ZJ70D電動鉆機屢燒PLC模塊的故障分析和處理方案

張宇鱗

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司國際鉆井公司，北京 100101）

ZJ70D鉆機電氣控制系統(tǒng)作為早期電動鉆機的代表性典范,在國內(nèi)外油田鉆井開采中大量使用，多數(shù)設(shè)備都已經(jīng)有20年左右的工作年限，機械電氣設(shè)備狀態(tài)趨于老化，隨之故障率大幅增加。此類DDF系列的鉆機控制系統(tǒng)簡稱SCR(晶閘管直流調(diào)試系統(tǒng))，配置了西門子S7-300系列的PLC主站和擴展從站控制，對系統(tǒng)動力設(shè)備切換控制更加靈活多變，在PLC控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，直接影響到主體設(shè)備運行，耽擱生產(chǎn)時效，重者造成設(shè)備事故和生產(chǎn)事故。本文以一部運行達到18年的ZJ70D鉆機控制系統(tǒng)為例，近年來頻繁出現(xiàn)多種類型的故障，并且連續(xù)燒毀PLC模塊，造成生產(chǎn)作業(yè)中設(shè)備停止運行，據(jù)統(tǒng)計完成一口4000m生產(chǎn)井，損壞模塊數(shù)量達到6塊左右,更換新模塊后使用幾周后又再次損壞，已經(jīng)導(dǎo)致備件達到零庫存，嚴重影響到生產(chǎn)作業(yè)，經(jīng)濟損失非常嚴重。針對此類設(shè)備頑疾進行深入分析，找出故障根本原因，設(shè)計方案徹底消除故障隱患，保證了鉆井作業(yè)順利進行。

1 設(shè)備故障現(xiàn)象診斷

在ZJ70D鉆機進行深井作業(yè)中，鉆井二開作業(yè)階段設(shè)備故障發(fā)生頻率最高，絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵、電磁渦流剎車及各類砂泵時常滿負荷運轉(zhuǎn)，這一階段設(shè)備負載用電功率最大，對現(xiàn)場柴油機發(fā)電系統(tǒng)供電有嚴峻多考驗，發(fā)電機電網(wǎng)在大負載沖擊下要保證輸出的額定功率，還要保證能效和電網(wǎng)穩(wěn)定性。鉆機上全部的大功率設(shè)備都是非線性負載，大功率下引發(fā)電網(wǎng)中無功功率上升，無功電流增加，并產(chǎn)生大量的諧波影響到電網(wǎng)其他設(shè)備和控制系統(tǒng)運行，造成各類故障出現(xiàn)。

ZJ70D電動鉆機時常在運行中出現(xiàn)泥漿泵停止轉(zhuǎn)動，絞車轉(zhuǎn)盤停轉(zhuǎn)，傳動系統(tǒng)報警等種種突發(fā)故障，經(jīng)過多次維修檢查，多數(shù)原因都是西門子PLC控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題。在故障出現(xiàn)后，最簡單的檢查辦法就是使用安裝西門子step7軟件的計算機，連接到設(shè)備PLC系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)程序輸入輸出邏輯，可以快速確定故障位置，找到設(shè)備損壞器件，通過更換完成故障修理。但是屢次損毀PLC硬件的現(xiàn)象必須經(jīng)過監(jiān)控系統(tǒng)運行參數(shù)，借助萬用表及示波儀進行全面診斷，監(jiān)控并記錄數(shù)據(jù)，用電氣系統(tǒng)運行的過程數(shù)據(jù)去分析處理。針對PLC模塊故障，在現(xiàn)場經(jīng)過對控制系統(tǒng)的檢查，發(fā)現(xiàn)控損壞的PLC模塊在使用中發(fā)熱,溫度明顯高于其他模塊，同時供電變壓器溫度也會非常高。模塊損毀后集中表現(xiàn)在信號外部輸入線路的取樣電阻損毀（圖1），電網(wǎng)電源波形嚴重畸形（圖2）。用示波器實時監(jiān)控測試600V母線及110V控制電源，在泥漿泵單泵運行電流達到1100A左右的時候，平滑的正弦波加入了大量多次雜波，測試電源電壓也有所上升。因而判斷此類型的故障完全由于電源諧波引起。

圖1 PLC模塊損毀部分

2 影響鉆機電氣控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素分析

柴油機發(fā)電系統(tǒng)中提供穩(wěn)定的600V交流電壓、波形為頻率為50Hz的正弦波，但是非線性負載設(shè)備的廣泛應(yīng)用會產(chǎn)生了大量的諧波電流，諧波電流耦合在線路上對其他用電設(shè)備造成干擾。通過對電網(wǎng)的檢測，對于大功率三相整流負載，三相可控硅系統(tǒng)主要產(chǎn)生5、7次諧波。在直流調(diào)速系統(tǒng)中雖然諧波無法避免，但是相對的允許值是電網(wǎng)質(zhì)量的重要指標，治理諧波源是故障處理的關(guān)鍵。

2.1 接地是否可靠

在設(shè)備或裝置中，接地是為了使設(shè)備或裝置本身產(chǎn)生的干擾電流經(jīng)接地線流入大地。石油鉆機有頻繁的搬遷和環(huán)境變化的特點，土壤的不同特征，這是影響到設(shè)備能否有效接地的重要因素；鉆機在搬運使用中，接地線連接松動脫落多現(xiàn)象較多，所有的設(shè)備接地線是否連接可靠是檢查重點。石油行業(yè)鉆機電氣系統(tǒng)有嚴格的設(shè)備接地要求，設(shè)備供電采用TN系統(tǒng)，井場設(shè)備接地電阻要求不大于4歐姆。在接地不良的情況下，電氣設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流就無法釋放到大地，造成諧波電流直接回饋污染電網(wǎng)，嚴重情況下燒毀電子設(shè)備。所以接地就是日常電氣設(shè)備維護人員工作的一項很重要內(nèi)容，對于接地電阻不能達標的場合，必須馬上提出整改措施。

2.2 屏蔽和鉆機布線是否規(guī)范

屏蔽是用來減少電磁場向外或向內(nèi)穿透的措施，一般常用于通訊信號隔離和衰減輻射干擾。電動鉆機控制系統(tǒng)在設(shè)計和制造的過程中，也充分考慮到這一因素，在SCR房中布線中動力電纜采用平行布線，信號線交叉布置或者同大功率動力電纜間隔30cm以上距離布設(shè)，線路規(guī)范，可靠性強。對于多年使用中的鉆機系統(tǒng)，電纜線路布置及控制信號屏蔽電纜布線的問題，主要位于SCR電控房外部的電纜橋架布線。鉆機在經(jīng)歷多次搬家安裝后，線路布置是否規(guī)范是設(shè)備檢查的重點項之一。一旦線路布置混亂，電纜之間形成的電磁耦合，會對控制系統(tǒng)造成諧波干擾，同樣對于長距離電纜平行無間隙排列，產(chǎn)生靜電耦合干擾，電流強度越大，產(chǎn)生多耦合電流越大。在接地和屏蔽接觸不良的前提下，容易出現(xiàn)控制信號線路故障。

2.3 中大功率負載產(chǎn)生干擾源

石油鉆機的中功率負載集中控制在MCC供電系統(tǒng)，交流400V，電流小于1000A，主要包括多臺55KW的砂泵和風機、攪拌器、電磁渦流剎車等等；大功率負載包括三臺泥漿泵、兩臺絞車和一臺轉(zhuǎn)盤共計9臺600kW直流串勵電機，直流柜輸出0～750VDC，電流0～1400A。這些直流負載工作電壓高，電流大，工作時產(chǎn)生的電磁干擾信號強，可以造成非線性負載的諧波。隨著設(shè)備使用多年，鉆機運行在惡劣的環(huán)境下，絕緣下降，漏磁增加，電流增大，個別老化的大負載瞬間產(chǎn)生漏電后會引起電網(wǎng)波動。根據(jù)示波器試監(jiān)測的波形，在大功率負載工作時，隨著電流的逐步增加，以正常正弦波為基波載體中逐漸出現(xiàn)了脈沖諧波，并且隨著負載扭矩繼續(xù)增加，諧波的振幅急劇增加，諧波越來越嚴重。

2.4 可控硅整流系統(tǒng)出現(xiàn)的干擾

可控硅整流裝置采用移相控制，整流裝置為三相全橋六脈整流器，變壓器原邊及供電線路常常含有5次及以上奇次諧波電流，由SCR的斬波特性決定了這種現(xiàn)象必然會出現(xiàn)。經(jīng)參考數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，由整流裝置產(chǎn)生的諧波占諧波總量40%，這是一個較大的諧波源。電驅(qū)動鉆機采用三相可控硅整流器來控制直流串勵大功率電動機運轉(zhuǎn)，當司鉆在鉆臺控制系統(tǒng)調(diào)整速度給定手輪，PLC控制給定可控硅觸發(fā)信號，在SCR控制系統(tǒng)中產(chǎn)生可移相脈沖，該脈沖控制SCR導(dǎo)通角，使正弦波的某一部分被斬波，從而調(diào)整SCR輸出電壓的大小，實現(xiàn)所希望的轉(zhuǎn)速或扭矩。當電網(wǎng)足夠大，而SCR負載又很小時，對電網(wǎng)的影響會較小，不會出現(xiàn)波形畸變。但電驅(qū)動鉆機的電網(wǎng)負載達到80%左右時，含有3、5、7次及以上的奇次諧波放大，使得電網(wǎng)電源波形畸變。另外，ZJ70D系統(tǒng)三相晶閘管全橋全波整流電路中，老舊設(shè)備的可控硅在使用中損壞更換，所用的可控硅不是同一廠家和批次的產(chǎn)品或者存在質(zhì)量問題，導(dǎo)致晶閘管導(dǎo)通性能降低，大電流下有可能出現(xiàn)飽和導(dǎo)通的現(xiàn)象。根據(jù)可控硅的頻譜數(shù)據(jù)，SCR開關(guān)狀態(tài)可以在直流輸出上增加300～360Hz的波紋頻率，這個數(shù)值與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)完全相符，所以可控硅電源系統(tǒng)是最大的干擾源。

3 故障處理方案及應(yīng)用效果

3.1 規(guī)范化接地系統(tǒng)和信號線屏蔽及電纜布線。

（1）整理凌亂的現(xiàn)場設(shè)備接地線線路，對不可靠對接地線重新正確連接，由于多點接地在有些土壤環(huán)境下會存在不一樣的電位差，在信號線路容易造成環(huán)流，所以把設(shè)備全部連接在一起后，選取科學合理的接地點統(tǒng)一接地,采用專用的接地線和接地樁，在砂石土壤的環(huán)境下加強接地樁掩埋深度，加草木灰或者鹽水，每天進行巡檢檢查并保持接地坑濕度，測試結(jié)果證明這樣做接地電阻從40Ω可以降至4Ω左右。（2）帶有屏蔽層信號控制電纜，全部采用信號端單端接地，避免電纜屏蔽層形成電位環(huán)流，這樣對設(shè)備整體信號穩(wěn)定性有所提高，部分頻段的雜波可以通過可靠的接地系統(tǒng)減弱或者消除。（3）檢查電纜橋架布線，利用布線技術(shù)改善電磁干擾。電動機動力電纜應(yīng)獨立于其它電纜走線，同時應(yīng)避免電機電纜與信號電纜長距離平行走線，以減少高電壓強電流快速變化而產(chǎn)生的電磁干擾。

3.2 諧波發(fā)生源的治理方案及效果

（1）就三相對稱電路而言，一般沒有偶次諧波，整數(shù)倍的諧波也被互相抵消，因此，通常只包含6k±1次諧波。k=1時，就是5、7次諧波。為解決諧波源的諧波污染問題，基本思路是裝設(shè)諧波補償裝置來濾除諧波。諧波補償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用LC調(diào)諧濾波器，這種裝置對多種諧波源都是適用的。這種方法既可濾除諧波，又可補償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單。低通無源濾波器就是通過電感L與電容C串并聯(lián)諧振的方法濾除諧波，電路結(jié)構(gòu)類似電容器串聯(lián)限流保護電抗器的補償電路。在實踐中起補償作用LC濾波裝置對交流固定頻率諧波抑制非常有效。（2）針對污染源300Hz頻率，在條件有限的施工現(xiàn)場設(shè)計制作交流濾波器，加裝到電氣系統(tǒng)110VAC控制電源中進行濾波。根據(jù)低通濾波器計算公式，設(shè)計簡單的π型LC無源交流濾波電路（圖3），圖中C1電容為0.1μF、500V耐壓，用于吸收從電源線傳導(dǎo)進來的中短波段的高頻噪聲干擾；圖中L是共模電感，兩只對稱的5mH電感是由繞在同一只鐵心兩側(cè)、匝數(shù)相等的電感繞組構(gòu)成，現(xiàn)場使用相同變比的110V隔離變壓器替代，找到變壓器同名端，測試近似于阻抗5mH，這個電感用于吸收因電源波形畸變而產(chǎn)生的諧波干擾；圖中的C2選擇4.7μF無極電力電容，耐壓500V，吸收交流電源低頻諧波同時補償電路。設(shè)計完成的電路加工制作后，在現(xiàn)場接入控制系統(tǒng)電源變壓器二次側(cè)，在現(xiàn)場各種工況下，不同負載的條件下進行了幾周的數(shù)據(jù)監(jiān)控測試，控制電源濾波后的效果保持了穩(wěn)定平滑的正弦波，高次諧波完全消除(圖4)。

圖4 濾波后的電源波形

總之，經(jīng)過這一系列的設(shè)備檢查與故障分析，通過對現(xiàn)場設(shè)備整改和設(shè)計濾波方案并予以實施，電源噪聲污染被完全消除。

4 結(jié)語

隨著近十年來國際油價下跌，石油鉆井設(shè)備投資規(guī)模更新減小，服役的設(shè)備全部開始老齡化，要保證電動鉆機穩(wěn)定安全的運行，在設(shè)備維護方面，現(xiàn)場工作要做到更加精細化的管理，現(xiàn)場接地系統(tǒng)作為重點巡檢對象，嚴格執(zhí)行中石油設(shè)備管理規(guī)范的接地標準。設(shè)備更換可控硅等大功率元器件，考慮到可替換性的前提下，盡量更換同一批次的元器件，避免造成三相觸發(fā)系統(tǒng)功能下降。電動鉆機的干擾諧波是一個復(fù)雜的問題，受到設(shè)備搬遷、設(shè)備維護、作業(yè)環(huán)境變化等一系列的因素影響，所以發(fā)現(xiàn)故障應(yīng)該綜合考慮分析原因，簡單的設(shè)備元器件替換不能治本，很可能還會引起其他的設(shè)備故障。所有的故障要深入分析原因，找到根本原因，徹底處理故障，保證設(shè)備和生產(chǎn)安全。通過此次具有代表性的故障處理過程，ZJ70D鉆機控制系統(tǒng)已運行非常穩(wěn)定，再無此類故障出現(xiàn)。