景宏DQ70BSQⅡ顶驱制动电阻过热故障处理及改进

林王磊

（中海石油深圳分公司，广东深圳 518067）

0 引言

在固定式海洋平台模块钻机上，顶驱已逐步取代转盘进行旋转钻进以提高钻井效率和作业安全。目前变频驱动的顶驱在海洋平台模块钻机上应用非常广泛。在变频驱动顶驱系统中，由VFD 系统变频器驱动和控制顶驱2 台变频电机实现顶驱旋转、速度控制和扭矩输出控制。顶驱的制动分为盘式刹车制动和能耗制动，顶驱VFD 系统配备一套制动电阻以实现能耗制动，消耗顶驱调速系统和扭矩系统在钻井扭矩波动较大时产生的电能。景宏DQ70BSQⅡ-JH 顶驱首次在南海东部海域应用，在惠州油田某固定式海洋平台模块钻机钻井作业期间，因地层复杂、钻井扭矩波动大等多方面因素，造成顶驱VFD 制动电阻频繁异常放电，导致顶驱VFD 制动电阻过热故障而停机。根据故障发生时的钻井作业工况和故障实际情况，综合分析故障产生原因，提出改进措施并实施，取得较好应用效果。对于顶驱在故障处理方面具有重要的实践指导意义，为顶驱制造商的变频控制系统技术改进提供了有利参考方向。

1 顶驱VFD 制动电阻过热故障及原因分析

该钻机配备的景宏DQ70DBⅡ型顶驱采用2 台500 kW 交流变频电机，由2 台ACS880 变频器驱动，每台传动单元分别控制1 台电机，采用“主/从”宏的控制方法进行一对一的驱动，主机采用速度控制模式，从机采用转矩控制模式。最大连续工作扭矩为85 kN·m，VFD 输入电压AC 600 V，VFD 输出频率范围0～121 Hz。

1.1 故障情况

发生故障时，钻井井深约3900 m，地层相对较为复杂，钻进扭矩设定在23 000 lb-ft。顶驱制动电阻的散热风机电源线因高温过热产生烟雾，散热风机自动跳闸。但顶驱VFD 控制系统并未产生报警信号至司钻控制台，致使顶驱主机自动停机，顶驱主机及变频器仍可运行，存在较大潜在隐患。故障报警由顶驱VFD 控制间的烟雾探头触发至钻机火灾盘产生报警，作业操作人员得知并关停主机。

井队电气主操检查测量制动电阻各相阻值均为2.3 Ω，检查各相电阻对地绝缘无穷大，属于正常值。检查制动电阻散热风机，其电源线因高温熔化了绝缘层，测量散热风机电机绕组，发现风机电机已烧坏，只能更换1 个新风机方能恢复正常功能。初步断定是当时工况导致制动电阻产生的热量过大，散热风机无法满足散热量要求，制动电阻整体温度过高后导致散热风机的电源线故障，造成散热风机电机短路烧坏。

1.2 原因分析

根据顶驱故障树梳理，从发热异常、散热不良、缺少保护装置等方面，分析造成顶驱制动电阻过热故障的可能原因主要有以下方面。

1.2.1 发热异常

顶驱制动电阻主要在顶驱制动和调整输出时进行放电发热，故障发生时顶驱在正常执行钻进功能，不存在频繁刹车制动的情况，说明产生异常发热的原因是变频器异常频繁调整负载输出。地层和井下原因导致钻井扭矩波动大是造成变频器及时插补运算和调整输出的主要原因，变频器的输出需要靠安装在顶驱主电机上的测速编码器来反馈顶驱主电机的运行实际速度，实现闭环控制。扭矩波动大和测速编码器故障都可能引发控制闭环出现异常。测速编码器对安装精度和传动精度要求较高，安装精度不达标或传动机构磨损都会引起测量信号不准确。

经过调取该井段的录井数据和对比顶驱正常工作时制动电阻放电情况，在钻进过程或者划眼上提钻具时遇到扭矩波动范围达到3000～20 000 lb-ft 时，制动电阻会连续放电，扭矩波动5000～13 000 lb-ft 或更小时，制动电阻则不会频繁放电。另外在变频器面板上连续监测1#变频器（对应A 电机）、2#变频器（对应B 电机）的直流母线电压，发现1#变频器的直流母线波动较大（10 s 内电压值从DC 770 到DC 940 V，波动4 次），但2#变频器的直流母线波动则相对稳定。由此也可断定1#变频器收到的编码器反馈信号不稳定或失真，加剧了制动电阻放电频率。

1.2.2 散热不良

制动电阻机柜安装在顶驱VFD 工作间内，工作间内有一用一备的制冷空调，因而整体环境温度的影响可以排除。导致散热不良的因素，主要考虑制动电阻散热风机的排风量及排风通道的设计。经现场实际检查，机柜的进风百叶窗过小，以及机柜的散热出口风道偏小，设计不合理也是制动电阻过热故障之一。

1.2.3 报警检测失效和缺少保护措施

正常情况下，顶驱制动电阻温度过高时，其温度传感器PT100 应能及时将温度信号传递给顶驱VFD 的工控机，由工控机PLC 进行判断和发出报警。由于顶驱操作者司钻没有在司钻操作箱的显示画面中看到报警，因此不能及时通知技术人员进行排查，处理高温异常，这是导致制动电阻散热风机过热烧坏的重要原因。

其次，制动电阻散热风机因电源线短路自动跳闸后，顶驱VDF 工控机并未收到风机运行信号联锁信息。而顶驱主机仍可正常运行，顶驱操作者司钻也不知道制动电阻风机跳闸，导致制动电阻迅速过热。联锁控制和制动电阻散热风机运行状态在顶驱司钻控制台画面显示这些功能必须得到改进。

2 故障处理及改进措施

2.1 故障处理

首先，根据顶驱厂家的操作维护手册，核算制动电阻发热量、散热量，排除设计计算的问题后，更换顶驱制动电阻散热风机。同时更换并测试温度传感器PT100，确保其在正常工作状态。

其次，排查顶驱主电机A 电机的编码器反馈信号失真故障。通过现场检查，发现顶驱主电机A 电机编码器固定块轴承与编码器固定轴之间的间隙较大，编码器轴有轻微晃动现象，可以肯定这是引起制动电阻异常发热的因素之一。对磨损的零部件进行更换、调整和润滑，重新安装到顶驱本体。

同时，优化变频器运行参数，将制动电阻放电阈值由DC 936 V 切换至DC 1077 V，减少制动电阻放电频率。为适应钻机不同供电电压范围，顶驱变频器SOP 上有AC 525～600 V和AC 660～690 V 等2 种供电适应模式可选。选择AC 525～600 V 模式，变频器能接受输入电压最低欠压至AC 425 V，再低则变频器会自动跳闸，该模式下制动电阻放电阈值为DC 936 V。选择AC 660～690 V 模式，变频器能接受输入电压欠压至AC 535 V，再低则变频器会自动跳闸，该模式下制动电阻放电阈值为DC 1077 V。相比而言，后者模式下，制动电阻放电频率会降低很多，考虑到该油田给模块钻机的供电电压波动很小，一般不会低于AC 590 V，变频器欠压跳闸可能性很小，因此选择AC 600～690 V 供电模式，更适合当复杂地层井段、扭矩波动较大的钻井作业工况。

当钻遇复杂地层，扭矩波动较大时，司钻可适当调整钻压，可使扭矩波动明显减小，这也是一种保护顶驱设备、降低磨损、减少设备维修频率的方式。

2.2 改进措施

（1）改善制动电阻柜内部的通风情况，确保顶驱VFD 工作间的空调冷气能覆盖到制动电阻机柜。在机柜底部增加1 个进风机，加强通风。同时对制动电阻散热风机的排风百叶窗进行改良，确保散热通畅。

（2）为确保顶驱操作者司钻能及时掌控制动电阻风机运行状态，将制动电阻散热风机运行信号增加至VFD 综合控制柜的工控机PLC。从逻辑程序上实现控制联锁，风机故障停机后可自动关停主机，并在顶驱司钻控制台显示屏上以报警方式显示其故障状态。制动电阻散热风机故障停机后，确保顶驱司钻控制台画面能第一时间产生报警信号并提示司钻关停顶驱主机。

3 结论

顶驱制动电阻异常发热是由多个因素引起的，散热不良和缺少报警保护措施都会导致制动电阻过热故障，引发设备事故且有潜在电气火灾风险。通过对景宏DQ70BSQⅡ-JH 型顶驱制动电阻过热故障原因分析、处理，进一步了解和掌控钻遇复杂地层和特殊井下作业工况时顶驱的操作使用、运行情况判断、运行参数调整等。结合实际情况分析顶驱设计制造时的不合理之处并提出改进措施，促使顶驱系统平稳、安全运行。对今后顶驱故障处理方面具有重要实践指导意义，为顶驱制造商的顶驱变频控制系统技术改进提供了有利的参考方向和推广价值。