关键词：抽油机；智能；变频柜；故障维护；保养

Abstract: The intelligent frequency conversion cabinet of pumping unit is an indispensable and important equipment in the construction of intelligent oil field. This paper introduces the working principle, composition, main technical indexes, functions, maintenance and troubleshooting of the intelligent frequency control cabinet of the pumping unit. Practice has proved that it is necessary to strengthen the knowledge training of the operation, management, maintenance and repair personnel of the intelligent frequency conversion cabinet of the pumping unit, and improve their on-site operation and maintenance level, which has a good role in promoting the integrity rate of the intelligent frequency conversion cabinet of the pumping unit and the construction of the intelligent oilfield.

Key words: Pumping unit; Intelligent; Frequency conversion cabinet; Fault maintenance; Maintenance

1  引言

随着数字技术的迅速发展和广泛应用，数字信息化和智能化技术在油田生产中得到不断应用，不仅可以提高油气开发生产效率，而且又能有效解决传统油气生产中的一些技术难题^[1]。如在油量不能使抽油机设备满负荷运行时，抽油机通过采用智能变频控制，将抽油机的冲次降低，自动调整到油量能满足的速度，使每一口油井都能根据油量的多少设定速度，实现抽油机井开采方式的智能化管理，实现油井生产省时省力节能高效的开采方式^[2]。同时，随着油田“四化”建设工作的推进，抽油机智能变频柜大量得到推广应用，实现油井生产参数的远程数据采集和远程控制。因此，加强抽油机智能变频柜的故障维护与保养，确保抽油机智能变频控制柜的良好运行，对提高油田“四化”项目维运质量和生产监控系统运行可靠性均具有十分重要的意义。笔者结合自己多年来，从事抽油机智能变频柜维护维修工作实际和检修经验，对抽油机智能变频柜的故障维护与保养处理方法作一介绍。

2  抽油机智能变频柜的工作原理及组成

2.1 工作原理

图1为变频器的工作原理图，其中图1（a）为工作原理电路图，通常采用整流技术，把三相工频电流经过整流电桥变成直流电流，经过Rc₁、C1和Rc₂、C2两个滤波电路滤波，以及经由R_B和V_B组成的制动电路后，再通过逆变，把直流变成可调的交流电流。原来采用不可自关断的半控器件，需要强迫换流来实现逆变，而强迫换流需要辅助直流电源。用于换流的电源器件、电感和电容，造成逆变电路体积庞大、投资增大、换流损耗大、逆变效率低、可靠性差和由于半控器件开关频率低很难采用脉宽调制技术等问题。应用可关断全控技术以后，由于可关断器件不需要辅助换流电路、全控器件开关频率高、可靠性高、电压控制、驱动功率小、驱动电路容易实现等优越性能，克服了采用不可自关断半控器件造成逆变电路的一系列问题。PWM技术的应用，使电机脉动力矩减小，谐波份量减少，满足了交流电机的供电要求。另外，PWM技术在调节频率的同时，通过控制输出电压脉冲的宽度，调节输出交流电压的幅值，实现在逆变桥同时调节输出频率及电压。图1（b）为工作原理流程框图，三相交流电流，经电桥整流后变成直流信号，进入储能环节后，再以逆变电路逆变后变成三相交流电流输出给抽油机电机，整个整流部分、储能环节和逆变部分由控制系统负责控制系统运行。

2.2  组成

抽油机智能变频柜主要由外壳、操作面板、RTU控制箱和控制系统等四部分组成。外壳主要起到抽油机智能变频柜的防风、防尘、防雨、防锈蚀，具有辅助散热、安全接地作用；操作面板主要起到抽油机智能变频柜的起停操作、模式转换、运行观察监视、隔离危险电压；RTU控制箱主要起到抽油机智能变频柜的数据参数采集、无线远传通讯、远程控制；控制系统主要起到抽油机智能变频柜的电器连接、实现运行控制（执行部件）等作用。

    外壳采用金属外壳。为防止控制信息的干扰，以及保证抽油机智能变频柜的安全可靠运行，内部强电和弱电实现分开设置，上部主要为弱电部分，下部则为强电系统。

操作面板主要有工况指示灯：电源指示、变频运行、工频运行、故障指示，变频器操作面板，智能电表观察窗，本地/远程控制转换开关，工频/变频运行转换，启动、停止按钮，以及电源总开关等。

RTU（远程终端单元——Remote Terminal Unit）控制箱是对油井实施测控的核心单元，是实现对油井生产工艺数据的实时采集、存储、报警及控制的智能远程终端。数据采集与通讯实时接受并上传来自井口无线压变、温变、载荷传感器、位移传感器、智能电表数据，接受并下达执行上位机的远程控制。图2为RTU工作原理图。图3为RTU接线图。

图2 RTU工作原理图

    图3中RTU工作状态指示灯用于指示RTU处于的状态，包括运行、故障及调试三种状态；通讯指示灯用于指示RTU各通讯接口通讯状态；DI与DO状态指示灯用于指示RTU各通道开关量输入（DI）与开关量输出（DO）状态。

图3  RTU接线图

控制系统主要有断路器、陶瓷真空开关管、开关电源、控制变压器、交流接触器、电抗器以及控制电路等电器元件组成，主要实现电机的工频、变频运行转换，调整抽油机运行工况等功能。TJC-1.14/160型陶瓷真空开关管采用高氧化铝陶瓷作绝缘外壳,管内以高真空作介质，具有体积小，耐高压，分断能力强，使用寿命长,触头不必维修，尤其是因其电弧不外露，安全可靠的优点。

3  主要技术指标

（1）额定工作电压：380V，50Hz；

（2）电压允许波动：±20%；

（3）频率波动范围：50/60Hz±5%；

（4）过载能力：由逆变决定；

（5）频率分辨率：0.01Hz；

（6）频率准确度：±0.1%；

（7）防护等级：IP20；

（8）最大输出频率：2000Hz。

4  功能

4.1  多功能电表功能

（1）测量功能。三相相电压、三相线电压、零序电压、电压不平衡度、三相电流、零序电流、电流不平衡度、无功功率、有功功率、正反双向有功、无功电能、频率（A相）、功率因数等测量功能。

（2）其他功能。1路RS-485通讯接口（Modbus RTU通讯协议），2路开关量状态输入（装置内部提供DC 24V直流电源），2路继电器控制输出，1路可编程电能脉冲输出，LED数码显示等功能。

（3）保护功能。过流保护、过电压保护、欠电压保护、缺相保护、不平衡保护、零序过流保护、零序电压保护等保护功能。

4.2  变频器功能

    （1）状态指示功能。RUN/TUNE：运行指示灯，灯灭时表示变频器处于停机状态；灯闪烁表示变频器处于参数自学习状态；灯亮时表示变频器处于运转状态；FWD/REV：正反转指示灯，灯灭表示处于变频器正转状态；灯亮表示变频器处于反转状态。LOCAL/REMOT：键盘操作，端子操作与远程通讯控制的指示灯。灯灭表示键盘操作控制状态；灯闪烁表示端子操作控制状态；灯亮表示处于远程操作控制状态。TRIP：故障指示灯，当变频器处于故障状态下，该灯点亮；正常状态下为熄灭；当变频器在预报警状态下，该灯闪烁。

    （2）调速功能。通过设定变频器工作运行频率设定，改变输出频率来实现调速功能。

    （3）控制功能。通过现场或网络控制系统，实现抽油机运行状态的本地或远程实时控制。

（4）优化运行功能。根据抽油机井式况实际，选择最优化化经济运行方式，实现油井抽油机系统的节能降耗。

5  抽油机变频控制柜维护和保养

5.1  抽油机变频控制柜的维护

5.1.1  变频器安装环境注意事项

   （1）振动和冲击会引起电气接触不良。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。

   （2）工作温度。工作温度一般要求为0～55℃，最好控制在40℃以下。绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。

   （3）防止输入端过电压。

   （4）腐蚀性气体会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能，应把控制箱制成封闭式结构，并进行换气。

    （5）防止电磁波干扰。柜内仪表和电子系统，应该选用金属外壳的，来屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地，除此之外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地

    （6）可靠接地。变频器正确接地是提高控制系统灵敏度、抑制噪声能力的重要手段，变频器接地端子E(G)接地电阻越小越好，接地导线截面积应不小于2mm²，长度应控制在20m以内。变频器的接地必须与动力设备接地点分开，不能共地。信号输入线的屏蔽层，应接至E(G)上，其另一端绝不能接于地端，否则会引起信号变化波动，使系统振荡不止。变频器与控制柜之间应电气连通，如果实际安装有困难，可利用铜芯导线跨接。

    （7）防雷。抽油机智能变频柜安装在野外，特别在雷雨季节，必须做好抽油机智能变频柜防雷措施。

5.1.2  变频器日常维护

    变频器运行过程中，可以从设备外部目视检查运行状况有无异常，通常检查如下内容：技术数据是否满足要求；周围环境是否符合要求；触摸面板有无异常情况；有无异常声音、异常振动、异常气味；有无过热的迹象^[3]。

变频器的日常维护的工作内容有：

   （1）安装地点的环境是否有异常；

   （2）冷却系统是否正常；

   （3）变频器、电动机、变压器、电抗器等是否过热、变色或有异味；

   （4）变频器和电动机是否有异常振动以及异常声音；

   （5）主电路电压是否三相平衡，电压是否正常，控制电路电压是否正常；

   （6）导线连接是否牢固可靠；

   （7）滤波电容器是否有异味；

   （8）各种显示是否正常。

5.1.3  变频器日常检查

    （1）通电前的检查。一是外观、构造检查。二是绝缘电阻的检查。主电路用万用表检查，必须用兆欧表时，应按图4连接。

图4  用兆欧表测试主电路的绝缘电阻接线图

    控制电路不能用兆欧表对控制电路进行测试，只能用高阻量程万用表。①全部卸开控制电路端子的外部连接。②进行对地之间电路测试，测量值若在1MΩ以上，就属正常。③用万用表测试接触器、继电器等控制电路的连接是否正确。

    （2）通电检查。①观察显示情况是否正常，有无报警显示。②观察风机是否运转及声音。③测量进线电压是否正常。④进行功能预置。⑤观察显示内容。

5.2  抽油机变频控制柜的保养

    一般的定期检查应1年进行一次，绝缘电阻检查可以3年进行一次。定期维护必须放在暂时停产期间，在变频器停机后进行。但必须注意，即使切断了电源，主电路直流部分滤波电容器放电也需要时间，须待充电指示灯熄灭后，用万用表等确认直流电压已降到安全电压（DC25V）以下，然后进行检查。定期检查的重点应放在变频器运行时无法检查的部位，主要包括：

    ①检查有关紧固件是否松动，并进行必要的紧固；

    ②清扫冷却系统的积尘。清扫空气过滤器，同时检查冷却系统是否正常；

    ③检查绝缘电阻是否在允许范围内。注意不要使用绝缘电阻表测试控制电路的绝缘电阻；

    ④导体绝缘物是否有腐蚀、过热的痕迹、变色或破损；

    ⑤确认保护电路的动作；

    ⑥检查冷却风扇、滤波电容器、接触器等的工作情况；

    ⑦确认控制电压的正确性，进行顺序保护动作实验，确认保护、显示回路有无异常；

    ⑧检查端子排是否有损伤，继电器触点是否粗糙；

⑨确认变频器在单体运行时的输出电压的平衡度。

6  抽油机变频控制柜的故障及处理

（1）变频器控制电路故障。该故障主要表现为+5V、+12V直流开关电源电路烧坏、整流桥滤波电容击穿、中间直流回路故障、IGBT功率变换器因过热烧坏、控制电路板输出继电器烧坏、驱动电路故障、充放电电路故障等。

处理办法：加强主板及主控制电路日常维护和保养，定期清扫灰尘，保持主板及主控制电路良好的通风能力。当发生故障时，及时更换相应元器件，甚至主控电路板，确保变频器正常运行。

    （2）变频器冷却直流风扇的故障。直流风扇的故障是油田应用变频器故障最频繁的一种现象，由于其工作在野外，一般情况下其工作寿命为2至5年。表现形式为冷却直流风扇停止运行。

    处理办法：更换更新同一型号的冷却直流风扇。

    （3）滤波电容故障。电容故障主要因击穿产生漏液、鼓包等现象，达不到平滑直流的工作要求。

    处理办法：更换更新同一型号的滤波电容。

（4）控制器操作面板故障。该故障多数故障特征为操作面板无显示或操作键失灵故障，现场变频器故障维修主要有操作面板与主机连接线断路、操作面板接头松动、操作键老化以及操作键操作锁定等原因引起。

    处理办法：更换更新同一型号的控制器操作面板，或对控制器操作面板故障部分进行修复等。

    （5）外围控制电路器件的故障。主要表现有交流接触器、各种继电器、空气开关、PLC、谐波抑制器、变频柜散热交流风扇、保险熔断丝、现场显示仪表和报警电路器件等控制电路器件的故障。

    处理办法：正确找到电气故障部位和气件进行更新维修处理即可。

（6）变频器运行参数设置不合理引起的故障。该类故障主要表现为起动时并不立即发生故障跳闸，而是在生产运行过程中发生故障跳闸。分析产生故障的原因可能有：) 管线压力过大；升速时间设定太短；减速时间设定太短；转矩补偿设定较大；引起低速时空载电流过大；电子热继电器整定不当，动作电流设定得太小，引起误动作；对供电电源电压的要求设定太高。

处理办法：根据生产工艺参数的变化，及时进行变频器的重新调试，调整变频器的各个相应生产运行参数。

（7）主板及主控制电路的故障。该故障包括整流桥电路故障、逆变桥电路故障、中间直流电路故障、充电电路故障、控制电路故障、驱动电路故障、滤波电容故障、主板电源板的其它故障等。

处理办法：加强主板及主控制电路日常维护和保养，定期清扫灰尘，保持主板及主控制电路良好的通风能力。当发生故障时，及时更换相应元器件，甚至主控电路板，确保变频器正常运行。

（8）通讯及远传控制故障。该故障主要表现为采集数据不能上传、抽油机不能实现远程控制启停。故障原因主要有通讯模块不正常、RTU接线不正确、其它设施干扰等。

处理办法：检查RTU模块是否工作正常；检查压力、温度、电压、电流等检测器件是否工作正常；检查RTU接线是否正常；检查控制电路中是否有其它控制器件接线干扰等。如某抽油机智能变频柜不能实现抽油机远程启停控制功能，经检查后发现因该抽油机智能变频柜加装的防止电网闪停电压暂降控制器接线不正确，造成该智能变频柜远程控制功能故障，拆除防止电网闪停控制器接线后恢复正常；如某抽油机智能变频柜不能实现远程启停控制功能，经检查后发现因该抽油机智能变频柜RTU接线不正确造成该智能变频柜远程控制功能故障，重新正确接线后恢复正常。

7  结束语

抽油机智能变频柜在油田得到大量推广应用，是建设智能化油田中不可缺少的重要设备，它是一种集电力电子、微电子技术、电气传动技术、计算机技术等于一体的高科技产品，使用、维护、保养好抽油机智能变频柜是延长其寿命的主要措施。为此，加强对抽油机智能变频柜操作、管理、维护和维修人员的抽油机智能变频柜知识培训，提高他们的现场操作、维护水平是十分必要的，对提升抽油机智能变频柜完好率和智能化油田建设具有良好的促进作用。

参考文献：

[1]程明，刘佳畅．浅谈变频技术在油田抽机上的应用[J]．变频技术应用,2011，6（1）：94-114；

[2]朱益飞. 一种基于直流供电配置的抽油机变频群控系统[J]. 电力需求侧管理,2016，18（3）：38-40；

[3]蔡本发. 变频器调试与故障处理方法[J]. 变频器世界,2007(2):93-96。

作者简介：

朱益飞，高级工程师，1989年毕业于华东石油学院(生产过程自动化专业)，从事油田技术检测工作, E-mail：zhuyifei112.slyt@sinopec.com   

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