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摘 要： 威尔信发电机为石油钻井行业常用辅助发电设备，为井场用电设备提供动力。受钻井工况影响，使用中易出现运行不稳定导致产生冲击电流等现象，对发电机本身造成影响。通过对使用中出现故障现象进行分析，查找产生冲击电流原因，提出解决措施，合理使用发电机。
关键词： 发电机；冲击电流；压敏电阻；交流励磁
【中图分类号】 TM623 【文献标识码】 A 【文章编号】 2236-1879（2018）02-0213-01
1.故障现象及排除方法
1.1 故障现象。
黄河钻井土库曼项目70568钻井队所使用的威尔信发电机。两台发电机参数均为：额定功率440KW、额定电压400V、操作控制屏为8808系列、自动电压调节板（AVR）R230。两台发电机在并机运行过程中，1号发电机突然停机并报“低压卸载故障”。停机后，再次启动该发电机发现，柴油机能够正常启动，转速也达到1500r/min，但检测发电机无电压输出重启后，自动停机，并再次报“低压卸载故障”。
1.2故障解决方法。
1.2.1 采用替换法和逐段排除法检测。
根据故障现象并结合发电机励磁原理，故障可能发生在建立电压的励磁控制环节，遂采用替换法和逐步分段排除法，进行故障检测。具体方法步骤如下：
1.先对AVR进行检测。受限于现场条件，该型号AVR（R223）没有备件，只能通过替换法判断该自动调压板的好坏。将1#车AVR板拆装到2#发电机测试，2#发电机能够正常工作。说明1#AVR板为正常。
2.对发电机进行充磁，当剩磁不足时，也会造成无法建立电压的故障。将励磁机绕组两端接12VDC，持续10S左右。然后开启发电机，依然没有电压输出。
3.判断交流励磁机绕组是否断路或与发电机外壳短路。用万用表测量绕组阻值及对发电机外壳绝缘情况。通过AVR板E+、E-两端子，测得绕组阻值为11.4欧姆（正常阻值在10欧姆左右），绕组对发电机外壳绝缘阻值为无穷，绝缘良好，励磁机部分正常。
4.检测旋转整流二极管。其结构为两个半圆环，三组二极管固定在整流盘上，并将整流盘固定在转子轴上。拆除后，测得二极管正向导通性良好，导通阻值为450欧姆左右，反向阻值无无穷，二极管良好。
5.检测旋转整流盘上压敏电阻。在拆除旋转整流盘时发现跨接在整流桥两端的压敏电阻有轻微鼓包。通过测量电阻阻值发现其阻值很小（只有几欧姆）。由压敏电阻的非线性特性可知，在额定（标称）电压以内，可看作开断状态，阻值应为无穷大，由此可以判断此压敏电阻被击损坏。当压敏电阻被击穿短路后，励磁机无法经过旋转整流桥输出励磁电流，使主定子无法建立磁场，当转子旋转时无法切割磁场，也就无法产生交流电。
2.故障分析
2.1 压敏电阻分析。
2.1.1 压敏电阻特性。
压敏电阻是一种过电压（浪涌）保护器件，可用于从几伏到几万伏的电子、电气电路中作各种过压保护。在威尔信发电机励磁系统中的主要作用就是抑制浪涌并保护旋转整流二极管。
2.1.2 压敏电阻损坏原因。
当压敏电阻器两端所加电压低于标称额定电压值U时，压敏电阻器的电阻值接近无穷大，内部几乎无电流流过。当压敏电阻器两端电压略高于标称额定电压时，压敏电阻器将迅速击穿导通，并由高阻状态变为低阻状态，工作电流也急剧增大。当其两端电压低于标称额定电压时，压敏电阻器又能恢复为高阻状态。当压敏电阻器两端电压超过其最限制电压时，压敏电阻器将完全击穿损坏，无法再自行恢复。 本次故障就是因为压敏电阻两端电压超过其限制电压后，造成击穿，致使发电机无法正常工作。根据现场实际用电情况，产生这样高冲击电流的情况一般分为两种情况：
A：同步发电机并车过程中产生的冲击电流。
B：因负载的变化引起的冲击电流。如：由钻头憋、跳，引起转盘变频电机的堵转、井场用电设备突然发生的短路产生较大的短路电流等。
2.2 冲击电流产生原因及危害。
2.2.1 并机过程中产生的冲击电流及其危害。
对于冲击电流产生的第一种情况。因为发电机并机必须满足一定条件，否则会产生很大的冲击电流造成严重后果。发电机的并机条件为：
1.待并网发电机电压U2与母线电压U1，大小相等。
2.待并网发电机电压U2与母线电压U1，相位相同。
3.待并网发电机频率f2与母线频率f1相同。
4.待并网发电机相序与母线相序相同。
并网冲击电流的瞬时值可达额定电流的4～6倍，由此产生的电流会将压敏电阻击穿，严重时产生的电磁力會损伤定子绕组端部，而很大的瞬时电磁转矩（扭力矩）将损伤发电机转轴，带来不可逆转的损害。
特别是当其中一台在线发电机负载较重时，另一台发电机强行并机，因电压差较大会产生较大的冲击电流，严重损伤发电机。
2.2.2突增负载产生的冲击电流及其危害。
针对第二种情况，负载的大小主要由井场用电设备的工况决定。在施工过程中，由于钻井液密度较高（达到2.0g/cm3），固控设备负荷变大。在处理泥浆过程中，需频繁的启动大电机或者长时间重负荷运转，当频繁启动大功率电机时，启动过程中产生的母线电压下降，会激励发电机AVR板加大励磁强度，提升发电机响应，产生较大励磁电流。当冲击较大时，会引起压敏电阻两端电压的升高，长期在限制电压附近运行，使用会影响其性能并缩短使用寿命，严重时直接击穿电阻。另一个影响的因素是转盘变频电机（600Kw/400V变频电机）。受地质条件影响，打钻过程中（使用PDC钻头）常会出现憋跳现象，当钻头憋跳时，变频电机会产生堵转现象，瞬间增大负载，给发电机励磁系统带来较大冲击。
3.制定相应防护措施
通过对以上两种情况的分析，只要能够减少冲击电流的产生就能减少类似故障的产生。经过一段时间的摸索并结合现场生产的实际情况，制定了相应的解决措施：
1.严格按照同步发电机并机条件进行并机操作。做到不在负荷较重的情况下强行并车，避免产生较大的冲击电流。根据威尔信发电机使用情况，当电流大于150A时，要降低负载进行并机。对比发现，这样能够缩短并车时间，并减少因并机超时造成的无法并机现象。
2.当负荷较重时，要及时进行并机操作。这样可以减少单机情况下，突增负载对发电机的冲击。
3.当开启大功率电动机时，应按照顺序并留出间隔时间。例如：当启动搅拌机或除砂泵等电动机时，不要同时启动，每台电机启动要有一定的时间间隔（间隔10s～15s），这样可以减少冲击电流。
4.合理使用软启动设备。通过软启动的使用可以有效降低大功率电机启动时对电网产生的冲击。
5.合理选择转盘转速。根据地层岩石特性及钻头特性，结合发电机的工作参数，不断摸索找到合理的转速区间，做到机械钻速与设备高效使用的双赢状态。
6.做好井场电器设备的绝缘工作，避免短路情况的发生。减少因短路造成大冲击电流产生的可能。
关键词： 发电机；冲击电流；压敏电阻；交流励磁
【中图分类号】 TM623 【文献标识码】 A 【文章编号】 2236-1879（2018）02-0213-01
1.故障现象及排除方法
1.1 故障现象。
黄河钻井土库曼项目70568钻井队所使用的威尔信发电机。两台发电机参数均为：额定功率440KW、额定电压400V、操作控制屏为8808系列、自动电压调节板（AVR）R230。两台发电机在并机运行过程中，1号发电机突然停机并报“低压卸载故障”。停机后，再次启动该发电机发现，柴油机能够正常启动，转速也达到1500r/min，但检测发电机无电压输出重启后，自动停机，并再次报“低压卸载故障”。
1.2故障解决方法。
1.2.1 采用替换法和逐段排除法检测。
根据故障现象并结合发电机励磁原理，故障可能发生在建立电压的励磁控制环节，遂采用替换法和逐步分段排除法，进行故障检测。具体方法步骤如下：
1.先对AVR进行检测。受限于现场条件，该型号AVR（R223）没有备件，只能通过替换法判断该自动调压板的好坏。将1#车AVR板拆装到2#发电机测试，2#发电机能够正常工作。说明1#AVR板为正常。
2.对发电机进行充磁，当剩磁不足时，也会造成无法建立电压的故障。将励磁机绕组两端接12VDC，持续10S左右。然后开启发电机，依然没有电压输出。
3.判断交流励磁机绕组是否断路或与发电机外壳短路。用万用表测量绕组阻值及对发电机外壳绝缘情况。通过AVR板E+、E-两端子，测得绕组阻值为11.4欧姆（正常阻值在10欧姆左右），绕组对发电机外壳绝缘阻值为无穷，绝缘良好，励磁机部分正常。
4.检测旋转整流二极管。其结构为两个半圆环，三组二极管固定在整流盘上，并将整流盘固定在转子轴上。拆除后，测得二极管正向导通性良好，导通阻值为450欧姆左右，反向阻值无无穷，二极管良好。
5.检测旋转整流盘上压敏电阻。在拆除旋转整流盘时发现跨接在整流桥两端的压敏电阻有轻微鼓包。通过测量电阻阻值发现其阻值很小（只有几欧姆）。由压敏电阻的非线性特性可知，在额定（标称）电压以内，可看作开断状态，阻值应为无穷大，由此可以判断此压敏电阻被击损坏。当压敏电阻被击穿短路后，励磁机无法经过旋转整流桥输出励磁电流，使主定子无法建立磁场，当转子旋转时无法切割磁场，也就无法产生交流电。
2.故障分析
2.1 压敏电阻分析。
2.1.1 压敏电阻特性。
压敏电阻是一种过电压（浪涌）保护器件，可用于从几伏到几万伏的电子、电气电路中作各种过压保护。在威尔信发电机励磁系统中的主要作用就是抑制浪涌并保护旋转整流二极管。
2.1.2 压敏电阻损坏原因。
当压敏电阻器两端所加电压低于标称额定电压值U时，压敏电阻器的电阻值接近无穷大，内部几乎无电流流过。当压敏电阻器两端电压略高于标称额定电压时，压敏电阻器将迅速击穿导通，并由高阻状态变为低阻状态，工作电流也急剧增大。当其两端电压低于标称额定电压时，压敏电阻器又能恢复为高阻状态。当压敏电阻器两端电压超过其最限制电压时，压敏电阻器将完全击穿损坏，无法再自行恢复。 本次故障就是因为压敏电阻两端电压超过其限制电压后，造成击穿，致使发电机无法正常工作。根据现场实际用电情况，产生这样高冲击电流的情况一般分为两种情况：
A：同步发电机并车过程中产生的冲击电流。
B：因负载的变化引起的冲击电流。如：由钻头憋、跳，引起转盘变频电机的堵转、井场用电设备突然发生的短路产生较大的短路电流等。
2.2 冲击电流产生原因及危害。
2.2.1 并机过程中产生的冲击电流及其危害。
对于冲击电流产生的第一种情况。因为发电机并机必须满足一定条件，否则会产生很大的冲击电流造成严重后果。发电机的并机条件为：
1.待并网发电机电压U2与母线电压U1，大小相等。
2.待并网发电机电压U2与母线电压U1，相位相同。
3.待并网发电机频率f2与母线频率f1相同。
4.待并网发电机相序与母线相序相同。
并网冲击电流的瞬时值可达额定电流的4～6倍，由此产生的电流会将压敏电阻击穿，严重时产生的电磁力會损伤定子绕组端部，而很大的瞬时电磁转矩（扭力矩）将损伤发电机转轴，带来不可逆转的损害。
特别是当其中一台在线发电机负载较重时，另一台发电机强行并机，因电压差较大会产生较大的冲击电流，严重损伤发电机。
2.2.2突增负载产生的冲击电流及其危害。
针对第二种情况，负载的大小主要由井场用电设备的工况决定。在施工过程中，由于钻井液密度较高（达到2.0g/cm3），固控设备负荷变大。在处理泥浆过程中，需频繁的启动大电机或者长时间重负荷运转，当频繁启动大功率电机时，启动过程中产生的母线电压下降，会激励发电机AVR板加大励磁强度，提升发电机响应，产生较大励磁电流。当冲击较大时，会引起压敏电阻两端电压的升高，长期在限制电压附近运行，使用会影响其性能并缩短使用寿命，严重时直接击穿电阻。另一个影响的因素是转盘变频电机（600Kw/400V变频电机）。受地质条件影响，打钻过程中（使用PDC钻头）常会出现憋跳现象，当钻头憋跳时，变频电机会产生堵转现象，瞬间增大负载，给发电机励磁系统带来较大冲击。
3.制定相应防护措施
通过对以上两种情况的分析，只要能够减少冲击电流的产生就能减少类似故障的产生。经过一段时间的摸索并结合现场生产的实际情况，制定了相应的解决措施：
1.严格按照同步发电机并机条件进行并机操作。做到不在负荷较重的情况下强行并车，避免产生较大的冲击电流。根据威尔信发电机使用情况，当电流大于150A时，要降低负载进行并机。对比发现，这样能够缩短并车时间，并减少因并机超时造成的无法并机现象。
2.当负荷较重时，要及时进行并机操作。这样可以减少单机情况下，突增负载对发电机的冲击。
3.当开启大功率电动机时，应按照顺序并留出间隔时间。例如：当启动搅拌机或除砂泵等电动机时，不要同时启动，每台电机启动要有一定的时间间隔（间隔10s～15s），这样可以减少冲击电流。
4.合理使用软启动设备。通过软启动的使用可以有效降低大功率电机启动时对电网产生的冲击。
5.合理选择转盘转速。根据地层岩石特性及钻头特性，结合发电机的工作参数，不断摸索找到合理的转速区间，做到机械钻速与设备高效使用的双赢状态。
6.做好井场电器设备的绝缘工作，避免短路情况的发生。减少因短路造成大冲击电流产生的可能。