淺析船用柴油發(fā)電機的保護措施,淺析,柴油,發(fā)電機,保護措施 山東交通學院本科生畢業(yè)論文 第x頁 山東交通學院海運學院 淺析船用柴油發(fā)電機的保護措施 專 業(yè)　 輪機工程 屆 別　 20 屆 學 號　 姓 名　 指導教師　 山東交通學院海運學院 二○一四年六月 原 創(chuàng) 聲 明 本人劉合群鄭重聲明：所呈交的論文“淺析船用發(fā)電機的保護措施”，是本人在導師寧波的指導下開展研究工作所取得的成果。除文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標明，本人完全意識到本聲明的法律后果，尊重知識產(chǎn)權，并愿為此承擔一切法律責任。 論文作者(簽字)：XXX 日期： 2014 年 6月1日 摘 要 所謂的船用柴油發(fā)電機就是一種輪船上專用的柴油發(fā)電機。摘要：船用柴油發(fā)電機是由眾多的機械零部件組成的、其內(nèi)部結構異常復雜、并且它的體積很龐大。本篇論文主要是針對船用柴油發(fā)電機具有的獨特性能提出了本人的一些個人觀點的改進建議，，從技術的層面上，更進一步的分析探討了柴油機之所以會發(fā)生故障的多種的潛在的可能因素，從可行的理論上減少船用柴油發(fā)電機發(fā)生機械故障的概率。柴油發(fā)電機在眼下的作為提供輪船動力設備，在船只航行時作為現(xiàn)代輪船的推進動力的最主要的來源，已經(jīng)牢牢占據(jù)了不可動搖的霸主的地位，船只的航行的可靠性和安全性直接取決于柴油發(fā)電機的工作情況是否優(yōu)良。 關鍵詞：船用柴油發(fā)電機；輔機；故障分析 Abstract Marine diesel generator parts, complex structure, large volume Abstract: Thisarticle mainly for marine diesel generator in technology, further analysis of thecauses of diesel engine faults, in order to put forward some suggestions to further reduce the marine machinery fault occurrence of diesel generator. Diesel generator is the main power source when sailing ships, ship equipment hasoccupied an important position, ship diesel generator running state directly affects the safety of navigation. Keywords: marine diesel generator engine; fault analysis I 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 1.船用發(fā)電機內(nèi)部故障的報告與措施 2 1.1. 故障報告 2 2. 解決措施 3 3. 船用發(fā)電機接地故障的保護措施 4 3.1. 發(fā)電機定子繞組單相接地的特點 4 4. 反映三次諧波的發(fā)電機定子繞組單相接地保護 7 4.1. 定子接地保護 8 5. 發(fā)電機的單相接地保護整定實例 9 5.1. 三次諧波電壓比率接地保護 9 6. 電機常見異常狀態(tài)及其危 10 總結 11 致 謝 14 緒 論 造成發(fā)電機組發(fā)生非全相運行的事故的一些最主要原因由于高電壓開關故障、柴油發(fā)電機組沒有安裝發(fā)電機出口斷路器和非全相運行保護或失靈保護沒有正常工作、以及工作人員對設備操作不熟練或者不當?shù)认旅姹救司蛿嗦菲髯陨淼墓收虾投位芈分袛嗦菲鞯墓收习凑湛赡艿木唧w的發(fā)生情況在論文中一一進行描述。我國現(xiàn)在制造的220千伏及以上電壓等級斷路器，之所以會經(jīng)常造成發(fā)電機組發(fā)生非全相運行事故，事故是由一系列細小的沒有被及時察覺和處理的隱患所造成的，很多數(shù)的情況是因為廠家制造的產(chǎn)品本身的質(zhì)量達不到國家所要求的標準，檢查和維修設備落后或者不全面，沒有及時的察覺和消除潛在的隱患等各方面。SF6等級的220千伏電壓斷路器設備中，根據(jù)國家官方的所統(tǒng)計的資料顯示在過去十年間，因為發(fā)生拒分、拒合、錯誤的動作等造成的重大的事故多達54件。隨著科技不斷的進步，現(xiàn)在對發(fā)電機組的預防和保護方面，我們引進先進的對稱分量法，它是一種線性變換，它利用對稱分量之間的三相都存在著高低相同、它們之間的相位差相等的原理。對于故障的檢測電流或電壓的之間的排列的順序、電流高低、電壓的大小的關系是機組非全相運行時的最為重要的信息來源，對于發(fā)電機組及其系統(tǒng)的可靠運行的和安全保護，對以上這些參數(shù)的物理量進行科學的抽取與判別有著很重要的意義。 1.船用發(fā)電機內(nèi)部故障的報告與措施 1.1. 故障報告 船只在海上或者湖泊河流上航行是一旦柴油機發(fā)生故障，如果不采取措施及時的進行必要的修理，就會導致航班的延誤，更有甚者還會造成船沉船事故只是因為失去動力而發(fā)生的。自改革開放以來我國的船用柴油發(fā)電機學習國外先進制造水平，使得柴油機正逐步向著緊湊化、多功能、和自動化的方向前進，同時診斷和維修船用柴油發(fā)電機故障的能力也有了很大的提升。早期船用的柴油機的發(fā)生故障更多的是依靠的技術人員的憑借著多年的自身工作經(jīng)驗進行故障診斷和維修，但是這種方法效率極慢，不能很好的適應和滿足當今船只的需要。并且為了保證船只在其設計壽命內(nèi)安全航行，我們還要對柴油發(fā)電機進行定期的體檢。 例如在去年下半年的時候，泰谷海號輪船的柴油機連桿主軸承會經(jīng)常出現(xiàn)損害的事故情況。其中上瓦蓋裂開的現(xiàn)象出現(xiàn)在其中一臺柴油發(fā)電機的主軸承上，軸承瓦被高溫燒裂熔化，而輪船的另一臺柴油發(fā)電機的主軸承則出現(xiàn)了不同程度的軸與瓦抱死,不能運動的現(xiàn)象，并且伴有軸頸部被燒損。由于柴油機生產(chǎn)廠家工程技術人員及時的對機座和曲軸進行了修理和更換零件，并未發(fā)生重大人身傷亡事故。過后專業(yè)工程師解釋該型號的船用柴油發(fā)電機的這種主軸承出現(xiàn)的問題在別的地方也時有發(fā)生，其由于機座軸承孔在設計和加工時，安裝上瓦蓋時是沒有定位在機座上的。在實際組裝的過程中全拼工人的手感。所以，直接影響其品質(zhì)的是瓦蓋的安裝好壞與否，通過實例進行參看，有了全新的認識對這類的柴油發(fā)電機。DAIHATSU 6DSD—22的最高額定轉速是900rpm，點火的順序是1—2—4—6—5—3—1，單缸平衡。從曲軸連桿機構的運動原理中就可以看出，其本身就存在著一些設計的缺陷和先天性不足如點火順序。柴油機會發(fā)生振動的主要的原因是由于柴油機曲軸連桿機構中的不平衡力和力矩相互造成的。 　 在高強度的連續(xù)工作后會產(chǎn)生比較嚴重的金屬疲勞，軸承瓦失去彈性的現(xiàn)象，在高速轉動中，摩擦和振動所產(chǎn)生的大量的熱量將會直接破壞機座和曲軸。對船只進行監(jiān)控只是一種防范的手段，更要做好定期的例行檢修，及時的處置好柴油發(fā)電機出現(xiàn)的小問題。 2. 解決措施 本論文以原有的前人的研究結果為出發(fā)點，對原有的建立的數(shù)學公式模型的多回路中對定子回路的選擇提出了合理化的改進，目前多回路方法的在目前雖然得到了廣泛的運用，卻只是初步解決了同步電機內(nèi)部故障分析的基本問題，但對故障的暫態(tài)研究，現(xiàn)在還僅是處在學術界對單機空載的理論的分析研究中。這樣不僅可對發(fā)電機進行暫態(tài)過程的模擬仿真外部短路故障和單機不負荷的情況下的各種定子內(nèi)部故障的情況，同時還可對短路時的各種內(nèi)部故障的暫態(tài)進行模擬。本論文把電機中電磁場的數(shù)學方程式與電路反映繞組聯(lián)接情況的數(shù)學方程，相互關聯(lián)，聯(lián)立方程式，并對其同時求解，以矢量磁位和回路電流為求解的變量參數(shù)，運用上面的各項參數(shù)合理建立了發(fā)電機定子繞組內(nèi)部故障的瞬態(tài)電磁場與多回路耦合的數(shù)學模型。解釋繞組的分布狀況與聯(lián)接的方式、故障出現(xiàn)的可能發(fā)生的位置、氣隙磁場的空間諧波運用此數(shù)學模型都可以達到，如果進一步研究分析，還能展示出磁極形狀、鐵芯的磁場飽和情況和渦流等其他因素。本論文以一臺4極凸極同步發(fā)電機為研究分析對象、其額定功率12kW，處在不負載和機端帶電阻負載的狀態(tài)下進行單機工作，用兩種不同的數(shù)學公式模型分別做了仿真計算，針對發(fā)電機外部短路和多種經(jīng)典的內(nèi)部故障進行了模擬實驗。其計算結果顯示，暫態(tài)模擬的結果與實驗數(shù)據(jù)結果基本吻合，在電機飽和不太嚴重的情況下多回路的數(shù)學模型，但基波分量還是相對準確的，雖然有時的差異非故障分支電流與實驗結果差距比較大，所以日常工程中基本可以滿足需要的保護方案的校驗靈敏度等。而場路耦合數(shù)學模型對于正常的工作及各種故障，定子所有支路試驗電機的電子繞組連接圖 最突出的是在達到飽和情況下還能得到最為準確的仿真結果，空載電流及勵磁電流的模擬仿真結果都與實驗數(shù)據(jù)相符合。本論文對不同極數(shù)的同步發(fā)電機在負載工作狀態(tài)下的單支路焊口處斷裂的故障進行計算了，使用場路耦合的數(shù)學模型。模擬仿真數(shù)據(jù)顯示，一對極、每相2分支的隱極同步發(fā)電機發(fā)生單支路焊口處斷裂故障時，這種情況的出現(xiàn)可能使定子繞組燒毀，因為定子繞組內(nèi)部就會突然的產(chǎn)生很大的電磁環(huán)流。對會出現(xiàn)這種特有的現(xiàn)象發(fā)電機，本論文對其進行了物理解釋。隨著現(xiàn)在不斷的增大的電機容量，對發(fā)電機內(nèi)部故障更是提出了很嚴格的要求的保護體系。此課我們需要放棄過去的守舊理念、過時的經(jīng)驗和傳統(tǒng)的，落后的做法，在進行精準的數(shù)學計算和保護方案靈敏度校驗的基礎之上對發(fā)電機內(nèi)部故障進行分析探究，運用全新的科學技術理念設計確定了發(fā)電機內(nèi)部故障主保護的配套方案，對可能經(jīng)常發(fā)生的發(fā)電機內(nèi)部故障實現(xiàn)了最大規(guī)模的保護。 3. 船用發(fā)電機接地故障的保護措施 船用發(fā)電機的接地保護是我國最需解決的重要課題在在建、改建的配電系統(tǒng)中。就保護領域目前最新的研究動態(tài),是一種被稱之為Powerformer的高壓發(fā)電機,但是現(xiàn)有方法在現(xiàn)實實際工作過程中正確率選線非常低，因為故障殘流小、電弧故障及受到干擾影響等各種原因。Powerformer的高壓發(fā)電機其廣泛使用中性點經(jīng)高阻值的電阻接地的方式或通過消弧線圈接地方式,屬于非有效的接地電網(wǎng)。研究其內(nèi)部故障的工作規(guī)律和原理及選擇性定子單相接地保護，需要深入分析探究Powerformer。電源接地保護在船用發(fā)電機中受各種故障保護方法所得到的數(shù)據(jù)多多少少地受到系統(tǒng)參數(shù)變化、干擾等因素的影響,帶有一定的不確定性。為描述建立樣本對于類別的不確定性,更真是的客觀地反映樣本數(shù)據(jù)的不清楚特征,提出了一種基于模糊聚類分析的饋線接地保護方法在本論文第三章中。 3.1. 發(fā)電機定子繞組單相接地的特點 現(xiàn)在的市面上的發(fā)電機，屬于非有效接地，大多數(shù)中性點都不是直接接地的或著是經(jīng)消弧線圈處理接地的，因此，不同點在于故障點的零序的電壓高低當發(fā)電機內(nèi)部單相接地時，將隨發(fā)電機內(nèi)部接地點的位置的改變而改變，但流經(jīng)接地點的電流大小依然是發(fā)電機所在電壓網(wǎng)絡（與發(fā)電機產(chǎn)生直接聯(lián)系的各電網(wǎng)部件）對地電容電流之總和。 UA UB UC 3I0 U0 圖1發(fā)電機單相接地定子繞組故障電壓電流分布圖 如圖1：我們設處于定子繞組的中心點O處附近是A相接地，由中心點到故障點的定子繞組匝數(shù)占全部匝數(shù)的百分比用表示，由此得出數(shù)學公式，故障點各相的電流分別為而各相對地電壓則別為： 因此，故障點的零序電壓為 上式表明，故障相的電流與故障點的零序電壓絕對值值相等，但是方向相反， 所以就要乘一個在數(shù)值前面，據(jù)上面數(shù)學公式顯示：故障點的零序電壓發(fā)生變化是隨著故障點位置的不同在發(fā)電機定子繞組單相接地時。根據(jù)上面的數(shù)學模型我們同理求出發(fā)電機的零序電流和電網(wǎng)中的電容電流分別為 則故障點總的接地電流即為 測量只能通過借助于外部安裝的電壓傳感器進行，當發(fā)電機內(nèi)部單相接地時，沒有直觀的辦法直接獲得數(shù)值的故障點的零序電壓。發(fā)電機各相的對地電壓分別為 由此可求得機端的零序電壓為 由于有零序電流和零序電壓的資料數(shù)據(jù)，使得我們可以能運用定子接地保護由零序電流組成，或者用零序電壓組成定子接地保護。無論是零序電流還是零序電壓的保護，以上的兩種方法都無法取得100%的保護對定子繞組。其最有可能是因為機體工作時的過大的振動而產(chǎn)生的內(nèi)部的機械零件松脫損傷或有漏水的情況存在等原因，這些都能使相對靠近中性點附近的繞組發(fā)生接地故障。這種故障如果不能及時察覺和修復，會進一步發(fā)展成匝間或相間短路；另一種可能是在其它地點也發(fā)生了接地現(xiàn)象，從而形成兩點接地短路。不論是哪種結果都會對發(fā)電機構成的嚴重損壞。因此對定子繞組采用的是水內(nèi)冷的機組來說，必須安裝能直觀，準確反應100%定子繞組的接地保護。在這些保護措施中，接地保護由三次諧波電壓構成的可以很好的反饋發(fā)電機的單相接地故障，＜50%范圍以內(nèi)，保護的靈敏性越高，那么故障點越靠近定子的中性點。本文著重描述利用三次諧波電壓構成了定子接地保護。定子接地保護邏輯框圖。邏輯框圖見圖2。 圖2定子接地保護邏輯框圖 4. 反映三次諧波的發(fā)電機定子繞組單相接地保護 保護（三次諧波電壓比的接地端與中性點保護）動作判別依據(jù)為： 從理論研究分析結果來看，發(fā)電機與系統(tǒng)正常并列工作時，無論是否在發(fā)電機中性點安裝消弧線圈，機體總有三次諧波電壓與中性點的三次諧波電壓相比，它的數(shù)值比值最小，而發(fā)生金屬性接地故障時當發(fā)電機定子繞組靠近中性點時的50%范圍內(nèi)，機體三次諧波電壓與中性點的三次諧波電壓相比其的數(shù)值比值最大。但在日常實際工作中，由于實際現(xiàn)實中各種因素的相互疊加影響，比如電壓互感器達到飽和所帶來的影響、所帶負荷的發(fā)電機的影響、將電壓瞬間啟動的高壓繞組三次諧波電勢的影響等，造成正常工作時就會帶有的關系。發(fā)電機正常工作時機體和中性點三次諧波電壓的比值最大可達到1.96倍，務必要把定值設高，在采用這種方案保護時。這就相對會對保護的靈敏度和保護范圍造成一定的影響。 4.1. 定子接地保護 三次諧波電壓單相接地保護的整定 需要安裝無沒有死角的動作(100%動作區(qū))單相接地保護。對于100MW及以上的發(fā)電機。保護方案是由三次諧波電壓保護組成100%單相接地保護。 電壓互感器變比為： 機端 TV ； 中性點TV ； 保護裝置應該具備調(diào)整平衡功能，或者安裝中間電壓互感器，如果發(fā)電機中性點是由消弧線圈或配電變壓器接地。 設和三次諧波電壓各機體電壓為 和 中性點電壓為，可采用兩種工作狀態(tài)的三次諧波電壓單相接地保護： 在正常工作時實際測得發(fā)電機的最大三次諧波電壓比值為a0，則閾值取a＝(1.05～1.15)a0。依據(jù)分布電容或者寄生電容和中性點接地阻抗的三次諧波大小，見圖5，可計算a0。a0可能出現(xiàn)小于或大于1.0的兩種情況。 E3—發(fā)電機電動勢三次諧波相量；EH3—系統(tǒng)高壓側壓力電動勢三次諧波相；Zn—發(fā)電機三次諧波感抗中性點對地或三倍于電阻的；C1—發(fā)電機電容的一半，每相對地；C2—機體總電容外接電器元件每相對地；CM—主變壓器的高電壓和低電壓繞組間每組耦合電容 圖5發(fā)電機三次諧波電壓分析計算用等值電路 5. 發(fā)電機的單相接地保護整定實例 在此我們進行舉例說明，設已知：采用三次諧波保護 ，發(fā)電機額定容量為135MW，其因數(shù)0.85額定功率，定子的額定電壓13.8千伏。 主變高壓側開口角電壓變比: 220:√3/0.1:√3/0.1:√3/0.1 千伏； 機端開口三角零序電壓TV變比: 13.8:√3/0.1:√3/0.1:3 千伏； 發(fā)電機中性點零序電壓TV變比: 13.8:√3/0.1 千伏。 5.1. 三次諧波電壓比率接地保護 只維護發(fā)電機中性點25%左右的定子繞組接地三次諧波電壓比率. 1、暫時整定值: a=Krel×3×/=1.5×3×79.67/239 =1.5。 發(fā)電機與電網(wǎng)聯(lián)接起來前實際測得最大三次諧波電壓比值為a1； 發(fā)電機與電網(wǎng)聯(lián)接起來前比率定值：(1.3～1.5)×a1 發(fā)電機與電網(wǎng)聯(lián)接起來后實際運行時測得最大三次諧波電壓比值為a2 發(fā)電機與電網(wǎng)聯(lián)接起來后比率定值:(1.3～1.5)×a2 式中: Krel可靠系數(shù)取1.5； 為中性點TV 的變比取自機體開口三角零序電壓，13.8:√3/0.1:3=239 千伏； 為機端中性點零序電壓TV變比13.8:√3/0.1千伏=79.67（中性點變壓器）。 但是該計算出的數(shù)值并不能作為最終的設定值.在最后設定時,發(fā)電機與電網(wǎng)聯(lián)接起來前后都必須經(jīng)過實踐考研。 2、實際修正值 在機組正常工作后根據(jù)實際測得的數(shù)據(jù)值進行計算量修正。 a=2.294/2.765=0.83 電機正常工作時實際測得的最大三次諧波電壓比值設為a0， 根據(jù)實際測得的數(shù)據(jù)值修正設定值，即a＝1.5×0.83=1.2。 6. 電機常見異常狀態(tài)及其危 改革開放以來我國電力工業(yè)的迅猛發(fā)展，不斷增加的發(fā)電機的單機容量，在電力供應系統(tǒng)中大型，超大型發(fā)電機組越來越受人民重視。人們對發(fā)電機的可靠性、工作的平穩(wěn)性、安全性提出了越來越苛刻的條件。發(fā)電機的可靠安全工作起著極其重要的作用對保證電力系統(tǒng)的正常工作。但是故障總是難以避免的，總會發(fā)生，異工作狀態(tài)的概率更大，比如說定子繞組超過負荷、發(fā)電機的轉子失去電流、失步，發(fā)電機反向全功率工作，非全相運行等。這些危險的象限不能見之不管，所以對大型發(fā)電機的異常工作的分析及保護，在現(xiàn)在看來是很有必要的。本文就發(fā)電機組存在的問題給出了一些故障的處理方法： 1、低勵磁或失磁? 針對額定工作容量在100MW以下的發(fā)電機不允許失磁工作，應在滅磁開關斷開的同時斷開發(fā)電機斷路器。然而容量在100MW以上的發(fā)電機需要安裝失磁保護。 2、定子過電流或過負荷保護? 在定子繞組、勵磁繞組上需要安裝設定時間限定和反時間限定的過負荷保護。固定時間限制過負荷保護動作用于信號或自動減壓負荷、降低勵磁電流。反時限過負荷保護動作于解列或程序跳閘、解列滅磁。 逆功率保護 最好安裝逆功率保護，容量在200MW及以上的發(fā)電機。保護帶時間限定的動作于信號，經(jīng)長時間限制動作于解列。 上面所說的解列滅磁，所指的是斷開發(fā)電機斷路器，汽輪機甩去大部分負荷。減出力，是指將原動機的超出的工作值減到額定值。 總結 電機的內(nèi)部故障是電機中最常見的故障，它破壞性很強。為了最大限度減少故障造成的損害，幾時預測故障造成的破壞程度、在設計機組的內(nèi)部短路保護方案，需要對繞組故障時的工作狀態(tài)做嚴加詳細的，科學的，可行性分析。結合上文，確保船用柴油發(fā)電機故障的能夠得到及時診斷和修理，我們要對電機定期進行體檢，合理運用現(xiàn)代化技術，這樣在一定程度上可以有效的減少柴油發(fā)電機的機械故障。參考文獻 1 王濤;肖建;李冀昆;;感應電機非線性反饋補償控制[J];電機與控制學報;2013年05期 2 蔡超豪;TCSC的H_2/H_∞控制器設計[J];電力科學與工程;2013年02期 3 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導師在本論文中嘔心瀝血，從本人選題到作開題報告，再到論文寫作中，不厭其煩地指出我論文中出現(xiàn)的各種問題，對我嚴格把關。在此我對導師由心表示最崇高感謝。同時我還要對我大學期間給我極大關心和支持的各位學科老師以及關心我的同學和朋友表示感謝。畢業(yè)論文完成的同時，也意味著新的生活的即將開始。本人從論文選題到搜集資料，到寫出論文，期間經(jīng)歷了很多。在寫作論文的過程中心情是如此復雜。現(xiàn)在這篇畢業(yè)論文的完成了，自己很有成就感，心情很激動。這篇畢業(yè)論文的就是我的最后舞臺。以下的言語是發(fā)自肺腑的誠摯謝意與感想的表達： 最先我要感謝我的導師。老師總是能像知心朋友一樣鼓勵你，在論文的寫作過程中老師以嚴格標準要求我。從選題、定題開始，一直到最后論文成型，反復修改老師始終認真負責，給予我深刻的影響。我的畢業(yè)論文之所以能順利完成正是老師的幫助與鼓勵。謝謝老師。 其次我要感謝我的學長。正在深造的他，在百忙之中抽出時間幫助我搜集文獻資料，幫助我理清論文寫作思路，指導我寫作，對我的論文提出了諸多寶貴的意見和建議。對學長的幫助表示真摯的感謝。 最后我再要感謝我宿舍的舍友們。對舍友們的支持和幫助表示萬分感謝。 13