钻机油改电功率补偿和变频传动技术研究

谭刚强，王 豫，王五一，刘星吾，张 建

（1.川庆钻探工程公司装备处，成都610031；2.川庆钻探公司川西钻探装备部，成都610081；3.北京理工大学，北京100081；4.川庆钻探公司川东钻探装备部，重庆631237） ①

钻机油改电功率补偿和变频传动技术研究

谭刚强1，王 豫1，王五一2，刘星吾3，张 建4

（1.川庆钻探工程公司装备处，成都610031；2.川庆钻探公司川西钻探装备部，成都610081；3.北京理工大学，北京100081；4.川庆钻探公司川东钻探装备部，重庆631237）①

为适应川渝地区复杂钻井工况，开发了钻机油改电装置，包括功率补偿装置和变频电传动系统。功率补偿装置采用DQC3000B型无功补偿控制器，具有谐振间接保护措施，同时采取功补电容器串联电抗器的方法，并采取特殊设计确保谐振不会发生。变频传动采取恒功率负载类型，满足驱动要求。针对变频柜提出电磁兼容规范要求，包括变频柜内走线、接地和谐波抑制等，同时针对变频传动和变频柜进行谐波抑制分析；对变频电动机电磁噪声的产生及技术改造进行了研究。

钻机；油改电；功补；变频；研究

为川渝地区开发的钻机油改电装置包括功率补偿（以下简称功补）装置和国产TGS2变频器，以较高的性价比满足了川渝地区复杂钻井工况要求，并取得了节能减排的效果［1－2］。但是功补、国产变频器和国产变频电机之间存在着较为复杂的配合问题，包括功补装置的并联谐振、变频器的电磁兼容和高次谐波的影响，以及变频电机的电磁噪声等问题，以及变频传动方案与变频电机参数的确定等。经现场试验表明，国产功补装置效果较好，但国产变频器的电磁兼容与高次谐波抑制较差，需要进一步提高。

1 功补装置及谐振预防

1.1 功补装置的不足［3－4］

钻机油改电功补采用瞬时投切方式即动态补偿方式（SVC），通过晶闸管快速完成电容组编码、任意容量组合和等值容量循环等多种投切控制方式的投切。传统的功率因数型控制器运行中存在着稳定与补偿这一对不可解决的矛盾，尤其是在油改电变频传动系统谐波严重，但功率因数较高时，无法投入无功补偿，导致滤波回路无法使用，甚至无功损耗已很大时控制器却因功率因数较高无法投入电容器组。钻机油改电装置采用的无功功率（无功电流）型的控制器能兼顾线路的稳定性和补偿矛盾，使功率因数达到最佳效果，特别是控制器中包括了线路谐振间接保护功能。

1.2 谐振的预防与保护

钻机油改电装置谐波源来自变频器，变压器电抗和电容有构成并联谐振的可能性，采取将功补电容器串联电抗器的方法，使其调谐的谐振频率低于变频传动系统中产生的最低次谐波的频率，使串联谐振和并联谐振都不会发生。根据并联电容器装置设计规范的规定，用于抑制谐波时，当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为5次及以上时，电抗率宜取4.5%～6%，IEC的要求为4%。配置功补调谐滤波器时，通常滤波器调谐的频率只考虑奇数次特征频率，不考虑3的估算次，即只考虑3、7、11、13、17和19等次数，分合操作时，全部滤波器单元应同时进行。假设要求分开单独操作，在合闸时，先合5次，再按7次等按上升规律进行；分闸时，则将顺序倒过来，即先分断最高次的。并联谐振产生的主要现象是电容器中的电压电流增大，利用微机保护，可实时监测电容柜中的电流，保护的长延时和短延时可设定，可克服快熔和断路器保护精度及反应时间较慢的缺陷，可有快速有效地避免变频传动系统中出现并联谐振引起的事故扩大。

1.3 变频传动系统谐波电流测试

钻机变频传动谐波电流测试原理如图1，经现场在测量点1和测量点2处进行测试，谐波电流变化不大，说明功补装置并没有产生谐振电流，因此可以排除谐振电流对变频传动系统的影响。

图1 变频传动谐波电流测试原理

2 变频传动

钻机油改电装置变频传动如图2所示。

图2 变频器传动原理

2.1 传动设计

绞车为典型的恒转矩负载；转盘不能工作在恒转矩区；泥浆泵属于泵类负载，高速时所需功率随转速增长过快，不应使泵负载超工频运行，所以选择变频传动的负载类型为恒功率，变频电动机的额定转速不应过高，选择为500～740r／min。

根据工业性试验，为适应地方电网电压峰谷的波动，变频柜中间电压设定为600～820V。

在岳101－20－H3井工业性试验中，电机转速无法上升到1 000r／min以上，经检查是中间电压不稳，波形畸变严重，采样信号失真。经减少采样点，并修改PID参数后，电动转速可以上升到1 180r／min。

满负荷下电机转速无法上升分析如下：变频电机功率因数为0.92，效率为0.94，电机功率为

变频电动机转速达到1 180r／min，电流为1 100A，电压为560V，此时变频电机单机功率为

变频电动机单机达到最大功率值，在负载不变的情况单机转速无法再增加，因此需要启动双机并机工作。

2.3 变频柜电磁兼容技术

2.3.1 电磁兼容要求

变频器应设计为运行在一个可能存在较高的电磁干扰（EMI）工业环境，故应采取减小EMC的措施。

2.3.2 柜内布线

布线时，柜体采取电磁兼容区域原则，即不同的设备规划在不同的区域中，不同区域在空间上最好用金属壳或用接地隔板隔离。

按机柜设计走线分开布设的原则对需屏蔽的导线进行屏蔽与隔离，屏蔽线的屏蔽层要良好接地，数字电缆屏蔽层要求两端接地，模拟电缆在低频场合其屏蔽层应单端接地，屏蔽线应使用护套（屏蔽层的另外一端可通过100nF／100V电容接地，以提供高频保护），按信号类型选用组合电缆，加以屏蔽保护。电源线和信号线单独敷设，避免交叉，不能避免时，必须垂直交叉。绝对不能平等敷设；采用绝缘型电源变压器（中性点不接地）；缩短线路长度。

长距离走线应放在走线槽内，同一根走线槽内应区别敏感和噪声电缆，必要时进行分隔，易受干扰的设备采用隔离电感器供电。有高频通过的电缆应两端接地且保证是等电位联结。

2.3.3 变频柜接地

可在机柜上多接几次地，对地线进行分类，包括数字地、模拟地、电源地、机壳地和总接地等。变频柜内信号电缆尽可能从机柜的一侧进入，并尽可能接近接地的金属板。对机柜自身良好接地；走线槽应良好接地，非常敏感的电缆应单独处理，如单独套钢管且钢管良好接地，走线槽内电缆集中时应加盖，避免交叉感应，信号线与信号回线尽可能靠近。机柜要接地，但接地不当有可能对信号形成干扰，各机柜信号地应分别接大地。确保传动柜中的所有设备接好良好。

连线用插头分类隔开，在模拟与数字靠近处布置模拟和数字的0V线。

使用短和粗的接地线连接到公共接地点或接地母排中，更为重要的是，连接到变频器的任何控制设备要与其共地，同样也要使用短和粗的导线接地，最好采用扁平导体（如金属网）。安装变频器时，使用无漆镀锌铜板，确保变频器的散热器和安装板之间有良好的电气连接。

变频器出线与进线采用屏蔽线并接地，且分开一定距离，进、出线穿金属管并接地；输出使用四芯电缆（一芯接地），电机外壳接地，变频器单独接地；信号线屏蔽层不接到电机或变频器的地，而应该接到控制线路的公共端；必要时可采用零序电抗器、电涌吸收器、电涌抑制器，输入抑制电抗器；使用绞线布线。

2.3.4 谐波抑制

进线电抗器用于降低由变频器产生的谐波，同时也用于增加电源阻抗，帮助吸收附近设备投入工作时产生的浪涌电压和主电源的电压尖峰。进线电抗器串接在电源和变频器功率输出入端之间。

2.4 变频传动谐波抑制技术［5－6］

变频器运行时电源侧和电机侧都会产生谐波干扰，对电网和变频器周围的其他电气设备要产生电磁干扰，其电磁噪声兼容决定噪声发射和抗扰度。变频器既是噪声发射源，可能又是噪声接受器，如图3所示。

图3 变频器的噪声电流及其波形

寄生电容Cp存在于电机电缆和电机内部，因此变频器的PWM输出电压波形的开关翼部通过寄生电容产生一个高频脉冲噪声电流Is，使变频器成为一个噪声源。由于噪声电流Is的源是变频器，因此它一定要流回变频器。

图3中，ZE为大地阻抗，Zn为动力电缆与地之间的阻抗。噪声电流流过此二阻抗所造成的电压降将影响到同一电网上的其他设备造成干扰。此外，变频器的整流部分也会产生低频谐波，导致电网电压产生畸变。当电网的短路阻抗＜1%时，需加进线电抗器来抑制低频干扰。对于高频干扰，如果高频噪声电流Is有一条正确的通道，则高频噪声可得到抑制。如果使用非屏蔽电机电缆，则高频噪声电流Is以一个不确定的路线流回变频器，并在此回路中产生高频分量压降，影响其他设备。为使高频噪声电流Is能沿确定路线流回变频器，需要采用屏蔽电机电缆。电缆屏蔽层必须连接到变频器和电机外壳上。当高频噪声电流Is必须流回变频器时，屏蔽层形成一条最有效的通道，如图4。

图4 带有屏蔽电缆的噪声电流流向

虽然噪声电流不会在ZE上出现压降，但在电源阻抗Zn上还会出现压降，影响其他电气设备。为此在变频器输入端加入无线电干扰抑制滤波器，可大幅减少流回电源的噪声电流，如图5。

图5 噪声电流的滤波示意

变频器作为噪声接受器时，如图6所示。

图6 变频器作为噪声器示意

变频器作为噪声接受器时，高频噪声电流Is可通过电势和耦合电容进入变频器且在阻抗Zi上产生一个压降，导致扰动噪声。最有效的办法是严格隔离噪声源和信号电缆且信号电缆的屏蔽在两端接地。如图7。

图7 使用屏蔽信号抗干扰示意

变频器电机采用屏蔽电缆，其屏蔽层的电导至少为每相导线芯的1／10，达到抑制电磁波的辐射和传导的目的。控制电缆应使用屏蔽电缆，其屏蔽层应直接在变频器内部接地，另一侧通过高频小电容（如3.3nF／3 000V）接地。当屏蔽层两端的差模电压不高和连接到同一地线上时，也可以将屏蔽层的两端直接接地。信号线和它的返回线绞合在一起，减小感性耦合引起的干扰，绞合越靠近端子越好。模拟信号的传输线应使用双屏蔽的双绞线，不同的模拟信号线应独立走线，独立屏蔽。不同的模拟信号不能置于同一个公共返回线。低压数字信号线应使用双屏蔽的双绞线。

电机电缆应独立于其他电缆走线，其最小距离为500mm，应避免电机电缆与其他电缆长距离平行走线，以减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90°的角度交叉，且用合适的夹子将电机电缆和控制电缆的屏蔽层固定到安装板上。

2.6 电磁干扰对现场总线通讯的影响

在谐波干扰下，现场总线通讯存在偶发性异常状态，导致变频电机突然降速。岳101－20－H3井实测表明，PLC通道5为变频器的启停信号，运行过程中该通道偶尔会出现毛剌，导致变频器误判为启动信号停止，变频器停止1s后重启，造成掉速的现象。经检测，现场总线屏蔽不良，电磁干扰对网络通讯造成影响。采用总线屏蔽和软件启动信号滤波技术整改后，掉速故障消除。

3 变频器谐波抑制技术

3.1 变频器谐波

变频器供电电源按傅立叶级数可以分解为基波有功电流，基波无功电流，谐波和间谐波电流。变频器功率较大，用电容器直接进行无功功率补偿虽然可以大副度降低基波无功电流，但是必然出现谐波放大现象。为避免谐波放大，谐波治理与无功功率补偿必须同时进行，采用就地谐波治理与无功功率补偿可以获得最大的效益。

根据变频器分类，变频器供电系统的就地谐波治理与无功功率补偿装置包括含各次滤波器的TSC动态无功功率补偿装置、6%电抗的TSC动态无功功率补偿装置和固定投入各次滤波器的装置。

变频器功率因数大于0.97，由于二极管整流桥仅在网压峰顶开通，对电容器充电，电流波形是导通角较窄的尖锋。供电电流包含6 K±1次谐波（K＝1、2、3…），谐波含量随进线电抗和直流滤波电抗的电感量增加而减少。通常，加电抗器后5次、7次、11次和13次谐波仍然占40%、35%、25%和20%。交－直－交电压型变频器不需要补偿基波无功功率而需要滤除谐波无功功率，故可安装固定投入各次滤波器的装置。为了防止轻载过补偿对电网电压的提升，该滤波器应该具有基波容性抗器，应在设计时考虑谐波发热和过压问题。

3.2 高次谐波与滤波

变频器会产生高次谐波，对输出影响较大。当变频器容量接近电源变压器容量时，高次谐波的影响较大，就必须采用防干扰措施。根据谐波分析，在变频器电路中不含3次及3的整数倍谐波分量。在三相对称系统中，3的整数倍谐波可自行消除，可以不考虑，亦无偶次谐波。

高次谐波使电源电压畸变、电压质量下降、产生变频电机电磁噪声等危害，严重时变频器甚至无法正常工作，可降低变频器的载波频率来消除干扰的影响。频率降低干扰会下降，但噪声可能要大些，电流波形平滑性要差些。可根据现场调试而定，必须时采用专用的变频电机。采用进线交流电抗器，出线采用DC电抗器或正弦滤波器；不共用地线，分开供电电源（变频器，受干扰设备分开供电）。

总之，采用以上对策后，基本可消除高次谐波的干扰或减弱高次谐波的影响。以上诸多措施，只是选其中几项即可，按现场具体条件、情况而定。按实际运行经验，高次谐波允许范围为电机的10%～20%。

4 变频电动机电磁噪声

变频电机的噪声来源于电磁噪声、机械噪声和空气动力噪声，其中电磁噪声占很大比例。如果断电后高频噪声消失，则可判断为电磁噪声。经岳101－20－X3井现场实测，当变频电机转速达到1 180r／min时变频电机噪声明显高于风机噪声。经突然断电证实，变频电机噪声为电磁噪声。

经分析，变频电机定子铁芯呈薄壁圆环形，刚性较差，在磁场作用下沿径向发生变形和周期性振动而产生电磁噪声。电机气隙磁场的高次谐波分量的径向力也作用于定子铁芯上，使定子产生径向变形和周期振动。对于高次谐波，定子铁芯的径向变形振动是引起电磁噪声的主要原因。定子铁芯不同阶次的变形，有不同的固有频率，当径向力波的频率与铁芯的某个固有频率接近可相等时，因共振而产生较大电磁噪声。

根据电机定、转子的槽配合，对电机的各次谐波产生的径向力波频率进行计算，可得出一定定子谐波次数下力波的次数和力波频率值。应用有限元件对定子铁芯的振动进行模态分析，可计算出频率，如图8。

图8 变频电动机定子铁芯模态分析

分析计算结果表明：对于电机槽配合而产生了相应的2次和4次径向力波，当电机运行在一定的电源频率时，定子铁芯的某阶振动频率与力波频率接近，这个径向力波引发定子铁芯的共振而产生高频电磁噪声。通过噪声分析可知，最大噪声对应的频率位于固有频率与力波频之间。

电磁噪声降低的措施包括适当的槽配合、合理的气隙磁密及合适的绕组节距。通过对转子的多种槽配合进行径向力波分析计算，可找出消除1、2、3、4、5次径向力波、避免定子铁芯发生共振从而大幅度降低电磁噪声的槽配合参数。由于径向力与气隙磁密的平方成正比，振动的幅值与径向力成正比，声功率近似与振动幅值的平方成正比，所以降低气隙磁通密度，可有效降低径向力幅值及噪声，采取增加绕组匝数的方法可一定程度降低气隙磁密度。通过调整绕组节距减小磁动势波形中的谐波含量，具体方法是调整短距比。

综上所述，变频电机定转子槽配合的合理选择对降低电磁噪声具有决定性的意义，为设计出低噪声的变频电机，必须对槽配合和定子铁芯的共振特性进行综合分析。

5 结论

1） 采取无功型补偿控制器，可克服功率因数型控制在较高的功率因数下无法投入的缺陷。

2） 采用电容加串联电抗器并将其调谐的谐振频率低于变频传动系统工程产生的最低次谐波的频率，可有效避免并联和串联谐振电流的产生，经工业性试验，达到设计目的。

3） 变频器和变频电机是谐波发射和接收源，国产变频器由于未采取有效的电磁兼容和高次谐波抑制措施，导致掉速、跳闸、编码器不能正常工作以及速度无法上升等故障，电磁兼容和高次谐波抑制整改是一个系统工程，国产变频器与ABB和西门子变频器在电容兼容和高次谐波抑制方面差距较大。应用本文所述技术进行整改后，TGS变频器缩短了与进口变频器在这方面的差距，满足了现场钻井工艺要求。

4） 变频电机电磁噪声是由于本身固有振动频率未避开变频器谐波，当谐波电流达到一定值时导致变频电机电磁噪声高于风机噪声。通过对电机的定转子的槽配合和绕组匝数重新设计，同时对变频器高次谐波进行抑制，才能有效避免电磁噪声的产生。

［1］ 谭刚强，王 豫，沈凡儿，等.钻机油改电技术与钻井工艺适应性研究［J］.石油矿场机械，2011，40（6）：29－33.

［2］ 税理中.江苏油田钻机网电拖动技术改造［J］.石油矿场机械，2011，40（6）：94－97.

［3］ 闫宏亮，孙国良.电动钻机动力系统的动态无功补偿［J］.石油机械，2009，37（3）：64－66.

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［5］ 李占山.变频器系统抗干扰的正确接地［J］.电气开关，2008（1）：6－11.

［6］ 张 永.变频器谐波产生原因与抑制方法［J］.电气技术，2010（2）：62－64.

Resaerch of Reactive Power Compensation and Variable Frequency Drive of Oil Rig

TAN Gang－qiang1，WANG Yu1，WANG Wu－yi2，LIU Xing－wu3，ZHANG Jian4
（1.Equipment Department，CCDC Drilling Engineering，Chengdu610031，China；2.Equipment Department，CCDC Chuanxi Drilling Company，Chengdu610081，China；3.Beijing Institute of Technology，Beijing100081，China；4.Equipment Department，CCDC Chuandong Drilling Company，Chongqing631237，China）

The diesel driven to electrically drive device of oil rig consists of SVC and VFD system.The SVC has the syntony preventive step by DQC3000Bcontroller.It takes the series－wound technology of capacitor and reactor，and special design was adopted，so no syntony happens.The VFD system can meet the driving requirement because it takes constant power load.And it advances the EMC criterion come down to wiring and grounding and harmonic suppression in transducer box.And the harmonic suppression was analyzed，aiming at the VFD and the transducer box.And the producing reason and correction technology was studied about the electromagnetism noise of the frequency conversion motor.

rig；diesel－driven－to－electrically－drive；reactive－power－compensation；variable－frequency；research

1001－3482（2012）01－0014－06

TE922

A

2011－09－28

中石油川庆钻探工程公司2010年钻探科研项目（2010科通字第105号）

谭刚强（1961－），男，湖南湘潭人，教授级高级工程师，主要从事石油装备管理工作。