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案例详细
标题钻井电控系统中的谐波分析及治理
技术领域工业以太网
行业
简介描述钻井电控系统产生谐波的原因及危害，提出解决办法及相应的成本分析。
内容

                                           关键词: 钻机；发电机电网；VFD系统；整流器；谐波畸变率

    刘博（1973－）
男，国家注册电气工程师，长期从事石油钻井装备的配套工作。

1     引言

    本文目的在于帮助用户和国内钻井装备承包（配套）商，理解变频钻机的电控系统中谐波产生的原因和危害以及消除办法，并根据用户的要求选择不同的VFD系统配套解决方案。
    
    在钻井电控系统中谐波源主要为绞车、转盘（或顶驱）、泥浆泵变频器，占整个钻井设备装机总容量的80％以上，随着钻井工况的需要，产生各次谐波电流幅值随着一般钻井负载工况、重载工况变化有所不同，属于波动变化的谐波，不同于一般计算机以及电子整流装置和不间断电源等非线性谐波负载产生相对稳定的谐波。谐波对钻井电控系统的危害体现在增加发、输、供（配）和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备效率和利用率。

2     谐波的危害

    （１）如引起柴油机油耗增大效率降低，发电机过热输出功率降低。同时交流变量的复杂性增加了发电机组同步并车装置的复杂性，严重影响继电保护控制的灵敏性与准确性以及自动检测装置工作和可靠性，使测量和计量仪表指示不准，干扰通信系统的正常工作等；

    （２）司钻操作站和电气工程师站组态画面图形畸变、亮度波动，数据处理错误等；

    （３）谐波转矩对电动机平均转矩影响不大，但会产生显著的脉冲转矩，引发电机转轴扭曲振动问题。由于集肤效应、磁滞、涡流等，随着频率增高而使铁心和绕组产生的附加损耗增加。由于电动机的出力一般不能根据发热情况进行调整，由谐波引起电动机的发热效应是按它能承受的谐波电压折算成等值的基波负序电压来考虑的，试验表明，在额定工况下持续承受3％的负序电压，电动机绝缘寿命要减少一半，建议控制负序电压不宜超过额定电压2％；

    （４）发电机与主电机的电缆截面选型至少加大30％，且选用对称的三相电缆。由于交直流线路中存在分布的线路电感和对地电容，它们与谐波负载组成串联回路或并联回路时，在一定参数配合的条件下，会发生串联谐振或并联谐振。一般情况下，并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备危害较大。当谐波频率接近网络谐振点附近的谐振区时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大；

    （５） 三次及倍数次谐波电流会在三角形联接的辅助变压器绕组中形成环流，增加铜耗使绕组过热，绝缘加速老化、寿命缩短甚至损坏；

    （６） 随着谐波电压增高，会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器寿命；另一方面电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路谐振频率等于或接近于某次谐波分量频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行。

３   谐波的治理及消除

    目前在钻井电控系统配套时普遍采用提高发电机组额定容量，加大发电机的短路容量，加粗主电缆截面，增大辅助变压器容量，以及选用遮断能力强、整定值较大的断路器、熔断器等保护元件的办法，不但不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，造成了投资浪费，并增加供电系统隐患。因此从根本上治理谐波需要通过改变钻井电控系统中整流单元的结构形式或使用外部滤波器。典型的钻井电传动系统单机结构如图1所示。



图１    钻井电传动系统单机结构

    谐波电流多少取决于交流传动的整流方式，谐波电压为谐波电流与系统阻抗之积。国内一般在钻井电控系统配套中采用6脉冲整流器结构型式， 没有独立的隔离变压器，因此在600V母线的发电机桩头上除3次及其倍数次谐波外，还有5，7，11，13等多次谐波，总的电流畸变率THDi约为30%，总电压畸变率THDu为15%左右。影响THDi或THDu的相关因素如表1所示。

    表1    影响电流畸变率或电压畸变率的相关因素：

 原因  结果
 电机越大  谐波电流越高
 负载越重  谐波电流越高
 DC或AC电抗越大  谐波电流越低
 整流器波头数越多  谐波电流越低
 发电机容量越大  谐波电流越低
 发电机次瞬态短路阻抗Xd”越小  谐波电流越低
 系统短路容量越大  谐波电流越低

    对于不同交流传动整流方式的技术指标对比如图2所示，值得一提的是使用IGBT整流方式将会得到24脉冲整流器结构形式的谐波治理效果，而简单的系统结构和6脉冲整流方式相同。



图２    交流传动整流方式技术指标

    其中IGBT整流原理类似外部有源滤波装置，随着电力电子技术的发展，哪里污染就在哪里治理已成为可能，依据现有谐波电流同时产生反向的补偿电流予以抵消，实现真正的干净电源，如图3所示。



图３    干净电源产生示意图

    为方便在日后配套使用中理解和实际运用，对各种不同整流器结构形式的治理效果和成本分析对比见表2，以6脉冲整流形式不带电抗器的成本为基数。

    表2    整流器结构形式的治理效果及成本分析：

 整流结构型式  5th   7th   11th   13th   17th   19th 制造成本
 6脉整流不带电抗  63﹪  54﹪  10﹪  6.1﹪   6.7﹪   4.8﹪  100﹪
 6脉整流带电抗  30﹪  12﹪   8.9﹪   5.6﹪   4.4﹪  4.1﹪   120﹪
 12脉整三绕组变  11﹪  5.8﹪  6.2﹪  4.7﹪  1.7﹪  1.45﹪  200﹪
 24脉整多绕组变  4.0﹪  2.7﹪  1.0﹪  0.7﹪  1.4﹪  1.4﹪  250﹪
 IGBT整流  2.6﹪  3.4﹪  3.0﹪  0.1﹪  2.1﹪  2.2﹪  160﹪

作者信息：

    刘    博（ABB（中国）有限公司，北京  100016）