海洋石油設備控制電路暫態壓降的校核分析與有效控制

任林鵬

中海石油（中國）有限公司天津分公司曹妃甸作業公司 天津 300459

在海洋石油平臺供配電系統中，目前基本采用集中控制模式，供配電通過電機控制中心（Motor Control Center，MCC）進行集中管理，遠程控制布置在生產現場的各種電氣設備，控制線路較長，且通常采用接觸器作為電動機主供電回路的分斷器件。接觸器線圈兩端電壓是影響接觸器吸合可靠性的重要外部因素，接觸器線圈為控制電路主要負載，且為感性負載，線圈兩端穩態電壓是接觸器持續穩定吸合的保證，線圈通電瞬間的兩端電壓是影響接觸器吸合速度的關鍵因素。接觸器的吸合速度決定了分斷觸點的使用壽命、電機啟停的速度、邏輯指令的響應速度等。

相關文獻多關注接觸器穩定運行狀態下的電壓降計算［1-2］，對于接觸器吸合瞬間電壓降的計算和適用于生產作業現場的接觸器吸合瞬間壓降計算方法的說明較少。針對海洋石油平臺出現的接觸器吸合速度慢、吸合聲音異常、中控短時觸發信號偶發性失效等問題，計算校核低壓控制電路暫態壓降具有一定參考意義。

1 暫態壓降計算和校核程序編制

通常接觸器線圈兩端電壓影響接觸器的吸合可靠性?！兜蛪洪_關設備和控制設備 第4-1 部分：接觸器和電動機起動器機電式接觸器和電動機起動機（含電動機保護器）》（GB/T 14048.4—2020）規定：單獨使用或裝在起動器中使用的電磁式接觸器，在其額定控制電源電壓的85%～110%之間任何值應可靠地閉合［3］。此范圍的85%適用于下限值，110%適用于上限值。通過計算校核接觸器線圈兩端電壓是否滿足運行使用要求，判斷分析接觸器是否處于可靠使用狀態。

1.1 暫態壓降計算方法

1.1.1 穩態壓降計算

按照目前海上平臺低壓配電線路通用模式，電源一般在MCC通過低壓配電盤供電抽屜配送，啟動和停止按鈕盒在現場布放，其控制線路較長（停止按鈕在控制線路中串接），通常使用式（1）計算控制電路穩態電壓降：

1.1.2 暫態壓降計算

式（1）中負載電流為主要參與計算的變量，便于穩態壓降計算。因為暫態負載電流不便于工程計算，所以式（1）不便于對暫態壓降進行計算。

在實際工程應用中，以現階段海洋石油平臺配電系統為例，通常在接觸器控制電路中存在控制電源變壓器、接觸器線圈、按鈕、指示燈等元器件。接觸器線圈是此控制回路的主要負載，且感性線圈在吸合瞬間對控制電路負載電流影響較大。因此，在研究控制電路暫態壓降時，可忽略按鈕等元件對負載電流的影響。以接觸器吸合瞬間電流代替負載電流參與式（1）計算。

在忽略暫態壓降的情況下，吸合暫態電流可由吸合功耗及額定電流計算，如式（3）所示：

結合式（1）和（3），得出控制電路暫態壓降計算關系，如式（4）所示：

以海洋石油某平臺注水增壓泵電機控制電路為例，經查閱圖紙資料，此控制線路總長L約190 m，控制用銅電纜線芯為1.5 mm2，控制回路電源電壓為110 V，使用施耐德LC1D205F7C型接觸器，經查閱接觸器廠家技術參數，接觸器吸合功耗為805 VA。

將相關數據代入式（4），計算如下：

可知此控制回路存在38.71%的暫態壓降，說明在接觸器吸合瞬間，接觸器線圈兩端剩余電壓為61.29%，瞬間吸合電壓低于《低壓開關設備和控制設備 第4-1 部分：接觸器和電動機起動器機電式接觸器和電動機起動機（含電動機保護器）》（GB/T 14048.4—2020）規定的接觸器可靠吸合下限電壓（85%）。該平臺注水增壓泵電機在啟動瞬間存在接觸器吸合速度慢、聲音異常、中控短時觸發信號偶發性失效等問題，與計算得出的暫態電壓下降過大相吻合。

1.2 壓降校核程序編制

1.2.1 數據庫建立

海洋石油平臺低壓電機配電系統中使用的接觸器具有一定通用性，常使用同系列接觸器?；贛icrosoft Excel軟件，建立接觸器數據庫，將平臺中使用的接觸器型號、廠家、吸合功耗、保持功耗的數據統一進行查找錄入，以便于同型號接觸器壓降的校核使用。

1.2.2 人機交互

為便于使用與交互，使用Microsoft Visual Basic for Applications軟件進行組態，以實現交互界面與數據庫、計算程序的數據交互。交互界面可讀取數據庫中的接觸器技術參數、電壓等級、電纜截面積對應電阻等數據。操作人員可在交互界面的下拉菜單簡便選取接觸器型號、電纜截面積、電壓等級等數據，手動輸入電纜長度后，點擊“開始校核”按鈕，系統自動調取數據庫相應參數進行數學計算與邏輯分析，并將暫態壓降及校核結果輸出至交互界面，如圖1 所示。

圖1 校核系統交互界面Fig.1 Interface of check system

1.2.3 邏輯程序

使用Microsoft Visual Basic for Applications軟件進行源代碼編寫，實現與數據庫、交互界面的數據流傳輸及校核結果的邏輯判斷，如圖2 所示。

圖2 主要源代碼Fig.2 Main source code

源代碼將數據庫中的接觸器型號等數據傳送至交互界面下拉菜單，并將菜單中選取數據的對應計算參數傳送至Microsoft Excel中參與計算。暫態壓降的計算結果在傳送至交互界面的同時，也輸入源代碼中參與邏輯分析，最終將“校核結果”中的文字反饋至交互界面。

源代碼實現了系統的自動計算與分析，減少了人工計算分析的工作量。

1.2.4 應用與效果

使用此“控制電壓暫態壓降自動校核系統”對海洋石油某平臺注水增壓泵電機控制電路進行暫態壓降校核，發現其壓降不符合標準（GB/T 14048.4—2020），解釋了注水增壓泵啟動時接觸器吸合速度慢、吸合聲音異常、中控短時觸發信號偶發性失效等現象的原因，為長距離高壓降控制電路的設計提供了理論計算基礎。

使用此系統對該平臺其余低壓電機配電控制回路壓降進行校核，也發現平臺污油泵電機控制電路存在暫態壓降過大現象。

2 長距離控制電路設計

通過分析式（4），得出以下結論：對于已投產運行的海洋石油配電系統，在暫態壓降過大的情況下，可以通過更改現場設備位置、增大控制電纜截面積、增大控制電路額定電壓等級、更換使用小吸合功耗接觸器等進行優化，但以上方案工作量較大，在已投運的海洋石油設施中使用的可行性較低。

海洋石油平臺配電系統長距離控制電路的合理設計對解決接觸器暫態壓降過大問題具有一定實際意義。通常中間繼電器的吸合功耗遠小于接觸器的吸合功耗，可在長距離控制電路中使用中間繼電器，將大功耗接觸器設計在短距離控制電路中，由中間繼電器的輔助觸點控制短距離控制回路中的接觸器，以小功耗中間繼電器控制大功耗接觸器，以解決長距離控制電路暫態壓降過大問題。

2.1 降低功耗設計

如圖3 所示,在原始設計中，操作人按下啟動按鈕后，中間繼電器K1 與主接觸器KM同時得電吸合，但由于主接觸器KM在吸合瞬間暫態壓降過大，不滿足吸合條件，只能通過長按啟動按鈕進入穩態情況后實現主接觸器KM吸合，難以滿足正常使用的工況。將啟動按鈕同時控制中間繼電器K1 與主接觸器KM線圈轉變為單一控制中間繼電器K1 線圈。中間繼電器的工作原理和交流接觸器相似，利用中間繼電器的最小吸合電壓比主接觸器最小吸合電壓小的原理，以中間繼電器K1 作為中轉，使主接觸器KM得電。

圖3 原始設計Fig.3 Original design

2.2 中間繼電器的選擇

在海洋石油平臺配電柜內剩余空間較少、不便于新增中間繼電器的情況下，可合理分析盤柜內原有元件的功能及剩余觸點情況，重點考慮使用盤柜內部原有中間繼電器進行改造。在此線路中，對中間繼電器K1 接線進行優化改造，如圖4 所示，測試啟動效果良好，中繼電器K1 原功能也得以保留。

圖4 優化設計Fig.4 Optimal design

3 結 語

本文以海洋石油某平臺注水增壓泵電機控制電路為研究對象，以提高接觸吸合可靠性及速度為研究目的，圍繞典型控制電路暫態壓降，進行工程計算方法、批量校核工具、典型電路設計研究，提出了適用于現階段海洋石油平臺配電系統中控制電路暫態壓降的計算方法，編制并使用了“控制電壓暫態壓降自動校核系統”軟件，對平臺低壓控制電路壓降進行校核，揭示了接觸器吸合速度慢、不穩定、異響等現象的深層原因，提出并實施了長距離控制電路設計優化方案，為海洋石油平臺安全環保、工藝流程中的電動設備運行控制提供了技術支持?！?/p>