賈博鋒

（中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探頂驅(qū)技術(shù)分公司，北京 100101）

0 引言

近年來(lái)，隨著VARCO頂驅(qū)的使用年限的不斷增長(zhǎng)，主電機(jī)故障的發(fā)生率在頂驅(qū)故障中占據(jù)了較大比例。主電機(jī)轉(zhuǎn)子軸下沉、主電機(jī)異響、電機(jī)軸承室密封失效等故障都是比較常見(jiàn)的故障。為了減少作業(yè)等停時(shí)間，將一批替換下來(lái)的頂驅(qū)主電機(jī)回運(yùn)到國(guó)內(nèi)電機(jī)廠維修，當(dāng)頂驅(qū)主電機(jī)故障時(shí)直接進(jìn)行替換，但是卻出現(xiàn)了主電機(jī)燒毀故障。為了防止類(lèi)似故障的發(fā)生，詳細(xì)分析了VARCO 11SA頂驅(qū)主電路控制原理，提出了針對(duì)性解決措施。

1 現(xiàn)場(chǎng)故障概況

長(zhǎng)城鉆探頂驅(qū)技術(shù)分公司有超過(guò)40臺(tái)VARCO頂驅(qū)在國(guó)外鉆井現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，其中作業(yè)于古巴和委內(nèi)瑞拉的部分VARCO 11SA頂驅(qū)使用年限超過(guò)了12 a，已經(jīng)進(jìn)入主電機(jī)故障高發(fā)期。2016年7月，作業(yè)于委內(nèi)瑞拉的GW182隊(duì)頂驅(qū)發(fā)生了主電機(jī)轉(zhuǎn)子下沉故障。為了節(jié)約維修時(shí)間，保障生產(chǎn)，決定使用國(guó)內(nèi)大修電機(jī)（圖1a）直接替換故障電機(jī)（圖1b）。但是該電機(jī)僅僅使用3 d之后便出現(xiàn)故障。經(jīng)過(guò)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該電機(jī)繞組對(duì)地絕緣為零，即發(fā)生了絕緣擊穿故障。

2 主電機(jī)控制原理

2.1 VARCO 11SA頂驅(qū)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖1所示，VARCO 11SA頂驅(qū)2臺(tái)400HP交流異步電機(jī)并排安裝在齒輪箱上，通過(guò)傳動(dòng)比為10.5∶1的二級(jí)減速齒輪將動(dòng)力傳遞到頂驅(qū)主軸，主軸驅(qū)動(dòng)鉆井管柱完成鉆井作業(yè)?？梢钥闯?，2臺(tái)電機(jī)旋向相同，且通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)耦合。

圖1 頂驅(qū)主電機(jī)

2.2 主電路控制原理

VARCO 11SA頂驅(qū)控制系統(tǒng)分為西門(mén)子6SE70變頻器控制系統(tǒng)和ABB ACS800變頻器控制系統(tǒng)。兩者主變頻器雖然發(fā)生了變化，但是主電機(jī)控制回路卻沒(méi)有發(fā)生改變。圖2為ABB系統(tǒng)VARCO 11SA頂驅(qū)主電機(jī)控制單線圖。三相AC 600 V電源經(jīng)過(guò)主空開(kāi)CBM和ACL進(jìn)線電抗器進(jìn)行濾波，進(jìn)入不可控整流橋RECT輸出DC 810 V直流電，送入逆變單元INV1和INV2進(jìn)行調(diào)壓和變頻，通過(guò)3根主動(dòng)力電纜沿著井架固定段電纜，游動(dòng)段傳輸?shù)巾旘?qū)本體。在頂驅(qū)本體處3根進(jìn)線電源線拆分為6根，分別為2臺(tái)頂驅(qū)主電機(jī)供電?？梢钥闯觯篤ARCO 11SA頂驅(qū)主電機(jī)控制回路采用了一拖二的思路，即1臺(tái)變頻器拖動(dòng)2臺(tái)主電機(jī)，并且2臺(tái)主電機(jī)共用三相電源輸出線纜。

圖2 VARCO 11SA頂驅(qū)機(jī)械結(jié)構(gòu)及主電路原理

2.3 主變頻器電機(jī)模型

對(duì)雙電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行矢量或者DTC（DirectTorqueControl，直接轉(zhuǎn)矩控制）控制，一般有2種控制方式，一種是主從控制（如S120系統(tǒng)北石頂驅(qū)，在硬件上有2套共直流母線逆變單元，其中一套逆變單元為MASTER，另外一套逆變單元為SLAVE，分別驅(qū)動(dòng)2臺(tái)主電機(jī)。主逆變單元為速度控制，從逆變單元為扭矩控制，它們通過(guò)DRIVE_CLIQ總線進(jìn)行通信）。另一種是將雙電機(jī)等效為單電機(jī)模型進(jìn)行控制。這種方法的特點(diǎn)是對(duì)于2臺(tái)電機(jī)參數(shù)的同一性要求比較高，電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)要盡量接近。將雙電機(jī)等效為單電機(jī)模型的方法主要有3種。

（1）單電機(jī)受控法。對(duì)其中一臺(tái)電機(jī)進(jìn)行矢量控制，其他電機(jī)受被動(dòng)控制。

（2）簡(jiǎn)單平均模型法。將2臺(tái)電機(jī)的定子電流和轉(zhuǎn)速進(jìn)行簡(jiǎn)單平均作為反饋量進(jìn)行控制。

（3）電壓矢量平均法。對(duì)電機(jī)內(nèi)部狀態(tài)的平均，這種方法在控制時(shí)對(duì)每一臺(tái)電機(jī)應(yīng)用矢量控制，然后將用于控制逆變器的電壓指令進(jìn)行平均進(jìn)而控制逆變器牽引電機(jī)。

從VARCO 11SA頂驅(qū)變頻器參數(shù)P102-P113的設(shè)置，以及單一主電機(jī)的實(shí)際銘牌參數(shù)來(lái)看（圖3），VARCO 11SA頂驅(qū)采用了將雙電機(jī)等效為單電機(jī)模型的控制方式。從電路原理上來(lái)看由安裝在右電機(jī)轉(zhuǎn)子上的編碼器來(lái)反饋實(shí)際轉(zhuǎn)速，由安裝在變頻器出線端的霍爾電流互感器來(lái)反饋電機(jī)定子電流，這2個(gè)檢測(cè)值實(shí)際上就是2臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流的平均值，所以VARCO 11SA頂驅(qū)采用簡(jiǎn)單平均法將雙電機(jī)等效為單電機(jī)模型。

3 故障原因分析

3.1 大修電機(jī)和原廠電機(jī)參數(shù)差別大

VARCO 11SA頂驅(qū)采用雙電機(jī)等效為單電機(jī)模型的控制方式，再加上2臺(tái)電機(jī)在機(jī)械上的耦合關(guān)系和電氣上的并聯(lián)關(guān)系，對(duì)于2臺(tái)電機(jī)參數(shù)的同一性提出了更加苛刻的要求。電機(jī)的內(nèi)部參數(shù)如繞組導(dǎo)線的電阻，轉(zhuǎn)子繞組每相的匝數(shù)，轉(zhuǎn)子繞組的基波繞組因數(shù)等都影響著電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值。如果2臺(tái)電機(jī)實(shí)際參數(shù)差別過(guò)大，在運(yùn)行過(guò)程中不再是輸出扭矩共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載，而是單個(gè)電機(jī)一方面驅(qū)動(dòng)負(fù)載，另一方面抵消另一臺(tái)電機(jī)的扭矩輸出，這樣就有一臺(tái)電機(jī)過(guò)載運(yùn)行，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)之后，絕緣強(qiáng)度低的電機(jī)就會(huì)擊穿燒毀。

圖3 電機(jī)參數(shù)及變頻器設(shè)置

3.2 電機(jī)維修質(zhì)量不合格

國(guó)內(nèi)的電機(jī)維修廠家在維修該電機(jī)時(shí)按照普通電機(jī)的維修標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維修，沒(méi)有考慮到電機(jī)的實(shí)際使用要求。根據(jù)實(shí)際的拆解檢查結(jié)果來(lái)看：①該電機(jī)使用紅色的聚氨酯絕緣漆，采用了簡(jiǎn)單的常壓浸漆處理。②電機(jī)的漆包線及繞線方式的選擇發(fā)生了變化。③電機(jī)內(nèi)填式溫度傳感器更換為熱敏電阻。VARCO 11SA原廠RELIANCE電機(jī)絕緣采用了CLASS F絕緣材料以及100%環(huán)氧樹(shù)脂真空壓力浸漬，所以大修后的電機(jī)的絕緣強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原廠電機(jī)。原廠電機(jī)內(nèi)填式溫度傳感器為溫度開(kāi)關(guān)，現(xiàn)改為熱敏電阻之后無(wú)法與頂驅(qū)控制系統(tǒng)兼容，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行溫度無(wú)法采集傳輸?shù)絇LC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器），也就使得頂驅(qū)控制系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)電機(jī)實(shí)際溫度做出反應(yīng)，最終導(dǎo)致電機(jī)燒毀。

3.3 沒(méi)有進(jìn)行電機(jī)參數(shù)辨識(shí)

電機(jī)是一個(gè)高度非線性的模型，要完成電機(jī)的調(diào)速控制，變頻器需要根據(jù)電機(jī)的已知參數(shù)，利用測(cè)試法或者分析法來(lái)采集大量數(shù)據(jù)進(jìn)行推斷及修正，最終估算出電機(jī)的物理參數(shù)，建立起電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，使控制過(guò)程更加高效、精確、合理。對(duì)于故障損壞檢修后的電機(jī)，參數(shù)可能發(fā)生了較大變化，如果貿(mào)然投入使用，將對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響。本次更換大修電機(jī)后由于作業(yè)連續(xù)性要求，沒(méi)有進(jìn)行電機(jī)參數(shù)辨識(shí)，所以導(dǎo)致變頻器依舊按照原來(lái)的電機(jī)模型運(yùn)轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致了本次故障的發(fā)生。

4 結(jié)論

VARCO 11SA頂驅(qū)主電機(jī)控制原理相較于其他頂驅(qū)有較大的差別，采用將雙電機(jī)等效為單電機(jī)模型的控制方式，該控制方式對(duì)于2臺(tái)電機(jī)參數(shù)的同一性要求較高，所以在電機(jī)維修時(shí)盡量選擇具有原廠維修授權(quán)資質(zhì)的企業(yè)，這樣對(duì)于同型號(hào)電機(jī)維修基本能達(dá)到廠家的標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)造成電機(jī)參數(shù)的太大差別。另外電機(jī)檢修后，電機(jī)參數(shù)都會(huì)發(fā)生或多或少的變化，所以更換頂驅(qū)主電機(jī)后必須進(jìn)行電機(jī)參數(shù)識(shí)別，保證頂驅(qū)控制系統(tǒng)與頂驅(qū)電機(jī)的匹配，使頂驅(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)高效、可靠。