鉆機(jī)主電動機(jī)輔助裝置的試驗(yàn)及試驗(yàn)裝置的開發(fā)應(yīng)用

任志民，陳萬慶，劉 楊，劉丹丹

（1.運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，汽車工程系，山西運(yùn)城044500；2.蘭州電機(jī)股份有限公司技術(shù)中心，甘肅蘭州730000；3.運(yùn)城學(xué)院，網(wǎng)絡(luò)信息中心，山西運(yùn)城044500）

1 引言

在我國的石油裝備工業(yè)領(lǐng)域，油田鉆機(jī)的電傳動系統(tǒng)已從上世紀(jì)八十年代直流傳動發(fā)展到了現(xiàn)在成熟并廣泛應(yīng)用的交流傳動系統(tǒng)。目前，無論是應(yīng)用直流傳動系統(tǒng)還是交流傳動系統(tǒng)的油田鉆機(jī)，包括用于氣田勘探的鉆機(jī)，其使用的主電動機(jī)及其裝置已形成了系列化。鉆機(jī)用的直流電動機(jī)的功率多為440kW、600kW、800kW或850kW，額定電壓一般為440V、660V或750V。交流變頻調(diào)速電動機(jī)已形成了 200kW、300kW、400kW、500kW、600kW、710kW、800kW、900kW、1000kW、1120kW、250kW、1600kW等功率規(guī)格，額定電壓則有380V、440V、500V、600V或690V等規(guī)格[1]。交流永磁電動機(jī)的功率多在50kW以下，額定頻率50Hz，額定電壓一般為380V。通常情況下，與主電動機(jī)配套的風(fēng)機(jī)額定功率為15kW或以下，額定電壓為380／660V、風(fēng)量不小于110m3／min，且多為防爆電動機(jī)。例如，某鉆機(jī)的變頻調(diào)速型主電動機(jī)，額定功率600kW，額定電壓600V，額定電流682A，額定轉(zhuǎn)速1000r／min，額定頻率50.5Hz，額定功率因數(shù) 0.86，額定效率 95%，絕緣等級200級，防護(hù)等級IP44，防爆等級為ExdII T3；風(fēng)機(jī)配置的電動機(jī)為2極，額定功率15kW，額定電壓380V，額定頻率50Hz，額定風(fēng)量 130m3／min。該變頻調(diào)速型主電動機(jī)與輔助裝置的裝配關(guān)系如圖1所示，輔助裝置的主要組成部分圖2所示。

圖1 鉆機(jī)的變頻調(diào)速型主電動機(jī)與輔助裝置

圖2 輔助裝置的主要組成部分

2 鉆機(jī)主電動機(jī)輔助裝置的可靠性與技術(shù)要求

2.1 鉆機(jī)主電動機(jī)輔助裝置的安全可靠性

油氣田鉆機(jī)用的主電動機(jī)，無論是直流電動機(jī)還是變頻調(diào)速異步電動機(jī)，一般都用自帶風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻。對于鉆機(jī)主電動機(jī)，在 GB／T23507.1-2017《石油鉆機(jī)用電氣設(shè)備規(guī)范第1部分：主電動機(jī)》中，在條款5.4部件及其安全要求中規(guī)定，主電動機(jī)要有接地導(dǎo)線裝置；安裝風(fēng)壓繼電器；安裝檢修開關(guān)；設(shè)置聯(lián)鎖裝置，保證電源接通時主電動機(jī)的殼蓋不能打開，殼蓋打開后電源不能接通；設(shè)置與通風(fēng)系統(tǒng)相聯(lián)鎖的裝置，使其在規(guī)定的通風(fēng)時間后才能接通電源，主電動機(jī)運(yùn)行前先通風(fēng)；主電動機(jī)內(nèi)部要安裝電加熱器，用于除霜、除濕或除潮[1]。通常，主電動機(jī)的出線盒里，安裝有風(fēng)壓開關(guān)，用于在風(fēng)機(jī)發(fā)生故障或風(fēng)壓不足時對鉆機(jī)主電動機(jī)進(jìn)行保護(hù)；同時還安裝有輔助開關(guān)，在主電動機(jī)因檢修或其它情況下需要時打開出線盒時進(jìn)行停機(jī)操作，作為安全保護(hù)的措施。風(fēng)機(jī)、風(fēng)壓開關(guān)、輔助開關(guān)與電加熱器等組成了與油氣田鉆機(jī)主電動機(jī)配套的輔助裝置。

2.2 對鉆機(jī)主電動機(jī)輔助裝置的試驗(yàn)要求

為了提高鉆機(jī)主電動機(jī)輔助裝置的安全可靠性，必須對其進(jìn)行試驗(yàn)檢測。鉆機(jī)主電動機(jī)的生產(chǎn)廠家在研發(fā)主電動機(jī)與輔助裝置的同時，還研發(fā)了輔助裝置的試驗(yàn)裝置，即輔助試驗(yàn)裝置。

對于研發(fā)的新型鉆機(jī)，其主電動機(jī)與輔助裝置必須要通過型式試驗(yàn)的鑒定。主電動機(jī)與輔助裝置的各個試驗(yàn)項(xiàng)目及每個項(xiàng)目的項(xiàng)點(diǎn)考核內(nèi)容全部合格后，主電動機(jī)才可以出廠裝配到鉆機(jī)上。一般情況下，鉆機(jī)電動機(jī)批量生產(chǎn)時，出廠試驗(yàn)也需要對主電動機(jī)的輔助裝置進(jìn)行檢測。對于鉆機(jī)主電動機(jī)輔助裝置的試驗(yàn)，在 GB／T23507.1-2017《石油鉆機(jī)用電氣設(shè)備規(guī)范第1部分：主電動機(jī)》的條款6.3試驗(yàn)項(xiàng)目及方法中，規(guī)定為第26個試驗(yàn)項(xiàng)目，且在型式試驗(yàn)和例行出廠試驗(yàn)中都要進(jìn)行檢測。

3 鉆機(jī)主電動機(jī)輔助裝置的試驗(yàn)檢測內(nèi)容與試驗(yàn)流程

鉆機(jī)主電動機(jī)的輔助裝置，包括風(fēng)機(jī)、風(fēng)壓開關(guān)、輔助開關(guān)與電加熱器等，需要試驗(yàn)檢測的主要內(nèi)容及試驗(yàn)工序依次是：

（1）三相交流電源是否缺相；

（2）電源電壓是否正常；

（3）在接通電源后、風(fēng)機(jī)起動前，風(fēng)壓開關(guān)與輔助開關(guān)的觸點(diǎn)開閉是否正常；

（4）在電聯(lián)接器正常連接情況下輔助裝置的電加熱器工作是否正常；

（5）在風(fēng)壓開關(guān)整定值設(shè)為100Pa、出線盒密封完好、電源正常且接通的情況下，風(fēng)機(jī)能否對鉆機(jī)主電動機(jī)進(jìn)行正常送風(fēng)；風(fēng)壓開關(guān)觸點(diǎn)開閉是否正常；

（6）在打開主電動機(jī)的出線盒時輔助開關(guān)觸點(diǎn)的開閉是否正常；緊急停機(jī)按鈕能否正常動作使鉆機(jī)主電動機(jī)停機(jī)；

（7）風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行過程中，其電動機(jī)是否產(chǎn)生過流現(xiàn)象。

一般情況下，主電動機(jī)輔助裝置的試驗(yàn)檢測流程如圖3所示。除主電動機(jī)生產(chǎn)工廠外，此試驗(yàn)檢測流程流也適用于在油氣田工作現(xiàn)場對鉆機(jī)電氣設(shè)備的檢測［2］。

圖3 鉆機(jī)主電動機(jī)輔助裝置的試驗(yàn)檢測流程

4 鉆機(jī)主電動機(jī)輔助試驗(yàn)裝置的開發(fā)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

4.1 鉆機(jī)主電動機(jī)輔助試驗(yàn)裝置的電氣設(shè)計(jì)

根據(jù)輔助裝置的試驗(yàn)檢測項(xiàng)目、試驗(yàn)方法及檢測流程的實(shí)際需要，開發(fā)了一種鉆機(jī)用主電動機(jī)的輔助試驗(yàn)裝置。采用的技術(shù)方案是：選用三相四線制工頻380V交流電源，每相串聯(lián)電流大小合適的熔斷器對輔助裝置（包括風(fēng)機(jī)、風(fēng)壓開關(guān)、輔助開關(guān)與電加熱器）進(jìn)行過流保護(hù)，用指示燈檢測電源是否缺相，用電壓表顯示電源電壓是否正常，在回路中串接三相開關(guān)控制風(fēng)機(jī)的啟停，串接單相開關(guān)控制輔助裝置電加熱器的通斷；在電源到負(fù)載的各相回路中用串聯(lián)指示燈的方法來檢測輔助裝置的風(fēng)壓開關(guān)和輔助開關(guān)觸點(diǎn)的開閉［3］。

鉆機(jī)主電動機(jī)輔助試驗(yàn)裝置的電氣原理圖如圖 4 所示。其中：1、2、26、27 為風(fēng)壓開關(guān)觸點(diǎn)，3、5、23 為風(fēng)機(jī)觸點(diǎn)，6、17、11、12 為輔助開關(guān)觸點(diǎn)，4、24為電加熱器接線端子；71為U相-V相電源線電壓表，72為U相-W相電源線電壓表，73為V相-W相電源線電壓表；81為U相電源指示燈，82為V相電源指示燈，83為W相電源指示燈；84為檢測指示燈一，85為檢測指示燈二，86為檢測指示燈三，87為檢測指示燈四；9為電源插頭，10為插座，11為箱體，55為三相開關(guān)，56為單相開關(guān)。

圖4 鉆機(jī)主電動機(jī)輔助試驗(yàn)裝置的電氣原理圖

4.2 鉆機(jī)主電動機(jī)輔助試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆機(jī)主電動機(jī)輔助試驗(yàn)裝置采用了便攜式的箱體結(jié)構(gòu)，輸入端是與三相四線制電源插座可連接的四線電源插頭，輸出端是與鉆機(jī)主電動機(jī)輔助裝置自帶的電聯(lián)接器插頭可以配套連接的插座。將三相四線制電源引入箱體后，在相線上連接電源指示燈、電壓表、檢測指示燈、熔斷器、三相開關(guān)和單相開關(guān)；插座、電源插頭、三相開關(guān)、單相開關(guān)、熔斷器、電壓表和指示燈均設(shè)置在箱體內(nèi)。

鉆機(jī)主電動機(jī)輔助試驗(yàn)裝置的箱體結(jié)構(gòu)如圖5所示，四線電源插頭9與三相四線制電源的插座連接，插座10與鉆機(jī)主電動機(jī)輔助裝置自帶的電聯(lián)接器插頭連接。在電源插頭9與插座10之間的三相四線上連接有電源指示燈、電壓表、檢測指示燈、熔斷器、三相開關(guān)、單相開關(guān)。

圖5 鉆機(jī)主電動機(jī)輔助試驗(yàn)裝置的箱體結(jié)構(gòu)示意圖

鉆機(jī)主電動機(jī)輔助裝置試驗(yàn)檢測時，四線電源插頭9與三相四線制工頻380V交流電源的插座連接，輔助裝置自帶的電聯(lián)接器插頭插入試驗(yàn)裝置插座10即可完成電氣連接。在接通電源、閉合三相開關(guān)55后，用串聯(lián)指示燈（即檢測指示燈三86、檢測指示燈四87）檢測輔助開關(guān)常開觸點(diǎn)6與17、常閉觸點(diǎn)11與12的通斷狀態(tài)。在接通電源、風(fēng)壓開關(guān)整定值設(shè)為100Pa、出線盒密封完好的情況下，閉合三相開關(guān)55，即觸點(diǎn)3、5、23接通后，進(jìn)行風(fēng)機(jī)正常送風(fēng)檢查，用串聯(lián)指示燈（即檢測指示燈一84、檢測指示燈二85）檢測風(fēng)壓開關(guān)在三相開關(guān)閉合與斷開兩種情況下其常開觸點(diǎn)1與2、常閉觸點(diǎn)26與27的通斷狀態(tài)。在接通電源、閉合與斷開單相開關(guān)56兩種情況下檢測接在端子4與24之間的電加熱器的工作狀態(tài)。三相四線制電源各相串聯(lián)的熔斷器對輔助裝置（包括風(fēng)機(jī)、風(fēng)壓開關(guān)、輔助開關(guān)與電加熱器）進(jìn)行過流安全保護(hù)[4]。

4.3 鉆機(jī)主電動機(jī)輔助試驗(yàn)裝置的應(yīng)用

鉆機(jī)主電動機(jī)輔助試驗(yàn)裝置采用了箱體結(jié)構(gòu)后，簡化了試驗(yàn)檢測時比較繁瑣的電氣聯(lián)結(jié)，既可用于主電動機(jī)工廠的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)，也便于維修人員攜帶到油氣田鉆機(jī)工作現(xiàn)場對設(shè)備進(jìn)行檢測維修[5]。通過應(yīng)用表明，主電動機(jī)輔助裝置的試驗(yàn)操作比一般獨(dú)立試驗(yàn)項(xiàng)目的操作更加簡便，功能更加完備；不僅試驗(yàn)項(xiàng)目與試驗(yàn)檢測程序更加程序化和規(guī)范化[6]，同時還提高了試驗(yàn)檢測的效率，值得推廣應(yīng)用到油氣田鉆機(jī)工作現(xiàn)場對設(shè)備的檢測維修中[5]。

開發(fā)制作完成后鉆機(jī)主電動機(jī)輔助試驗(yàn)裝置，重量為4.8Kg，比較輕便。目前，該試驗(yàn)裝置已通用于鉆機(jī)的400Kw及以上功率的直流電動機(jī)、200Kw及以上功率的交流電動機(jī)的輔助裝置的試驗(yàn)中，不僅制造工廠使用，油氣田鉆機(jī)工作現(xiàn)場對設(shè)備進(jìn)行檢測維修時也在使用。

5 結(jié)束語

盡管此鉆機(jī)主電動機(jī)輔助試驗(yàn)裝置目前已能完全滿足油氣田鉆機(jī)電動機(jī)輔助系統(tǒng)的檢測要求，但仍有改進(jìn)和優(yōu)化之處。在箱體體積、重量和制造成本允許的情況下，可以進(jìn)一步改進(jìn)，例如，用斷路器替代熔斷器；在電加熱器回路里也串聯(lián)指示燈等。在主電動機(jī)的工廠的試驗(yàn)臺站的設(shè)計(jì)建造中，還可將此裝置恰當(dāng)?shù)嘏c主試驗(yàn)臺站進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)使之成為一套更完整的綜合試驗(yàn)裝置。需要注意的是，在使用鉆機(jī)主電動機(jī)輔助試驗(yàn)裝置的過程中，對檢測指示燈、熔斷器、開關(guān)、電聯(lián)接器等必須進(jìn)行定期檢測，即對裝置本身進(jìn)行檢測。在保證這些電氣組件沒有故障的前提下，才能檢測風(fēng)壓開關(guān)和輔助開關(guān)的觸點(diǎn)開閉是否正常，這樣才能對輔助裝置及鉆機(jī)主電動機(jī)進(jìn)行安全可靠的保護(hù)。