电动（SCR/VFD）钻机司钻房控制电压配置研究

陈 岩，杨砚杭，朱奇先

（1.中国石油集团渤海钻探工程有限公司第五钻井工程分公司，河北河间062450；2.中石油渤海钻探第四钻井公司，河北任丘062552；3.大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室，甘肃天水741020）

1 引言

电动钻机，无论是直流的SCR，还是变频的VFD，操作控制的绝大部分功能都在司钻房内，因此用到的控制电压的类别很多[1]，本文主要研究当SCR/VFD为全数字控制系统时，司钻房控制电压的配置。

2 负载配置

与SCR/VFD控制系统相关的司钻房控制电压的负载配置，主要有绞车、转盘/顶驱、泥浆泵的操作控制部件及其状态、数据显示的指示灯、仪表、触摸屏设备，盘刹、惯刹的控制电磁阀，以及与以上设备配套的PLC系统和控制继电器等。

3 供电方案

上述设备的工作电源，一般都配置为DC24V。由AC400V通过三相400V/19V变压器变压，再将AC19V通过二极管全桥整流、滤波成DC26V左右的直流电压；或者由AC400V通过单相400V/220V变压器变压，再将AC220V通过开关电源模块变换为DC24V直流电压。为保证供电安全，无论采取哪种变换，最终的DC电压，通过最少两条独立的电线分别供到40m～50m外的司钻房接口，在司钻房通过隔离措施再合二为一后为上述配置设备供电。前一种配置的优点在于钻机安装初期，只要有AC400V的电压（例如应急机组工作）时，就能够测试电控系统，但缺点是钻机正常工作时，和直接从AC600V获取相比，由于600V/400V变压器容量的限制，容易导致DC24V电压波动，后一种配置的优点是电压稳定性好，但缺点是电源模块抗电网谐波[2]能力差，容易损坏。

4 存在问题

按照上述的负载配置和供电方案，在钻机实际使用中，用户反映电控系统存在运行不稳定和可靠性较差的问题，主要现象为运行过程中钻台PLC会随机的、没有任何征兆的出现通讯故障而突然停机，重新启动后又可以正常工作。虽然这种现象出现的次数不多，电控系统重新启动的时间也比较短，自身没有损坏任何器件，也没有其他相关器件损坏，但突然停机对钻井工作影响很大，从停机到重新开始正常工作需要进行一系列的处理工序，一方面耽误钻井时效，另一方面当碰到井下地质情况比较复杂时，会给钻井安全带来一定的隐患。

5 原因分析

针对上述问题，电控系统集成商早期曾根据显示的通讯故障，围绕钻台PLC系统，重点处理通讯线路、屏蔽层连接、接地线、控制软件等与现场总线通讯有关的环节，结果是故障仍然时有发生。后来经过长时间多次观察、归类，终于找到一些规律，表现为在起动功率比较大的电机，比如灌注泵、剪切泵时，容易发生；在钻台内DC24V控制继电器抖动时也容易发生。经过对这些现象分析，联系到钻台控制电源配置特点，再测量司钻房的控制电压，发现DC24V供电电源偏低。对其中采用上述第一种配置DC24V供电电源的一套钻机测量，在SCR房，DC24V的实际电压空载时接近27V，带上负载（包括房内和钻台）时25V多一点；在司钻台测量，空载时23V多一点，负载时21V左右，用示波器观察，有时只有19V～20V。经过分析、研究，认为通讯故障最大的可能，是由司钻台DC24V控制电压偏低所致。理由如下：当DC24V控制电压实际只有21V左右时，已经到了钻台PLC通讯模块不能稳定工作的电压范围，从表面上看虽然还在正常工作，但已经为临界正常状态。当电压由于某种原因持续或者瞬间（通讯总线数据循环周期）降低到模块允许的最小工作电压（DC19V）以下时，一定会报出PLC通讯故障。电压持续降低的原因是当电磁阀、继电器同时带电工作的数量增多时，负载电流增大，由于供电线路长而损耗增大，供出的实际电压自然降低；所谓瞬间是指电机起动的过渡过程，大功率（如多台小功率电机同时，或者一到两台75kW以上电机同时）电机起动影响控制电压的过程是这样的：由于电机的空载起动电流大约是其额定电流的4～7倍[3]（带载起动时，起动电流不变，但过渡过程加长），对于75kW电机来说，额定电流约为150A左右，如果有2台同时起动时，总的起动电流按最高倍数为7时，起动电流 Id＝7×2×150＝2100A，持续时间约为20ms左右，这个电流将在阻抗压降为7%、容量为1000（或1250）kVA的600V/400V变压器副边产生压降，降幅值为：，降低的百分数为。按照上述第一种DC24V配法，钻台控制电源，在实际只有21V左右时，当有2台75kW电机同时空载启动，则实际电压在原电压基础上将再降低7.3（5.8）%，即：21-24×7.3（5.8）%＝21-1.8（1.4）＝19.2（19.6）V，这个电压已经降到了PLC通讯模块最低允许电压附近，如果持续时间超过了通讯循环周期，通讯很有可能会报出故障。基于同样的原因，钻台内的DC24V控制继电器也会工作不可靠，有时会闪断—断而复通，当送到PLC模块的一些关键控制信号的闪断状态被扫描到并被当作人为操作时，运行中的钻机将会出现一些莫名其妙的停机或者故障状态。

6 应对措施

由以上原因分析，应对钻台DC24V控制电压偏低的措施主要有两个方面，一是加大源头容量，降低线路损耗，即增大DC24V电源容量（或者减小电源内抗，但不是提高供电电压），增大从电控房到司钻房供电电源线面积（也就是减小负载时线路损耗），这个措施非常适用于在用钻机，但无论如何也消除不了线路损耗，钻台控制电压也不能达到电控房的电压水平，如果配置成保证在负载时钻台电压为DC24V，则电控房控制电压将升高到DC27V以上，又将影响到电控房内相关器件的安全工作。二是对新造钻机来讲，建议在电控房和司钻房同时配置相同的电源系统且负载后电压为DC25V，两个系统之间只连接电源零线（电压参考点），如此配置的优点在于两房内的控制电压都在最可靠的范围之内，即使波动超过负20%，只要相关配置合适，电压在10个通讯周期内也不会低于DC21V！对于信号抖动问题，需要在控制软件中对相关信号做数字滤波处理。

7 结束语

传统的电动（SCR/VFD）钻机司钻房控制电压配置模式虽然简单、成本低，但随着用户要求的提高，需要控制的对象范围和器件越来越多，控制电压的负载越来越大，不可避免的造成供电线路损耗增加，实际供出电压降低，当其降低到系统稳定运行的临界范围内时，供电回路任何一个环节的风吹草动都将影响到整个钻机的可靠运行，特别是司钻房的现场总线通讯系统，表象是通讯故障，其实更多电压低故障。加大电源容量和减小线路损耗不是最佳方法，解决这个问题的根本措施是在需要控制电源的地方配置电源，所有电源之间独立工作，只进行电源零线（电压参考点）之间的相互连接，同时充分考虑钻机电网波电压动达到20%和闪断在20ms左右的特点。