谐波对电动钻机影响及处理方法的探讨

冯责通　汤学恩　洪超

摘要 例举谐波对电动钻机干扰引起电气设备故障的处理实例，分析谐波干扰引起故障的原因，解决故障的方法及消除谐波的方法。

1.引言

随着油田直流、变频电动钻机和变频顶驱的普及，井队电源中的谐波含量越来越高，谐波干扰引起一系列的电气故障，如发电机运转不稳定、停机，钻机悬停失灵，录井仪记录出错或者数据不准确，电脑运行不稳定，空调制冷量下降等等，引起的电气故障用电路原理图无法分析，很容易把维修人员引入其它方面故障的误区，使处理故障变的复杂并且越来越难。就我们在工作中遇到几次故障和处理方法进行探讨。

2.故障现象及处理

2.1电动钻机和变频顶驱相互干扰故障

某厂家ZJ70D直流电动钻机和70DB变频顶驱配套钻井施工，顶驱的600V电源来自电动钻机的SCR房。在试运行时发现顶驱以运转，卡特彼特发电机组转速、电压就不稳，不论是单机组还是双机组并机运行都不稳，转速在1470—1520转/分之间反复变化，电压在570—620V反复变化，致钻井无法正常施工。双方厂家电气技术人员到现场对各自的设备进行全面检查，没有发现任何问题，认为是谐波干扰的问题。然后把顶驱的输出动力电缆和电动钻机输出动力电缆分开，检查SCR房和项驱电控房接地棒和接地线，并且又分别增加来一根接地棒，试运行故障依旧，最后给SCR房内的电压控制模块接地，又给SCR房和顶驱电控房分别增加了2根接地棒，故障消失。处理该故障用了5天才解决，也没明白故障真正原因。

2.2 ZJ70DB电动钻机起井架CAT发电机组停机故障

新配套ZJ70DB电动钻机在现场起井架过程中，当起到25。左右时两台并机的卡特彼特发电机组突然停机，反复几次依然如此，一台CAT发电机组也停机。电气师认真检查了设备并重新调试发电机的参数，改变PLC的程序等用了许多方法都没解决该故障。认为是谐波干扰的问题。整套钻机有七台变频电动机，其动力电缆是带屏蔽层，屏蔽层都接到电控房房体，房体用两根接地棒接到地。在控制线和动力电缆分开，增加一接地棒等多种方法无效的情况下，最终是把动力电缆的屏蔽层线接全部拆掉悬空，故障消失了。这是不合常理的处理方法解决了问题，无法解释原因。

ZJ70DB电动钻机时常出现悬停功能失灵故障

ZJ70DB电动钻机在使用一年以后时常出现机悬停突然失灵故障，经过认真检查没有发现故障，厂家电气人员认为和谐波干扰有关，用了许多方法都没解决故障，最后的处理方法是把变频电动机动力电缆的屏蔽层和电控房房体全部在一起，用25mm2铜线作地线接到园井表套管上，解决悬停失灵故障。

这三起典型故障，虽然都得到了排除，但一直没有做出一个合理并有说服力的解释，后经过学习、处理故障经验的积累，并和多次与电气人员讨论，明白了其中原因，现总结出来和同行一起探讨：

3.故障分析

3.1谐波产生的原因

产生谐波的原因多种多样，比较常见的有两类。第一类是由于非线性负荷而产生谐波，例如可控硅整流器、开关电源等，直流电动钻机可控硅整流属于这一类，把600V的交流电通过大功率可控硅（SCR）整流成0—750可调直流电来驱动大型直流电动机，可控硅把交流电整流成直流电的同时产生一些5次、7次、¨次等谐波，这些谐波含量不是很高，一般不会影响设备的运行，就没有引起注意。

第二类是由于逆变负荷而产生谐波，例如变频器、中频炉等，变频电动钻机的变频逆变就属于这一类，ZJ70DB电动钻机使用7套600KW变频器，产生了大量的5次、7次、11次和13次等谐波，其含量是直流电动钻机可控硅整流器的几倍，高次谐波电流注入到SCR房600V母线中。电源中性点不接地，母线中高次谐波易造成谐波相互叠加共振引起一些故障。

3.2故障原因分析

故障1原因分析：顶驱电控房变频柜用西门子6SE70变频器。SCR房直流柜和顶驱变频柜运行时产生大量的5次、7次、11次谐波，回注到SCR房600V母线中相互叠加。发电机控制模块抗谐波干扰能力太弱，严重干扰了发电机控制模块运行，致使发电机组转速、电压就不稳。在处理过程中随着动力电缆分开布线和接地棒的增加，接地电阻的降低到某一数值，产生出的高次谐波电流顺利释放到大地中，故障消失。

故障2原因分析：ZJ70DB电动钻机的变频电动使用动力电缆是带屏蔽层的，屏蔽层都接到电控房房体上，形成屏蔽层网，当绞车电动机在起井架时电流大、高次谐波含量高，在其动力电缆屏蔽层中感应出一些高次谐波，由于屏蔽层是连接在一起的，每根动力线屏蔽层中都会感应出高次谐波，就形成含有了高次谐波屏蔽层网，由于屏蔽层的接地工作没有做好，高次谐波电流不能释放到大地中，引起屏蔽线的谐波再次干扰动力电缆，并回注到SCR房600V母线中引起更严重的干扰，使发电机组突然停机。当动力电缆的屏蔽层线接全部拆掉悬空，形不成含有高次谐波屏蔽层网，也就形不成谐波的2次干扰动力电缆的现象，发电机组停机故障自然消失。

故障3原因分析：ZJ70DB电动钻机在使用一年后时常出现悬停功能失灵，其原因是接地棒和接地线在使用一年后表面出现氧化接地电阻升高，谐波干扰出现悬停功能失灵，屏蔽层全部在一起用25mm2铜线作地线接到园井表套管，园井表套管是一个大接地极，接地电阻在0.5左右，和它相连的在每根电缆屏蔽层线的接地电阻也是0.5 Q左右，感应出高次谐波电流顺利释放到大地中，谐波干扰减弱，故障自然消失。

4.谐波的治理方法

4.1谐波疏导入地

使用变频设备必须做好接地工作，在接地方面许多人存在一个误区，认为接地就是把接地棒打入地下然后用导线连接起来就完成了，这只是对接地的表面认识，正确接地是接地做完以后测量接地电阻，采用其它方法使其降到在4以下，才是完成接地工作。现场情况是设备都接地了，不管阻值的大小，一般情况下现场接地电阻在10左右甚至更高。把谐波顺利释放到大地中其接地电阻在4以下，最好在1 Q左右。现场1根1_5米接地棒打入地中其接地电阻是12—25Q，这么大的阻值就不能释放谐波。谐波引起设备故障时有时无的原因是：变频器产生的谐波是随着输出电流增大而增加，谐波含量低时或接地电阻较低时设备正常运行，在谐波含量高时或接地电阻较高时设备出现故障。需要明确一点，4【2以下接地电阻是国家标准规定保护操作人员安全措施接地，不是释放谐波入地的接地电阻，其电阻值越小越能最大限度的释放谐波入地，避免设备出现故障。做好接地要求材料：接地棒要求是铜材料，长1.8—2米，要4跟左右，接地线大于16mm2铜线，最好和园井表套管连接起来，接地电阻在1（2以下。井队目前解决谐波常用的方法是做好谐波疏导入地。

4.2谐波滤除方法：

要从根本上解决谐波的问题，主要采用无源电力滤波装置和有源电力滤波装置。

（1）无源电力滤波装置（PPF），主要采用Lc回路，并联于系统中，Lc回路的设定，只能针对于某一次谐波，即针对于某一个频率为低阻抗，使得该频率流经为其设定的Lc回路，达到消除（滤除）某一频率的谐波的目的。Lc回路在滤除谐波的同时，在基波对系统进行无功补偿以提高系统的功率因数。

（2）有源电力滤波装置（APF），是一种基于IGBT逆变器的新型谐波治理装置。通过实时检测负载电流波形，除去波形中基波（50Hz）成分，将剩余部分的波形反向，通过控制IGBT的触发，将反向电流注入供电系统中，实现滤除（抵消）谐波、动态补偿系统无功与电压波动、抑制谐振、提高功率因数等功能，从而达到改善供电系统安全性、节能降耗的目的。

5.结论

谐波对井队电力设备的影响越来越严重，甚至影响到了正常生产。谐波的治理是疏导入地和滤波装置滤除。谐波疏导入地是把电控房和电缆带屏蔽层的接地做好，接地电阻在1 Q以下，让谐波顺利疏导入地。正确的接地即可抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰，反之则引入严重的干扰，使设备无法正常工作。滤除谐波要用有源或无源电力滤波装置，才能从根本上消除谐波的影响。随着变频电动钻机控制技术的发展，有源电力滤波装置会在得到广泛的应用。