石油鉆機6SE70 變頻器常見故障探究

李龍建

（中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西西安 710021）

0 引言

我國石油工業廣泛使用變頻交流驅動鉆機進行生產，不僅能夠滿足石油工業生產的需要，更能有效節約能源，減少能耗，實踐低碳環保的目標。目前鉆機主要使用西門子6SE70 變頻器，受到高負荷生產、惡劣生產環境的影響，變頻器經常出現設備故障，影響鉆井生產的正常進行。因此需要針對常見故障展開研究，通過靈活處理故障縮短停工時間，降低故障率，保證石油工業的穩定生產。

1 西門子變頻器結構及工作原理

1.1 結構

西門子變頻器在石油鉆井工程中比較常見，作為核心設備應用。在鉆井工作中電源、電壓和控制系統主要使用變頻器，需求量大。變頻器主要包括變頻箱、遠程遙控、開關柜和制動系統4 個部分。

1.2 工作原理

根據流體力學理論，變頻器利用傳感器調整主軸，主軸按照垂直調整，與軸旋轉存在比例關系[1]。變頻器在執行任務過程中，假設效率保持固定，轉速隨著流量增加而減小。軸系輸出功率存在密切關聯，流量減小時變頻器輸出功率也會適應性調整，轉速降低。變頻器軟啟動將最大電流保持在額定電流之下，從而達到節約資源的目的，延長電機使用壽命，節約生產成本。

2 石油鉆機變頻器的常見故障及處理措施

2.1 過電壓

變頻器通電后顯示過電壓故障代碼，電路電容和電阻正常，檢查放大電路可以發現集成電路損壞，輸出端輸出高電平。放大電路是按照一定比例放大取樣信號，核心器件為集成電路。變頻器集成電路損壞輸出高電平，高電平即過電壓信號，CPU 接收到過電壓信號后顯示故障代碼。該故障通過更換集成電路即可解決。

2.2 過電流

變頻器通電運行后顯示過電流，控制面板顯示故障代碼。過電流故障的發生主要是電壓過度波動或者多次過載，造成脈動電流過大，導致過電流故障。需要對變頻器器件逐個檢查，同時通電測試是否存在問題，檢查驅動電路是否正常運行。若對地絕緣正常可能是電流傳感器存在故障。更換傳感器后仍然存在過電流故障，則需要檢查運放放大部分回路。更換運放放大部分后變頻器可以恢復正常運行。

2.3 欠電壓

變頻器通電后顯示欠電壓故障代碼，對高壓和低壓電流檢查未見異常，取樣電路正常。可檢查到放大電路電壓異常，對放大電路進行更換，結果顯示正常，可正常運行，輸出電壓平衡。運行幾分鐘后停機，有異味、冒煙。斷開電源后打開變頻器，可觀察到電阻變色發熱，主要由于繼電器未動作。對繼電器進行檢查結果顯示正常，是由于供電電路故障。在運行過程中變頻器過熱是由于限流電阻的發熱導致，限流電阻發熱問題是由于繼電器未動作，供電電路是由于繼電器未動作。更換集成電路以及相關部件后可消除故障。

2.4 發熱

變頻器通電后正常運行一段時間后，顯示過熱故障。打開變頻器發現風扇轉速異常，連接一個風扇顯示風扇轉速正常，連接兩個風扇轉速異常。在變頻器過載運行、散熱扇吸附過多灰塵，散熱片堵塞等情況下高發，主要是由于開關電源一路濾波電容漏電導致故障，更換電容即可解決。

2.5 通信失聯

變頻器使用通信接口進行控制，控制面板顯示通信失聯故障，從接口向內部檢查，檢查信號連線無異常情況，濾波器正常。檢查電平轉移芯片，芯片無法正常工作。由于轉移芯片老化損壞，無法正常傳送通信信號，出現通信失聯。可以通過更換轉移芯片處理故障，恢復變頻器運行。

2.6 充電故障

充電故障主要是由于主進線開關的連接問題，在整流單元中包括4 個熔斷斷路，容易造成直流母線電壓過低的問題，將熔斷器更換后，儀器可以回到原本的位置。逆變器重置后，變頻器恢復正常運轉。逆變器故障主要是由于回饋單元和整流單元沒有正常運轉，造成電源電壓無法正常供給。逆變柜故障主要由于逆變器發生斷路故障，IGBT 發生故障造成IGD 板損壞，更換配件后可恢復至良好狀態運行[2]。

3 西門子6SE70 變頻器故障案例分析

3.1 案例分析

西門子6SE70 變頻器是我國石油工業鉆機使用最為廣泛的變頻器，但故障時有發生，嚴重影響鉆井正常生產。經常出現的故障有：①參數故障，需立即檢查參數是否正確設定，如啟停參數錯誤則無法啟動變頻器；②部件故障，由于鉆井設備經常需要搬動，拆裝過程中損壞插頭造成控制線斷線，導致無法運行；③電源故障，鉆機自備電源，若電壓和發電頻率和變頻器不符，將引發變頻器故障；④過流故障，由于電機負荷突然改變，沖擊過大或者電纜電機受損，造成匝間短路，或者變頻器中安裝編碼器，信號丟失引起過流；⑤過載故障，由于制動量大、加速時間短或電壓低等因素造成變頻器過載，可通過延長加速時間、制動時間等方式處理；⑥硬件故障，由于電子元器件故障（如主控制板等）或外部系統串入高壓電，電路損壞引發故障。

3.1.1 過負荷

在鉆井過程中由于負荷突然增加，變頻器停止運行，整流柜顯示F005。由于鉆機使用發電機組為750 kW，柴油機故障造成轉速降低，不足1350 r/min，電源頻率降低至45 Hz 以下，變頻器停止運行。需要對柴油機進行維修處理，恢復正常運行。

3.1.2 母線電壓過低

母線電壓過低故障顯示F008 代碼，會造成輸入電壓穩定性降低，嚴重時可能導致瞬時缺失。輸入電源低容量難以滿足變頻器運行需要。需要合理減小力矩或者電流限幅，保證逆電柜可以協同運行。若由于電壓穩定性差發生低電壓故障，要改變主變檔位提高電源電壓。

3.1.3 過電流

過電流故障主要是由于操作人員不當操作造成的，介入設備電流超過最大值，變頻器無法正常運轉。運行過程中，接入電流超過設備承載電流最大值的1/5 時會出現停止運轉。由于過流引發變頻器關機，逆變柜顯示F011。發生故障后首先進行拆裝設備，詳細檢查傳感器準確檢查傳感器設備狀態，如果是傳感器設備需要立即更換設備，重啟變頻器觀察故障問題是否修復。一般情況下復位處理即可，若復位后仍無法正常開機，可能由于變頻器出現接地故障或短路故障、過載故障。因此需要將電機電纜以及變頻器斷開，絕緣測試電機，若結果顯示正常，電機無故障[3]。對逆變電路進行檢查，拿出3 塊電容器組，使用多用表進行逆變電路的檢查，逆變電流有續流二極管，使用多用表進行測量，如果參數正常則表示逆變電路良好；若參數異常，則需要更換逆變電路。測量后發現逆變電路功率管發生損壞，更換部件可消除故障。

3.1.4 過電壓

變頻器發生過電壓故障是介入電壓超過電壓最大值。一般情況下受到氣候條件的影響，在雷電天氣下變頻器受到較大干擾。發生雷電天氣會造成內部電壓較高。導致變頻器無法正常運行。維護人員可以關閉設備，再次重啟設備消除故障。若由于負載問題引發過電壓故障，需要對減速時間參數進行調整消除過電壓故障，保證設備良好運行。當大慣量負載條件下，母線電壓快速升高，制動電阻和制動單元偏小，造成過電壓故障設備直接關機。如變頻器通電后逆變柜顯示E，重啟無法復位，電源連接正常。觀察端子元件顯示燒毀，主要是由于接入高電壓造成故障，對外部線路進行檢查，發現由于絕緣破損造成控制線接入高電壓發現燒毀。重新更換控制板和控制線，可恢復正常運轉。避免過電壓故障需要在使用過程中保證電壓電源的穩定性。

3.1.5 發熱故障

逆變柜顯示F023 代碼，由于外部環境過高影響變頻器環境溫度，或者散熱風機運行故障，拆開風機檢查軸承，對損壞軸承進行更換處理故障。

3.2 建議

3.2.1 定期檢修維護

對于西門子6SE70 變頻器而言，由于設備需要長時間運行，未經過定期維護管理，設備很難正常運行，將對設備部件造成嚴重損害，威脅設備運行壽命。因此需要制定年度維護計劃，每年清潔設備，將風機、控制面板等部件拆除后，使用專用清潔劑進行清理，將控硅表面雜質清理干凈，清掃風機灰塵[4]。完成清潔工作后按照標準安裝，對于緊固螺絲做好標記，充分保證后續檢修工作的進行。以季度為單位進行的養護管理，不需要拆除部件，檢查保險、網線以及螺栓等部件，檢查柜體、電纜以及變頻器本體的使用情況。每天進行線路和外觀縫隙的清潔，保證其穩定運輸。建立設備使用臺賬，記錄作業時間和故障問題。

3.2.2 注意環境影響因素

由于鉆井需要長時間在惡劣環境中運行，受到環境因素的影響，容易發生故障。如環境溫差過大可能加速設備老化，引發內部腐蝕，造成部件凍結。此外作業期間經常需要接觸腐蝕性氣體或液體，影響設備部件壽命。因此需要重視環境的影響因素，必要時及時介入保護設備，降低故障率，延長壽命。在冬季低溫天氣使用罩單保護設備，注意對設備的清潔，避免長時間受液體腐蝕。

3.2.3 重視運輸管理

由于鉆井作業需要經常變動設備位置，或將設備運輸至其他工程，為保證設備穩定運行，需要謹慎搬運變頻器設備。在運輸過程中做好充分固定工作，使用保護設施對設備進行保護，最大限度減少振動和沖擊，避免變頻器受到碰撞或磕碰，從而預防部件損壞或松動。

4 結論

綜上所述，在鉆井作業期間需要對變頻器進行定期維護檢修，密切關注作業期間電源電壓、溫濕度以及負荷情況，作業前檢查工作參數等，保證最大電流和最大轉矩存在一定富余，從而延長變頻器使用壽命。作業后還需要清理變頻器外部臟污灰塵，定期檢修維護、緊固部件，保證變頻器的正常運行。