分析頂驅鉆井電機的發電狀態及其危害

于繼成

摘要：在鉆井作業過程中，頂驅鉆井電機會常常進入發電狀態，制動單元頻繁導通，引起過熱或燒壞，造成頂驅不能正常工作，影響鉆井作業的正常進行。我們應加強和鉆井隊的溝通協調，及時調整鉆井參數，使頂驅電氣設備正常運行，保障鉆井施工的順利進行。

關鍵詞：鉆井;頂驅;電機;發電;危害

頂驅是機電液一體化集成度很高的鉆井裝置，作為一種高效、安全的鉆井方式，大幅度縮短了起下鉆時間，減少井下復雜，提高鉆井效率。頂驅對于欠平衡井、水平井、叢式井、定向井、套管鉆井、不間斷循環泥漿鉆井等特殊工藝井技術發展有重大意義，石油勘探開發采用頂驅是大勢所趨。頂驅在鉆遇礫石層、夾層、不勻質層等復雜地層時，鉆井扭矩在較大范圍內劇烈波動，頂驅鉆井電機頻繁進入發電狀態，造成變頻器制動單元頻繁導通工作，引起過熱甚至燒壞。當制動單元過熱保護或燒壞時，頂驅逆變器保護，沒有輸出電壓，鉆井電機無法運轉，影響正常鉆井施工。因此研究頂驅鉆井電機的發電狀態，避免制動單元頻繁導通工作，保障頂驅正常運行具有現實意義。我們以變頻調速、矢量控制的北石DQ70BSC頂驅為例說明。

1頂驅鉆井電機發電原因

1.1電動機發電狀態

電力拖動系統處于穩定運行狀態時，主要特點：①系統穩定在某一轉速下做等速運行;②系統的各轉矩間處于平衡狀態;即：TM =TL+To ≈ TL（其中TM：電動機的轉矩是由電流和磁場間相互作用而得的，故稱為電磁轉矩TM;TL：負載大多數情況下呈現為阻轉矩，用TL表示;Tn：摩擦轉矩、風阻轉矩等，統稱損耗轉矩用Tn表示;如果電力拖動系統的轉矩之間不平衡，則TM>TL+TO時n ↑，系統加速;當TM

1.2異步電動機的旋轉原理

異步電動機電磁轉矩TM由定子主磁通和轉子電流相互作用產生;定子主磁通以一定轉速旋轉，旋轉磁場的轉速no=60f/p;轉子繞組里的電流是繞組本身切割定子旋轉磁場的磁力線感應產生的，旋轉磁場轉速no和轉子轉速nM同方向。當旋轉磁場的轉速no大于轉子的轉速nM時，為電動機狀態;而當旋轉磁場轉速nn小丁轉子轉速nM時，轉子繞組切割旋轉磁場磁力線的方向和電動機狀態時正好相反，變為發電狀態。

1.3變頻調速系統電動機發電原因

變頻調速系統降速基本方法是通過逐漸降低給定頻率實現。拖動系統慣性較大，變頻器給定頻率又下降得較快時，電動機轉速nm下降將跟不上同步轉速no下降，出現nM比no大得多的情況。這時轉子繞組切割定子旋轉磁場磁力線的速度加快，轉子電動勢和電流增大，形成再生過電流。同時泵升電壓也增大。電動機再生電流通過和逆變管并聯的續流二極管進行全波整流后，返回至直流電路，使直流電壓上升。上升部分稱為“泵升電壓”。再生電流和泵升電壓之間的關系：再生電流大，泵升電壓也大，但反過來，泵升電壓大，將對再生電流起抑制作用，使再生電流減小。因此降速過快，常出現“過電壓”故障。

1.4頂驅鉆井電機發電狀態

以北石DQ70BSC頂驅為例，鉆進過程中，頂驅恒功率輸出，鉆井扭矩變化率過大時，頂驅鉆井電機輸出轉速也會同步變化，變頻調速系統會頻繁變換給定頻率，使電動機的電磁轉矩和負載轉矩相等，定子旋轉磁場同步轉速nn發生變化。而頂驅帶著鉆具旋轉慣性很大，電動機轉速的變化跟不上旋轉磁場的變化，雖然我們沒看到電機反轉，實際上電動機會頻繁進入發電狀態。制動單元頻繁導通過熱，就因為鉆井扭矩變化過快，造成電動機頻繁進入發電狀態，回饋到直流母線，電壓升高，造成制動單元導通。

2頂驅鉆井電機發電的危害

2.1制動單元頻繁導通

頂驅鉆井電機頻繁進入發電狀態，會造成變頻調速系統直流母線電壓升高，制動單元頻繁導通。頂驅直流母線工作電壓8IOV，制動單元導通電壓967V，制動電阻3.1 Ω，功率200kW，制動單元在峰值功率工作20秒需冷卻70秒。制動單元頻繁導通，容易造成制動單元過熱保護或燒壞，導致頂驅不能運行，影響正常鉆井施工作業。

2.2影響電氣元件使用壽命

頂驅鉆井電機頻繁進入發電狀態，使變頻調速系統電氣元件頻繁承受高電壓，元器件發熱，減少使用壽命，造成元器件老化損壞。

2.3潛在的火災風險

頂驅變頻調速系統制動單元燒壞后，逆變器會自動停機保護，但整流器還會正常工作，這時直流母線8IOV電壓會不受控制長時間作用在3.1Ω的制動電阻上，制動電阻就像一個電爐子很快烤著電控房，引起火災。我公司頂驅在塔里木油田DN2-4井作業時，就因制動單元燒壞，沒有及時發現，引起電控房起火事件。

3頂驅鉆井電機發電的預防措施

主要措施有：①調整鉆井參數：當頂驅鉆井電機頻繁進入發電狀態，頻繁引起制動單元超溫保護，可與鉆井隊協商，適當降低鉆壓、鉆井轉速，減輕鉆進過程中憋跳現象。②加密巡檢，勤檢查：當頂驅鉆井電機頻繁進入發電狀態，頻繁引起制動單元超溫保護時，要加密崗位巡回檢查或在頂驅電控房值守，發現問題及時處置。

綜上所述，在鉆進作業時，頂驅鉆井電機常常進入發電狀態，為了避免電氣設備損壞，我們在加強巡檢的同時，還需要和鉆井隊的交流溝通，及時調整鉆井參數，以保障頂驅設備的正常運行。

參考文獻：

[1]王進野.電機拖動與控制[M].天津：天津大學出版社出版，2008（2）.