电动钻机控制系统及顶驱控制系统的谐波干扰及其抑制

童红雷 （中石化江汉石油管理局钻井二公司，湖北 潜江433123）

电动钻机控制系统及顶驱控制系统的谐波干扰及其抑制

童红雷 （中石化江汉石油管理局钻井二公司，湖北 潜江433123）

在电动钻机控制系统及顶驱控制系统运行过程中出现的谐波干扰现象，轻者干扰SCR房和顶驱电控系统的正常运转，重者会烧毁SCR房和顶驱电控系统内重要的控制模块。通过对各种工况下的600V（220V）电压波形拍照，找出了产生谐波干扰的根源。由此提出了减少和消除谐波干扰的具体方案。

电动钻机；顶驱；控制系统；谐波干扰；消除

1 谐波干扰的出现

江汉钻井70130队的电控房是2002年从SIEMENS原装进口的全数字化控制的SCR（直流可控硅）房，因这个硅房的设计实际上是照搬海上平台的设计，故电控房内每组晶闸管的进线上均加装了进线电抗。柴油机是底特律的，发电机是马拉松的，每台的单机容量是1714kW，功率是1200kW，电压是600V，频率是50Hz。考虑到将来使用自备发电机的可能性，在试用高压电的1个月后开始使用自备发电机。

当将全井场的用电从高压电倒成自备发电机后，发现顶驱电控房内PLC/MCC柜内的隔离变压器发出较明显的低沉的嗡嗡声，OT3000型UPS（不间断电源）的控制面板上频繁的发出 “电压低”报警（用万用表测得当时的电压为598V），其内部也频繁发出开关切换的声音。而由UPS直接供电的指示灯也随着UPS内部开关的切换出现明显的闪烁。没多久，绝大多数的指示灯均被烧毁。用示波器测得隔离变压器输出端和UPS的输出端的电压波形，发现在1个周期内出现数处电压波型的尖峰跌落。由此判断整个电路中出现了大量的谐波干扰。所谓谐波，也就是说电源受到了污染，其波形不再是以前那种纯净的比较光滑且连续的正弦波，而变成了由数条犬牙交错状或是锯齿状的各种杂波组成的近似正弦波。如果谐波含量非常严重的话，还会使正弦波变成非正弦波。

2 谐波干扰的分析

为了具体分析谐波干扰的产生，将各种工况下的600V （220V）电压波形拍了照。图1是边开泵边上提钻具时的600V电压波形，可见一个周期内电压的跌落明显增加，整个波型也开始出现一定的变形。这说明在SCR房内同时开启并运转泥浆泵和绞车的控制柜后，谐波的含量开始明显增加，波型的塌陷和变形也更加严重。图2是只开顶驱系统时的600V电压波型，可见整个600V电压也有几个明显的电压跌落，并且整个波型被打成数个波段，而每个波段上是无数个锯齿状的方波，整个正弦波遭到了严重的破坏。这说明顶驱开起来后，它对电压波型的破坏是大于SCR房内各直流电机控制系统对波型的破坏的。图3是同时开启并运转顶驱和泥浆泵时的600V电压波型，可见由于谐波之间的叠加往往会产生1＋1＞2的结果，故大幅度的电压跌落明显增加，波型的正弦形式进一步遭到破坏。图4是顶驱和泥浆泵同时运转时顶驱电控房内380V/220V变压器的220V输出端的电压波型，可见该220V的电压波型已经变得面目全非，其大幅度的电压跌落不仅多，而且还很深。而该220V电压是经UPS使用后供给各种PLC模块和控制板的关键电源。

图1 边开泵边上提钻具时600V电压波形

图2 只开顶驱系统时600V电压波型

图3 同时开启并运转顶驱和泥浆泵时600V电压波型

图4 顶驱和泥浆泵同时运转时顶驱电控房380V/220V变压器220V输出端的电压波型

测量与统计发现，即使是在用单独发电机给顶驱单独供电时，顶驱的电压谐波虽然并不高，但是电流谐波总量可高达50%。由于在钻井井队的设备配套中，电气设备的使用越来越多，它们之间的电磁干扰将会越来越严重。为了让SCR房和顶驱系统有一个相对较好的电源环境，必须采取措施来改善它们的工作环境。从图1～4可见，整个井场电路的谐波是由SCR房和顶驱电控系统二者所共同产生的，而且二者是相互叠加并相互影响的。

几乎可以肯定地说，将来新配套的电动钻机在和北其他顶驱配套使用时，都会或多或少的碰到谐波干扰问题，这个问题必须引起足够地重视。否则，轻者干扰SCR房和顶驱电控系统的正常运转，重者会烧毁SCR房和顶驱电控系统内重要的控制模块。

3 谐波干扰的抑制

为了减少和消除UPS输出端的谐波干扰，可将北石厂原配的非在线式UPS换成纯在线式的UPS。在个别供电环境特别恶劣的情况下，还应考虑选用抗干扰能力更强的UPS来给控制系统供电。

所谓非在线式UPS亦称为后备式UPS，后备式UPS电源的优点是：运行效率高、噪音低、价格相对便宜，主要适用于市电波动不大、对供电质量要求不高的场合，比较适合家庭使用，但在大量使用晶闸管和逆变器这类大功率开关元件的电动钻机中使用该类UPS作为关键控制系统的供电显然是不合适的。因为该类UPS的切换控制电路会受到谐波的干扰而进行频繁的动作。

其工作原理是：工作时，首先将市电转化为直流电给UPS电池充电，同时逆变器将此直流电逆变成交流电为负载供电；由于市电经过了交流到直流、再到交流的转换过程，所以市电中原有的干扰和脉冲电压成分已经过滤得非常干净；因此，由在线式UPS逆变出来的电压很稳定。由于逆变电路始终在工作，所以当停电时，UPS能马上将其存储的电能通过逆变器转化为交流电对负载进行供电，从而达到了输出电压零中断的切换目标。

由于市面销售的在线式UPS（如山特的C3K）在谐波干扰异常严重的供电环境下，并不能十分有效地滤除谐波为控制系统提供干净可靠的电源。2009年，北石厂将其原配的UPS更换为了GP802H－B 2KVA，该UPS不仅是在线式，而且加装了独立的隔离变压器和RC的消谐电路，其滤波功能大为提高。现场对该UPS的输入端与输出端的电压波形进行了对比，对比表明，输出端的电压波形经过UPS的滤波后，其供电质量已得到了明显的改善。

4 进一步抑制谐波干扰的建议

1）为进一步改善大量使用晶闸管、逆变器等大功率电力开关器件电路的电能质量，各电控厂家应考虑将6脉冲的整流电路改为12脉冲整流电路。

2）考虑将控制电路的供电集中起来，统一使用带有有源消谐装置的UPS统一进行供电。

3）使用电抗器或隔离变压器将顶驱的电源系统与SCR房的电源系统进行电气隔离，以减少它们之间的相互干扰。

TE928.07

A

1000－9752（2011）06－0367－02

2011－05－20

童红雷 （1974－），男，1998年江汉石油学院毕业，工程师，现主要从事钻机的设备配套、维护工作。

［编辑］ 苏开科