無功補償技術在電動鉆機上的應用

許山明，張立佳

（西部鉆探準東鉆井公司物資裝備科，新疆 烏魯木齊 831511）

1 引言

隨著國內鉆井技術的不斷進步，對鉆機的技術要求越來越高，而電動鉆機以其良好的特性在鉆井市場中被廣泛應用。但采用SCR變流技術的直流電動鉆機，其負載特性為感性，在鉆井過程中會產生較大的無功，降低了自備發(fā)電設備或電網供電設備的使用效率，并且造成較大的電壓波動，同時還產生大量的諧波，給其它用電設備帶來危害。采用VFD變頻技術的變頻鉆機，在鉆井過程中產生的無功雖然較小，但產生的諧波卻更多。為了提高電能質量、保障設備安全運行、降耗節(jié)能、充分利用電氣設備的出力等，就需要采取恰當的無功補償及諧波抑制措施，在提高功率因數的同時還能對諧波進行治理。因此引入無功功率補償技術應用于鉆井現場具有很高的經濟價值。

2 鉆井現場交流電路中的功率關系

鉆井現場一般采用三相交流電，在交流電路中電壓、電流的大小和方向按正弦規(guī)律作周期性變化，因此功率也隨時間變化。

瞬時功率：p＝ui；將式（1）、（2）代入可得：

式中：U為電壓有效值，I為電流有效值。

2.1 有功功率P

瞬時功率P在一個周期內的平均值稱為平均功率，即有功功率。根據積分關系：

將式（3）代入式（4）可得：

其中φ為電壓與電流的相位差角，φ＝φu-φi。

2.2 無功功率Q

由于鉆井現場大量使用異步電動機及其它感性負載，這些感性負載產生的磁場能量與電源之間交換的能量存在一個周期內的“吞吐”，將“吞吐”的幅度定義為電網的無功功率Q。鉆井現場電路的負載并非電阻，而是伴隨著容性、感性負載的存在。因此無功功率就表征電路和電源之間進行能量交換的那部分有吞有吐的瞬時功率。

2.3 視在功率S

電壓和電流有效值的乘積稱為視在功率：

綜上所述，電網中有功功率、無功功率、視在功率之間存在矢量關系，三者之間可以表達為：

2.4 功率因數 cosφ

鉆井現場交流電路中的功率不僅與電壓、電流的大小有關，還與它們之間的相位差φ有關，鉆井現場電路中有功功率與視在功率的比值cosφ即為功率因數。根據公式轉換：

通過式（8）可以看出，功率因數是隨著電路的無功功率增加而降低的。而在鉆井現場電路中，供電線路接有大量的電感性負載導致無功功率Q增加而使電網的功率因數降低，因此為了降低無功功率，提高功率因數，就要在電路中并聯接入容性負載。由于感性負載和容性負載是兩種性質相反的元件，電感吸能之際恰是電容放能之際，用容性負載的無功去補償感性負載的無功，從而使電路中的總無功功率降低，提高了功率因數。

如圖1所示為70D鉆機在鉆進工況下的功率因數變化曲線。表1為電力系統(tǒng)綜合測量儀對該鉆機鉆進工況電壓、電流計功率因數的測試，通過測試發(fā)現該鉆機的功率因數在0.3-0.6之間。

圖1 70D鉆機在鉆進工況下的功率因數變化曲線

表1 電壓、電流幅值及功率、功率因數表

3 鉆井現場交流電路中的諧波

諧波是指電壓、電流波形發(fā)生畸變，這主要是負荷的非線性造成的，目前井隊使用的空調、電腦、整流器、電焊機、變壓器等電器均給電網注入了大量諧波，而高次諧波污染對鉆井現場電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行構成潛在的威脅。國家電網規(guī)定：電路中諧波電流的含量不應大于額定電流的5%，因此，有必要對鉆機電網中高次諧波的含量進行分析。

由于各次諧波的原因，在鉆井現場電網中的電壓及電流并非規(guī)律的正弦波，通過傅里葉級數分解可分解為各種頻率的正弦波，對于電網中非正弦電壓u而言，可將其表示為：

式中：U0為直流分量；U1msin（ωt＋φ1）為基波分量；U2msin（2ωt＋φ2）為二次諧波；Unmsin（nωt＋φn）為 n次諧波。而U1m、U2m…Unm則分別為各次諧波的幅值。

式中：Uk為k次諧波電壓有效值；U1為基波電壓有效值。

通過電力系統(tǒng)綜合測量儀對現場鉆機電網中的諧波測試發(fā)現：電網中5次含量最高達到7.22%，7 次含量達到 3.33%，11 次含量為 4.48%，13次含量為3.95%，遠遠高于國家電網對諧波含量小于5%的規(guī)定。如表2所示為各次諧波含量表。

諧波的危害可概括為以下兩點：

（1）消耗電力系統(tǒng)的無功儲備，增加輸電線損耗及井場電器設備的附加諧波損耗、使其發(fā)熱，縮短使用壽命；諧波諧振過壓，造成電器元件及設備的故障與損壞，運行安全性下降。

（2）對通信系統(tǒng)產生電磁干擾，使井場電話和網絡通信質量下降；造成重要和敏感的自動控制和保護工作紊亂，誤動和拒動的現象增加，導致可靠性下降。

表2 各次諧波含量表

4 補償方案的選擇及補償容量的確定

4.1 補償方案的選擇

隨著技術的發(fā)展，無功補償及諧波抑制的方案也經歷了幾次大的變革，目前可供選擇的方案有四種，分別適用于不同的負荷特性或不同的供電質量要求。

（1）接觸器投切電容器（簡稱MSC）型：采用接觸器投入或切出電容器與電抗器的串聯回路，在進行無功補償的同時，也對諧波進行抑制。適用于較平穩(wěn)負荷，投入或切出不需太頻繁的場合。

（2）晶閘管投切電容器（簡稱TSC）型：采用晶閘管投切電容器與電抗器的串聯回路，由于用電力電子元件晶閘管做為無觸點開關代替有觸點的機電設備接觸器使工作可靠性、壽命、響應時間等提高，可適用于投入或切出較為頻繁的場合，是取代MSC的換代產品。

（3）固定電容器＋晶閘管控制電抗器（簡稱FC＋TCR）型：采用開關投入電容器與電抗器的串聯回路（FC），對無功進行全補償，同時對預定諧波進行全抑制，另外通過晶閘管控制電抗器（TCR），動態(tài)連續(xù)地調整無功。適用于快變性質的負荷以及諧波較為嚴重的場合。

（4）有源型諧波抑制及無功補償裝置（簡稱APFC）：采用了可關斷電力電子器件、計算機控制及PWM技術，是目前最先進的諧波抑制和無功補償方案，造價較高，目前主要用于對供電質量要求很高以及一些瞬變負荷如冶煉爐等場合。

表3 四種方案的優(yōu)劣比較

四種方案的比較如表3所示。

根據上述方案的對比，可以看出FC＋TCR方案較為適合電動鉆機的負荷特性，同時造價也較為適中?；谝陨显?，采用FC＋TCR技術的石油鉆機專用動態(tài)無功補償及諧波抑制裝置。

4.2 補償容量Qc的確定

針對目前電動鉆機不同工況下功率因數較低的情況，應該從提高功率因數的角度考慮補償容量。如果電網最大負荷月的平均有功功率為Ppi，補償前的功率因數為cosφ1，補償后的功率因數為cosφ2，則補償容量可用下述公式計算：

根據鉆機鉆進工況的實際情況，測得補償前功率因數 cosφ1在 0.4-0.6 之間，取 0.5，預期補償后的功率因數為0.95。經過測算，現場實際鉆機最大負荷的月平均有功功率為2300kW，代入式（11）中計算：

經過計算，取補償功率1500kVAR。

5 無功補償技術的現場試驗與結果分析

無功補償及諧波抑制系統(tǒng)于2009年4月10日進行設備調試、參數匹配調試后正式投入試驗。整個試驗共投入三組共1500kVAR的無功補償裝置，從4月11日至4月15日對運行參數進行為期四天的觀測，記錄。期間現場經歷了起鉆、下鉆、鉆進三個工況。

此次試驗的主要目的是通過設備現場測試過程中測量的數據及有關波形來驗證補償裝置的動態(tài)及穩(wěn)態(tài)運行性能是否達到提高電網功率因數、抑制諧波的目的。

試驗用材料及設備：①TDS220美國泰克存儲記憶示波器；②3169-20／21 Clamp On Power Hitester日本原裝進口電力系統(tǒng)綜合測量儀。

將示波器和測量儀接入系統(tǒng)，在起鉆、下鉆、鉆進三種工況下，首先記錄補償裝置未投入時有關的系統(tǒng)參數（第一參數）。然后將補償裝置投入運行，再次記錄有關的系統(tǒng)參數（第二參數）。記錄完畢后將每一工況下的第一參數和第二參數進行比較，通過前后數據和圖形的對比，分析補償裝置的動態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能。

5.1 電網中的無功功率補償測試

（1）起鉆工況

補償裝置投入前無功功率的變化曲線如圖2所示。

補償裝置投入后無功功率的變化如圖3所示。

（2）下鉆工況

如圖4所示為補償裝置投入前后系統(tǒng)的無功功率變化曲線。

通過設備投入前后無功功率的變化曲線可以看出，在起鉆、下鉆過程中，補償裝置投入后，系統(tǒng)中的無功功率變化幅度得到很好的控制，整套系統(tǒng)動態(tài)調節(jié)速度能夠有效地跟蹤鉆機負載的快速變化。

圖2 補償裝置投入前無功功率的變化曲線

圖3 補償裝置投入后無功功率的變化曲線

圖4 補償裝置投入前后系統(tǒng)的無功功率變化曲線（前：4月 13日 22：33：50-4月 13日 23：33：50；后：4月 13日 23：33：50-4月 14日 00：30：50）

5.2 功率因數補償性能測試

（1）鉆進工況

圖5為補償裝置投入前系統(tǒng)功率因數的變化曲線。圖6為補償裝置投入后系統(tǒng)功率因數的變化曲線。

（2）下鉆工況

圖7為補償裝置投入前后功率因數曲線。

（3）起鉆工況

圖8為補償裝置投入后功率因數變化曲線及補償裝置退出后功率因數變化曲線。

通過以上示波器的波形圖可以看出，在投入無功功率補償裝置后，在起下鉆、鉆進工況下，系統(tǒng)的功率因數變化幅度得到了很好的控制，整套系統(tǒng)的波形平緩，而且功率因數能達到0.91-0.95之間。

圖5 補償裝置投入前系統(tǒng)功率因數的變化曲線

圖6 補償裝置投入后系統(tǒng)功率因數的變化曲線

圖7 補償裝置投入前功率因數曲線（前：4 月 13 日 22：20：50-4 月 13日 23：33：50；后：4 月 13日 23：33：50-4 月 14 日 00：20：50）

圖8 補償裝置投入后功率因數變化曲線及補償裝置退出后功率因數變化曲線（投入后：4月 14日 12：14：12-4月 14日 13：18：12；退出后：4月 14日 13：18：12-4月 14日 14：44：12）

5.3 諧波抑制性能測試

在起鉆、下鉆及鉆進三種工況下對諧波電壓進行測試及分析。

（1）起鉆工況

補償裝置投入前各次諧波電壓含有量如表4所示。

表4 補償裝置投入前各次諧波電壓含有量

補償裝置投入后各次諧波電壓含有量如表5所示。

（2）下鉆工況

補償裝置投入前各次諧波電壓含有量如表6所示。

表5 補償裝置投入后各次諧波電壓含有量

表6 補償裝置投入前各次諧波電壓含有量

補償裝置投入后各次諧波電壓含有量如表7所示。

表7 補償裝置投入后各次諧波電壓含有量

（3）鉆進工況

補償裝置投入前各次諧波電壓含有量如表8所示。

表8 補償裝置投入前各次諧波電壓含有量

補償裝置投入后各次諧波電壓含有量見表9。

通過補償裝置投入前后數據對比可以看出，補償裝置投入后5次、7次諧波電壓含量明顯減小，而且諧波的含量明顯小于國家電網對諧波含量小于5%的規(guī)定。

表9 補償裝置投入后各次諧波電壓含有量

6 電動鉆機無功補償及諧波抑制的意義

（1）當無功電流在發(fā)電機—整流柜—電動機等之間流動的過程中，雜散損耗，熱耗／輻射等消耗是必然的，增加無功補償裝置后，可以降低這種損耗。

（2）功率因數低時，輸出同樣的有功功率，必須有更多的視在功率，而更多的視在功率就必須投入更多的發(fā)電機組。如CAT3512B的空載耗油達70升／小時。增加無功補償裝置后，可以減少運行機組的臺數，也降低了空載油耗。根據現場調查，有功功率足夠而由于無功功率不夠，需要多開一臺車的時間在鉆井周期中約占70%。對于有功功率或機械能轉換來說，這臺車就相當于空載。一臺直流電動鉆機在一年內工作時間按10個月考慮，每臺柴油機正常工作時每月耗油約45噸，空載運行時耗油大約是其50%，可計算出一年內多耗油約150噸。

（3）雖然柴油機在正常運行時效率是固定的，如CAT3512B的耗油量為213克／千瓦·小時，但不在額定的功率運行時，其效率將會降低。增加無功補償裝置后，可以降低低效率運行時的油耗。

（4）增加諧波抑制裝置后，將延長發(fā)電機、變壓器、MCC柜等用電裝置及電器元件的使用壽命。

（5）增加諧波抑制裝置后，系統(tǒng)中原安裝的凈化電源可以省去。

7 結束語

目前國家民用電力電網系統(tǒng)大多都配置了該裝置，在改善諧波、提高功率因數等方面取得了良好效果。為了加快鉆探行業(yè)的設備更新改進，有必要對于功率因數低、諧波污染嚴重、動力不足的直流電動鉆機上配置該裝置，以改善電網質量。在今后鉆機發(fā)展過程中，無功補償技術的應用將會成為一種發(fā)展趨勢。

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