景宏DQ70BSQⅡ頂驅制動電阻過熱故障處理及改進

林王磊

（中海石油深圳分公司，廣東深圳 518067）

0 引言

在固定式海洋平臺模塊鉆機上，頂驅已逐步取代轉盤進行旋轉鉆進以提高鉆井效率和作業安全。目前變頻驅動的頂驅在海洋平臺模塊鉆機上應用非常廣泛。在變頻驅動頂驅系統中，由VFD 系統變頻器驅動和控制頂驅2 臺變頻電機實現頂驅旋轉、速度控制和扭矩輸出控制。頂驅的制動分為盤式剎車制動和能耗制動，頂驅VFD 系統配備一套制動電阻以實現能耗制動，消耗頂驅調速系統和扭矩系統在鉆井扭矩波動較大時產生的電能。景宏DQ70BSQⅡ-JH 頂驅首次在南海東部海域應用，在惠州油田某固定式海洋平臺模塊鉆機鉆井作業期間，因地層復雜、鉆井扭矩波動大等多方面因素，造成頂驅VFD 制動電阻頻繁異常放電，導致頂驅VFD 制動電阻過熱故障而停機。根據故障發生時的鉆井作業工況和故障實際情況，綜合分析故障產生原因，提出改進措施并實施，取得較好應用效果。對于頂驅在故障處理方面具有重要的實踐指導意義，為頂驅制造商的變頻控制系統技術改進提供了有利參考方向。

1 頂驅VFD 制動電阻過熱故障及原因分析

該鉆機配備的景宏DQ70DBⅡ型頂驅采用2 臺500 kW 交流變頻電機，由2 臺ACS880 變頻器驅動，每臺傳動單元分別控制1 臺電機，采用“主/從”宏的控制方法進行一對一的驅動，主機采用速度控制模式，從機采用轉矩控制模式。最大連續工作扭矩為85 kN·m，VFD 輸入電壓AC 600 V，VFD 輸出頻率范圍0～121 Hz。

1.1 故障情況

發生故障時，鉆井井深約3900 m，地層相對較為復雜，鉆進扭矩設定在23 000 lb-ft。頂驅制動電阻的散熱風機電源線因高溫過熱產生煙霧，散熱風機自動跳閘。但頂驅VFD 控制系統并未產生報警信號至司鉆控制臺，致使頂驅主機自動停機，頂驅主機及變頻器仍可運行，存在較大潛在隱患。故障報警由頂驅VFD 控制間的煙霧探頭觸發至鉆機火災盤產生報警，作業操作人員得知并關停主機。

井隊電氣主操檢查測量制動電阻各相阻值均為2.3 Ω，檢查各相電阻對地絕緣無窮大，屬于正常值。檢查制動電阻散熱風機，其電源線因高溫熔化了絕緣層，測量散熱風機電機繞組，發現風機電機已燒壞，只能更換1 個新風機方能恢復正常功能。初步斷定是當時工況導致制動電阻產生的熱量過大，散熱風機無法滿足散熱量要求，制動電阻整體溫度過高后導致散熱風機的電源線故障，造成散熱風機電機短路燒壞。

1.2 原因分析

根據頂驅故障樹梳理，從發熱異常、散熱不良、缺少保護裝置等方面，分析造成頂驅制動電阻過熱故障的可能原因主要有以下方面。

1.2.1 發熱異常

頂驅制動電阻主要在頂驅制動和調整輸出時進行放電發熱，故障發生時頂驅在正常執行鉆進功能，不存在頻繁剎車制動的情況，說明產生異常發熱的原因是變頻器異常頻繁調整負載輸出。地層和井下原因導致鉆井扭矩波動大是造成變頻器及時插補運算和調整輸出的主要原因，變頻器的輸出需要靠安裝在頂驅主電機上的測速編碼器來反饋頂驅主電機的運行實際速度，實現閉環控制。扭矩波動大和測速編碼器故障都可能引發控制閉環出現異常。測速編碼器對安裝精度和傳動精度要求較高，安裝精度不達標或傳動機構磨損都會引起測量信號不準確。

經過調取該井段的錄井數據和對比頂驅正常工作時制動電阻放電情況，在鉆進過程或者劃眼上提鉆具時遇到扭矩波動范圍達到3000～20 000 lb-ft 時，制動電阻會連續放電，扭矩波動5000～13 000 lb-ft 或更小時，制動電阻則不會頻繁放電。另外在變頻器面板上連續監測1#變頻器（對應A 電機）、2#變頻器（對應B 電機）的直流母線電壓，發現1#變頻器的直流母線波動較大（10 s 內電壓值從DC 770 到DC 940 V，波動4 次），但2#變頻器的直流母線波動則相對穩定。由此也可斷定1#變頻器收到的編碼器反饋信號不穩定或失真，加劇了制動電阻放電頻率。

1.2.2 散熱不良

制動電阻機柜安裝在頂驅VFD 工作間內，工作間內有一用一備的制冷空調，因而整體環境溫度的影響可以排除。導致散熱不良的因素，主要考慮制動電阻散熱風機的排風量及排風通道的設計。經現場實際檢查，機柜的進風百葉窗過小，以及機柜的散熱出口風道偏小，設計不合理也是制動電阻過熱故障之一。

1.2.3 報警檢測失效和缺少保護措施

正常情況下，頂驅制動電阻溫度過高時，其溫度傳感器PT100 應能及時將溫度信號傳遞給頂驅VFD 的工控機，由工控機PLC 進行判斷和發出報警。由于頂驅操作者司鉆沒有在司鉆操作箱的顯示畫面中看到報警，因此不能及時通知技術人員進行排查，處理高溫異常，這是導致制動電阻散熱風機過熱燒壞的重要原因。

其次，制動電阻散熱風機因電源線短路自動跳閘后，頂驅VDF 工控機并未收到風機運行信號聯鎖信息。而頂驅主機仍可正常運行，頂驅操作者司鉆也不知道制動電阻風機跳閘，導致制動電阻迅速過熱。聯鎖控制和制動電阻散熱風機運行狀態在頂驅司鉆控制臺畫面顯示這些功能必須得到改進。

2 故障處理及改進措施

2.1 故障處理

首先，根據頂驅廠家的操作維護手冊，核算制動電阻發熱量、散熱量，排除設計計算的問題后，更換頂驅制動電阻散熱風機。同時更換并測試溫度傳感器PT100，確保其在正常工作狀態。

其次，排查頂驅主電機A 電機的編碼器反饋信號失真故障。通過現場檢查，發現頂驅主電機A 電機編碼器固定塊軸承與編碼器固定軸之間的間隙較大，編碼器軸有輕微晃動現象，可以肯定這是引起制動電阻異常發熱的因素之一。對磨損的零部件進行更換、調整和潤滑，重新安裝到頂驅本體。

同時，優化變頻器運行參數，將制動電阻放電閾值由DC 936 V 切換至DC 1077 V，減少制動電阻放電頻率。為適應鉆機不同供電電壓范圍，頂驅變頻器SOP 上有AC 525～600 V和AC 660～690 V 等2 種供電適應模式可選。選擇AC 525～600 V 模式，變頻器能接受輸入電壓最低欠壓至AC 425 V，再低則變頻器會自動跳閘，該模式下制動電阻放電閾值為DC 936 V。選擇AC 660～690 V 模式，變頻器能接受輸入電壓欠壓至AC 535 V，再低則變頻器會自動跳閘，該模式下制動電阻放電閾值為DC 1077 V。相比而言，后者模式下，制動電阻放電頻率會降低很多，考慮到該油田給模塊鉆機的供電電壓波動很小，一般不會低于AC 590 V，變頻器欠壓跳閘可能性很小，因此選擇AC 600～690 V 供電模式，更適合當復雜地層井段、扭矩波動較大的鉆井作業工況。

當鉆遇復雜地層，扭矩波動較大時，司鉆可適當調整鉆壓，可使扭矩波動明顯減小，這也是一種保護頂驅設備、降低磨損、減少設備維修頻率的方式。

2.2 改進措施

（1）改善制動電阻柜內部的通風情況，確保頂驅VFD 工作間的空調冷氣能覆蓋到制動電阻機柜。在機柜底部增加1 個進風機，加強通風。同時對制動電阻散熱風機的排風百葉窗進行改良，確保散熱通暢。

（2）為確保頂驅操作者司鉆能及時掌控制動電阻風機運行狀態，將制動電阻散熱風機運行信號增加至VFD 綜合控制柜的工控機PLC。從邏輯程序上實現控制聯鎖，風機故障停機后可自動關停主機，并在頂驅司鉆控制臺顯示屏上以報警方式顯示其故障狀態。制動電阻散熱風機故障停機后，確保頂驅司鉆控制臺畫面能第一時間產生報警信號并提示司鉆關停頂驅主機。

3 結論

頂驅制動電阻異常發熱是由多個因素引起的，散熱不良和缺少報警保護措施都會導致制動電阻過熱故障，引發設備事故且有潛在電氣火災風險。通過對景宏DQ70BSQⅡ-JH 型頂驅制動電阻過熱故障原因分析、處理，進一步了解和掌控鉆遇復雜地層和特殊井下作業工況時頂驅的操作使用、運行情況判斷、運行參數調整等。結合實際情況分析頂驅設計制造時的不合理之處并提出改進措施，促使頂驅系統平穩、安全運行。對今后頂驅故障處理方面具有重要實踐指導意義，為頂驅制造商的頂驅變頻控制系統技術改進提供了有利的參考方向和推廣價值。