船舶电气设备偶发故障分析探讨

          　　摘 要：某型船建造期间偶然出现发电机组输出电压只有剩磁电压的现象。对该故障出现的原因进行了分析和验证，指出这种偶然现象的根本原因并不在于励磁回路元器件的损坏，而重点排查应放在励磁回路的线路上。这次故障排查过程和方法，对于分析偶发故障有着实用指导意义。
　　关键词：偶发故障；发电机组；相复励装置；建压失败
　　中图分类号：U0672.3 文献标识码：A
　　Abstract： During the construction of a certain ship， the occasional fault occurs that there is only remanence voltage left in generator output voltage. The possible reason for the fault is analyzed and verified， not the damage of excitation circuit components， but the check of the excitation loop line should be emphasized.
　　Key words： Occasional fault； Generator unit； Phase compound excitation device； Built in voltage failure
　　1 引言
　　目前船舶上所配置的主配电板、发电机组、各类监控系统等电气设备，在试验、使用过程中难免会出现一些偶发故障，此类故障具有以下明显特征：一是发生时机偶然；二是发生过程短促，过程记录不明确；三是故障导致的结果多样、定位不清晰。
　　基于上述特征，对该类问题的处理并没有具体的方法，往往通过对可能出现故障点的电气元件进行大面积重新接插，或更换元器件等手段进行排除。如果成功消除了故障现象，此类故障便会简单的归结为元器件松动、接触不良或设备保养不到位等原因。然而这种处理方法虽然能短时间改善或规避故障的发生，但由于故障机理的不确定性，并没有从根本上解决故障问题，因此对设备的后续使用者来说造成了一定的隐患和不确定性。本文通过对某型舰船上偶然发生的发电机组失压故障进行分析，通过实船试验明确了所谓接触不良现象的电气特性，成功人为复现故障现象，从根本上解决了故障问题。
　　某型舰船上所配置的相复励励磁系统发电机组，在码头试验期间发电机稳定运行过程中，偶然发生了发电机组欠压报警，随后发电机组电压迅速跌落，主开关跳闸。现场服务人员停机检查后并未发现原动机组、发电机、主开关等部件存在故障，再次起机后发电机组能稳定建压并连续运行。
　　相复励励磁系统以其结构简单、可靠性高和较好的复励性能，是目前我国船用交流发电机的主要励磁方式[1]-[3]，它可以很好的保证规范要求的静态和动态性能。基于相复励励磁系统的发电机组通常会配备辅助的电压调节装置，用来满足发电机的电压特性和负载特性[4]-[5]。在发电机组的调试及使用过程中，经常会遇到发电机组建压失败的问题，如不能及时解决将会影响发电机组的正常使用，导致船舶失去动力而无法运行。
　　发电机组建压失败分为两种情况：一种是发电机输出电压为0，属于发电机失磁的情况，此时若发电机组的元器件无损坏，只需对发电机进行充磁即可；另一种是发电机输出电压为剩磁电压。本文以第二种建压失败故障为基础，对这种基于相复励励磁系统的同步发电机输出剩磁电压的原因进行分析。
　　2 相复励励磁系统的原理
　　相复励励磁系统的同步发电机励磁系统的原理框图，如图1所示。发电机在起机时，利用发电机中的剩磁建立剩磁电压，剩磁电压通过相复励装置后，经过整流桥D进行整流后，输出直流电压u作为励磁绕组L的励磁电压，从而产生励磁电流。由于励磁绕组流过励磁电流，发电机开始迅速建压，从而形成正反馈通路，使得发电机实现快速起励，完成发电机组的建压过程。图1中的电抗器X1和谐振电容C1用来在发电机达到一定转速时候发生谐振（谐振频率），从而在短时间内产生较大的励磁电流，使得发电机实现快速起励。励磁绕组两端接有充磁电路，如图中所示。
　　3 发电机建压失败的可能原因
　　当发电机组输出的电压为发电机的剩磁电压，表明发电机组的励磁回路出现故障，其故障有以下几种：
　　（1）励磁回路断路或短路
　　当励磁回路断路或短路时，励磁绕组无法得到励磁电流，整个相复励系统也无法形成正反馈，因此导致发电机端输出电压只有剩磁电压；
　　（2）分流用的开关管短路
　　当开关管出现短路故障时，整流桥输出励磁电流全部消耗在分流电阻上，励磁绕组得不到励磁电流，因此发电机输出电压只有剩磁电压；
　　（3）充磁回路短路
　　当充磁回路短路故障时，会将励磁绕组短路，导致励磁电流为0，因此发电机输出电压只有剩磁电压；
　　（4）滤波电容C击穿短路
　　当滤波电容C被击穿短路时，会将励磁绕组短路，导致励磁电流为0，因此发电机输出电压只有剩磁电压。
　　4 某船故障原因分析
　　某船的发电机组在调试过程出现偶尔输出电压为剩磁电压的建压失败故障。由于该故障是偶尔出现，因此根据上述3节中的分析可排除第（2）、（3）、（4）三种可能性，因为若开关管或滤波电容出现短路故障，则为硬件出现故障，这种故障会在每次发电机组起机时必然出现，因此对第（1）种可能性进行重点排查。
　　经过排查，发现系统励磁回路中F1短接片的紧固螺丝有所松动，此处的励磁回路的连接线如图2所示，实际连接图片如图3所示。图2中两个F1和F2分别代表控制回路的励磁线和电机回路的励磁线。从图3中可以看出，若短接片的紧固螺丝有所松动，可能会造成三种后果： 　　（1）励磁回路断路
　　若短接片松动较多，则可能造成控制回路与电机回路的励磁线发生断路，使得发电机的励磁绕组无法得到励磁电流，导致发电机输出只有剩磁电压，故人为的将该点断开，对发电机进行起机试验，发电机输出电压只有剩磁电压26 V，故障得到复现，说明这种可能性较大。
　　（2）励磁回路接触电阻较大
　　当短接片松动但没有完全断开的状态时，连接点相当于接入一个较大的接触电阻，即励磁回路接入一个较大的限流电阻，当电阻达到一定的值时，励磁电流几乎为0，使得发电机输出电压只有剩磁电压。为了验证接触电阻的大小对励磁电流的影响，进行了这种励磁回路接触不良的模拟试验，其试验原理如图4所示：分别在励磁回路的F1线路中串入600 Ω、1 800 Ω、2 700 Ω和3 600 Ω的电阻，对发电机进行空载起动建压的试验，分别测量串入各种电阻情况下的励磁电流和发电机输出端电压，从而判断出当励磁回路串入多大电阻时会导致发电机建压失败。从试验数据看出，当励磁回路串接的电阻达到2.7kΩ以上时，发电机输出端电压只有30 V左右，与该船发电机组建压失败的情况相同，此时的励磁电流只有mA级；当发电机组励磁回路的接触电阻达到3 kΩ以上时，可以导致发电机建压失败，因此短接片接触不良造成此次发电机组出现偶尔建压失败的可能性较大。
　　（3）励磁回路短路
　　从图3中可以看出，F1与F2的短接片之间的电气间隙较小， 在短接片松动的情况下由于外力作用可能会造成两块短接片短接，引起励磁回路短路，从而导致发电机输出只有剩磁电压的故障。因此人为的将两块短接片短接，将发电机进行起动建压试验，输出电压为26 V，与此次故障现象相同，因此此次发电机偶尔输出电压只有剩磁电压的故障也不排除这种可能性。
　　5 结束语
　　经过上述的排查过程，基本可以判断此次故障的原因在于励磁回路F1的短接片松动造成励磁回路接触不良或短路所致。将此短接片进行紧固后，多次对发电机组进行起停机试验，发电机组均建压正常，且之后的长期运行中发电机组均运行正常，表明此次故障得到有效解决。
　　经过此次排查发现，当发电机偶尔出现建压失败时，应重点排查励磁回路的线路，而非元器件的更换与排查，因为若是元器件出现问题，则故障现象不是偶然而是必然出现的。
　　本文对此次发电机组建压失败的排查过程、分析与结论，是成功解决电气设备偶发故障的典型案例，可为同类设备出现类似问题时提供一定的参考。
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