钻井井场电气系统谐波分析与抑制探讨

国 伟

1 钻井井场谐波分析

1.1 谐波产生原理

国内钻机电气驱动系统包括直流电驱动和交流变频驱动两种，其中，直流电驱动系统具有可靠的无极调速优势而广泛应用，而交流变频驱动电机具有更高的可靠性和密封性，体积更小，使用范围更广。电气系统中常见的谐波源是其电力电子装置，该装置较高的多项率因数和调速范围，而且比直流电驱动系统过载能力更强，为此，笔者将研究重点放在包括整流器、逆变器和变频装置等交流驱动系统，揭示整流器和逆变器复合的变频装置谐波源原理。

发电机组、整流和逆变单元以及制动单元共同构成交流变频电驱动钻机电气系统（见图1），发电机组输出电源为600V/50Hz，经由三相桥式整流系统转换为直流电，电容滤波和超大功率晶体管开关组合成逆变单元，该单元将直流电逆变成频率自由变动的交流电，并借助大功率交流变频电机加以控制，电机制动时的能耗制动单元则产生输入与输出侧谐波两种，输入侧谐波主要是矩形波，根据傅里叶级数可以将其分解为基波与次谐波，次谐波对电动机、全部电网系统均具有干扰作用且影响电动机的绕组和绝缘设计[1]，因此必须抑制和消除。

图1 交流变频电驱动钻机电气系统示意图

1.2 影响谐波含有率的因素

影响谐波含有率的因素包括电气系统整流单元脉动数p、延迟角α、换向重叠角γ、整流单元控制类型（非相控、全控、半全控等）。

第一，脉动数p。脉动数是井场电气系统一个工作频率中的导电通电次数，等于该工频中的换相次数。电气系统整流单元内谐波脉动数p与谐波次数hc的数量关系如下：

由于除hc的谐波次数均为非特征，其在理论上取值为零，对电气系统的实际影响可以忽略不计。

整流单元内谐波电流含有率Ih/I1与谐波次数hc的关系如下：

式（2）和式（3）表明，通过增加整流单元脉动数可以实现交流变频电驱动钻机变频装置输入侧谐波电流的彻底降低，然而，变频装置变动的造价较高。

第二，延迟角α和重叠角γ。在整流单元为交流变频电所驱动的钻机变频系统中，由二极管进行全波整流电路非相控，假设延迟角α与重叠角γ均为零[2]，则所输出的直流电Id为恒定无纹波，则直流电Id与侧相交流电Iph之比以及电流总畸变率（THDI）关系式如下：

当 p=6，Id/Iph=1.225kt，THDI=29.6%；

当 p=12，Id/Iph=1.225k/cos15°=1.268kt，THDI=15.3%；

当 p=24，Id/Iph=1.268k/cos7.5°=1.279kt，THDI=7.6%；

其中，kt为整流变压器变比。

换相电路电感的存在阻碍了换相速率，使γ＞0，特征谐波电流含有率周期性升降的变幅始终与γ反向变动。

除此之外，包括电机启动器、节电器、荧光灯、变频电源、UPS等在内的钻井井场许多电气设备存在三相电力电子装置，该类装置都属于谐波源且具有与变频系统整流单元完全相同的结构模式，故谐波性质类似且容量较小，不在本文研究范围内。变压器的非线性磁化铁心励磁谐波电流量高，而钻井井场所使用的泵类、搅拌机、电动机、节能灯具、微波炉、电视机家电以及各种工作用仪器设备均为非线性，也存在产生谐波的可能，然而其单体容量小、数量少，与大功率电气装置相比，所产生的谐波可忽略不计。

可见，钻井井场主要的谐波来源是其交流变频电驱动钻机电气系统的三相变频电力电子装置，而且决定其谐波含有率的主要为其整流单元脉动数。

第三，单元控制类型。非相控二极管整流换相属于自然换相，二极管各相交流侧电压波形换相导通延迟角α为零时，γ较大。所以，非相控型交流电谐波含有率较相控型低。

2 谐波的危害与抑制

2.1 谐波的危害

第一，对输电供电及用电设备的危害。电气系统所容纳的谐波将大大增加变压器的铜耗与铁耗，进而减少其实际可使用容量，并引发变压器过热、低效现象，增大其作业噪声。一旦谐波电流出现在变压器励磁系统，其成为谐波源后击穿绝缘材料、毁损小型变压器的可能性增大。

电容器与井场电网其余感性阻抗电气设备共同产生谐波谐振效应，其更容易吸纳谐波电流而引发电流超载甚至爆炸，同时电容器受谐波影响而加速老化。

普通感应式电动机在谐波的影响下局部过热、输出功率降低、脉动转矩频率与机器本身工作频率不断接近而引发强震并最终损坏电动机，过大的谐波轴电压很容易将电动机轴承油膜击穿而引发安全事故。

电缆导体所具有的集肤效应随其承载面积不断增大，而谐波次数的增加会加速这一过程并增大导体的电阻，这样变减小了电缆允许过流电流，增大内耗，则电缆的使用寿命大大缩短。

第二，对继电保护装置的危害。基波含量小于整定值，谐波和基波量之和存在超过整定值的可能，此时由电压（电流）受控启动的继电元件装置会出现误动作，影响装置的性能与可靠性。差动电路及零序、负序电路输出较小的基波，所对应元件较低的整定值，如遇较高的谐波量而发生敏感反映，发生误动作。谐波的存在会引发继电保护，甚至是严重的拒动与误动，影响保护装置的性能，引发电气系统事故。

第三，对仪表系统和通讯系统的危害。钻机谐波引发仪表系统电源过热、元件损毁、电气系统失电的可能性很大，这一现象在海洋平台钻机系统中更为常见，进而引发中控系统失电，发生严重的安全事故。谐波还将增大仪表仪器误差，影响测量的准确性和正常功能的发挥。在电容耦合、电磁感应及电气传导等效应下，谐波将严重影响通信线路，降低通信质量，并在与基波的共同作用下，威胁整个通信系统和操作人员人身安全。

2.2 谐波的抑制

综上所述，谐波对钻井井场电气系统、通讯仪表系统、用电系统设备等均存在不同程度的损坏，埋下安全事故隐患，按照《电能质量-公用电网谐波控制》（GB-T14549-1993）的规定，电网谐波畸变率不得超过5%，为此必须采取措施抑制电气系统谐波的产生。

一是增加脉动数。脉动数是决定电气系统谐波数量及电流含量的关键因素，通过增加脉动数可以有效降低整流单元的谐波数量及谐波电流含量。

二是使用有缘滤波器。抑制谐波可以采用有缘滤波器和无缘滤波器两种，包括电抗、电容、电阻等原件的无缘滤波器的谐振电路吸收谐波电流效果较好，相比之下，有缘滤波器具有更快的反映速度和更好的抑制效果，既不影响电网参数，又不会引发电网系统的谐振，在变频电机驱动系统中的应用更广泛，但期初投资较高，缺乏经济性。

三是提高变频器载波频率并加装串联电抗器。容量较大变频器的载波频率通常在1500Hz左右，这种载波频率可以有效降低谐波含量。此外，还可以将串联电抗器增设在用电设备进线处，在功率因数补偿效应及电压调整效应综合作用下，通过增加与用电气系统的距离以降低谐波影响。但这种做法只适用于单项用电设备，对电气系统的谐波抑制作用并不显著。

3 结论

越来越多的非线性电子设备在钻井井场得到广泛应用，井场谐波干扰问题也日益凸显，同时电力电子技术的不断进步也衍生出更高效的滤波器与滤波技术，并逐渐应用于谐波的抑制与预防。

[1]彭雨轩.电气设备中的谐波影响及抑制技术研究[J].工程技术研究，2017，（2）：82-83.

[2]李宠一.浅谈石化企业电气谐波及治理[J].石油化工设计，2013，30（2）：38-40，68.