VARCO－11SA頂驅F027故障分析及處理

王永江

（中石油長城鉆探，北京100101）

1 故障介紹

故障時間：2012年3月。故障地點：委內(nèi)瑞拉SANTOME區(qū)塊。故障現(xiàn)象：頂驅上卸扣作業(yè)時，在主軸將要達到設定上扣扭矩值時（25 000 ft－lbs），電控房逆變器報F027故障，頂驅停機；故障雖然可以暫時復位，但此后仍會發(fā)生F027故障。隨后觀察發(fā)現(xiàn)，只要上卸扣將要達到設定值時，就會報F027故障，空載運轉主軸時，不報F027故障。

2 故障分析

查手冊得知F027故障是由于輸出端L3相UCE關機引起的。手冊上給出的解決方法如下：（1）檢查L3相短路或者接地故障（－X2：W2，包括馬達）；（2）CU 板正確插入；（3）“SAFE OFF”（X9／5－6）開關已經(jīng)打開。

逆變器運行報警分為外部故障及內(nèi)部故障，外部故障檢查系統(tǒng)的絕緣問題，其中包括逆變功率單元的絕緣、電纜的絕緣、電機的絕緣等。在檢查完絕緣后可以在變頻房接頭處調(diào)換電纜接頭的順序，來比較是否是逆變器同一橋報警，從而區(qū)分是外部故障還是控制房內(nèi)部故障。若是外部故障，可繼續(xù)通過再跳頂驅主機端快速插頭的方法來確定是電纜問題還是電機問題；若是控制房內(nèi)部問題，則需進行逐一分析。

當IGBT過電流或短路時，會造成IGBT的失效和損毀，因此變頻器在設計中一旦檢測到過電流情況的發(fā)生，會對IGBT進行關斷從而保護功率元件。在過電流的檢測中，一種是直接電流檢測法，采用霍爾電流傳感器；一種是間接法，通過測量IGBT集電極和發(fā)射極之間的電壓來判斷IGBT是否過電流或短路。VARCO－11SA頂驅使用的西門子逆變器采用的是Uce關機保護電路。Uce關機是指當逆變器過電流或短路時，電流可達到額定電流的數(shù)倍。Uce＝Ice×Rce（Rce：IGBT導通時集電極和發(fā)射極間的電阻），過電流時，Uce瞬間增大，超過設定的閾值，保護電路會關斷IGBT并向CU板報故障。

Uce關機主要是2個方面原因引起的：（1）輸出側電路故障，主要是L3相短路或接地故障（－X2：W2，包括馬達）；（2）變頻器內(nèi)部故障。

3 處理經(jīng)過

在對故障現(xiàn)象進行分析后，故障排查順序也就很清晰了，首先應進行外部故障排查，如沒有問題再進行內(nèi)部故障排除。從實際情況看，只有在大扭矩，也就是對應大電流的時候報F027，故障現(xiàn)場和外部故障關聯(lián)不大，但從故障排除的先易后難、先外后內(nèi)原則出發(fā)，首先還是要檢查外部故障，即輸出側故障。

3.1 外部故障排查

利用頂驅停機時間拆除電控房和電機的動力電纜接頭，用搖表檢測L1－L2，L1－L3，L2－L3電纜絕緣，都在20 MΩ以上；并對這3相對地絕緣進行測量，都在50 MΩ以上。排除輸出端主動力電纜短路和接地故障。測量左右2個主電機對外殼絕緣，都在500 MΩ以上，均正常；測量左右2個主電機繞組對地絕緣，都在7 MΩ以上，均正常，排除電機方面故障。接下來又把L3和L2動力電纜互換，頂驅上電，故障依舊。L3和L1動力電纜互換，頂驅上電，故障依舊，因此徹底排除外部故障。

3.2 內(nèi)部故障排查

對變頻器內(nèi)部故障作了初步判斷：由于IGBT觸發(fā)導通的過程是CUVC主控板給出觸發(fā)信號，然后IVI板接收觸發(fā)信號并傳給IGD8板，接下來IGD8柵極驅動板觸發(fā)導通IGBT模塊，同時IGD8板又把采集到的IGBT的Uce關機閥值反饋給IVI板，再反饋給CUVC板。CUVC板作出最后的Uce關機故障判斷。

所以引起F025、F026、F027故障的內(nèi)部原因基本包括：（1）IGBT模塊損壞。（2）IVI板光纖發(fā)射管發(fā)射的光信號減弱，導致IGBT柵極驅動信號不穩(wěn)定。光纖松動，與IGD8板之間的光信號傳輸不暢。（3）IGD8板老化、損壞。IGD8板工作時會頻繁關斷用于導通IGBT，這樣會造成驅動電路元器件老化，引起該板損壞。又由于IGD8功率觸發(fā)板離IGBT較近，IGBT工作時，散發(fā)出很強的熱量，這也會加快IGD8板老化，導致其損壞，不能觸發(fā)IGBT和反饋真實的Uce值。于是CUVC會判斷Uce關機，造成F027故障出現(xiàn)。（4）電流互感器CT損壞，連接松動，檢測不到真實電流信號，或電流信號不穩(wěn)，都會讓IVI得到一個錯誤信號，從而也有可能會讓CUVC板發(fā)出F027停機信號。（5）CUVC板損壞或插接不良、松動以及受潮、表面污損等都會引起F027故障。（6）IGBT上下橋臂的SMU、SML阻容吸收板（RCT）損壞，不能針對IGBT的瞬態(tài)浪涌電壓進行過壓保護，也有可能會導致F027故障。

因為不管是更換IGD8、IGBT模塊還是SMU、SML板，工作量都很大，所以索性作出換新IGBT模塊的決定。

拆IGBT模塊，觀察拆下的SMU、SML板外觀正常。對此模塊上的電容、電阻、二極管進行測量，未發(fā)現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。

對拆下來的4塊IGBT進行測量，并與新的IGBT模塊進行比對，情況如下：

IGBT導通性：模擬萬用表R×10 k檔，黑筆接C極，紅筆接E極，萬用表指針在無窮大位置（新舊模塊都一樣）。這時用手指同時觸及G極和C極，IGBT被導通，指針向右偏轉，并停在一個位置，松開手后仍能站住；新模塊停在11.5×10 k位置，舊模塊停在10.5×10 k位置。然后再用手指觸及G極和E極，IGBT被阻斷，指針回無窮大方向。新舊模塊都回到無窮大方向，判斷舊模塊的導通性是好的。

用模擬表的R×1 k檔對各極之間的阻值進行測量，并和新模塊進行了比對，情況如下：首先對3個極之間短路放電。（1）紅筆接G極，黑筆分別接E、C極；黑筆接G極，紅筆分別接E、C極。正反向阻值新舊模塊均為無窮大。（2）紅筆接C極，黑筆接E極。所測阻值，新模塊為2.3 kΩ，舊模塊為3 kΩ，判斷舊模塊基本是好的。（3）用數(shù)字萬用表的二極管檔對IGBT的E極和C極之間的二極管壓降作了測量，情況如下：新模塊0.27 V，舊模塊0.31 V，判斷舊模塊基本是好的。

用數(shù)字萬用表的R×20 k檔對IGBT的E極（紅筆）和C極（黑筆）之間的阻值進行了測量，情況如下：新模塊都大約在5.9～5.95 kΩ之間，舊模塊都大約在6.3～6.7 kΩ之間，判斷舊模塊基本上是好的。

重新安裝新的IGBT模塊，SMU、SML模塊。注意：拆IGBT模塊時，它的固定螺栓和螺母是用紅漆標定的，每個位置的螺栓和螺帽都要成組地放好。安裝IGBT模塊時要先緊固中間2個螺栓，再依次按對角線方式緊固剩下的螺栓，緊固到螺栓和螺母的紅漆重合，才表示扭矩值合適。IGBT底部要均勻薄涂導熱硅脂；SMU、SML模塊拆裝時要注意上下位置。頂驅上電，進行上卸扣作業(yè)，結果依舊報F027故障，排除IGBT和SMU、SML模塊原因。

在拿到新的IGD8板后立即更換掉舊的IGD8板，頂驅重新上電，進行上卸扣作業(yè)，頂驅運轉正常，至今未報F027故障。

4 結論

（1）采用西門子6SE70系統(tǒng)的VARCO頂驅，使用一段時間以后有可能會出現(xiàn)F027故障報警，如不及時處理，會影響頂驅正常使用，進而影響整個鉆機的作業(yè)。（2）F027故障要從外部和內(nèi)部2個方面根據(jù)具體情況進行判斷和解決。（3）西門子6SE70系統(tǒng)廣泛用于頂驅及鉆機的控制系統(tǒng)，其他采用該系統(tǒng)的設備出現(xiàn)類似問題可以參照解決。

［1］蔡正敏，張軍，申朝廷，等.頂驅鉆井裝置傾斜液壓機構臨界載荷的精確解［J］.石油礦場機械，2010（6）

［2］蔡正敏，張軍，申朝廷，等.頂驅鉆井裝置傾斜液壓機構臨界載荷計算分析［J］.石油礦場機械，2010（3）