【船机帮】DM 轮轴带发电机故障实例
船机故障心莫慌，遇事不决船机帮
导读
一、故障现象
该船在南海某深水钻井平台进行机动靠泊作业时，船舶左轴带发电机主开关 Q7 突然跳闸，PMS 系统面板显示故障，UMAS 电脑显示左轴带发电机voltage /frequency high /low failure，Aquamaster( 方位侧推器) 等大负载失电停止。
检查左主机运行正常，转速稳定在750 r/min，负荷稳定在45%左右，左轴带发电机电压显示为130V左右，配电板报警显示高频率、低电压，绝缘检测表显示该区域绝缘值为+∞ 。
对配电板进行不少于 10 s 的复位，按励磁按钮充磁后电压恢复正常。
该故障在后续经常无规律性出现，上述操作有时可以恢复正常，有时却不能，这严重影响船舶机动操纵的可靠性和安全性。
二、故障分析和检修过程
该轴带发电机为无刷同步交流发电机，工作原理是主发电机转子绕组依靠与其同轴的励磁电机(也有定子和转子绕组) 供电产生磁场，主发电机定子绕组感受磁场变化产生电压，输出电能，通过自动电压调节器( Automatic Voltage Ｒegulator，AVＲ) 和相复励励磁装置调节定子绕组向励磁机定子绕组提供电流，实现发电机的电压调节。
右轴带发电机型号为AVK DSG 86 L1-4( 2 400 kV·A，60Hz，450V，AC 3079A，cos ∮ 0．8) 。
1、故障原因分析
轴带发电机跳电一般有以下原因:
PMS 系统故障、主开关故障、保护性跳电( 过电流保护、频率保护、电压保护、逆功保护等) 。
检测 PMS 系统控制箱各继电器、控制器及接线排，均正常; 检查 PLC 的 PCD 1 和 PCD 2 各输入输出模块( 共14个) ，并对各模块对应的指示灯情况在正常和故障状态下分别进行验证，显示均正常，排除 PMS 系统故障。
经过仔细观察，每次发生跳电故障时指示电压均不稳定，在110～440V 波动，确定由失压保护引起的跳电，排除主开关故障。
左轴带发电机通过隔离开关与主电网、右轴带发电机分区供电，不存在逆功保护可能; 故障发生时，仔细观察配电板各参数值，负载、电流、频率值均处于较低区间，排除过流、过载、低频保护的可能。
因此，故障原因在于电压不稳定。
2、电压不稳定原因分析
故障发生时主机负荷没有波动，转速稳定在750r/min 左右，发电机机旁检测温度、振动和噪声均在正常范围内，排除因原动机故障而引起的跳电。
右轴带发电机的电压时有时无，极不规律，短时只有几秒钟，长时达十多个小时甚至数天，该现象可能因线路接触不良引起。
在故障发生时，测量左轴带发电机主开关 Q7 的输入电压为110～140 V，打开轴带发电机接线端子的防护罩，测量发电机的输
出电压也是110～140V，排除轴带发电机至配电板之间的线路故障。
利用船舶作业间隙，停右主机，打开轴带发电机的外接线防护壳，进一步检查轴带发电机和 COSIMAT N + AVＲ控制板的所有线路接头，未发现明显松动; 各线缆接头用清洗剂进行清洁处理; 电缆外绝缘层有 6 处细微老化磨损痕迹，对其进行绝缘处理。
试车检查，失电故障依然存在。
根据跳电故障发生时在配电板手动按励磁按钮有时恢复有时无效的情况，分析励磁系统充磁线路是否出现问题。
查看分析左轴带发电机主配电板原理图( 见图2) 可知，S7．0 为故障复位按钮，S7．4 为自动-手动转换开关，S7．7 为充磁按钮，检查均正常; K7．7 和 K7．8 为充磁线路的继电器，如果这几个元件出现问题，也会引起电压低甚至失压故障。
在故障状态下测量 K7．7 和 K7．8，这 2 个继电器的线圈和触点均正常。
将右轴带发电机的 K7．7 和 K7．8 与左轴带发电机的 K7．7 和 K7．8 进行互换，试验结果显示右轴带发电机正常，左轴带发电机电压仍大幅波动，可以排除励磁系统充磁线路故障的原因。
图2 主配电板励磁线路
外置1个 4．5 V 的蓄电池，将“+”“－”极分别连接 COSIMAT N + 调压器的 I1 和 K1 对发电机进行充磁，试车检查，故障仍未消除。
3、发电机内部故障
根据发电机故障发生时的现象，在排除上述可能性后重新确定查找思路。
查阅 AVK 发电机的说明书和资料，分析电路图(见图3) ，查找故障可能的发生点。
图3 发电机原理
发电机主要构成包括:
主发电机 G1、励磁电机G2、辅助绕组线圈 G3、旋转整流器 V1、过电压抑制器 V3、压降变压器 T6、副励磁机绕组保护开关F1。
工作原理是:
利用 G1 转子的剩磁，在 G3 中产生电压，由 G3 供电给 AVＲ，经变压整流再供给 G2 定子，G2 转子产生的交流电经整流供给 G1 转子，G1 定子产生交流电输出。
随着 G2 转子发出的励磁电流不断增强，G1 转子的磁通不断增强，G1 定子输出的电压也在升高，该过程为正反馈循环。
当发电机的输出电压达到 AVR的输出电压设定 450 V 时，AVR分流 G2 定子绕组电流，发电机 G1 输出稳定在其调定的电压 450 V 左右。
由图3可知，属于定子部分的电路包括 G1、G2、 G3 以及 AVＲ 周边电路，发电机转子部分包括 G1、 G2、V3、V1 及周边电路，任何部分出现问题都有可能导致电压不稳。
在发电机不运转时分别测量 G2定子、G3 的线路通断情况，在发电机输出电压正常和失电状态时，测量其电压值。
正常状态下空载电压数值
VU，VW，WU( 发电机输出电压)=450V
I1，K1 = 12V DC
UH1，UH2 = 83V AC
WH1，WH2 = 83V AC
失压状态下空载电压数值
VU，VW，WU(发电机输出电压) =110～140V
I1，K1 = 0V DC
UH1，UH2 = 24V AC
WH1，WH2 = 24V AC
11，UH2 = 24V AC
21，WH2 = 24V AC
由上述数值分析可知，失压时辅助绕组线圈 G3回路保护开关 F1 未脱开，排除 F1 的故障可能性。
G2 端( 励磁机定子) 无电压，G3 电压偏低，很可能为 AVR和旋转整流器整流电路问题。
检查AVR线路板，外观上看各元件均正常，表面清洁，没有明显的烧灼发黑痕迹; 线路板内 4 根保险丝检查正常。
将各个线头收紧，对外围老化的电线进行绝缘处理。
打开旋转整流器的后罩进行检查，发现旋转整流器内 3 个整流二极管组件均有不同程度的碎裂( 见图4) 。
图4 旋转整流器
拆下换新后装复试车，发电机恢复正常。
4、过电压抑制器故障
数天后，电压不稳定故障屡次出现。
重新研究图纸，在发电机产生电压并输出过程中，当电压上升到额定电压450V时，在 AVR作用下电压稳定在其调定的范围内。
如果整流电路出现问题，通过G1转子的电流不正常，G1转子就不能提供正常的磁场，导致G1定子不能发出正常电压，G3 也不能发出正常电压，故障发生时测量其两端电压为24V，远低于正常的83V，无法给励磁发电机G2定子提供正常电流，不能形成发电机产生电压的正反馈回路，发电机电压只能维持在 110～140V( 剩磁电压)
而不能上升到正常的 450V。在整流电路中，除V1外还有2个过电压抑制器 V3(见图4) 。
其为压敏电阻元件，具有高阻值、低导通率的特点，用于分散电路中的浪涌电压，保护励磁机的转子绕组，当电压低于设定电压时开路，高于设定电压时短路导通。
结合 DSG 86 L1-4 轴带发电机的故障问题，如果V3工作不稳定，当V3导通时直流电就不能供给到轴带发电机的转子绕组，切断发电机电压升高的正反馈循环，那么 G1 产生的电压只能是剩磁电压。
测量这2个V3的阻值，其结果与新压敏电阻阻值差别不大，考虑到运行中温度上升可能导致阻值变化引起性能不稳定，将其换新，装复后运行，电压恢复正常。
5、AVR故障
自更换V3后，该轴带发电机未发生跳电故障，但正常运行742h后左轴带发电机又产生不规律跳电现象，故障现象与之前相同。
重新分析电路图，并对之前发生故障时所检查修理的部分再次进行检查，均正常。
发生故障时，将PMS系统由自动模式转为手动模式，调节配电板的电压调节旋钮，发现双向调节均无效。
根据故障发生后的检查修理过程，故障应在AVR自动调压电路上。
查看 AVR说明书并检查AVR电路板，调节电压调整变阻器 Ｒ1，电压无变化，Ｒ1 可能发生故障。
将 AVR的 S、T 端子接线短接变阻器Ｒ1，调节电压无变化，排除Ｒ1故障，断定AVR故障。
AVR性能不稳定，导致电压不稳，引起跳电故障。
AVR自动调压器内部示意见图5。
图5 AVR自动调压器内部示意
6、故障排除
在备件 COSIMAT N + AVＲ 到船后，按照安装要求更换AVR，并按照程序调试空载电压和静态电压。
(1) 向右调节Ｒ3电位器到停止位; 将外部调压器手柄调至中间位置，然后向左调节Ｒ4至停止位; Ｒ1也调至中间位( 额定空载电压为450V) 。
(2) 将S2的 DIP SWITCH 重新设定为1—OFF， 2—ON，3—ON，4—ON; 将Ｒ7逆时针调节到满。
(3) 启动左主机，定速至750r/min，顺时针调节Ｒ4，设定空载电压为450V。
(4) 降低主机转速至712r/min，此时发电机转速为1710r/min，频率表显示57Hz。
逆时针缓慢调节Ｒ3直到H1指示灯变亮，然后顺时针缓慢调节Ｒ3直到H1灯熄灭，此时主机转速达到752r/min，轴带发电机转速1805r/min，频率表显示60.2 Hz。
(5) 重启左轴带发电机原动机进行观察，配电板电压、电流、频率表等指示均正常; 将电站由手动配电转至 PMS 系统，进行负载和 5 种用电模式转换试验，均正常。
三、故障原因分析
在更换自动调压器 AVR后，轴带发电机安全运行至今未发生失压跳电现象，故障得到解决。
AVR调压板结构原理较复杂，根据其组成部分和工作原理分析，造成发电机失压故障的原因主要有:
(1) 调压器内部有1个发电机低速检测保护单元，可通过 H1 指示灯判断( 在发电机低转速状态下H1 灯亮，正常转速下 H1 灯熄灭) ，如果检测单元发生故障，在正常转速下低速保护功能被激活，可能造成低电压。
(2) 电位器Ｒ3故障，长期工作在高温状态下，电位器性能变差，调节不灵敏; 接头脱焊、线缆中间断裂开路，造成Ｒ3调整失灵。
(3) AVR内部整流放大器故障。
(4) U、V、W 三相与 AVＲ 调节器连接内部开路或接触不良。
四、故障判断和预防措施
在船舶机电设备管理中，轴带发电机作为船舶电站的重要组成部分，一定要理解发电机的工作原理。
一旦发生电压不稳定故障，可根据故障现象进行分析，查找故障原因。
(1) 首先检查原动机工作是否正常，发电机转速有无波动;
(2) 检查配电板配电系统的各控制器、继电器、电抗器、空气开关的连接情况，动作情况是否正常;
(3) 若为自动管理船舶电站系统，检查其运行状态、各输入输出信号是否正常;
(4) 检查发电机励磁系统、发电系统的各个接线有无异常;
(5) 检测旋转整流电路、整流二极管V1、压敏电阻 V3 等及其接线情况是否正常;
(6) 检查 AVＲ，重点检查接线情况、指示情况及电位器，测试是否正常。
为避免出现本文所述故障，影响船舶操纵安全，在轴带发电机日常维护保养工作中需要注意下列事项:
(1) 定期检查 G1，G2 和 G3 各端子、励磁线路、电位器等的线缆，检查螺栓松动，线头磨损、断裂和绝缘情况，如有异常应及时处理;
(2) 定期按要求对配电板各表和空气开关进行过流、欠压、逆功等效验，保证功能正常;
(3) 定期打开旋转整流器外壳，清洁、检查整流二极管V1和压敏电阻V3的工作状况;
(4) 定期打开CONSIMAT N + AVR调压器进行内部的清洁检查，检查保险丝和各指示灯情况是否正常，重点检查各线头的紧固情况;
(5) 定期检查 PMS 系统各信号输入输出情况，定期对电站管理系统进行功能效验;
(6) 定期测量 U、V、W 各相电流，测量各绕组绝缘情况，在停车状态下保持空间加热器工作正常及发电机内部保持适当的温度和干燥度。
本文原创作者系：
烟台打捞局 宓保敬
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