection,voltageprotection,andinversepowerprotection.Ontheotherhand,thispapergivesabriefintroductiontoprincipleofautomaticcontrolsystemofthehydropowerstationandPLClogicalprocess,withPPUasthecoreofthecontroller.Basedontheprincipalofshaftgeneratorin“YuKun”vessel,thispaperanalyzethepowerfailureofcausedbythemalfunctionofshaftgeneratorandsummarizethereasonsandsolutionsforthisproblem.Atlastitpromotesrelatedmeasurestosolvethisproblemandsomesuggestionsforimprovementforcertaincircuitofpowersystem.

Keywords:

electricalpowersystem、automaticcontrol、faultanalysis

舶电力系统组成及故障分析

前言

船舶电力系统在船舶上具有极重要的地位，它是独立的可移动的电力系统，其系统的可靠性、连续性、供电品质直接影响到船舶的经济指标、技术指标和生命力。

随着船舶吨位的增大和船舶电气自动化管理程度的提高及科学技术的发展，船舶电力系统亦有显著的进步和变化，船舶电力设备日趋完善。

船舶电力系统的自动化是船舶自动化的一部分，也是船舶现代化的一个重要标志，随着船舶的大型化和自动化以及电了信息技术和自动控制技术的不断发展，船舶自动化程度越来越高，对船舶电站自动化程度的要求也越来越高。

船舶电站自动化是机舱自动化的关键。

从20世纪60年代开始，船舶电站自动化控制历经了从最初的继电器控制及后来的晶体管分立元件控制的船舶电站自动化系统，到70年代的小规模集成电路、中大规模集成数字、模拟电路控制的船舶电站自动化系统，再由80年代的微机处理控制的船舶电站自动化系统，到90年代由PLC控制的船舶电站自动化系统，一直发展到现今的集监、控、管于一体的网络型计算机控制的船舶电站自动化系统。

自动化水平的提高使电站供电的连续性和可靠性提高，增强船舶的生命力，提高电站供电的品质，改善船员的工作条件，减轻值班强度，同时还可以提高船舶运行的经济指标，但同时对电站管理人员要求越来越高，只有扎实的掌握系统知识，加强维护管理才能真正提高船舶营运可靠性。

1.船舶电力系统的组成

380V应急负载

图1电力系统简图

船舶电力系统是在统一控制下船舶的电源及与之相连的电网组成，并向负载供电的系统。

主要由船舶发电设备、电力网、船舶配电设备、船舶用电设备组成。

船舶发电设备有主发电机组、轴带发电机、应急发电机、蓄电池组等；船舶电力网是指电源负载之间的电缆和电线的总称，其作用是将各种电源与各种负载按一定关系连接起来，可分为动力电网、低压电网、照明电网、应急电网和小应急电网等；船舶配电设备是对电源发出的电能、电力网、负载进行保护，分配，转换，控制和检测的设备，包括主配电盘，应急配电盘，分配电盘，蓄电池冲放电盘等；船舶用电设备即负载如动力装置用辅机、甲板机械、舱室辅机、机修机械、冷藏通风、厨房设备、照明设备、弱电设备、自动化设备及其他。

2船舶发电设备

育鲲轮采用交流400V50Hz电制，电站由三台主发电机一台轴带发电机和一台应急发电机组成，主发电机型号均为Auxpac520W4L20型，无刷励磁同步发电机，额定功率和转速520kW×1000rpm，额定电压400V，频率50Hz。

轴带发电机是主机厂配套提供的LeroySomer主机轴带发电机，其额定功率650kW，正常航行时使用轴带发电机即可满足船舶电网负荷需要。

应急发电机型号为MP-H-200-4，额定功率249kW，是无刷交流同步发电机，额定功率和转速200kW×1500rpm，可分别用电动及压缩空气二种能源起动。

定速及海况良好航行期间，可采用轴带发电机代替柴油发电机供电；机动航行时，一般采用两台柴油发电机组供电，轴带发电机为艏侧推装置供电；应急状况下，则由应急发电机供电。

“育鲲”蓄电池型式为6F-200阀控式铅酸蓄电池。

2.1主发电机结构及其工作原理

图2发电机结构简图

无刷同步发电机是由同轴的两台交流发电机构成。

右半部分为直流励磁绕组在定子上的转枢式励磁机，左半部分为励磁绕组在转子上的转极式主发电机和通风叶片。

图3发电机原理图

G1发电机定子绕组，G2发电机转子绕组，G3励磁机转子绕组，G4励磁机定子绕组，V2旋转整流器，L1谐振电抗器，C谐振电容组，T4补偿电流互感器，T6整流变压器，T1T2T3电流互感器，A1可控硅电压自动调节器及功率组件（全波整流电路），U过压保护模块。

发电机由主机、励磁机及励磁装置三大部分组成。

如图所示发电柴油机带动发电机转轴转动时，转子利用剩磁在定子中产生剩磁电压，经过L1谐振电抗器，C谐振电容组被谐振放大，送至T6整流变压器，经过A1可控硅电压自动调节器经过其整流后变成直流电，送至G4励磁机定子绕组，为励磁机提供电流，当G4得到直流电后产生磁场，G3励磁机转子绕组切割磁感线感应出交流电势。

此交流电由经过V2旋转整流器、U过压保护模块变为直流通入G2发电机转子绕组为主发电机励磁，G2产生的磁场因旋转会在G1发电机定子绕组感应出三相交流电势即完成发电过程。

整个电压建立过程既是一个正反馈过程，发电机启动依靠发电机剩磁建立端电压端电压建立后又被引入到励磁装置中，使励磁机的定子绕组励磁电流加大，以加强发电机的磁场，

因此，发电机端电压逐步升高，正常运行。

2.2轴带发电机

育鲲轮主机轴带发电机是主机厂配套提供的LeroySomer主机轴带发电机，其主要参数有：

额定功率：

650kW；

额定转速：

1500r/m；

额定电流：

1173A；

电制：

AC/3φ/400V/50Hz。

由于主机转速170r/m，因此设有增速驱动齿轮箱，以满足轴带发电机转速要求。

轴带发电机原理

图4轴带发电机原理图

如图所示“育鲲”轴带发电机是无刷励磁发电机，发电机由励磁装置和发电机两部分组成。

励磁装置是由R449型发电机自动电压调节器控制，其工作原理为励磁定子绕组由永久磁铁提供固定磁场，转子绕组旋转时感生出三相交变电动势。

R449的电压自动调节器是由两个独立于电压检测回路的辅助绕组供电，电源电压经整流和滤波后被送入AVR的可控硅，AVR监视发电机的输出电压并通过调节励磁电流来调节发电机的输出电压。

“育鲲”轮的轴带发电机属于变螺距普通式，无恒频调节功能，因此发电机的频率会随原动机转速波动而波动。

由于主机功率相对于主发电机的功率大，主机虽然是定转速，但存在一定的转速波动，因此该轴带发电机不能与主发电机长期并联运行。

2.3蓄电池

蓄电池在船上的主要用途有作为临时应急电源或备用电源，应满足向应急负载供电至少30min的要求，作为柴油应急发电机组的启动电源、报警系统电源、船内通信系统电源、主发电机充磁电源等。

“育鲲”轮采用蓄电池型式为6F-200阀控式铅酸蓄电池，电压容量为12V/200AH，电解液密度1.295g/ml，排放压力19-23KPA。

安放位置：

驾驶台甲板电池间、船长甲板蓄电池间、二甲板电工间。

3船舶配电设备

船舶配电设备是整个电站的枢纽，主要功能有电力系统数据的显示、检测和调整，对电力系统故障的保护，自动控制切换用电设备。

包括主配电盘、应急配电盘、充放电盘、岸电箱等。

3.1主配电盘

图5主配电盘单线图

‘‘育鲲”轮主配电盘由3台主发电机屏、1台轴带发电机屏、同步并车控制屏、首侧推及岸电控制屏、4个AC380V负载电源控制屏、4个组合负载起动控制屏、2个AC220V负载电源控制屏组成。

主配电板上有1、2、3号汇流排，其中1号汇流排还分为1A、1B中间有隔断开关通常情况下它是闭合的，它的作用是汇流排短路或机械变形时起隔离作用，以便检修或更换故障部件。

1A汇流排由1、2号发电机供电，并向1、2号380V负载屏控制的负载提供电力，1B汇流排由3号发电机和岸电供电，也有两个380V负载屏。

2号汇流排由轴带供电，通过主开关7ACB与1B相连，从而在定速航行时向全船供电，2号汇流排仅有一个负载即艏侧推。

3号汇流排是由1A、1B经主变压器供给的AC220V电，负载主要包括220V照明

3.2应急配电盘

图6应急配电盘单线图

应急配电盘上有4号、5号汇流排，4号汇流排由由应急发电机供电供，供应380V应急负载。

5号汇流排由4号汇流排经应急变压器变压供应AC220V交流电，1、2号应急变压器，有互锁装置。

3.3冲放电盘

“育鲲”在平台电工间、驾驶甲板电控间分别设有冲放电板如图

图7冲放电盘系统图

船舶小应急照明、操纵仪器和无线电设备的电源均采用蓄电池，船舶设置充放电板对蓄电池进行充电、放点，实现向用电设备供电。

4配电设备的保护功能

4.1主开关的保护功能

发电机的外部短路会产生巨大的短路电流，对电气设备、电网、电机都会产生巨大的损害，甚至发电机跳闸，引起全船失电。

其保护原则要兼顾保护电机和不中断供电两方面。

所以一般设有短路短延时和短路瞬时动作保护。

“育鲲轮”主要由主开关的跳闸来实现短路保护，只不过两种跳闸的整定电流不同,短延时整定电流为2.5倍额定电流延时时间设定为0.4s，瞬时脱扣整定值为6倍额定电流瞬时脱扣的最大设定时间为20ms，最大分断时间为50ms；过载保护也要兼顾机损和不中断供电两方面，从外部系统看，当多台电机同时启动启动电流可能超过额定电流，而此时过载保护却不应立即动作，应避开这种现象所以一般要求过载保护动作时间大于10s，“育鲲”轮主开关的长延时脱扣的始动电流最小为0.60倍额定电流，最大为0.90倍额定电流，延时时间设定为20s。

当发电机由于励磁失败，原动机故障造成的电压下降会对电气设备产生不利影响，因此主开关对此进行相应的保护，其动作值，延时时间均可调，

图8空气断路器控制原理图

失压保护单元“KT”、脱扣器“MN”串接在AC220控制电源上，“KT”检测到低电压时延时动作（可调节），当发电机低于一定值时延时使“MN”断电，实现电网低压保护。

另外断路器失压脱扣器“MN”在发电机电压低于额定电压40%时也不能维持吸合，即发电机低电压时使断路器分闸，主触点断开，发电机脱离电网，实现失压保护。

发电机在停止运转，或电压过低时，由于“KT”、“MN”保护功能，断路器保护性分断，合闸操作不能执行，避免发电机无电压情形接入电网，损坏发电机绕组。

“育鲲”轮电压延时操作始点为0.35~0.7Un，延时时间为0.5s。

失压脱口后，只有当电压高于0.85Un时，欠压保护装置才会输出电压，使“MN”得电，断路器才能再次合闸，如果电压低于0.85Un，由于欠压保护装置和“MN”的欠压保护功能，断路器是不能合闸的。

4.2逆功率保护

“育鲲”功率保护由发电机控制器（PPU）实现，由其提供检测通过欠压线圈“MN”实现保护。

现在船舶电站使用PLC，只需输入电压和电流，PPU就能检测是否有逆功率。

没有逆功率时，PPU上的端口12和13相当于一个导线，端口11和12断开，当PPU监测到逆功率的时候，PPU上的端口12和13断开，断开了欠压线圈“MN”的电源，“MN”失电瞬时释放脱扣。

当待并发电机在刚投入运行时，由于存在频率差和相角差，在同步的过程中会引起待并发电机逆功率，但只要频率差和相角差在一定的范围内，短时的逆功率是允许的，所以逆功率保护应具有一定的延时。

逆功率的延时是在PPU里完成的，当监测到逆功率时，延时一定时间发出开关闭合信号。

4.3船舶电网的保护

船舶电网的保护主要是指电路的保护，如电缆的过载和短路保护、岸电保护、三相绝缘报警、主电网与应急电网及岸电的连锁等。

由于发电机和用电设备的短路过载保护装置通常设在靠近电源侧的出线端所以电网不设专门的保护而是与发电机和负载的保护共用一套保护装置。

船舶电网的另一种重要的保护是对三相三线系统绝缘的监测和岸电的保护，“育鲲”用主配电盘上的绝缘指示灯来监视单相接地，用兆欧表监视电网绝缘电阻，从而能在绝缘电阻异常低时发出报警，保证安全。

船舶在接岸电时，当相序接错或少接一相时，电动机将发生倒转或单相运行，从而导致电力拖动装置在机械或电气方面受损或破坏，为了防止这样的事故发生，岸电应该设置相序及断相保护。

相序及断相保护由负相序继电器完成。

主电网与应急配电网及岸电的连锁是由主开关的常闭触点实现的，主发电机、应急发电机、岸电不能同时供电且主发电机有最高的控制权，当主发电机向电网供电时不允许岸电和应急发电机供电。

由图1知“育鲲”对此有双重保护，首先在应急发电机与汇流排之间有主开关常闭触电，而在应急配电盘与主配电盘的汇流排之间又设有一个开关可以可靠切断其联系，防止应急发电机与主发电机同时供电，岸电与主发电机之间的连锁原理与主发电机类似。

5船舶电站的自动控制

船舶电站的自动控制主要是要求对突发事件故障能在无人操作情况下，准确无误的进行处理，保证电站正常工作。

5.1发电机自动管理（PPU）

“育鲲”轮发电机采用DEIF公司multi-line系列产品：

发电机并联运行及保护管理单元（PPU）。

主要功能有：

三相交流电的参数测量显示，如三相电压、三相电流、频率、视在功率、有功功率、无功功率和功率因数等；准同步并车；柴油机自动调速，有功功率平均分配，调频调载；发电机自动调压，无功功率平均分配；逆功率保护及报警；电流保护及报警；过载保护及报警；过电压、欠电压、电压不平衡、过电流、电流不平衡、频率过高、频率过低监视及报警；总线、数字传输通信。

图9PPU连线图

PPU工作电源24V，接受电网及发动机端三相电压、电流信号，通过控制主开关来进行保护功能，通过AVR来完成对发电机的控制，如电压自动调节，并联运行时的负载无功功率分配，也可以通过调速器控制发电机转速，同时检测信号在其液晶显示屏上显示，实现人机对话。

输入信号为发电机端电压，母线电压，发电机电流信号，同步指令信号，解列负载转移信号，发电机断路器状态信号，其他机组启动信号反馈。

输出信号为同步并车合闸指令，解列指令，逆功率保护输出信号，柴油机调速信号，PPU异常报警，PLC通信信号等，可以以数字处理方式寻找并车时刻，发出合闸信号，实现同步并车；需要时发出解列信号进行负荷转移。

5.1.1发电机电压自动调节

带功率组件的可控硅自动电压调节器（AVR），它的工作原理是通过控制可控硅的导通角来改变分流电阻的电流大小，使励磁电流发生改变，实现发电机电压恒定控制，从空载到额定负载，其稳态电压调整率为±0.5%。

电压调节器由电源单元、电压反馈单元1、滤波单元2、调节放大单元3、脉冲单元4、过压保护单元5、外附电压设定调节电位器6、全波整流电路（功率组件）V102等部分组成。

在励磁装置中，变压器输出交流电流经功率组件整流为直流电，它为励磁机提供励磁电流，功率组件的一个整流二极管并联一个由可控硅控制的分流电阻R101，在没有分流时励磁电流大到使发电机在额定负荷时电压为430伏左右。

在电压调节器中，设定电压（电位器U）信号与电压反馈信号在比较放大环节中产生调节信号，经脉冲单元控制可控硅开度，从而控制分流电流大小，使励磁电流得到调节。

当电压超过额定值时，可控硅开度加大，励磁电流减小，发电机电压下降到额定值，反之，电压低时会使励磁电流加大，发电机电压上升到额定值，实现发电机电压稳定。

图10自动电压调节器

5.1.2功率分配

发电机并联运行时，有功功率的分配和无功功率的分配是非常重要的，功率在并联运行的发电机之间均摊，能够使发电机承载均匀合理，对柴油发电机组发挥效率延长使用寿命有着重要的意义。

有功功率的分配要靠原动机的转速降来分配，无功功率的分配需要靠电压来保证。

船用柴油机一般选用同型号、同参数、调速器调节特性基本一致的柴油发电机组，因此有功功率的分配要靠原动机的转速降来分配，既是并联运行柴油机组油门的分配，使用调速器调速手柄即可调节柴油机油门大小，达到功率平衡。

并联运行时，将承担功率小的发电机的油门加大，同时减小承担功率大的发电机油门，使两台发电机承担的功率趋于一致。

在调节过程中，注意电网频率的变化，当电网频率高于额定值时应同时减小两台发电机的油门，反之，同时加大油门，自动调频调载方式在许多船上得到应用。

无功功率分配实际上是无功电流的分配。

由于各发电机之间电势不等，在发电机之间会产生无功环流，使无功电流分配不均。

参数相同的两台发电机如果励磁电流相同，发电机电动势相等，因此调节励磁电流大小就可以实现无功功率分配。

“育鲲”轮发电机励磁系统中带有调差装置，工作原理为检测发电机R相的电流经电阻变换成电压信号由于cosФ=0，Ф=90°，该电压信号S—T相电压相迭加后其变化既是相无功电流的变化，将此电流信号传送到AVR中，AVR中反馈出电压变化，控制励磁电流输出，从而调节发电机电压，即S—T相上的电压调节，因此无功电流变化时调差装置才对电压调节器起作用，两台发电机并联运行时其无功功率分配差度将依靠此调差装置来保证。

发电机单机运行时因无环流，因此调差装置不起作用。

调差装置调节发电机最大压降是额定电压、额定电流、功率因数0.8时，压降为额定电压的3.6%（

）。

5.1.3PPU控制自动并车

工作原理如图8所示PPU得到手动按钮指令或者电站PLC的并车信号，假设2号发电机为运行发电机，1号发电机为待并发电机。

PPU控制器若想进行频率调节、合闸操作、并车操作、模式选择等控制操作，则25号端子输出为高电平。

当1号PPU控制器的25号端子为高电平时，即对1号PPU控制器发出并车指令，此时1号PPU控制器输出控制信号至1号发电机的速度调节器GOV，调节1号发电机的频率，将其控制在设置的频率范围内。

同时实时检测并车条件，比较发电机与电网的频率、电压、相位之差，为保证超前并车，从允许并车的最大相差角度开始计时，接近允许并车最小相差角度时计时结束，在此期间满足所有并车条件，1号PPU控制器的内部核心单片机将根据主开关固有动作时间和实际频差进行计算，发出合闸脉冲信号，信号并不是连续的而是给出合闸脉冲，脉冲宽度随时间变窄并要求避开死区。

然后通过1号PPU控制器的17、18号端子输出，控制1号主开关ACB1动作，实现并车。

5.2电站PLC控制原理

“育鲲”轮采用西门子生产的模块式PLC，属自动管理中的上位机，以总线方式与下位机PPU通信，实现逻辑控制功能。

可实现功能有：

断路器连锁、发电机组重复起动、电网失电恢复、分级卸载、在网发电机组故障管理、应急电网失电管理。

以侧推询问来阐述PLC逻辑处理过程。

一台柴发供电，选择柴发供电侧推。

接收到侧推询问请求后，PLC发出起动第一和第二备用机组命令，如果两台都能起动成功，则合闸并网，三台柴发并网供电后，发出母联合闸命令，三台柴发对全船和侧推供电，如果只有一台起动成功，则在两台柴发并网供电的情况下，发出主机恒速请求，起动轴带发电机并分闸母联，分区供电。

此情况下只能由轴发供电侧推。

一台柴发供电，选择轴发供电侧推。

接收到侧推询问请求后，PLC发出起动第一备用机组命令和主机恒速请求命令，两台柴发并网供电，轴发对侧推供电。

多台柴发在网，选择柴发供电侧推。

接收到侧推询问请求后，如果还有剩余备用机组，则起动备用机组，起动成功后，三台柴发并网供电侧推，由柴发供电侧推，如果备用机组起动不成功，则发出主机恒速请求命令，恒速后轴发投励发电，轴发电压建立后，PLC发出母联分闸命令。

此时，由轴发供电侧推。

多台柴发在网，选择轴发供电侧推。

接收到侧推询问请求后，PLC直接发出主机恒速请求命令，主机恒速后，轴发投励发电，轴发电压建立后，母联分闸，轴发供电侧推。

如果主机不能恒速，或者母联分闸失败，此时起动备用机组，改由柴发供电侧推。

轴发对全船供电，选择柴发供电侧推。

接收到侧推询问请求后，PLC先判断此时在网负载是否小于柴发额定功率的85％，如果不是，则先进行冷水机组下载，然后起动三台柴发，如果均能成功起动，待柴发电压建立后将轴发负载转移至柴发，对轴发分闸，由三台柴发并网供电，如果只能起动两台，则由两台柴发和轴发分区供电。

此时，由轴发供电侧推。

轴发对全船供电，选择轴发供电侧推。

接收到侧推询问请求后，先判断是否需要进行冷水机组卸载，然后起动第一和第二备用机组，如果都能起动成功则两台柴发和轴发分区供电，由轴发供电侧推。

如果母联分闸失败，则对轴发分闸，起动剩余备用机组，由三台柴发并网供电。

此时柴发供电侧推。

6“育鲲”轮电力系统故障分析及部分电路改进意见

6.1轴带发电机跳电导致瞬时全船失电

在实习中一次海上航行时，当时航行由轴带发电机向全船供电突然轴带发电机电压波动，最后跳电造成全船失电，由于电站管理模式为自动，所以PLC自动发出1、2号发电机起动命令并合闸并车重新恢复向全船的供电。

分析轴带发电机跳电原因如下：

1海况不良，风浪较大，主机转速波动较大，由于“育鲲”轮的轴带发电机属于变螺距普通式，无恒频调节功能，因此发电机的频率会随原动机转速波动而波动。

2电压自动调节装置失效其主要现象及原因有及解决方法如下：

发电机电压

可能的原因有驱动转速太低，应检查原动机调速器；旋转整流器故障，断开二极管的连接检查二极管的正反向阻值，更换二极管；电压调节器故障；更换电压调节器或应急运行；整定电位器回路内的故障；排除外附整定电位器连接引线中存在的短路故障或将外附整定电位器引线进行连接。

电压和电流震荡

可能的原因有转速震荡，应检查原动机调速器；电压调节器上的电位器正定位置不对，调节调节器上的电位器K、T，使与检验证书注明的位置相一致或调节电位器K和T使调压器与电站要求相符。