过载测试

一、 船舶发电机过载和短路概述

在船舶电力系统中，一般把较小的过电流称为过载；严重的过电流(例如短路)才称为过电流。把1.1倍发电机额定电流称为小过载；1.5倍发电机额定电流称为较大过载；短路称为严重过载。

发电机损坏的主要原因是短路电流产生的热和电动力，长时间过电流运行产生的热会使绝缘老化。发电机允许运行的电流范围主要由流过定子电枢绕组的电流决定。

发电机发热与电流的大小和持续的时间有关，即由发电机的热容量决定。发电机的过电流特性是：在1.1倍发电机额定电流时允许运行时间不超过2h; 在1.5倍发电机额定电流时不超过5min。一般从安全角度考虑规定为：在1.1倍发电机额定电流时，允许运行时间不超过15min; 在1.5倍发电机额定电流时，允许运行时间不超过2min。

发电机单机运行的保护主要是过电流保护。对发电机可承受的电流过载来说，电流在1.1倍发电机额定电流时允许运行时间为2h, 在1.25倍发电机额定电流时为30 min, 在1.5倍发电机额定电流时为5min。有功功率过载主要由原动机的型式决定，柴油机在承受1.1倍额定功率时允许运行时间为2h; 在承受1.2倍额定功率时为30min; 在承受1.35倍额定功率时为5min。所以从发电机本身来说，完全允许一定时间的过载而不要求主开关立即跳闸。

二、 船舶发电机外部短路的原因判断及排除

(一) 船舶发电机外部短路保护概述

发电机的外部短路故障对发电机和电气设备影响极大，因此发生短路故障时，保护装置应迅速动作。但为了实现保护的选择性，亦给予一定的延时。对于发电机外部短路保护，中国船级社《钢质海船入级规范》做了如下规定：对于船舶发电机外部短路保护一般应设有短路短延时和短路瞬时动作保护。当短路电流达2~2.5倍的额定电流时，保护装置延时0.2~0.6 s 动作，使发电机自动跳闸；当短路电流达5~10倍的额定电流时，保护装置应瞬时动作，使发电机自动跳闸。

船舶电网短路保护(当电网发生短路时能自动切除故障)的最重要问题是保护装置的选择性，也就是故障发生时，保护装置只切除故障部分，而不会使前一级保护装置动作。这样就保证了其他没有发生故障的设备能继续正常运行。

为了实现电网选择性保护，通常可以按时间原则和电流原则进行整定：

• 时间原则：是指以各级保护装置动作时间整定值的不同来实现选择性保护。动作时间应保证从用电设备至电源方向逐级递增。为了尽可能地缩短故障的持续时间，最靠近用电设备的开关动作时间应该尽可能短，以达到既能迅速切除故障，又能保证前后两级保护装置具有选择性动作的目的，其关键在于正确选择前后两级保护动作的时间差。船舶电网一般取时间差为0.15~0.58 s。
• 电流原则：是指以各级保护装置动作电流整定值的不同来实现选择性保护。动作电流应保证从用电设备至电源方向逐级递增。越靠近电源，动作电流越大。采用按电流原则得到选择性保护的优点是短路时动作迅速。其动作的时间仅取决于保护装置的固有动作时间，通常约为0.1 s。其缺点是常常受开关断流容量的限制，并易受外界因素干扰，级间协调也较困难，故往往用于容量不大的船舶电力系统中。

船舶电网短路保护多遵循包括时间原则和电流原则的综合原则。在主配电板和应急配电板上的馈电开关， 一般不设带延时的短路保护，而多采用按电流原则整定的装置式自动开关，其电磁瞬时脱扣时间可达0.02~0.05s。在电网的末级(最接近用电设备的一级),可用熔断器对末端电网及发电机进行短路保护。

(二) 船舶发电机外部短路故障的原因分析

船舶发电机外部短路的主要原因通常包括以下几方面：

1. 电缆绝缘损坏
长期使用老化：电缆长期运行，绝缘层老化，导致相间或相对地短路。
受潮或盐雾侵蚀：船舶环境潮湿，电缆绝缘层吸潮或被盐雾腐蚀，导致漏电、短路。
机械损伤：电缆受到外力挤压、振动或刮擦，导致绝缘层破损，形成短路。

2. 负载设备短路
电动机绕组短路：电动机定子或转子绕组绝缘损坏，导致相间短路或匝间短路。
加热设备故障：电热设备(如锅炉加热器、电热管)因绝缘损坏或老化短路。
配电设备短路：配电箱、控制柜内部接线错误或绝缘失效，导致短路。

3. 电气元件故障
断路器、接触器烧毁：电流过大或设备老化，导致触点烧蚀、短路。
开关及连接端子松动：振动或长期运行导致接线端子松动，引发相间或相对地短路。
电容器、变压器故障：滤波电容或变压器绕组短路，导致发电机跳闸。

4. 受潮或污染
潮湿环境：船舶电气设备长期处于高湿度环境，绝缘性能下降，容易短路。
油污、灰尘堆积：配电柜、接线盒内部积累导电性污垢，导致短路。

(三) 船舶发电机外部短路故障的判断

1. 初步判断
对于具有自动电站管理系统的电站，当发生发电机主开关跳闸、主电网失电，除报警外机舱没有其他任何反应且报警指示的是短路故障时，说明发生了发电机外部短路故障。
对于常规电站，当发生发电机主开关跳闸，且这一跳闸不是发生在同时启动几台大负荷时，不是出现在利用船上起货机进行装卸货作业时，不是出现在先出现转速下降后发生主开关跳闸时，也不是出现在先发生电压下降后再跳闸(从照明灯的亮度可得到判别)时， 一般可判断发生了发电机外部短路故障，但也不排除有关人员的操作失误，如发电机并联操作不当使发电机电流达到短路保护整定值，也有可能由主开关本身故障引起跳闸。

2. 具体判断
当船舶发电机发生外部短路时，通常会出现电流异常升高、断路器跳闸等现象。为了准确判断故障位置和原因，可以采用以下方法：
(1) 观察故障现象：发电机跳闸、报警提示(PMS发出短路报警)、电缆或设备冒烟/烧焦。
(2) 断路器分步排查：发电机空载运行观察正常后，逐一闭合支路开关，观察哪一路合闸后跳闸。
(3) 绝缘电阻测试：使用绝缘电阻测试仪测量相对地、相间电阻，低于1 MΩ 存在风险。
(4) 设备检查：查看电缆状况、负载设备、断路器烧毁或接触情况。

(四) 船舶发电机外部短路故障的排除

通过上述方法找到短路点后，通过以下措施来修复：
1. 电缆修复：更换损坏电缆，受潮电缆可用电加热或吹风机烘干。
2. 设备维修：修理或更换故障设备，清洁受污染配电箱。
3. 紧固松动接线：确保连接牢固，可使用热成像仪检测异常升温。
4. 更换损坏件：更换新的断路器或保险丝并重新调整保护参数。

(五) 船舶发电机外部短路故障的预防

定期检查绝缘，合理使用保护装置，保持设备清洁，避免负载超载运行。

(六) 船舶发电机外部短路故障的实训操作

(1) 利用轮机模拟器设置故障点，如图6-3所示，主海水泵主回路短路，短路点在主海水泵断路器进线处，主海水泵配电开关无法脱扣。

图6-3 主开关保护装置参数设置界面

(2) 观察现象：发电机主开关跳闸，发电机异常报警。
(3) 分析：排除误操作、过载及欠压因素后，即可认为发生了短路。
(4) 查找短路点：切除全部负载后，逐个合闸负载空气开关，合上主海水泵回路时发电机跳闸，确定外部短路点。同时判断主海水泵配电开关本身也有故障或时间参数设置错误。
(5) 故障处理：切除该设备，恢复电网供电。修复主海水泵配电开关和短路点。

三、 船舶发电机过载故障的原因判断及排除

(一) 船舶发电机过载保护概述

船舶发电机过载保护的原则是： 一方面要保护发电机不受损坏；另一方面要尽量保证不中断供电。因此，发电机过载保护广泛采用了自动分级卸载保护，即发电机出现过载后，自动分级卸载装置首先将部分次要负荷卸掉，以消除发电机的过载现象，并发出报警信号。若在一定时间内仍不能解除过载，为了保护发电机不被损坏，过载保护装置应发出发电机过载自动跳闸 信号，将发电机从汇流排上切除。

对于发电机短时过载(大电动机启动、多台电动机同时启动和电力网远端发生短路等引起的过载),保护装置应避开这种短暂的过载，即过载保护应具有一定的延时特性。对于发电机过载保护，《钢质海船入级规范》规定：对无自动分级卸载装置的发电机，当过载达125%~135%额定电流时，保护装置延时15~30 s 动作，使发电机自动跳闸；对有自动分级卸载装置的发电机，当过载达150%额定电流时，保护装置延时10~20s 动作，使发电机自动跳闸。

船舶发电机过载保护一般是由自动空气断路器中的过电流脱扣器来实现的。优先脱扣过电流继电器动作电流的整定是以发电机过载保护的长延时整定电流为基础的。例如，某船发电机的额定电流为770 A, 其优先脱扣过电流继电器整定为长延时脱扣器整定电流的90%, 则：长延时整定电流=770×1.1=847 A, 优先脱扣整定电流=847×0.9=762.3 A, 故优先脱扣整定电流为发电机额定电流的99%。优先脱扣延时时间的整定，不仅要求该过电流继电器的动作电流整定值与发电机过载保护的长延时整定电流相互协调，而且要求延时时间的整定很好 协调。在实际设计中，长延时脱扣器的延时通常整定为15～30s, 所以，优先脱扣的过电流继电器的延时整定值应小于15s。

优先切断的非重要负载，通常根据负载的性质、功率的大小进行调整。如某集装箱船分2级脱扣：第1级切断机修工具、厨房设备、造水机等；第2级切断冷藏集装箱电源。优先切断多少负载，取决于并联运行发电机的台数和负载率。

(二) 船舶发电机过载故障的原因分析

船舶发电机过载故障是指发电机的输出功率超过其额定功率，导致电流过大、温度升高， 甚至触发保护装置跳闸。以下是常见的原因分析：

1. 负载增加导致过载
(1) 负载总功率超出发电机额定功率：新增大功率设备或多个设备同时启动。如某散货船装卸作业时突加负载引起电压下降跳闸。
(2) 负载设备异常运行：电动机堵转、短路或用电设备老化。如某化学品船压载泵轴承损坏导致电流超出35%。
(3) 无功功率补偿不足：低功率因数运行导致总电流增大。

2. 发电机输出能力下降
励磁系统故障、绕组老化或损坏、轴承或冷却系统故障以及 AVR 故障（导致电压偏低，电流增大）。

3. 运行环境因素
环境温度过高、湿度过高或盐雾侵蚀以及机械振动导致接线松动。

4. 控制系统问题
(1) 负载分配不均：多台并联时某一台承担过多负载。如某油船因调速器异常导致另一台机组过载。
(2) 保护装置误动作：设定值过低。
(3) 参数设置错误：如 PMS 未能自动启动备用机导致运行机过载跳闸。

(三) 船舶发电机过载故障的判断

发电机过载导致主开关跳闸， 一般发生在单机运行高负荷启动大负荷、多台大负载同时启动或并联运行时分级卸载失灵等场合。判断方法如下：

• (1) 直观判断：观察异常发热、焦味及控制面板报警情况。
• (2) 仪表测量：检查电压异常下降及有功功率是否超额。
• (3) 负载分析：是否有新增大功率或同时启动设备。
• (4) 试验法：逐步降低负载观察电流变化，或更换并联发电机测试。
• (5) 诊断记录：查看 PMS 历史记录。

(四) 船舶发电机过载故障的排除方法

调整负载分配、优化运行方式（并网）、检查散热环境及校对电力系统控制设置。

(五) 船舶发电机过载故障的预防措施

定期测量参数、合理调整负载、安装 PMS 系统并定期维护设备。

(六) 船舶发电机过载保护实训操作

过载保护（长延时脱扣）通常采用主开关校验仪做模拟校验，并将开关置于“试验”位置。使用轮机模拟器操作步骤如下：
(1) 设置故障点：在单机运行功率较大时，再开启一台大负荷。
(2) 观察现象：主开关跳闸，异常报警。
(3) 分析：识别优先脱扣指示，判断为过载。
(4) 故障处理：直接合闸，恢复重要负载。开启并入备用机分配负荷后再开启大负荷。