石油钻机西门子变频器常见故障探讨

2021-04-03祁诺

中国设备工程 2021年12期

祁诺

（大庆钻探工程公司钻井一公司，黑龙江大庆 163411）

随着钻井开采工作在持续性的深入中，钻具在长度指标以及重量指标上均有一定程度上的增长，这将给绞车带来越来越大的载荷，作业时间也会与日俱增。对于配备工频的钻井设备，有助于提高钻井设备的效率，维持自身的最佳工作状态，起到节能减排的功能。

1 西门子变频器工作原理

根据目前对变频器的市场调查研究报告，当前市面上普遍使用的变频器有三种：电源、电压和控制。它们是变频器的三个基本组成部分。然而，在石油钻井中会普遍用到转换器，需求量很大，一般由输入开关柜、变频箱、制动系统、远程遥控这四个部分组成。变频器的主要工作原理如下。根据流体力学理论，对于利用传感器自身功能调整主轴，主轴是垂直调整的，并与轴的旋转成比例。在变频器执行工作任务的过程中，假如效率恒定不变，流量会随着流量的增大而减小，转速也会随之减小，因此，轴系的输出功率是相互关联的；当流量减小时，可以自适应地调整变频器的输出功率，从而降低电机的转速。变频器的软起动使最大电流保持在额定电流以下，主要目的是为了节约资源，有效压降其对于电网的影响，延长了电机的使用寿命。它还降低了维护成本，提高了效率。

2 变频器在石油钻井应用中的常见问题及解决方法

（1）石油钻机应设置两种型号的生产线。在石油钻机中，我们应设置两种不同型号的生产线，模拟信号线与数字控制线的距离应大于10cm，以防干扰。在石油钻机的设计中，应特别注意环槽的设计。模拟信号控制电路的一端应当将其屏蔽或者扭转，另一端必须悬挂。还需要注意的是，在长距离使用传输线时，必须有数字控制线，以确保中间设备能够科学有效地运转。

（2）个别环境下发生的短路。在自然条件较困难或特殊的地方，如沙漠、雪地等极端气候的条件下，早晨以及傍晚的温差可能会非常大，而高原地区尤其容易受到冷凝等条件的制约与限制。当变频器在正常运转的过程中，短路事故实际上是会普遍发生的。所以，如果工作设备周遭的环境十分困难或者极端，我们应当将空调系统打开，最终目的是为了确保温度、通风和变频器的正常运行。除了这些措施，我们还应当提升其控制频率，以确保机房温度恒定和变频器安全运行。

（3）不良接触的内部电路问题。变频器控制柜或机房等设备在石油钻井设备拆卸和运输过程中，会受到不同程度的撞击或者震动作用，对于这些冲击可能造成的直接结果就是会接触到有毒、有害的物质，连接松动的内部电路，在这种情况下，我们必须科学地打开或加工减振橡胶，以减少振动、搬运和运输的不便，值得注意的是，我们要投入更高的关注度在控制柜的房间以及要高度集中注意力，防止出现疏忽大意的情况，这是在设备转移的过程中需要考虑的，以减少外部影响。在钻机已经设置到位的情况下，在进行电气试验前，应对设备进行检查。

（4）变频器在内部环境影响下的问题。当我们在进行钻井作业的过程中，恶劣的自然条件是每个人都要在更深层次面对的问题，而钻孔变频器通常情况下需要在非常恶劣的状况下工作，如某些粉尘、腐蚀性物质等。这些种类各异的自然条件可能会导致传感器电路老化、绝缘和短路故障，我们应在开始就考虑到转换器的相关背景，研判环境的特点，根据当地情况的变化和干燥湿度调节的环境温度和内部温度，当机器在恒温恒压的状态下运行时，变频器还应维持住正常的工作。延长储蓄寿命，进一步节约成本。

3 西门子6SE70 系列变频器故障

经过研判我国在石油产业中的变频器应用背景，当前我国的石油工业中使用的几乎所有频率交流电控制钻头都配备有西门子系列的频率转换器。本系列转换器具有完全的监视和保护功能（开关柜、整流柜、转换器柜），但在实践中却发生了故障，这不可避免地会对钻井生产造成负面效应。

3.1 外部故障

（1）参数设置错误。我们首先应当确认参数的设置是否正确。例如，p554的启动、暂停参数设置可能会失效，导致转换器无法正常运行。

（2）周边部件故障。机器运转良好，在多次拆装作业中，外部控制管线断裂，堵头损坏，妨碍变频器运行。

（3）外部电源故障（低电压、过电压、低频、过时钟）或检测电路损坏。大部分分支使用自己的发电单元来供电，当发电频率或电压超过频率转换器的上限或下限时，频率转换器发生故障。我们应首先执行发电机的检修工作，频率过低通常是其中的柴油机发生额故障，电压超过了规定的上限或者下限则是发电机发生了故障。

（4）过载。频率转换器过载是加速时间过短、刹车过多或电网电压过低所引起的。一般来说，通过延长加速时间延长刹车时间来解决电力网的电压问题，能够应对故障。在重载过程中，钻头可能会失去作用，上升速度过快可能会引起电机的重载。

（5）过流。外部原因：电机负荷发生了猛烈的变化，造成过大冲击；电机与电缆之间短路或相对绝缘受到了破坏，发生了周接地或相接地的情况；频率转换器内置速度编码器，速度反馈时信号损耗也会导致过电流。检查编码器和电缆。转换器原因：参数设置错误，转换器硬件故障。我们需要科学合理地钳制流量计来检测转换器的输出电流是否平衡。输出不平衡则充分反映出转换器的内部装置存在故障。

3.2 西门子变频器硬件故障

（1）控制系统发生故障。①控制盘上的电子部件故障造成故障，这就需要我们应用交换法进行处理。②对外部控制系统串联施加高电压，仪表板的接口电路损坏。

（2）功率部件故障。

3.3 故障处理实例

例1，接通逆变器电源后，转换器pmu显示e和p键，没有相应的反馈。频率转换器无法启动，故障无法复位。首先检查电源，测量cuvc基板x101端子柱第1、2端子24v，排除控制系统电压故障。撤去cuvc面板后，x101终端附近的一个零部件发生了短路，怀疑高压与外部控制线混合。对外部电路进行仔细检查，发现被覆有破损，控制线进入高压，导致cuvc板烧坏。转换成正常的绝缘板。如果知道控制盘烧毁了，请注意不要马上更换。如果不确定故障的真正原因，有可能发生二次故障。

例2，转换器整流器显示f031故障代码（三端双向飞行器保险丝破损），不能启动转换器，发现从整流器左侧数起的第二保险560a坏了，频率转换器500a4的保险完全坏了。首先，用万能表等相关仪表对其进行检测。电机运行后20Hz，逆变柜四保险都切断，整流柜二、五保险从左侧切断。对电机和转换器进行了再检查，测定结果正常。我会继续看保险的变更。旋转了频率转换器后，确认了频率转换器和整流器之间的直流本线的连接部起火。在本线的连接部发现了螺栓松动。由于持续的转移，逆变器柜内的零部件会发生松动的现象。变频器柜的关键部位应在日常维护中加强。

4 变频器设备管理应注意的事项

（1）温差影响。通常而言，钻井都是在偏僻荒凉的地方进行的，自然条件十分恶劣，这些地方大多环境都处在极端的情况下。如果温差较大，钻机变频器会产生很大的影响，冻结温差钻机变频器过大。长期凝汽式变频器的内部腐蚀会在很大程度上造成电路受到损伤，进而使得设备短路或者设备中的零部件更加衰老。

（2）设备运输。钻井作业需要有较大的设备运输量，石油和天然气的开采量将有明显的变化，因为石油的开采量和天然气的不足，使石油不能正常开采和运输设备，使得开采工作不能顺利地进行下去，由于其他原因，需要在这一过程中保持工作运行，变频器不可避免地受到冲击和振动，因此，工作场所、变频器的搬运必须非常小心，避免变频器被撞坏、碰坏。

（3）工作环境。因为采油环境相对十分恶劣且极端，通常而言将会面临非常恶劣的环境，即使在实际的采油中，变频器所处的环境也非常恶劣。沙、强酸、腐蚀性液体、气不仅影响油田的生产，设备也很有可能会发生故障，而且频率转换器的周边构造和频率转换器的寿命也会相应降低。因此，我们需要投入更高的关注度在西门子变频器的工作环境中，我们需要审时度势，进行科学的介入，保证装置正常工作，延长装置寿命，提高效率，减少损耗。