晶闸管在石油钻井行业的应用及故障检测

摘要：晶闸管能在高电压、大电流条件下工作，在石油钻井行业中得到了广泛的应用。在国内各种类型的直流钻机上，为了满足钻井工艺的需要，在泥浆泵、钻机、转盘上几乎都是配备的800kW的直流电机。钻井行业标准要求钻井设备以—定的精度在所需转速上稳定运行，因此，以晶闸管为核心的直流控制系统成为了直流钻机的首选。文章主要介绍了晶闸管的结构特点、应用和故障检测。

关键词：晶闸管；石油钻井行业；故障检测；万用表；示波器

中图分类号：TE951 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）29-0109-02

晶闸管全名是晶体闸流管，英文是thyristor，也叫可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）。1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品，1958年开始在工业上开始广泛地应用。由于它能在高电压、大电流条件下工作，具有耐压高、容量大、体积小、重量轻、功耗低、效率高、寿命长及使用方便等特点，它在石油工业，特别是石油钻井行业得到了广泛地应用，在现在的各种类型的钻机上都能够找到它们身影。晶闸管的电气图形符号如图1所示：

图1

1 晶闸管的内部结构和特点

晶闸管的内部结构和工作原理如图2所示：

图2

晶闸管可以看作由PNP和NPN构成的两个晶体管V1、V2组合而成，A、K、G分别为晶闸管的阳极、阴极、门极。在阳极和阴极之间有三个PN结，这种结构使晶闸管具有可控的正向导电特性，即给品闸管阳极对阴极加上正向电压时，它还不能导电，元件呈正向阻断状态。要使晶闸管正向导通，除了在阳极与阴极之间加上正向电压外，还必须同时在门极与阴极之间加上一定的正向门极电压，有足够的门极电流IG流入才行，就是说，门极对元件导通与否起着控制作用。门极使晶闸管导通的过程称为触发。晶闸管一旦触发导通后，门极就失去对它的控制作用。因此通常在门极上只要加上一个正向脉冲电压即可触发晶闸管导通，但无法使它关断。要使已经导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电源EA或增大负载电阻R，使流过晶闸的阳极电流IA减少，当IA减小至约几十毫安时，它突然降到零。这时如果再增加EA或减少R，IA仍然为零，表明晶闸管已经恢复阻断。当门极断开时，维持晶闸管导通所需要的最小阳极电流叫维持电流IH。如果IA

因此，晶闸管正常工作时的特点是当它承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；当它承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。

2 晶闸管的应用

在国内的各种类型直流钻机上，为了满足钻井工艺的需要，在泥浆泵、钻机、转盘上几乎都是配备的800kW的直流电机。钻井行业标准要求钻井设备以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种可能的干扰下不允许有过大的转速波动；在起下钻等作业中，需要频繁启动和制动，要求尽快加减速以提高生产率，同时也要求尽量平稳，因此，以晶闸管为核心的直流控制系统成为了直流钻机的首选。

直流钻机直流控制系统的整流桥为3相全控整流电路，由6个大功率晶闸管（1200V，1000A）组成，将600VAC整流成0～750VDC。同时装有强风冷散热装置，并装有过热和短路检测器件，完全能够满足钻井工艺的要求。

在变频钻机和机械钻机上，使用了软启动的电控设备一般也都使用了晶闸管。这里的软启动主要是用来控制30kW以上的交流电机，软启动里面使用的是塑封型双向晶闸管。双向晶闸管可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成，属于单向晶闸管的派生器件，它允许电流从两个方向流过，主要用于对交流电的控制。

3 晶闸管的故障检测

在直流控制系统里面使用的单向晶闸管是平板型晶闸管，如图3所示：

图3

电控设备在运转过程中，可能会因为散热系统不能良好工作、晶闸管的耐压等级降低、大电流的冲击等各种因素而导致晶闸管损坏。当直流控制系统出现问题之后，在钻井现场能快速地查找出问题的症结所在并处理问题是电气从业人员应当具备的专业素养。下面介绍两种现场诊断单向晶闸管的方法：

3.1 使用万用表检测

在使用万用表检测之前，务必断开整流电路的所有电源。现在使用的一般都是FLUKE等一些比较高级的数字型万用表，这些万用表大多使用的是9VDC的电池。对于大功率的平板型晶闸管的测量，9VDC作为门极触发电压是足够的。

以FLUKE万用表为例，在检测时直接选择电阻档位测量即可，用红黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻直至找出读数为数十欧姆的一对引脚，此时黑笔接的引脚为控制极门极G，红笔接的引脚为阴极K，另一空脚为阳极A。此时将黑表笔接已判断了的阳极A，红表笔仍接阴极K。此时万用表数值应基本不变。用短接线瞬间短接阳极A和控制极G，此时万用表读数应变大，阻值读数为10欧姆左右。如阳极A接黑表笔，阴极K接红表笔时，万用表读数发生较大變化，说明该单向晶闸管已

损坏。

在钻井现场也可以使用比较法来判断是哪一个或哪几个晶闸管故障。在直流钻机直流控制系统中的3相全控整流桥电路，采用的都是同样规格型号的平板型晶闸管，并且一般在直流钻机的电控系统中有四或五组同样规格的直流控制系统。整流桥电路中的六个晶闸管出现问题之后，一般会使熔断器烧毁导致直流控制柜的电源断路器跳闸。可以使用万用表测量这六个晶闸管各自引脚之间的读数，如果有数值差别很大的肯定就是问题

所在。

3.2 使用示波器检测

如果钻井现场有示波器，使用示波器检测特别快速简便。如果直流控制系统出现问题，那它对应的直流柜的电源断路器肯定跳闸而且合不上。在使用示波器之前，需要先检查3相全控整流电路中的快速熔断器是否完好，如果损坏，需要临时将安装在快速熔断器上的微动开关闭合，这样电源断路器就能实现合闸。

合闸后，让直流控制系统小负荷的带动泥浆泵或其他设备运转，然后通过示波器查看晶闸管触发脉冲

波形。

晶闸管由于其良好的性能，它及其派生器件在石油钻井行业的应用将越来越广泛。

参考文献

[1] 雷聚超，张蔚宁，马宁侠.电阻炉微机测控系统的故障诊断与处理[J].工业加热，1995，（5）.

[2] 王润炎.晶闸管触发电路与主电路电压的同步问题

[J].河南理工大学学报（自然科学版），1990，（2）.

[3] Facts装置中晶闸管故障的在线检测与诊断.

[4] 王振南.晶闸管电路故障分析的一种新方法[J].电气传动，1988，（6）.

作者简介：袁波（1979-），男，湖北松滋人，供职于西部钻探国际钻井公司，中级职称，研究方向：电气。