石油钻井直流电动钻机绞车故障分析

时间：2012年4月初，持续时间一个多月

地点： 川庆钻探土库曼斯坦南约洛坦100亿项目 土203井

事件：CCDC-06队 ZJ70D钻机绞车“闹鬼”

一、绞车控制介绍

ZJ70D为直流调速电动钻机，绞车运行驱动方式有四种，即：由一个SCR柜控制绞车A电机单独带动绞车正转或反转（以下简称“A单”）；由一个SCR柜控制绞车B电机单独带动绞车正转（以下简称“B单”）；由一个SCR柜控制绞车A电机和B电机串联运行，实现绞车正转（以下简称“DWS”）； 由两个SCR柜分别控制绞车A电机和B电机做同步运行，实现绞车正转（以下简称“A+B”）。

SCR房内共有五套SCR柜，根据工况需要可选择部分SCR柜供电或全部SCR柜合闸送电，同时，司钻通过司钻控制台上指配开关的切换，就可以实现不同驱动方式的选择（见：图一）。正常钻进或起下钻工况、且钩载较轻时，一般选用A单或B单方式运行；当钻进中上提钻具负载较大或起放井架时、且需要速度较慢，一般选用DWS方式运行；起下钻工况，且钩载较重时，一般选用A+B方式运行；绞车倒大绳时需要选用A单方式运行，以方便控制绞车滚筒的正反转。当然，上述四种运行模式也互为冗余备份，当某个SCR柜、或其中一台绞车电机出现故障时，通过指配开关的切换，也能满足钻井的基本应急需要。

图一

二、“闹鬼”由头

据当班司钻反映，绞车在“A+B”模式下，明显感觉绞车动力不足，绞车在其它三种模式下运行正常。经驻井电气师检查，在“A+B”模式下，无论选择哪一个SCR柜供电，绞车B电机运行正常，但是带动绞车A电机运行的直流控制组件报警，零位联锁指示灯亮，且交流接地表M08指针动作，系统有接地故障。切换为A单或B单，及DWS方式运行正常。

上述现象说明SCR房内五套SCR柜及直流控制组件基本正常、绞车直流串励电机无故障。既然电源和电机都无故障，如此的“鬼”现象又从何来？为此，驻井电气师先后更换或互换了SCR柜内的PC板和直流控制组件等，十几天的检查和换件也无果而终。

三、追寻“鬼”现象

以高阻表、双线示波器、交直流钳形电流表等测试仪表为寻“鬼”法器，看现象、测参数，查找蛛丝马迹。同时，也避免因盲目拆卸或更换元件等增加无谓的工作量或造成二次事故。

为了确认和跟踪“闹鬼”踪迹，对绞车电控部分及电机进行了逐一测试，以期从表面现象入手，深入调查“鬼”案。

1.停电，拆下A电机连接线，用高阻表测量绞车电机和连结电缆的绝缘，检查碳刷及碳刷架，确认电机绝缘良好、无接地。

2.SCR柜送电做空载检查，利用直流控制组件面板上的实验选择开关、手控电压开关、手控电压旋钮等检查来自司钻台的使能（CONT）信号和速度给定（REF）信号，并做SCR桥的移相触发实验等，确认空载下SCR柜各项参数无异常；然后带轻载，用双向示波器检查SCR触发脉冲波形、SCR整流桥输出电压波形、SCR整流桥输出电流波形，确认SCR柜及直流控制组件运行正常。

图二

3.在不同指配方式下，用交直流钳形电流表检查绞车A、B电机的运行电流值。当A单方式运行时，分别测量A电机的四根电源线（见：图二）的电流值，并与同种工况和悬重下的B电机电流值做比较。

绞车A、B电机为同规格型号的直流串励电动机，在同工况、同悬重下，流经电机F-FF-A-AA的电流值应该相同。串联电路中流经个点的电流相等，但实际测试结果却出乎意料， A电机运行时AA-A的流经电流只有F-FF的一半，此乃“鬼”现象之一；随着司钻旋转绞车手轮加大给定，SCR柜上的交流接地表M08指示接地程度加大，当给定手轮“回零”时就没有了接地显示，此乃“鬼”现象之二。

图三

4.A+B方式运行实验，以“7”点位置为例。将指配开关打到“7”点位置（见：图一），用SCR1带DWB电机、SCR2带DWA电机实现A+B方式运行，绞车手轮给定到25%位置，此时分别拆下SCR1＼SCR2柜内直流控制组件的绞车速度给定（DW SPD REF）117号线， 用交直流钳形电流表测量SCR柜内对应的单级直流接触器的输出电流（见：图三）。测得绞车B电机端的电流与SCR柜内直流接触器的输出电流一致，构成完整的闭合回路；绞车A电机端无电流流过，而SCR柜内直流接触器有输出电流（随绞车速度给定手轮加大，可在直流接触器母排处测得200-1000A的输出电流），绞车A电机的电流没有构成完整的闭合回路，那么SCR2驱动A电机运行的几百个安培的电流去哪里了呢？居然在SCR房内消失了（没有输出到电机上），此乃鬼现象之三。

四、按图索骥，断案“捉鬼”

通过上述实验和测试数据，三个无法解释的“鬼”现象已经查出，如何让“鬼”原形毕露，就要认真分析图纸，从控制原理上找答案。

我们不难看出，当A单方式运行时，A电机“AA-A的流经电流只有F-FF的一半”，说明与电机A并联的能耗制动回路（DWDB）闭合，并通过3只0.16Ω的大功率能耗制动电阻产生了分流放电。据驻井电气师介绍该套设备的DWDB能耗制动柜（见：图四）因K1、K2两个接触器烧毁，早在几年前就废止不用了，二次侧的保险已经取出，不可能出现误闭合情况的。打开DWDB柜检查，发现其柜内的K1、K2两个接触器主触头热熔粘连，造成了与绞车A电机电枢并联的分流回路，导致流经AA-A的电流减少。K1、K2两个接触器底座已经烧黑，碳化短路，因此，当绞车手轮加大给定时，流经K1、K2两个接触器的电流和施加在接触器上的电压也随之加大，此时击穿接触器底座，产生碳膜短路而接地，当手轮回零后，无施加电压和流经电流，其接地现象自然也就消失。 更换新的K1、K2两个接触，恢复DWDB柜功能，在A单方式下运行绞车，“鬼”现象之一、“鬼”现象之二消失。

在A+B方式下，SCR2驱动A电机的运行电流在SCR房内消失的“鬼”现象究其何因。SCR房内无焦糊异味，无局部高温等现象，可以判断近千安培的电流绝对不是因接地或电缆间短路造成的，通过图纸分析，只有在“A+B”方式下，A电机才出现如此怪现象，说明问。

图四

题出在了SCR1柜双向接触器1K5上，1K5接触器专门负责绞车DWS运行方式与“A+B”运行方式切换的，接触器向上吸合按DWS方式运行，接触器向下吸合按A+B方式运行。对1K5双向接触器检查发现，该接触器背部有两个交叉换向母排，按图纸接线原理应当拆除该接触器1K5-2触头与1K5-7触头之间的跨接铜母排（见：图三）。经落实，在一个月前，因1K5换向接触器在DWS方式运行时主触头吸合粘连，所以安排当地员工更换了同厂家、同规格型号的一台新接触器，忽略了对新接触器背部交叉母排的改制拆除。当绞车在“A+B”方式运行时（以指配开关在“7”点位置为例），构成SCR2（+） — 2K1单级接触器闭合 — 1K5双向接触器触点5 — 1K5双向接触器触点7 — 接触器1K5-7触头与1K5-2触头之间的跨接铜母排 — 1K5双向接触器触点2 — 2K6单级接触器闭合 — SCR2（-） 的闭合回路，该回路无负载，形成SCR2内的短路电流，因柜内SCR额定电流为1800A的可控硅，所以不会出现因短路烧毁任何器件的故障，当然，A电机没有电流流过也就不会运转起来了。将1K5-7触头与1K5-2触头之间的跨接铜母排拆除，“鬼”现象之三也得到解决。

五、事件反思与教训

通过此次“闹鬼”、“捉鬼”事件，给我们的反思与教训是深刻的，这正是“粗心大意引鬼来，闹鬼月余难制裁；捉鬼手段是关键，识图断案鬼自现”。

一是当设备出现问题后不要盲目拆卸和更换器件，要借助仪器仪表、分析图纸，查找问题本质原因；

二是不要因为现在电动钻机配备了液压盘刹、辅助电磁刹车而忽视绞车的能耗制动刹车功能。如确实因器件烧毁或损坏等原因无法使用能耗制动时，应当把DWDB柜内的一、二次侧的线路彻底断开。

三是更换损坏的电器元器件时，除了核对其规格、型号等参数外，还要认真核对图纸，看一看是否有其它特殊之处。如本案例中，SCR柜内1K5和2K5的规格型号相同，安装在SCR2柜内用做绞车A电机的正反转换向，不需要对该双向接触器做任何更改，但安装在SCR1柜内是用做DWS方式与A+B方式之间切换，此时应该拆掉接触器1K5-2触头与1K5-7触头之间的跨接铜母排。

作者简介：赵恒耀，男，46岁，大学本科学历，工程师，现任川庆钻探土库曼斯坦分公司生产保障部装备科副科长。

艾军强，男，42岁，大学本科学历，高级技师，现任川庆钻探土库曼斯坦分公司钻井工程项目部电气工程师。

吕国章，男，40岁，大学专科学历，工程师，现任川庆钻探土库曼斯坦分公司生产保障部装备科电气主管。