柴油发电机电池电压暂降故障处理

邹 菁，张海荣

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江 524057）

0 引言

某海上平台正常生产过程中，使用中心平台的透平电力源。在平台失去透平主电时，应急柴油发电机为该平台关键和重要应急设备提供电力源。应急柴油发电机组还用于海上油气田海底管线应急置换、井口平台压井以及中心平台黑启动，对海上平台安全连续稳定生产起着非常重要的作用。应急柴油发电机是在应急状态下保障海上油气田正常通信和工作等重要单元。平台失去主电后，该发电机是通信、消防、救援唯一电力源。确保该发电机启动及运行正常是平台维修班组的重要工作内容。

某平台配备一台康明斯CUMMINS/斯坦福STAMFORD 柴油发电机组，能够满足机组持续运行18 h，额定持续输出功率800 kW，功率因数0.8，额定电压400 V，采用3 相3 线不接地，运行过载10%。配备2 套电池组做启动电源，电池组额定电压24 V，额定容量400 A·h，采用一用一备运转模式，通过隔离刀闸手动切换。

1 故障现象

自油田投产以来，某海上平台应急柴油发电机定期测试，可以实现正常启停功能。但由于原8660 并网控制模块只具备一次并网操作机会，对平台柴油发电机进行并网优化改造。通过GENSSYS 2.0 并网控制模块控制，通过前置面板按键实现启机、停机、合闸/分闸、并网等功能。在启动测试应急机组时，出现启动失败故障，GENSSYS 2.0 前置面板报“Boot Failure”故障，按“Reset”键能复位已触发的故障，重新启动机组依然失败。在机组启动瞬间用万用表测量电池输出端电压由24 V 降至16 V，并网控制器启动信号输出继电器反复吸合，发光二极管频闪。

2 启动系统构成

柴油发电机组的启动由启动系统完成。启动系统主要由蓄电池、点火开关、启动马达、继电器或电磁开关、启动马达啮合传动机构等组成（图1）。启动系统工作原理：开启点火开关后接通蓄电池和启动控制电路，启动继电器通电接通启动马达与蓄电池，控制拨叉拨动使启动马达齿轮与发动机飞轮啮合。启动机的驱动齿轮转动，带动发动机飞轮和曲轴旋转，短暂启动后柴油发电机进入自动运转状态，同时启动机驱动齿轮自动脱离启动马达的啮合齿轮。另外，启动系统的保护电路保证启动机不会因误操作而启动，通过控制模块监测发动机的运转情况是否能开启启动马达。

3 故障排除

图1 柴油发电机启动电路

（1）蓄电池容量不足或启动马达出现故障。排查方法：利用远程7320 控制模块启动应急柴油发电机组启动正常，由于本地GENSSYS 2.0 并网控制器与远程7320 控制模块使用同一套启动装置，排除电池容量不足或启动马达故障的可能性。

（2）启动瞬间供电电源不足，导致控制模块无法正常工作。排查方法：在备用电池组并线引电至GENSSYS 2.0 并网控制模块单独供电，主电池组做启动电源，启动机组正常，从而确认该故障是由启动瞬间蓄电池电压跌落导致并网控制器供电不足，引起控制模块无法正常工作。

4 蓄电池电压低原因分析

4.1 启动瞬间负载分压小

蓄电池是有内阻的电源，未接负载时电池端电压为开路电压，接负载时负载分压小于开路电压，称为闭路电压。电池内阻是指电池工作时电流流过电池内部受到的阻力，由欧姆电阻、电化学内阻及离子迁移内阻组成。

电池内阻越大，放电电流越大，则负载分压越小。柴油发电机启动电路电流流向：蓄电池正极→启动马达接线柱→电磁开关→励磁线圈→电刷→电枢线圈→搭铁→蓄电池负极。在启动瞬间蓄电池向电马达放电，电马达电枢转子角速度为0，未建立起感应电动势，电枢线圈处于短路状态。故启动电流为I=EB/（RM+RB+RL），Ur=IRM，其中，EB——蓄电池开路端电压，Ur——负载分压，RM——电马达电枢电阻，RB——蓄电池内阻，RL——电缆电阻。

蓄电池组标称开路电压为24 V，蓄电池标准内阻为1.7 mΩ（容量200 A·h），电磁开关接触电阻应低于1 mΩ，电马达电枢电阻接近0 Ω，启动主回路总电阻为毫欧级。可计算出启动电流很大，极端情况下瞬间启动电流达1000 A 以上。根据上述2 个计算公式，蓄电池内阻电压提高到8～10 V，负载分压仅为14～16 V。

GENSSYS 2.0 并网控制器对供电电源要求较高，蓄电池大电流放电造成蓄电池输出电压降低至低谷。GENSSYS 2.0 并网控制器输出继电器不能完全吸合，控制器检测到电池电压低于16 V 时可能会反复重启，因为逻辑运算单元需要稳定的输入电源才能正常工作。

4.2 蓄电池过度放电

蓄电池放电到终止电压时其内阻增大，电池极板微孔和电池极板表面几乎都处于中性。当然电池体积也会出现发热膨胀，浓度较大的硫酸铅以结晶的形式形成颗粒状物，导致电池内部形成不可逆硫酸盐化现象。晶体导电性能低，这就会堵塞电池极板微孔，影响电解液渗透，从而阻止蓄电池电能与化学能的可逆性转换。

5 并网控制器稳压方案

PN 结具有单向导电性，是电子技术中许多器件所利用的特性。如果电源的正极接P 区，负极接N 区，外加的正向电压有一部分降落在PN 结区，PN 结处于正向偏置。电流便从P 型一边流向N 型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。如果电源的正极接N 区，负极接P 区，外加的反向电压有一部分降落在PN 结区，PN 结处于反向偏置。则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。

这样可利用以PN 结为物质基础制造的半导体二极管，将GENSSYS 2.0 并网控制模块供电电源由单组电池供电改造成双组电池供电。在供电回路中增加二极管，当二极管的正向端（正极）电压高于负向端（负极）电压时，二极管导通，有电流流过二极管；当二极管的正向端（正极）电压低于负向端（负极）电压时，二极管截止，没有电流流过二极管。

改造后的GENSSYS 2.0 并网模块供电回路如图2 所示，用电池组A 做为启动电池时，启动瞬间电池组A 电压拉低至16 V，二极管D2 立即导通，GENSSYS 2.0 模块由备用电池组B 供电，保证供电电源始终维持在24 V 以上；启动结束后，电池组A 电池恢复至24 V 以上，二极管D2 截止，GENSSYS 2.0模块切换为电池组A 供电。改造完成后，采用本地GENSSYS 2.0 模块可以正常启动应急柴油发电机组。

图2 改造后的GENSSYS 2.0 并网模块供电回路

6 结束语

应急柴油发电机作为海上平台生产的关键设备，一旦发生故障必将影响平台安全生产和生活。由于机组系统相对复杂，故障排除费时、费力，作业难度大。通过此次稳压电路改造后，经过近半年运行，应急柴油发电机未出现启动故障。通过此次改造，不仅验证了排除应急发电机失败的故障分析方法及思路，也证明了该电路改造方法科学可行。