淺議直流鉆機(jī)配套變頻頂驅(qū)的電磁與諧波干擾

鄭雪坤　李廣平　羅輝　廖文青

摘要：采用SCR和變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)因其節(jié)能效果明顯、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的采用。但是，由于SCR等非線性元件特殊的工作原理帶來的干擾越來越不容忽視。針對(duì)不同的干擾對(duì)象，通過對(duì)電動(dòng)鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)進(jìn)行總結(jié)，采取有效抗干擾措施，保證了電動(dòng)鉆機(jī)的安全性和穩(wěn)定性，提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：變頻器SCR頂驅(qū)UPS電源PLC諧波干擾

中圖分類號(hào)：TE922 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）08（c）-0140-02

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，電動(dòng)鉆機(jī)的諸多特點(diǎn)，預(yù)示著它將逐漸取代原始的柴油機(jī)和聯(lián)動(dòng)箱組成的機(jī)械鉆機(jī)。江蘇海外鉆井項(xiàng)目Sinopec216隊(duì)，于2007年由寶石廠配套50D電動(dòng)鉆機(jī)，SCR房由寶美配套制造，并配有北石DQ70BSC頂驅(qū)。在本套鉆機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，絞車、轉(zhuǎn)盤和泥漿泵采用SCR整流驅(qū)動(dòng)，頂驅(qū)采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，整套鉆機(jī)節(jié)能效果明顯，操作方便、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是SCR和變頻器造成了相互間諧波干擾及對(duì)其他設(shè)備和儀器諧波干擾的問題。本文對(duì)該鉆機(jī)使用過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將SCR和變頻器產(chǎn)生干擾的原因和危害進(jìn)行梳理，并對(duì)其他設(shè)備的諧波干擾和電磁輻射問題采取了相應(yīng)的抑制方法。

1電動(dòng)鉆機(jī)諧波干擾源的出現(xiàn)

當(dāng)井深1800m左右，雙泵開啟，頂驅(qū)頻繁報(bào)故障并跳閘停機(jī)，通過檢查發(fā)現(xiàn)頂驅(qū)PLC柜內(nèi)隔離變壓器發(fā)出嗡嗡的聲響，并且重啟頂驅(qū)PLC和工控計(jì)算機(jī)后，UPS電源發(fā)出吱吱的聲音，重啟頂驅(qū)后鉆臺(tái)按工況要求繼續(xù)鉆進(jìn)，用FLUCK萬用表檢測(cè)UPS電源上級(jí)隔離變壓器的輸出端，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩臺(tái)泵的總泵沖提到100沖，泵壓16MPa時(shí)，電壓波動(dòng)并不大，但是頻率波動(dòng)很大，偶然還能發(fā)現(xiàn)300Hz以上的數(shù)字。示波器對(duì)電源進(jìn)行監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)雜亂的不光滑的曲線，在曲線上出現(xiàn)很多毛刺，且能明顯聽到UPS電源內(nèi)部頻繁發(fā)出開關(guān)切換的聲音。由UPS電源控制面板上直接供電的指示燈也隨著UPS內(nèi)部開關(guān)的切換出現(xiàn)明顯的閃爍。繼續(xù)觀察，發(fā)現(xiàn)在UPS頻繁切換供電模式的時(shí)候，PLC和工控電腦自動(dòng)重啟。

2諧波干擾原因解析

在頂驅(qū)轉(zhuǎn)速120～150rpm時(shí)，兩臺(tái)泵的泵沖相差10次/分鐘，UPS能夠長期工作在外接電源模式，也就是PLC和工控機(jī)都能夠正常工作，能保證司鉆臺(tái)的安全操作。針對(duì)這種故障情況，對(duì)兩臺(tái)泵在不同運(yùn)轉(zhuǎn)情況下使用示波器進(jìn)行監(jiān)視。

現(xiàn)場(chǎng)使用一臺(tái)泵，且泵沖為40沖/分鐘時(shí)可見隔離變壓器上的380V電壓一個(gè)周期內(nèi)電壓波形的跌落明顯增加，整個(gè)波型也開始出現(xiàn)一定的變形。說明SCR房內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)泥漿泵，諧波的含量開始增加，波形的塌陷和變形嚴(yán)重。當(dāng)啟動(dòng)另外一臺(tái)泵后，兩臺(tái)泵沖均為40沖/分鐘時(shí)，整個(gè)380V電壓有明顯的電壓跌落，并且整個(gè)波型被打成數(shù)個(gè)波段，而每個(gè)波段上是無數(shù)個(gè)鋸齒狀的方波，整個(gè)正弦波遭到了嚴(yán)重的破壞。說明頂驅(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，兩臺(tái)泵同時(shí)開起來后，它對(duì)電壓的破壞性是大于一臺(tái)泵對(duì)波形的破壞性。提高兩臺(tái)泵沖到均為50沖/分鐘時(shí)，電壓波形變得面目全非，大幅度的電壓跌落不僅多，而且很深，可見諧波之間的疊加產(chǎn)生了1+1>2的結(jié)果，導(dǎo)致UPS頻繁切換供電模式，長時(shí)間工作在UPS供電模式下，UPS電源電壓低的情況就會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)癱瘓。增加一臺(tái)泵沖到55沖/分鐘，同時(shí)降低一臺(tái)泵沖到45沖/分鐘時(shí)基本能夠保證UPS電源的正常工作，可以判斷此時(shí)的干擾是一個(gè)干擾臨界點(diǎn)。

通過以上故障臨界點(diǎn)的尋找判斷，整個(gè)電路中出現(xiàn)了大量的諧波干擾。所謂諧波，也就是電源受到了污染，其波形不再是以前那種純凈的比較光滑且連續(xù)的正弦波，而變成了由數(shù)條犬牙交錯(cuò)狀或是鋸齒狀的各種雜波組成的近似正弦波[1]。如果諧波含量非常嚴(yán)重的話，還會(huì)使正弦波變成非正弦波，在兩臺(tái)泵沖均為50沖時(shí)，其電壓波形就是非常嚴(yán)重的諧波干擾現(xiàn)象，為了保證井下安全，不得不調(diào)整兩臺(tái)泵的泵沖，將目的段完成至2200m。但在現(xiàn)場(chǎng)工況來說，特別是在井下儀器需要泵壓穩(wěn)定的情況下，兩臺(tái)泵相差10泵沖不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，只能尋找設(shè)備內(nèi)部原因，并加以解決。

3諧波對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的危害

本套設(shè)備中，SCR整流裝置在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高次諧波會(huì)反饋到電網(wǎng)，使電網(wǎng)質(zhì)量下降，影響與該裝置并聯(lián)在同一電網(wǎng)的其它負(fù)載的正常工作[1]。高次諧波不僅干擾了頂驅(qū)控制系統(tǒng)的正常供電，對(duì)交流和直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)PLC和井場(chǎng)工作用電及生活用電都產(chǎn)生了干擾。

3.1 電網(wǎng)損耗增加，利用率降低

諧波使電網(wǎng)中的電器元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低了用電設(shè)備的效率，通過電網(wǎng)傳導(dǎo)到其它的用電器，引起電網(wǎng)中局部的串聯(lián)或并聯(lián)諧振，從而使諧波放大[2]。電機(jī)結(jié)構(gòu)原因其內(nèi)部氣隙不均勻，逆變器輸出帶有高次諧波成分的電壓與電流，在內(nèi)部氣隙中產(chǎn)生高次諧波磁通，隨著頻率變化，電壓、頻率基波在發(fā)生變化的同時(shí)，高次諧波成分會(huì)在較寬的頻譜內(nèi)變化，頻率低一些的高次諧波成分能與電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生共振，從而引起頂驅(qū)電機(jī)的振動(dòng)，噪音增大，縮短電機(jī)壽命。

3.2 儀器軟件或硬件不能正常使用

諧波干擾頂驅(qū)控制系統(tǒng)的UPS電源，導(dǎo)致PLC重啟，重啟后電網(wǎng)中持續(xù)諧波干擾，將會(huì)直接導(dǎo)致PLC死機(jī)的現(xiàn)象，即輸出模塊的輸出點(diǎn)不動(dòng)作，需要人為重啟PLC和司鉆控制臺(tái)的開關(guān)旋鈕，才能為PLC系統(tǒng)復(fù)位。該電網(wǎng)為錄井和定向井服務(wù)提供工作電源，當(dāng)諧波成分達(dá)到一定程度時(shí)，錄井儀器不能使用，接收井下信號(hào)的地面儀器也受到電源諧波干擾，導(dǎo)致信號(hào)不能接收和處理，不能進(jìn)行下一步生產(chǎn)。

3.3 儀器儀表計(jì)量顯示不準(zhǔn)確，無法正常工作

當(dāng)頂驅(qū)轉(zhuǎn)速60rpm后，無論扭矩如何，鉆臺(tái)儀表即受到電磁輻射干擾，致使顯示器畫面出現(xiàn)不規(guī)則波紋或斑點(diǎn)，甚至黑屏等現(xiàn)象。電磁輻射干擾使經(jīng)過變頻器輸出導(dǎo)線附近的控制信號(hào)、檢測(cè)信號(hào)等弱電信號(hào)受到干擾，嚴(yán)重時(shí)使系統(tǒng)無法得到正確的檢測(cè)信號(hào)，使控制系統(tǒng)紊亂[3]。

3.4 導(dǎo)致生活營地用電受到干擾

當(dāng)電源質(zhì)量降低，辦公電腦死機(jī)，生活電器自動(dòng)保護(hù)停機(jī)，甚至日光燈的熄滅。電網(wǎng)中的諧波使得現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和生活受到嚴(yán)重干擾，甚至生產(chǎn)不能進(jìn)行，所以對(duì)設(shè)備的整改和對(duì)諧波的抑制迫在眉睫。

4諧波干擾的抑制方法與補(bǔ)救措施

考慮到現(xiàn)場(chǎng)情況的嚴(yán)峻性和設(shè)備不能重新配套的可能，作者在加強(qiáng)設(shè)備內(nèi)部屏蔽與強(qiáng)化接地的同時(shí)還提出即經(jīng)濟(jì)又能快速解決抑制諧波干擾的措施。通過現(xiàn)場(chǎng)一年的運(yùn)轉(zhuǎn)驗(yàn)證，該方案簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)可行。

4.1 更換屏蔽線，特別是通訊線

屏蔽干擾源是抑制電磁輻射和諧波干擾的最有效的方法。變頻器出廠均已做好屏蔽措施，故根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，更換從變頻房到司鉆臺(tái)的雙芯屏蔽通訊電纜，并將通訊線遠(yuǎn)離頂驅(qū)動(dòng)力電纜和直流電機(jī)動(dòng)力電纜。

4.2 強(qiáng)化接地[4]

接地是抑制電磁輻射和防止諧波干擾的重要手段。良好的接地可在很大程度上抑制干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。變頻器的接地方式有多點(diǎn)接地、一點(diǎn)接地及經(jīng)母線接地等幾種形式。根據(jù)信號(hào)頻率和接地線長度特征，頂驅(qū)變頻系統(tǒng)采用單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地共用的方式，將接地線連接到接地端子，將房體接地銅棒埋入地下1.2m以上，保持接地樁2m半徑范圍內(nèi)做一個(gè)水坑盛滿水。將直流電機(jī)動(dòng)力電纜線槽和頂驅(qū)動(dòng)力電纜線槽分別接地然后將接地線焊接在套管壁上。進(jìn)行接地電阻檢測(cè)，測(cè)量值在2Ω以下。

4.3 更換UPS電源

北石廠原裝的UPS電源為非在線式UPS，其優(yōu)點(diǎn)運(yùn)行效率高、噪音低、價(jià)格相對(duì)便宜，主要適用于市電波動(dòng)不大、對(duì)供電質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合。而從現(xiàn)場(chǎng)的情況來分析，在大量使用SCR和IGBT這類大功率開關(guān)元件的電動(dòng)鉆機(jī)中，非在線式UPS不能滿足工作要求，需要更換成純?cè)诰€式UPS，或者選用抗干擾能力更強(qiáng)的UPS來給控制系統(tǒng)供電。將原配的UPS更換為分體式2kVA工頻UPS，該UPS不僅是在線式，而且加裝了獨(dú)立的隔離變壓器和RC的消諧電路，其濾波功能大為提高?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)該UPS的輸入端與輸出端的電壓波形進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比表明，輸出端的電壓波形經(jīng)過UPS濾波后，其供電質(zhì)量已得到了明顯的改善。

4.4 使用電動(dòng)發(fā)電機(jī)為頂驅(qū)輔助系統(tǒng)供電

通過對(duì)鉆機(jī)電氣總原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)安裝一套電動(dòng)發(fā)電機(jī)，即為頂驅(qū)輔助系統(tǒng)供電的發(fā)電機(jī)，設(shè)計(jì)功率為15kW發(fā)電機(jī)。此方案雖能有效隔離頂驅(qū)系統(tǒng)和SCR系統(tǒng)之間的電網(wǎng)，消除相互干擾，但不能有效解決其他部分的干擾問題，且整改周期長。

4.5 使用獨(dú)立電源系統(tǒng)為輔助系統(tǒng)供電

通過對(duì)前三種方式進(jìn)行嘗試，但問題未能解決，而第四步的方案不滿足現(xiàn)場(chǎng)急迫需要。采取設(shè)備出廠配套的輔助發(fā)電機(jī)為頂驅(qū)輔助系統(tǒng)供電，同時(shí)為司鉆房，錄井儀器，定向設(shè)備及生活營地供電，即將頂驅(qū)輔助系統(tǒng)和其他重要用電系統(tǒng)脫離600V電網(wǎng)，頂驅(qū)輔助系統(tǒng)故障得以解決。

5結(jié)語

干擾對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況來說是很復(fù)雜的，因此在采取抗干擾措施時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)?shù)拇胧纫紤]效果，又要考慮價(jià)格因素，還要因現(xiàn)場(chǎng)情況而定。采用的措施只要能解決問題即可。針對(duì)變頻器在電動(dòng)鉆機(jī)應(yīng)用中的諧波干擾問題分析，實(shí)際工程應(yīng)用中，通過以上解決步驟和途徑，從干擾源方面考慮，保證了頂驅(qū)輔助控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將重要設(shè)備和儀器用電脫離了被污染的電網(wǎng)，提高現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用率和安全操作性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊澤暉.晶閘管整流裝置對(duì)電力網(wǎng)的影響及抑制[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2005（2）.

[2] 高巖，王艷青.變頻器應(yīng)用中的干擾及其抑制[J].有色礦冶，2009.

[3] 陽若寧.電力系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生、危害及抑制[J].長沙電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2003.

[4] 張紅蓮.數(shù)控機(jī)床中變頻器的諧波干擾及抑制措施[J].機(jī)床電器，2010.