離心式壓縮機控制系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源故障分析與研究

賈博

摘要：針對川氣東送管道壓縮機控制系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源發(fā)生故障的問題，考慮直流穩(wěn)壓電源、二極管冗余模塊工作原理，對直流穩(wěn)壓電源故障排查分析及處理過程進行詳細闡述，實現(xiàn)了及時發(fā)現(xiàn)故障源頭，縮短故障排除時間，提前預防故障發(fā)生，為壓縮機自控系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源故障排查提供了新思路。

關(guān)鍵詞：川氣東送管道;壓縮機;直流穩(wěn)壓電源;故障分析

川氣東送管道是繼中石油西氣東輸管道之后國家又一條橫貫東西部地區(qū)的天然氣能源大動脈，西起四川普光，東至上海，途經(jīng)四川、重慶、湖北、安徽、江蘇、浙江、江西、上海等8?。ㄖ陛犑校?，全長2229km。共有壓氣站7座，大型壓縮機組23臺套。壓縮機作為天然氣輸氣管道的心臟，其功能是給天然氣增壓、提速以達到所要求的輸氣量，壓縮機組的高效、安全、平穩(wěn)運行直接影響到天然氣管道輸氣量。

控制系統(tǒng)作為壓縮機組的控制中樞，內(nèi)部各個部件安全正常工作與否至關(guān)重要，直流穩(wěn)壓電源模塊是將交流220ACV轉(zhuǎn)換為24DCV直流電的電源轉(zhuǎn)換裝置，為控制機柜內(nèi)PLC、ESD、本特利及各類卡件等設備元器件供電。如果直流穩(wěn)壓電源模塊發(fā)生故障，控制機柜就會全部斷電，控制系統(tǒng)癱瘓，從而導致壓縮機組停機，影響天然氣長輸管道正常輸供氣。本文對直流穩(wěn)壓電源模塊故障進行分析、研究，結(jié)合運行情況提出建議措施，提高機組運行的穩(wěn)定性和可靠性。

一、壓縮機控制系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源工作結(jié)構(gòu)及原理

直流穩(wěn)壓電源模塊是交流220ACV轉(zhuǎn)換為24DCV直流電的電源轉(zhuǎn)換裝置。壓縮機控制機柜中有4個電源轉(zhuǎn)換模塊，直流電源01和直流電源02采用雙供電模式分別接入二極管冗余模塊，給同一個母線匯流排供電，該母線匯流排的供電設備有本特利系統(tǒng)、控制PLC主機架及卡件;直流電源。和直流電源04采用雙供電模式分別接入二極管冗余模塊，給同一個母線匯流排供電，該母線匯流排的供電設備有本特利、PLC機架和以太網(wǎng)交換機供電。

直流電源模塊按照穩(wěn)壓原理來分，一般包括串聯(lián)穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源兩大類。兩類直流穩(wěn)壓電源各有其優(yōu)缺點：串聯(lián)穩(wěn)壓電源電路簡單，紋波小，但效率低。開關(guān)穩(wěn)壓電源效率高、體積小，但電路復雜，對周圍的電子系統(tǒng)影響大[1]。利川壓氣站壓縮機控制系統(tǒng)采用的是串聯(lián)穩(wěn)壓電源。

串聯(lián)直流穩(wěn)壓電源一般交流220V經(jīng)過隔離變壓器降到交流低壓，通過橋式整流回路把交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，在通過電容組成的濾波回路過濾電流中的一次諧波，通過采樣板對電流電壓采樣校準后，通過電容器組成的穩(wěn)壓電路達到直流輸出效果（2.s）

在壓縮機控制系統(tǒng)中，控制器等設備需要的電流并不多，但卻不允許斷電。如果斷電后，重要數(shù)據(jù)丟失，會造成重大損失，使用二極管冗余模塊，可以搭建供電系統(tǒng)，整個系統(tǒng)有兩個電源同時提供電流且互相不會出現(xiàn)電流反串現(xiàn)象。當一臺電源發(fā)生故障時，另一臺電源仍可以保障設備正常工作。二極管冗余模塊工作原理：晶體二極管為一個由P型半導體和n型半導體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場;當不存在外加電壓時，由于p-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài);當外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流;當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流[4，5]。（見圖1）

二、壓縮機直流電源模塊故障分析與處理

2019年，利用壓氣站一臺熱備壓縮機組上位機出現(xiàn)報警，第一時間打開控制機柜后發(fā)現(xiàn)機柜里面有燒焦的異味，且直流電源02.04模塊指示燈熄滅。

（一）故障原因分析

為判斷電源故障原因，對02故障直流電源進行拆卸，發(fā)現(xiàn)直流電源內(nèi)部發(fā)生灼燒痕跡，經(jīng)查閱圖紙資料，發(fā)生灼燒的元器件為陶瓷電容。分析發(fā)生灼燒的原因可能有以下兩個方面：

1.直流電源上下游側(cè)有過壓情況

對壓縮機組直流電源輸入輸出側(cè)進行逐個測量電壓，未發(fā)現(xiàn)有過壓的情況。如果直流電源輸入側(cè)（即UPS輸出）發(fā)生過電壓情況，其他直流電源均會受到影響，現(xiàn)場實際只有這一個直流電源發(fā)生故障，未發(fā)現(xiàn)其他直流電源受影響或產(chǎn)生過報警;如果是輸出側(cè)存在過壓過載情況，直流電源輸出側(cè)下游的二極管模塊會先于直流電源發(fā)生故障，而不是現(xiàn)場實際發(fā)生的直流電源先于二極管模塊發(fā)生故障。現(xiàn)場的直流電源輸出側(cè)下游二極管模塊經(jīng)測試正常。

故判斷故障原因排除是由于直流電源上下游側(cè)有過壓情況導致的。

2.由于產(chǎn)品自身質(zhì)量和壽命導致

分析是可能由于該陶瓷電容的制造工藝不良或是產(chǎn)品壽命所限，導致陶瓷電容內(nèi)部構(gòu)件擊穿、電容外殼絕緣損壞或是內(nèi)部元件的瞬時過壓過流，進而引起物理、化學、電氣效應，造成電容局部灼燒甚至爆炸，引起直流電源故障受損。

經(jīng)查閱資料并咨詢多家直流電源生產(chǎn)廠家，由于產(chǎn)品自身質(zhì)量和壽命所導致的直流電源電容灼燒甚至爆炸這類情況發(fā)生概率較高，由此判斷該機組控制機柜直流電源的故障是由于產(chǎn)品自身質(zhì)量和壽命導致。

（二）故障問題排查

1.查找發(fā)現(xiàn)對02直流電源模塊供電的QFO1斷路器跳閘，對其04直流電源模塊供電的QF02斷路器未跳閘。QFO1斷路器與QF02斷路器并聯(lián)在同一路進線上，用萬用表測量QF01斷路器與QF02斷路器進線電壓，無電壓;

2.再測量QF01斷路器與QF02斷路器上游015FL1進出線電壓，無電壓;

3.然后測量匕游電源進出線電壓，無電壓;

4.檢查發(fā)現(xiàn)電源進線上游空氣開關(guān)跳閘。

（三）故障處理過程

1.斷開QF01斷路器與QF02斷路器，合上進線上游空氣開關(guān);

2.用萬用表測量機柜電源進出線電壓，電壓正常223AV;

3.由于發(fā)生故障時，QF02斷路器未跳閘，判斷04直流電源轉(zhuǎn)換模塊正常;單獨合上QF02斷路器時，對應04直流轉(zhuǎn)換電源模塊顯示正常;

4.由于發(fā)生故障時，QF01斷路器跳閘，可能是02電源轉(zhuǎn)換模塊故障，直接斷開。電源轉(zhuǎn)換模塊進出線，并斷開故障輸出線保險;

5.單獨測試02直流電源轉(zhuǎn)換模塊，在機柜間市電直接接入220VAC電源，接入02電源轉(zhuǎn)換模塊進線，通過測試，02電源轉(zhuǎn)換模塊電源指示燈不亮，推測電源模塊燒壞。

（四）故障處理方法

1.為進一步確定02直流電源轉(zhuǎn)換模塊問題，并排除二極管冗余模塊故障，我們用萬用表對二極管冗余模塊進行電阻值測量，正向測量電阻為180Q，反向測量電阻無窮大，并以正常工作的二極管冗余模塊作為參考，測量結(jié)果一致。同時控制機柜未發(fā)現(xiàn)其他異常情況和報警，判斷確定是02直流電源自身故障[6]。

2.對02直流電源拆卸，發(fā)現(xiàn)電源頂部有明顯被燒焦痕跡。

3.更換新的直流穩(wěn)壓電源模塊，接線完成后進行供電測試，工作正常。

4.在控制系統(tǒng)上位機上確認報警項，消除直流電源故障報警。

三、結(jié)束語

本文針對川氣東送管道利川壓氣站壓縮機自動控制系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源故障進行深入分析，并在優(yōu)化處理故障過程方面進行研究，對直流穩(wěn)壓電源工作原理的掌握可以及時發(fā)現(xiàn)故障源頭，縮短故障排除時間。這樣不僅提高了工作效率，保證自控系統(tǒng)設備安全平穩(wěn)運行，還可以提前預防直流穩(wěn)壓電源故障發(fā)生，為工業(yè)生產(chǎn)中解決自動控制系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源故障問題提供了一種參考。

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