50D鉆機電控系統及頂驅常見故障分析

摘 要：項目現場使用的鉆機是一套由美國IPS（Integrated Power System）公司生產的以直流電機作為主要驅動方式的電動鉆機，該鉆機配備了加拿大Canrig頂驅公司的一套1050E-500頂驅。現針對該套50D鉆機和Canrig 1050E-500頂驅在使用中常見的故障進行了原因分析和分類總結，并提供了相應的解決方案，也提出了一些維護建議以供參考。

關鍵詞：直流電機;勵磁故障;整流橋;IGBT

1? ? 設備情況概述

土耳其50D鉆機于2001年投產，在國內使用3年，2004年進入埃及市場，在埃及市場輾轉9年后，于2012年進入土耳其市場，一直使用至今。其中，埃及市場的環境最為惡劣，全境干燥少雨，大部地區屬熱帶沙漠氣候，炎熱干燥，氣溫高達50 ℃，每年4月至5月間常有沙塵暴，這些都對鉆井設備的質量和設備的維護提出了嚴峻考驗。

現根據我隊鉆井設備的使用情況，對現場出現的問題及解決方法進行分類分析，以此作為今后設備維護和配套的參考。

2? ? 故障分類及解決方法

2.1? ? 發電機無法上線或無法并車

常見原因：（1）發電機斷路器儲能電機損壞;（2）發電機斷路器脫扣線圈損壞;（3）斷路器儲能電機電路或脫扣線圈電路開路。

解決方法：首先檢查發電機輸出是否為AC600 V，無AC600 V電壓則檢查發電機，如果有AC600 V輸出，那么檢查150 VA變壓器CPT1輸入端電壓是否正常，正常則更換變壓器CPT1;如果不正常，則檢查CPT1輸入端兩個熔斷器是否損壞，損壞則更換熔斷器;未損壞則檢查CPT1輸出是否正常，不正常則更換CPT1;如果正常則檢查輸出端熔斷器，熔斷器損壞則更換;如果未損壞則斷開欠壓脫扣線圈外電路，檢查線圈是否損壞，損壞則更換欠壓脫扣線圈;如果未損壞則斷開儲能電機外電路查看電機線圈是否正常，不正常則更換電機。

就現場維修情況來看，儲能電機損壞的概率較小，脫扣線圈損壞一次，而儲能電機電路和脫扣線圈電路中的熔斷器損壞的可能性很大。其損壞原因有兩個，一個是發電機在投磁時，電壓逐漸建立并持續升高，其最高峰值電壓會超過正常工作電壓，這樣會對儲能電機電路或脫扣線圈電路造成較大沖擊，為保護電路，熔斷器燒壞;還有一個是并車工作的發電機，當切除一臺發電機時，會給另一臺發電機造成沖擊，進而燒毀熔斷器。

2.2? ? 發電機勵磁系統故障

常見原因：（1）發電機電壓調節器損壞;（2）發電機勵磁系統中的PWM功率模塊損壞;（3）勵磁線圈中沒有剩磁或剩磁不足。

解決方法：在用肉眼無法判斷哪個部分出問題的情況下，首先可以用替換法將此臺發電機的電壓調節器和PWM功率模塊放到另外一臺已知正常的發電機上來判斷這兩個模塊是否存在問題，如果有問題，直接更換相應模塊即可;如果沒有問題，則可大致判斷勵磁線圈中無剩磁或剩磁不足，此時可用干電池對勵磁線圈充磁。

在現場所遇到的情況中，以發電機勵磁系統的PWM功率模塊損壞最為常見，電壓調節器損壞則極少遇到，勵磁線圈無磁或剩磁不足則沒遇到過。針對PWM功率模塊損壞的情況，分析原因主要是起開關作用的場效應管燒壞引起的。

PWM功率模塊由可控硅整流橋和兩個控制直流輸出的開關——場效應管構成。可選擇電壓水平的三相交流電從兩個開口三角形連接的變壓器得到，三相全波整流橋將交流電轉換成一個穩定的直流電。這種穩定的直流電被場效應管隨著打開或關閉來調節平均直流信號并送給發電機的勵磁器。場效應管的驅動輸入是由電壓調節器插件板導軌上的插口得到的，這兩個信號是總線電壓檢測信號和無功檢測信號。

2.3? ? 鉆機或泥漿泵在正常工作過程中突然停止工作

常見原因：（1）冷卻風機停止工作或風壓開關故障;（2）直流電機電刷或刷握損壞;（3）SCR服務柜內整流橋某IGBT損壞。

解決方法：首先檢查冷卻風機是否工作正常，不正常則更換風機，如果風機工作正常，接著檢查電刷和刷握，看是否有損壞的地方，根據需要更換電刷或刷握，如果問題依然存在，則就要斷開外部電路，檢查整流橋是否輸出正常來判斷整流橋是否燒壞。

根據所遇到的情況，冷卻風機有一次燒壞的情況，電刷或刷握有兩次損壞的情況。在電刷或刷握出現故障時，可以在SCR房內的顯示屏上看到“mud pump 1/2 A/B current imbalance”的提示信息。分析原因有兩個，一是刷握上的三個電刷壓緊彈簧彈性不足，無法壓緊電刷，導致電刷與換向器接觸不好，接觸電阻增大，繼而導致高溫燒壞電刷或刷握;二是電刷磨損過多，更換不及時，電刷與換向器接觸不好，導致高溫燒壞電刷或刷握。如果整流橋燒壞，則需要全部斷電，拆下三個整流橋組，檢查每個橋組內的IGBT是否燒壞，如果燒壞則更換相應IGBT，問題解決。

2.4? ? Canrig頂驅正常工作突然停止運行，Panelview顯示“lost communication”故障

常見原因：（1）頂驅與頂驅房內的CPU通信故障;（2）頂驅上的PLC模塊DC24 V電缺失;（3）頂驅CPU故障。

解決方法：首先可以觀察頂驅房內的CPU工作狀態指示燈進行判斷，如果報電源故障，則可以更換電池;若更換電池后仍報故障，則更換CPU。

然后檢查頂驅上PLC-JBOX內的各PLC模塊電源是否正常，最常見的原因是頂驅上的PLC模塊DC24 V電缺失。原因主要有四種，一種是頂驅房內兩塊AC120 V轉DC24 V轉換模塊全部損壞，這個可能性很小;第二，轉換模塊前的TB11上的3F和4F兩個熔斷器損壞;第三，頂驅房TB13里兩個DC24 V輸出的IF和2F熔斷器燒壞;第四，從頂驅房至頂驅之間的通信電纜中兩根DC24 V電纜全部斷開。現場遇到第三、四種情況較多，第二種較少，第一種沒遇到過。分析原因主要是頂驅電纜總成老化，我們從游動電纜膠管的兩頭找出通信電纜，然后從中找出一黑、一白兩根DC24 V電纜，用兩芯外置電纜將它們連起來充當游動電纜，問題得以解決。

2.5? ? Canrig頂驅正常工作中突然停止運行，Panelview顯示“field fault”故障

常見原因：（1）頂驅勵磁模塊損壞;（2）頂驅勵磁電纜斷開;（3）頂驅勵磁線圈燒斷。

解決方法：首先排除勵磁模塊和頂驅勵磁線圈故障，拆開頂驅房內頂驅勵磁輸出電纜，檢測勵磁模塊的輸出是否正常;測量頂驅勵磁線圈電阻，如果不正常則更換勵磁模塊或更換電機。在這兩者中，電機勵磁線圈一般不會燒壞，勵磁模塊損壞則遇到一次。

現場遇到最多的是勵磁電纜斷開，分析原因一是在安裝時，勵磁電纜接線端子沒有壓緊，導致接觸電阻增大過熱，將接線端子燒壞;二是司鉆在操作頂驅時，堵轉或憋停時間過長而沒有采取措施。

3? ? 結語

本文針對50D電動鉆機鉆井施工中遇到的種種常見故障進行了分析和解答。當電控系統出現故障時，如果對控制系統不熟悉，那么判斷、解決和排除故障的難度和過程都會變得復雜，甚至會造成一定的經濟損失。因此，在做好日常工作的同時，現場人員應多加強學習，注重平時的經驗積累，做好工作筆記，為以后的工作做好鋪墊，確保設備的穩定、高效運行，為安全生產保駕護航。

[參考文獻]

[1] U.S.HAYDEN IPS #4317資料參考[Z]，1999.

[2] Canrig頂驅操作手冊[Z]，2001.

[3] 孟祥卿，蔣華東.電驅動石油鉆機電氣技術[M].北京：石油工業出版社，2015.

收稿日期：2020-03-16

作者簡介：王軍超（1982—），男，湖北棗陽人，工程師，現任土耳其項目SP011隊電氣工程師，研究方向：石油鉆機電驅動技術。