電驅動鉆機電壓穩定性淺析

提要：電壓穩定性是衡量電驅動鉆機供電質量的重要指標，電壓不穩定將影響鉆機的安全經濟運行。本文從影響電壓穩定性的因素入手，結合鉆井設備實際工況，分析了電壓不穩定產生的原因及不良影響，有針對性的提出了相關措施。

關鍵詞：電壓 穩定性 電驅動鉆機

隨著電驅動鉆機電氣設備的復雜程度越來越高，其對供電質量的要求也越來越嚴格。作為衡量鉆機供電質量的重要指標，電壓穩定性顯得尤其重要。電壓穩定性是指供電系統維持負荷電壓于某一規定的運行極限之內的能力，即系統各母線電壓在正常和受擾動后的動態過程中被控制在額定電壓的允許偏差范圍內的能力。當電壓實際值偏離時，經發電機動態調節無法達到新平衡狀態的情況下，將導致電氣設備無法正常運行，甚至造成不必要的故障和設備損壞。因此，必須提高對電壓穩定性的要求，制定有效措施避免電壓不穩定現象。

一、影響電壓穩定性的因素

電壓穩定性主要涉及的內容包括電壓偏差、電壓波動和閃變、電壓正弦波形畸變率（諧波）、電壓不平衡度以及頻率偏差。電壓不穩定有多種成因。電控系統對電壓穩定性的影響主要有以下幾方面。

1、發電機對電壓穩定性的影響

頻率的變化對應著系統中有功負荷的變化，電壓的變化對應著系統中無功負荷的變化。發電機正常運行維持端電壓恒定，當負荷電壓降低時，發電機的無功需求可能使勵磁電流或電樞電流達到極限，從而急劇改變發電機特性，其保護裝置將使發電機自動下線，甚至停機。如果并聯的發電機組負荷分配不均，帶載最多的發電機達到勵磁極限時，端電壓將下降，如負荷功率恒定，定子電流增加，進一步限制其無功輸出，以保證定子電流在允許的范圍之內，而其不足無功只有靠其它機組提供，從而限制其它機組勵磁的自動調節。此時將逐漸出現電壓不穩定的現象，甚至造成并聯發電機的失步。而系統如果提供的有功不足將會引起頻率的波動。

2、用電設備對電壓穩定性的影響

現場設備中與電壓穩定關系相關的設備有：變頻調速器、直流SCR調速器、變壓器、異步電動、空調和熱泵、放電照明設備、電抗器等。這些負荷在正常運行時消耗較多無功，對電壓的靈敏度要求較高，特別是在電壓較低及電壓恢復過程中，影響較大。大量非線性阻抗特性或具有非正弦電流特性的供電設備，使得實際的電壓波形偏離正弦波，產生電壓正弦波形畸變。其注入的諧波電流在電網阻抗上產生諧波電壓，諧波電壓疊加在電網上，作用于電氣設備，對這些設備產生影響。

3、配電線路對電壓穩定性的影響

電能輸送過程要產生電壓損耗，線路和變壓器的電壓損耗主要取決于通過的無功功率，輸送的距離越遠，中間環節越多，引起的電壓降也越大，負荷端的電壓也就越低，越容易產生不穩定現象。如果是低壓線路過長，導線截面偏細，也影響電壓的穩定性。同時受不同負荷用電特性的影響，在電能分配和傳輸過程中難免出現三相不對稱。三相負荷嚴重不對稱，中性點電位就會發生偏移，產生不平衡電壓，加大電壓偏差。

二、電壓不穩定對電氣設備的影響

當供電電壓發生不穩定現象時，用電設備運行參數和壽命將受到影響。影響程度受偏差大小及其持續時間而異。

1、電壓偏差對設備的影響

1）異步電動機。當端子電壓為負偏差時，負荷電流將增大，起動轉矩、最大轉矩和最大負荷能力均顯著減小，嚴重時甚至不能起動或堵轉，當電動機因不穩定而停止轉動時，易過熱燒毀。當電壓為正偏差時，轉矩增加，嚴重時可能損壞設備。一般情況下，電壓比額定值稍高要比電壓低于額定值對電動機性能的不利影響小一些。

2）同步電動機。其起動轉矩與端電壓平方成正比，最大轉矩直接與端電壓成正比變化。如同步電動機勵磁電流由晶閘管整流器供給，且整流器交流側電源是與同步機共同的，則其最大轉矩將與端電壓的平方成正比變化。

3）電熱設備。電阻熱能輸出與外施電壓平方成正比，端電壓降低，加熱時間顯著延長，影響生產效率。端電壓升高，熱能輸出升高，致使電熱元件壽命縮短。

2、電壓波動對設備的影響

電壓的波動和閃動是由于井場用電的劇烈變化引起。急劇的電壓波動會引起同步電機的震動，使電子設備、測量儀表無法正常的工作；而電壓閃動超過限度值使照明負荷無法正常工作，損害操作人員的身體健康。如果電壓波動較大時，會產生較大的電壓變化率du/dt，較大的電壓變化率容易損壞變頻器輸入模塊和電機繞組的絕緣。

3、電壓正弦波形畸變的影響

1）引起電氣設備損耗增加，產生局部過熱，加快旋轉電機、變壓器、電容器電纜等電氣元件中絕緣介質的電離過程，使其發熱絕緣老化，壽命降低。

2）電機的機械振動增大，噪音增強，造成工作環境噪聲污染。

3）對電子元件產生干擾，引起工作失常；對自動裝置或測量儀器產生干擾，圖像和通訊質量下降。

4）有發生諧振的危險。

5）相同頻率的諧波電壓和諧波電流要產生同次諧波的有功功率和無功功率，從而降低電網電壓，對柴油發電機的電壓調節產生負面影響。

6）電網諧波含量較大時導致變頻器輕則不能夠連續正常運行，重則造成設備輸入回路的損壞。

7）直流驅動鉆機如果增配頂驅交流變頻系統必須在頂驅變頻器的的交流輸入端配置諧波吸收裝置，否則諧波易進入電網影響柴油發電機。

4、三相電壓不平衡對設備的影響

中性線既有電流通過，增加線路的電能損耗。零序電流產生的零序磁通使變壓器產生磁滯和渦流損耗，高溫使絕緣加速老化。線路壓降和損耗相應增加。隨著負荷波動會引起電機附加振動力矩和發熱，絕緣壽命縮短，某些保護會因負序和諧波的干擾而勿動。

三、提高電壓穩定性的幾點措施

為避免電壓的不穩定問題，保證電壓在靜態、動態和暫態過程中的穩定調節，建議從以下幾方面入手。

1、加強用電設備管理和維護，做到沒問題早預防，有問題早解決。盡量減少由于設備故障引起的電壓不穩定 。

2、保證并網發電機的同步工作狀態，熟悉并掌握發電、配電設備及用電設備的工作原理和維護操作。

3、治理諧波，根據需要選擇具有良好動態性能、精密控制的濾波器或模塊化的諧波吸收裝置。減小諧波輸入，提高功率因數。

4、在變頻器應用較多的場合，采用集中整流，直流共母線的供電方式。在變頻器輸入側加裝濾波電抗器和諧波吸收裝置降低高次諧波分量。小負荷變頻器裝配隔離變壓器。

5、以發電機組為主自動調節電壓和無功功率平衡，同時提高自然功率因數，合理進行無功補償，并按電壓與負荷變化自動投切無功補償設備，實現電壓和無功綜合控制，提高電壓穩定性，降低損耗。

四、結論

綜上所述，隨著鉆、修井作業對供電系統要求不斷提高，電壓不穩定嚴重影響電驅動鉆機供電系統安全、可靠、經濟運行，必須切實加強對電壓穩定性的分析和管理，并采取合理措施，從而確保系統穩定運行。

參考文獻：

[1]張奇志.電動鉆機自動化技術[M].石油工業出版

[2]袁季修.電力系統安全穩定控制[M].北京:中國電力出版社