浅谈油田注水泵变频谐波现状

周 杰，濮新宏，王海军

中国石油长庆油田分公司技术监测中心 （陕西 西安 710018）

在油田注水系统中，为了满足注水量逐步增长的需要，在设计时注水泵选型额定流量一般都偏大，实际生产中注水流量不能达到注水泵设计要求，需要通过回流流量匹配，造成大量电能的浪费。注水泵变频控制系统自动调节注水泵排量，减少注水回流量，提高注水系统效率，达到节能的效果。

变频控制是近代自动化控制的创新技术，随着变频控制技术的广泛应用，变频器谐波干扰逐渐成为自动化控制领域的重要电磁污染源[1]。变频控制产生的谐波，对自动化控制系统中其他设备产生干扰，主要包括电磁辐射、传导、感应耦合，主要影响有：①通过空中辐射对周边电子设备产生电磁辐射干扰；②对被驱动电动机产生电磁噪声，同时增加电动机铁耗和铜耗，增大电动机发热；③变频器在电力网络中产生出高次谐波电压，干扰同电力网络中自动化控制信号,数据传输失真。

因此，需要了解谐波的产生和有关规律，以指导如何抑制谐波，改善电网电能质量，确保电力系统安全、可靠运行[2]。

1 变频控制产生谐波现状

由于注水泵的实际流量比泵的额定流量小，因此节电潜力较大[3]。现油田注水系统中变频控制已大量应用，在供水泵、喂水泵、注水泵控制上都有配套，部分变频控制技术节能改造同时更换变频调速电机，大部分是通过变频技术控制常规电机进行调速运行。

通过近几年监测注水泵变频改造，计算对比发现变频器谐波干扰比较常见。针对长庆油田第六采油厂安五作业区胡一注水站3#注水泵机组进行典型分析，3#注水泵机组采用往复式柱塞泵，配套隔爆型变频调速三相异步电动机，应用F700系列变频器自动调节注水泵电机运行频率，控制注水泵输出流量，保证注水泵输出压力恒定。调节注水泵机组运行频率，同步测试变频控制柜输入、输出两端电参数及电力谐波电压，注水泵机组运行参数数据见表1。

2 谐波电压评价

电力系统中背景谐波电压对电气设备及周边电子仪器的使用会产生各种影响。国家颁布的GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》标准中规定了公用电网谐波电压的允许值，公用电网谐波电压允许值是规定谐波发生源在电网端产生谐波电压的最大限定值，一般采取对电网中单相谐波电压最大值进行评价。

注水泵机组电机运行在380 V供电系统，GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》要求电压总谐波畸变率小于5.0%；奇次谐波电压含有率小于3.0%；偶次谐波电压含有率小于2.0%。3个指标中有一个不达标，即判定电网谐波电压不达标[4]。

根据谐波电压评价测试结果（表2）显示，F700系列280 kW变频器输出频率在26.2～45.0 Hz范围时，电力谐波电压不达标。

表1 注水泵机组运行参数数据表

表2 谐波电压评价结果

3 谐波电压随频率变化规律

3.1 电网谐波电压

F700系列变频器输入端对电网产生谐波电压，电压总谐波畸变率随着运行频率提高呈现上升趋势，奇次谐波电压含有率同时呈现上升趋势。运行频率与电网谐波电压变化曲线如图1所示。

图1 运行频率与电网谐波电压变化曲线

3.2 电机输入谐波电压

F700系列变频器输出端对注水泵电机产生谐波电压，电压总谐波畸变率随着运行频率提高呈现下降趋势，频率超过35 Hz后明显下降；奇次谐波电压含有率在35 Hz前呈上升趋势，超过35 Hz后明显下降；偶次谐波电压含有率随着运行频率提高呈现明显下降趋势。运行频率与电机输入谐波电压变化曲线如图2所示。其原因是电机功率越接近额定功率，变频器逆变过程中的非线性成分越小，谐波电压越低。

4 变频谐波电压分量分析

4.1 电网谐波电压分量

调节F700变频器输出频率，使注水泵机组运行在不同频率下，测量变频器输入端谐波电压的各次谐波电压含有率。在平衡的三相系统中，由于负载对称，偶次谐波大多被消除了，以奇次谐波为主[5]。不同频率运行时奇次谐波电压分量比例基本相同，奇次谐波电压含有率主要成分为3次、5次、7次谐波，其他奇次谐波电压含有率达到1.0%左右。电网25次内奇次谐波电压分量数据见表3。

图2 运行频率与电机输入谐波电压变化曲线

注水系统基波频率为50 Hz，5次、7次、11次谐波对应的谐波频率分别为250 Hz、350 Hz、550 Hz，都属于中、低频谐波频率范围。中、低频谐波传播干扰的主要途径是通过配电网络传导给系统其他设备，通过变压器干扰中压电网。

表3 电网25次内奇次谐波电压分量数据表

表4 电机输入端25次内谐波电压分量数据表

4.2 电机输入谐波电压分量

运行频率变化时，测量变频器输出端电机运行电压、谐波电压的各次谐波电压含有率。电机输入端25次内谐波电压分量数据见表4。

运行频率低于35 Hz以下时，电压总畸变率全部大于60%，奇次谐波电压含有率和偶次谐波电压含有率都非常高。为了进一步分析谐波电压分量分布情况，测试了35.7 Hz运行频率下电机输入端25次及以内谐波电压分量。此时谐波电压分量分布很广，偶次谐波电压含有率与奇次谐波电压含有率为同数量级，占有相当大比例。这将对电机运行产生影响，增大电磁噪声、增加电机发热、影响励磁改变电机出力，出现三相不平衡等。同时通过产生耦合干扰，对周边一定距离内的低压电气、电子仪器仪表产生影响。

5 结束语

通过现场测试油田注水泵变频控制中的谐波数据，分析电流式变频器、不同变频状态运行时的谐波电压状况。分析了负载改变时电压总谐波畸变率的变化、各分量谐波电压含有率分布情况，不同频段谐波干扰类型，对治理变频谐波积累了实践经验。