石油钻机西门子变频器常见故障探讨

王小磊

（中国石油川庆钻探工程有限公司长庆钻井公司，陕西西安 710021）

0 引言

随着近年来石油钻井开采的不断发展，石油钻机的运行负荷也在不断提升，为进一步提高作业效率、降低资源损耗，在石油钻机中配备变频器逐渐成为石油开采工作进行过程中的常规操作。为保障变频器工作质量和稳定性，加强对于变频器常见故障的探讨和分析是十分有必要的。

1 西门子变频器介绍

结合石油钻机的运行特点，和变频器市场的实际情况，当前石油钻机变频器主要包括电源、电压和控制3 个类型。由于在石油钻机实际运行的过程中，其本身工作量相对较大，因此对于转换器的需求也很大。通常情况下石油钻机变频器主要包括开关柜、变频箱、制动系统和远程遥控等部分。

西门子石油钻机变频器实际运行过程中，应用变频技术与微电子技术，借助传感器实现对于主轴的调整。在西门子变频器实际运行的过程中，若运行效率处于稳定不变的情况下，流量就会随着流速的降低而减小，转速也会随之降低，与轴系的输出功率之间存在一定的联系。而当流量不断下降时，变频器能够根据实际情况，适当调整自身输出功率，以降低电机的运转速度，减少能量消耗。此外，西门子变频器还具有过电流保护的作用，能够将最大电流维持在不高于额定电流的水平上，达到节约资源、延长设备使用寿命的目的[1]。

2 石油钻机变频器的技术应用

变频器在石油钻机当中的主要应用技术及其相关性能包括以下3 个方面。

（1）矢量控制技术。当前我国大多数石油钻机变频器的使用都是通过矢量控制技术，进而实现对于交流电机电流矢量的控制的，该技术不仅能够实现对于电流的定向控制，同时还具有较高的精度和负载性能。

（2）单元并行技术。基于石油钻机本身的情况和作业需求，其变频器的驱动电机容量相对较大，通常会选用多单元并联输出的方式增加输出功率。

（3）柔性电路拓扑技术。由钻机变频器中1200 kW/600 V 的变流器，保障其输出电压符合要求，逆变电路通常会选用电平电路等连接方式，而且这种方式还能够降低谐波电压的变化率[2]。

3 西门子变频器在使用过程中的常见故障

结合当前我国石油钻机变频器的实际应用情况，西门子变频器作为应用最为广泛、可靠性最高的变频器之一，其本身不仅具有较好的应用效果，而且还能够实现对相应器件的监控和保护。但是在实际应用的过程中，也不可避免地会出现故障问题，给石油钻井工作带来一定影响，因此明确西门子变频器在实际使用过程中的常见故障，对于保障变频器的运行稳定性和可靠性而言是十分重要的。根据西门子变频器的实际使用情况，其常见故障主要有外部故障和硬件故障两种类型。

3.1 外部故障

根据西门子变频器的实际使用情况，其外部故障主要包括以下5 种类型。

（1）参数设置错误。参数设置是变频器在使用过程中的重要步骤，也是保障变频器高效运行的关键环节，参数设置失效或不合理，不仅会影响变频器的正常运行，甚至可能会使转换器无法使用，因此在进行故障判断的过程中，首先需要检查的就是变频器的参数设置情况是否有误。

（2）外部电源或检测电路故障。电源设备和电路作为变频器运行过程中的重要部件，承担着为设备供电的重要责任，一旦外部电源或检测电路出现问题，将会给变频器的运行带来极大影响。实际上变频器在运行过程中，很多的分支都是使用自己的发电单元实现供电的，如果发电频率或电压超过转换器范围，就会导致变频器出现故障。

（3）过载问题。变频器过载问题其主要是由于加速时间较短、刹车频率较高，或电网电压偏低导致的。还可能会由于上升运行速度过快，导致电机出现重载情况。对于过载问题主要通过延长加速时间、降低刹车频率等措施，以此解决电压问题，解决过载故障。

（4）过电流问题。导致过电流故障的原因包括外部原因和内部原因两种类型。其中外部原因主要包括3 种情况：①在短时间内电机负荷急剧变化，给变频器造成极大的冲击，直接影响设备正常运行；②电机和电缆出现短路情况，绝缘设施遭受损坏，导致周接地或相接地情况的发生；③变频器本身具备速度编码器，在速度反馈过程中，由于信号损耗出现过电流情况。对于此类外部原因而产生的变频器故障，需要着重检查外部电缆状态和编码器运行情况。内部原因则主要指的是变频器参数设置问题，由于参数设置错误，导致变频器硬件发生故障，进而出现过流情况。在实际进行变频器管理的过程中，需要结合实际情况加强对流量的监控，可通过使用相应流量计，对变频器的输出电流平衡情况进行检测，若发现输出不平衡则可以断定是基于转换器内部故障引发的过电流问题。

（5）其他部件故障。在石油钻机和变频器使用的过程中，必然会涉及到各种拆卸、维修、安装和修理等操作，很可能会给外部周边部件带来一定影响，导致管线断裂、部件损坏等情况出现，对变频器的正常运行产生负面影响。

3.2 硬件故障

西门子变频器的硬件故障主要表现在控制系统和功率部件两个方面。其中控制系统故障是指相应电子部件失效引起的故障问题，如CUVC 主控制板故障、由外部高电压串入引起的仪表板接口电路损坏故障等。

4 变频器在使用过程中的常见问题及应对方法

根据变频器在石油钻机中的实际使用情况，除上述外部故障和硬件故障之外，在变频器实际运行的过程中，还存在以下问题。

（1）由于石油钻机生产运行的过程中，各种信号之间会产生干扰，影响钻机的正常运行和控制。在设计布线的过程中，需要针对模拟信号和数字信号分别设置两种不同类型的线路，并做好导线控制，确保不同导线之间距离＞10 cm，以避免干扰情况的出现，增强设备运行的稳定性和可靠性。还需要加强对于石油钻机当中线路槽的设计，为模拟信号线路设置相应屏蔽功能，做好接地和悬挂工作。同时为保障传输质量效果，对于长距离传输需要对数字量控制线做好中间设备的转换。

（2）短路问题。短路问题是变频器运行使用中的常见问题，尤其是在一些环境条件较为恶劣的情况，如沙漠、高海拔地区等，不仅昼夜温差较大，还会出现凝结现象，导致设备十分容易出现短路情况，影响钻机的正常使用和运行。对此，需要相关管理人员做好保温通风管理，同时还需要加强检测，保障设备处于正常运行状态。

（3）电路接触不良。在实际进行设备拆卸和安装的过程中，由于操作过程存在一定的不确定性，各种机柜、设备等十分容易遭受到振动、磕碰等，使得变频器内部电路出现松动情况，导致接触不良。对于这一情况，在实际进行设备运输、拆卸和安装过程中，需要做好相应保护和减振措施，并加强对于机柜等设备的管控，做到轻拿轻放。

（4）变频器运行环境问题。在实际进行钻井工作的过程中，变频器的工作环境较为恶劣，不仅会有各种烟尘、粉尘，还包括腐蚀性的气体和液体等，会对变频器的内部结构和器件、电路等造成一定程度的影响，不仅会使得线路部件老化，还可能会出现绝缘问题，造成线路短路等各种故障问题。因此在实际进行变频器安装使用的过程中，需要结合现场实际情况和环境，加强变频器的养护检修和环境管理[3]。

5 针对故障问题常见处理措施

5.1 故障检修

在变频器出现故障的情况之下，为保障检修的全面性和针对性，需要先进行全面的检查和处理。结合变频器的实际故障情况，对变频器所处的环境进行观察分析，然后再对变频器的外部特征进行检查，对变频器的故障问题进行分析，明确故障发生原因，并优先排除操作不当、参数设置错误等人为问题。在此过程中，相关维修人员和技术人员为保障维修质量效果，需要进行仔细观察，有针对性地进行拆卸维修，避免造成二次损伤。

5.2 加强管理

变频器管理是避免出现故障问题的重要预防措施，相关管理人员需要加强对于环境温差的关注，并结合实际情况做好相应保温措施，避免设备老化。还需要加强设备运输管理，减少磕碰、振动冲击带来的影响。由于石油钻井环境相对较为恶劣，必须要加强对于变频器运行环境的管理和控制，做好相应检查和保护措施。最后，加强雷电防护，避免变频器遭受雷电袭击影响线路正常运输[4]。

6 结束语

西门子石油钻机变频器故障主要体现在外部故障和硬件设备两个方面，导致设备出现故障问题的原因包括信号干扰、短路、接触不良和运行环境等，因此在面对故障问题的过程中，需要结合实际情况加强故障检修、设备运输和环境等多方面的管理和控制。随着对变频器故障的深入研究和预防处理，石油钻机的运行效率和稳定性将会得到进一步提升。