浅议直流钻机配套变频顶驱的电磁与谐波干扰

郑雪坤　李广平　罗辉　廖文青

摘要：采用SCR和变频器驱动的电动机因其节能效果明显、维护简单等优点而被广泛的采用。但是，由于SCR等非线性元件特殊的工作原理带来的干扰越来越不容忽视。针对不同的干扰对象，通过对电动钻机现场服务进行总结，采取有效抗干扰措施，保证了电动钻机的安全性和稳定性，提高了生产效率。

关键词：变频器SCR顶驱UPS电源PLC谐波干扰

中图分类号：TE922 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）08（c）-0140-02

随着工业技术的不断发展与进步，电动钻机的诸多特点，预示着它将逐渐取代原始的柴油机和联动箱组成的机械钻机。江苏海外钻井项目Sinopec216队，于2007年由宝石厂配套50D电动钻机，SCR房由宝美配套制造，并配有北石DQ70BSC顶驱。在本套钻机的设计应用中，绞车、转盘和泥浆泵采用SCR整流驱动，顶驱采用变频调速系统，整套钻机节能效果明显，操作方便、维护简单等优点，但是SCR和变频器造成了相互间谐波干扰及对其他设备和仪器谐波干扰的问题。本文对该钻机使用过程中出现的故障进行统计，将SCR和变频器产生干扰的原因和危害进行梳理，并对其他设备的谐波干扰和电磁辐射问题采取了相应的抑制方法。

1电动钻机谐波干扰源的出现

当井深1800m左右，双泵开启，顶驱频繁报故障并跳闸停机，通过检查发现顶驱PLC柜内隔离变压器发出嗡嗡的声响，并且重启顶驱PLC和工控计算机后，UPS电源发出吱吱的声音，重启顶驱后钻台按工况要求继续钻进，用FLUCK万用表检测UPS电源上级隔离变压器的输出端，检测发现当两台泵的总泵冲提到100冲，泵压16MPa时，电压波动并不大，但是频率波动很大，偶然还能发现300Hz以上的数字。示波器对电源进行监视，发现杂乱的不光滑的曲线，在曲线上出现很多毛刺，且能明显听到UPS电源内部频繁发出开关切换的声音。由UPS电源控制面板上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。继续观察，发现在UPS频繁切换供电模式的时候，PLC和工控电脑自动重启。

2谐波干扰原因解析

在顶驱转速120～150rpm时，两台泵的泵冲相差10次/分钟，UPS能够长期工作在外接电源模式，也就是PLC和工控机都能够正常工作，能保证司钻台的安全操作。针对这种故障情況，对两台泵在不同运转情况下使用示波器进行监视。

现场使用一台泵，且泵冲为40冲/分钟时可见隔离变压器上的380V电压一个周期内电压波形的跌落明显增加，整个波型也开始出现一定的变形。说明SCR房内运转泥浆泵，谐波的含量开始增加，波形的塌陷和变形严重。当启动另外一台泵后，两台泵冲均为40冲/分钟时，整个380V电压有明显的电压跌落，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。说明顶驱运转时，两台泵同时开起来后，它对电压的破坏性是大于一台泵对波形的破坏性。提高两台泵冲到均为50冲/分钟时，电压波形变得面目全非，大幅度的电压跌落不仅多，而且很深，可见谐波之间的叠加产生了1+1>2的结果，导致UPS频繁切换供电模式，长时间工作在UPS供电模式下，UPS电源电压低的情况就会导致控制系统瘫痪。增加一台泵冲到55冲/分钟，同时降低一台泵冲到45冲/分钟时基本能够保证UPS电源的正常工作，可以判断此时的干扰是一个干扰临界点。

通过以上故障临界点的寻找判断，整个电路中出现了大量的谐波干扰。所谓谐波，也就是电源受到了污染，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[1]。如果谐波含量非常严重的话，还会使正弦波变成非正弦波，在两台泵冲均为50冲时，其电压波形就是非常严重的谐波干扰现象，为了保证井下安全，不得不调整两台泵的泵冲，将目的段完成至2200m。但在现场工况来说，特别是在井下仪器需要泵压稳定的情况下，两台泵相差10泵冲不能满足现场需求，只能寻找设备内部原因，并加以解决。

3谐波对现场设备的危害

本套设备中，SCR整流装置在运行时产生的高次谐波会反馈到电网，使电网质量下降，影响与该装置并联在同一电网的其它负载的正常工作[1]。高次谐波不仅干扰了顶驱控制系统的正常供电，对交流和直流驱动系统PLC和井场工作用电及生活用电都产生了干扰。

3.1 电网损耗增加，利用率降低

谐波使电网中的电器元件产生附加的谐波损耗，降低了用电设备的效率，通过电网传导到其它的用电器，引起电网中局部的串联或并联谐振，从而使谐波放大[2]。电机结构原因其内部气隙不均匀，逆变器输出带有高次谐波成分的电压与电流，在内部气隙中产生高次谐波磁通，随着频率变化，电压、频率基波在发生变化的同时，高次谐波成分会在较宽的频谱内变化，频率低一些的高次谐波成分能与电机转子发生共振，从而引起顶驱电机的振动，噪音增大，缩短电机寿命。

3.2 仪器软件或硬件不能正常使用

谐波干扰顶驱控制系统的UPS电源，导致PLC重启，重启后电网中持续谐波干扰，将会直接导致PLC死机的现象，即输出模块的输出点不动作，需要人为重启PLC和司钻控制台的开关旋钮，才能为PLC系统复位。该电网为录井和定向井服务提供工作电源，当谐波成分达到一定程度时，录井仪器不能使用，接收井下信号的地面仪器也受到电源谐波干扰，导致信号不能接收和处理，不能进行下一步生产。

3.3 仪器仪表计量显示不准确，无法正常工作

当顶驱转速60rpm后，无论扭矩如何，钻台仪表即受到电磁辐射干扰，致使显示器画面出现不规则波纹或斑点，甚至黑屏等现象。电磁辐射干扰使经过变频器输出导线附近的控制信号、检测信号等弱电信号受到干扰，严重时使系统无法得到正确的检测信号，使控制系统紊乱[3]。

3.4 导致生活营地用电受到干扰

当电源质量降低，办公电脑死机，生活电器自动保护停机，甚至日光灯的熄灭。电网中的谐波使得现场生产和生活受到严重干扰，甚至生产不能进行，所以对设备的整改和对谐波的抑制迫在眉睫。

4谐波干扰的抑制方法与补救措施

考虑到现场情况的严峻性和设备不能重新配套的可能，作者在加强设备内部屏蔽与强化接地的同时还提出即经济又能快速解决抑制谐波干扰的措施。通过现场一年的运转验证，该方案简单且经济可行。

4.1 更换屏蔽线，特别是通讯线

屏蔽干扰源是抑制电磁辐射和谐波干扰的最有效的方法。变频器出厂均已做好屏蔽措施，故根据现场情况，更换从变频房到司钻台的双芯屏蔽通讯电缆，并将通讯线远离顶驱动力电缆和直流电机动力电缆。

4.2 强化接地[4]

接地是抑制电磁辐射和防止谐波干扰的重要手段。良好的接地可在很大程度上抑制干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。变频器的接地方式有多点接地、一点接地及经母线接地等几种形式。根据信号频率和接地线长度特征，顶驱变频系统采用单点接地和多点接地共用的方式，将接地线连接到接地端子，将房体接地铜棒埋入地下1.2m以上，保持接地桩2m半径范围内做一个水坑盛满水。将直流电机动力电缆线槽和顶驱动力电缆线槽分别接地然后将接地线焊接在套管壁上。进行接地电阻检测，测量值在2Ω以下。

4.3 更换UPS电源

北石厂原装的UPS电源为非在线式UPS，其优点运行效率高、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。而从现场的情况来分析，在大量使用SCR和IGBT这类大功率开关元件的电动钻机中，非在线式UPS不能满足工作要求，需要更换成纯在线式UPS，或者选用抗干扰能力更强的UPS来给控制系统供电。将原配的UPS更换为分体式2kVA工频UPS，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滤波后，其供电质量已得到了明显的改善。

4.4 使用电动发电机为顶驱辅助系统供电

通过对钻机电气总原理进行分析，设计安装一套电动发电机，即为顶驱辅助系统供电的发电机，设计功率为15kW发电机。此方案虽能有效隔离顶驱系统和SCR系统之间的电网，消除相互干扰，但不能有效解决其他部分的干扰问题，且整改周期长。

4.5 使用独立电源系统为辅助系统供电

通过对前三种方式进行尝试，但问题未能解决，而第四步的方案不满足现场急迫需要。采取设备出厂配套的辅助发电机为顶驱辅助系统供电，同时为司钻房，录井仪器，定向设备及生活营地供电，即将顶驱辅助系统和其他重要用电系统脱离600V电网，顶驱辅助系统故障得以解决。

5结语

干扰对现场工况来说是很复杂的，因此在采取抗干扰措施时，应当采用适当的措施，既要考虑效果，又要考虑价格因素，还要因现场情况而定。采用的措施只要能解决问题即可。针对变频器在电动钻机应用中的谐波干扰问题分析，实际工程应用中，通过以上解决步骤和途径，从干扰源方面考虑，保证了顶驱辅助控制系统的稳定性，将重要设备和仪器用电脱离了被污染的电网，提高现场设备使用率和安全操作性能。

参考文献

[1] 杨泽晖.晶闸管整流装置对电力网的影响及抑制[J].机械工程与自动化，2005（2）.

[2] 高岩，王艳青.变频器应用中的干扰及其抑制[J].有色矿冶，2009.

[3] 阳若宁.电力系统中谐波的产生、危害及抑制[J].长沙电力学院学报，2003.

[4] 张红莲.数控机床中变频器的谐波干扰及抑制措施[J].机床电器，2010.