离心式压缩机控制系统直流稳压电源故障分析与研究

贾博

摘要：针对川气东送管道压缩机控制系统直流稳压电源发生故障的问题，考虑直流稳压电源、二极管冗余模块工作原理，对直流稳压电源故障排查分析及处理过程进行详细阐述，实现了及时发现故障源头，缩短故障排除时间，提前预防故障发生，为压缩机自控系统直流稳压电源故障排查提供了新思路。

关键词：川气东送管道;压缩机;直流稳压电源;故障分析

川气东送管道是继中石油西气东输管道之后国家又一条横贯东西部地区的天然气能源大动脉，西起四川普光，东至上海，途经四川、重庆、湖北、安徽、江苏、浙江、江西、上海等8省（直辖市），全长2229km。共有压气站7座，大型压缩机组23台套。压缩机作为天然气输气管道的心脏，其功能是给天然气增压、提速以达到所要求的输气量，压缩机组的高效、安全、平稳运行直接影响到天然气管道输气量。

控制系统作为压缩机组的控制中枢，内部各个部件安全正常工作与否至关重要，直流稳压电源模块是将交流220ACV转换为24DCV直流电的电源转换装置，为控制机柜内PLC、ESD、本特利及各类卡件等设备元器件供电。如果直流稳压电源模块发生故障，控制机柜就会全部断电，控制系统瘫痪，从而导致压缩机组停机，影响天然气长输管道正常输供气。本文对直流稳压电源模块故障进行分析、研究，结合运行情况提出建议措施，提高机组运行的稳定性和可靠性。

一、压缩机控制系统直流稳压电源工作结构及原理

直流稳压电源模块是交流220ACV转换为24DCV直流电的电源转换装置。压缩机控制机柜中有4个电源转换模块，直流电源01和直流电源02采用双供电模式分别接入二极管冗余模块，给同一个母线汇流排供电，该母线汇流排的供电设备有本特利系统、控制PLC主机架及卡件;直流电源。和直流电源04采用双供电模式分别接入二极管冗余模块，给同一个母线汇流排供电，该母线汇流排的供电设备有本特利、PLC机架和以太网交换机供电。

直流电源模块按照稳压原理来分，一般包括串联稳压电源和开关稳压电源两大类。两类直流稳压电源各有其优缺点：串联稳压电源电路简单，纹波小，但效率低。开关稳压电源效率高、体积小，但电路复杂，对周围的电子系统影响大[1]。利川压气站压缩机控制系统采用的是串联稳压电源。

串联直流稳压电源一般交流220V经过隔离变压器降到交流低压，通过桥式整流回路把交流电转换为低压直流电，在通过电容组成的滤波回路过滤电流中的一次谐波，通过采样板对电流电压采样校准后，通过电容器组成的稳压电路达到直流输出效果（2.s）

在压缩机控制系统中，控制器等设备需要的电流并不多，但却不允许断电。如果断电后，重要数据丢失，会造成重大损失，使用二极管冗余模块，可以搭建供电系统，整个系统有两个电源同时提供电流且互相不会出现电流反串现象。当一台电源发生故障时，另一台电源仍可以保障设备正常工作。二极管冗余模块工作原理：晶体二极管为一个由P型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场;当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态;当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流;当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流[4，5]。（见图1）

二、压缩机直流电源模块故障分析与处理

2019年，利用压气站一台热备压缩机组上位机出现报警，第一时间打开控制机柜后发现机柜里面有烧焦的异味，且直流电源02.04模块指示灯熄灭。

（一）故障原因分析

为判断电源故障原因，对02故障直流电源进行拆卸，发现直流电源内部发生灼烧痕迹，经查阅图纸资料，发生灼烧的元器件为陶瓷电容。分析发生灼烧的原因可能有以下两个方面：

1.直流电源上下游侧有过压情况

对压缩机组直流电源输入输出侧进行逐个测量电压，未发现有过压的情况。如果直流电源输入侧（即UPS输出）发生过电压情况，其他直流电源均会受到影响，现场实际只有这一个直流电源发生故障，未发现其他直流电源受影响或产生过报警;如果是输出侧存在过压过载情况，直流电源输出侧下游的二极管模块会先于直流电源发生故障，而不是现场实际发生的直流电源先于二极管模块发生故障。现场的直流电源输出侧下游二极管模块经测试正常。

故判断故障原因排除是由于直流电源上下游侧有过压情况导致的。

2.由于产品自身质量和寿命导致

分析是可能由于该陶瓷电容的制造工艺不良或是产品寿命所限，导致陶瓷电容内部构件击穿、电容外壳绝缘损坏或是内部元件的瞬时过压过流，进而引起物理、化学、电气效应，造成电容局部灼烧甚至爆炸，引起直流电源故障受损。

经查阅资料并咨询多家直流电源生产厂家，由于产品自身质量和寿命所导致的直流电源电容灼烧甚至爆炸这类情况发生概率较高，由此判断该机组控制机柜直流电源的故障是由于产品自身质量和寿命导致。

（二）故障问题排查

1.查找发现对02直流电源模块供电的QFO1断路器跳闸，对其04直流电源模块供电的QF02断路器未跳闸。QFO1断路器与QF02断路器并联在同一路进线上，用万用表测量QF01断路器与QF02断路器进线电压，无电压;

2.再测量QF01断路器与QF02断路器上游015FL1进出线电压，无电压;

3.然后测量匕游电源进出线电压，无电压;

4.检查发现电源进线上游空气开关跳闸。

（三）故障处理过程

1.斷开QF01断路器与QF02断路器，合上进线上游空气开关;

2.用万用表测量机柜电源进出线电压，电压正常223AV;

3.由于发生故障时，QF02断路器未跳闸，判断04直流电源转换模块正常;单独合上QF02断路器时，对应04直流转换电源模块显示正常;

4.由于发生故障时，QF01断路器跳闸，可能是02电源转换模块故障，直接断开。电源转换模块进出线，并断开故障输出线保险;

5.单独测试02直流电源转换模块，在机柜间市电直接接入220VAC电源，接入02电源转换模块进线，通过测试，02电源转换模块电源指示灯不亮，推测电源模块烧坏。

（四）故障处理方法

1.为进一步确定02直流电源转换模块问题，并排除二极管冗余模块故障，我们用万用表对二极管冗余模块进行电阻值测量，正向测量电阻为180Q，反向测量电阻无穷大，并以正常工作的二极管冗余模块作为参考，测量结果一致。同时控制机柜未发现其他异常情况和报警，判断确定是02直流电源自身故障[6]。

2.对02直流电源拆卸，发现电源顶部有明显被烧焦痕迹。

3.更换新的直流稳压电源模块，接线完成后进行供电测试，工作正常。

4.在控制系统上位机上确认报警项，消除直流电源故障报警。

三、结束语

本文针对川气东送管道利川压气站压缩机自动控制系统直流稳压电源故障进行深入分析，并在优化处理故障过程方面進行研究，对直流稳压电源工作原理的掌握可以及时发现故障源头，缩短故障排除时间。这样不仅提高了工作效率，保证自控系统设备安全平稳运行，还可以提前预防直流稳压电源故障发生，为工业生产中解决自动控制系统直流稳压电源故障问题提供了一种参考。

参考文献：

[1]陈威敏，孟晓风，王国华.远程监测与故障诊断系统研究[J].电子设计工程，2011（07）：138.

[2]凌云峰，孙晨亮，孙艳丽，毕涛.直流稳压电源常见故障分析与排查[J].电子设计工程，2015（13）：155-157.

[3]樊瑆，王彬.直流稳压电源的常见故障分析障[J].炼油与化工，2015，26（06）：58-59.

[4]吴恒玉，唐民丽，何玲，等.基于89551单片机的数控直流稳压源的设计[J].制造业自动化，2011，32（01）：95-96.

[5]杜文霞，吕峰，杨俊华·支持向量机在变压器故障诊断中的应用研究[J].自动化仪表，2011，32（6）：29-31.

[6]陈磊.主整流桥在730E上的应用与故障分析[J].铜业工程，2019（02）：36-39.