石油钻井电控系统维护问题研究

0.概述

目前，国内钻井队所使用的钻机的类型有三类：第一类为机械钻机，即钻机采用机械传动；第二类为半机械半电动钻机，即LDB型钻机，钻机采用机械传动，转盘使用变频电机独立驱动；第三类为电动钻机，所有的设备为电机驱动。其中电动钻机又可分为SCR直流电机驱动和交流变频电机驱动。在这些钻井设备中，使用交流变频电机驱动的电动钻机最实用，最可靠，最节能，也是今后钻机发展的趋势。下文主要介绍交流变频电机驱动的电动钻机的电控系统的维护和维修。

1.电动钻机电控设备的维护和维修

电动钻机的电控设备主要可分为两个部分：PLC控制系统和变频器。

1.1 PLC控制系统的维护和维修

电动钻机使用的PLC控制系统目前主要以西门子S7-300系列为主，少数使用S7-400系列。两种系列基本相同，后者是在前者的基础上进行了功能的扩展。西门子PLC控制系统稳定性好，故障率较低，有在线诊断功能，出现故障时模块上的SF或BF故障指示灯会闪烁，维护和维修方便。根据在线诊断判断出故障原因，模块损坏更换模块，通讯故障检查线路。

在钻井施工过程中出现过这样的故障：钻井井场在电厂或电视塔附近时，PLC控制系统会出现故障；只启动一号泵时，而二号泵却也随着启动了。这些引起PLC控制系统出现通讯故障的原因，绝大多数是由干扰引起的。干扰来自三个方面，一是来自电源的干扰：电网干扰和频率波动直接影响PLC系统的可靠性于稳定性；二是来自信号线的干扰：与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除传输有效的各类信息外，总会有外部干扰信号侵入。一部分是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，另一部分是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰；三是来自接地混乱的干扰：正确接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误接地，会引入严重的干扰信号，使PLC系统无法正常工作。

目前钻井队基本上用PROFIBUS电缆做为变频房与司钻房的通讯线。为避免PLC控制系统出现通讯故障，在安装PROFIBUS电缆时要考虑到减少动力电缆辐射电磁干扰，避免与动力电缆靠近平行铺设，将PROFIBUS电缆远离动力电缆，动力电缆走电缆排的一边，PROFIBUS电缆走电缆排的另一边，中间用铁板隔开。条件允许的情况下，可以将PROFIBUS电缆走架空线路，这样减少电磁干扰的效果更好。日常检查时要检查电缆的外皮是否破损，屏蔽层是否损坏，有没有和其它动力线缠绕在一起。

1.2变频器的维护和维修

目前钻井设备使用的变频器品牌比较多，有西门子，施莱德，ABB，VACON等，虽然种类繁多，但功能及使用上却基本类似。无论哪种变频器，其主回路基本原理相同。 三相交流电经桥式整流为直流电，通过限流电阻R给电容C充电，当电容C的电压充到75%时，接触器M吸合，电阻Ｒ被短接，然后直接充电到变频器规定电压。变频器的CPU当接到开车信号时，发出触发信号，使驱动电路工作触发IGBT，将直流电压变成频率可调的三相交流电驱动电机。因此，其使用、维护保养及故障处理方法是基本相同的。

在石油钻井生产中，变频器受周围的温度、湿度、振动、粉尘、腐蚀性气体等环境条件的影响，其性能会有一些变化。如使用合理、维护得当，则能延长使用寿命，并减少因突然故障造成的生产损失。如果使用不当，维护保养工作跟不上去，就会出现运行故障，导致变频器不能正常工作，甚至造成变频器过早的损坏，而影响生产设备的正常运行。因此日常维护与定期检查是必不可少的。

对于连续运行的变频器，可以从外部目视检查运行状态。每天对变频器进行巡视检查，检查变频器运行时是否有异常现象。通常应作如下检查：

(1)变频房室内温度湿度是否正常，温度以24℃左右为好，湿度在40%-60%之间。

(2)变频器在显示面板上显示的输出电流、电压、频率等各种数据是否正常。

(3)显示面板上显示的字符是否清楚，是否缺少字符。

(4)用测温仪器检测变频器是否过热。

(5)变频器风扇运转是否正常，有无异常，散热风道是否通畅。

(6)变频器运行中是否有故障报警显示。

(7)检查变频器交流输入电压是否超过最大值。

由于石油钻井施工的特殊性，每口井完井后都要进行设备的拆迁，再进行下一口井的安装施工，因此在每口井施工初期，要根据钻井工况制定出合理的检修计划。起下钻检修，一开、二开、三开中完检修，完井设备大修，根据停产时间的长短，合理检查变频器日常运行时无法巡视到的部位。

(1)作定期检查时，操作前必须切断变频器进线电源，待操作面板电源指示灯熄灭后，等待5分钟使得主电路直流滤波电容器充分放电，用万用表确认电容器放电完后，再进行操作。

(2)将变频器控制板、主板拆下，用毛刷、吸尘器清扫变频器线路板及内部IGBT模块、输入输出电抗器等部位。线路板脏污的地方，应用棉布沾上酒精或中性化学剂擦除。

(3)检查变频器内部导线绝缘是否有腐蚀过热的痕迹及变色或破损等，如发现应及时进行处理或更换。

(4)变频器由于振动、温度变化等影响，螺丝等紧固部件往往松动，应将所有螺丝全部紧固一遍。

(5)检查输入输出电抗器、变压器等是否过热,变色烧焦或有异味。

(6)检查中间直流回路滤波电解电容器小凸肩(安全阀)是否胀出，外表面是否有裂纹、漏液、膨胀等。一般情况下滤波电容器使用周期大约为5年，检查周期最长为一年，接近寿命时，检查周期最好为半年。电容器的容量可用数字电容表测量，容量下降到额定容量的80%以下时，应予更换。

(7)检查冷却风扇运行是否完好，如有问题则应进行更换。冷却风扇的寿命受限于轴承，根据变频器运行情况需要2-3年更换一次风扇或轴承。检查时如发现异常声音、异常振动，同样需要更换。

变频器本身具有相当丰富的异常故障显示和保护功能。当故障发生时，变频器将异常故障代码显示在屏幕上，或者将故障信息存储在程序的某个参数内，以便维修检查。变频器异常故障分为软故障和硬故障两大类，前者多因操作或参数设置不当造成的，常见软故障有外部电源故障，过流，过载等。这些故障会随着变频器的复位而消失，不影响变频器的继续工作。硬故障是由于变频器本身器件损坏造成的，维修起来可能很不方便。这就需要现场设备管理人员具有非常扎实的知识和过硬的技术。维修变频器，首先要了解和掌握一些电力电子器件的特性，能够判断出常用电力电子器件好坏，如二极管、三极管、IGBT等。在现场维修过程中，只要能够判断出变频器线路板中哪些电器元件损坏，基本上就可以在第一时间内将设备修理好。

2.结束语

石油钻井电控设备维护和维修是一项艰巨的工作，它影响着钻井生产的施工。由于石油钻井工作的特殊性，一般都在野外施工，有时会处在偏远的地区，交通不方便，远离公司。设备出现故障后，设备管理人员和厂家维修人员到达现场维修，会耽误一定的时间，影响了钻井生产，因此现场设备管理人员平常对设备的维护和维修显得特别重要。

【参考文献】

［１］韩世英.浅谈石油钻井机械设备保养维修.中国井矿盐,2011,01.

［２］王功胜.PLC应用中的干扰问题及抑制措施.中国设备工程,2009,09.

［３］王兆安,黄俊.电力电子技术.西安交大出版社.

［４］李方圆.变频器应用与维护技术.中国电力出版社.