自升式鉆井平臺鉆井變頻系統諧波的抑制

陳平良

(中國石油集團海洋工程有限公司，北京,100028)

0 前言

自升式鉆井平臺諧波主要是由于鉆井馬達（絞車、頂驅、泥漿泵）采用了變頻驅動技術產生。最近幾年隨著該技術的不斷完善和成熟，在海洋工程領域的應用越來越廣泛。通過本次對變頻驅動控制系統的開發研究，進一步掌握該系統配置及選型，為以后在基本設計階段確定電力負荷以及電力分配打下基礎。

本文研究依托于某型自升式鉆井平臺。該平臺變頻驅動的鉆井設備的大量非線性負載的使用，大量的諧波主要來自于大功率變流設備。通過對該問題研究，進一步了解諧波對電網所造成的危害，在以后的設計中能夠避免。

1 諧波源分析

隨著直流電機逐漸被交流變頻調速取代，平臺鉆井設備通過變頻器來實現鉆井系統的控制，平臺電網高次諧波主要來自于這些大功率變頻器所使用的大量電力電子元器件。另外，平臺不間斷電源系統、24V 直流電源、通訊、導航蓄的電池組充電和火災報警系統等使用的直流電源同樣產生諧波。

變頻器的輸出電壓與電流也影響著平臺電網的諧波含量，同時電網電壓等級也是平臺整體性能的主要參數。依據平臺電力系統潮流分析、負荷計算和選擇性要求，鉆井系統主馬達電壓的等級選取600V。鉆井系統的10 個交流異步電動機連接到變頻系統上。每個馬達有一組電機動力電纜和一組控制電纜,用于冷卻風機、馬達空間加熱器、系統潤滑油泵和安全、報警信號傳送。

另外，為減小鉆井變頻系統注入電網諧波分量，交流變頻器應盡量避免長期運行在較低負載下。電網諧波還與主柴油發電機繞組的等值阻抗有關。

2 諧波危害

電網中含有高次諧波會因控制信號紊亂而使相位控制設備的正常工作收到干擾，如電子設備的錯誤觸發、計算機誤動作、電子原件無法進行測量等。諧波使信息線路、通信線路產生噪聲。對旋轉電動機定子產生諧波電流，形成正向和反向旋轉磁場，使電動機效率降低，過熱。過大的諧波電流會對變壓器等電氣設備產生附加損耗，引起過熱。較高的高次諧波含量電流能使電盤中斷路器開斷能力下降、繼電保護設備誤動作及效率降低、測量儀表的測量準度降低等問題。

自升式鉆井平臺上的電力設備較多，高次諧波電流在復雜的電纜路徑上形成諧波電壓降落較大，伴隨著產生設備的功率損耗。電網產生的高頻諧波電流流過電纜銅芯時將發生肌膚效應，使銅芯等效導通面積減小，電阻增大，引起電纜過熱。海洋平臺中變頻電纜的可以等效成一個容值很小的電容，而這個容值通常不容忽視。所以在高頻諧波流過時，就會產生一個介質損耗，使電纜發熱。高頻諧波過大加快絕緣老化。

自升式鉆井平臺的自動控制系統通常采用高性能工業單片計算機，大量微計算機或其他高精度的電子元件，數字、模擬電路，對導航和控制系統的危害非常嚴重。平臺對這些設備要求較高的工作運行精度。通常不會因干擾而破壞系統軟件程序，但通訊總線的數據將被電網諧波嚴重干擾，比如通訊信號錯誤尋址，甚至可能造成程序“飛車”、意外停機等預想不到的狀態。此外，高次諧波還會對電力系統繼電保護裝置及船用測量儀表等產生干擾。

圖3.1 變頻器內部電源電路原理圖

3 諧波的抑制措施

為了有效控制平臺變頻裝置所產生的諧波，本文采用移相隔離變壓器,通過增加反饋電網變頻器的脈沖數來抑制平臺電力電網諧波成分。

平臺變頻器內部電源系統的電路原理如圖3.1 所示。由于平臺采用交流變頻調速的方法進行鉆井交流電機的驅動從而進行日常鉆井作業。變頻系統采用換流器電路進行設計和研究，換流器基本主回路如圖3.2 所示，采用晶閘管陰極與陽極間承擔電壓較小的橋式電路。在換流過程中，通過對加在換流器晶閘管控制極上的觸發脈沖相位控制，運行過程中以一定的周期重復從某一晶閘管到另一個晶閘管換相。

圖3.2 換流器的基本主電路

理論研究換流器原理簡述如下，如圖3.2 的橋式電路正向換流器工作波形的圖3.3 所示,設交流電壓分別為ea、eb、ec，其峰值設為Em，在V1 中動作期間流動的短路電流ia 下式成立：

圖3.3 換流器的動作波形

采用多脈沖整流是輸入多重化的諧波治理方法，這種方法能夠有效減少變頻設備中產生的非線性負載和電力電子設備的高次諧波，減少抑制電壓波形的總諧波畸變，達到船級社規定的單次諧波畸變率小于5%，總諧波畸變率（THD）小于8%的要求，是對鉆井平臺電網進行諧波抑制可行而經濟的方案。

4 結論

相對于岸上電力系統，海洋平臺電力系統負荷容量小，平臺常規設備能以抵抗來自非線性負荷的干擾，而平臺諧波源相對容量較大，因此諧波造成的影響相對較大。又由于受平臺空間等因素限值，電網諧波抑制措施有所局限。因此，選擇適宜的抑制措施對平臺電網的安全性尤為關鍵。

在自升式鉆井平臺電力系統中，主配電盤母線上含有大量的諧波電流，產生劇烈的波形畸變。在諧波計算中，由于海洋平臺電力系統電源多為的柴油發電機，容量小傳送距離短不能看作無窮大電源，因此電力系統諧波計算跟發電機的內阻抗有一定關系，發電機繞組內阻抗越大，就會影響主母線電壓的畸變率相應升高。而多重化移相隔離變壓器的使用，明顯抑制電力電網諧波，其原因是電力系統中諧波電流波形發生位移，從而抵消主要高次諧波。采用移相隔離變壓器的多脈沖整流方案正不斷在鉆井平臺上獲得應用。

[1] 曾暉.海上油氣田工程設計.北京：中國石油大學出版社，2010：459-464.

[2] 中國航空工業規劃設計院編.工業與民用配電設計手冊. 北京：中國電力出版社，2005，第六章： 285-286.

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