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案例頻道關(guān)鍵詞: 鉆機(jī)；發(fā)電機(jī)電網(wǎng)；VFD系統(tǒng)；整流器；諧波畸變率
劉博（1973－）男，國(guó)家注冊(cè)電氣工程師，長(zhǎng)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(guó)內(nèi)鉆井裝備承包（配套）商，理解變頻鉆機(jī)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(gè)鉆井設(shè)備裝機(jī)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(fù)載工況、重載工況變化有所不同，屬于波動(dòng)變化的諧波，不同于一般計(jì)算機(jī)以及電子整流裝置和不間斷電源等非線性諧波負(fù)載產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的諧波。諧波對(duì)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(guò)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(jī)油耗增大效率降低，發(fā)電機(jī)過(guò)熱輸出功率降低。同時(shí)交流變量的復(fù)雜性增加了發(fā)電機(jī)組同步并車裝置的復(fù)雜性，嚴(yán)重影響繼電保護(hù)控制的靈敏性與準(zhǔn)確性以及自動(dòng)檢測(cè)裝置工作和可靠性，使測(cè)量和計(jì)量?jī)x表指示不準(zhǔn)，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(dòng)，數(shù)據(jù)處理錯(cuò)誤等；
（３）諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)電動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)矩影響不大，但會(huì)產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩，引發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸扭曲振動(dòng)問(wèn)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(dòng)機(jī)的出力一般不能根據(jù)發(fā)熱情況進(jìn)行調(diào)整，由諧波引起電動(dòng)機(jī)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(fù)序電壓來(lái)考慮的，試驗(yàn)表明，在額定工況下持續(xù)承受3％的負(fù)序電壓，電動(dòng)機(jī)絕緣壽命要減少一半，建議控制負(fù)序電壓不宜超過(guò)額定電壓2％；
（４）發(fā)電機(jī)與主電機(jī)的電纜截面選型至少加大30％，且選用對(duì)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(duì)地電容，它們與諧波負(fù)載組成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時(shí)，在一定參數(shù)配合的條件下，會(huì)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(guò)電壓和過(guò)電流對(duì)相關(guān)設(shè)備危害較大。當(dāng)諧波頻率接近網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)時(shí)，會(huì)激勵(lì)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(huì)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(guò)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(huì)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(shí)，就會(huì)產(chǎn)生諧波電流放大，使得電容器因過(guò)熱、過(guò)電壓等而不能正常運(yùn)行。
３ 諧波的治理及消除
目前在鉆井電控系統(tǒng)配套時(shí)普遍采用提高發(fā)電機(jī)組額定容量，加大發(fā)電機(jī)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(qiáng)、整定值較大的斷路器、熔斷器等保護(hù)元件的辦法，不但不能從根本上消除諧波，反而降低了保護(hù)特性與功能，造成了投資浪費(fèi)，并增加供電系統(tǒng)隱患。因此從根本上治理諧波需要通過(guò)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(dòng)系統(tǒng)單機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖１ 鉆井電傳動(dòng)系統(tǒng)單機(jī)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(jī)越大 | 諧波電流越高 |
| 負(fù)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(jī)容量越大 | 諧波電流越低 |
| 發(fā)電機(jī)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(duì)于不同交流傳動(dòng)整流方式的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如圖2所示，值得一提的是使用IGBT整流方式將會(huì)得到24脈沖整流器結(jié)構(gòu)形式的諧波治理效果，而簡(jiǎn)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(dòng)整流方式技術(shù)指標(biāo)
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(guó)）有限公司，北京 100016）
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)