海洋石油设备控制电路暂态压降的校核分析与有效控制

任林鹏

中海石油（中国）有限公司天津分公司曹妃甸作业公司 天津 300459

在海洋石油平台供配电系统中，目前基本采用集中控制模式，供配电通过电机控制中心（Motor Control Center，MCC）进行集中管理，远程控制布置在生产现场的各种电气设备，控制线路较长，且通常采用接触器作为电动机主供电回路的分断器件。接触器线圈两端电压是影响接触器吸合可靠性的重要外部因素，接触器线圈为控制电路主要负载，且为感性负载，线圈两端稳态电压是接触器持续稳定吸合的保证，线圈通电瞬间的两端电压是影响接触器吸合速度的关键因素。接触器的吸合速度决定了分断触点的使用寿命、电机启停的速度、逻辑指令的响应速度等。

相关文献多关注接触器稳定运行状态下的电压降计算［1-2］，对于接触器吸合瞬间电压降的计算和适用于生产作业现场的接触器吸合瞬间压降计算方法的说明较少。针对海洋石油平台出现的接触器吸合速度慢、吸合声音异常、中控短时触发信号偶发性失效等问题，计算校核低压控制电路暂态压降具有一定参考意义。

1 暂态压降计算和校核程序编制

通常接触器线圈两端电压影响接触器的吸合可靠性。《低压开关设备和控制设备 第4-1 部分：接触器和电动机起动器机电式接触器和电动机起动机（含电动机保护器）》（GB/T 14048.4—2020）规定：单独使用或装在起动器中使用的电磁式接触器，在其额定控制电源电压的85%～110%之间任何值应可靠地闭合［3］。此范围的85%适用于下限值，110%适用于上限值。通过计算校核接触器线圈两端电压是否满足运行使用要求，判断分析接触器是否处于可靠使用状态。

1.1 暂态压降计算方法

1.1.1 稳态压降计算

按照目前海上平台低压配电线路通用模式，电源一般在MCC通过低压配电盘供电抽屉配送，启动和停止按钮盒在现场布放，其控制线路较长（停止按钮在控制线路中串接），通常使用式（1）计算控制电路稳态电压降：

1.1.2 暂态压降计算

式（1）中负载电流为主要参与计算的变量，便于稳态压降计算。因为暂态负载电流不便于工程计算，所以式（1）不便于对暂态压降进行计算。

在实际工程应用中，以现阶段海洋石油平台配电系统为例，通常在接触器控制电路中存在控制电源变压器、接触器线圈、按钮、指示灯等元器件。接触器线圈是此控制回路的主要负载，且感性线圈在吸合瞬间对控制电路负载电流影响较大。因此，在研究控制电路暂态压降时，可忽略按钮等元件对负载电流的影响。以接触器吸合瞬间电流代替负载电流参与式（1）计算。

在忽略暂态压降的情况下，吸合暂态电流可由吸合功耗及额定电流计算，如式（3）所示：

结合式（1）和（3），得出控制电路暂态压降计算关系，如式（4）所示：

以海洋石油某平台注水增压泵电机控制电路为例，经查阅图纸资料，此控制线路总长L约190 m，控制用铜电缆线芯为1.5 mm2，控制回路电源电压为110 V，使用施耐德LC1D205F7C型接触器，经查阅接触器厂家技术参数，接触器吸合功耗为805 VA。

将相关数据代入式（4），计算如下：

可知此控制回路存在38.71%的暂态压降，说明在接触器吸合瞬间，接触器线圈两端剩余电压为61.29%，瞬间吸合电压低于《低压开关设备和控制设备 第4-1 部分：接触器和电动机起动器机电式接触器和电动机起动机（含电动机保护器）》（GB/T 14048.4—2020）规定的接触器可靠吸合下限电压（85%）。该平台注水增压泵电机在启动瞬间存在接触器吸合速度慢、声音异常、中控短时触发信号偶发性失效等问题，与计算得出的暂态电压下降过大相吻合。

1.2 压降校核程序编制

1.2.1 数据库建立

海洋石油平台低压电机配电系统中使用的接触器具有一定通用性，常使用同系列接触器。基于Microsoft Excel软件，建立接触器数据库，将平台中使用的接触器型号、厂家、吸合功耗、保持功耗的数据统一进行查找录入，以便于同型号接触器压降的校核使用。

1.2.2 人机交互

为便于使用与交互，使用Microsoft Visual Basic for Applications软件进行组态，以实现交互界面与数据库、计算程序的数据交互。交互界面可读取数据库中的接触器技术参数、电压等级、电缆截面积对应电阻等数据。操作人员可在交互界面的下拉菜单简便选取接触器型号、电缆截面积、电压等级等数据，手动输入电缆长度后，点击“开始校核”按钮，系统自动调取数据库相应参数进行数学计算与逻辑分析，并将暂态压降及校核结果输出至交互界面，如图1 所示。

图1 校核系统交互界面Fig.1 Interface of check system

1.2.3 逻辑程序

使用Microsoft Visual Basic for Applications软件进行源代码编写，实现与数据库、交互界面的数据流传输及校核结果的逻辑判断，如图2 所示。

图2 主要源代码Fig.2 Main source code

源代码将数据库中的接触器型号等数据传送至交互界面下拉菜单，并将菜单中选取数据的对应计算参数传送至Microsoft Excel中参与计算。暂态压降的计算结果在传送至交互界面的同时，也输入源代码中参与逻辑分析，最终将“校核结果”中的文字反馈至交互界面。

源代码实现了系统的自动计算与分析，减少了人工计算分析的工作量。

1.2.4 应用与效果

使用此“控制电压暂态压降自动校核系统”对海洋石油某平台注水增压泵电机控制电路进行暂态压降校核，发现其压降不符合标准（GB/T 14048.4—2020），解释了注水增压泵启动时接触器吸合速度慢、吸合声音异常、中控短时触发信号偶发性失效等现象的原因，为长距离高压降控制电路的设计提供了理论计算基础。

使用此系统对该平台其余低压电机配电控制回路压降进行校核，也发现平台污油泵电机控制电路存在暂态压降过大现象。

2 长距离控制电路设计

通过分析式（4），得出以下结论：对于已投产运行的海洋石油配电系统，在暂态压降过大的情况下，可以通过更改现场设备位置、增大控制电缆截面积、增大控制电路额定电压等级、更换使用小吸合功耗接触器等进行优化，但以上方案工作量较大，在已投运的海洋石油设施中使用的可行性较低。

海洋石油平台配电系统长距离控制电路的合理设计对解决接触器暂态压降过大问题具有一定实际意义。通常中间继电器的吸合功耗远小于接触器的吸合功耗，可在长距离控制电路中使用中间继电器，将大功耗接触器设计在短距离控制电路中，由中间继电器的辅助触点控制短距离控制回路中的接触器，以小功耗中间继电器控制大功耗接触器，以解决长距离控制电路暂态压降过大问题。

2.1 降低功耗设计

如图3 所示,在原始设计中，操作人按下启动按钮后，中间继电器K1 与主接触器KM同时得电吸合，但由于主接触器KM在吸合瞬间暂态压降过大，不满足吸合条件，只能通过长按启动按钮进入稳态情况后实现主接触器KM吸合，难以满足正常使用的工况。将启动按钮同时控制中间继电器K1 与主接触器KM线圈转变为单一控制中间继电器K1 线圈。中间继电器的工作原理和交流接触器相似，利用中间继电器的最小吸合电压比主接触器最小吸合电压小的原理，以中间继电器K1 作为中转，使主接触器KM得电。

图3 原始设计Fig.3 Original design

2.2 中间继电器的选择

在海洋石油平台配电柜内剩余空间较少、不便于新增中间继电器的情况下，可合理分析盘柜内原有元件的功能及剩余触点情况，重点考虑使用盘柜内部原有中间继电器进行改造。在此线路中，对中间继电器K1 接线进行优化改造，如图4 所示，测试启动效果良好，中继电器K1 原功能也得以保留。

图4 优化设计Fig.4 Optimal design

3 结 语

本文以海洋石油某平台注水增压泵电机控制电路为研究对象，以提高接触吸合可靠性及速度为研究目的，围绕典型控制电路暂态压降，进行工程计算方法、批量校核工具、典型电路设计研究，提出了适用于现阶段海洋石油平台配电系统中控制电路暂态压降的计算方法，编制并使用了“控制电压暂态压降自动校核系统”软件，对平台低压控制电路压降进行校核，揭示了接触器吸合速度慢、不稳定、异响等现象的深层原因，提出并实施了长距离控制电路设计优化方案，为海洋石油平台安全环保、工艺流程中的电动设备运行控制提供了技术支持。■