李龍建

（中國石油集團(tuán)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(yè)廣泛使用變頻交流驅(qū)動鉆機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，不僅能夠滿足石油工業(yè)生產(chǎn)的需要，更能有效節(jié)約能源，減少能耗，實踐低碳環(huán)保的目標(biāo)。目前鉆機(jī)主要使用西門子6SE70 變頻器，受到高負(fù)荷生產(chǎn)、惡劣生產(chǎn)環(huán)境的影響，變頻器經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備故障，影響鉆井生產(chǎn)的正常進(jìn)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(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 西門子變頻器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

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

1.2 工作原理

根據(jù)流體力學(xué)理論，變頻器利用傳感器調(diào)整主軸，主軸按照垂直調(diào)整，與軸旋轉(zhuǎn)存在比例關(guān)系[1]。變頻器在執(zhí)行任務(wù)過程中，假設(shè)效率保持固定，轉(zhuǎn)速隨著流量增加而減小。軸系輸出功率存在密切關(guān)聯(lián)，流量減小時變頻器輸出功率也會適應(yīng)性調(diào)整，轉(zhuǎn)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(dá)到節(jié)約資源的目的，延長電機(jī)使用壽命，節(jié)約生產(chǎn)成本。

2 石油鉆機(jī)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(fā)現(xiàn)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(yùn)行后顯示過電流，控制面板顯示故障代碼。過電流故障的發(fā)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(dǎo)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(qū)動電路是否正常運(yùn)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(yùn)放放大部分回路。更換運(yùn)放放大部分后變頻器可以恢復(fù)正常運(yùn)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(jìn)行更換，結(jié)果顯示正常，可正常運(yùn)行，輸出電壓平衡。運(yùn)行幾分鐘后停機(jī)，有異味、冒煙。斷開電源后打開變頻器，可觀察到電阻變色發(fā)熱，主要由于繼電器未動作。對繼電器進(jìn)行檢查結(jié)果顯示正常，是由于供電電路故障。在運(yùn)行過程中變頻器過熱是由于限流電阻的發(fā)熱導(dǎo)致，限流電阻發(fā)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(guān)部件后可消除故障。

2.4 發(fā)熱

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

2.5 通信失聯(lián)

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

2.6 充電故障

充電故障主要是由于主進(jìn)線開關(guān)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(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。逆變器故障主要是由于回饋單元和整流單元沒有正常運(yùn)轉(zhuǎn)，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(fā)生斷路故障，IGBT 發(fā)生故障造成IGD 板損壞，更換配件后可恢復(fù)至良好狀態(tài)運(yùn)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(yè)鉆機(jī)使用最為廣泛的變頻器，但故障時有發(fā)生，嚴(yán)重影響鉆井正常生產(chǎn)。經(jīng)常出現(xiàn)的故障有：①參數(shù)故障，需立即檢查參數(shù)是否正確設(shè)定，如啟停參數(shù)錯誤則無法啟動變頻器；②部件故障，由于鉆井設(shè)備經(jīng)常需要搬動，拆裝過程中損壞插頭造成控制線斷線，導(dǎo)致無法運(yùn)行；③電源故障，鉆機(jī)自備電源，若電壓和發(fā)電頻率和變頻器不符，將引發(fā)變頻器故障；④過流故障，由于電機(jī)負(fù)荷突然改變，沖擊過大或者電纜電機(jī)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(tǒng)串入高壓電，電路損壞引發(fā)故障。

3.1.1 過負(fù)荷

在鉆井過程中由于負(fù)荷突然增加，變頻器停止運(yùn)行，整流柜顯示F005。由于鉆機(jī)使用發(fā)電機(jī)組為750 kW，柴油機(jī)故障造成轉(zhuǎn)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(yùn)行。需要對柴油機(jī)進(jìn)行維修處理，恢復(fù)正常運(yùn)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(wěn)定性降低，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致瞬時缺失。輸入電源低容量難以滿足變頻器運(yùn)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(xié)同運(yùn)行。若由于電壓穩(wěn)定性差發(fā)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(dāng)操作造成的，介入設(shè)備電流超過最大值，變頻器無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。運(yùn)行過程中，接入電流超過設(shè)備承載電流最大值的1/5 時會出現(xiàn)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。由于過流引發(fā)變頻器關(guān)機(jī)，逆變柜顯示F011。發(fā)生故障后首先進(jìn)行拆裝設(shè)備，詳細(xì)檢查傳感器準(zhǔn)確檢查傳感器設(shè)備狀態(tài)，如果是傳感器設(shè)備需要立即更換設(shè)備，重啟變頻器觀察故障問題是否修復(fù)。一般情況下復(fù)位處理即可，若復(fù)位后仍無法正常開機(jī)，可能由于變頻器出現(xiàn)接地故障或短路故障、過載故障。因此需要將電機(jī)電纜以及變頻器斷開，絕緣測試電機(jī)，若結(jié)果顯示正常，電機(jī)無故障[3]。對逆變電路進(jìn)行檢查，拿出3 塊電容器組，使用多用表進(jìn)行逆變電路的檢查，逆變電流有續(xù)流二極管，使用多用表進(jìn)行測量，如果參數(shù)正常則表示逆變電路良好；若參數(shù)異常，則需要更換逆變電路。測量后發(fā)現(xiàn)逆變電路功率管發(fā)生損壞，更換部件可消除故障。

3.1.4 過電壓

變頻器發(fā)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(fā)生雷電天氣會造成內(nèi)部電壓較高。導(dǎo)致變頻器無法正常運(yùn)行。維護(hù)人員可以關(guān)閉設(shè)備，再次重啟設(shè)備消除故障。若由于負(fù)載問題引發(fā)過電壓故障，需要對減速時間參數(shù)進(jìn)行調(diào)整消除過電壓故障，保證設(shè)備良好運(yùn)行。當(dāng)大慣量負(fù)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(shè)備直接關(guān)機(jī)。如變頻器通電后逆變柜顯示E，重啟無法復(fù)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(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)由于絕緣破損造成控制線接入高電壓發(fā)現(xiàn)燒毀。重新更換控制板和控制線，可恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。避免過電壓故障需要在使用過程中保證電壓電源的穩(wěn)定性。

3.1.5 發(fā)熱故障

逆變柜顯示F023 代碼，由于外部環(huán)境過高影響變頻器環(huán)境溫度，或者散熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障，拆開風(fēng)機(jī)檢查軸承，對損壞軸承進(jìn)行更換處理故障。

3.2 建議

3.2.1 定期檢修維護(hù)

對于西門子6SE70 變頻器而言，由于設(shè)備需要長時間運(yùn)行，未經(jīng)過定期維護(hù)管理，設(shè)備很難正常運(yùn)行，將對設(shè)備部件造成嚴(yán)重?fù)p害，威脅設(shè)備運(yùn)行壽命。因此需要制定年度維護(hù)計劃，每年清潔設(shè)備，將風(fēng)機(jī)、控制面板等部件拆除后，使用專用清潔劑進(jìn)行清理，將控硅表面雜質(zhì)清理干凈，清掃風(fēng)機(jī)灰塵[4]。完成清潔工作后按照標(biāo)準(zhǔn)安裝，對于緊固螺絲做好標(biāo)記，充分保證后續(xù)檢修工作的進(jìn)行。以季度為單位進(jìn)行的養(yǎng)護(hù)管理，不需要拆除部件，檢查保險、網(wǎng)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(jìn)行線路和外觀縫隙的清潔，保證其穩(wěn)定運(yùn)輸。建立設(shè)備使用臺賬，記錄作業(yè)時間和故障問題。

3.2.2 注意環(huán)境影響因素

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

3.2.3 重視運(yùn)輸管理

由于鉆井作業(yè)需要經(jīng)常變動設(shè)備位置，或?qū)⒃O(shè)備運(yùn)輸至其他工程，為保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，需要謹(jǐn)慎搬運(yùn)變頻器設(shè)備。在運(yùn)輸過程中做好充分固定工作，使用保護(hù)設(shè)施對設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，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(yù)防部件損壞或松動。

4 結(jié)論

綜上所述，在鉆井作業(yè)期間需要對變頻器進(jìn)行定期維護(hù)檢修，密切關(guān)注作業(yè)期間電源電壓、溫濕度以及負(fù)荷情況，作業(yè)前檢查工作參數(shù)等，保證最大電流和最大轉(zhuǎn)矩存在一定富余，從而延長變頻器使用壽命。作業(yè)后還需要清理變頻器外部臟污灰塵，定期檢修維護(hù)、緊固部件，保證變頻器的正常運(yùn)行。