VARCO－11SA顶驱F027故障分析及处理

王永江

（中石油长城钻探，北京100101）

1 故障介绍

故障时间：2012年3月。故障地点：委内瑞拉SANTOME区块。故障现象：顶驱上卸扣作业时，在主轴将要达到设定上扣扭矩值时（25 000 ft－lbs），电控房逆变器报F027故障，顶驱停机；故障虽然可以暂时复位，但此后仍会发生F027故障。随后观察发现，只要上卸扣将要达到设定值时，就会报F027故障，空载运转主轴时，不报F027故障。

2 故障分析

查手册得知F027故障是由于输出端L3相UCE关机引起的。手册上给出的解决方法如下：（1）检查L3相短路或者接地故障（－X2：W2，包括马达）；（2）CU 板正确插入；（3）“SAFE OFF”（X9／5－6）开关已经打开。

逆变器运行报警分为外部故障及内部故障，外部故障检查系统的绝缘问题，其中包括逆变功率单元的绝缘、电缆的绝缘、电机的绝缘等。在检查完绝缘后可以在变频房接头处调换电缆接头的顺序，来比较是否是逆变器同一桥报警，从而区分是外部故障还是控制房内部故障。若是外部故障，可继续通过再跳顶驱主机端快速插头的方法来确定是电缆问题还是电机问题；若是控制房内部问题，则需进行逐一分析。

当IGBT过电流或短路时，会造成IGBT的失效和损毁，因此变频器在设计中一旦检测到过电流情况的发生，会对IGBT进行关断从而保护功率元件。在过电流的检测中，一种是直接电流检测法，采用霍尔电流传感器；一种是间接法，通过测量IGBT集电极和发射极之间的电压来判断IGBT是否过电流或短路。VARCO－11SA顶驱使用的西门子逆变器采用的是Uce关机保护电路。Uce关机是指当逆变器过电流或短路时，电流可达到额定电流的数倍。Uce＝Ice×Rce（Rce：IGBT导通时集电极和发射极间的电阻），过电流时，Uce瞬间增大，超过设定的阈值，保护电路会关断IGBT并向CU板报故障。

Uce关机主要是2个方面原因引起的：（1）输出侧电路故障，主要是L3相短路或接地故障（－X2：W2，包括马达）；（2）变频器内部故障。

3 处理经过

在对故障现象进行分析后，故障排查顺序也就很清晰了，首先应进行外部故障排查，如没有问题再进行内部故障排除。从实际情况看，只有在大扭矩，也就是对应大电流的时候报F027，故障现场和外部故障关联不大，但从故障排除的先易后难、先外后内原则出发，首先还是要检查外部故障，即输出侧故障。

3.1 外部故障排查

利用顶驱停机时间拆除电控房和电机的动力电缆接头，用摇表检测L1－L2，L1－L3，L2－L3电缆绝缘，都在20 MΩ以上；并对这3相对地绝缘进行测量，都在50 MΩ以上。排除输出端主动力电缆短路和接地故障。测量左右2个主电机对外壳绝缘，都在500 MΩ以上，均正常；测量左右2个主电机绕组对地绝缘，都在7 MΩ以上，均正常，排除电机方面故障。接下来又把L3和L2动力电缆互换，顶驱上电，故障依旧。L3和L1动力电缆互换，顶驱上电，故障依旧，因此彻底排除外部故障。

3.2 内部故障排查

对变频器内部故障作了初步判断：由于IGBT触发导通的过程是CUVC主控板给出触发信号，然后IVI板接收触发信号并传给IGD8板，接下来IGD8栅极驱动板触发导通IGBT模块，同时IGD8板又把采集到的IGBT的Uce关机阀值反馈给IVI板，再反馈给CUVC板。CUVC板作出最后的Uce关机故障判断。

所以引起F025、F026、F027故障的内部原因基本包括：（1）IGBT模块损坏。（2）IVI板光纤发射管发射的光信号减弱，导致IGBT栅极驱动信号不稳定。光纤松动，与IGD8板之间的光信号传输不畅。（3）IGD8板老化、损坏。IGD8板工作时会频繁关断用于导通IGBT，这样会造成驱动电路元器件老化，引起该板损坏。又由于IGD8功率触发板离IGBT较近，IGBT工作时，散发出很强的热量，这也会加快IGD8板老化，导致其损坏，不能触发IGBT和反馈真实的Uce值。于是CUVC会判断Uce关机，造成F027故障出现。（4）电流互感器CT损坏，连接松动，检测不到真实电流信号，或电流信号不稳，都会让IVI得到一个错误信号，从而也有可能会让CUVC板发出F027停机信号。（5）CUVC板损坏或插接不良、松动以及受潮、表面污损等都会引起F027故障。（6）IGBT上下桥臂的SMU、SML阻容吸收板（RCT）损坏，不能针对IGBT的瞬态浪涌电压进行过压保护，也有可能会导致F027故障。

因为不管是更换IGD8、IGBT模块还是SMU、SML板，工作量都很大，所以索性作出换新IGBT模块的决定。

拆IGBT模块，观察拆下的SMU、SML板外观正常。对此模块上的电容、电阻、二极管进行测量，未发现击穿现象。

对拆下来的4块IGBT进行测量，并与新的IGBT模块进行比对，情况如下：

IGBT导通性：模拟万用表R×10 k档，黑笔接C极，红笔接E极，万用表指针在无穷大位置（新旧模块都一样）。这时用手指同时触及G极和C极，IGBT被导通，指针向右偏转，并停在一个位置，松开手后仍能站住；新模块停在11.5×10 k位置，旧模块停在10.5×10 k位置。然后再用手指触及G极和E极，IGBT被阻断，指针回无穷大方向。新旧模块都回到无穷大方向，判断旧模块的导通性是好的。

用模拟表的R×1 k档对各极之间的阻值进行测量，并和新模块进行了比对，情况如下：首先对3个极之间短路放电。（1）红笔接G极，黑笔分别接E、C极；黑笔接G极，红笔分别接E、C极。正反向阻值新旧模块均为无穷大。（2）红笔接C极，黑笔接E极。所测阻值，新模块为2.3 kΩ，旧模块为3 kΩ，判断旧模块基本是好的。（3）用数字万用表的二极管档对IGBT的E极和C极之间的二极管压降作了测量，情况如下：新模块0.27 V，旧模块0.31 V，判断旧模块基本是好的。

用数字万用表的R×20 k档对IGBT的E极（红笔）和C极（黑笔）之间的阻值进行了测量，情况如下：新模块都大约在5.9～5.95 kΩ之间，旧模块都大约在6.3～6.7 kΩ之间，判断旧模块基本上是好的。

重新安装新的IGBT模块，SMU、SML模块。注意：拆IGBT模块时，它的固定螺栓和螺母是用红漆标定的，每个位置的螺栓和螺帽都要成组地放好。安装IGBT模块时要先紧固中间2个螺栓，再依次按对角线方式紧固剩下的螺栓，紧固到螺栓和螺母的红漆重合，才表示扭矩值合适。IGBT底部要均匀薄涂导热硅脂；SMU、SML模块拆装时要注意上下位置。顶驱上电，进行上卸扣作业，结果依旧报F027故障，排除IGBT和SMU、SML模块原因。

在拿到新的IGD8板后立即更换掉旧的IGD8板，顶驱重新上电，进行上卸扣作业，顶驱运转正常，至今未报F027故障。

4 结论

（1）采用西门子6SE70系统的VARCO顶驱，使用一段时间以后有可能会出现F027故障报警，如不及时处理，会影响顶驱正常使用，进而影响整个钻机的作业。（2）F027故障要从外部和内部2个方面根据具体情况进行判断和解决。（3）西门子6SE70系统广泛用于顶驱及钻机的控制系统，其他采用该系统的设备出现类似问题可以参照解决。

［1］蔡正敏，张军，申朝廷，等.顶驱钻井装置倾斜液压机构临界载荷的精确解［J］.石油矿场机械，2010（6）

［2］蔡正敏，张军，申朝廷，等.顶驱钻井装置倾斜液压机构临界载荷计算分析［J］.石油矿场机械，2010（3）