1 问题:某外籍2万吨级远洋货轮进厂大修。该轮船龄有十几年,已经封航两年,准备修理后投入营运。船电部分主要的维修项目是:某些电动设备及电控柜拆检维修、上层建筑损坏电缆更换和主发电机系统供电故障的修复。其中主要的维修项目是船舶电站1#和3#两台发电机恢复正常供电。据船东介绍,该轮在封航前发现配电系统已经存在问题,主要情况是由于船舶上建局部发生火灾损坏部分电缆引起了主配电盘1#负载开关屏发生短路事故,烧坏部分线路和低压开关电器；可能由于误操作造成了1#发电机调压系统(AVR)的移相电抗器损坏；3#发电机启动运行投入负载后电压输出无法稳定在额定电压。船上曾经自行修理更换1#负载开关屏受损的部分线路及低压电器,也更换过3#发电机的励磁调压的整流二极管,但故障的情况还是没有解决。船舶封航后1#和3#发电机系统的故障还存在着。
2 故障的判断与搜索:该轮的主发电站系统电压为AC440V,频率60Hz,总装机容量为3×440KVA,交流同步发电机励磁调压系统(AVR)为带电压校正器的可控相复励自励调压装置,系统原理框图如图1所示,船上已经没有图纸可查。从情况看3#发电机系统是属于软故障,我们判断故障来源可能是AVR的问题。图纸的缺失增加了故障维修处理的难度和时间。
根据实际的条件,采用如下步骤:先对发电机及调压系统进行驱潮和清洁处理,再进行发电机检查→调压器AVR内部检查→故障的确认→故障排除→运行试验。由于3#机组系统的问题比较复杂,决定重点解决此系统的故障,兼解决1#机的问题。
2.1 基本检查
(1)确认发电机主开关断开,在完成驱潮处理和清洁后,断开励磁回路,用摇表分别摇测发电机的三相电枢绕组、励磁绕组的对地绝缘电阻和电枢相间、励磁绕组匝间的绝缘电阻,均符合要求。
(2)检查1#发电机AVR的移相电抗器绕组烧坏的痕迹明显没处理。
(3)检查1#和3#发电机控制屏较干洁,低压电器和线路没见异常和被改动的迹象,摇表摇测汇流排和部分电器接点对地绝缘良好。
(4)检查1#和3#发电机的两套AVR各电路模块,发现有小功率二极管有疑似焊接松动的现象,其中3#AVR的一只励磁整流二极管有人为动过极性接反,进行加固焊点和更正。
2.2 3#发电机检查过程:为了确定3#发电机电枢绕组或励磁绕组本身是否有问题,作法如下:①启动3#发电机组,在不加励磁的情况下,用万用表AC5OV挡测量各相的剩磁电压达7V,而且三相剩磁电压基本平衡,初步可以判断定子三相电枢绕组基本没有问题；②在励磁绕组接入DC24V进行瞬时强迫充磁,发电机能迅速起压,3#发电机控制屏电压表显示达300V以上,用万用表测量电枢三相端空载电压也是如此,微调该机组油门见频率表向60Hz处摆动。断开充磁电源后,可测得20V左右的剩磁电压,这个结果说明3#发电机的三相电枢绕组与励磁绕组没有短路现象,处于正常的状态；③同样的方法,检查试验1#发电机,结果基本相同。因此,可以肯定1#、3#发电机本身没有问题。故障应该在励磁调压系统AVR,与前面分析判断相同。
2.3 励磁调压系统(AVR)故障的排查:由于发电机的励磁调压系统没有图纸,为尽快查明故障原因,根据实物与线路并对比正常的2#发电机的AVR画出了基本的线路,这是一款带有磁放大器式电压校正器的可控相复励AVR,框图见图1与图2的所示。从原理讲,该调压系统通过检测发电机输出电压的变化,控制电压校正器输出电流信号以改变相复励变压器的磁饱和强度,达到改变相复励变压器变比,从而改变励磁电流,实现按负载大小或负载cosφ调整发电机端电压；从结构看,该AVR除了磁放大器式电压校正器外,还包括有相复励变压器、移相电抗器、互感器和励磁整流桥等。
要确定3#AVR具体故障位置,我们的经验和作法:①把磁放大器式电压校正器作为一个整体与相关的控制信号输入/输出电路分离连接,并作好标识；②分别测量复励变压器、移相电抗器和互感器等独立器件的绕组与铁芯间绝缘、绕组相间绝缘、匝间绝缘,由于针对该船已封航一段时间而事先已经作了驱潮处理,因此三个主要器件的各项绝缘指标都大于2MΩ,有的达到12MΩ以上。测量这些器件各绕组的直流电阻与工作正常的2#AVR各器件直流电阻值比较一致。因此可以判断这些电抗器件是没有问题的；③检测励磁整流桥的二极管正反向电阻正常,这也排除了AVR的可能故障干扰；④电压校正器的基本电路如图2所示。检查电压校正器的各个二极管正常,对其焊点作了处理；检查校正器的测控变压器的外观和对地绝缘没有异常。
为确定具体问题所在，把电压校正器整体拆出,在实验室中加入三相自耦变压器输出电压并接入几百瓦的阻性负载,强迫通电,模拟发电机输出作为校正器的采样信号。当三相自耦变压器慢慢调升电压时,各测控变压器控制跟踪正常,但磁放大器输出控制信号电压没什么反应,当把电压调升到400V时输出信号控制电压只有2.7V(正常为26V左右),显然低得多。通电几分钟,手感触摸发现磁放大器的中央铁心柱线圈部分发热。该磁放大器结构为3铁心柱分置6个绕组组成,中央铁心柱上置有如图2所示的W2~W6的5个独立骨架的线圈绕组,其中W4一组悬空备用,两边柱各置有串联起来的W1线圈绕组。可以推测该部分线圈可能有问题。按常规的方法解体该磁放大器并拆开发热部位的线圈绕组,故障就在于图2的W2、W3绕组匝间己有绝缘漆变焦的现象,判定为匝间短路引起的热变故障,影响参数调节效果,造成跟踪控制相复励变压器饱和度的能力变差,稳定电压的作用被削弱。
3故障处理与原因分析:在这例AVR的故障中,电压校正器绕组内部出现短路是个比较隐蔽的问题,使得快速、直接找出故障难度大增。在原有的骨架上重绕受损的线圈并整体作了绝缘处理,恢复电压校正器各连接后,重新通过自耦变压器上电试验,校正器的输出控制电压达到正常的26V水平。重装于AVR,确认接线无误后启动发电机组运行,进行如表1的项目简单试验,在试验时略调了移相电抗器的铁心间隙并测得如表的数据。带负荷运行一段时间,3#发电机工作基本正常,电压稳定,船检认可。
表1现场试验测得参数
负载量
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UAB
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UBC
|
UCA
|
空载
|
441
|
440
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441
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75%额定负载
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439
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438
|
438
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突加50%负载
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端电压基本稳定恢复时间<1.5s
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根据整个系统的调压工作情况看,电压主要补偿由相复励变压器完成调节作用,即粗调,而电压校正器起精细调节。在负载电流大小I1和功率因数cosφ发生变化时,当母线电压偏低或偏高时检测信号电压改变了磁放大器的输出电流值,使相复励变压器铁心磁饱和程度削弱或加强,于是相复励变压器的输出励磁电流增加或减小保证发电机的端电压维持在更稳定和额定值。显然,这例故障因AVR的电压校正器的内部问题,导致控制相复励变压器铁心饱和度失效引起电压跟踪能力不到位,则出现在负载加大后电压不稳的故障现象。对于1#发电机的AVR经检查除了移相电抗器已经损坏作线圈的重绕外,没有大的问题,经过系统调试工作正常这里不做赘述。
4结束语:船舶电站系统AVR的故障发生率还是比较高,由于AVR的模式多样,因此维修性各异,这就要求针对具体问题进行解决。本例的AVR是一种应用较多的调压器,其最大的优点是线路简单可靠性高,弱点是调节惯性较大,占用空间较多。尽管可靠好用,但还是出了较为隐蔽的故障。在维修时不能只怀疑半导体器件会出故障,当确定易损的器件没问题时必须尽快检查电路的电抗器件,以缩小查找故障的时间。在日常工作中要注意对AVR进行养护,特别要注意防潮。
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