VARCO－11SA頂驅(qū)F027故障分析及處理

王永江

（中石油長(zhǎng)城鉆探，北京100101）

1 故障介紹

故障時(shí)間：2012年3月。故障地點(diǎn)：委內(nèi)瑞拉SANTOME區(qū)塊。故障現(xiàn)象：頂驅(qū)上卸扣作業(yè)時(shí)，在主軸將要達(dá)到設(shè)定上扣扭矩值時(shí)（25 000 ft－lbs），電控房逆變器報(bào)F027故障，頂驅(qū)停機(jī)；故障雖然可以暫時(shí)復(fù)位，但此后仍會(huì)發(fā)生F027故障。隨后觀察發(fā)現(xiàn)，只要上卸扣將要達(dá)到設(shè)定值時(shí)，就會(huì)報(bào)F027故障，空載運(yùn)轉(zhuǎn)主軸時(shí)，不報(bào)F027故障。

2 故障分析

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

逆變器運(yùn)行報(bào)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(wèn)題，其中包括逆變功率單元的絕緣、電纜的絕緣、電機(jī)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(lái)比較是否是逆變器同一橋報(bào)警，從而區(qū)分是外部故障還是控制房?jī)?nèi)部故障。若是外部故障，可繼續(xù)通過(guò)再跳頂驅(qū)主機(jī)端快速插頭的方法來(lái)確定是電纜問(wèn)題還是電機(jī)問(wèn)題；若是控制房?jī)?nèi)部問(wèn)題，則需進(jìn)行逐一分析。

當(dāng)IGBT過(guò)電流或短路時(shí)，會(huì)造成IGBT的失效和損毀，因此變頻器在設(shè)計(jì)中一旦檢測(cè)到過(guò)電流情況的發(fā)生，會(huì)對(duì)IGBT進(jìn)行關(guān)斷從而保護(hù)功率元件。在過(guò)電流的檢測(cè)中，一種是直接電流檢測(cè)法，采用霍爾電流傳感器；一種是間接法，通過(guò)測(cè)量IGBT集電極和發(fā)射極之間的電壓來(lái)判斷IGBT是否過(guò)電流或短路。VARCO－11SA頂驅(qū)使用的西門(mén)子逆變器采用的是Uce關(guān)機(jī)保護(hù)電路。Uce關(guān)機(jī)是指當(dāng)逆變器過(guò)電流或短路時(shí)，電流可達(dá)到額定電流的數(shù)倍。Uce＝Ice×Rce（Rce：IGBT導(dǎo)通時(shí)集電極和發(fā)射極間的電阻），過(guò)電流時(shí)，Uce瞬間增大，超過(guò)設(shè)定的閾值，保護(hù)電路會(huì)關(guān)斷IGBT并向CU板報(bào)故障。

Uce關(guān)機(jī)主要是2個(gè)方面原因引起的：（1）輸出側(cè)電路故障，主要是L3相短路或接地故障（－X2：W2，包括馬達(dá)）；（2）變頻器內(nèi)部故障。

3 處理經(jīng)過(guò)

在對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行分析后，故障排查順序也就很清晰了，首先應(yīng)進(jìn)行外部故障排查，如沒(méi)有問(wèn)題再進(jìn)行內(nèi)部故障排除。從實(shí)際情況看，只有在大扭矩，也就是對(duì)應(yīng)大電流的時(shí)候報(bào)F027，故障現(xiàn)場(chǎng)和外部故障關(guān)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(cè)故障。

3.1 外部故障排查

利用頂驅(qū)停機(jī)時(shí)間拆除電控房和電機(jī)的動(dòng)力電纜接頭，用搖表檢測(cè)L1－L2，L1－L3，L2－L3電纜絕緣，都在20 MΩ以上；并對(duì)這3相對(duì)地絕緣進(jìn)行測(cè)量，都在50 MΩ以上。排除輸出端主動(dòng)力電纜短路和接地故障。測(cè)量左右2個(gè)主電機(jī)對(duì)外殼絕緣，都在500 MΩ以上，均正常；測(cè)量左右2個(gè)主電機(jī)繞組對(duì)地絕緣，都在7 MΩ以上，均正常，排除電機(jī)方面故障。接下來(lái)又把L3和L2動(dòng)力電纜互換，頂驅(qū)上電，故障依舊。L3和L1動(dòng)力電纜互換，頂驅(qū)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(duì)變頻器內(nèi)部故障作了初步判斷：由于IGBT觸發(fā)導(dǎo)通的過(guò)程是CUVC主控板給出觸發(fā)信號(hào)，然后IVI板接收觸發(fā)信號(hào)并傳給IGD8板，接下來(lái)IGD8柵極驅(qū)動(dòng)板觸發(fā)導(dǎo)通IGBT模塊，同時(shí)IGD8板又把采集到的IGBT的Uce關(guān)機(jī)閥值反饋給IVI板，再反饋給CUVC板。CUVC板作出最后的Uce關(guān)機(jī)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(hào)減弱，導(dǎo)致IGBT柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)不穩(wěn)定。光纖松動(dòng)，與IGD8板之間的光信號(hào)傳輸不暢。（3）IGD8板老化、損壞。IGD8板工作時(shí)會(huì)頻繁關(guān)斷用于導(dǎo)通IGBT，這樣會(huì)造成驅(qū)動(dòng)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(shí)，散發(fā)出很強(qiáng)的熱量，這也會(huì)加快IGD8板老化，導(dǎo)致其損壞，不能觸發(fā)IGBT和反饋真實(shí)的Uce值。于是CUVC會(huì)判斷Uce關(guān)機(jī)，造成F027故障出現(xiàn)。（4）電流互感器CT損壞，連接松動(dòng)，檢測(cè)不到真實(shí)電流信號(hào)，或電流信號(hào)不穩(wěn)，都會(huì)讓IVI得到一個(gè)錯(cuò)誤信號(hào)，從而也有可能會(huì)讓CUVC板發(fā)出F027停機(jī)信號(hào)。（5）CUVC板損壞或插接不良、松動(dòng)以及受潮、表面污損等都會(huì)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(duì)IGBT的瞬態(tài)浪涌電壓進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)，也有可能會(huì)導(dǎo)致F027故障。

因?yàn)椴还苁歉鼡QIGD8、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(duì)此模塊上的電容、電阻、二極管進(jìn)行測(cè)量，未發(fā)現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。

對(duì)拆下來(lái)的4塊IGBT進(jìn)行測(cè)量，并與新的IGBT模塊進(jìn)行比對(duì)，情況如下：

IGBT導(dǎo)通性：模擬萬(wàn)用表R×10 k檔，黑筆接C極，紅筆接E極，萬(wàn)用表指針在無(wú)窮大位置（新舊模塊都一樣）。這時(shí)用手指同時(shí)觸及G極和C極，IGBT被導(dǎo)通，指針向右偏轉(zhuǎn)，并停在一個(gè)位置，松開(kāi)手后仍能站?。恍履K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?zé)o窮大方向。新舊模塊都回到無(wú)窮大方向，判斷舊模塊的導(dǎo)通性是好的。

用模擬表的R×1 k檔對(duì)各極之間的阻值進(jìn)行測(cè)量，并和新模塊進(jìn)行了比對(duì)，情況如下：首先對(duì)3個(gè)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(wú)窮大。（2）紅筆接C極，黑筆接E極。所測(cè)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(wàn)用表的二極管檔對(duì)IGBT的E極和C極之間的二極管壓降作了測(cè)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(wàn)用表的R×20 k檔對(duì)IGBT的E極（紅筆）和C極（黑筆）之間的阻值進(jìn)行了測(cè)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(shí)，它的固定螺栓和螺母是用紅漆標(biāo)定的，每個(gè)位置的螺栓和螺帽都要成組地放好。安裝IGBT模塊時(shí)要先緊固中間2個(gè)螺栓，再依次按對(duì)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(dǎo)熱硅脂；SMU、SML模塊拆裝時(shí)要注意上下位置。頂驅(qū)上電，進(jìn)行上卸扣作業(yè)，結(jié)果依舊報(bào)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(qū)重新上電，進(jìn)行上卸扣作業(yè)，頂驅(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，至今未報(bào)F027故障。

4 結(jié)論

（1）采用西門(mén)子6SE70系統(tǒng)的VARCO頂驅(qū)，使用一段時(shí)間以后有可能會(huì)出現(xiàn)F027故障報(bào)警，如不及時(shí)處理，會(huì)影響頂驅(qū)正常使用，進(jìn)而影響整個(gè)鉆機(jī)的作業(yè)。（2）F027故障要從外部和內(nèi)部2個(gè)方面根據(jù)具體情況進(jìn)行判斷和解決。（3）西門(mén)子6SE70系統(tǒng)廣泛用于頂驅(qū)及鉆機(jī)的控制系統(tǒng)，其他采用該系統(tǒng)的設(shè)備出現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)題可以參照解決。

［1］蔡正敏，張軍，申朝廷，等.頂驅(qū)鉆井裝置傾斜液壓機(jī)構(gòu)臨界載荷的精確解［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010（6）

［2］蔡正敏，張軍，申朝廷，等.頂驅(qū)鉆井裝置傾斜液壓機(jī)構(gòu)臨界載荷計(jì)算分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010（3）