船舶电力推进系统故障分析

徐新晶，夏军

摘要；在船舶正常运行过程中最需要重视的问题是安全问题，同时也是运行过程中最基本的问题。在科学技术和理论研究都日渐完善今日，一种全新的推进技术成为了船舶上的主要推进技术，这种全新的推进技术就是船舶电力推进技术。也正是由于船舶电力推进系统在船舶上得到广泛的使用，所以船舶电力推进系统的正常运行对于船舶的安全运行来说十分的重要。因此，如何迅速准确地识别船舶电推进系统的故障就显得尤为重要。船舶电力推进系统是由船舶推进系统和电力系统两部分结合而成的一种全新系统，所以当系统发生的问题时往往是十分复杂且相互关联的。若是在船舶运营期间，船舶电力推进系统发生故障要专业人员维修的话，会增加船舶的运营成本降低利润，而且当船舶运行在海上时可能出现无法准确诊断故障发生位置和缺少专业维修工具的情况。而在如今船舶上大部分故障都是由船员进行诊断和维修的，但他们往往对于一些故障无法进行有效的诊断和修复，如果建立出一个可以简单有效的可以用来分析系统中所有故障的系统，就可以轻松解决这一问题，保障船舶运行的安全。

[关键词] 船舶电力推进系统；故障树；故障分析

1引言

船舶电力推进从19世纪初就被发行和使用，但却没用船舶上得到大量使用，因为由于历史原因的限制，当时在电力推进技术方面的理论和科技水平都阻碍了它的发展。如今，在电力推进技术方面的理论和科学技术已经得到了飞速发展，比如大功率电力技术、集成电路技术及自动控制技术方面的科技已经十分成熟，使得船舶大规模采用电力推进技术设想的变成现实。此外，随着第三代稀土永久磁体材料的成功开发，永久磁体电机已经正式许多领域得到实用。与此同时，世界各地的研究人员和机构都在研究燃料电池和超导技术。因此，现如今船舶电力推进技术在各种商业船舶和军用船舶上都得到广泛应用。

船舶的安全问题是船舶在运行过程中最为重要的问题，也是对船舶在运行过程中的最基本要求。在科学技术和理论研究都日渐完善今日，一种全新的推进技术在船舶上大量的使用，这种全新的推进技术就是船舶电力推进技术。也正是由于船舶电力推进系统在船舶上得到广泛的使用，所以船舶电力推进系统的正常运行对船舶的安全运行具有重要意义。因此，如何迅速准确地识别船舶电推进系统的故障就显得尤为重要。因为船舶电力推进系统由各类不同的电气设备组成，电力推进系统的故障诊断的准确性具有重要意义,确保船舶电力推进系统的正常运行。船舶电力推进系统是由船舶推进系统和电力系统两部分结合而成的一种全新系统，所以当系统发生的问题时往往是十分复杂且相互关联的。若是在船舶运营期间，船舶电力推进系统发生故障要专业人员维修的话，会增加船舶的运营成本降低利润，而且当船舶运行在海上时可能出现无法准确诊断故障发生位置和缺少专业维修工具的情况。而在如今船舶上大部分故障都是由船员进行诊断和维修的，但他们往往对于一些故障无法进行有效的诊断和修复，如果建立出一个可以简单有效的可以用来分析系统中所有故障的系统，就可以轻松解决这一问题，保障船舶运行的安全。

2船舶电力推进系统的发展状况

船舶的电力推进方式是用电动机转动发电机发电，使用电能来驱动推进用的螺旋桨转动，不同于传统船舶推进方式中原动机通过直接或间接带动螺旋桨转动。

电力推进系统被实际运用在船舶上至今已有180多年的历史，1833年第一艘电力实验船被制造以来，自此以后船舶电力推进技术的发展一直在慢步前进着。虽然船舶电力推进系统是一种优秀且先进的推进方式，但由于技术和理论的限制导致电力推进技术长期以来没有得到很好的发展。直到20世纪80年代到20世纪末期，船舶电力推进技术才得到快速发展并且在海运领域得到广泛的应用。世界上发达国家研制了电力推进系统的主推进系统，并且设计出了它的控制系统。

相对于我们国家而言，船舶电力推进技术的研究和发展在我们国家起步比较晚，核心技术相对发达国家而言比较落后，仍然被外国人所掌控。但是随着国家不断重视海洋强国的重要性，我国通过引进国外的新技术，弥补我国自身的不足之处，我国正在不断的提高着在船舶电力推进技术方面的整体水平，逐渐拉近着了我国和发达国家之间的差距。

3船舶电力推进系统的故障分析

船舶电力推进系统主要分为三部分：发电部分、电力变换部分以及推进和负载部分。由于船舶电力推进系统过 于冗杂且可能产生的故障数目繁多，所以仅选取电力变换部分进行分析。系统的具体结构如下图1所示。

图 1船舶电力系统具体结构框图

3.1变压器故障分析

变压器结构组成包括器身、油箱、冷却器、调压设备、保护装置等，复杂的结构导致无论任何部位发生问题都 会导致其发生故障。通常可以将其可能发生的故障分为两种，一种是内部故障，另一种是外部故障。

1、变压器的内部故障

(1)磁路中的故障：磁路故障产生部位在铁芯及夹件中, 原因是由于铁芯发生接地故障导致。

(2)绕组中的故障：绕组故障产生部位在线段、纵绝缘和引线中, 导致原因是发生绝缘击穿、绕组匝线圈短路

或断路以及绕组发生变形。

(3)绝缘系统中的故障:发生绝缘故障主要是绝缘油或主绝缘发生故障所导致, 通常是绝缘油异常、绝缘部分 受潮发生短路、围屏树枝状放电所引起的。

(4)结构组件中的故障:通常是是内部分接开关和装配金具、冷却器、套管等组件引发的问题。

2、变压器的外部故障

(1) 油箱及其附件中的故障：油箱处发生故障通常是由于油箱焊接不良、油箱密封不良,造成渗漏油所导致的。

(2)冷却系统中的故障：冷却系统中的故障通常是由于油泵、风扇、控制设备等出现问题所导致的。

(3)分接开关传动装置中的故障：分接开关传动装置中的故障通常是分接开关无法正常工作所导致的。

(4)附件中的故障：通常是储油柜、感温电阻、净油器、油位计、继电器、压力阀等部位发生问题所导致的。

3.2变频器故障分析

在船舶电力推进系统中最常用的变频器是交-直-交变频器。交-直-交变频器主要由整流器、滤波器、逆变器这 几个主体部件构成，其结构如图2所示。交-直-交变频器是由交流-直流、直流-交流两类基本的交流电路组合而 成。由于这种变频器不是直接将交流电变频为符合频率要求的的交流电，而是现将交流整流为直流后再逆变为符合 频率要求的交流电，所以也可以将这种电路称为间接交流变流电路。

图 2交-直-交变频器结构图

造成变频器发生故障的原因有很多，在使用中由于人为原因或者环境原因都很容易使变频器发生故障，所以变 频器在设计时设计者已经给出了它容易出现的各种故障名称和产生原因，依靠这些信息可以通过采取各种方案和措 施来防止故障的产生，保证变频器的正常运作。通过变频器设计者所给出的信息可以将变频器中容易产生的故障分 为以下几类，分别是电源故障、内部故障和负载故障。电源故障通常是指由于过压、欠压、熔断器熔断等原因所造 成的一些问题。内部故障是指整流器、滤波器、逆变器发生问题所导致的一些故障。负载故障是指作负载中存在的 一些问题，包括推进负载和日用负载。

4 船舶电力推进系统故障树构建概述

4.1船舶电力推进系统故障构建过程

故障树自上而下的树状图形是对系统进行故障分析的前提条件。由于故障树的重要性，所以故障树建立的准确 性和可靠性直接影响了故障树分析法得出结果的准确性和可靠性。因此故障树的建立必须依照以下步骤进行：

(1)进行构建故障树时，首先需要了解系统工艺流程图及其结构布置图，要对系统十分熟悉，来对系统进行全 面完整的分析，只有这样才能保证构建的故障树的因果性和严谨性。

(2)无论故障发生在哪个时间段，都要尽量收集所有故障信息，并在故障树的框图中写下相关的信息，写下的 信息中必须要说明发生的故障名称，导致故障的原因，故障带来的后果。此外，了解类似的系统可以对故障树的全 面性上有所帮助。

(3)确定故障事件，也就是确定最不希望出现的事件，而系统最不希望出现的事件就是顶上事件，顶上事件是 会对整个系统产生巨大损失的事件。

(4)从多方面对系统进行了解，收集所有故障发生的过程，确定导致顶上事件产生的直接原因，确定故障产生 原因与故障事件之间的具体关系。

(5)如果上述步骤都进行完毕，就可以进行建立故障树了。通过图像演绎法，首先确定第一行也就是最高层次 的顶上事件，接着再一行一行往下分析，直到找到引起顶上事件的全部原因事件时结束，并将它们作为底事件。 并 且确定相邻两行之间的逻辑关系，采用标准的逻辑门符号，把它们逐层连接起来，构成故障树逻辑图。在故障树建 立后，需要对故障树进行反复的核实和验证，确定是否符合逻辑分析关系；确定是否找到所有底事件，这样可以使 定量更准确。

4.2故障树的定性分析

进行故障树的定性分析需要求故障树最小割集，所以进行故障树的定性分析一般使用上行法或下行法。

4.2.1 下行法

这种方法采用自顶事件由上到下逐个处理的模式，若是上下两个事件之间采用的是或门输出，则将该或门的输 出排在不同行；若是与门输出，则排成同一行。依照这种方法自顶事件开始逐级向下处理直到底事件为止。最后将 所得到的所有割集进行比较得到故障树的最小割集。

4.2.2 上行法

运用这种方法时，必须要先判断输出事件的逻辑关系。如果输出事件与上层事件的逻辑关系为或门输出，则采 用布尔和的方式来表示两件事件的关系；如果输出事件与上层事件的逻辑关系为与门输出，则采用布尔积的方式来 表示两件事件的关系。依照这种表示方法从下到上一级一级处理，直到处理完所有故障事件，从而获得顶事件的布 尔表达式。最后，根据布尔代数运算法则将所得到的布尔表达式进行简化得到最小割集。

4.3船舶电力推进系统电力变换部分故障树分析

通过构建的故障树求最小割集。可列出式子：

其中：L代表船舶电力推进系统电力变换部分发生故障，

可得

通过上述式子可知，船舶电力推进系统电力变换部分故障树的最小割集有54个，分别是

结论

本文对船舶电力推进系统进行故障分析，建立故障树系统进行分析，对船舶运行安全具有积极的意义。由于船舶电力推进系统过于复杂，所以论文存在着许多的不足之处，本文只选取了船舶电力推进系统中电力变换部分进行定量和定性分析，对造成电力变换部分故障的原因进行了概率计算，得出了电力变换部分发生故障时各组成构建发生问题的可能性大小。随着科技的快速发展，船舶上的自动化程度也越来越高，有着向无人船舶发展的趋势，若船舶朝着无人化方向发展，对船舶确定故障的精确性和快速性都将有很高的要求，所以建立故障分析系统是非常有必要的。未来船舶上的机械设备和电子设备也将会更加的复杂和精密，传统故障分析方法将无法胜任这项工作，但是可以预见的是未来将在传统故障分析的方法基础上产生一种具备自我学习能力，能够自我更新的一种新的故障分析方法，使之能够胜任更复杂和精密系统的要求。

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