钻机主电动机辅助装置的试验及试验装置的开发应用

任志民，陈万庆，刘 杨，刘丹丹

（1.运城职业技术学院，汽车工程系，山西运城044500；2.兰州电机股份有限公司技术中心，甘肃兰州730000；3.运城学院，网络信息中心，山西运城044500）

1 引言

在我国的石油装备工业领域，油田钻机的电传动系统已从上世纪八十年代直流传动发展到了现在成熟并广泛应用的交流传动系统。目前，无论是应用直流传动系统还是交流传动系统的油田钻机，包括用于气田勘探的钻机，其使用的主电动机及其装置已形成了系列化。钻机用的直流电动机的功率多为440kW、600kW、800kW或850kW，额定电压一般为440V、660V或750V。交流变频调速电动机已形成了 200kW、300kW、400kW、500kW、600kW、710kW、800kW、900kW、1000kW、1120kW、250kW、1600kW等功率规格，额定电压则有380V、440V、500V、600V或690V等规格[1]。交流永磁电动机的功率多在50kW以下，额定频率50Hz，额定电压一般为380V。通常情况下，与主电动机配套的风机额定功率为15kW或以下，额定电压为380／660V、风量不小于110m3／min，且多为防爆电动机。例如，某钻机的变频调速型主电动机，额定功率600kW，额定电压600V，额定电流682A，额定转速1000r／min，额定频率50.5Hz，额定功率因数 0.86，额定效率 95%，绝缘等级200级，防护等级IP44，防爆等级为ExdII T3；风机配置的电动机为2极，额定功率15kW，额定电压380V，额定频率50Hz，额定风量 130m3／min。该变频调速型主电动机与辅助装置的装配关系如图1所示，辅助装置的主要组成部分图2所示。

图1 钻机的变频调速型主电动机与辅助装置

图2 辅助装置的主要组成部分

2 钻机主电动机辅助装置的可靠性与技术要求

2.1 钻机主电动机辅助装置的安全可靠性

油气田钻机用的主电动机，无论是直流电动机还是变频调速异步电动机，一般都用自带风机进行冷却。对于钻机主电动机，在 GB／T23507.1-2017《石油钻机用电气设备规范第1部分：主电动机》中，在条款5.4部件及其安全要求中规定，主电动机要有接地导线装置；安装风压继电器；安装检修开关；设置联锁装置，保证电源接通时主电动机的壳盖不能打开，壳盖打开后电源不能接通；设置与通风系统相联锁的装置，使其在规定的通风时间后才能接通电源，主电动机运行前先通风；主电动机内部要安装电加热器，用于除霜、除湿或除潮[1]。通常，主电动机的出线盒里，安装有风压开关，用于在风机发生故障或风压不足时对钻机主电动机进行保护；同时还安装有辅助开关，在主电动机因检修或其它情况下需要时打开出线盒时进行停机操作，作为安全保护的措施。风机、风压开关、辅助开关与电加热器等组成了与油气田钻机主电动机配套的辅助装置。

2.2 对钻机主电动机辅助装置的试验要求

为了提高钻机主电动机辅助装置的安全可靠性，必须对其进行试验检测。钻机主电动机的生产厂家在研发主电动机与辅助装置的同时，还研发了辅助装置的试验装置，即辅助试验装置。

对于研发的新型钻机，其主电动机与辅助装置必须要通过型式试验的鉴定。主电动机与辅助装置的各个试验项目及每个项目的项点考核内容全部合格后，主电动机才可以出厂装配到钻机上。一般情况下，钻机电动机批量生产时，出厂试验也需要对主电动机的辅助装置进行检测。对于钻机主电动机辅助装置的试验，在 GB／T23507.1-2017《石油钻机用电气设备规范第1部分：主电动机》的条款6.3试验项目及方法中，规定为第26个试验项目，且在型式试验和例行出厂试验中都要进行检测。

3 钻机主电动机辅助装置的试验检测内容与试验流程

钻机主电动机的辅助装置，包括风机、风压开关、辅助开关与电加热器等，需要试验检测的主要内容及试验工序依次是：

（1）三相交流电源是否缺相；

（2）电源电压是否正常；

（3）在接通电源后、风机起动前，风压开关与辅助开关的触点开闭是否正常；

（4）在电联接器正常连接情况下辅助装置的电加热器工作是否正常；

（5）在风压开关整定值设为100Pa、出线盒密封完好、电源正常且接通的情况下，风机能否对钻机主电动机进行正常送风；风压开关触点开闭是否正常；

（6）在打开主电动机的出线盒时辅助开关触点的开闭是否正常；紧急停机按钮能否正常动作使钻机主电动机停机；

（7）风机在正常运行过程中，其电动机是否产生过流现象。

一般情况下，主电动机辅助装置的试验检测流程如图3所示。除主电动机生产工厂外，此试验检测流程流也适用于在油气田工作现场对钻机电气设备的检测［2］。

图3 钻机主电动机辅助装置的试验检测流程

4 钻机主电动机辅助试验装置的开发设计与应用

4.1 钻机主电动机辅助试验装置的电气设计

根据辅助装置的试验检测项目、试验方法及检测流程的实际需要，开发了一种钻机用主电动机的辅助试验装置。采用的技术方案是：选用三相四线制工频380V交流电源，每相串联电流大小合适的熔断器对辅助装置（包括风机、风压开关、辅助开关与电加热器）进行过流保护，用指示灯检测电源是否缺相，用电压表显示电源电压是否正常，在回路中串接三相开关控制风机的启停，串接单相开关控制辅助装置电加热器的通断；在电源到负载的各相回路中用串联指示灯的方法来检测辅助装置的风压开关和辅助开关触点的开闭［3］。

钻机主电动机辅助试验装置的电气原理图如图 4 所示。其中：1、2、26、27 为风压开关触点，3、5、23 为风机触点，6、17、11、12 为辅助开关触点，4、24为电加热器接线端子；71为U相-V相电源线电压表，72为U相-W相电源线电压表，73为V相-W相电源线电压表；81为U相电源指示灯，82为V相电源指示灯，83为W相电源指示灯；84为检测指示灯一，85为检测指示灯二，86为检测指示灯三，87为检测指示灯四；9为电源插头，10为插座，11为箱体，55为三相开关，56为单相开关。

图4 钻机主电动机辅助试验装置的电气原理图

4.2 钻机主电动机辅助试验装置的结构设计

钻机主电动机辅助试验装置采用了便携式的箱体结构，输入端是与三相四线制电源插座可连接的四线电源插头，输出端是与钻机主电动机辅助装置自带的电联接器插头可以配套连接的插座。将三相四线制电源引入箱体后，在相线上连接电源指示灯、电压表、检测指示灯、熔断器、三相开关和单相开关；插座、电源插头、三相开关、单相开关、熔断器、电压表和指示灯均设置在箱体内。

钻机主电动机辅助试验装置的箱体结构如图5所示，四线电源插头9与三相四线制电源的插座连接，插座10与钻机主电动机辅助装置自带的电联接器插头连接。在电源插头9与插座10之间的三相四线上连接有电源指示灯、电压表、检测指示灯、熔断器、三相开关、单相开关。

图5 钻机主电动机辅助试验装置的箱体结构示意图

钻机主电动机辅助装置试验检测时，四线电源插头9与三相四线制工频380V交流电源的插座连接，辅助装置自带的电联接器插头插入试验装置插座10即可完成电气连接。在接通电源、闭合三相开关55后，用串联指示灯（即检测指示灯三86、检测指示灯四87）检测辅助开关常开触点6与17、常闭触点11与12的通断状态。在接通电源、风压开关整定值设为100Pa、出线盒密封完好的情况下，闭合三相开关55，即触点3、5、23接通后，进行风机正常送风检查，用串联指示灯（即检测指示灯一84、检测指示灯二85）检测风压开关在三相开关闭合与断开两种情况下其常开触点1与2、常闭触点26与27的通断状态。在接通电源、闭合与断开单相开关56两种情况下检测接在端子4与24之间的电加热器的工作状态。三相四线制电源各相串联的熔断器对辅助装置（包括风机、风压开关、辅助开关与电加热器）进行过流安全保护[4]。

4.3 钻机主电动机辅助试验装置的应用

钻机主电动机辅助试验装置采用了箱体结构后，简化了试验检测时比较繁琐的电气联结，既可用于主电动机工厂的产品质量检验，也便于维修人员携带到油气田钻机工作现场对设备进行检测维修[5]。通过应用表明，主电动机辅助装置的试验操作比一般独立试验项目的操作更加简便，功能更加完备；不仅试验项目与试验检测程序更加程序化和规范化[6]，同时还提高了试验检测的效率，值得推广应用到油气田钻机工作现场对设备的检测维修中[5]。

开发制作完成后钻机主电动机辅助试验装置，重量为4.8Kg，比较轻便。目前，该试验装置已通用于钻机的400Kw及以上功率的直流电动机、200Kw及以上功率的交流电动机的辅助装置的试验中，不仅制造工厂使用，油气田钻机工作现场对设备进行检测维修时也在使用。

5 结束语

尽管此钻机主电动机辅助试验装置目前已能完全满足油气田钻机电动机辅助系统的检测要求，但仍有改进和优化之处。在箱体体积、重量和制造成本允许的情况下，可以进一步改进，例如，用断路器替代熔断器；在电加热器回路里也串联指示灯等。在主电动机的工厂的试验台站的设计建造中，还可将此装置恰当地与主试验台站进行联合设计使之成为一套更完整的综合试验装置。需要注意的是，在使用钻机主电动机辅助试验装置的过程中，对检测指示灯、熔断器、开关、电联接器等必须进行定期检测，即对装置本身进行检测。在保证这些电气组件没有故障的前提下，才能检测风压开关和辅助开关的触点开闭是否正常，这样才能对辅助装置及钻机主电动机进行安全可靠的保护。