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案例頻道關鍵詞: 鉆機；發電機電網；VFD系統；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鉆井裝備承包（配套）商，理解變頻鉆機的電控系統中諧波產生的原因和危害以及消除辦法，并根據用戶的要求選擇不同的VFD系統配套解決方案。
在鉆井電控系統中諧波源主要為絞車、轉盤（或頂驅）、泥漿泵變頻器，占整個鉆井設備裝機總容量的80％以上，隨著鉆井工況的需要，產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生相對穩定的諧波。諧波對鉆井電控系統的危害體現在增加發、輸、供（配）和用電設備的附加損耗，使設備過熱，降低設備效率和利用率。
2 諧波的危害
（１）如引起柴油機油耗增大效率降低，發電機過熱輸出功率降低。同時交流變量的復雜性增加了發電機組同步并車裝置的復雜性，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，干擾通信系統的正常工作等；
（２）司鉆操作站和電氣工程師站組態畫面圖形畸變、亮度波動，數據處理錯誤等；
（３）諧波轉矩對電動機平均轉矩影響不大，但會產生顯著的脈沖轉矩，引發電機轉軸扭曲振動問題。由于集膚效應、磁滯、渦流等，隨著頻率增高而使鐵心和繞組產生的附加損耗增加。由于電動機的出力一般不能根據發熱情況進行調整，由諧波引起電動機的發熱效應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回路或并聯回路時，在一定參數配合的條件下，會發生串聯諧振或并聯諧振。一般情況下，并聯諧波諧振所產生的諧波過電壓和過電流對相關設備危害較大。當諧波頻率接近網絡諧振點附近的諧振區時，會激勵電感、電容產生部分諧振，形成諧波放大；
（５） 三次及倍數次諧波電流會在三角形聯接的輔助變壓器繞組中形成環流，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增大、附加損耗增加，從而容易發生故障和縮短電容器壽命；另一方面電容器的電容與電網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配套時普遍采用提高發電機組額定容量，加大發電機的短路容量，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，并增加供電系統隱患。因此從根本上治理諧波需要通過改變鉆井電控系統中整流單元的結構形式或使用外部濾波器。典型的鉆井電傳動系統單機結構如圖1所示。
圖１ 鉆井電傳動系統單機結構
表1 影響電流畸變率或電壓畸變率的相關因素：
| 原因 | 結果 |
| 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 |
| 整流器波頭數越多 | 諧波電流越低 |
| 發電機容量越大 | 諧波電流越低 |
| 發電機次瞬態短路阻抗Xd”越小 | 諧波電流越低 |
| 系統短路容量越大 | 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脈沖整流器結構形式的諧波治理效果，而簡單的系統結構和6脈沖整流方式相同。
圖２ 交流傳動整流方式技術指標
圖３ 干凈電源產生示意圖
表2 整流器結構形式的治理效果及成本分析：
| 整流結構型式 | 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