導(dǎo)讀

　　某船在發(fā)電機組調(diào)試過程中，出現(xiàn)發(fā)電機組同步并網(wǎng)時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脫扣現(xiàn)象，闡述故障分析、試驗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。

　　

　　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)電機單機容量限制，滿足大功率船舶用電需求時均需要安裝多臺發(fā)電機組，且發(fā)電機組在網(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，同一臺發(fā)電機在不同時間并車時 , 發(fā)生了兩次待并發(fā)電機合閘成功瞬間主斷路器異常脫扣的故障。

　　對于孤島型電站，發(fā)電機組系統(tǒng)的穩(wěn)定運行尤為重要。

　　發(fā)電機組的并網(wǎng)和解列運行就是一項頻繁而重要的操作。

　　故而對此故障的排除勢在必行。

　　二、故障現(xiàn)象及原因分析

　　1、故障現(xiàn)象

　　發(fā)電機組同步合閘調(diào)試階段，分別完成了對該船配置的 4 組發(fā)電機組單機負(fù)荷試驗摸底和調(diào)速調(diào)壓性能試驗摸底，每臺機組都運行正常且滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

　　發(fā)電機自動增機減機模擬試驗時，自動電站模式下，在網(wǎng)功率 1200kW(試驗負(fù)載)，三臺發(fā)電機在網(wǎng)，模擬其中一臺發(fā)電機故障，待并發(fā)電機自動起動并車，故障發(fā)電機自動解列停機。

　　在待并發(fā)電機組并車成功瞬間，其主回路上的斷路器(以下稱主斷路器)異常脫扣，并發(fā)出“主斷路器短延時保護”報警。

　　機旁停機，并檢查相關(guān)線路及電氣元器件，無發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

　　單獨起動待并發(fā)電機，單機運行正常且無其它異?，F(xiàn)象，隨后，手動并車無異常現(xiàn)象，運行正常。

　　過了一段時間后，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)電機并車主斷路器瞬間脫扣后，解列發(fā)電機組合閘主斷路器記錄脫扣瞬時電流值為 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)電機組、發(fā)電機組電站控制器、主配電板匯流排和合閘控制線路均未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。

　　2)第二次故障出現(xiàn)后的現(xiàn)象

　　第二次發(fā)電機并車主斷路器瞬間脫扣后，解列發(fā)電機組合閘主斷路器記錄脫扣瞬時電流值為 30.54 kA，斷路器分?jǐn)鄷r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)在自動同步合閘的情況下。

　　該船的 4 臺發(fā)電機組型號相同，功率均為1000kW，主斷路器的瞬時脫扣值設(shè)定為 30 000 A。

　　故障現(xiàn)象說明待并發(fā)電機主斷路器出現(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脫扣的情況有以下兩個原因：

　　(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)電機非同步并車時，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現(xiàn)象，且對主斷路器處的短路理論計算值約為 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)電機組非同步并車導(dǎo)致的。

　　2、自動合閘原理

　　電站監(jiān)控系統(tǒng)自動合閘原理如下：

　　半自動、自動、越控控制方式下，有機組在網(wǎng)，在機組操縱面板上輸入合閘指令或機組控制器收到增機指令。

　　發(fā)電機組控制器接收到有效的機組合閘指令后，根據(jù)發(fā)電機組狀態(tài)及機組斷路器狀態(tài)判斷是否響應(yīng)合閘指令，此時發(fā)電機組控制器檢測到發(fā)電機組斷路器兩側(cè)均有電，通過向本機組發(fā)送調(diào)速指令，準(zhǔn)備進行發(fā)電機組斷路器自動準(zhǔn)同步并車。

　　以匯流排頻率為機組的調(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)的機組頻率高于匯流排頻率，電網(wǎng)有電且發(fā)電機組主斷路器處于分閘狀態(tài)時，發(fā)出允許同步信號。

　　發(fā)電機組控制器的自動準(zhǔn)同步模塊收到允許同步信號后將執(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)電機組未合閘;

　　4)發(fā)電機組無故障;

　　5)合閘超前時間：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)電機組控制器在輸出合閘指令后，由于發(fā)電機主斷路器及附屬控制線路未及時執(zhí)行合閘指令，使主斷路器在實際完成合閘功能時，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脫扣;

　　2)發(fā)電機組控制器接收到有效的機組合閘指令后，將根據(jù)機組斷路器狀態(tài)判斷是否響應(yīng)合閘指令，此時發(fā)電機組控制器會檢測發(fā)電機組主斷路器兩側(cè)是否有電壓。

　　若發(fā)電機組主斷路器兩側(cè)均有電壓，則發(fā)電機組控制器通過向本機組發(fā)送調(diào)速指令，進行發(fā)電機組主斷路器自動準(zhǔn)同步并車。

　　若發(fā)電機組主斷路器匯流排側(cè)無電壓，則發(fā)電機組控制器將判斷出當(dāng)前電站處于失電狀態(tài)，發(fā)電機組控制器不會進行發(fā)電機組主斷路器自動準(zhǔn)同步，直接對發(fā)電機組母排發(fā)出合閘信號。

　　因此，當(dāng)匯流排有電壓，但由于匯流排監(jiān)測線路接線不牢固導(dǎo)致待并發(fā)電機組控制器未檢測到匯流排電壓，待并發(fā)電機組控制器在執(zhí)行合閘功能時，未進行發(fā)電機組主斷路器自動準(zhǔn)同步并車，直接輸出合閘指令，導(dǎo)致發(fā)電機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脫扣;

　　3)發(fā)電機組控制器接收到有效的機組合閘指令后，將根據(jù)機組斷路器狀態(tài)判斷是否響應(yīng)合閘指令，此時發(fā)電機組控制器會通過輸入控制器的發(fā)電機組電壓 UUV 和匯流排電壓 UUV 進行合閘相位角判斷。

　　若由于輸入待并發(fā)電機組控制器的電壓不是發(fā)電機組電壓 UUV 或匯流排電壓 UUV，待并發(fā)電機組控制器將在錯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脫扣;

　　4)發(fā)電機組起動后轉(zhuǎn)速還未穩(wěn)定，電壓值還未達(dá)到平穩(wěn)電壓，但啟動過程曲線上的機組電壓、頻率數(shù)值已滿足自動同步并車要求，機組控制器在判斷相角差也達(dá)到同步合閘要求后(控制器合閘超前時間設(shè)置為 85 ms)，發(fā)出合閘指令。

　　此時，合閘電壓差和頻率差處于設(shè)置的邊界值附近，在主斷路器動作時間過程中頻率又有了一定變化，實際合閘時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，對同步合閘主斷路器進行合閘時間測試，測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行。

　　合閘時間測試回路圖如圖 1 所示。

　　

　　▲圖 1 主斷路器合閘時間測試回路

　　合閘時間是測量合閘信號給出至斷路器主觸頭閉合的時間。

　　經(jīng)過 50 組的測試合閘試驗采樣得出合閘時間均在 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)電機組合閘回路原理分析及排查

　　發(fā)電機并車回路原理圖見圖 2，從圖 2 中可分析得出，其控制回路簡單，除了手動同步合閘回路，還有半自動、自動同步合閘回路。

　　其中半自動和自動合閘回路的合閘信號是由發(fā)電機控制器發(fā)出的合閘指令進行同步合閘的，可認(rèn)為是同一回路。

　　手動合閘回路和半自動、自動合閘回路上發(fā)電機組母排和電網(wǎng)母排的采樣電壓互感器也是同一組。

　　

　　▲圖 2 發(fā)電機并車回路原理圖

　　當(dāng)回路得到合閘指令時，手動同步合閘指令發(fā)出到主斷路器執(zhí)行合閘動作經(jīng)過兩個繼電器;

　　半自動、自動同步合閘指令發(fā)出到主斷路器執(zhí)行合閘動作經(jīng)過 3個繼電器。

　　檢查這幾個繼電器動作時間及響應(yīng)均無異?，F(xiàn)象。

　　采樣回路與合閘回路上的電氣元氣件無異常。

　　檢查采樣回路至發(fā)電機組控制器的輸入信號，發(fā)電機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，并無錯相的現(xiàn)象。

　　3、故障流程模擬方法進行試驗排查

　　1)故障流程模擬試驗方法

　　對每臺機組并車過程中的沖擊電流進行電量分析儀錄波，分析主斷路器并車合閘過程中對電網(wǎng)的沖擊，并在每次合閘并車過程中觀察待并機組電壓波形與電網(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，方便在實際合閘時觀察各信號的波形情況。

　　

▲圖 3 電量分析儀接入點示意圖

　　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，記錄合閘時刻波形;

　　(4)分閘輸出，記錄分閘時刻波形;

　　(5)三相電流，分析沖擊電流。

　　其他：合閘反饋，記錄合閘成功時刻波形。

　　2)故障流程模擬試驗流程及現(xiàn)象

　　用模擬方法分別***組滑油壓力低、冷卻水溫度高、發(fā)電機繞組溫度高等信號，指定的備用機組應(yīng)立即起動，自動并網(wǎng)成功后，逐步卸去故障機組負(fù)載，并對故障機組發(fā)出停機指令。

　　按照試驗流程對四臺發(fā)電機組進行自動增機減機功能試驗。

　　模擬試驗過程中，并無發(fā)生過發(fā)電機組同步并網(wǎng)瞬間主斷路器異常脫扣現(xiàn)象。

　　但在試驗過程中，監(jiān)測到一次由發(fā)電機組控制器發(fā)送發(fā)電機組啟動命令到發(fā)電機組啟動到發(fā)電機組合閘并網(wǎng)成功時間為 8.99 s，柴油機組有瞬間增加大負(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。

　　試驗監(jiān)測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 合閘瞬間同步信號監(jiān)測波形圖

　　注：波形 A 為發(fā)電機組 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)的模擬試驗可以得出，此故障發(fā)生時回路不存在線路松脫及接錯線的情況。

　　通過非同步并車沖擊電流的計算方法 [2]，可以計算主斷路器合閘瞬間待并發(fā)電機組與電網(wǎng)之間存在的相角差值。

　　發(fā)電機超瞬態(tài)通過簡化的存在相角差并車時的沖擊電流計算公式 [1] 為：

　　

　　式中：im 為電流瞬時值。

　　模擬試驗過程中出現(xiàn)的同步并網(wǎng)發(fā)電機組合閘瞬間電流沖擊的瞬時值為 4.7 kA。

　　按照式(1)和式(2)計算可以得出發(fā)生并網(wǎng)發(fā)電機時與電網(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)模擬試驗結(jié)果，未出現(xiàn)待并主斷路器短延時脫扣故障。

　　上述待并發(fā)電機主斷路器并車短延時脫扣故障大概率為偶發(fā)故障。

　　待并發(fā)電機并車瞬間主斷路器短延時脫扣可能是合閘瞬間相位角偏差過大，會產(chǎn)生較大的沖擊電流引起開關(guān)跳閘。

　　通過分析發(fā)電機組控制器的合閘時機判斷方法及判斷條件，有可能存在判定發(fā)電機滿足合閘條件時，待并機組仍處于起動過程中，轉(zhuǎn)速和電壓存在明顯波動，在合閘指令發(fā)出至合閘動作延時時間內(nèi)，相位角已顯著超出正常合閘允許范圍。

　　該同型機組和監(jiān)控大批量的在該型船舶上經(jīng)過長時間使用驗證，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)電機組控制器控制參數(shù)中“機組運行”信號濾波時間進行延長處理，延長機組控制器開始判斷合閘時機的時間，以便能夠使此臺發(fā)電機組能夠完全運行至穩(wěn)定狀態(tài)后進行并車。

　　所延長的時間為監(jiān)測到發(fā)電機組啟動電壓值至發(fā)電機組運行穩(wěn)定的時長。

　　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)“機組運行”的信號濾波時長設(shè)置時，不能僅依靠經(jīng)驗值，而應(yīng)參照發(fā)電機組的特性數(shù)據(jù)進行合理的時長設(shè)置，以規(guī)避此類故障的發(fā)生。

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