1、 轮机工程系毕业论文 I 船舶发电机短路故障分析 摘要 船舶发电机是船舶电力系统的心脏 ， 也是船舶的重要设备之一 ， 虽然现在船舶管理系统在不断提升 ， 但由于设备本身固有的缺陷或人为误操作引起故障 ， 比例还是比较高的。发电机的工况好坏关乎船舶的安全 ， 所以发电机的故障如何及时准确检测、诊断和排除 ， 避免更大事故的发生 ， 保证海洋环境和船舶的营运安全 ， 引起业内高度关注。该文分析了某轮主发电机损坏故障 ， 给出故障的诊断与排除方法。通过剖析某轮主发电机损坏故障 ， 得出了此类故障预防的有效措施。该文对确保轮机部值班人员如何有效判断、发现发电机故障具有一定 的参考价值。 本文主要 介
2、绍了大型船拍发电机转子线圈匝间短路故障时的机械特性和电磁特性 ， 综述了短路电流和无功功率的变化规律，并提出了故障分析与故障诊断的方法 。 关键词 船舶发电机；短路故障分析；在线诊断 轮机工程系毕业论文 II 目录 0 引言 . 1 1 故障机理分析 . 1 1.1 匝间短路故障的机械特征 . 1 1.2 匝间短路故障的电磁特性 . 2 2 故障诊断及排除 . 3 2.1 故障诊断 . 3 2.2 故障排除 . 5 3 预防措施 . 5 4 结论 . 6 结束语 . 6 致谢 . 8 参考文献 . 9 1 0 引言 目前，我国船舶工业的快速发展，随着船舶大型化和自动化程度的不断发展，随着船舶的
3、大型化和自动化方向发展，船舶动力系统的容量也越来越大，单机容量也随之增大，因此船舶电力系统必然会对高压侧发展。根据船舶电力系统运行的经验，对转子绕组匝间短路故障的故障发生在大型船舶发电机组故障。由于高压发电机转子绕组匝间短路故障，不产生短路电流，发电机系统无直接危害，因此许多 转子绕组匝间短路故障被忽视。然而，如果长期运行的高压发生器用于此故障，不仅会影响发电机的寿命，而且还导致转子线圈接地两点，造成严重事故。因此，本文重点研究大型船舶发电机绕组匝间短路故障分析与诊断方法。目前，这种短路保护装置的故障大部分，这些保护方法都有一定的局限性，不能实时监测和预测，也容易导致船舶电站关闭。为了克服这些
4、缺点，对大型汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的故障机理进行了深入分析，找到了一种实时监测数据故障诊断的方法。 1 故障机理分析 1.1 匝间短路故障的机械特征 在发电机故障的高概率发生匝 间短路，主要原因是移动绕组绝缘的热变形松动，对线圈块端部的转子和垫的两端，小的导电颗粒或碎屑进入转子线圈端部及通风管道。匝间短路会导致转子不平衡、转子漏磁场的变化，定子绕组并联支路环流和主轴，磁化的轴承座（轴电压上升），其影响程度取决于与短路程度的位置。当转子线圈发生匝间短路时 ， 不同的接触电阻将使热损耗 RI2 发生变化 。 接触电阻越小，短路损耗越大，当绕组有一半的电流被旁路，短路损耗将达到线圈的总损耗
5、1/4。短路会导致绕组总损耗的减小，转子的平均温度降低；而故障短路 损耗增大，导致局部温度升高，发生在一个很小范围内的热膨胀，使转子发生不同程度的弯曲，振动增大。随着励磁电流的增加 ， 振动也增加 。 2 图 1 转子绕组磁势的空间分布 1.2 匝间短路故障的电磁特性 在正常运行的单位，消除了由不连续引起的小磁场的缝隙，转子磁场的空间分布极为接近梯形图，如图 1 所示。转子短路的影响会导致局部磁场的潜在损失和磁回路的部分损失的磁势峰和平均短路匝间短路的减小 ，它可以被认为是在磁势分布 ,即短路等效磁势的磁场反转效应主要极短路。 在正常条件下，如果转子绕组磁势用 F0 表示 ，短路线匝产生的磁势
6、用 F 表示，则匝间短路发生以后，转子磁势变为 F F0 F， 由转子绕组匝间短路引起的转子电流的增加，而无功功率是减少或不变的阶段，它可以用来识别绕组匝间短路故障的转子。发电机转子绕组匝间短路故障的监测数据充分证明了转子绕组匝间短路故障的相对减少是由相对减少引起的。 1.3 转子匝间短路的常见形式 发电机转子匝间短路可分为 2 类：一类是匝间短路的稳定性，另一类是匝间短路的不稳定性。当发电机静、转、短路时，不随工作条件的变化而变化，称之为稳定匝间短路。当发电机在运行时，受环境因素的影响 ，如温度、振动等，并将短路变为不稳定的匝间短路，又称为动态匝间短路 。 发电机转子匝间短路的原因很多，一般
7、是从制造和运行两方面进行分析： 1.发电机转子在生产过程中所涉及的过程是非常复杂的，材料的要求很高，只要一个环节出现问题，就可能引起发电机匝间短路。另外，在安装的过程中，如果转子绕组的安装不强，在发电机运行过程中会发生转子绕组松动或移位时，也会引起转子匝间短路的原因。 2.3 操作方面，由于海洋发电机的主要工作环境是在海上，海洋环境恶劣，空气潮湿，加上船舱温度过高，很容易造成绝缘老化，导致匝间短路的发生。在发电机运 行过程中，振动和高温，特别是转子在高速旋转过程中，受离心力的影响很大，容易引起转子匝间短路的发生。由于转子绕组匝间短路是发电机的制造和运行的影响，因此转子绕组匝间短路是发电机的故障
8、之一。因此，为了加强对转子的制造监督和运行管理，以减少发电机转子匝间短路故障发生。 2 故障诊断及排除 2.1 故障诊断 从上面的故障机理可以分析，转子绕组匝间短路故障的迹象： 1 振动增加；第二激励电流增加，振动振幅增加；（ 3）空气温度增加（热弯曲增加），振动幅度增加；（ 4）在激励电压不变的条件下，励磁电流增加，和无功功率变小 或常数。根据这些特点，它是更准确地确定转子绕组短路匝间短路故障短路故障 。第五个特征识别可以使用下面的方法。图 2 是发电机正常运行条件下 ,调节发电机的励磁电流电压和电枢电流的变化矢量图 ,根据图 2: IjUE d0 220 )c o s()s in( dd
9、IIUE （ 1） 发电机输入无功： sin3UIQ （ 2） 将（ 2）式代入（ 1）中，并整理得： dd QIUE 322220 （ 3） 图 3为发电机磁化曲线。从发电机磁化曲线得到发电机电势和励磁电流之间的关系： )(0 fifE （ 4） 将（ 4）式代入（ 3）式得： ddf QIUif 32)( 222 (5) 4 公式（ 5）显示了在电网连接的操作条件下，电压和有功功率是已知的无功功率和励磁电流之间的关系。在铁心不饱和，电机电势 0E 和励磁电流如果线性关系，即 0E = ifk ，已知的电压下，电流和无功功率，如果容易确定；铁心饱和的条件下，如果为 0E 和励磁电流的非线性关
10、 系。这可以用两种方法：一是解决曲线拟合的方法，确定 0E 和励磁电流之间的数学表达式 ， 如果；二是正常运行条件下，对相同的发电机，只有一个磁化曲线（图 3） ， 0E 如果励磁电流之间是一对一的关系可以利用计算 0E 值的磁化曲线，如果正常操作条件下得到的找到对应的，一定的状态（无功功率，输出的有功功率和电压）励磁电流值若标准计算，将实际测量值和 励磁 0fi 的比较，可以判断是否发电机转子绕组匝间短路短路故障判据： %0 0 ai ii f ffc ， 式中 a是把计算误差考虑在内的偏差相对值， 取值范围为 0.4%0.5%。 励磁电流的相对变化率很容易检测，直接将测量数据直接传输到现有
11、的船舶电站监控系统中， 并对继 电保护装置进行实时在线分析。船舶动力装置在线监测系统，本文不重复 说明。 目前，同步发电机有同步发电机和无刷同步发电机。对于电刷发生器，常见的电气故障是定子绕组的故障，依次为匝间短路、绕组电路、转子绕组匝间短路、断路器和电刷 部分。对于短路故障，一般的解体与肉眼可以看到；对于转向短路，往往伴随着严重的情况下，局部加热，三相电压不对称现象，这是不难区分。转子励磁线圈匝间短路，会增加励磁电流，所以，只有检测到励磁电流，超出正常值，你可以认为有一个短路，一般塌陷的肉眼也可以找到。无刷同步发电机，它带有一个旋转式励磁机和旋转的换向器，电刷的故障部分，并伴有旋转整流器励磁
12、机故障。这部分的故障是一个旋转的换向器故障或断路器；旋转的电枢绕组和励磁线圈短路、断路故障。刷机比刷机多了这层关系，分析了刷机的故障比较困难一些。不无论是故障的动态或静态 故障，已被证明会导致不调压系统（例如，更换调节器），这个时间来区分故障原因属于主发电机和励磁机，首先检查是否有故障或开路故障的旋转的换向器。如果旋转整流器电路故障或故障不应该存5 在，谐波分量，利用电压测量主发电机。如果谐波分量大于正常，说明励磁机故障，此时，旋转的换向器 PN 结特性检测是一致的，不一致的应更换；定子、转子线圈短路或断路，万能表和短路检测仪可以检查出来，如果没有谐波成分的变化表明该故障是主发电机。 2.2
13、故障排除 发电机定子经修理厂重新绕制等修理费用共计两万余元。修理更换部件后的发电机装船 后使用正常 ,各项指标均达到规范要求。 3 预防措施 此类发电机故障的发生 ， 既有发电机组结构上的原因 ， 也有技术管理上的因素。为了防止类似事故的再次发生 ， 考虑采取以下措施进行防范。 (1)在条件许可的情况下将发电机的轴承进行改造 ， 由原来的滚珠轴承改为滑动轴承。本发电机是由中船重工按西门子许可证制造 ， 而原装机轴承均采用滑动轴承 ， 滑动轴承便于监测、维护和管理。 (2)根据发电机技术规范要求 ， 应加强发电机日常维护保养工作 ， 运行中按时对轴承温度进行测量记录 ， 经常倾听轴承声音 (如可
14、用听诊棒法 )， 按规定对轴承加油更换 ， 每两万小时对轴承进行拆洗换油或更换 ， 防止轴承疲劳 ， 可靠性下降。定期检查、测量定转子的绝缘值 ， 平时保持定转子的清洁。 (3)每年检查发电机组轴线 ， 防止轴线偏差超出规定要求 ， 同时定期测量原动机的拐档差参数 ， 排除原动机轴线不良影响发电机轴线的对中。 (4)适当提高发电机的失压保护值。根据规范要求 ： “当电压降低至额定值的 70% 35%，应经系统选择性保护要求的延时后动作” ， 假如额定电压为 400V， 失压保护值为 280V 以下。我们知道电动机的输出功率与额定电压值的平方成正比( M=KU2I)， 当电压过低时 ， 电机为保
15、持正常的 输出功率必然从电网吸取过大的电流 ， 这样很容易烧坏正在运行的电动机。同样 ， “当供电电压下降至额定电压的 50时 ， 逆功率或逆电流保护不应失效” ， 所以提高失压保护值与逆功率或逆电流整定值对发电机自身也起到一定的保护作用。 (5)模仿主机曲轴箱防爆及尾轴的高温保护装置的原理 ， 对运行中的发电机可否加装温度监测装置 (将6 探头埋于定子中 )。一旦定子温度超过设定值时 ， 发出报警 ， 并通过切断原动机油门关闭发电机组以达到保护发电机的目的。 4 结论 发电机事故预防的关键在于日常管理工作中的检查和维护。 (1)由于船员队伍 中有许多外聘人员 ， 临时思想比较严重 ， 缺乏长
16、期服务于船公司的责任心 ， 在工作中难免有消极应付的现象。平时值班疏于巡视、监测 ， 更难谈加强维护与保养。凌晨 4 时左右发生此类故障 ， 暴露出机舱管理中的诸多漏洞。 (2)目前航运市场非常低迷 ， 许多船公司处于亏损状况 ， 为了减少亏损 ， 有些公司甚至对设备正常的保养维修工作都予以取消 ， 笔者从该轮的 2010 年特别修理计划中 ， 了解到在轮机工程中有一项是“二台主发电机吊厂保养、清洁、烘漆 315kVA” ， 而事实上 ， 当时根本未将主发电机送厂检修保养。该发电机出厂至今未更换过轴承 ，该轴承已使用三 万小时左右。假如当时不是为了节约修理费用送厂拆解 ， 就会发现发电机轴承的
17、问题 ， 通过更换轴承或修理可以避免发电机定子烧坏的事故。当然 ， 在取消修理项目后 ， 后续的检测保养也应跟上 ， 否则得不偿失。 (3)值班轮机人员应充分利用勤看、勤听、勤摸等传统手段和仪表监测 ， 比较参数变化 ， 及时发现事故隐患 ， 及早解决问题。 结束语 虽然船舶都有自己独立的报警系统 ， 但为确保船舶有效运行 ， 值班人员必须加大巡检力度和频次 ， 及时发现异常情况 ， 并在第一时间采取相应的应急措施 ，消除故障 ， 避免事态扩大 ， 从而保证船舶安全营运。在平时保养中 ， 要严格 按保养计划进行实施保养 ， 对同类型机型出现过的问题 ， 要认真细致检查 ， 避免类似情况再次发生
18、 。 根据转子绕组匝间短路时，励磁电流增大，但无功率相对减小。给出了在励磁电流、相对变化率作为确定匝间短路故障前后的计算和测量的帮助下的特性。该方法利用传感器对故障进行诊断，并对故障的严重程度进行估计，实现在线诊7 断。 本文分析了大型汽轮发电机转子绕组匝间短路发生时，励磁电流增大，无功功率的故障，通过计算和测量的励磁电流和测量前后的计算和测量，分析了变化的相对速率，以确定匝间短路，避免了实际的方法。这种方法可以利用传感 器进行故障诊断，并能判断故障的严重程度，很容易实现在线诊断。其不足之处是对故障不能定位。 8 致谢 近两个月的时间终于将这篇论文写 ,在论文写作的过程中遇到了无数的困难和障碍 ,都在同学和老师的帮助。尤其要感谢我的论文指导老师 XX 老师 ,她告诉我无私的指导和帮助 ,多次帮助修改和改进。此外 ,学校图书馆查找信息 ,图书馆的老师也给了我很多支持和帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢。
