諧波對(duì)電動(dòng)鉆機(jī)影響及處理方法的探討

馮責(zé)通　湯學(xué)恩　洪超

摘要 例舉諧波對(duì)電動(dòng)鉆機(jī)干擾引起電氣設(shè)備故障的處理實(shí)例，分析諧波干擾引起故障的原因，解決故障的方法及消除諧波的方法。

1.引言

隨著油田直流、變頻電動(dòng)鉆機(jī)和變頻頂驅(qū)的普及，井隊(duì)電源中的諧波含量越來越高，諧波干擾引起一系列的電氣故障，如發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定、停機(jī)，鉆機(jī)懸停失靈，錄井儀記錄出錯(cuò)或者數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，電腦運(yùn)行不穩(wěn)定，空調(diào)制冷量下降等等，引起的電氣故障用電路原理圖無法分析，很容易把維修人員引入其它方面故障的誤區(qū)，使處理故障變的復(fù)雜并且越來越難。就我們?cè)诠ぷ髦杏龅綆状喂收虾吞幚矸椒ㄟM(jìn)行探討。

2.故障現(xiàn)象及處理

2.1電動(dòng)鉆機(jī)和變頻頂驅(qū)相互干擾故障

某廠家ZJ70D直流電動(dòng)鉆機(jī)和70DB變頻頂驅(qū)配套鉆井施工，頂驅(qū)的600V電源來自電動(dòng)鉆機(jī)的SCR房。在試運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)頂驅(qū)以運(yùn)轉(zhuǎn)，卡特彼特發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、電壓就不穩(wěn)，不論是單機(jī)組還是雙機(jī)組并機(jī)運(yùn)行都不穩(wěn)，轉(zhuǎn)速在1470—1520轉(zhuǎn)/分之間反復(fù)變化，電壓在570—620V反復(fù)變化，致鉆井無法正常施工。雙方廠家電氣技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各自的設(shè)備進(jìn)行全面檢查，沒有發(fā)現(xiàn)任何問題，認(rèn)為是諧波干擾的問題。然后把頂驅(qū)的輸出動(dòng)力電纜和電動(dòng)鉆機(jī)輸出動(dòng)力電纜分開，檢查SCR房和項(xiàng)驅(qū)電控房接地棒和接地線，并且又分別增加來一根接地棒，試運(yùn)行故障依舊，最后給SCR房?jī)?nèi)的電壓控制模塊接地，又給SCR房和頂驅(qū)電控房分別增加了2根接地棒，故障消失。處理該故障用了5天才解決，也沒明白故障真正原因。

2.2 ZJ70DB電動(dòng)鉆機(jī)起井架CAT發(fā)電機(jī)組停機(jī)故障

新配套ZJ70DB電動(dòng)鉆機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)起井架過程中，當(dāng)起到25。左右時(shí)兩臺(tái)并機(jī)的卡特彼特發(fā)電機(jī)組突然停機(jī)，反復(fù)幾次依然如此，一臺(tái)CAT發(fā)電機(jī)組也停機(jī)。電氣師認(rèn)真檢查了設(shè)備并重新調(diào)試發(fā)電機(jī)的參數(shù)，改變PLC的程序等用了許多方法都沒解決該故障。認(rèn)為是諧波干擾的問題。整套鉆機(jī)有七臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)，其動(dòng)力電纜是帶屏蔽層，屏蔽層都接到電控房房體，房體用兩根接地棒接到地。在控制線和動(dòng)力電纜分開，增加一接地棒等多種方法無效的情況下，最終是把動(dòng)力電纜的屏蔽層線接全部拆掉懸空，故障消失了。這是不合常理的處理方法解決了問題，無法解釋原因。

ZJ70DB電動(dòng)鉆機(jī)時(shí)常出現(xiàn)懸停功能失靈故障

ZJ70DB電動(dòng)鉆機(jī)在使用一年以后時(shí)常出現(xiàn)機(jī)懸停突然失靈故障，經(jīng)過認(rèn)真檢查沒有發(fā)現(xiàn)故障，廠家電氣人員認(rèn)為和諧波干擾有關(guān)，用了許多方法都沒解決故障，最后的處理方法是把變頻電動(dòng)機(jī)動(dòng)力電纜的屏蔽層和電控房房體全部在一起，用25mm2銅線作地線接到園井表套管上，解決懸停失靈故障。

這三起典型故障，雖然都得到了排除，但一直沒有做出一個(gè)合理并有說服力的解釋，后經(jīng)過學(xué)習(xí)、處理故障經(jīng)驗(yàn)的積累，并和多次與電氣人員討論，明白了其中原因，現(xiàn)總結(jié)出來和同行一起探討：

3.故障分析

3.1諧波產(chǎn)生的原因

產(chǎn)生諧波的原因多種多樣，比較常見的有兩類。第一類是由于非線性負(fù)荷而產(chǎn)生諧波，例如可控硅整流器、開關(guān)電源等，直流電動(dòng)鉆機(jī)可控硅整流屬于這一類，把600V的交流電通過大功率可控硅（SCR）整流成0—750可調(diào)直流電來驅(qū)動(dòng)大型直流電動(dòng)機(jī)，可控硅把交流電整流成直流電的同時(shí)產(chǎn)生一些5次、7次、¨次等諧波，這些諧波含量不是很高，一般不會(huì)影響設(shè)備的運(yùn)行，就沒有引起注意。

第二類是由于逆變負(fù)荷而產(chǎn)生諧波，例如變頻器、中頻爐等，變頻電動(dòng)鉆機(jī)的變頻逆變就屬于這一類，ZJ70DB電動(dòng)鉆機(jī)使用7套600KW變頻器，產(chǎn)生了大量的5次、7次、11次和13次等諧波，其含量是直流電動(dòng)鉆機(jī)可控硅整流器的幾倍，高次諧波電流注入到SCR房600V母線中。電源中性點(diǎn)不接地，母線中高次諧波易造成諧波相互疊加共振引起一些故障。

3.2故障原因分析

故障1原因分析：頂驅(qū)電控房變頻柜用西門子6SE70變頻器。SCR房直流柜和頂驅(qū)變頻柜運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量的5次、7次、11次諧波，回注到SCR房600V母線中相互疊加。發(fā)電機(jī)控制模塊抗諧波干擾能力太弱，嚴(yán)重干擾了發(fā)電機(jī)控制模塊運(yùn)行，致使發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、電壓就不穩(wěn)。在處理過程中隨著動(dòng)力電纜分開布線和接地棒的增加，接地電阻的降低到某一數(shù)值，產(chǎn)生出的高次諧波電流順利釋放到大地中，故障消失。

故障2原因分析：ZJ70DB電動(dòng)鉆機(jī)的變頻電動(dòng)使用動(dòng)力電纜是帶屏蔽層的，屏蔽層都接到電控房房體上，形成屏蔽層網(wǎng)，當(dāng)絞車電動(dòng)機(jī)在起井架時(shí)電流大、高次諧波含量高，在其動(dòng)力電纜屏蔽層中感應(yīng)出一些高次諧波，由于屏蔽層是連接在一起的，每根動(dòng)力線屏蔽層中都會(huì)感應(yīng)出高次諧波，就形成含有了高次諧波屏蔽層網(wǎng)，由于屏蔽層的接地工作沒有做好，高次諧波電流不能釋放到大地中，引起屏蔽線的諧波再次干擾動(dòng)力電纜，并回注到SCR房600V母線中引起更嚴(yán)重的干擾，使發(fā)電機(jī)組突然停機(jī)。當(dāng)動(dòng)力電纜的屏蔽層線接全部拆掉懸空，形不成含有高次諧波屏蔽層網(wǎng)，也就形不成諧波的2次干擾動(dòng)力電纜的現(xiàn)象，發(fā)電機(jī)組停機(jī)故障自然消失。

故障3原因分析：ZJ70DB電動(dòng)鉆機(jī)在使用一年后時(shí)常出現(xiàn)懸停功能失靈，其原因是接地棒和接地線在使用一年后表面出現(xiàn)氧化接地電阻升高，諧波干擾出現(xiàn)懸停功能失靈，屏蔽層全部在一起用25mm2銅線作地線接到園井表套管，園井表套管是一個(gè)大接地極，接地電阻在0.5左右，和它相連的在每根電纜屏蔽層線的接地電阻也是0.5 Q左右，感應(yīng)出高次諧波電流順利釋放到大地中，諧波干擾減弱，故障自然消失。

4.諧波的治理方法

4.1諧波疏導(dǎo)入地

使用變頻設(shè)備必須做好接地工作，在接地方面許多人存在一個(gè)誤區(qū)，認(rèn)為接地就是把接地棒打入地下然后用導(dǎo)線連接起來就完成了，這只是對(duì)接地的表面認(rèn)識(shí)，正確接地是接地做完以后測(cè)量接地電阻，采用其它方法使其降到在4以下，才是完成接地工作?，F(xiàn)場(chǎng)情況是設(shè)備都接地了，不管阻值的大小，一般情況下現(xiàn)場(chǎng)接地電阻在10左右甚至更高。把諧波順利釋放到大地中其接地電阻在4以下，最好在1 Q左右?，F(xiàn)場(chǎng)1根1_5米接地棒打入地中其接地電阻是12—25Q，這么大的阻值就不能釋放諧波。諧波引起設(shè)備故障時(shí)有時(shí)無的原因是：變頻器產(chǎn)生的諧波是隨著輸出電流增大而增加，諧波含量低時(shí)或接地電阻較低時(shí)設(shè)備正常運(yùn)行，在諧波含量高時(shí)或接地電阻較高時(shí)設(shè)備出現(xiàn)故障。需要明確一點(diǎn)，4【2以下接地電阻是國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定保護(hù)操作人員安全措施接地，不是釋放諧波入地的接地電阻，其電阻值越小越能最大限度的釋放諧波入地，避免設(shè)備出現(xiàn)故障。做好接地要求材料：接地棒要求是銅材料，長1.8—2米，要4跟左右，接地線大于16mm2銅線，最好和園井表套管連接起來，接地電阻在1（2以下。井隊(duì)目前解決諧波常用的方法是做好諧波疏導(dǎo)入地。

4.2諧波濾除方法：

要從根本上解決諧波的問題，主要采用無源電力濾波裝置和有源電力濾波裝置。

（1）無源電力濾波裝置（PPF），主要采用Lc回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中，Lc回路的設(shè)定，只能針對(duì)于某一次諧波，即針對(duì)于某一個(gè)頻率為低阻抗，使得該頻率流經(jīng)為其設(shè)定的Lc回路，達(dá)到消除（濾除）某一頻率的諧波的目的。Lc回路在濾除諧波的同時(shí)，在基波對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。

（2）有源電力濾波裝置（APF），是一種基于IGBT逆變器的新型諧波治理裝置。通過實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流波形，除去波形中基波（50Hz）成分，將剩余部分的波形反向，通過控制IGBT的觸發(fā)，將反向電流注入供電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)濾除（抵消）諧波、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)無功與電壓波動(dòng)、抑制諧振、提高功率因數(shù)等功能，從而達(dá)到改善供電系統(tǒng)安全性、節(jié)能降耗的目的。

5.結(jié)論

諧波對(duì)井隊(duì)電力設(shè)備的影響越來越嚴(yán)重，甚至影響到了正常生產(chǎn)。諧波的治理是疏導(dǎo)入地和濾波裝置濾除。諧波疏導(dǎo)入地是把電控房和電纜帶屏蔽層的接地做好，接地電阻在1 Q以下，讓諧波順利疏導(dǎo)入地。正確的接地即可抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾，反之則引入嚴(yán)重的干擾，使設(shè)備無法正常工作。濾除諧波要用有源或無源電力濾波裝置，才能從根本上消除諧波的影響。隨著變頻電動(dòng)鉆機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，有源電力濾波裝置會(huì)在得到廣泛的應(yīng)用。