鉆井井場電氣系統諧波分析與抑制探討

國 偉

1 鉆井井場諧波分析

1.1 諧波產生原理

國內鉆機電氣驅動系統包括直流電驅動和交流變頻驅動兩種，其中，直流電驅動系統具有可靠的無極調速優勢而廣泛應用，而交流變頻驅動電機具有更高的可靠性和密封性，體積更小，使用范圍更廣。電氣系統中常見的諧波源是其電力電子裝置，該裝置較高的多項率因數和調速范圍，而且比直流電驅動系統過載能力更強，為此，筆者將研究重點放在包括整流器、逆變器和變頻裝置等交流驅動系統，揭示整流器和逆變器復合的變頻裝置諧波源原理。

發電機組、整流和逆變單元以及制動單元共同構成交流變頻電驅動鉆機電氣系統（見圖1），發電機組輸出電源為600V/50Hz，經由三相橋式整流系統轉換為直流電，電容濾波和超大功率晶體管開關組合成逆變單元，該單元將直流電逆變成頻率自由變動的交流電，并借助大功率交流變頻電機加以控制，電機制動時的能耗制動單元則產生輸入與輸出側諧波兩種，輸入側諧波主要是矩形波，根據傅里葉級數可以將其分解為基波與次諧波，次諧波對電動機、全部電網系統均具有干擾作用且影響電動機的繞組和絕緣設計[1]，因此必須抑制和消除。

圖1 交流變頻電驅動鉆機電氣系統示意圖

1.2 影響諧波含有率的因素

影響諧波含有率的因素包括電氣系統整流單元脈動數p、延遲角α、換向重疊角γ、整流單元控制類型（非相控、全控、半全控等）。

第一，脈動數p。脈動數是井場電氣系統一個工作頻率中的導電通電次數，等于該工頻中的換相次數。電氣系統整流單元內諧波脈動數p與諧波次數hc的數量關系如下：

由于除hc的諧波次數均為非特征，其在理論上取值為零，對電氣系統的實際影響可以忽略不計。

整流單元內諧波電流含有率Ih/I1與諧波次數hc的關系如下：

式（2）和式（3）表明，通過增加整流單元脈動數可以實現交流變頻電驅動鉆機變頻裝置輸入側諧波電流的徹底降低，然而，變頻裝置變動的造價較高。

第二，延遲角α和重疊角γ。在整流單元為交流變頻電所驅動的鉆機變頻系統中，由二極管進行全波整流電路非相控，假設延遲角α與重疊角γ均為零[2]，則所輸出的直流電Id為恒定無紋波，則直流電Id與側相交流電Iph之比以及電流總畸變率（THDI）關系式如下：

當 p=6，Id/Iph=1.225kt，THDI=29.6%；

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

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

其中，kt為整流變壓器變比。

換相電路電感的存在阻礙了換相速率，使γ＞0，特征諧波電流含有率周期性升降的變幅始終與γ反向變動。

除此之外，包括電機啟動器、節電器、熒光燈、變頻電源、UPS等在內的鉆井井場許多電氣設備存在三相電力電子裝置，該類裝置都屬于諧波源且具有與變頻系統整流單元完全相同的結構模式，故諧波性質類似且容量較小，不在本文研究范圍內。變壓器的非線性磁化鐵心勵磁諧波電流量高，而鉆井井場所使用的泵類、攪拌機、電動機、節能燈具、微波爐、電視機家電以及各種工作用儀器設備均為非線性，也存在產生諧波的可能，然而其單體容量小、數量少，與大功率電氣裝置相比，所產生的諧波可忽略不計。

可見，鉆井井場主要的諧波來源是其交流變頻電驅動鉆機電氣系統的三相變頻電力電子裝置，而且決定其諧波含有率的主要為其整流單元脈動數。

第三，單元控制類型。非相控二極管整流換相屬于自然換相，二極管各相交流側電壓波形換相導通延遲角α為零時，γ較大。所以，非相控型交流電諧波含有率較相控型低。

2 諧波的危害與抑制

2.1 諧波的危害

第一，對輸電供電及用電設備的危害。電氣系統所容納的諧波將大大增加變壓器的銅耗與鐵耗，進而減少其實際可使用容量，并引發變壓器過熱、低效現象，增大其作業噪聲。一旦諧波電流出現在變壓器勵磁系統，其成為諧波源后擊穿絕緣材料、毀損小型變壓器的可能性增大。

電容器與井場電網其余感性阻抗電氣設備共同產生諧波諧振效應，其更容易吸納諧波電流而引發電流超載甚至爆炸，同時電容器受諧波影響而加速老化。

普通感應式電動機在諧波的影響下局部過熱、輸出功率降低、脈動轉矩頻率與機器本身工作頻率不斷接近而引發強震并最終損壞電動機，過大的諧波軸電壓很容易將電動機軸承油膜擊穿而引發安全事故。

電纜導體所具有的集膚效應隨其承載面積不斷增大，而諧波次數的增加會加速這一過程并增大導體的電阻，這樣變減小了電纜允許過流電流，增大內耗，則電纜的使用壽命大大縮短。

第二，對繼電保護裝置的危害。基波含量小于整定值，諧波和基波量之和存在超過整定值的可能，此時由電壓（電流）受控啟動的繼電元件裝置會出現誤動作，影響裝置的性能與可靠性。差動電路及零序、負序電路輸出較小的基波，所對應元件較低的整定值，如遇較高的諧波量而發生敏感反映，發生誤動作。諧波的存在會引發繼電保護，甚至是嚴重的拒動與誤動，影響保護裝置的性能，引發電氣系統事故。

第三，對儀表系統和通訊系統的危害。鉆機諧波引發儀表系統電源過熱、元件損毀、電氣系統失電的可能性很大，這一現象在海洋平臺鉆機系統中更為常見，進而引發中控系統失電，發生嚴重的安全事故。諧波還將增大儀表儀器誤差，影響測量的準確性和正常功能的發揮。在電容耦合、電磁感應及電氣傳導等效應下，諧波將嚴重影響通信線路，降低通信質量，并在與基波的共同作用下，威脅整個通信系統和操作人員人身安全。

2.2 諧波的抑制

綜上所述，諧波對鉆井井場電氣系統、通訊儀表系統、用電系統設備等均存在不同程度的損壞，埋下安全事故隱患，按照《電能質量-公用電網諧波控制》（GB-T14549-1993）的規定，電網諧波畸變率不得超過5%，為此必須采取措施抑制電氣系統諧波的產生。

一是增加脈動數。脈動數是決定電氣系統諧波數量及電流含量的關鍵因素，通過增加脈動數可以有效降低整流單元的諧波數量及諧波電流含量。

二是使用有緣濾波器。抑制諧波可以采用有緣濾波器和無緣濾波器兩種，包括電抗、電容、電阻等原件的無緣濾波器的諧振電路吸收諧波電流效果較好，相比之下，有緣濾波器具有更快的反映速度和更好的抑制效果，既不影響電網參數，又不會引發電網系統的諧振，在變頻電機驅動系統中的應用更廣泛，但期初投資較高，缺乏經濟性。

三是提高變頻器載波頻率并加裝串聯電抗器。容量較大變頻器的載波頻率通常在1500Hz左右，這種載波頻率可以有效降低諧波含量。此外，還可以將串聯電抗器增設在用電設備進線處，在功率因數補償效應及電壓調整效應綜合作用下，通過增加與用電氣系統的距離以降低諧波影響。但這種做法只適用于單項用電設備，對電氣系統的諧波抑制作用并不顯著。

3 結論

越來越多的非線性電子設備在鉆井井場得到廣泛應用，井場諧波干擾問題也日益凸顯，同時電力電子技術的不斷進步也衍生出更高效的濾波器與濾波技術，并逐漸應用于諧波的抑制與預防。

[1]彭雨軒.電氣設備中的諧波影響及抑制技術研究[J].工程技術研究，2017，（2）：82-83.

[2]李寵一.淺談石化企業電氣諧波及治理[J].石油化工設計，2013，30（2）：38-40，68.