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案例頻道關(guān)鍵詞: 鉆機；發(fā)電機電網(wǎng)；VFD系統(tǒng)；整流器；諧波畸變率
劉博（1973－）男，國家注冊電氣工程師，長期從事石油鉆井裝備的配套工作。
1 引言
本文目的在于幫助用戶和國內(nèi)鉆井裝備承包（配套）商，理解變頻鉆機的電控系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的原因和危害以及消除辦法，并根據(jù)用戶的要求選擇不同的VFD系統(tǒng)配套解決方案。
在鉆井電控系統(tǒng)中諧波源主要為絞車、轉(zhuǎn)盤（或頂驅(qū)）、泥漿泵變頻器，占整個鉆井設(shè)備裝機總?cè)萘康?0％以上，隨著鉆井工況的需要，產(chǎn)生各次諧波電流幅值隨著一般鉆井負載工況、重載工況變化有所不同，屬于波動變化的諧波，不同于一般計算機以及電子整流裝置和不間斷電源等非線性諧波負載產(chǎn)生相對穩(wěn)定的諧波。諧波對鉆井電控系統(tǒng)的危害體現(xiàn)在增加發(fā)、輸、供（配）和用電設(shè)備的附加損耗，使設(shè)備過熱，降低設(shè)備效率和利用率。
2 諧波的危害
（１）如引起柴油機油耗增大效率降低，發(fā)電機過熱輸出功率降低。同時交流變量的復(fù)雜性增加了發(fā)電機組同步并車裝置的復(fù)雜性，嚴重影響繼電保護控制的靈敏性與準確性以及自動檢測裝置工作和可靠性，使測量和計量儀表指示不準，干擾通信系統(tǒng)的正常工作等；
（２）司鉆操作站和電氣工程師站組態(tài)畫面圖形畸變、亮度波動，數(shù)據(jù)處理錯誤等；
（３）諧波轉(zhuǎn)矩對電動機平均轉(zhuǎn)矩影響不大，但會產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩，引發(fā)電機轉(zhuǎn)軸扭曲振動問題。由于集膚效應(yīng)、磁滯、渦流等，隨著頻率增高而使鐵心和繞組產(chǎn)生的附加損耗增加。由于電動機的出力一般不能根據(jù)發(fā)熱情況進行調(diào)整，由諧波引起電動機的發(fā)熱效應(yīng)是按它能承受的諧波電壓折算成等值的基波負序電壓來考慮的，試驗表明，在額定工況下持續(xù)承受3％的負序電壓，電動機絕緣壽命要減少一半，建議控制負序電壓不宜超過額定電壓2％；
（４）發(fā)電機與主電機的電纜截面選型至少加大30％，且選用對稱的三相電纜。由于交直流線路中存在分布的線路電感和對地電容，它們與諧波負載組成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時，在一定參數(shù)配合的條件下，會發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振。一般情況下，并聯(lián)諧波諧振所產(chǎn)生的諧波過電壓和過電流對相關(guān)設(shè)備危害較大。當諧波頻率接近網(wǎng)絡(luò)諧振點附近的諧振區(qū)時，會激勵電感、電容產(chǎn)生部分諧振，形成諧波放大；
（５） 三次及倍數(shù)次諧波電流會在三角形聯(lián)接的輔助變壓器繞組中形成環(huán)流，增加銅耗使繞組過熱，絕緣加速老化、壽命縮短甚至損壞；
（６） 隨著諧波電壓增高，會加速電容器的老化，使電容器的損耗系數(shù)增大、附加損耗增加，從而容易發(fā)生故障和縮短電容器壽命；另一方面電容器的電容與電網(wǎng)的感抗組成的諧振回路諧振頻率等于或接近于某次諧波分量頻率時，就會產(chǎn)生諧波電流放大，使得電容器因過熱、過電壓等而不能正常運行。
３ 諧波的治理及消除
目前在鉆井電控系統(tǒng)配套時普遍采用提高發(fā)電機組額定容量，加大發(fā)電機的短路容量，加粗主電纜截面，增大輔助變壓器容量，以及選用遮斷能力強、整定值較大的斷路器、熔斷器等保護元件的辦法，不但不能從根本上消除諧波，反而降低了保護特性與功能，造成了投資浪費，并增加供電系統(tǒng)隱患。因此從根本上治理諧波需要通過改變鉆井電控系統(tǒng)中整流單元的結(jié)構(gòu)形式或使用外部濾波器。典型的鉆井電傳動系統(tǒng)單機結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖１ 鉆井電傳動系統(tǒng)單機結(jié)構(gòu)
表1 影響電流畸變率或電壓畸變率的相關(guān)因素：
| 原因 | 結(jié)果 |
| 電機越大 | 諧波電流越高 |
| 負載越重 | 諧波電流越高 |
| DC或AC電抗越大 | 諧波電流越低 |
| 整流器波頭數(shù)越多 | 諧波電流越低 |
| 發(fā)電機容量越大 | 諧波電流越低 |
| 發(fā)電機次瞬態(tài)短路阻抗Xd”越小 | 諧波電流越低 |
| 系統(tǒng)短路容量越大 | 諧波電流越低 |
對于不同交流傳動整流方式的技術(shù)指標對比如圖2所示，值得一提的是使用IGBT整流方式將會得到24脈沖整流器結(jié)構(gòu)形式的諧波治理效果，而簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和6脈沖整流方式相同。
圖２ 交流傳動整流方式技術(shù)指標
圖３ 干凈電源產(chǎn)生示意圖
表2 整流器結(jié)構(gòu)形式的治理效果及成本分析：
| 整流結(jié)構(gòu)型式 | 5th | 7th | 11th | 13th | 17th | 19th | 制造成本 |
| 6脈整流不帶電抗 | 63﹪ | 54﹪ | 10﹪ | 6.1﹪ | 6.7﹪ | 4.8﹪ | 100﹪ |
| 6脈整流帶電抗 | 30﹪ | 12﹪ | 8.9﹪ | 5.6﹪ | 4.4﹪ | 4.1﹪ | 120﹪ |
| 12脈整三繞組變 | 11﹪ | 5.8﹪ | 6.2﹪ | 4.7﹪ | 1.7﹪ | 1.45﹪ | 200﹪ |
| 24脈整多繞組變 | 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：
劉 博（ABB（中國）有限公司，北京 100016）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號