電動（SCR/VFD）鉆機司鉆房控制電壓配置研究

陳 巖，楊硯杭，朱奇先

（1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第五鉆井工程分公司，河北河間062450；2.中石油渤海鉆探第四鉆井公司，河北任丘062552；3.大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室，甘肅天水741020）

1 引言

電動鉆機，無論是直流的SCR，還是變頻的VFD，操作控制的絕大部分功能都在司鉆房內，因此用到的控制電壓的類別很多[1]，本文主要研究當SCR/VFD為全數字控制系統時，司鉆房控制電壓的配置。

2 負載配置

與SCR/VFD控制系統相關的司鉆房控制電壓的負載配置，主要有絞車、轉盤/頂驅、泥漿泵的操作控制部件及其狀態、數據顯示的指示燈、儀表、觸摸屏設備，盤剎、慣剎的控制電磁閥，以及與以上設備配套的PLC系統和控制繼電器等。

3 供電方案

上述設備的工作電源，一般都配置為DC24V。由AC400V通過三相400V/19V變壓器變壓，再將AC19V通過二極管全橋整流、濾波成DC26V左右的直流電壓；或者由AC400V通過單相400V/220V變壓器變壓，再將AC220V通過開關電源模塊變換為DC24V直流電壓。為保證供電安全，無論采取哪種變換，最終的DC電壓，通過最少兩條獨立的電線分別供到40m～50m外的司鉆房接口，在司鉆房通過隔離措施再合二為一后為上述配置設備供電。前一種配置的優點在于鉆機安裝初期，只要有AC400V的電壓（例如應急機組工作）時，就能夠測試電控系統，但缺點是鉆機正常工作時，和直接從AC600V獲取相比，由于600V/400V變壓器容量的限制，容易導致DC24V電壓波動，后一種配置的優點是電壓穩定性好，但缺點是電源模塊抗電網諧波[2]能力差，容易損壞。

4 存在問題

按照上述的負載配置和供電方案，在鉆機實際使用中，用戶反映電控系統存在運行不穩定和可靠性較差的問題，主要現象為運行過程中鉆臺PLC會隨機的、沒有任何征兆的出現通訊故障而突然停機，重新啟動后又可以正常工作。雖然這種現象出現的次數不多，電控系統重新啟動的時間也比較短，自身沒有損壞任何器件，也沒有其他相關器件損壞，但突然停機對鉆井工作影響很大，從停機到重新開始正常工作需要進行一系列的處理工序，一方面耽誤鉆井時效，另一方面當碰到井下地質情況比較復雜時，會給鉆井安全帶來一定的隱患。

5 原因分析

針對上述問題，電控系統集成商早期曾根據顯示的通訊故障，圍繞鉆臺PLC系統，重點處理通訊線路、屏蔽層連接、接地線、控制軟件等與現場總線通訊有關的環節，結果是故障仍然時有發生。后來經過長時間多次觀察、歸類，終于找到一些規律，表現為在起動功率比較大的電機，比如灌注泵、剪切泵時，容易發生；在鉆臺內DC24V控制繼電器抖動時也容易發生。經過對這些現象分析，聯系到鉆臺控制電源配置特點，再測量司鉆房的控制電壓，發現DC24V供電電源偏低。對其中采用上述第一種配置DC24V供電電源的一套鉆機測量，在SCR房，DC24V的實際電壓空載時接近27V，帶上負載（包括房內和鉆臺）時25V多一點；在司鉆臺測量，空載時23V多一點，負載時21V左右，用示波器觀察，有時只有19V～20V。經過分析、研究，認為通訊故障最大的可能，是由司鉆臺DC24V控制電壓偏低所致。理由如下：當DC24V控制電壓實際只有21V左右時，已經到了鉆臺PLC通訊模塊不能穩定工作的電壓范圍，從表面上看雖然還在正常工作，但已經為臨界正常狀態。當電壓由于某種原因持續或者瞬間（通訊總線數據循環周期）降低到模塊允許的最小工作電壓（DC19V）以下時，一定會報出PLC通訊故障。電壓持續降低的原因是當電磁閥、繼電器同時帶電工作的數量增多時，負載電流增大，由于供電線路長而損耗增大，供出的實際電壓自然降低；所謂瞬間是指電機起動的過渡過程，大功率（如多臺小功率電機同時，或者一到兩臺75kW以上電機同時）電機起動影響控制電壓的過程是這樣的：由于電機的空載起動電流大約是其額定電流的4～7倍[3]（帶載起動時，起動電流不變，但過渡過程加長），對于75kW電機來說，額定電流約為150A左右，如果有2臺同時起動時，總的起動電流按最高倍數為7時，起動電流 Id＝7×2×150＝2100A，持續時間約為20ms左右，這個電流將在阻抗壓降為7%、容量為1000（或1250）kVA的600V/400V變壓器副邊產生壓降，降幅值為：，降低的百分數為。按照上述第一種DC24V配法，鉆臺控制電源，在實際只有21V左右時，當有2臺75kW電機同時空載啟動，則實際電壓在原電壓基礎上將再降低7.3（5.8）%，即：21-24×7.3（5.8）%＝21-1.8（1.4）＝19.2（19.6）V，這個電壓已經降到了PLC通訊模塊最低允許電壓附近，如果持續時間超過了通訊循環周期，通訊很有可能會報出故障。基于同樣的原因，鉆臺內的DC24V控制繼電器也會工作不可靠，有時會閃斷—斷而復通，當送到PLC模塊的一些關鍵控制信號的閃斷狀態被掃描到并被當作人為操作時，運行中的鉆機將會出現一些莫名其妙的停機或者故障狀態。

6 應對措施

由以上原因分析，應對鉆臺DC24V控制電壓偏低的措施主要有兩個方面，一是加大源頭容量，降低線路損耗，即增大DC24V電源容量（或者減小電源內抗，但不是提高供電電壓），增大從電控房到司鉆房供電電源線面積（也就是減小負載時線路損耗），這個措施非常適用于在用鉆機，但無論如何也消除不了線路損耗，鉆臺控制電壓也不能達到電控房的電壓水平，如果配置成保證在負載時鉆臺電壓為DC24V，則電控房控制電壓將升高到DC27V以上，又將影響到電控房內相關器件的安全工作。二是對新造鉆機來講，建議在電控房和司鉆房同時配置相同的電源系統且負載后電壓為DC25V，兩個系統之間只連接電源零線（電壓參考點），如此配置的優點在于兩房內的控制電壓都在最可靠的范圍之內，即使波動超過負20%，只要相關配置合適，電壓在10個通訊周期內也不會低于DC21V！對于信號抖動問題，需要在控制軟件中對相關信號做數字濾波處理。

7 結束語

傳統的電動（SCR/VFD）鉆機司鉆房控制電壓配置模式雖然簡單、成本低，但隨著用戶要求的提高，需要控制的對象范圍和器件越來越多，控制電壓的負載越來越大，不可避免的造成供電線路損耗增加，實際供出電壓降低，當其降低到系統穩定運行的臨界范圍內時，供電回路任何一個環節的風吹草動都將影響到整個鉆機的可靠運行，特別是司鉆房的現場總線通訊系統，表象是通訊故障，其實更多電壓低故障。加大電源容量和減小線路損耗不是最佳方法，解決這個問題的根本措施是在需要控制電源的地方配置電源，所有電源之間獨立工作，只進行電源零線（電壓參考點）之間的相互連接，同時充分考慮鉆機電網波電壓動達到20%和閃斷在20ms左右的特點。