石油井場發(fā)電機(jī)電控系統(tǒng)的一些常見故障及解決辦法探究

任佳樂 羅魏 夏明星

摘 要：石油鉆井隊由于遠(yuǎn)離城市，一般無法使用公共電網(wǎng)，所以井場通常使用自己配置的發(fā)電機(jī)來發(fā)電。如果發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障，將對鉆井隊的工作帶來巨大影響，因此需要盡快查找問題并排除故障?；诖耍P者依據(jù)自身工作經(jīng)驗，探討發(fā)電機(jī)常見故障及解決辦法。

關(guān)鍵詞：石油井場；發(fā)電機(jī)；電控系統(tǒng)

中圖分類號：U28；TH1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）16-0037-03

Some Common Faults and Solutions of Generator Electrical

Control System in Oil Well Field

REN Jiale LUO Wei XIA Mingxing

Abstract： The oil drilling crew is usually unable to use the public power grid because it is far from the city， so the well site usually uses its own generator to generate electricity. If the generator fails， it will have a great impact on the drilling team's work. Therefore， it is necessary to find problems and troubleshooting as soon as possible. Based on this， the author discussed the common faults and solutions of generators based on their own work experience.

Keywords： oil well；generator；electric control system

1 發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)介紹

柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)是柴油發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，是決定柴油發(fā)電機(jī)組性能及使用技術(shù)的核心所在[1]。發(fā)電機(jī)控制單元主要包括柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速控制及發(fā)電機(jī)輸出電壓的控制2大部分[2]?，F(xiàn)今，絕大多數(shù)國內(nèi)生產(chǎn)的電動鉆機(jī)都由SPM-D11自動并車，并通過2301A來調(diào)速，DECS-100調(diào)壓。柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)如圖1所示。柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的主要硬件包括交流進(jìn)線斷路器、2301A速度調(diào)節(jié)器、DECS-100勵磁輸出器、SPM-D11同步并車模塊、S7-200控制單元、WB1850電力采集儀、選擇開關(guān)S1和UPS電源。

1.1 交流進(jìn)線斷路器

進(jìn)線斷路器為1 600A，CH為儲能線圈、XF為合閘線圈、MX為分閘線圈、YU為欠壓線圈（見圖2）。正常情況下，合閘時儲能線圈得電230V，欠壓線圈得電230V，斷路器自動儲能。當(dāng)發(fā)電600V、50Hz后，旋動S1按鈕到并網(wǎng)，SPM觸發(fā)14、15腳閉合實現(xiàn)合閘功能。當(dāng)出現(xiàn)故障或手動將S1旋鈕旋至運(yùn)行后，斷路器自動分閘。

1.2 2301A速度調(diào)節(jié)器

2301A的作用是輸出一個模擬電壓給執(zhí)行器控制機(jī)械噴油嘴噴油，同時檢測速度傳感器信號實現(xiàn)閉環(huán)控制。正常情況下，柴油機(jī)啟動時，執(zhí)行器輸出電壓信號。2301A 3號端子得電24V，柴油機(jī)處于怠速模式，5號端子得電24V，柴油機(jī)處于額定轉(zhuǎn)速模式。達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，執(zhí)行器輸出5V以內(nèi)的直流電壓信號，從而控制發(fā)電機(jī)發(fā)出50Hz交流電。速度傳感器通過7、8號端子反饋實際轉(zhuǎn)速。并車后，SPM-D11通過15、16端子輸出正負(fù)3V電壓來控制2301A，實現(xiàn)多臺發(fā)電機(jī)頻率一致，功率分配平衡。

1.3 DECS-100勵磁板控制板

勵磁板的作用是輸出勵磁電壓給發(fā)電機(jī)的勵磁機(jī)定子，從而通過柴油機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，發(fā)電電壓600V，同時通過測量變壓器以檢測發(fā)電機(jī)的電壓和電流，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。

1.4 SPM-D11同步并車模塊

SPM-D11是一款基于微處理控制技術(shù)的同步裝置，可以和很多品牌的調(diào)速器或調(diào)壓器相兼容[3]。SPM-D11的作用是發(fā)電機(jī)自動合閘和自動并車。通過檢測發(fā)電機(jī)600V電壓和發(fā)電機(jī)電流，從而輸出合閘信號控制斷路器合閘。當(dāng)多臺發(fā)電機(jī)并車時，將S1開關(guān)設(shè)置為并網(wǎng)模式，則SPM-D11檢測發(fā)電機(jī)電壓和母排電壓，當(dāng)電壓相同、頻率相同、相位相同的三要素一致時，則自動并車。并車后，通過29、30號端子進(jìn)行負(fù)荷分配。其中，29為有功，30為無功。當(dāng)負(fù)荷分配不均時，通過9、10端子控制2301A進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)；通過12、13端子控制6RA70進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，通過有功和無功最終實現(xiàn)功率的平衡。在負(fù)荷突變時進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)穩(wěn)定與均勻的并車帶載。

1.5 S7-200控制單元

S7-200控制單元的作用主要有以下幾方面。一是通過選擇開關(guān)S1選擇控制、怠速、額定、運(yùn)行、并車等不同檔位來控制2301A速度調(diào)節(jié)器。二是當(dāng)出現(xiàn)急停、欠壓、欠頻、逆功等狀態(tài)時，檢測故障信號并輸出分閘信號給斷路器，實現(xiàn)保護(hù)跳閘。S7-200是重要的功能元件，能起到集成繼電器的作用。當(dāng)出現(xiàn)無法發(fā)電、無法啟車時，首先要檢查S7-200的輸出是否正常。

1.6 WB1850電力儀表

WB1850電力儀表的作用是檢測三相電壓和三相電流，通過內(nèi)部計算出功率因數(shù)、有功功率并傳遞給PLC柜的MODBUS總線接收器，為PLC采集并轉(zhuǎn)化發(fā)電機(jī)的各種參數(shù)。

1.7 選擇開關(guān)S1

選擇開關(guān)S1的作用是按步驟啟動發(fā)電機(jī)，分為停止、怠速、額定、運(yùn)行和并網(wǎng)5個檔位，通過手動選擇檔位，按步驟啟動柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)。

2 發(fā)電機(jī)常見故障及解決辦法

2.1 發(fā)電機(jī)無故跳閘

在實際運(yùn)行過程中，經(jīng)常會遇到這樣一種情況：負(fù)荷不大，負(fù)載波動也不大，發(fā)電機(jī)無故跳閘，工控機(jī)上查詢參數(shù)顯示該發(fā)電機(jī)跳閘前所有參數(shù)都正常，但發(fā)電機(jī)仍然跳閘。

由于工控機(jī)顯示各個參數(shù)都正常，則可以判斷出分閘信號Q0.4輸出的原因即是勵磁報警輸出1。勵磁輸出基本正常，而且斷路器跳閘是偶然事件。為了杜絕這種現(xiàn)象，將勵磁報警線AL1去掉，即去掉I1.0輸出點(diǎn)，即可保證勵磁報警偶然輸出被屏蔽。

導(dǎo)致跳閘的原因主要有以下幾個：①急停按鈕突然通電I0.3=1導(dǎo)致斷路器跳閘，但急停信號平時是斷開的，基本不可能突然閉合導(dǎo)致急停輸出；②斷路器整定值存在問題，需要檢查斷路器長延時電流設(shè)定Ir值和長延時跳閘延時Tr等參數(shù)；③SPM-D11的合閘信號14、15突然斷開或分閘信號39、40突然斷開導(dǎo)致的，要讓合閘信號丟失只能是切斷14或15的230V電源才行，這基本是不可能的。

上述條件滿足其一，則分閘點(diǎn)39、40會斷開實現(xiàn)分閘；但發(fā)電機(jī)控制程序中沒有取其作為分閘條件，所以其輸出分閘信號不會影響斷路器。此外，還要確定以下幾點(diǎn)：第一，端子接線是否緊固；第二，24V信號是否突然降低；第三，230V合閘信號是否突然中斷。若這些都是正常的，則可斷定是勵磁報警問題。解決該問題的方法是將勵磁報警線去掉。

2.2 SPM-D11帶載并車時負(fù)荷分配不均

2.2.1 故障現(xiàn)象。負(fù)荷一直在兩車之間上下增減，無法分配均勻。具體現(xiàn)象是頻率或電壓不斷相互調(diào)節(jié)，兩組燈不斷亮、滅來回跳動，無法平衡。

2.2.2 解決方法。首先，檢查是否是發(fā)電機(jī)游車或者屏蔽性差導(dǎo)致的頻率不穩(wěn)定，并車出現(xiàn)逆功；其次，檢查SPM-D11參數(shù)設(shè)置，頻率控制模式中將積分時間Tn放大，設(shè)置為2.5～4.5s或更多，即可解決負(fù)荷分配時間過長的問題。

其中，頻率控制和電壓控制方式中，存在PID調(diào)節(jié)，其作用如下。

①Kp比例增益。顯示閉環(huán)控制系統(tǒng)的增益，增大Kp，將增大控制反饋，響應(yīng)反饋量也會增大，而增益太小，控制執(zhí)行動作很緩慢，而增益過大會使反饋超限，產(chǎn)生負(fù)反饋信號。

②Tn積分時間，即是復(fù)位時間。作為PID調(diào)節(jié)中的積分調(diào)節(jié)器，Tn設(shè)置能糾正設(shè)置量與過程變量的偏移值，改變過程反饋量與設(shè)置量一致的響應(yīng)時間。積分時間能定義在頻率控制或者電壓控制中響應(yīng)調(diào)節(jié)的靈敏度，增大Tn能使調(diào)節(jié)變緩慢，保證調(diào)節(jié)時間縮短；減小Tn能進(jìn)一步加速調(diào)節(jié)，用于SPM-D11不調(diào)節(jié)或調(diào)節(jié)不靈敏的狀態(tài)使用。

③Tv微分時間：適用于變量偏移量較大時，來減小過程變量超限的部分，正常狀態(tài)Tv為0，則此時微分器失效。當(dāng)需要增加Tv時，一般是過程變量偏移量過大，導(dǎo)致反饋超限，調(diào)節(jié)不平衡。

2.3 SPM-D11不輸出合閘信號，只能手動合閘發(fā)電機(jī)斷路器

2.3.1 故障現(xiàn)象。SPM-D11打到運(yùn)行模式，Gen CB free燈不亮，SPM14和SPM15不閉合，斷路器不合閘。

2.3.2 解決方案。①檢測SPM（3/4）腳是否有高電平；②檢查SPM后面接線端子排是否插緊固；③檢查SPM調(diào)節(jié)信號是否工作；④電壓互感器原副邊是否不對應(yīng)。

若以上全都正常，則更換SPM來測試。

2.4 發(fā)電機(jī)無法發(fā)電，勵磁板沒有輸出

這種情況的出現(xiàn)一般是勵磁板沒有電源，在控制線、屏蔽線等檢查無誤后，再檢查進(jìn)線變壓器保險等是否正常，若不正常，則勵磁板無電源，發(fā)電機(jī)無法正常發(fā)電。

2.5 SPM-D11檢測到發(fā)電機(jī)電壓為22V，但無頻率顯示

2.5.1 故障現(xiàn)象。柴油機(jī)啟車后，選擇開關(guān)S1旋轉(zhuǎn)至額定位置，SPM上電壓顯示為22V，但無頻率顯示

2.5.2 故障原因。若出現(xiàn)該現(xiàn)象，則說明發(fā)電機(jī)沒有發(fā)出電，去發(fā)電房對其進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)處于怠速階段。主要原因是剩磁不足，勵磁板DECS-100的最小工作電壓為5V，當(dāng)選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)至額定位置時，作用在勵磁板上的電壓為22/5=4.4，即DECS-100勵磁板未達(dá)到最小工作電壓，導(dǎo)致不發(fā)電，所以SPM上檢測不到頻率信號。

2.5.3 解決方案。①若勵磁繞組沒有剩磁，就要給勵磁充磁。充磁方法：取兩根短接線接24/12V的正負(fù)極，再將勵磁信號線取出，將負(fù)極與勵磁負(fù)極連接，正極對勵磁正極，一次次地充磁，每次充磁時會有閃光，最多3次即可充好。②勵磁信號檢測，勵磁線電壓在上電時應(yīng)該有5V左右，運(yùn)行到600V時就有12～25V的勵磁信號輸出；若沒有，則需要檢查勵磁繞組線正負(fù)極是否接反，再看勵磁繞組是否損壞。③勵磁板DECS-100的最低工作電壓為5V，由于電源變壓器為600∶120，變比為5，因此剩磁電壓需要高于25V，充磁的目的即是增加剩磁電壓。

2.6 柴油機(jī)啟車時SPM顯示電壓7～8V，幾秒鐘后停止

2.6.1 故障現(xiàn)象。柴油機(jī)啟車失敗，無法啟車。

2.6.2 故障原因。①執(zhí)行器輸入電阻不對或接線反了；②2301A電源未接；③2301A的3號燃油限制啟動點(diǎn)未得電；④2301A的5號端子額定合閘信號點(diǎn)未得電；⑤2301A旋鈕設(shè)置不正確，需要注意的是，增益旋鈕初始位置為中間位置（垂直向上），當(dāng)柴油機(jī)汽車抖動大時可適當(dāng)調(diào)小增益值；⑥注意檢查2301A的電源和3、5號端子必須得電。

2.7 SPM-D11控制中并車后出現(xiàn)逆功跳閘或功率分配不均勻

2.7.1 故障現(xiàn)象。并車后某臺出現(xiàn)逆功跳閘或功率分配不均勻。

2.7.2 解決方案。①檢查SPM參數(shù)設(shè)置，要求與DECS-100參數(shù)設(shè)置一致；②確定SPM的負(fù)荷分配線29、30連接正確，沒有虛接問題；③檢查SPM的電壓輸出12、13，頻率輸出9、10連接正確，若需要可反相測試；④確定SPM電流檢測互感器接法正確

2.8 SPM-D11檢測功率為負(fù)，功率因數(shù)很低

2.8.1 故障現(xiàn)象。單車發(fā)電機(jī)低負(fù)荷時功率因數(shù)低，顯示功率為負(fù)。

2.8.2 故障原因。電流互感器S1～S2接錯或者接觸不良，需要重新接電流互感器的線。

2.8.3 解決辦法。2 000∶5的電流互感器采集A、C兩相，其中SPM檢測A相，DECS-100檢測C相，在低負(fù)荷三相電流不均衡時，檢測C相電流要穩(wěn)定真實一些。出現(xiàn)電流檢測不準(zhǔn)，或功率出現(xiàn)負(fù)值，則需要檢查電流互感器的線路，特別是要接穩(wěn)，接緊固。功率為負(fù)則肯定是電流互感器的問題。電流互感器不能是開路，因此如果需要更換A、C相電流互感器時需要斷電，若需要去掉SPM的25、26互感器線時，需將互感器短接。

3 結(jié)語

本文在分析發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對鉆井隊經(jīng)常遇到及可能遇到的故障情況進(jìn)行分析，并提出相關(guān)解決方案，以期為快速解決發(fā)電機(jī)故障提供思路。

參考文獻(xiàn)：

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