VARCO 11SA頂驅主電機燒毀故障分析及處理

賈博鋒

（中國石油集團長城鉆探頂驅技術分公司，北京 100101）

0 引言

近年來，隨著VARCO頂驅的使用年限的不斷增長，主電機故障的發生率在頂驅故障中占據了較大比例。主電機轉子軸下沉、主電機異響、電機軸承室密封失效等故障都是比較常見的故障。為了減少作業等停時間，將一批替換下來的頂驅主電機回運到國內電機廠維修，當頂驅主電機故障時直接進行替換，但是卻出現了主電機燒毀故障。為了防止類似故障的發生，詳細分析了VARCO 11SA頂驅主電路控制原理，提出了針對性解決措施。

1 現場故障概況

長城鉆探頂驅技術分公司有超過40臺VARCO頂驅在國外鉆井現場作業，其中作業于古巴和委內瑞拉的部分VARCO 11SA頂驅使用年限超過了12 a，已經進入主電機故障高發期。2016年7月，作業于委內瑞拉的GW182隊頂驅發生了主電機轉子下沉故障。為了節約維修時間，保障生產，決定使用國內大修電機（圖1a）直接替換故障電機（圖1b）。但是該電機僅僅使用3 d之后便出現故障。經過測量，發現該電機繞組對地絕緣為零，即發生了絕緣擊穿故障。

2 主電機控制原理

2.1 VARCO 11SA頂驅的機械結構

如圖1所示，VARCO 11SA頂驅2臺400HP交流異步電機并排安裝在齒輪箱上，通過傳動比為10.5∶1的二級減速齒輪將動力傳遞到頂驅主軸，主軸驅動鉆井管柱完成鉆井作業?？梢钥闯?，2臺電機旋向相同，且通過齒輪傳動機構耦合。

圖1 頂驅主電機

2.2 主電路控制原理

VARCO 11SA頂驅控制系統分為西門子6SE70變頻器控制系統和ABB ACS800變頻器控制系統。兩者主變頻器雖然發生了變化，但是主電機控制回路卻沒有發生改變。圖2為ABB系統VARCO 11SA頂驅主電機控制單線圖。三相AC 600 V電源經過主空開CBM和ACL進線電抗器進行濾波，進入不可控整流橋RECT輸出DC 810 V直流電，送入逆變單元INV1和INV2進行調壓和變頻，通過3根主動力電纜沿著井架固定段電纜，游動段傳輸到頂驅本體。在頂驅本體處3根進線電源線拆分為6根，分別為2臺頂驅主電機供電。可以看出：VARCO 11SA頂驅主電機控制回路采用了一拖二的思路，即1臺變頻器拖動2臺主電機，并且2臺主電機共用三相電源輸出線纜。

圖2 VARCO 11SA頂驅機械結構及主電路原理

2.3 主變頻器電機模型

對雙電機調速系統進行矢量或者DTC（DirectTorqueControl，直接轉矩控制）控制，一般有2種控制方式，一種是主從控制（如S120系統北石頂驅，在硬件上有2套共直流母線逆變單元，其中一套逆變單元為MASTER，另外一套逆變單元為SLAVE，分別驅動2臺主電機。主逆變單元為速度控制，從逆變單元為扭矩控制，它們通過DRIVE_CLIQ總線進行通信）。另一種是將雙電機等效為單電機模型進行控制。這種方法的特點是對于2臺電機參數的同一性要求比較高，電機各項參數要盡量接近。將雙電機等效為單電機模型的方法主要有3種。

（1）單電機受控法。對其中一臺電機進行矢量控制，其他電機受被動控制。

（2）簡單平均模型法。將2臺電機的定子電流和轉速進行簡單平均作為反饋量進行控制。

（3）電壓矢量平均法。對電機內部狀態的平均，這種方法在控制時對每一臺電機應用矢量控制，然后將用于控制逆變器的電壓指令進行平均進而控制逆變器牽引電機。

從VARCO 11SA頂驅變頻器參數P102-P113的設置，以及單一主電機的實際銘牌參數來看（圖3），VARCO 11SA頂驅采用了將雙電機等效為單電機模型的控制方式。從電路原理上來看由安裝在右電機轉子上的編碼器來反饋實際轉速，由安裝在變頻器出線端的霍爾電流互感器來反饋電機定子電流，這2個檢測值實際上就是2臺電機的轉速和電流的平均值，所以VARCO 11SA頂驅采用簡單平均法將雙電機等效為單電機模型。

3 故障原因分析

3.1 大修電機和原廠電機參數差別大

VARCO 11SA頂驅采用雙電機等效為單電機模型的控制方式，再加上2臺電機在機械上的耦合關系和電氣上的并聯關系，對于2臺電機參數的同一性提出了更加苛刻的要求。電機的內部參數如繞組導線的電阻，轉子繞組每相的匝數，轉子繞組的基波繞組因數等都影響著電機輸出轉矩值。如果2臺電機實際參數差別過大，在運行過程中不再是輸出扭矩共同驅動負載，而是單個電機一方面驅動負載，另一方面抵消另一臺電機的扭矩輸出，這樣就有一臺電機過載運行，長時間運轉之后，絕緣強度低的電機就會擊穿燒毀。

圖3 電機參數及變頻器設置

3.2 電機維修質量不合格

國內的電機維修廠家在維修該電機時按照普通電機的維修標準進行維修，沒有考慮到電機的實際使用要求。根據實際的拆解檢查結果來看：①該電機使用紅色的聚氨酯絕緣漆，采用了簡單的常壓浸漆處理。②電機的漆包線及繞線方式的選擇發生了變化。③電機內填式溫度傳感器更換為熱敏電阻。VARCO 11SA原廠RELIANCE電機絕緣采用了CLASS F絕緣材料以及100%環氧樹脂真空壓力浸漬，所以大修后的電機的絕緣強度遠遠低于原廠電機。原廠電機內填式溫度傳感器為溫度開關，現改為熱敏電阻之后無法與頂驅控制系統兼容，導致電機運行溫度無法采集傳輸到PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器），也就使得頂驅控制系統無法根據電機實際溫度做出反應，最終導致電機燒毀。

3.3 沒有進行電機參數辨識

電機是一個高度非線性的模型，要完成電機的調速控制，變頻器需要根據電機的已知參數，利用測試法或者分析法來采集大量數據進行推斷及修正，最終估算出電機的物理參數，建立起電機的數學模型，使控制過程更加高效、精確、合理。對于故障損壞檢修后的電機，參數可能發生了較大變化，如果貿然投入使用，將對整個控制系統產生較大的影響。本次更換大修電機后由于作業連續性要求，沒有進行電機參數辨識，所以導致變頻器依舊按照原來的電機模型運轉，最終導致了本次故障的發生。

4 結論

VARCO 11SA頂驅主電機控制原理相較于其他頂驅有較大的差別，采用將雙電機等效為單電機模型的控制方式，該控制方式對于2臺電機參數的同一性要求較高，所以在電機維修時盡量選擇具有原廠維修授權資質的企業，這樣對于同型號電機維修基本能達到廠家的標準，不會造成電機參數的太大差別。另外電機檢修后，電機參數都會發生或多或少的變化，所以更換頂驅主電機后必須進行電機參數識別，保證頂驅控制系統與頂驅電機的匹配，使頂驅運轉高效、可靠。