微精选

一、案例一

1、某电力推进船舶电力系统结构

某轮是一条中压电力推进半潜船，船舶电站使用自动化控制，可根据船舶电网的负荷变化实现发电机的自动启动、并车、自动恒频及有功功率自动分配、自动恒压及无功功率自动分配、自动解列等功能。

该船电力系统结构如图1所示配置四台 4 342 kVA、6 600 V、50 Hz 的发电机，该四台作为主发电机供应6 600 V主电网A排和C排。

图 1 中压电力系统结构示意

另外配置一台 2 400 kVA、6 600 V、50 Hz 的辅发电机（Auxiliary generator，AuxG），供应 6 600 V主电网 B 排。

6 600 V 主电网分为 A、B、C 三个区段，在每段间设有一个 1 250 A 断路器，可以分区及合区供电。

五台发电机组采用相同调差系数的调速器。

2、故障现象

该轮在宽阔海域航行时主电网使用合区供电，1号主发电机（G1）、2号主发电机（G2）和3号主发电机（G3）并网供电。

在网发电机不同负荷状态下各参数值如表 1 和表 2 所示。

其中，包括排查自动电压调节器（Automatic Voltage Regulator，AVR）的电流。

G2 偶尔出现幅度在+5% 以内的电压瞬间波动，在集控室远程监控与报警系统上无报警与故障记录，G2三相绕组温度高于G1和 G3。

3、排查故障

（1）排查信号传输

本船采用全分布式机舱监控与报警系统，主要由集控室两台远程操作站（Remote Operating Station，ROS）、数据处理中心（Data Processing Center，DPC）、网络数据单元（Network Data Unit， NDU）、 分布式处理单元（Distributed Processing Unit，DPU）、总线等组成。

发电机通过电力管理系统、网关、总线接入DPU，再通过总线接入上层网络中的 NDU、DPC、ROS。

各单元间使用两套总线互为热备用，当主用网络出现故障时，备用网络自动切入工作。

可根据表3中LED指示灯状态定位故障DPU模块，逐一检查各DPU模块指示灯状态均正常。

（2）排查原动机

排除干扰项：

1）手动解列 G2，G2 在空载状态时的频率稳定在 50Hz，转速稳定在 750r/min；

2）只留G1和G3在网时的参数如表4所示。

船舶航行在宽阔海域无明显电网负荷变化，各原动机转速和频率很稳定，检查各原动机油门齿条也没有发现卡阻现象，根据表4可以看出 G1和 G3 在网时各参数无异常，由此可排除其他机组带来的影响，由表1、表2、表4可以看出有功功率能够平均分配。

可排除原动机因素的干扰。

（3）排查自动电压调节器

1）五台发电机均配备相同型号的 AVR 位于中压间。

图 2 AVR 控制电路示意

图2为 AVR 控制电路示意图，A8为 AVR的核心模块，其内部自带程序，通过1号电压互

感器（Potential Transformer，PT）1PT 测量主电网电压，通过断路器 F2，2号电压互感器 2PT 测量发电机输出电压；

通过1号电流互感器（CurrentTransformer，CT）1CT 测量发电机电流。

经断路器F1和过电流保护断路器Q1检测的电压与110 V DC不间断电源（110 volts direct current uninterruptible power supply，UPS 110V DC）的电压经过二极管桥 V04/V05 所形成的或门电路被输送至 A8 进行运算处理。

励磁电流和有功功率经转换器 U1 和U2，把 0~10 V 电压信号转换成 4~20 mA 电流信号。

发电机输出电压、电流，电网电压，经过 A8测量比较、调节、触发脉冲等环节，经过二极管桥 V01/V02/V03，被输送到励磁机 E 及整流器。

由此 AVR 形成了一个闭环复合调节。

当发电机的输出电压被检测到产生较大压降，接触器 K01 则被用来提升 2 号电流互感器 2CT 的励磁电流，避免发电机因压降而跳闸，励磁电流限制器 F01 限制来自于 2CT 的电流至指定值。

如果 G2 的 AVR失效或者励磁机故障，A8 输出控制信号给继电器Relay 至 G2 控制系统产生故障报警，使 G2 自动解列或停机。

2）通过电脑软件读取 A8 内部程序，该软件可以在发电机停止时离线或者在发电机运转时在线查看 AVR 内部各参数、地址、通信状态，进行参数的设置、修改、备份，检测二极管状态，查看历史事件，实现控制等功能。

经查看历史事件无故障记录，对照不同发电机的 AVR 参数设置也无异常。

（4）排查 AVR 控制线路及励磁机

1）在确保安全的情况下拆开 G2 端盖并检查位于发电机内部的 1PT、2PT、1CT、2CT，励磁机E及旋转整流器均未见明显缺陷，各接线无松动，线路也无破损。

2）G1和G2的AVR由中压间的NO.1 UPS 110 VDC供电；

AuxG由中压间的NO.2 UPS 110 V DC供电；

G3 和 G4 的 AVR 由中压间的 NO.3 UPS 110 VDC 供电。

可从两方面判断 NO.1 UPS 110 V DC 电压是否稳定：

一方面如果 NO.1 UPS 110 V DC 电压出现偏差，则G1的AVR给定电压也可能会出现偏差，进而改变 G1 励磁电流大小，将导致 G1 电压波动。

另外一方面查看测量位于中压间的NO.1 UPS 110 VDC 输出电压。

由于 G1 输出电压无波动和中压间 NO.1 UPS110 V DC电压稳定在110 V DC，排除了UPS 110 VDC 带来的影响。

3）检查中压间 G2 的 AVR 控制箱各接线端子无松动，用万用表测量各线路无断路，目视也无明显缺陷。

① 检查 G2 的 AVR 出线端元器件V01/V02/V03，拆下元器件用万用表二极管档正反向测量 V01~V05 状态均正常，故障现象未排除。

② 检查 G2 的 AVR 进线端元器件 V04、V05。

拆下二极管桥用万用表二极管档正反向测量 V04、V05 状态均正常。

③ 多次测量 AVR 控制箱内 Q1和机旁接线箱内 F1 进线及出线端三相交流电压值在 110~110.8 V 之间，偶尔出现三相电压值在

115.7~116.2 V 之间。

4、故障处理

目视检查 Q1 与 F1 无外观损坏，拆检 F1 发现该小型断路器状态较差，如图3所示。

图 3 故障断路器

由于 F1位于发电机体接线箱内，随着发电机的转动而震动，从而使断路器的触点产生磨损。

更换断路器F1后故障被排除；

并对其他机组进行检查，紧固接线等。

5、故障总结

无功功率的调整是通过改变发电机的励磁电流来实现的。

对于并联运行发电机组，若改变一台发电机的励磁电流，将会引起无功功率间的重新分配，而并联运行发电机的电压也将变化并重新稳定在不同点上，严重的周期性变化将引发无功电流的振荡，因为电压是由并联运行的所有发电机共同维持的。

该故障现象没有在远程监控与报警系统内产生报警和故障记录，所幸值班和管理人员要对设备技术参数非常熟悉，进而能发现并解决故障。

继电器 F1 所呈现的缺陷而非失效状态，由于触点的接触不良，造成瞬间的电压波动引起电流变化引发了时有时无的电源电压的波动，在排查故障时很容易忽视由此而带来的影响。

在日常维保中，要重点监测和排查处于船舶机舱震动、高温等特殊环境中的设备。

二、案例二

1、某动力定位船电力系统结构

该船配置了两台主发电机，分别供应 690V主电网的左排和右排。

主机通过齿轮箱带动尾轴和可变螺距推进器，并通过轴带动轴带发电机（Power Take-off，PTO）。

同时，主电网还为电动机（Power Take-in，PTI）供电，可实现不同的推进模式。

图4为动力定位船在航时电力结构示意。

图 4 动力定位船在航时电力结构示意

2、故障现象

在宽阔海域船泊使用右主机和右 PTI 增强模式航行。

右 PTO 供电 690V 主电网和 450V 电网，以节省燃油。

在船泊准备进港时，计划采取 690V主电网和 450V 电网分区供电以提高船舶电力系统的可靠性。

启动右主机时发现右 PTO 无电压和电流。

3、处理措施

该船 PTO 无法通过齿轮箱离合器单独脱开，在不明确故障原因的情况下，为避免对右 PTO 造成进一步损坏，同时不影响进港时间和安全。

综合考虑电网负荷状态，该船采取了以下措施：

继续使用左主机，从 690V 主电网切除左 PTI，取消左推进增强模式，由左 PTO 供电 690V 主电网左排和 450V 电网左排，左右主发电机供电 690V 主电网右排和 450V 电网右排，合上右 PTI 带动右尾轴和右推进器实现右推进器的电推模式。

4、排查故障

（1）排查信号传输

启动右 PTO 时集控室远程监控报警系统电脑显示“AVR Failure”报警，电压和电流均显示为零，查看配电间右 PTO 控制屏电压电流表均显示为零。

AVR 显示屏上励磁电压为直流 -0.445 V，报警记录显示为“Field overvoltage”（励磁过电压），随后有条记录显示为“Lost voltage sensing”（电压检测丢失）。

排除了信号传输的干扰。

（2） 排查右 PTO 绕组

在确保安全的情况下打开右 PTO 绕组端盖，检查发电机及励磁机的转子和定子，未见断线、破损、烧蚀等现象。

（3） 排查配电间右 PTO 的 AVR 控制箱

实时监控设备状态及参数，在有应急预案的条件下启动右主机带动右 PTO 运转，查找故障现象。

1）检查各电气元器件均正常。

2）测量 AVR 的 24 V 直流电源正常。

3）在额定转速下用万用表直流电压档测量AVR 的励磁电压为 1 V。

4）用万用表交流电压档测量 AVR 的励磁电压出现了交流电，电压由零增大到 37 V。

（4）排查右 PTO 机旁控制箱及励磁装置

1）测量来自于 AVR 的直流输出端的 X4:20和 X4:21 之间电压，如图5所示，用万用表直流电压档测量为 1 V。

图 5 励磁机控制电路图

2）用万用表交流电压档测量 X4:20 和 X4:21之间电压为 37 V。

3）拆除接线测量 X4:20 和 X4:21 之间电压为38 V 直流电，无交流电；测量 F1 和 F2 之间电压为 37 V 交流电，无直流电。

（5）排查整流器

在停机安全状态下拆除发电机转子轴顶端轴带滑油泵，在狭小的空间内发现整流器接线柱松脱。

有颗可控硅已破损，如图6所示。

图 6 破损的可控硅

5、故障处理

船泊靠港期间采购可控硅更换后，紧固接线，故障得以排除。

为预防类似故障的再次发生，对其他发电机组特别是关键部件如励磁机整流器等电力系统进行检查和维护。

6、故障总结

F1 和 F2 接线至励磁机的磁场，AVR 的输出电为直流电，二极管只具有单向导电性，如果二极管被击穿，交流侧感应电势经过击穿二极管到达励磁线圈，则会在线圈中流过交流电。

在测量排查 AVR 控制箱的过程中，将万用表切换至交流档后，在未断开 AVR 输出端接线的情况下检测到了交流电，结合报警记录，引发了对AVR功能的质疑。然而，由于缺乏PTO结构图纸可供查阅，在打开右 PTO 绕组端盖进行检查时，未能发现旋转整流器。

整流器的布置比较隐蔽，在进行结构检查时极易被忽视。

现代船舶所采用的交流发电机多数为无刷同步发电机，其中交流励磁机的转子、旋转整流器与发电机转子在同一根轴上。

同步发电机通常采用旋转磁极式，而交流励磁机则采用旋转电枢式。

由于它们处于同轴旋转的状态，交流励磁机发出的交流电会通过同轴旋转整流器被整流为直流电，随后输送至发电机的励磁绕组。

在此过程中，旋转中的整流器会承受轴旋转带来的离心力，不同类型发电机的整流器安装位置可能有所差异，因此了解设备结构并定期检查和维护非常重要。

三、案例三

1、某三用船电力系统结构

某三用船电力系统结构较简单，两台主发电机一起供应 380 V 交流电主电网 A 排，两台轴带发电机分别供应 380 V 交流电主电网 B 排和 C 排。

发电机的启动与监控可在本地或者控制屏上操作与查看。

2、故障现象

在船舶抛锚期间，380 V 交流电主电网采用合区供电，右主发电机单独在网。

计划对右主发电机进行检修，启动左主发电机替换右主发电机，在启动左主发电机的过程中发现输出电压逐步升至215V 后突然失压，报警显示“励磁故障”。

3、故障排查

检查机旁控制箱至配电间 AVR 的电源输入和控制信号输出均未见异常。

随后，在停机安全状态下打开发电机端盖对励磁机进行检查，最终发现发电机内部励磁机中来自于 AVR 输出的两根直流电源线出现断线情况。

进一步的检查表明，断线是由于电源线的紧固线卡松动，导致两根电源线被旋转的励磁机转子所切断。

4、故障处理

该船励磁机控制电路图与图5相同，电机内部励磁机绕组以及 AVR 输出电源线都已经过绝缘处理，被相同颜色的绝缘漆包裹而无法看到电线颜色，从而导致无法区分励磁机磁场两根断线 F1和 F2 的极性。

测量旋转整流器内二极管 D1.1 和压敏电阻 D1.2 均处于良好状态，经综合考虑，决定先将其中一根断线暂时标记为正极，另一根标记为负极，然后将其连接到励磁机定子上，并启动发电机进行短暂的试运行。

在试运行过程中，密切监测发电机的输出电压、电流以及励磁电流等参数。

如果输出电压和其他参数正常，说明正负极连接正确；如果出现异常，则立即停机，重新交换两根断线的连接极性，再次进行试运行。

接线试机后故障被彻底排除。

接反的励磁线圈将会使磁场的方向翻转，电势的方向也翻转，输出的电流方向发生反转。

发电机会不能正常工作。

5、故障总结

励磁机采用了三相桥式整流电路，三相电经整流前后的波形如图7所示［1］。

图 7 三相交流电经桥式整流前后波形图

三相桥式整流器能够将三相交流电压整流为直流电压，从而获得具有波纹的直流电也就是脉动直流。

该直流电方向保持不变，脉动波纹按照交流电周期性变化。

若想去掉波纹，则需要加入电容和电感等元器件，元器件越多将会降低旋转整流器的可靠性。

此外负载为电感器件，本身具有抑制直流电的波纹交流成分的作用。

压敏电阻属于半导体，当电路出现异常电压并达到压敏电阻导通电压时，压敏电阻迅速由高阻变为低阻，释放异常电压导致的瞬时过电流，保护敏感元器件，具有过电压保护、稳压的作用。

因此确保压敏电阻的好坏至关重要。

如果二极管损坏，或者压敏电阻的作用失效，可能导致脉动直流的波纹不受控，该电流被输送至发电机旋转磁极后有可能促使发电机电压升高或者过电压，导致发电机定子损坏。

在排查故障时要认真查看资料，谨慎采取措施，密切关注设备状态及各参数变化，准备好应急处理措施，避免造成机损事故。

四、结束语

船舶电力系统作为一个独立的系统，其稳定性与设备的正常运行和人员的生命安全紧密相连。

电压故障必须高度重视，要密切留意电力系统的运行状况，加强预防措施并做好日常管理工作，仔细查阅相关资料，深入探究其工作原理，全面排查潜在故障，谨慎做出判断，并妥善解决。

为船舶的安全航行和正常运营提供有力保障。

参考文献

［1］中国海事服务中心.船舶电气与自动化［M］.大连：大连海事大学出版社，2020.

原文标题为《船舶发电机输出电压故障实例分析》

原创作者系：

交通运输部广州打捞局救捞拖船船队  武永飞