50D钻机电控系统及顶驱常见故障分析

摘 要：项目现场使用的钻机是一套由美国IPS（Integrated Power System）公司生产的以直流电机作为主要驱动方式的电动钻机，该钻机配备了加拿大Canrig顶驱公司的一套1050E-500顶驱。现针对该套50D钻机和Canrig 1050E-500顶驱在使用中常见的故障进行了原因分析和分类总结，并提供了相应的解决方案，也提出了一些维护建议以供参考。

关键词：直流电机;励磁故障;整流桥;IGBT

1    设备情况概述

土耳其50D钻机于2001年投产，在国内使用3年，2004年进入埃及市场，在埃及市场辗转9年后，于2012年进入土耳其市场，一直使用至今。其中，埃及市场的环境最为恶劣，全境干燥少雨，大部地区属热带沙漠气候，炎热干燥，气温高达50 ℃，每年4月至5月间常有沙尘暴，这些都对钻井设备的质量和设备的维护提出了严峻考验。

现根据我队钻井设备的使用情况，对现场出现的问题及解决方法进行分类分析，以此作为今后设备维护和配套的参考。

2    故障分类及解决方法

2.1    发电机无法上线或无法并车

常见原因：（1）发电机断路器储能电机损坏;（2）发电机断路器脱扣线圈损坏;（3）断路器储能电机电路或脱扣线圈电路开路。

解决方法：首先检查发电机输出是否为AC600 V，无AC600 V电压则检查发电机，如果有AC600 V输出，那么检查150 VA变压器CPT1输入端電压是否正常，正常则更换变压器CPT1;如果不正常，则检查CPT1输入端两个熔断器是否损坏，损坏则更换熔断器;未损坏则检查CPT1输出是否正常，不正常则更换CPT1;如果正常则检查输出端熔断器，熔断器损坏则更换;如果未损坏则断开欠压脱扣线圈外电路，检查线圈是否损坏，损坏则更换欠压脱扣线圈;如果未损坏则断开储能电机外电路查看电机线圈是否正常，不正常则更换电机。

就现场维修情况来看，储能电机损坏的概率较小，脱扣线圈损坏一次，而储能电机电路和脱扣线圈电路中的熔断器损坏的可能性很大。其损坏原因有两个，一个是发电机在投磁时，电压逐渐建立并持续升高，其最高峰值电压会超过正常工作电压，这样会对储能电机电路或脱扣线圈电路造成较大冲击，为保护电路，熔断器烧坏;还有一个是并车工作的发电机，当切除一台发电机时，会给另一台发电机造成冲击，进而烧毁熔断器。

2.2    发电机励磁系统故障

常见原因：（1）发电机电压调节器损坏;（2）发电机励磁系统中的PWM功率模块损坏;（3）励磁线圈中没有剩磁或剩磁不足。

解决方法：在用肉眼无法判断哪个部分出问题的情况下，首先可以用替换法将此台发电机的电压调节器和PWM功率模块放到另外一台已知正常的发电机上来判断这两个模块是否存在问题，如果有问题，直接更换相应模块即可;如果没有问题，则可大致判断励磁线圈中无剩磁或剩磁不足，此时可用干电池对励磁线圈充磁。

在现场所遇到的情况中，以发电机励磁系统的PWM功率模块损坏最为常见，电压调节器损坏则极少遇到，励磁线圈无磁或剩磁不足则没遇到过。针对PWM功率模块损坏的情况，分析原因主要是起开关作用的场效应管烧坏引起的。

PWM功率模块由可控硅整流桥和两个控制直流输出的开关——场效应管构成。可选择电压水平的三相交流电从两个开口三角形连接的变压器得到，三相全波整流桥将交流电转换成一个稳定的直流电。这种稳定的直流电被场效应管随着打开或关闭来调节平均直流信号并送给发电机的励磁器。场效应管的驱动输入是由电压调节器插件板导轨上的插口得到的，这两个信号是总线电压检测信号和无功检测信号。

2.3    钻机或泥浆泵在正常工作过程中突然停止工作

常见原因：（1）冷却风机停止工作或风压开关故障;（2）直流电机电刷或刷握损坏;（3）SCR服务柜内整流桥某IGBT损坏。

解决方法：首先检查冷却风机是否工作正常，不正常则更换风机，如果风机工作正常，接着检查电刷和刷握，看是否有损坏的地方，根据需要更换电刷或刷握，如果问题依然存在，则就要断开外部电路，检查整流桥是否输出正常来判断整流桥是否烧坏。

根据所遇到的情况，冷却风机有一次烧坏的情况，电刷或刷握有两次损坏的情况。在电刷或刷握出现故障时，可以在SCR房内的显示屏上看到“mud pump 1/2 A/B current imbalance”的提示信息。分析原因有两个，一是刷握上的三个电刷压紧弹簧弹性不足，无法压紧电刷，导致电刷与换向器接触不好，接触电阻增大，继而导致高温烧坏电刷或刷握;二是电刷磨损过多，更换不及时，电刷与换向器接触不好，导致高温烧坏电刷或刷握。如果整流桥烧坏，则需要全部断电，拆下三个整流桥组，检查每个桥组内的IGBT是否烧坏，如果烧坏则更换相应IGBT，问题解决。

2.4    Canrig顶驱正常工作突然停止运行，Panelview显示“lost communication”故障

常见原因：（1）顶驱与顶驱房内的CPU通信故障;（2）顶驱上的PLC模块DC24 V电缺失;（3）顶驱CPU故障。

解决方法：首先可以观察顶驱房内的CPU工作状态指示灯进行判断，如果报电源故障，则可以更换电池;若更换电池后仍报故障，则更换CPU。

然后检查顶驱上PLC-JBOX内的各PLC模块电源是否正常，最常见的原因是顶驱上的PLC模块DC24 V电缺失。原因主要有四种，一种是顶驱房内两块AC120 V转DC24 V转换模块全部损坏，这个可能性很小;第二，转换模块前的TB11上的3F和4F两个熔断器损坏;第三，顶驱房TB13里两个DC24 V输出的IF和2F熔断器烧坏;第四，从顶驱房至顶驱之间的通信电缆中两根DC24 V电缆全部断开。现场遇到第三、四种情况较多，第二种较少，第一种没遇到过。分析原因主要是顶驱电缆总成老化，我们从游动电缆胶管的两头找出通信电缆，然后从中找出一黑、一白两根DC24 V电缆，用两芯外置电缆将它们连起来充当游动电缆，问题得以解决。

2.5    Canrig顶驱正常工作中突然停止运行，Panelview显示“field fault”故障

常见原因：（1）顶驱励磁模块损坏;（2）顶驱励磁电缆断开;（3）顶驱励磁线圈烧断。

解决方法：首先排除励磁模块和顶驱励磁线圈故障，拆开顶驱房内顶驱励磁输出电缆，检测励磁模块的输出是否正常;测量顶驱励磁线圈电阻，如果不正常则更换励磁模块或更换电机。在这两者中，电机励磁线圈一般不会烧坏，励磁模块损坏则遇到一次。

现场遇到最多的是励磁电缆断开，分析原因一是在安装时，励磁电缆接线端子没有压紧，导致接触电阻增大过热，将接线端子烧坏;二是司钻在操作顶驱时，堵转或憋停时间过长而没有采取措施。

3    结语

本文针对50D电动钻机钻井施工中遇到的种种常见故障进行了分析和解答。当电控系统出现故障时，如果对控制系统不熟悉，那么判断、解决和排除故障的难度和过程都会变得复杂，甚至会造成一定的经济损失。因此，在做好日常工作的同时，现场人员应多加强学习，注重平时的经验积累，做好工作笔记，为以后的工作做好铺垫，确保设备的稳定、高效运行，为安全生产保驾护航。

[参考文献]

[1] U.S.HAYDEN IPS #4317资料参考[Z]，1999.

[2] Canrig顶驱操作手册[Z]，2001.

[3] 孟祥卿，蒋华东.电驱动石油钻机电气技术[M].北京：石油工业出版社，2015.

收稿日期：2020-03-16

作者简介：王军超（1982—），男，湖北枣阳人，工程师，现任土耳其项目SP011队电气工程师，研究方向：石油钻机电驱动技术。