直流钻机配套变频顶驱的电磁与谐波故障排除.docVIP

直流钻机配套变频顶驱的谐波干扰研究 1 电动钻机谐波干扰源的出现 1.1钻机简介 江苏海外钻井项目Sinopec218队，于2007年由宝鸡石油机械厂配套生产50D电动钻机，SCR房由宝美配套制造，并配有北石DQ70BSC顶驱。本套钻机直流驱动部分采用晶闸管通过外部触发控制，通过晶闸管将50HZ600VAC整流为0~750VDC，即可调的直流电源驱动直流电机带动负载。变频器的主电路是交流-直流-交流模式，也就是采用晶闸管将50HZ600V交流电整流为810V左右直流，然后再通过IGBT将直流电逆变为频率可调的交流电源输出。该钻机配有三台卡特3512发电机和一台卡特C15辅助发电机，卡特3512单机容量1310KVA，功率1200KW,输出600V、50HZ电源，卡特C15辅助发电机容量410KVA,功率300KW,输出400V、50HZ电源。 1.2故障发生的背景 在配套顶驱进行第一口井的生产任务，当井深1800米左右，因钻井工况需要，将双泵开启，随着泵压和流量的加大，顶驱在运行一定时间后开始频繁报故障，逆变器PMU显示F008，起初能够自动复位或者手动复位后正常运转，运转一定时间后跳闸停机。检查发现顶驱PLC柜内隔离变压器发出嗡嗡的声响，并且当重启顶驱PLC和工控计算机后，UPS电源也发出吱吱的声音。 1.3故障判断经过 发生顶驱总电源跳闸停机后，重启后钻台按工况要求继续钻进，用万用表检测UPS电源上级隔离变压器的输出端，检测发现当两台泵的总泵冲提到100冲，泵压16MPa时，电压波动并不大，但是频率波动很大，偶然能发现300HZ（高次频率）以上的数字，遂取示波器对电源进行监视，发现杂乱的不光滑的曲线，在曲线上出现很多毛刺，且能明显听到UPS电源内部频繁发出开关切换的声音。而由UPS电源控制面板上直接供电的指示灯也随着UPS内部开关的切换出现明显的闪烁。继续观察，发现在UPS频繁切换供电模式的时候，PLC和工控电脑也自动重启。 2 对谐波干扰及机理分析 2.1故障检测过程 在排查故障的过程中，协调司钻操作，通过万用表和示波器的检测，找到一个干扰临界点，在顶驱按照工况要求工作在120~150rpm，两台泵的泵冲相差10次/分钟的时候，UPS能够长期工作在外接电源模式，也就是PLC和工控机都能够正常工作，不会自动重启，能够保证司钻台的安全操作性能。针对这种故障情况，对两台泵在不同运转情况下使用示波器进行监视并拍照记录如下。 图 2-1 一台泵冲为40冲/分钟时380V电压波形 图 2-2 两台泵运转且每台泵冲为40冲/分钟时380V电压波形 图 2-3 两台泵冲均为50冲/分钟时380V电压波形 图 2-4 一台泵冲为55冲/分钟，一台泵冲为45冲/分钟时380V电压波形 2.2故障机理分析 图2-1是钻头到井底，不开顶驱，只开一台泵，且泵冲为40冲/分钟时，隔离变压器上的380V电压波形。可见一个周期内电压的跌落明显增加，整个波型也开始出现一定的变形。这说明在SCR房内开启并运转泥浆泵控制柜后，谐波的含量开始明显增加，波形的塌陷和变形严重。图2-2是顶驱运转在150rpm，两台泵运转且每台泵冲为40冲/分钟时隔离变压器上的380V电压波形，可见整个380Ｖ电压也有几个明显的电压跌落，并且整个波型被打成数个波段，而每个波段上是无数个锯齿状的方波，整个正弦波遭到了严重的破坏。这说明顶驱运转的情况下，两台泵同时开起来后，它对电压波形的破坏性是大于SCR房内两台泵直流电机控制系统对波形的破坏性。图2-3是顶驱运转在150rpm时，增大两台泵的泵冲到100冲/分钟时的380V电压波形，可见由于谐波之间的叠加产生了1+12的结果，电压波型已经变得面目全非，其大幅度的电压跌落不仅多，而且还很深，导致UPS频繁切换供电模式，在长时间工作在UPS供电模式下，UPS电源低电压的情况就会导致控制系统瘫痪。图2-4是顶驱运转在150rpm时,一台泥浆泵运转泵冲为55冲/分钟，另一台泵冲为45冲/分钟时隔离变压器的220V输出端的电压波形，基本能够保证UPS电源的正常工作。为了保证井下安全，不得不调整两台泵的泵冲，将目的段完成至2200米左右。但对现场工况来说，特别是在井下仪器需要泵压稳定的情况下，两台泵相差10泵冲不能满足现场需求，只能寻找设备内部原因，并加以解决。 3 谐波产生的原因分类 通过以上四个电压波形图的分析，判断整个电路中出现了大量的谐波干扰。所谓谐波，也就是说电源受到了污染，其波形不再是以前那种纯净的比较光滑且连续的正弦波，而变成了由数条犬牙交错状或是锯齿状的各种杂波组成的近似正弦波。如果谐波含量非常严重的话，还会使正弦波变成非正弦波，在本文第二部分图三中显示的波形就是非常严重的谐波干扰现象。我们分析电网谐波