陳 巖，楊硯杭，朱奇先

（1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第五鉆井工程分公司，河北河間062450；2.中石油渤海鉆探第四鉆井公司，河北任丘062552；3.大型電氣傳動(dòng)系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅天水741020）

1 引言

電動(dòng)鉆機(jī)，無論是直流的SCR，還是變頻的VFD，操作控制的絕大部分功能都在司鉆房?jī)?nèi)，因此用到的控制電壓的類別很多[1]，本文主要研究當(dāng)SCR/VFD為全數(shù)字控制系統(tǒng)時(shí)，司鉆房控制電壓的配置。

2 負(fù)載配置

與SCR/VFD控制系統(tǒng)相關(guān)的司鉆房控制電壓的負(fù)載配置，主要有絞車、轉(zhuǎn)盤/頂驅(qū)、泥漿泵的操作控制部件及其狀態(tài)、數(shù)據(jù)顯示的指示燈、儀表、觸摸屏設(shè)備，盤剎、慣剎的控制電磁閥，以及與以上設(shè)備配套的PLC系統(tǒng)和控制繼電器等。

3 供電方案

上述設(shè)備的工作電源，一般都配置為DC24V。由AC400V通過三相400V/19V變壓器變壓，再將AC19V通過二極管全橋整流、濾波成DC26V左右的直流電壓；或者由AC400V通過單相400V/220V變壓器變壓，再將AC220V通過開關(guān)電源模塊變換為DC24V直流電壓。為保證供電安全，無論采取哪種變換，最終的DC電壓，通過最少兩條獨(dú)立的電線分別供到40m～50m外的司鉆房接口，在司鉆房通過隔離措施再合二為一后為上述配置設(shè)備供電。前一種配置的優(yōu)點(diǎn)在于鉆機(jī)安裝初期，只要有AC400V的電壓（例如應(yīng)急機(jī)組工作）時(shí)，就能夠測(cè)試電控系統(tǒng)，但缺點(diǎn)是鉆機(jī)正常工作時(shí)，和直接從AC600V獲取相比，由于600V/400V變壓器容量的限制，容易導(dǎo)致DC24V電壓波動(dòng)，后一種配置的優(yōu)點(diǎn)是電壓穩(wěn)定性好，但缺點(diǎn)是電源模塊抗電網(wǎng)諧波[2]能力差，容易損壞。

4 存在問題

按照上述的負(fù)載配置和供電方案，在鉆機(jī)實(shí)際使用中，用戶反映電控系統(tǒng)存在運(yùn)行不穩(wěn)定和可靠性較差的問題，主要現(xiàn)象為運(yùn)行過程中鉆臺(tái)PLC會(huì)隨機(jī)的、沒有任何征兆的出現(xiàn)通訊故障而突然停機(jī)，重新啟動(dòng)后又可以正常工作。雖然這種現(xiàn)象出現(xiàn)的次數(shù)不多，電控系統(tǒng)重新啟動(dòng)的時(shí)間也比較短，自身沒有損壞任何器件，也沒有其他相關(guān)器件損壞，但突然停機(jī)對(duì)鉆井工作影響很大，從停機(jī)到重新開始正常工作需要進(jìn)行一系列的處理工序，一方面耽誤鉆井時(shí)效，另一方面當(dāng)碰到井下地質(zhì)情況比較復(fù)雜時(shí)，會(huì)給鉆井安全帶來一定的隱患。

5 原因分析

針對(duì)上述問題，電控系統(tǒng)集成商早期曾根據(jù)顯示的通訊故障，圍繞鉆臺(tái)PLC系統(tǒng)，重點(diǎn)處理通訊線路、屏蔽層連接、接地線、控制軟件等與現(xiàn)場(chǎng)總線通訊有關(guān)的環(huán)節(jié)，結(jié)果是故障仍然時(shí)有發(fā)生。后來經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間多次觀察、歸類，終于找到一些規(guī)律，表現(xiàn)為在起動(dòng)功率比較大的電機(jī)，比如灌注泵、剪切泵時(shí)，容易發(fā)生；在鉆臺(tái)內(nèi)DC24V控制繼電器抖動(dòng)時(shí)也容易發(fā)生。經(jīng)過對(duì)這些現(xiàn)象分析，聯(lián)系到鉆臺(tái)控制電源配置特點(diǎn)，再測(cè)量司鉆房的控制電壓，發(fā)現(xiàn)DC24V供電電源偏低。對(duì)其中采用上述第一種配置DC24V供電電源的一套鉆機(jī)測(cè)量，在SCR房，DC24V的實(shí)際電壓空載時(shí)接近27V，帶上負(fù)載（包括房?jī)?nèi)和鉆臺(tái)）時(shí)25V多一點(diǎn)；在司鉆臺(tái)測(cè)量，空載時(shí)23V多一點(diǎn)，負(fù)載時(shí)21V左右，用示波器觀察，有時(shí)只有19V～20V。經(jīng)過分析、研究，認(rèn)為通訊故障最大的可能，是由司鉆臺(tái)DC24V控制電壓偏低所致。理由如下：當(dāng)DC24V控制電壓實(shí)際只有21V左右時(shí)，已經(jīng)到了鉆臺(tái)PLC通訊模塊不能穩(wěn)定工作的電壓范圍，從表面上看雖然還在正常工作，但已經(jīng)為臨界正常狀態(tài)。當(dāng)電壓由于某種原因持續(xù)或者瞬間（通訊總線數(shù)據(jù)循環(huán)周期）降低到模塊允許的最小工作電壓（DC19V）以下時(shí)，一定會(huì)報(bào)出PLC通訊故障。電壓持續(xù)降低的原因是當(dāng)電磁閥、繼電器同時(shí)帶電工作的數(shù)量增多時(shí)，負(fù)載電流增大，由于供電線路長(zhǎng)而損耗增大，供出的實(shí)際電壓自然降低；所謂瞬間是指電機(jī)起動(dòng)的過渡過程，大功率（如多臺(tái)小功率電機(jī)同時(shí)，或者一到兩臺(tái)75kW以上電機(jī)同時(shí)）電機(jī)起動(dòng)影響控制電壓的過程是這樣的：由于電機(jī)的空載起動(dòng)電流大約是其額定電流的4～7倍[3]（帶載起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流不變，但過渡過程加長(zhǎng)），對(duì)于75kW電機(jī)來說，額定電流約為150A左右，如果有2臺(tái)同時(shí)起動(dòng)時(shí)，總的起動(dòng)電流按最高倍數(shù)為7時(shí)，起動(dòng)電流 Id＝7×2×150＝2100A，持續(xù)時(shí)間約為20ms左右，這個(gè)電流將在阻抗壓降為7%、容量為1000（或1250）kVA的600V/400V變壓器副邊產(chǎn)生壓降，降幅值為：，降低的百分?jǐn)?shù)為。按照上述第一種DC24V配法，鉆臺(tái)控制電源，在實(shí)際只有21V左右時(shí)，當(dāng)有2臺(tái)75kW電機(jī)同時(shí)空載啟動(dòng)，則實(shí)際電壓在原電壓基礎(chǔ)上將再降低7.3（5.8）%，即：21-24×7.3（5.8）%＝21-1.8（1.4）＝19.2（19.6）V，這個(gè)電壓已經(jīng)降到了PLC通訊模塊最低允許電壓附近，如果持續(xù)時(shí)間超過了通訊循環(huán)周期，通訊很有可能會(huì)報(bào)出故障。基于同樣的原因，鉆臺(tái)內(nèi)的DC24V控制繼電器也會(huì)工作不可靠，有時(shí)會(huì)閃斷—斷而復(fù)通，當(dāng)送到PLC模塊的一些關(guān)鍵控制信號(hào)的閃斷狀態(tài)被掃描到并被當(dāng)作人為操作時(shí)，運(yùn)行中的鉆機(jī)將會(huì)出現(xiàn)一些莫名其妙的停機(jī)或者故障狀態(tài)。

6 應(yīng)對(duì)措施

由以上原因分析，應(yīng)對(duì)鉆臺(tái)DC24V控制電壓偏低的措施主要有兩個(gè)方面，一是加大源頭容量，降低線路損耗，即增大DC24V電源容量（或者減小電源內(nèi)抗，但不是提高供電電壓），增大從電控房到司鉆房供電電源線面積（也就是減小負(fù)載時(shí)線路損耗），這個(gè)措施非常適用于在用鉆機(jī)，但無論如何也消除不了線路損耗，鉆臺(tái)控制電壓也不能達(dá)到電控房的電壓水平，如果配置成保證在負(fù)載時(shí)鉆臺(tái)電壓為DC24V，則電控房控制電壓將升高到DC27V以上，又將影響到電控房?jī)?nèi)相關(guān)器件的安全工作。二是對(duì)新造鉆機(jī)來講，建議在電控房和司鉆房同時(shí)配置相同的電源系統(tǒng)且負(fù)載后電壓為DC25V，兩個(gè)系統(tǒng)之間只連接電源零線（電壓參考點(diǎn)），如此配置的優(yōu)點(diǎn)在于兩房?jī)?nèi)的控制電壓都在最可靠的范圍之內(nèi)，即使波動(dòng)超過負(fù)20%，只要相關(guān)配置合適，電壓在10個(gè)通訊周期內(nèi)也不會(huì)低于DC21V！對(duì)于信號(hào)抖動(dòng)問題，需要在控制軟件中對(duì)相關(guān)信號(hào)做數(shù)字濾波處理。

7 結(jié)束語

傳統(tǒng)的電動(dòng)（SCR/VFD）鉆機(jī)司鉆房控制電壓配置模式雖然簡(jiǎn)單、成本低，但隨著用戶要求的提高，需要控制的對(duì)象范圍和器件越來越多，控制電壓的負(fù)載越來越大，不可避免的造成供電線路損耗增加，實(shí)際供出電壓降低，當(dāng)其降低到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的臨界范圍內(nèi)時(shí)，供電回路任何一個(gè)環(huán)節(jié)的風(fēng)吹草動(dòng)都將影響到整個(gè)鉆機(jī)的可靠運(yùn)行，特別是司鉆房的現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng)，表象是通訊故障，其實(shí)更多電壓低故障。加大電源容量和減小線路損耗不是最佳方法，解決這個(gè)問題的根本措施是在需要控制電源的地方配置電源，所有電源之間獨(dú)立工作，只進(jìn)行電源零線（電壓參考點(diǎn)）之間的相互連接，同時(shí)充分考慮鉆機(jī)電網(wǎng)波電壓動(dòng)達(dá)到20%和閃斷在20ms左右的特點(diǎn)。