張棟成

(中港疏浚有限公司，上海200136)

0 引言

船舶電站：在艦船上將非電形態(tài)的能量轉(zhuǎn)換成為符合要求的電能并向船舶電網(wǎng)供電的設(shè)備的總稱。一般由船舶發(fā)電機(jī)組(原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī))以及由開關(guān)電器、保護(hù)裝置、測(cè)量?jī)x表、控制設(shè)備等構(gòu)成的配電盤組合而成，船舶電站是船舶電力系統(tǒng)的核心[1]。船舶電站根據(jù)電流類型、原動(dòng)機(jī)類型、功用、自動(dòng)化程度可劃分為多種形式電站，如直流電站和交流電站；柴油機(jī)、蒸汽機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)電站；主電站、應(yīng)急電站和臨時(shí)應(yīng)急電站；手動(dòng)電站、半自動(dòng)電站和全自動(dòng)電站。主接線主要有下列形式：①單母線不分段②單母線分段③雙母線不分段④雙母線分段[2]。

1 電站簡(jiǎn)介

1.1 配電板基本結(jié)構(gòu)

新海鳳輪船舶電站單線圖如下所示：

圖1 新海鳳輪電力系統(tǒng)一次線路單線圖

由圖1可見，新海鳳輪船舶電站組成由兩臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)，輔發(fā)電機(jī)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)，左、右主變壓器，左、右690 V配電板，左、中、右、應(yīng)急400 V配電板，艏、艉岸電箱，左主發(fā)電機(jī)開關(guān)A，右主發(fā)電機(jī)開關(guān)B，左主變壓器原邊開關(guān)C，右主變壓器原邊開關(guān)D，左主變壓器副邊開關(guān)E，右主變壓器副邊開關(guān)F，左匯流排聯(lián)絡(luò)開關(guān)G，右匯流排聯(lián)絡(luò)開關(guān)H，輔發(fā)電機(jī)開關(guān)I，應(yīng)急發(fā)電機(jī)開關(guān)J，應(yīng)急配電板聯(lián)絡(luò)開關(guān)K，主配電板供電開關(guān)L，主配電板上反供電開關(guān)O，應(yīng)急配電板反向供電開關(guān)P,艏部岸電開關(guān)M，艉部岸電開關(guān)N，各動(dòng)力設(shè)備等組成。主接線采用雙母線分段形式：400 V母線和690 V母線；400 V左匯流排，中匯流排和應(yīng)急配電板匯流排、右匯流排，690 V左匯流排和右匯流排。

1.2 配電模式劃分

新海鳳為耙吸式挖泥船，由于采用一拖三復(fù)合驅(qū)動(dòng)模式即主機(jī)拖帶螺旋槳、軸帶發(fā)電機(jī)和泥泵，在正常施工過程中，兩臺(tái)主機(jī)需要不定時(shí)的降速和升速，且船舶施工在某些特定情況下（例如單泵施工，雙泵串聯(lián)吹岸），兩臺(tái)主機(jī)工況并不一定同步。另由于施工的需求，船舶采用了大功率的三相異步電動(dòng)機(jī)（高壓沖水泵電機(jī)1320 kW，側(cè)推電機(jī)650 kW），考慮經(jīng)濟(jì)性，電站采取了AC 690 V和400 V兩種電壓等級(jí)。而發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的理想條件包括：相序一致，三相對(duì)稱交流電壓幅值相等，相位相同，頻率相等[2]。因此新海鳳電站當(dāng)中各發(fā)電機(jī)采取短暫并聯(lián)運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)配電模式切換，且采用西門子LOGO，監(jiān)控E、F、G、H、I、O斷路器狀態(tài)，形成各發(fā)電機(jī)之間長(zhǎng)時(shí)間并聯(lián)運(yùn)行保護(hù)，并采取斷開H或I或O斷路器的方式，避免發(fā)電機(jī)之間長(zhǎng)時(shí)間并聯(lián)運(yùn)行。

根據(jù)配電板各空氣斷路器的不同狀態(tài)組合，新海鳳船舶電站分出8種主要配電模式，詳見圖2所示。除8種主要配電模式外，部分無定義的配電模式可通過手動(dòng)配電實(shí)現(xiàn)。

配電板選擇遙控的情況下，由功率管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)視和調(diào)整功率，實(shí)現(xiàn)配電模式的操作和執(zhí)行。除8#模式應(yīng)急模式，其他幾種配電模式均可互相切換。應(yīng)急發(fā)電機(jī)在應(yīng)急模式下采取8#供電模式單供應(yīng)急配電板，主配電板失電后應(yīng)發(fā)啟動(dòng)20 s延時(shí)。要切換到其他模式需要將應(yīng)急發(fā)電機(jī)的工作模式改為harbour模式，然后采用7#模式供電，再切換到其他模式。

1.3 電站的控制

新海鳳輪電站控制可分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制（半自動(dòng)控制），自動(dòng)化電站具有以下功能：1）發(fā)電機(jī)操作方式選擇，2）發(fā)電機(jī)的自動(dòng)啟動(dòng)，3）自動(dòng)準(zhǔn)同步并車，4）自動(dòng)分級(jí)卸載，5）重載詢問，6）重要負(fù)載分級(jí)啟動(dòng)，7）自動(dòng)解列[2]。

PLC4、5為自動(dòng)化電站核心部分，包含配電模式切換控制、輔助動(dòng)力設(shè)備自動(dòng)控制、功率管理等主要功能的程序。自動(dòng)化電站的實(shí)現(xiàn)依靠MIMIC PLC4、5，配電板PLC 4A、5A協(xié)同作用，同時(shí)接收其他PLC的信號(hào)，如推進(jìn)PLC6、7，液壓控制PLC2等,以此實(shí)現(xiàn)配電模式切換、全船功率管理和輔助動(dòng)力設(shè)備集中控制。

功率管理系統(tǒng)（PMS）主要功能有：1）配電板失電自動(dòng)啟動(dòng)輔發(fā)電機(jī)；2）執(zhí)行和引導(dǎo)配電模式之間切換；3）引導(dǎo)側(cè)推的啟動(dòng)，并釋放軸發(fā)和主機(jī)功率保障啟動(dòng)成為可能；4）防止主機(jī)過載；5）防止主發(fā)電機(jī)過載；6）防止主變壓器過載。當(dāng)配電板部分失電時(shí)，經(jīng)過2 s延時(shí)依靠聯(lián)絡(luò)開關(guān)G或者H的dead busbar功能實(shí)現(xiàn)恢復(fù)供電。

自動(dòng)準(zhǔn)同步并車和自動(dòng)解列：經(jīng)過發(fā)電機(jī)同步條件判斷，當(dāng)發(fā)生配電模式轉(zhuǎn)換時(shí)，如3#->1#或1#->3#模式，同步條件滿足時(shí)自動(dòng)進(jìn)入并車程序或解列程序，通過升速或降速信號(hào)控制待命機(jī)組的頻率和相位，發(fā)出相應(yīng)斷路器合閘或分閘信號(hào)。當(dāng)解列時(shí)如1#->6#或1#->7#模式，若電網(wǎng)總負(fù)載大于待并機(jī)組額定功率時(shí)，解列指令自動(dòng)取消并顯示復(fù)位。允許軸帶發(fā)電的同步條件：①主機(jī)控制權(quán)限在機(jī)艙時(shí)，需要定速模式或無特定模式同時(shí)泥泵離合器脫排或疏浚模式同時(shí)泥泵離合器脫排，主機(jī)轉(zhuǎn)速≥97%；②主機(jī)控制權(quán)在駕駛臺(tái)，需要定速模式，且主機(jī)轉(zhuǎn)速≥97%。

次要設(shè)備自動(dòng)分級(jí)卸載和重要設(shè)備分級(jí)自動(dòng)啟動(dòng)功能：1)當(dāng)主變壓器或者輔發(fā)電機(jī)或者應(yīng)急發(fā)電機(jī)過載，即功率達(dá)到105%額定功率時(shí)，PMS會(huì)采取優(yōu)先脫扣的方式，經(jīng)過延時(shí)卸載空調(diào)和廚房次要設(shè)施；2)全網(wǎng)失電恢復(fù)供電后，為迅速恢復(fù)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，同時(shí)考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性，采取限制每級(jí)啟動(dòng)電流值，按重要順序依次逐級(jí)啟動(dòng)，如圖3所示，本船第一級(jí)為：1臺(tái)230 V主穩(wěn)頻器，2臺(tái)舵機(jī)油泵，第二級(jí)為：1臺(tái)泥門鎖緊泵，2臺(tái)推進(jìn)齒輪箱控制油備用泵，2臺(tái)可調(diào)槳液壓泵，2臺(tái)泥泵齒輪箱滑油備用泵，2臺(tái)推進(jìn)齒輪箱滑油備用泵等。

重載詢問：①當(dāng)側(cè)推電機(jī)啟動(dòng)前，會(huì)向PMS發(fā)出啟動(dòng)請(qǐng)求，PMS根據(jù)軸帶發(fā)電機(jī)和主機(jī)的功率是否充足（軸發(fā)至少1500 kW,主機(jī)至少650 kW），及時(shí)給予相應(yīng)調(diào)整（軸發(fā)功率不足則降低高壓沖水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速;主機(jī)功率不足則降低可調(diào)槳槳角），給設(shè)備啟動(dòng)允許反饋或禁止啟動(dòng)并產(chǎn)生報(bào)警；②當(dāng)高壓沖水泵啟動(dòng)時(shí)，會(huì)向PMS發(fā)出啟動(dòng)請(qǐng)求，PMS根據(jù)軸發(fā)功率是否充足，給出啟動(dòng)允許或禁止啟動(dòng)并產(chǎn)生報(bào)警；③當(dāng)泥泵離合器需要合排時(shí)，會(huì)向PMS發(fā)出啟動(dòng)請(qǐng)求，PMS通過降低可調(diào)槳螺距來調(diào)整主機(jī)的富余功率，直至滿足泥泵運(yùn)轉(zhuǎn)所需的功率，給出合排允許。否則給出禁止合排，并產(chǎn)生報(bào)警。

手動(dòng)控制，輔發(fā)電機(jī)控制屏上選擇本地控制。手動(dòng)配電模式是半自動(dòng)的，切換主要從各個(gè)斷路器所在控制屏上通過合閘、分閘按鈕進(jìn)行操作，發(fā)電機(jī)同步依靠自動(dòng)同步表進(jìn)行。此時(shí)PMS將不起作用，若側(cè)推控制器、高壓沖水變頻器、泥泵離合器、可調(diào)槳控制器處于本地控制，則PMS也無法調(diào)整其功率。

2 實(shí)例故障

2.1 3#模式切換1#模式，卻切換到2#模式

這種情況，容易誤導(dǎo)以為配電程序出問題，然而并非如此。首先考慮發(fā)電機(jī)并聯(lián)保護(hù)功用：當(dāng)左、右軸帶發(fā)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間并聯(lián)運(yùn)行時(shí)即E與F斷路器同時(shí)合閘超過1秒，并聯(lián)保護(hù)會(huì)自動(dòng)斷開H斷路器。因此需要查看G斷路器為何遙控不分閘。具體操作可以先從手動(dòng)操作G斷路器，看其合分是否正常。若手動(dòng)分?jǐn)喑霈F(xiàn)問題，則需要檢查斷路器本體及其附屬器件和相關(guān)電路。若手動(dòng)操作正常，則需要檢查PLC4A輸出的控制G斷路器遙控分閘的微型中間繼電器是否正常通斷。本次故障則是中間繼電器觸點(diǎn)接觸不良引起。

2.2 空氣斷路器意外脫扣或合閘無反應(yīng)

空氣斷路器脫扣，正常狀況下應(yīng)為發(fā)電機(jī)或配電板出現(xiàn)失壓、過載、短路或者發(fā)電機(jī)逆功率而保護(hù)脫扣。然而實(shí)際情況下，多數(shù)遇到的都是非正常原因脫扣，例如過載延時(shí)誤動(dòng)作，失壓線圈吸合不到位，繞組高溫、發(fā)電機(jī)漏水等外圍連鎖動(dòng)作，斷路器自身機(jī)械原因等。新海鳳輪曾出現(xiàn)過因D、E、O斷路器誤動(dòng)作導(dǎo)致配電板失電。D/E經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間觀察發(fā)現(xiàn)過電流檢測(cè)模塊micrologic 5.0出現(xiàn)電流檢測(cè)值波動(dòng)較大，且測(cè)量值比實(shí)際大，在大負(fù)荷工作時(shí)引起過載長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)作。O斷路器則因失壓線圈吸合不到位，偶爾彈出導(dǎo)致脫扣。

圖3 自動(dòng)優(yōu)先啟動(dòng)順序圖

2.3 外部電源故障引起配電失敗

狀況1：錨泊期間，輔發(fā)柴油機(jī)正常保養(yǎng)，因此需要將配電模式由6#轉(zhuǎn)到7#，當(dāng)保養(yǎng)完畢由7#到6#模式時(shí)，K開關(guān)未正常合閘，手動(dòng)操作合閘完成配電。狀況2：切換7#模式時(shí)，配電過程中，發(fā)生配電失敗，主配電板失電。如圖1所示，7#到6#模式時(shí)，首先輔發(fā)電機(jī)空氣斷路器I先合閘，而后應(yīng)急配電板取電開關(guān)O斷開。由于K與J斷路器存在連鎖，所以此時(shí)J先斷開而后K延時(shí)合閘，配電轉(zhuǎn)換完成；其他模式切7#模式時(shí)，則K斷路器先分閘，而后J斷路器才能合閘。在模式轉(zhuǎn)換期間，應(yīng)急配電板會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的失電。此時(shí)船舶24V電源由艏、艉24V充放電板的蓄電池維持，而配電板24V工作電源來自艉部充放電板的3#分配電板。結(jié)合兩次現(xiàn)象，對(duì)蓄電池狀況進(jìn)行檢查，當(dāng)斷開400V交流電源后，發(fā)現(xiàn)蓄電池瞬間下降到15V，壓降很大，確定由電池組不能正常供電引起配電失敗。及時(shí)更換新的蓄電池組后，實(shí)驗(yàn)配電功能切換均正常。

2.4 D斷路器預(yù)充磁失敗

從電機(jī)學(xué)原理來看，變壓器合閘時(shí)類同于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，都有大電流沖擊，其非周期分量可達(dá)十幾倍額定電流。大容量的變壓器合閘沖擊電流可能會(huì)引起發(fā)電機(jī)跳閘。為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，高壓變壓器往往采用預(yù)充磁方式合閘，以減少?zèng)_擊電流。預(yù)充磁通常有兩種方式：高壓變壓器初級(jí)繞組先通過電阻接至中壓配電板母線，經(jīng)延時(shí)后變壓器主斷路器接通旁路電阻，然后再斷開電阻電路；另一種從低壓電網(wǎng)接通一臺(tái)等壓變比的小型變壓器與中壓變壓器的次級(jí)繞組并聯(lián)，高壓變壓器的初級(jí)繞組會(huì)感應(yīng)一個(gè)高電壓，經(jīng)延時(shí)后，高壓變壓器主斷路器合閘，然后再斷開小變壓器電路[1]。

圖4 預(yù)充磁計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)回路原理圖

新海鳳輪主變壓器視在功率為1600 kVA，690V/400 V，采用原邊串聯(lián)電阻方式進(jìn)行預(yù)充磁。充磁延時(shí)采用計(jì)數(shù)器和計(jì)時(shí)器配合，最多3次/6min，原理如圖4所示：K103.6為計(jì)時(shí)器，受控于K103.8的輔助觸點(diǎn)；K103.7為計(jì)數(shù)器，在K103.6上電時(shí)被復(fù)位計(jì)數(shù)次數(shù)，由K103.2動(dòng)作次數(shù)來計(jì)數(shù)預(yù)充磁次數(shù)，最多3次；K103.8在首次預(yù)充磁開始時(shí)得電，控制K103.6開始計(jì)時(shí)6 min；K103.9受控于K103.7，當(dāng)預(yù)充磁次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)次數(shù)3后得電，形成預(yù)充磁閉鎖，使得預(yù)充磁動(dòng)作結(jié)束同時(shí)使得合閘操作無效。

本次故障則由于控制合閘線圈得電的延時(shí)繼電器K103.3輔助觸點(diǎn)線頭脫落導(dǎo)致D斷路器沒有給出合閘反饋，遙控系統(tǒng)反復(fù)充磁達(dá)到次數(shù)限制而閉鎖。

2.5 應(yīng)發(fā)供電，大負(fù)荷啟動(dòng)時(shí)H斷路器脫開后自動(dòng)合閘

對(duì)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整率的要求，我國《鋼制海船入級(jí)規(guī)范2009》規(guī)定：交流發(fā)電機(jī)在負(fù)載為空載，轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，電壓接近額定值的狀態(tài)下，突加和突卸60%額定電流及功率因數(shù)不超過0.4（滯后）的對(duì)稱負(fù)載時(shí)，當(dāng)電壓跌落時(shí)，其瞬態(tài)電壓值應(yīng)不低于額定電壓的85%，當(dāng)電壓上升時(shí)，其瞬態(tài)電壓值應(yīng)不超過額定電壓的120%，而恢復(fù)到最后穩(wěn)定值相差3%以內(nèi)所需的時(shí)間，則不應(yīng)超過1.5s[1]。

應(yīng)發(fā)正常供電，液壓泵啟動(dòng)時(shí)斷路器H脫扣后又自動(dòng)合閘，脫扣原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)電壓過低而低壓監(jiān)測(cè)設(shè)定值偏移，自動(dòng)合閘則由配電板的dead busbar功能實(shí)現(xiàn)。出現(xiàn)發(fā)電機(jī)電壓過低可能為：柴油機(jī)調(diào)速器故障，發(fā)電機(jī)AVR故障。新海鳳應(yīng)急發(fā)電機(jī)出現(xiàn)由于調(diào)速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)卡堵，引起游車，使得配電模式不能切換且大負(fù)荷動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)電壓和頻率波動(dòng)較大；H斷路器的問題則由于電子調(diào)速器供電不足引起突加大負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)電子調(diào)速器工作異常引起調(diào)速不良，引起發(fā)電機(jī)電壓和頻率下降明顯，導(dǎo)致低壓保護(hù)動(dòng)作。

3 電站維護(hù)

日常維護(hù)檢查：電站各種配電模式切換試驗(yàn)，確保模式之間的切換準(zhǔn)確、有效。定期分批對(duì)配電板各屏內(nèi)的電氣元器件進(jìn)行檢查、緊固，異常的元件及時(shí)給予更換。保證電站系統(tǒng)的控制電源穩(wěn)定，保證配電板的良好絕緣,日常檢查多注意配電板各儀表參數(shù)，根據(jù)配電模式檢查相關(guān)斷路器監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)電流與儀表是否相符。平時(shí)巡回檢查注意發(fā)電機(jī)周遭環(huán)境有無漏水、漏油；關(guān)注發(fā)電機(jī)冷卻水溫和冷卻空氣溫度，周圍環(huán)境溫度，保證發(fā)電機(jī)良好冷卻。軸承潤(rùn)滑油油位、油質(zhì)時(shí)常關(guān)注；潤(rùn)滑油脂定期適量加注，注意牛油孔的疏通與否；AVR定期檢查接線，除灰；無刷自勵(lì)發(fā)電機(jī)定期檢查勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)二極管組成的勵(lì)磁回路阻值，測(cè)量二極管及穩(wěn)壓電阻電容特性是否正常；發(fā)電機(jī)的控制電源和備用電池保證切換正常，電池和充電機(jī)工況良好，或者保證電池和調(diào)速器控制單元、執(zhí)行單元備用件充足。

季度及年度檢查：配電板上重要斷路器每季度搖到“試驗(yàn)”位置測(cè)試合閘、分閘、失壓脫扣等控制功能；完全抽出進(jìn)行內(nèi)部檢查清潔。需用專用儀器校驗(yàn)的，如過載、短路保護(hù)時(shí)間整定，電流值整定，每4～5年申請(qǐng)由船級(jí)社認(rèn)可資質(zhì)的單位校驗(yàn)，并出具校驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)告，做好相應(yīng)標(biāo)識(shí)[2]。

4 結(jié)論

船舶電站自動(dòng)化最主要的目的在于保證船舶供電的連續(xù)性、可靠性和供電品質(zhì)。對(duì)于船舶電氣管理人員，最重要的任務(wù)就是管理好船舶電力系統(tǒng)，保證電站供電可靠、參數(shù)穩(wěn)定、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、使用安全。一旦發(fā)生故障能夠迅速恢復(fù)供電，排除故障[2]。這就需要通過對(duì)以往各種故障認(rèn)真的分析和總結(jié)，不斷地積累經(jīng)驗(yàn)，逐步提高電站管理和維修水平。

參考文獻(xiàn)：

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