导读

某船在发电机组调试过程中，出现发电机组同步并网时主断路器瞬间异常脱扣现象，本文基于这次主断路器瞬时脱扣现象，阐述故障分析、试验排查及故障处理方案，总结了此次故障排查处理过程中获取的经验。

一、引言

船舶用电设备繁多 , 船舶电站作为一种孤岛型电站，受空间及发电机单机容量限制，满足大功率船舶用电需求时均需要安装多台发电机组，且发电机组在网数量也随着船舶电网负荷的变化而随之改变。

某船调试阶段，同一台发电机在不同时间并车时 , 发生了两次待并发电机合闸成功瞬间主断路器异常脱扣的故障。

对于孤岛型电站，发电机组系统的稳定运行尤为重要。

发电机组的并网和解列运行就是一项频繁而重要的操作。

故而对此故障的排除势在必行。

二、故障现象及原因分析

1、故障现象

发电机组同步合闸调试阶段，分别完成了对该船配置的 4 组发电机组单机负荷试验摸底和调速调压性能试验摸底，每台机组都运行正常且满足技术指标要求。

发电机自动增机减机模拟试验时，自动电站模式下，在网功率 1200kW（试验负载），三台发电机在网，模拟其中一台发电机故障，待并发电机自动起动并车，故障发电机自动解列停机。

在待并发电机组并车成功瞬间，其主回路上的断路器（以下称主断路器）异常脱扣，并发出“主断路器短延时保护”报警。

机旁停机，并检查相关线路及电气元器件，无发现异常现象。

单独起动待并发电机，单机运行正常且无其它异常现象，随后，手动并车无异常现象，运行正常。

过了一段时间后，上述故障现象再次出现。

1）第一次故障出现后的现象

第一次发电机并车主断路器瞬间脱扣后，解列发电机组合闸主断路器记录脱扣瞬时电流值为 30.59kA，且灭弧室有明显的熏黑迹象；

检查线路没有损伤的迹象；

发电机组、发电机组电站控制器、主配电板汇流排和合闸控制线路均未发现异常现象。

2）第二次故障出现后的现象

第二次发电机并车主断路器瞬间脱扣后，解列发电机组合闸主断路器记录脱扣瞬时电流值为 30.54 kA，断路器分断时间为 0.01 s，无其它明显痕迹。

其余电气元器件和部件的现象与第一次故障出现后的现象相同。

这两次同步合闸异常情况均出现在自动同步合闸的情况下。

该船的 4 台发电机组型号相同，功率均为1000kW，主断路器的瞬时脱扣值设定为 30 000 A。

故障现象说明待并发电机主断路器出现了大电流冲击导致其瞬间脱扣，能够引起主断路器大电流冲击瞬时脱扣的情况有以下两个原因：

（1）由于回路中出现短路而引发的大电流冲击分闸；

（2）发电机非同步并车时，相角差过大引起的大电流冲击分闸。

由于两次故障发生后电气元器件和线缆均未有明显的损伤和松动现象，且对主断路器处的短路理论计算值约为 40.88 kA。

所以，引起此处的大电流冲击分闸的现象可能是发电机组非同步并车导致的。

2、自动合闸原理

电站监控系统自动合闸原理如下：

半自动、自动、越控控制方式下，有机组在网，在机组操纵面板上输入合闸指令或机组控制器收到增机指令。

发电机组控制器接收到有效的机组合闸指令后，根据发电机组状态及机组断路器状态判断是否响应合闸指令，此时发电机组控制器检测到发电机组断路器两侧均有电，通过向本机组发送调速指令，准备进行发电机组断路器自动准同步并车。

以汇流排频率为机组的调速基准，设定调速目标为（50+0.12）Hz。

当调节的机组频率高于汇流排频率，电网有电且发电机组主断路器处于分闸状态时，发出允许同步信号。

发电机组控制器的自动准同步模块收到允许同步信号后将执行准同步并车，准同步并车输出的条件如下：

1）合闸电压差 1 ∽ 15 V（可调）；

2）频率差 +0.1 ∽ 0.5 Hz（可调）；

3）发电机组未合闸；

4）发电机组无故障；

5）合闸超前时间：85 ms（可调）。

3、故障原因分析

发生主断路器合闸瞬间冲击脱扣的故障现象可能的原因分析如下：

1）发电机组控制器在输出合闸指令后，由于发电机主断路器及附属控制线路未及时执行合闸指令，使主断路器在实际完成合闸功能时，合闸相位角已超出正确位置，从而发生待并主断路器短延时脱扣；

2）发电机组控制器接收到有效的机组合闸指令后，将根据机组断路器状态判断是否响应合闸指令，此时发电机组控制器会检测发电机组主断路器两侧是否有电压。

若发电机组主断路器两侧均有电压，则发电机组控制器通过向本机组发送调速指令，进行发电机组主断路器自动准同步并车。

若发电机组主断路器汇流排侧无电压，则发电机组控制器将判断出当前电站处于失电状态，发电机组控制器不会进行发电机组主断路器自动准同步，直接对发电机组母排发出合闸信号。

因此，当汇流排有电压，但由于汇流排监测线路接线不牢固导致待并发电机组控制器未检测到汇流排电压，待并发电机组控制器在执行合闸功能时，未进行发电机组主断路器自动准同步并车，直接输出合闸指令，导致发电机组未在正确合闸相角并车，从而发生待并主断路器短延时脱扣；

3）发电机组控制器接收到有效的机组合闸指令后，将根据机组断路器状态判断是否响应合闸指令，此时发电机组控制器会通过输入控制器的发电机组电压 UUV 和汇流排电压 UUV 进行合闸相位角判断。

若由于输入待并发电机组控制器的电压不是发电机组电压 UUV 或汇流排电压 UUV，待并发电机组控制器将在错误的合闸相角位置执行合闸功能，从而发生待并主断路器短延时脱扣；

4）发电机组起动后转速还未稳定，电压值还未达到平稳电压，但启动过程曲线上的机组电压、频率数值已满足自动同步并车要求，机组控制器在判断相角差也达到同步合闸要求后（控制器合闸超前时间设置为 85 ms），发出合闸指令。

此时，合闸电压差和频率差处于设置的边界值附近，在主断路器动作时间过程中频率又有了一定变化，实际合闸时相位角差超出了理想合闸角度（超前5度-滞后5度）。

三、故障排查

1、同步合闸主断路器故障排查

故障发生后，首先考虑是否由于主断路器执行故障导致同步合闸失败。

因此，对同步合闸主断路器进行合闸时间测试，测试过程中主断路器主体未安装在抽屉座内，主电路不通电的情况下进行。

合闸时间测试回路图如图 1 所示。

▲图 1 主断路器合闸时间测试回路

合闸时间是测量合闸信号给出至断路器主触头闭合的时间。

经过 50 组的测试合闸试验采样得出合闸时间均在 40 ms 以内。

符合 GJB 370-97 3.9.7.1.3 的要求。

主断路器能够正常响应合闸指令，不存在故障情况。

2、发电机组合闸回路原理分析及排查

发电机并车回路原理图见图 2，从图 2 中可分析得出，其控制回路简单，除了手动同步合闸回路，还有半自动、自动同步合闸回路。

其中半自动和自动合闸回路的合闸信号是由发电机控制器发出的合闸指令进行同步合闸的，可认为是同一回路。

手动合闸回路和半自动、自动合闸回路上发电机组母排和电网母排的采样电压互感器也是同一组。

▲图 2 发电机并车回路原理图

当回路得到合闸指令时，手动同步合闸指令发出到主断路器执行合闸动作经过两个继电器；

半自动、自动同步合闸指令发出到主断路器执行合闸动作经过 3个继电器。

检查这几个继电器动作时间及响应均无异常现象。

采样回路与合闸回路上的电气元气件无异常。

检查采样回路至发电机组控制器的输入信号，发电机组用于同步合闸判定的输入为 UUV 相，电网母排上用于同步合闸判断的输入也为 UUV 相，两者相同，并无错相的现象。

3、故障流程模拟方法进行试验排查

1）故障流程模拟试验方法

对每台机组并车过程中的冲击电流进行电量分析仪录波，分析主断路器并车合闸过程中对电网的冲击，并在每次合闸并车过程中观察待并机组电压波形与电网电压波形。

电能质量分析仪接入位置：

根据图 3 所示位置接入电量分析仪，方便在实际合闸时观察各信号的波形情况。

▲图 3 电量分析仪接入点示意图

注：

（1）本侧电压，记录并车前后的波形；

（2）汇流排电压，记录并车前后的波形；

（3）合闸输出，记录合闸时刻波形；

（4）分闸输出，记录分闸时刻波形；

（5）三相电流，分析冲击电流。

其他：合闸反馈，记录合闸成功时刻波形。

2）故障流程模拟试验流程及现象

用模拟方法分别***组滑油压力低、冷却水温度高、发电机绕组温度高等信号，指定的备用机组应立即起动，自动并网成功后，逐步卸去故障机组负载，并对故障机组发出停机指令。

按照试验流程对四台发电机组进行自动增机减机功能试验。

模拟试验过程中，并无发生过发电机组同步并网瞬间主断路器异常脱扣现象。

但在试验过程中，监测到一次由发电机组控制器发送发电机组启动命令到发电机组启动到发电机组合闸并网成功时间为 8.99 s，柴油机组有瞬间增加大负载的轰鸣现象，电能质量分析仪记录本次冲击电流峰值为 4.7kA。

试验监测到的电压电流波形图如图4- 图6所示。

▲图 4 电能质量分析仪电压电流 RMS 波形图

▲图 5 电能质量分析仪三相电流波形图

▲图 6 合闸瞬间同步信号监测波形图

注：波形 A 为发电机组 AB 线电压波形；

波形 B为电网汇流排 AB 相电压波形；

波形 C 为主断路器合闸动作波形。

四、故障处理

从以上的故障现象、线路排查、反复的模拟试验可以得出，此故障发生时回路不存在线路松脱及接错线的情况。

通过非同步并车冲击电流的计算方法 [2]，可以计算主断路器合闸瞬间待并发电机组与电网之间存在的相角差值。

发电机超瞬态通过简化的存在相角差并车时的冲击电流计算公式 [1] 为：

式中：im 为电流瞬时值。

模拟试验过程中出现的同步并网发电机组合闸瞬间电流冲击的瞬时值为 4.7 kA。

按照式（1）和式（2）计算可以得出发生并网发电机时与电网的相位差为15.5°，超出了同步合闸并网的条件设置。

结合多天的反复模拟试验结果，未出现待并主断路器短延时脱扣故障。

上述待并发电机主断路器并车短延时脱扣故障大概率为偶发故障。

待并发电机并车瞬间主断路器短延时脱扣可能是合闸瞬间相位角偏差过大，会产生较大的冲击电流引起开关跳闸。

通过分析发电机组控制器的合闸时机判断方法及判断条件，有可能存在判定发电机满足合闸条件时，待并机组仍处于起动过程中，转速和电压存在明显波动，在合闸指令发出至合闸动作延时时间内，相位角已显著超出正常合闸允许范围。

该同型机组和监控大批量的在该型船舶上经过长时间使用验证，未出现过同类故障情况反馈。

证明本船出现的偶发待并发电机并车瞬间主断路器大电流冲击脱扣的情况可能是相关装备在各自的指标合格范围内的极端耦合所导致。

为避免这种偶发故障的再次出现，需要将发电机组控制器控制参数中“机组运行”信号滤波时间进行延长处理，延长机组控制器开始判断合闸时机的时间，以便能够使此台发电机组能够完全运行至稳定状态后进行并车。

所延长的时间为监测到发电机组启动电压值至发电机组运行稳定的时长。

五、结论

经过上述处理及使用观察，目前此故障现象没有再出现。

由此可得出在以后的控制器参数“机组运行”的信号滤波时长设置时，不能仅依靠经验值，而应参照发电机组的特性数据进行合理的时长设置，以规避此类故障的发生。

参考文献

[1] 杨亚男 , 赵继权 , 包磊 . 某军贸船发电机并联异常跳闸故障分析与修复 [J]. 广东造船 , 2023, 42(1)：97-100.

[2] 马晓中 , 李东辉 . 发电机并列运行冲击电流的计算 [J]. 电气技术 , 2019,20(3)：57-61.

原创作者系：

1、海装驻广州地区第一军事代表室，陈 旸；

2、中船黄埔文冲船舶有限公司，赵少萌、金 松

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