石油井场发电机电控系统的一些常见故障及解决办法探究

任佳乐 罗魏 夏明星

摘 要：石油钻井队由于远离城市，一般无法使用公共电网，所以井场通常使用自己配置的发电机来发电。如果发电机出现故障，将对钻井队的工作带来巨大影响，因此需要尽快查找问题并排除故障。基于此，笔者依据自身工作经验，探讨发电机常见故障及解决办法。

关键词：石油井场；发电机；电控系统

中图分类号：U28；TH1 文献标识码：A 文章编号：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 發电机控制系统介绍

柴油发电机组控制系统是柴油发电机组的重要组成部分，是决定柴油发电机组性能及使用技术的核心所在[1]。发电机控制单元主要包括柴油机的转速控制及发电机输出电压的控制2大部分[2]。现今，绝大多数国内生产的电动钻机都由SPM-D11自动并车，并通过2301A来调速，DECS-100调压。柴油发电机组控制系统如图1所示。柴油发电机组控制系统的主要硬件包括交流进线断路器、2301A速度调节器、DECS-100励磁输出器、SPM-D11同步并车模块、S7-200控制单元、WB1850电力采集仪、选择开关S1和UPS电源。

1.1 交流进线断路器

进线断路器为1 600A，CH为储能线圈、XF为合闸线圈、MX为分闸线圈、YU为欠压线圈（见图2）。正常情况下，合闸时储能线圈得电230V，欠压线圈得电230V，断路器自动储能。当发电600V、50Hz后，旋动S1按钮到并网，SPM触发14、15脚闭合实现合闸功能。当出现故障或手动将S1旋钮旋至运行后，断路器自动分闸。

1.2 2301A速度调节器

2301A的作用是输出一个模拟电压给执行器控制机械喷油嘴喷油，同时检测速度传感器信号实现闭环控制。正常情况下，柴油机启动时，执行器输出电压信号。2301A 3号端子得电24V，柴油机处于怠速模式，5号端子得电24V，柴油机处于额定转速模式。达到额定转速时，执行器输出5V以内的直流电压信号，从而控制发电机发出50Hz交流电。速度传感器通过7、8号端子反馈实际转速。并车后，SPM-D11通过15、16端子输出正负3V电压来控制2301A，实现多台发电机频率一致，功率分配平衡。

1.3 DECS-100励磁板控制板

励磁板的作用是输出励磁电压给发电机的励磁机定子，从而通过柴油机驱动发电机旋转，发电电压600V，同时通过测量变压器以检测发电机的电压和电流，从而实现闭环控制。

1.4 SPM-D11同步并车模块

SPM-D11是一款基于微处理控制技术的同步装置，可以和很多品牌的调速器或调压器相兼容[3]。SPM-D11的作用是发电机自动合闸和自动并车。通过检测发电机600V电压和发电机电流，从而输出合闸信号控制断路器合闸。当多台发电机并车时，将S1开关设置为并网模式，则SPM-D11检测发电机电压和母排电压，当电压相同、频率相同、相位相同的三要素一致时，则自动并车。并车后，通过29、30号端子进行负荷分配。其中，29为有功，30为无功。当负荷分配不均时，通过9、10端子控制2301A进行频率调节；通过12、13端子控制6RA70进行电压调节，通过有功和无功最终实现功率的平衡。在负荷突变时进行动态调节，最终实现稳定与均匀的并车带载。

1.5 S7-200控制单元

S7-200控制单元的作用主要有以下几方面。一是通过选择开关S1选择控制、怠速、额定、运行、并车等不同档位来控制2301A速度调节器。二是当出现急停、欠压、欠频、逆功等状态时，检测故障信号并输出分闸信号给断路器，实现保护跳闸。S7-200是重要的功能元件，能起到集成继电器的作用。当出现无法发电、无法启车时，首先要检查S7-200的输出是否正常。

1.6 WB1850电力仪表

WB1850电力仪表的作用是检测三相电压和三相电流，通过内部计算出功率因数、有功功率并传递给PLC柜的MODBUS总线接收器，为PLC采集并转化发电机的各种参数。

1.7 选择开关S1

选择开关S1的作用是按步骤启动发电机，分为停止、怠速、额定、运行和并网5个档位，通过手动选择档位，按步骤启动柴油机和发电机。

2 发电机常见故障及解决办法

2.1 发电机无故跳闸

在实际运行过程中，经常会遇到这样一种情况：负荷不大，负载波动也不大，发电机无故跳闸，工控机上查询参数显示该发电机跳闸前所有参数都正常，但发电机仍然跳闸。

由于工控机显示各个参数都正常，则可以判断出分闸信号Q0.4输出的原因即是励磁报警输出1。励磁输出基本正常，而且断路器跳闸是偶然事件。为了杜绝这种现象，将励磁报警线AL1去掉，即去掉I1.0输出点，即可保证励磁报警偶然输出被屏蔽。

导致跳闸的原因主要有以下几个：①急停按钮突然通电I0.3=1导致断路器跳闸，但急停信号平时是断开的，基本不可能突然闭合导致急停输出；②断路器整定值存在问题，需要检查断路器长延时电流设定Ir值和长延时跳闸延时Tr等参数；③SPM-D11的合闸信号14、15突然断开或分闸信号39、40突然断开导致的，要让合闸信号丢失只能是切断14或15的230V电源才行，这基本是不可能的。

上述条件满足其一，则分闸点39、40会断开实现分闸；但发电机控制程序中没有取其作为分闸条件，所以其输出分闸信号不会影响断路器。此外，还要确定以下几点：第一，端子接线是否紧固；第二，24V信号是否突然降低；第三，230V合闸信号是否突然中断。若这些都是正常的，则可断定是励磁报警问题。解决该问题的方法是将励磁报警线去掉。

2.2 SPM-D11带载并车时负荷分配不均

2.2.1 故障现象。负荷一直在两车之间上下增减，无法分配均匀。具体现象是频率或电压不断相互调节，两组灯不断亮、灭来回跳动，无法平衡。

2.2.2 解决方法。首先，检查是否是发电机游车或者屏蔽性差导致的频率不稳定，并车出现逆功；其次，检查SPM-D11参数设置，频率控制模式中将积分时间Tn放大，设置为2.5～4.5s或更多，即可解决负荷分配时间过长的问题。

其中，频率控制和电压控制方式中，存在PID调节，其作用如下。

①Kp比例增益。顯示闭环控制系统的增益，增大Kp，将增大控制反馈，响应反馈量也会增大，而增益太小，控制执行动作很缓慢，而增益过大会使反馈超限，产生负反馈信号。

②Tn积分时间，即是复位时间。作为PID调节中的积分调节器，Tn设置能纠正设置量与过程变量的偏移值，改变过程反馈量与设置量一致的响应时间。积分时间能定义在频率控制或者电压控制中响应调节的灵敏度，增大Tn能使调节变缓慢，保证调节时间缩短；减小Tn能进一步加速调节，用于SPM-D11不调节或调节不灵敏的状态使用。

③Tv微分时间：适用于变量偏移量较大时，来减小过程变量超限的部分，正常状态Tv为0，则此时微分器失效。当需要增加Tv时，一般是过程变量偏移量过大，导致反馈超限，调节不平衡。

2.3 SPM-D11不输出合闸信号，只能手动合闸发电机断路器

2.3.1 故障现象。SPM-D11打到运行模式，Gen CB free灯不亮，SPM14和SPM15不闭合，断路器不合闸。

2.3.2 解决方案。①检测SPM（3/4）脚是否有高电平；②检查SPM后面接线端子排是否插紧固；③检查SPM调节信号是否工作；④电压互感器原副边是否不对应。

若以上全都正常，则更换SPM来测试。

2.4 发电机无法发电，励磁板没有输出

这种情况的出现一般是励磁板没有电源，在控制线、屏蔽线等检查无误后，再检查进线变压器保险等是否正常，若不正常，则励磁板无电源，发电机无法正常发电。

2.5 SPM-D11检测到发电机电压为22V，但无频率显示

2.5.1 故障现象。柴油机启车后，选择开关S1旋转至额定位置，SPM上电压显示为22V，但无频率显示

2.5.2 故障原因。若出现该现象，则说明发电机没有发出电，去发电房对其进行观察，发现发电机处于怠速阶段。主要原因是剩磁不足，励磁板DECS-100的最小工作电压为5V，当选择开关旋转至额定位置时，作用在励磁板上的电压为22/5=4.4，即DECS-100励磁板未达到最小工作电压，导致不发电，所以SPM上检测不到频率信号。

2.5.3 解决方案。①若励磁绕组没有剩磁，就要给励磁充磁。充磁方法：取两根短接线接24/12V的正负极，再将励磁信号线取出，将负极与励磁负极连接，正极对励磁正极，一次次地充磁，每次充磁时会有闪光，最多3次即可充好。②励磁信号检测，励磁线电压在上电时应该有5V左右，运行到600V时就有12～25V的励磁信号输出；若没有，则需要检查励磁绕组线正负极是否接反，再看励磁绕组是否损坏。③励磁板DECS-100的最低工作电压为5V，由于电源变压器为600∶120，变比为5，因此剩磁电压需要高于25V，充磁的目的即是增加剩磁电压。

2.6 柴油机启车时SPM显示电压7～8V，几秒钟后停止

2.6.1 故障现象。柴油机启车失败，无法启车。

2.6.2 故障原因。①执行器输入电阻不对或接线反了；②2301A电源未接；③2301A的3号燃油限制启动点未得电；④2301A的5号端子额定合闸信号点未得电；⑤2301A旋钮设置不正确，需要注意的是，增益旋钮初始位置为中间位置（垂直向上），当柴油机汽车抖动大时可适当调小增益值；⑥注意检查2301A的电源和3、5号端子必须得电。

2.7 SPM-D11控制中并车后出现逆功跳闸或功率分配不均匀

2.7.1 故障现象。并车后某台出现逆功跳闸或功率分配不均匀。

2.7.2 解决方案。①检查SPM参数设置，要求与DECS-100参数设置一致；②确定SPM的负荷分配线29、30连接正确，没有虚接问题；③检查SPM的电压输出12、13，频率输出9、10连接正确，若需要可反相测试；④确定SPM电流检测互感器接法正确

2.8 SPM-D11检测功率为负，功率因数很低

2.8.1 故障现象。单车发电机低负荷时功率因数低，显示功率为负。

2.8.2 故障原因。电流互感器S1～S2接错或者接触不良，需要重新接电流互感器的线。

2.8.3 解决办法。2 000∶5的电流互感器采集A、C两相，其中SPM检测A相，DECS-100检测C相，在低负荷三相电流不均衡时，检测C相电流要稳定真实一些。出现电流检测不准，或功率出现负值，则需要检查电流互感器的线路，特别是要接稳，接紧固。功率为负则肯定是电流互感器的问题。电流互感器不能是开路，因此如果需要更换A、C相电流互感器时需要断电，若需要去掉SPM的25、26互感器线时，需将互感器短接。

3 结语

本文在分析发电机控制系统的基础上，对钻井队经常遇到及可能遇到的故障情况进行分析，并提出相关解决方案，以期为快速解决发电机故障提供思路。

参考文献：

[1]肖勇，李东阳.柴油发电机组控制系统的模块设计[J].移动电源与车辆，2003（3）：19.

[2]赵宇.电动钻机动力控制系统的设计[D].西安：西安石油大学，2013.

[3]魏永武.SPM-D11模块在柴油发电机组控制系统中的应用[J].电气传动自动化，2007.