VARCO 11SA頂驅(qū)主電機燒毀故障分析及處理

賈博鋒

（中國石油集團長城鉆探頂驅(qū)技術(shù)分公司，北京 100101）

0 引言

近年來，隨著VARCO頂驅(qū)的使用年限的不斷增長，主電機故障的發(fā)生率在頂驅(qū)故障中占據(jù)了較大比例。主電機轉(zhuǎn)子軸下沉、主電機異響、電機軸承室密封失效等故障都是比較常見的故障。為了減少作業(yè)等停時間，將一批替換下來的頂驅(qū)主電機回運到國內(nèi)電機廠維修，當(dāng)頂驅(qū)主電機故障時直接進(jìn)行替換，但是卻出現(xiàn)了主電機燒毀故障。為了防止類似故障的發(fā)生，詳細(xì)分析了VARCO 11SA頂驅(qū)主電路控制原理，提出了針對性解決措施。

1 現(xiàn)場故障概況

長城鉆探頂驅(qū)技術(shù)分公司有超過40臺VARCO頂驅(qū)在國外鉆井現(xiàn)場作業(yè)，其中作業(yè)于古巴和委內(nèi)瑞拉的部分VARCO 11SA頂驅(qū)使用年限超過了12 a，已經(jīng)進(jìn)入主電機故障高發(fā)期。2016年7月，作業(yè)于委內(nèi)瑞拉的GW182隊頂驅(qū)發(fā)生了主電機轉(zhuǎn)子下沉故障。為了節(jié)約維修時間，保障生產(chǎn)，決定使用國內(nèi)大修電機（圖1a）直接替換故障電機（圖1b）。但是該電機僅僅使用3 d之后便出現(xiàn)故障。經(jīng)過測量，發(fā)現(xiàn)該電機繞組對地絕緣為零，即發(fā)生了絕緣擊穿故障。

2 主電機控制原理

2.1 VARCO 11SA頂驅(qū)的機械結(jié)構(gòu)

如圖1所示，VARCO 11SA頂驅(qū)2臺400HP交流異步電機并排安裝在齒輪箱上，通過傳動比為10.5∶1的二級減速齒輪將動力傳遞到頂驅(qū)主軸，主軸驅(qū)動鉆井管柱完成鉆井作業(yè)?？梢钥闯?，2臺電機旋向相同，且通過齒輪傳動機構(gòu)耦合。

圖1 頂驅(qū)主電機

2.2 主電路控制原理

VARCO 11SA頂驅(qū)控制系統(tǒng)分為西門子6SE70變頻器控制系統(tǒng)和ABB ACS800變頻器控制系統(tǒng)。兩者主變頻器雖然發(fā)生了變化，但是主電機控制回路卻沒有發(fā)生改變。圖2為ABB系統(tǒng)VARCO 11SA頂驅(qū)主電機控制單線圖。三相AC 600 V電源經(jīng)過主空開CBM和ACL進(jìn)線電抗器進(jìn)行濾波，進(jìn)入不可控整流橋RECT輸出DC 810 V直流電，送入逆變單元INV1和INV2進(jìn)行調(diào)壓和變頻，通過3根主動力電纜沿著井架固定段電纜，游動段傳輸?shù)巾旘?qū)本體。在頂驅(qū)本體處3根進(jìn)線電源線拆分為6根，分別為2臺頂驅(qū)主電機供電。可以看出：VARCO 11SA頂驅(qū)主電機控制回路采用了一拖二的思路，即1臺變頻器拖動2臺主電機，并且2臺主電機共用三相電源輸出線纜。

圖2 VARCO 11SA頂驅(qū)機械結(jié)構(gòu)及主電路原理

2.3 主變頻器電機模型

對雙電機調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行矢量或者DTC（DirectTorqueControl，直接轉(zhuǎn)矩控制）控制，一般有2種控制方式，一種是主從控制（如S120系統(tǒng)北石頂驅(qū)，在硬件上有2套共直流母線逆變單元，其中一套逆變單元為MASTER，另外一套逆變單元為SLAVE，分別驅(qū)動2臺主電機。主逆變單元為速度控制，從逆變單元為扭矩控制，它們通過DRIVE_CLIQ總線進(jìn)行通信）。另一種是將雙電機等效為單電機模型進(jìn)行控制。這種方法的特點是對于2臺電機參數(shù)的同一性要求比較高，電機各項參數(shù)要盡量接近。將雙電機等效為單電機模型的方法主要有3種。

（1）單電機受控法。對其中一臺電機進(jìn)行矢量控制，其他電機受被動控制。

（2）簡單平均模型法。將2臺電機的定子電流和轉(zhuǎn)速進(jìn)行簡單平均作為反饋量進(jìn)行控制。

（3）電壓矢量平均法。對電機內(nèi)部狀態(tài)的平均，這種方法在控制時對每一臺電機應(yīng)用矢量控制，然后將用于控制逆變器的電壓指令進(jìn)行平均進(jìn)而控制逆變器牽引電機。

從VARCO 11SA頂驅(qū)變頻器參數(shù)P102-P113的設(shè)置，以及單一主電機的實際銘牌參數(shù)來看（圖3），VARCO 11SA頂驅(qū)采用了將雙電機等效為單電機模型的控制方式。從電路原理上來看由安裝在右電機轉(zhuǎn)子上的編碼器來反饋實際轉(zhuǎn)速，由安裝在變頻器出線端的霍爾電流互感器來反饋電機定子電流，這2個檢測值實際上就是2臺電機的轉(zhuǎn)速和電流的平均值，所以VARCO 11SA頂驅(qū)采用簡單平均法將雙電機等效為單電機模型。

3 故障原因分析

3.1 大修電機和原廠電機參數(shù)差別大

VARCO 11SA頂驅(qū)采用雙電機等效為單電機模型的控制方式，再加上2臺電機在機械上的耦合關(guān)系和電氣上的并聯(lián)關(guān)系，對于2臺電機參數(shù)的同一性提出了更加苛刻的要求。電機的內(nèi)部參數(shù)如繞組導(dǎo)線的電阻，轉(zhuǎn)子繞組每相的匝數(shù)，轉(zhuǎn)子繞組的基波繞組因數(shù)等都影響著電機輸出轉(zhuǎn)矩值。如果2臺電機實際參數(shù)差別過大，在運行過程中不再是輸出扭矩共同驅(qū)動負(fù)載，而是單個電機一方面驅(qū)動負(fù)載，另一方面抵消另一臺電機的扭矩輸出，這樣就有一臺電機過載運行，長時間運轉(zhuǎn)之后，絕緣強度低的電機就會擊穿燒毀。

圖3 電機參數(shù)及變頻器設(shè)置

3.2 電機維修質(zhì)量不合格

國內(nèi)的電機維修廠家在維修該電機時按照普通電機的維修標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維修，沒有考慮到電機的實際使用要求。根據(jù)實際的拆解檢查結(jié)果來看：①該電機使用紅色的聚氨酯絕緣漆，采用了簡單的常壓浸漆處理。②電機的漆包線及繞線方式的選擇發(fā)生了變化。③電機內(nèi)填式溫度傳感器更換為熱敏電阻。VARCO 11SA原廠RELIANCE電機絕緣采用了CLASS F絕緣材料以及100%環(huán)氧樹脂真空壓力浸漬，所以大修后的電機的絕緣強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原廠電機。原廠電機內(nèi)填式溫度傳感器為溫度開關(guān)，現(xiàn)改為熱敏電阻之后無法與頂驅(qū)控制系統(tǒng)兼容，導(dǎo)致電機運行溫度無法采集傳輸?shù)絇LC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器），也就使得頂驅(qū)控制系統(tǒng)無法根據(jù)電機實際溫度做出反應(yīng)，最終導(dǎo)致電機燒毀。

3.3 沒有進(jìn)行電機參數(shù)辨識

電機是一個高度非線性的模型，要完成電機的調(diào)速控制，變頻器需要根據(jù)電機的已知參數(shù)，利用測試法或者分析法來采集大量數(shù)據(jù)進(jìn)行推斷及修正，最終估算出電機的物理參數(shù)，建立起電機的數(shù)學(xué)模型，使控制過程更加高效、精確、合理。對于故障損壞檢修后的電機，參數(shù)可能發(fā)生了較大變化，如果貿(mào)然投入使用，將對整個控制系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響。本次更換大修電機后由于作業(yè)連續(xù)性要求，沒有進(jìn)行電機參數(shù)辨識，所以導(dǎo)致變頻器依舊按照原來的電機模型運轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致了本次故障的發(fā)生。

4 結(jié)論

VARCO 11SA頂驅(qū)主電機控制原理相較于其他頂驅(qū)有較大的差別，采用將雙電機等效為單電機模型的控制方式，該控制方式對于2臺電機參數(shù)的同一性要求較高，所以在電機維修時盡量選擇具有原廠維修授權(quán)資質(zhì)的企業(yè)，這樣對于同型號電機維修基本能達(dá)到廠家的標(biāo)準(zhǔn)，不會造成電機參數(shù)的太大差別。另外電機檢修后，電機參數(shù)都會發(fā)生或多或少的變化，所以更換頂驅(qū)主電機后必須進(jìn)行電機參數(shù)識別，保證頂驅(qū)控制系統(tǒng)與頂驅(qū)電機的匹配，使頂驅(qū)運轉(zhuǎn)高效、可靠。