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

任佳樂(lè) 羅魏 夏明星

摘 要：石油鉆井隊(duì)由于遠(yuǎn)離城市，一般無(wú)法使用公共電網(wǎng)，所以井場(chǎng)通常使用自己配置的發(fā)電機(jī)來(lái)發(fā)電。如果發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障，將對(duì)鉆井隊(duì)的工作帶來(lái)巨大影響，因此需要盡快查找問(wèn)題并排除故障。基于此，筆者依據(jù)自身工作經(jīng)驗(yàn)，探討發(fā)電機(jī)常見(jiàn)故障及解決辦法。

關(guān)鍵詞：石油井場(chǎng)；發(fā)電機(jī)；電控系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U28；TH1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電動(dòng)鉆機(jī)都由SPM-D11自動(dòng)并車(chē)，并通過(guò)2301A來(lái)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(lì)磁輸出器、SPM-D11同步并車(chē)模塊、S7-200控制單元、WB1850電力采集儀、選擇開(kāi)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(chǔ)能線圈、XF為合閘線圈、MX為分閘線圈、YU為欠壓線圈（見(jiàn)圖2）。正常情況下，合閘時(shí)儲(chǔ)能線圈得電230V，欠壓線圈得電230V，斷路器自動(dòng)儲(chǔ)能。當(dāng)發(fā)電600V、50Hz后，旋動(dòng)S1按鈕到并網(wǎng)，SPM觸發(fā)14、15腳閉合實(shí)現(xiàn)合閘功能。當(dāng)出現(xiàn)故障或手動(dòng)將S1旋鈕旋至運(yùn)行后，斷路器自動(dòng)分閘。

1.2 2301A速度調(diào)節(jié)器

2301A的作用是輸出一個(gè)模擬電壓給執(zhí)行器控制機(jī)械噴油嘴噴油，同時(shí)檢測(cè)速度傳感器信號(hào)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。正常情況下，柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，執(zhí)行器輸出電壓信號(hào)。2301A 3號(hào)端子得電24V，柴油機(jī)處于怠速模式，5號(hào)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(shí)，執(zhí)行器輸出5V以內(nèi)的直流電壓信號(hào)，從而控制發(fā)電機(jī)發(fā)出50Hz交流電。速度傳感器通過(guò)7、8號(hào)端子反饋實(shí)際轉(zhuǎn)速。并車(chē)后，SPM-D11通過(guò)15、16端子輸出正負(fù)3V電壓來(lái)控制2301A，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)發(fā)電機(jī)頻率一致，功率分配平衡。

1.3 DECS-100勵(lì)磁板控制板

勵(lì)磁板的作用是輸出勵(lì)磁電壓給發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)定子，從而通過(guò)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，發(fā)電電壓600V，同時(shí)通過(guò)測(cè)量變壓器以檢測(cè)發(fā)電機(jī)的電壓和電流，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

1.4 SPM-D11同步并車(chē)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(dòng)合閘和自動(dòng)并車(chē)。通過(guò)檢測(cè)發(fā)電機(jī)600V電壓和發(fā)電機(jī)電流，從而輸出合閘信號(hào)控制斷路器合閘。當(dāng)多臺(tái)發(fā)電機(jī)并車(chē)時(shí)，將S1開(kāi)關(guān)設(shè)置為并網(wǎng)模式，則SPM-D11檢測(cè)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(shí)，則自動(dòng)并車(chē)。并車(chē)后，通過(guò)29、30號(hào)端子進(jìn)行負(fù)荷分配。其中，29為有功，30為無(wú)功。當(dāng)負(fù)荷分配不均時(shí)，通過(guò)9、10端子控制2301A進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)；通過(guò)12、13端子控制6RA70進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，通過(guò)有功和無(wú)功最終實(shí)現(xiàn)功率的平衡。在負(fù)荷突變時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定與均勻的并車(chē)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(guò)選擇開(kāi)關(guān)S1選擇控制、怠速、額定、運(yùn)行、并車(chē)等不同檔位來(lái)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(shí)，檢測(cè)故障信號(hào)并輸出分閘信號(hào)給斷路器，實(shí)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(wú)法發(fā)電、無(wú)法啟車(chē)時(shí)，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(cè)三相電壓和三相電流，通過(guò)內(nèi)部計(jì)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(kāi)關(guān)S1

選擇開(kāi)關(guān)S1的作用是按步驟啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，分為停止、怠速、額定、運(yùn)行和并網(wǎng)5個(gè)檔位，通過(guò)手動(dòng)選擇檔位，按步驟啟動(dòng)柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)。

2 發(fā)電機(jī)常見(jiàn)故障及解決辦法

2.1 發(fā)電機(jī)無(wú)故跳閘

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣一種情況：負(fù)荷不大，負(fù)載波動(dòng)也不大，發(fā)電機(jī)無(wú)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(gè)參數(shù)都正常，則可以判斷出分閘信號(hào)Q0.4輸出的原因即是勵(lì)磁報(bào)警輸出1。勵(lì)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(lì)磁報(bào)警線AL1去掉，即去掉I1.0輸出點(diǎn)，即可保證勵(lì)磁報(bào)警偶然輸出被屏蔽。

導(dǎo)致跳閘的原因主要有以下幾個(gè)：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(hào)平時(shí)是斷開(kāi)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(wèn)題，需要檢查斷路器長(zhǎng)延時(shí)電流設(shè)定Ir值和長(zhǎng)延時(shí)跳閘延時(shí)Tr等參數(shù)；③SPM-D11的合閘信號(hào)14、15突然斷開(kāi)或分閘信號(hào)39、40突然斷開(kāi)導(dǎo)致的，要讓合閘信號(hào)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(huì)斷開(kāi)實(shí)現(xiàn)分閘；但發(fā)電機(jī)控制程序中沒(méi)有取其作為分閘條件，所以其輸出分閘信號(hào)不會(huì)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(hào)是否突然降低；第三，230V合閘信號(hào)是否突然中斷。若這些都是正常的，則可斷定是勵(lì)磁報(bào)警問(wèn)題。解決該問(wèn)題的方法是將勵(lì)磁報(bào)警線去掉。

2.2 SPM-D11帶載并車(chē)時(shí)負(fù)荷分配不均

2.2.1 故障現(xiàn)象。負(fù)荷一直在兩車(chē)之間上下增減，無(wú)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(lái)回跳動(dòng)，無(wú)法平衡。

2.2.2 解決方法。首先，檢查是否是發(fā)電機(jī)游車(chē)或者屏蔽性差導(dǎo)致的頻率不穩(wěn)定，并車(chē)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(shí)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)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(huì)增大，而增益太小，控制執(zhí)行動(dòng)作很緩慢，而增益過(guò)大會(huì)使反饋超限，產(chǎn)生負(fù)反饋信號(hào)。

②Tn積分時(shí)間，即是復(fù)位時(shí)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(guò)程變量的偏移值，改變過(guò)程反饋量與設(shè)置量一致的響應(yīng)時(shí)間。積分時(shí)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(shí)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(shí)間：適用于變量偏移量較大時(shí)，來(lái)減小過(guò)程變量超限的部分，正常狀態(tài)Tv為0，則此時(shí)微分器失效。當(dāng)需要增加Tv時(shí)，一般是過(guò)程變量偏移量過(guò)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(hào)，只能手動(dòng)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(cè)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(hào)是否工作；④電壓互感器原副邊是否不對(duì)應(yīng)。

若以上全都正常，則更換SPM來(lái)測(cè)試。

2.4 發(fā)電機(jī)無(wú)法發(fā)電，勵(lì)磁板沒(méi)有輸出

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

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

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

2.5.2 故障原因。若出現(xiàn)該現(xiàn)象，則說(shuō)明發(fā)電機(jī)沒(méi)有發(fā)出電，去發(fā)電房對(duì)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(lì)磁板DECS-100的最小工作電壓為5V，當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)至額定位置時(shí)，作用在勵(lì)磁板上的電壓為22/5=4.4，即DECS-100勵(lì)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(cè)不到頻率信號(hào)。

2.5.3 解決方案。①若勵(lì)磁繞組沒(méi)有剩磁，就要給勵(lì)磁充磁。充磁方法：取兩根短接線接24/12V的正負(fù)極，再將勵(lì)磁信號(hào)線取出，將負(fù)極與勵(lì)磁負(fù)極連接，正極對(duì)勵(lì)磁正極，一次次地充磁，每次充磁時(shí)會(huì)有閃光，最多3次即可充好。②勵(lì)磁信號(hào)檢測(cè)，勵(lì)磁線電壓在上電時(shí)應(yīng)該有5V左右，運(yùn)行到600V時(shí)就有12～25V的勵(lì)磁信號(hào)輸出；若沒(méi)有，則需要檢查勵(lì)磁繞組線正負(fù)極是否接反，再看勵(lì)磁繞組是否損壞。③勵(lì)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(chē)時(shí)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(chē)失敗，無(wú)法啟車(chē)。

2.6.2 故障原因。①執(zhí)行器輸入電阻不對(duì)或接線反了；②2301A電源未接；③2301A的3號(hào)燃油限制啟動(dòng)點(diǎn)未得電；④2301A的5號(hào)端子額定合閘信號(hào)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(chē)抖動(dòng)大時(shí)可適當(dāng)調(diào)小增益值；⑥注意檢查2301A的電源和3、5號(hào)端子必須得電。

2.7 SPM-D11控制中并車(chē)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(chē)后某臺(tái)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(méi)有虛接問(wèn)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(cè)試；④確定SPM電流檢測(cè)互感器接法正確

2.8 SPM-D11檢測(cè)功率為負(fù)，功率因數(shù)很低

2.8.1 故障現(xiàn)象。單車(chē)發(fā)電機(jī)低負(fù)荷時(shí)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(cuò)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(cè)A相，DECS-100檢測(cè)C相，在低負(fù)荷三相電流不均衡時(shí)，檢測(cè)C相電流要穩(wěn)定真實(shí)一些。出現(xiàn)電流檢測(cè)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(wèn)題。電流互感器不能是開(kāi)路，因此如果需要更換A、C相電流互感器時(shí)需要斷電，若需要去掉SPM的25、26互感器線時(shí)，需將互感器短接。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在分析發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)鉆井隊(duì)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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