顶驱电气手册.docx

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顶驱电气手册

1.概述

交流变频顶部驱动钻井装置（以下简称顶驱装置，或称顶驱）是用以取代转盘钻进的新型石油钻井装备。

顶驱装置是机电液一体化、集成度很高的高技术产品，电气系统调试、操作和维修、是一项非常重要的工作。

顶驱产品电气系统的安装、调试、操作和维护，需要具有一定资历和足够技术经验的合格人员担任。

培训上述人员并使其具有资格是顾客的义务。

2.安全须知

以下安全须知对顶驱装置的正确安装、使用、维护十分重要，操作和维护人员必须仔细阅读，认真理解：

1、禁止带电作业，包括：

不要带电打开具有高电压处的安全遮挡物、不要带电维修或拆除任何电气元件、不要带电拔插电缆插头。

2、不要在有可燃气体环境下带电打开接线箱或操作台！

3、在整流器运行或直流母线电压降到安全范围以下（DC24V）前，不要试图更换直流母线与逆变器之间的直流保险，否则会危及人身和设备安全！

4、需要对整流器或逆变器或电机维修时，请把主开关上的钥匙开关向右旋转（锁定位），以避免错误操作！

5、整流器和逆变器不能用高阻表检测绝缘，否则高测试电压会损坏设备！

6、司钻台在通电时必须保持保护气体压力！

在司钻台保护气体失压时，要尽快恢复压力或停钻并切断司钻台控制电源！

7、每台电机和控制箱必须正确连接到PE母排或PE线上！

8、禁止解除任何软件和硬件中的安全连锁！

必须解除时，在清除故障后，要尽快恢复功能允许的被旁路连锁。

9、禁止非专业人员修改整流器和逆变器中设置的参数，否则可能损坏机械或电气设备！

10、在温度大于40℃，湿度大于95%或有凝露时，在启动空调降温、降湿前不要启动驱动器和其它控制电源！

11、系统主电源意外断电半小时以上重新上电时，必须确认电气控制柜内无凝露！

12、在潮湿环境下，当电气室温度低于外界环境温度时，禁止长期打开电气室仓门，否则可能会在电气设备上产生凝露！

3.主要技术参数

3.1基本参数

电源电压：

600V

额定电流：

450A

最大电流：

775A（60S）

3.2电动机参数

额定功率：

350KW

额定转速：

90r/min

最大转速：

180r/min无级可调

3.3钻井参数

转速范围：

0—180r/min无级可调

工作扭矩（连续）：

36KN.m

最大扭矩（1min）：

50KN.m

4.电气控制系统组成

4.1.1顶驱系统简介

顶驱电控系包括VFD房、司钻控制台、连接电缆、外围执行机构。

4.1.2顶驱系统通讯

PLC系统与各控制站和驱动系统通过PROFIBUS总线相连，PLC与本体子站通过光纤相连，与其它子站通过屏蔽双绞线相连。

系统主控PLC采用SIEMENS公司的模块结构。

4.2顶驱电控房

4.2.1电控房简介

电气控制系统包括的交流变频驱动系统和PLC/MCC系统安装在顶驱电控房内，变频顶驱系统主要由总配电柜、整流柜、变频柜和制动电阻组成。

电控房配有两台空调，用户根据实际情况及时采取措施，调节室内温度和湿度，同时配有自动温度、烟雾报警系统。

室内温度过高，可造成电控系统微电路工作不稳定，造成系统故障。

室内湿度过高，可造电控系统器件表面结露，造成系统绝缘不好及短路。

造成设备事故。

在湿度较大时要关好房门，用空调除湿。

使室内湿度下降。

在温度较高时要关好房门，用空调降温。

使室内温度下降，还可以把空调室外机排风口处百叶窗门打开，提高空调室外机排风能力。

4.2.2电控房配电

VFD房外部配有380V/600V变压器给电控房供电，电控房内配置了室内照明系统，配电箱在房内办公桌上方，是带有漏电保护的开关。

辅助电路的电源为两套：

长期电源和应急灯。

长期电源来自于顶驱变频系统中的辅助变压器：

380V/50Hz。

应急灯用于顶驱电控系统维修且600VAC电源断电时，电控房内照明。

4.3交流变频驱动系统

交流变频驱动系统包括整流单元和逆变器以及相关控制元件，为顶驱装置的一台交流变频电机提供动力。

4.3.1进线柜

进线柜由主空气开关、辅助变压器、绝缘检测仪、进线电抗器、等元器件组成，给整流柜和PLC/MCC柜提供优质电源。

4.3.2整流柜

整流柜由整流器和制动单元等组成。

主空开合闸后，来自进线柜的600V主电源，经整定后输出直流电压到直流母线供逆变器使用。

4.3.3逆变柜

逆变柜由逆变器、出线电抗器等组成。

4.4PLC/MCC控制柜

PLC/MCC控制柜包括各功能单元的逻辑控制和交直流配电系统。

“内控/外控”旋钮：

将旋钮旋至内控位置时，将不能通过司钻控制台起动变频器，只能用房内的启动钮起动。

将旋钮旋至外控位置时，不能用电控房内的按钮起动变频器。

“急停”按钮：

在突发事件和紧急情况下，需要立即停止时按下。

“系统启动”：

在变频器需要启动或操作的时候，按下此按钮。

“系统停止”：

子系统处于停止时,变频器及司钻台将不能运行。

OP27控制屏：

主要显示各电机的工作状态，变频器工作时的电流、频率，倾斜油缸、弹跳油缸、离合器等设备的工作状态；同时可实现液压站电机、液压站冷却风机、液压站加热器的启停控制。

4.5司钻操作台

司钻控制台由300号不锈钢制成，采用防水密封门，并配有增压防爆系统，该系统与空气净化器连接后提供防爆功能，可满足危险地区作业的需要。

电缆通过司钻台侧面的密封接插件进入。

司钻台的面板上安装的主要器件是可供司钻操作的操作元件、仪表。

操作元件包括按钮、功能选择开关、速度给定手轮、力矩给定和上扣力矩给定等。

速度和力矩给定手轮采用编码器，使控制更加准确、可靠，提高了控制精度和使用寿命。

速度控制手轮用来调整钻井过程中顶驱主电机的速度。

上扣扭矩给定手轮用来设定顶驱电机上扣时的扭矩值。

钻井扭矩给定手轮用来设定顶驱电机钻井时的扭矩值。

4.6主动力电缆

主电缆的作用是将变频柜的变频输出连接到顶驱上部的主电机。

4.7其他电缆

4.7.1综合电缆

综合控制电缆为多芯电缆，采用连接器快速连接，现场作业十分方便。

4.7.2司钻台控制电缆

司钻操作台的控制电缆总共有2根：

①、12芯电缆，把司钻操纵台的手动信号送到PLC/MCC柜，其中2芯为来自PLC/MCC柜的DC24V控制电源，2芯为急停信号，其余备用。

②、PROFIBUS通讯专用电缆，抗干扰能力强，控制准确可靠。

4.7.3辅助动力电缆

辅助动力缆为电机加热器、液压泵电机、冷却风机提供动力。

4.7.4接地电缆

本系统提供两根接地极，长1.5m，外表层镀铜，在其接线处与5m长的接地电缆相连。

接地要求：

接地极尽可能深地钉入较好的土壤内，定期浇水保持湿润。

5操作程序

5.1VFD房启停

5.1.1启动前的检查

启动电气系统前，应当进行以下检查：

①检查确认机械和液压系统准备就绪。

②检查电气系统电气柜和司钻操作台的操作元件和仪表，使其处于初始状态。

③按下【报警/静音】按钮2秒钟，测试司钻操作台所有指示灯。

5.1.2上电程序

确认所有电源开关（进线柜主空开除外）均已上电，电源正常。

5.1.3启动系统

将PLC/MCC柜面板上的PLC开关扳到“开”位置，“系统准备”指示灯亮，600V主电源通入整流器，顶驱装置进入就绪状态，来自司钻台的使能信号将使逆变器启动。

5.1.4停止系统

停止系统的程序如下：

将司钻操作台钻井【速度给定】手轮回零，旋转方向开关扳到“停止”位，司钻台使能信号去掉后，逆变器停止工作，顶驱装置停止运行。

5.2液压系统启停

通过液压泵【运行】和【停止】开关启停液压泵

5.3主电机加热

顶驱装置主电机加热器电源正常且主电机未运行时，将PLC/MCC柜门上OP27控制屏的【电机加热】开关打到“开”位置，可以使加热器开始工作，PLC/MCC柜门加热器指示灯显示运行状态。

打到“关”位时，加热器停止工作。

PLC系统正常时，加热器与主电机连锁。

加热器工作时，启动主电机，加热器自动停止加热。

主电机运行时，加热器将不能启动。

5.4主电机冷却风机

当系统运行时，可以直接启动主电机风机，建立风压。

在建立风压之前，系统及主电机不能启动。

将OP27控制屏【风机】置于“关”的位置，将停止主电机风机风机，但是在系统运行状态，不管【风机】位置如何，风机均不会停止。

将【风机】开关置于“自动”位置时，在顶驱运行之前，主电机的风机将启动，顶驱系统停止运行后，风机延时之后将自动停止。

5.5急停操作

系统出现紧急情况需要紧急停止时，操作人员可就近按下任意一个【急停】按钮，顶驱系统所有设备快速停机。

之后，将司钻台所有开关复位到初始位置。

系统恢复正常之后，确认系统无故障报警之后，将【急停】开关复位，按下司钻台【报警/静音】按钮之后，系统复位，可进行正常操作。

5.6故障/报警

系统出现故障时，PLC柜故障指示灯和司钻台系统故障指示灯将常亮，报警器发声报警。

5.7故障查找

顶驱控制系统装有OP27控制屏，当系统发生故障或工作不正常时，可通过监控系统查找故障。

5.7.1空气断路器诊断

如果空气断路器意外脱扣，可检查回路上的器件或电缆有无相间或线间短路，回路负载有无过载。

5.7.2绝缘故障

顶驱电气系统是浮地系统（IT系统），在系统主进线处装有绝缘监测仪，其可监视整流器进线侧、主动力电缆和主变压器的绝缘。

如果绝缘检测仪发出报警，但主电源保持正常，系统仍可正常运行。

但由于绝缘监测仪报警表示电源系统绝缘电阻下降或单相对地短路，所以必须尽快检查供电系统的绝缘。

电缆连接头潮湿或污染，电缆或变压器绝缘破坏可能导致绝缘下降。

单相对地短路可能危及人身安全。

5.7.3PLC故障检查

顶驱PLC程序具有丢站不停机的功能。

但如果CPU不能进入运行状态，则输入/输出模块或CPU硬件有可能损坏。

检查CPU之前，请先检查CPU的供电电源，正确的电压是DC24V。

检查CPU时，在CPU上电后做系统存储器总清除；如果在进行以上操作后CPU可运行，则CPU正常，否则CPU硬件有可能损坏。

通过STEP7编程器可检测输入/输出模块故障，其有完善的诊断功能，详细操作见STEP7编程手册。

5.7.4网络检查

顶驱的网络系统是PROFIBUS-DP。

如果一个或几个站点丢失，首先要检查丢失站的接口控制电源，正常的电源电压是DC24V；如果电压正常，可检查是否有通讯电缆中断或连接插头松动现象；若无以上故障，则接口模块有可能损坏。

STEP7同样可进行网络诊断。

当用万用表检查网络时，必须断开所有站点控制电源并拔下连接头。

5.7.5驱动系统

驱动系统包括整流器和逆变器，整流器和逆变器上都有PMU操作面板，当有故障或报警发生时，PMU上的显示屏会有相关信息显示。

如果没有硬件损坏，操作PMU上的‘P’键或司钻台上的‘报警/静音’键可对故障进行复位。

驱动系统详细维护操作，请参阅变频器和整流器相关手册。

5.7.6系统断电和拆接

1、系统断电之前一些选择开关必须设置到初始位置：

2、司钻台上的“操作选择”开关在“停止”模式。

3、司钻台上的“旋转方向”开关必须在“停止”位（无方向选择）。

4、司钻台上的“钻井速度设定”手轮必须在零位。

5、PLC/MCC柜上的“系统停止”开关必须在“关”位。

6、关闭PLC电源。

7、由高层到低层分断各功能单元电源。

8、分断照明及空调电源。

6安装调试和维护

本手册提供了电气系统设备安装调试的一般要求和注意事项，本手册未涉及的内容，请查阅随机文件《安装调试手册》。

整体运输到井场后，安装步骤如下。

全面检查各联接是否正确，校对无误后，可分别进行电气系统的调试。

6.1电气系统重新安装

1、VFD房必须水平放置并离开地面，以防止从底部进水。

2、所有电缆插头必须拧紧，以防止松脱或进水。

3、在VFD房附近必须制作小于4欧姆的主接地极，并联接到电气室的主接地排上。

4、在连接到VFD房前，电机及其电缆必须检查绝缘。

5、上电前必须仔细检查电缆连接正确性。

6、检查控制柜内元器件及其支撑物，确认无由于运输引起的损坏或松脱。

7、检查确认选择开关的初始位置。

6.2上电及检查

当所有电缆正确连接并且600V主电源准备好后，顶驱电控系统可以开始上电：

1、操作进线柜上的电压选择开关检查各相电压在正确范围内（额定600V电压的－15%到+10%范围内）。

2、闭合进线柜内的辅助电源主开关。

3、闭合PLC/MCC柜内的柜内照明和电气室照明开关。

4、在潮湿或高温环境下必须先启动空调系统除湿和降温。

5、由低层到高层给各功能单元上电。

6、从监控系统检查上电状态，详见有关章节。

7、闭合PLC/MCC柜上的【总起】开关，启动整流器。

检查整流器的直流输出电压（正常值为810V）。

8、将司钻台上的【旋转方向】开关旋到正转或反转位置，手动开启主电机冷却风机，检查主电机冷却风机和整流器及逆变器冷却风机。

9、检查液压站油位；手动启动各液压泵，检查是否运行正常。

10、手动操作各开关、按钮，检查顶驱各液压阀和辅助机械系统。

从监控系统检查无故障和报警发生后，电气系统完成操作准备阶段。

6.3日常维护

1、电气系统防尘、防潮是最主要的。

必须注意防潮、防尘，并且不能在温度过高（45℃以上）或过低（－13℃以下）的环境中工作。

系统放置一段时间重新启用前，须用吸尘器将元件积存的尘埃除去，然后用电吹风将元件烘干。

最后须测绝缘电阻值，至少在1MΩ以上，一般应在5MΩ以上。

2、一定要先启动鼓风机电机，然后选择主电机的转向，然后开动主电机。

3、运行中要随时注意观察电流大小（PLC操作柜上的扭矩表反映出主电机工作电流的大小）。

4、各部分电缆应连接牢靠，螺纹压接不得有松脱，焊接部位不应有虚焊现象。

5、由于光线照射及空气的氧化作用，电缆会发生老化现象，使用二年以后应注意观察有无裂开、剥落等老化现象，一般说，使用四年后应更换电缆。

6、PLC柜，操作柜均为正压防爆系统，要配备空气滤清器及气水分离器，保证空气的干燥、清洁，不含易燃易爆等危险气体。

7、使用操作柜时应先合上电源柜开关，再打开操作柜开关，然后打开PLC开关，停止操作时先关PLC，再关操作柜，然后关电源柜。

8、PLC柜操作也应注意防潮防尘，但因其具有防爆结构，相应的防潮防尘能力也较强。