石油鉆機西門子變頻器常見故障探討

王小磊

（中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井公司，陜西西安 710021）

0 引言

隨著近年來石油鉆井開采的不斷發(fā)展，石油鉆機的運行負荷也在不斷提升，為進一步提高作業(yè)效率、降低資源損耗，在石油鉆機中配備變頻器逐漸成為石油開采工作進行過程中的常規(guī)操作。為保障變頻器工作質(zhì)量和穩(wěn)定性，加強對于變頻器常見故障的探討和分析是十分有必要的。

1 西門子變頻器介紹

結(jié)合石油鉆機的運行特點，和變頻器市場的實際情況，當(dāng)前石油鉆機變頻器主要包括電源、電壓和控制3 個類型。由于在石油鉆機實際運行的過程中，其本身工作量相對較大，因此對于轉(zhuǎn)換器的需求也很大。通常情況下石油鉆機變頻器主要包括開關(guān)柜、變頻箱、制動系統(tǒng)和遠程遙控等部分。

西門子石油鉆機變頻器實際運行過程中，應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，借助傳感器實現(xiàn)對于主軸的調(diào)整。在西門子變頻器實際運行的過程中，若運行效率處于穩(wěn)定不變的情況下，流量就會隨著流速的降低而減小，轉(zhuǎn)速也會隨之降低，與軸系的輸出功率之間存在一定的聯(lián)系。而當(dāng)流量不斷下降時，變頻器能夠根據(jù)實際情況，適當(dāng)調(diào)整自身輸出功率，以降低電機的運轉(zhuǎn)速度，減少能量消耗。此外，西門子變頻器還具有過電流保護的作用，能夠?qū)⒆畲箅娏骶S持在不高于額定電流的水平上，達到節(jié)約資源、延長設(shè)備使用壽命的目的[1]。

2 石油鉆機變頻器的技術(shù)應(yīng)用

變頻器在石油鉆機當(dāng)中的主要應(yīng)用技術(shù)及其相關(guān)性能包括以下3 個方面。

（1）矢量控制技術(shù)。當(dāng)前我國大多數(shù)石油鉆機變頻器的使用都是通過矢量控制技術(shù)，進而實現(xiàn)對于交流電機電流矢量的控制的，該技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對于電流的定向控制，同時還具有較高的精度和負載性能。

（2）單元并行技術(shù)?；谑豌@機本身的情況和作業(yè)需求，其變頻器的驅(qū)動電機容量相對較大，通常會選用多單元并聯(lián)輸出的方式增加輸出功率。

（3）柔性電路拓撲技術(shù)。由鉆機變頻器中1200 kW/600 V 的變流器，保障其輸出電壓符合要求，逆變電路通常會選用電平電路等連接方式，而且這種方式還能夠降低諧波電壓的變化率[2]。

3 西門子變頻器在使用過程中的常見故障

結(jié)合當(dāng)前我國石油鉆機變頻器的實際應(yīng)用情況，西門子變頻器作為應(yīng)用最為廣泛、可靠性最高的變頻器之一，其本身不僅具有較好的應(yīng)用效果，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)對相應(yīng)器件的監(jiān)控和保護。但是在實際應(yīng)用的過程中，也不可避免地會出現(xiàn)故障問題，給石油鉆井工作帶來一定影響，因此明確西門子變頻器在實際使用過程中的常見故障，對于保障變頻器的運行穩(wěn)定性和可靠性而言是十分重要的。根據(jù)西門子變頻器的實際使用情況，其常見故障主要有外部故障和硬件故障兩種類型。

3.1 外部故障

根據(jù)西門子變頻器的實際使用情況，其外部故障主要包括以下5 種類型。

（1）參數(shù)設(shè)置錯誤。參數(shù)設(shè)置是變頻器在使用過程中的重要步驟，也是保障變頻器高效運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，參數(shù)設(shè)置失效或不合理，不僅會影響變頻器的正常運行，甚至可能會使轉(zhuǎn)換器無法使用，因此在進行故障判斷的過程中，首先需要檢查的就是變頻器的參數(shù)設(shè)置情況是否有誤。

（2）外部電源或檢測電路故障。電源設(shè)備和電路作為變頻器運行過程中的重要部件，承擔(dān)著為設(shè)備供電的重要責(zé)任，一旦外部電源或檢測電路出現(xiàn)問題，將會給變頻器的運行帶來極大影響。實際上變頻器在運行過程中，很多的分支都是使用自己的發(fā)電單元實現(xiàn)供電的，如果發(fā)電頻率或電壓超過轉(zhuǎn)換器范圍，就會導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)故障。

（3）過載問題。變頻器過載問題其主要是由于加速時間較短、剎車頻率較高，或電網(wǎng)電壓偏低導(dǎo)致的。還可能會由于上升運行速度過快，導(dǎo)致電機出現(xiàn)重載情況。對于過載問題主要通過延長加速時間、降低剎車頻率等措施，以此解決電壓問題，解決過載故障。

（4）過電流問題。導(dǎo)致過電流故障的原因包括外部原因和內(nèi)部原因兩種類型。其中外部原因主要包括3 種情況：①在短時間內(nèi)電機負荷急劇變化，給變頻器造成極大的沖擊，直接影響設(shè)備正常運行；②電機和電纜出現(xiàn)短路情況，絕緣設(shè)施遭受損壞，導(dǎo)致周接地或相接地情況的發(fā)生；③變頻器本身具備速度編碼器，在速度反饋過程中，由于信號損耗出現(xiàn)過電流情況。對于此類外部原因而產(chǎn)生的變頻器故障，需要著重檢查外部電纜狀態(tài)和編碼器運行情況。內(nèi)部原因則主要指的是變頻器參數(shù)設(shè)置問題，由于參數(shù)設(shè)置錯誤，導(dǎo)致變頻器硬件發(fā)生故障，進而出現(xiàn)過流情況。在實際進行變頻器管理的過程中，需要結(jié)合實際情況加強對流量的監(jiān)控，可通過使用相應(yīng)流量計，對變頻器的輸出電流平衡情況進行檢測，若發(fā)現(xiàn)輸出不平衡則可以斷定是基于轉(zhuǎn)換器內(nèi)部故障引發(fā)的過電流問題。

（5）其他部件故障。在石油鉆機和變頻器使用的過程中，必然會涉及到各種拆卸、維修、安裝和修理等操作，很可能會給外部周邊部件帶來一定影響，導(dǎo)致管線斷裂、部件損壞等情況出現(xiàn)，對變頻器的正常運行產(chǎn)生負面影響。

3.2 硬件故障

西門子變頻器的硬件故障主要表現(xiàn)在控制系統(tǒng)和功率部件兩個方面。其中控制系統(tǒng)故障是指相應(yīng)電子部件失效引起的故障問題，如CUVC 主控制板故障、由外部高電壓串入引起的儀表板接口電路損壞故障等。

4 變頻器在使用過程中的常見問題及應(yīng)對方法

根據(jù)變頻器在石油鉆機中的實際使用情況，除上述外部故障和硬件故障之外，在變頻器實際運行的過程中，還存在以下問題。

（1）由于石油鉆機生產(chǎn)運行的過程中，各種信號之間會產(chǎn)生干擾，影響鉆機的正常運行和控制。在設(shè)計布線的過程中，需要針對模擬信號和數(shù)字信號分別設(shè)置兩種不同類型的線路，并做好導(dǎo)線控制，確保不同導(dǎo)線之間距離＞10 cm，以避免干擾情況的出現(xiàn)，增強設(shè)備運行的穩(wěn)定性和可靠性。還需要加強對于石油鉆機當(dāng)中線路槽的設(shè)計，為模擬信號線路設(shè)置相應(yīng)屏蔽功能，做好接地和懸掛工作。同時為保障傳輸質(zhì)量效果，對于長距離傳輸需要對數(shù)字量控制線做好中間設(shè)備的轉(zhuǎn)換。

（2）短路問題。短路問題是變頻器運行使用中的常見問題，尤其是在一些環(huán)境條件較為惡劣的情況，如沙漠、高海拔地區(qū)等，不僅晝夜溫差較大，還會出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備十分容易出現(xiàn)短路情況，影響鉆機的正常使用和運行。對此，需要相關(guān)管理人員做好保溫通風(fēng)管理，同時還需要加強檢測，保障設(shè)備處于正常運行狀態(tài)。

（3）電路接觸不良。在實際進行設(shè)備拆卸和安裝的過程中，由于操作過程存在一定的不確定性，各種機柜、設(shè)備等十分容易遭受到振動、磕碰等，使得變頻器內(nèi)部電路出現(xiàn)松動情況，導(dǎo)致接觸不良。對于這一情況，在實際進行設(shè)備運輸、拆卸和安裝過程中，需要做好相應(yīng)保護和減振措施，并加強對于機柜等設(shè)備的管控，做到輕拿輕放。

（4）變頻器運行環(huán)境問題。在實際進行鉆井工作的過程中，變頻器的工作環(huán)境較為惡劣，不僅會有各種煙塵、粉塵，還包括腐蝕性的氣體和液體等，會對變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和器件、電路等造成一定程度的影響，不僅會使得線路部件老化，還可能會出現(xiàn)絕緣問題，造成線路短路等各種故障問題。因此在實際進行變頻器安裝使用的過程中，需要結(jié)合現(xiàn)場實際情況和環(huán)境，加強變頻器的養(yǎng)護檢修和環(huán)境管理[3]。

5 針對故障問題常見處理措施

5.1 故障檢修

在變頻器出現(xiàn)故障的情況之下，為保障檢修的全面性和針對性，需要先進行全面的檢查和處理。結(jié)合變頻器的實際故障情況，對變頻器所處的環(huán)境進行觀察分析，然后再對變頻器的外部特征進行檢查，對變頻器的故障問題進行分析，明確故障發(fā)生原因，并優(yōu)先排除操作不當(dāng)、參數(shù)設(shè)置錯誤等人為問題。在此過程中，相關(guān)維修人員和技術(shù)人員為保障維修質(zhì)量效果，需要進行仔細觀察，有針對性地進行拆卸維修，避免造成二次損傷。

5.2 加強管理

變頻器管理是避免出現(xiàn)故障問題的重要預(yù)防措施，相關(guān)管理人員需要加強對于環(huán)境溫差的關(guān)注，并結(jié)合實際情況做好相應(yīng)保溫措施，避免設(shè)備老化。還需要加強設(shè)備運輸管理，減少磕碰、振動沖擊帶來的影響。由于石油鉆井環(huán)境相對較為惡劣，必須要加強對于變頻器運行環(huán)境的管理和控制，做好相應(yīng)檢查和保護措施。最后，加強雷電防護，避免變頻器遭受雷電襲擊影響線路正常運輸[4]。

6 結(jié)束語

西門子石油鉆機變頻器故障主要體現(xiàn)在外部故障和硬件設(shè)備兩個方面，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障問題的原因包括信號干擾、短路、接觸不良和運行環(huán)境等，因此在面對故障問題的過程中，需要結(jié)合實際情況加強故障檢修、設(shè)備運輸和環(huán)境等多方面的管理和控制。隨著對變頻器故障的深入研究和預(yù)防處理，石油鉆機的運行效率和穩(wěn)定性將會得到進一步提升。