船舶高压发电机的保护功能.pdf

运行与维护 Running and Maintenance 98 今日制造与升级 2023.8船舶高压发电机（以下简称“高压发电机”）在长期连续运转过程中，必然会出现异常和故障状态，有针对性的安保必不可少，其保护功能包括发电部分及电网侧的保护，以及对原动机的保护。电网侧的保护主要由综合保护单元实现，原动机部分由各种传感器提供的模拟和开关信号进行实时监测和保护。1 高压发电机的主要故障分类（1）运行状态异常。过载；过速或失速；过电压或欠电压；三相电流不平衡；励磁故障；原动机故障。（2）绝缘故障。接地故障；相间短路；匝间短路。高压发电机采用综合保护单元监测以上故障并自动执行报警和保护动作；其保护参数的设定值要适当，要求能及时鉴别出这些故障状态并发出保护指令，保证发电机的寿命尽可能长久而不会被损坏；保护参数的计算基于瞬态电流、电压、频率和跳闸动作时间，允许船舶电网能自动在船级社规定的时间内恢复正常供电。2 高压发电机保护的分类2.1 瞬时保护此类保护在相关供电区域发生故障时会瞬间执行保护动作。2.2 选择性保护负载侧发生故障时，此类保护通过各级空开跳闸电流设定值或跳闸延时的不同，切除对应故障区域的供电。2.3 异常运行状态的保护通过测量电路实现对运转发电机工况的实时监测，当发电机在运行时发生任何异常状态，此类保护会发出声光报警。3 高压发电机综合保护单元根据高压发电机的额定功率和负载的不同，可部分或全部应用以下介绍的保护功能，发电机保护功能如图1所示。图中数字代表执行不同保护功能的继电器对应的IEEE 编码，对应关系如下：Relay87（87G）差动保护，Relay49定子绕组高温保护，Relay50/51（51G）过流保护，Relay40失磁保护，Relay32逆功率保护，Relay46负序保护，Relay50V电压控制型过流保护，Relay27欠电压保护，Relay59（59N）过电压保护，Relay81（8187G87G51G59N595950V发电机中性点接地发电机中性点绝缘50V515132324040494946462727GRG67G67G图1 发电机保护功能简图（部分）3.1 Relay87（87G）差动保护高压发电机定子绕组的保护由差动继电器实现，该继电器比较每相绕组两端电流值。当定子绕组正常时，绕组两端的电流偏差为0，差动保护不动作；当定子绕组发生摘要高压发电机是船舶电力系统的核心，要保证船舶电站的可靠性，就需要为其提供完善的自动保护功能。高压发电机的保护功能与传统低压发电机不同，采用独立综合保护单元技术，配合封闭式冷却和严格的接地保护，其保护原理和保护参数也与低压发电机不同，对其运行状态进行严密监控和全面保护对船舶的安全运行意义重大。文章分析了船舶高压发电机的保护功能，为船舶高压发电机的安全有效管理提供参考。关键词高压发电机；故障；保护功能中图分类号U665.12 文献标志码A船舶高压发电机的保护功能冯晔，甘一润（武汉船舶职业技术学院，湖北武汉430050）运行与维护 Running and Maintenance 2023.8 今日制造与升级 99内部故障时，某相电流偏差达到该继电器的保护设定值时，执行跳闸动作。以 ManB&W 生产的 L32/40型（以下简称“曼恩 L32/40型”）高压发电机为例，其设定值为额定电流的20%，延时0.1s 发出跳闸信号。当发电机绕组内部发生相间故障时，该继电器也能发挥对定子绕组的保护作用。3.2 Relay49定子绕组高温保护高压发电机发生过载时，会造成其定子绕组过热，通过在三相绕组中各嵌入2个 PT100温度传感器进行绕组温度实时监测，一个传感器处于工作状态，另一个传感器处于备用状态。此保护能及时采取措施消除过载对发电机的影响，以防过高的温度损坏绕组。另外，负载也自带过载保护功能，如果负载发生过载现象，能在发电机过载前提前跳闸，防止发电机过载。3.3 Relay50/51（51G）过流保护高压发电机过载时，其输出电流会增大，此时发电机会加大油门或增加励磁，以增加输出功率。由于发电机允许一定程度的过载，因此在此范围内，过流保护要有一定的延时，以防误跳闸。此功能由 Relay50实现长延时保护。例如，曼恩 L32/40型高压发电机设定为100%满载电流时，延时5s 启动分级卸载；110%满载电流时，延时40s 发电机跳闸；280%满载电流时，延时0.7s 实现短延时跳闸；零序电流（ZCT）达到满载电流的30%时，瞬时（30ms）跳闸。该保护一般针对发电机的外部故障。3.4 Relay40失磁保护Relay40用来控制定子绕组的励磁状态，当多台发电机并网运行时，如果某台发电机发生失磁现象，该发电机就会脱离同步状态从电网吸收无功功率。Relay40检测到发电机的无功环流，由此判定发电机发生失磁故障。如果是单台发电机失磁，则无法建立电压，所以该保护仅在多台发电机并网运行时才会发挥作用。同时，失磁保护的设定值要适当，以防止瞬态故障造成不必要的跳闸动作。3.5 Relay32逆功率保护当发电机的原动机转速过低时，该发电机的运行就像电机一样，从电网吸收有功功率，保持“电机”转动，逆功率保护能防止发生严重的逆功率现象，其保护参数设定值要防止瞬态变化造成不必要的跳闸动作，如发电机并网时。曼恩 L32/40型高压发电机的逆功率保护设定值：逆功率达到额定功率的5%时，延时10s 发出报警；逆功率达到额定功率的10%时，延时3s 执行跳闸动作。该保护仅在多台发电机并网运行时才会发挥作用。3.6 Relay46负序保护发电机三相负载平衡时，其定子产生的旋转磁场和转子同步旋转。当三相负载不平衡时，负序的定子绕组电流会在转子中感应出2倍其额定频率的电流，使转子绕组产生严重温升。Relay46能防止负序电流对发电机绕组的损害，当检测到的负序电流达到设定值时，其故障分闸时间必须有一定的延时，以使其他保护电路有时间做出保护动作，实现选择性切除负载。如曼恩 L32/40型高压发电机的负相保护设定值为电流达到额定电流的20%时，延时1s发出报警（无跳闸信号）；达到30%时，延时9s 发出跳闸信号。3.7 Relay50V电压控制型过流保护该保护用来鉴别发电机的外部故障，其过流限制随电网电压的变化而变化，电网电压下降得越多，过流限制设定值也随之下降。当外部故障使电网电压下降，故障电流也随之减小甚至低于原始过流设定值，致使过流保护不动作。Relay50V 能防止此种情况的发生，提高过流保护的灵敏度。Relay50V 一般不用于带 AVR（自动调压器）的发电机保护电路中。3.8 Relay27欠电压保护当启动大型负载时，如果 AVR 未能正常工作或者电网本身出现故障造成电网电压下降过大时，Relay27能保护发电机。欠电压保护的动作需要有一定延时，以防止短时电压波动带来的误分闸，该延时要结合 AVR 和励磁电路的响应速度来设置。如曼恩 L32/40型高压发电机设定值为欠电压5%时，延时5s 发出声光报警；欠电压40%时，延时1s 使发电机跳闸。3.9 Relay59过电压保护当切除大型负载或 AVR 发生故障时，会发生发电机过电压现象。过电压分两种情况，一种是较小的过电压，可通过 AVR 调节到正常范围，所以该保护需要一定延时；另一种是过电压较大时，可能会损坏线路和绕组的绝缘，此时的保护动作就要求非常迅速。如曼恩 L32/40型高压发电机设定值为过电压5%时，延时5s 发出声光报警；过电压20%时，延时2s 使发电机跳闸。欠频率40%时，该保护被阻塞，此时认为发电机处于启动阶段。3.10 Relay81过频率和欠频率保护Relay81用来鉴别由于负载波动或原动机调速器故障等造成的电网频率波动。该保护的设定值必须保证短时负载变化造成的频率波动不会触发保护，同时又能保证发电机持续运转在其允许的转速范围内，以实现对原动机的保运行与维护 Running and Maintenance 100 今日制造与升级 2023.8护。如曼恩 L32/40型高压发电机过频率设定值为5%时，延时5s 发出声光报警；过频率10%时，延时10s 使发电机跳闸；欠频率5%时，延时5s 使发电机跳闸。Relay81包括4个频率监测元件，2用于过频率保护，2个用于欠频率保护。当系统建立起足够的正向电压时，频率保护才会投入工作，如果电压低于设定值，频率保护功能会被阻塞。3.11 Relay24过励磁保护此保护通过测量电路监测电压与频率的比值 U/f，以防电路发生磁饱和。过励磁会使磁路饱和，造成设备异常发热，设备寿命减少。随着温度升高，其保护延时减小。当电网频率为额定频率时，该保护和过电压保护完全相同，所以高压发电机没有开启此保护功能。3.12 Relay64R转子接地保护高压发电机定子的相关电路一般都是对地绝缘的，当转子绕组出现接地故障时，不需要停机保护，仅发出声光报警。要监测转子接地状况，需要在其直流电路中覆盖一个低频信号（一般为20Hz），以稳定监测其绝缘等级变化，所以该保护需要配备一台低频发电机作为其独立测量电路的一部分。3.13 Relay64S定子接地保护发电机定子的接地保护根据发电机绕组中性点的连接方式不同而异，中性点一般有两种连接方式。3.13.1 中性点不接地系统可通过单相过电压保护功能实现对单个接地故障的监测，因为某相接地时会使其他相对接地相的电压升高。传统发电机（额定电压为440V 或380V）采用中性点不接地系统，在监测到接地故障时，仅发出绝缘故障报警信号而不会发出跳闸指令，接地故障不影响电站的正常运行。而高压发电机一般为中性点接地系统，这也是传统发电机与高压发电机的区别之一。3.13.2 中性点接地系统中性点接地系统，如通过电阻接地，通过变压器接地，通过线圈接地等。如发电机绕组星形连接点通过电阻接地，需要提供如下两种接地保护功能。（1）通过监测接地电流或接地电压来实现的接地保护。Relay64能实现此功能，如曼恩 L32/40型高压发电机通过监测接地电压来进行接地保护，母线电压经过接地变压器降压至190V 后输入至接地保护电路，其保护设定值为190V 的15%=28.5V。当某相绕组接地时，接地变压器一次侧产生接地电流，其二次侧也会感应出电流。如果保护电路监测到的二次侧电压降达到28.5V 时，就延时5s 发出接地故障声光报警和跳闸信号，使母线联络开关（bustie）跳闸。（2）定向接地过流保护（67G）。该保护仅用于监测发电机内部的接地故障，如果接地电流过大、对地电压过低、接地电流对接地电压的相位差在发电机输出电压 Uo和输出电流 Io相位夹角 60的范围内，则会触发67G 继电器保护动作。如曼恩 L32/40型高压发电机的定向接地过流保护使用600/1A 的电流互感器，保护设定值 I0limit为133mA 时，延时3s 使发电机跳闸。4 高压发电机的其他保护功能4.1 高压电枢部分的保护高压发电机防护等级一般为 IP44以上，绕组一般采用内循环风冷方式，低温冷却淡水通过双壁管进入发电机内部的空气冷却器，发电机轴带扇叶驱动空气内循环。内部的循环空气与经过空气冷却器的低温淡水进行热交换，降温后的空气再冷却电枢绕组以保持绕组温度正常，防止绕组过热而损坏绕组的绝缘。双壁管内管和外管之间空间装设漏水监测报警装置，实现实时监测报警。过载保护是通过综合保护单元的功率管理功能实时监测电站功率状态，一旦出现过载，综合保护单元发出延时分级卸载指令和跳闸指令。如曼恩 L32/40型高压发电机的过载保护设定值为额定负载的90%，与传统发电机的过载保护设定值有区别。4.2 高压发电机原动机的保护（1）停机保护包括过速、滑油低压、缸套冷却水高温和油雾浓度高等。（2）报警保护包括预润滑油压低、燃油泄漏柜油位高、油底壳油位低、滑油滤器压差高、燃油滤器压差高和启动空气低压等。5 结束语高压发电机的相关运行部件都需要得到足够保护。船舶电站管理人员需要了解高压发电机的保护功能、特性和参数设定，这样才能在遇到高压发电机的综合保护单元发出报警或跳闸指令时，冷静思考，采取有效的预防措施防止电网失电或应急措施迅速隔离故障并恢复船舶电力。高压发电机的综合保护单元本身也有可能发生故障，如在正常运行参数下激活了保护动作，熟悉其保护参数有助于判断故障报警和保护信号是否真实，也有助于实施发电机综合保护的功能试验和校验，保证发电机的保护功能的完整性和准确性，大幅提高船舶的航行安全。参考文献1 杨涛，车军浩，吴跨宇.TA饱和引起发电机差动保护误运行与维护 Running and Maintenance 2023.8 今日制造与升级 101动的分析及对策J.浙江电力，2011，30（7）：47-49.2 戴寿超.发电机出口PT接地故障分析与处理J.湖南理工学院学报（自然科学版），2014，27（4）：63-67.3 陈晋馀，单单.发电机微机保护技术的应用探究J.电子测试，2017（4）：123，127.作者简介冯晔（1984），男，湖北武汉人，本科，讲师，主要研究方向为船舶电气技术。0 引言目前，在科学技术不断创新的推动下，翻车机的种类包含侧卸、端卸、转筒及复合等几种形式，彼此间的共性体现为交流电机驱动，且设备的组成部分均涵盖了电力驱动装置、金属结构及夹车机。从煤炭生产与冶金制造等行业来看，翻车机的使用能够为企业获取更高的经济效益。为保障高效的铁路车辆卸料效率，加强对翻车机故障问题的分析，结合先进技术的应用对设备进行改进，有助于降低企业在机械设备维护保养方面的成本。文章结合翻车机运行的机械原理，分析翻车机实际运用中常见的故障问题，提出具有针对性的改进措施与建议。1 翻车机系统简介传统工业在制造生产中，需要不同类型的物料，物料的运输一般以铁路运输为主，且运输量较大。为实现对铁路运载的散装物料实现有效卸料，翻车机系统的应用便是根据铁路运载的机理和特点，基于翻卸轨道来实现对铁路运载中各类散装物料的有效卸料。翻车机属于大型机械设备，占地面积较广，运作工序简便，操作机理也比较简单，已成为我国电力、冶金及煤炭等行业在制造生产中广泛应用的机械设备。目前，大部分煤炭企业在铁路卸料方面选用转子式翻车机，秦皇岛港股份有限公司第六港务分公司选用 O 型转子翻车机，O 型转子翻车机架构包括翻车机主系统、定位车（拨车机）、夹轮器、单向及安全止挡器，用于输送燃料与原料两种煤。智能化、自动化及信息化系统已成为机械设备创新的大方向。翻车机系统在运行中的方式包含自动控制与人工控制，通过自动化作业的形式可以大幅提高工作效率及质量水平。但考虑到铁路运载卸料工作的复杂性，自动化控制与人工控制的选择，具体还需根据实际工作情况选取合适的控制模式。无论是传统控制，还是先进的自动化控制，翻车机系统在运行中都需等候列车完全进入翻车机系统作业区，在火车头摘钩驶离并有一定安全距离后，才能打开系统开关。使用定位车对铁路车辆进行牵引，定位车根据定位系统，可精准定位铁路车辆，对车皮进行角度约165的翻转，将所有车皮装有的物料卸入料斗中。在卸料作业过程中，要伴有洒水作业，随着翻转卸料的运行，洒水抑尘装置会自动进行洒水，完成卸料后松开压车梁和靠车板，翻车机在翻转过程中，夹轮器要防止火车窜动，定位车要与翻车机保持一定距离，根据翻车机系统设计，循环进行卸料。2 翻车机故障分析与改进措施2.1 压车梁松动翻车机系统在卸料时，主系统会大幅运转，翻转的角度较大，在高频率的翻转作业中，存在平衡油缸在翻车机摘要分析翻车机故障原因，结合各类常见的故障问题，提出相应的改进措施，通过改进翻车机系统，延长设备使用时限，提高设备使用的有效性，为相关研究提供参考。关键词翻车机；故障；改进中图分类号TH237+.3 文献标志码A翻车机故障分析与改进张劲松（秦皇岛港股份有限公司第六港务分公司，河北秦皇岛066000）