柴油發電機電池電壓暫降故障處理

鄒 菁，張海榮

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

某海上平臺正常生產過程中，使用中心平臺的透平電力源。在平臺失去透平主電時，應急柴油發電機為該平臺關鍵和重要應急設備提供電力源。應急柴油發電機組還用于海上油氣田海底管線應急置換、井口平臺壓井以及中心平臺黑啟動，對海上平臺安全連續穩定生產起著非常重要的作用。應急柴油發電機是在應急狀態下保障海上油氣田正常通信和工作等重要單元。平臺失去主電后，該發電機是通信、消防、救援唯一電力源。確保該發電機啟動及運行正常是平臺維修班組的重要工作內容。

某平臺配備一臺康明斯CUMMINS/斯坦福STAMFORD 柴油發電機組，能夠滿足機組持續運行18 h，額定持續輸出功率800 kW，功率因數0.8，額定電壓400 V，采用3 相3 線不接地，運行過載10%。配備2 套電池組做啟動電源，電池組額定電壓24 V，額定容量400 A·h，采用一用一備運轉模式，通過隔離刀閘手動切換。

1 故障現象

自油田投產以來，某海上平臺應急柴油發電機定期測試，可以實現正常啟停功能。但由于原8660 并網控制模塊只具備一次并網操作機會，對平臺柴油發電機進行并網優化改造。通過GENSSYS 2.0 并網控制模塊控制，通過前置面板按鍵實現啟機、停機、合閘/分閘、并網等功能。在啟動測試應急機組時，出現啟動失敗故障，GENSSYS 2.0 前置面板報“Boot Failure”故障，按“Reset”鍵能復位已觸發的故障，重新啟動機組依然失敗。在機組啟動瞬間用萬用表測量電池輸出端電壓由24 V 降至16 V，并網控制器啟動信號輸出繼電器反復吸合，發光二極管頻閃。

2 啟動系統構成

柴油發電機組的啟動由啟動系統完成。啟動系統主要由蓄電池、點火開關、啟動馬達、繼電器或電磁開關、啟動馬達嚙合傳動機構等組成（圖1）。啟動系統工作原理：開啟點火開關后接通蓄電池和啟動控制電路，啟動繼電器通電接通啟動馬達與蓄電池，控制撥叉撥動使啟動馬達齒輪與發動機飛輪嚙合。啟動機的驅動齒輪轉動，帶動發動機飛輪和曲軸旋轉，短暫啟動后柴油發電機進入自動運轉狀態，同時啟動機驅動齒輪自動脫離啟動馬達的嚙合齒輪。另外，啟動系統的保護電路保證啟動機不會因誤操作而啟動，通過控制模塊監測發動機的運轉情況是否能開啟啟動馬達。

3 故障排除

圖1 柴油發電機啟動電路

（1）蓄電池容量不足或啟動馬達出現故障。排查方法：利用遠程7320 控制模塊啟動應急柴油發電機組啟動正常，由于本地GENSSYS 2.0 并網控制器與遠程7320 控制模塊使用同一套啟動裝置，排除電池容量不足或啟動馬達故障的可能性。

（2）啟動瞬間供電電源不足，導致控制模塊無法正常工作。排查方法：在備用電池組并線引電至GENSSYS 2.0 并網控制模塊單獨供電，主電池組做啟動電源，啟動機組正常，從而確認該故障是由啟動瞬間蓄電池電壓跌落導致并網控制器供電不足，引起控制模塊無法正常工作。

4 蓄電池電壓低原因分析

4.1 啟動瞬間負載分壓小

蓄電池是有內阻的電源，未接負載時電池端電壓為開路電壓，接負載時負載分壓小于開路電壓，稱為閉路電壓。電池內阻是指電池工作時電流流過電池內部受到的阻力，由歐姆電阻、電化學內阻及離子遷移內阻組成。

電池內阻越大，放電電流越大，則負載分壓越小。柴油發電機啟動電路電流流向：蓄電池正極→啟動馬達接線柱→電磁開關→勵磁線圈→電刷→電樞線圈→搭鐵→蓄電池負極。在啟動瞬間蓄電池向電馬達放電，電馬達電樞轉子角速度為0，未建立起感應電動勢，電樞線圈處于短路狀態。故啟動電流為I=EB/（RM+RB+RL），Ur=IRM，其中，EB——蓄電池開路端電壓，Ur——負載分壓，RM——電馬達電樞電阻，RB——蓄電池內阻，RL——電纜電阻。

蓄電池組標稱開路電壓為24 V，蓄電池標準內阻為1.7 mΩ（容量200 A·h），電磁開關接觸電阻應低于1 mΩ，電馬達電樞電阻接近0 Ω，啟動主回路總電阻為毫歐級。可計算出啟動電流很大，極端情況下瞬間啟動電流達1000 A 以上。根據上述2 個計算公式，蓄電池內阻電壓提高到8～10 V，負載分壓僅為14～16 V。

GENSSYS 2.0 并網控制器對供電電源要求較高，蓄電池大電流放電造成蓄電池輸出電壓降低至低谷。GENSSYS 2.0 并網控制器輸出繼電器不能完全吸合，控制器檢測到電池電壓低于16 V 時可能會反復重啟，因為邏輯運算單元需要穩定的輸入電源才能正常工作。

4.2 蓄電池過度放電

蓄電池放電到終止電壓時其內阻增大，電池極板微孔和電池極板表面幾乎都處于中性。當然電池體積也會出現發熱膨脹，濃度較大的硫酸鉛以結晶的形式形成顆粒狀物，導致電池內部形成不可逆硫酸鹽化現象。晶體導電性能低，這就會堵塞電池極板微孔，影響電解液滲透，從而阻止蓄電池電能與化學能的可逆性轉換。

5 并網控制器穩壓方案

PN 結具有單向導電性，是電子技術中許多器件所利用的特性。如果電源的正極接P 區，負極接N 區，外加的正向電壓有一部分降落在PN 結區，PN 結處于正向偏置。電流便從P 型一邊流向N 型一邊，空穴和電子都向界面運動，使空間電荷區變窄，電流可以順利通過。如果電源的正極接N 區，負極接P 區，外加的反向電壓有一部分降落在PN 結區，PN 結處于反向偏置。則空穴和電子都向遠離界面的方向運動，使空間電荷區變寬，電流不能流過。

這樣可利用以PN 結為物質基礎制造的半導體二極管，將GENSSYS 2.0 并網控制模塊供電電源由單組電池供電改造成雙組電池供電。在供電回路中增加二極管，當二極管的正向端（正極）電壓高于負向端（負極）電壓時，二極管導通，有電流流過二極管；當二極管的正向端（正極）電壓低于負向端（負極）電壓時，二極管截止，沒有電流流過二極管。

改造后的GENSSYS 2.0 并網模塊供電回路如圖2 所示，用電池組A 做為啟動電池時，啟動瞬間電池組A 電壓拉低至16 V，二極管D2 立即導通，GENSSYS 2.0 模塊由備用電池組B 供電，保證供電電源始終維持在24 V 以上；啟動結束后，電池組A 電池恢復至24 V 以上，二極管D2 截止，GENSSYS 2.0模塊切換為電池組A 供電。改造完成后，采用本地GENSSYS 2.0 模塊可以正常啟動應急柴油發電機組。

圖2 改造后的GENSSYS 2.0 并網模塊供電回路

6 結束語

應急柴油發電機作為海上平臺生產的關鍵設備，一旦發生故障必將影響平臺安全生產和生活。由于機組系統相對復雜，故障排除費時、費力，作業難度大。通過此次穩壓電路改造后，經過近半年運行，應急柴油發電機未出現啟動故障。通過此次改造，不僅驗證了排除應急發電機失敗的故障分析方法及思路，也證明了該電路改造方法科學可行。