直流电驱动钻机电传系统常见故障分析和排除

直流电驱动钻机电传系统常见故障分析和排除摘要：从直流电动钻机的电控系统原理以及直流电动机的机械特性和调速原理出发,结合现场维护、检修经验,概括出了电控系统的常见故障的排除方法。

关键词：可控硅整流电桥直流电动机交直流控制模块可编程序控制器故障分析
目前,国内各油田配备的电动钻机中,直流电动钻机还占据着主流,电动钻机的身价从几千万到上亿元,一旦出现电控系统故障,将造成停机,甚至造成井下复杂,其负面影响和经济损失都较大。

然而直流电动钻机系统大都基于一套技术比较成熟的ROSSHILL系统,其故障发生也有一定的规律性,因此在熟练掌握电控系统原理的基础上,了解其故障规律,对提高处理故障效率大有帮助。

1 发电系统[1]
交流发电系统主要由柴油发电机组和SCR房内的交流控制柜组成,交流模块是交流控制系统的核心部件,其输入有柴油机转速信号、发电机电压信号、六相变压器副边的115V AC反馈电压信号、电流互感器CT1～CT3的电流反馈信号和励磁电流反馈信号,输出信号有柴油机转速调节控制信号、发电机电压调节控制信号以及有功功率表和无功功率表的驱动信号,这其中的任何一路信号出现差错都会导致发电系统出现异常现象。

1.1 发电机故障
发电机输出电压过低或输出电压过高,输出电压低一般是励磁电流小或励磁回路断造成,发电机如果存放时间过长,发电机转子剩磁可能不足(这种现象极少发生),发电机输出电压小于150V。

解决这种故障可以利用24V电瓶短时间直接接在励磁机上进行充磁,注意极性千万不能接反,时间一般不超过1min即可。

励磁回路保险F39～40任何一个断,都会造成和剩磁不足同样的故障现象。

发电机转子中任何一个二极管断,都将造成励磁电流减小,从而造成输出电压降低。

还有,如果励磁电源板出现故障,也会使励磁电流减小而造成输出电压降低。

输出电压高一般是由于电压给定或输出电压反馈、励磁电流反馈信号出现故障造成。

在柴油机起车到全速前,需要认真检查电压给定电位器、速度给定电位器所处位置,要求处在中位,因此即使电压给定电位器中间出头接触不太良好,只会造成输出电压不稳现象。

正常情况下,交流模块512～517端的对地电压都应该是115V AC,如果变压器T10原边的三个保险F33、F34、F35中任何一个熔断,都将造成512～517端其中部分端子的对地电压下降,控制回路都是闭环的负反馈,因此就会造成输出电压升高。

如果励磁电流反馈出现问题,就会表现出输出电压失调现象,应该对励磁反馈回路接线进行检查,如果接线良好,更换励磁电源板即可排除。

1.2 柴油机故障[1]
柴油机如果启动不了,在排除柴油机组自身油路、润滑油路、气路及保护装置后,还要仔细检查发电机的励磁回路,如果励磁回路坏,则输出电压不正常,也会导致交流模块工作不正常。

最易发生故障的是转速脉冲传感器、执行器及HOC电路。

如果转速脉冲传感器出现故障,柴油机无法启动,而且在柴油机组马达启动时,柴油机组只是运作几秒钟后(速度在180r/min左右)就立即停止了。

这时,要检查脉冲传感器的电阻是否正常,可以直接测量交流模块526和527端子之间的电阻,其阻值可以和其他机组的进行比较排除,如果不正常,应检查柴油机组本体上的脉冲传感器接插件是否接触良好、电缆是否有破损的痕迹,或者SCR房到机房连接窗口的接插件是否接触良好。

油门执行器故障检查方法基本和脉冲传感器的相同,有一点值得注意的是,油门执行器的信号特容易受强磁干扰,尤其是底特律柴油机组为电压型执行器比卡特柴油机组的电流型执行器更易受干扰,因此在布局执行器信号线时,一定要远离强电流电缆,而且要采用屏蔽电缆,执行器的电阻一般为30Ω～36Ω。

24VDC的HOC电路如果出现故障,现象和脉冲传感器出现故障相同,出现故障时,应检查交流模块的510和512端的电压是否分别为＋12V和－12V,如果一个端子的电压低于10V,将无法驱动交流模块中的脉冲采集电路工作,因此柴油机组也无法启动,这种故障一般是由于设备长时间没有使用造成,更换两个12V的蓄电池即可解决。

1.3 交流模块故障[1]
交流模块出现故障,会导致多种故障现象,比如说电压过高、过低、超频、欠频等故障,出现任何一种故障,都会导致保护动作。

如果出现故障,应首先检查保险丝是否熔断、接线是否存在松动及相应的供电回路中的变压器、整流桥是否损坏等,其次检查油门执行器及速度传感器回路是否有故障,如果没有,还应检查501～503,507～508和546这六端的直流电源是否正常,若不正常,查找原因并更换。

其中501与地连接,如果出现松动,就会造KV AR表和KW表在零点附近摆动,502应为(+16±0.15)VDC,503应为(－16±0.15)VDC,否则柴油机的同步控制、主从控制将失效。

546端应为(+11±0.15)VDC,为速度调节和电压调节提供电源。

在交流模块的面板上还有一个试验开关和试验仪表,试验开关能快速检查系统工作的信号,另外模块上还有27个测试点,在模块工作时可用示波器检测各点的波形,方便查出故障点。

如果交流模块出现故障需要更换,这是要将R58和C45电容测量好,避免更换模块后柴油机组游车,因为每台机组的特性都不相同。

1.4 交流控制柜断路器合不上闸[1]
这种故障的主要原因是合闸回路与失压脱扣线圈回路保护的保险被烧,而且可能导致合闸变压器烧毁。

若发现保险被烧,在再次合闸前,一定要检查合闸变压器是否损坏,避免再次烧保险。

有时出现异常跳闸后,即使是排除故障后,断路器也合不上闸,则主要是因为合闸变压器的容量太小,在断路器跳闸后短时间内再合闸却合不上,这时只要将所在回路的保险拔掉再合上,给合闸变压器一个冲击,即可将断路器
合上。

2 传动系统
2.1 三相可控硅整流电桥故障[1～2]
电桥内最易出故障的是晶闸管,尽管在原理设计上采用了压敏电阻吸收过电压,采用RC回路吸收高频过电压,在晶闸管回路串联了快速熔断器进行过电流保护,在断路器控制回路内添加了柜内温度开关进行保护等等一系列措施,由于晶闸管自身耐过流、耐过压能力差的弱点,如果一个电桥长时间连续地工作在大电流、高电压的情况下,晶闸管就会慢慢地表现出性能下降、漏交流或触发角滞后等故障现象,若出现故障的晶闸管继续驱动一台直流电机,则会表现出直流电机抖动加剧、温升变高,检查该故障可用示波器检查电桥工作时直流输出波形是否正常,不工作时直流母排上是否有交流从SCR整流桥漏出。

一个晶闸管被击穿,往往会导致串联在此晶闸管上的快速熔断器烧毁而使保护动作。

2.2 控制回路故障[1]
直流控制回路分使能控制电路和给定控制电路,一台直流电机正常工作前需要14V使能电压通过一系列逻辑加到对应的直流模块的CONT使能端,并且对应的直流接触器正常闭合后,速度给定信号再从
司控台传送到直流模块的REF给定端,才能解开控制直流模块,从而产生触发脉冲导通对应的晶闸管而使电桥产生输出,驱动对应的直流电机。

使能控制电路最易产生故障的是风压检测回路,往往是直流电机接线箱密封不严、风压开关脏堵失效、风压检测回路保险烧毁导致－14V使能信号逻辑无法畅通。

给定控制部分最易产生故障的是给定电位器由于经常旋转导致磨损或脏,造成给定信号不稳,较大的给定信号如果一旦出现时有时无现象,直流模块的零位联锁功能就会起作用,可以用万用表检测旋转给定手轮时查看中间触头输出的电压变化是否连续,如果不是,进行清洗或更换。

还有司钻操作过快往往也会造成控制回路失效现象,因为从司钻打开风机开关到风压开关动作需要一定时间,如果使能信号还没到达直流模块上,就旋转给定手轮,直流模块的零位联锁功能也会起作用。

另外,在使能回路到达模块而出现直流接触器不闭合现象,应检查＋60V传递路线是否接触良好,接触器线圈是否损坏。

3 直流电机故障
直流电机最易出现故障的是直流换向部分,由于碳刷与换向器的动接触,使用时间较长后,导致碳刷不能压紧,或者长时间不清脏导致碳刷在刷握架内不能活动自如,都将导致碳刷和换向器的接触不良而产生火化,致使电机运作时周期性抖动,因此需要定期对直流电机的碳刷和换向机构进行检查清洗。

4 链轮防滑故障[1]
每台泥浆泵需要两台直流电机并联由一台SCR柜驱动,如果一台电机的皮带打滑或皮带轮故障,可能使其中的一台电动机失去负载而超速,所以增加了链轮防滑电路防止这种情况发生。

出现链轮防滑故障时,在复位重启后,应首先用电流表检测两电机的电流是否平衡,若不平衡,对皮带张紧度进行重新调整;若平衡,应检测两霍尔元件的输出信号是否相同,如果在电机电流基本相同情况下,霍尔元件的输出信号差别较大,则说明霍尔元件出现故障,在更换霍尔元件时,应注意两霍尔元件的型号一致。

若电机电流平衡、霍尔元件正常,还出现链轮防滑保护,则说明链轮防滑电路板损坏。

5 PLC故障[1]
5.1 通讯故障
电控房和司控台通讯往往采用光纤通讯或者Profibus总线通讯,光纤通讯抗干扰能力强,通讯速度快,而且非常稳定,但光纤相对比较脆,容易折断。

光纤通讯故障一般是光纤接插件接触不好、光纤接头脏或光纤折断引起,故障现象首先表现为PLC LINK OK指示灯不亮或光耦模块指示灯不正确,检查光纤好坏,在现场可以用发红点的手电
照射光纤芯线的一头,再从光纤的另一头观察是否能看到红光,看不到的就说明已断,另外光纤接头在搬家拆卸后需要认真包扎好,避免出现通讯故障,安装前可以用电气清洗液进行清洗。

Profibus总线通讯采用的是屏蔽双绞线通讯,其抗干扰能力相对较差,在铺设时一定要注意远离强电流动力电缆,两端的屏蔽线一定要注意接地良好,否则系统会经常出现SF故障。

5.2 BF(总线故障)灯闪烁[1]
SCR房内CPU模块的BF灯闪烁时,首先应该检查所有的通讯线及通讯接插件,排除故障后,再重新启动一次PLC系统,若仍然出现BF 灯闪烁,可用笔记本连接PLC系统进行监控,查看哪个模块无法联接,再重点检查无法连接的模块和该接插件。

6 结语
目前电动钻机电控系统无相关严格的规范和相应的技术资料,有些知识在书本上也没有系统介绍,专业性又很强,对电气师知识面要求又很广泛,因此电气师不仅要全面提高自己理论水平,而且在维修的同时,应该多注意故障排除分析总结,做到资源共享,总结资料可作为其他维修人员的维修指南,方便快捷地解决故障。

参考文献
[1] 张奇志.电动钻机自动化技术[M].北京：石油工业出版社,2006.
[2] 张东立.直流拖动控制系统[M].北京：机械工业出版社,2006.。