淺議直流鉆機配套變頻頂驅的電磁與諧波干擾

鄭雪坤　李廣平　羅輝　廖文青

摘要：采用SCR和變頻器驅動的電動機因其節能效果明顯、維護簡單等優點而被廣泛的采用。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。針對不同的干擾對象，通過對電動鉆機現場服務進行總結，采取有效抗干擾措施，保證了電動鉆機的安全性和穩定性，提高了生產效率。

關鍵詞：變頻器SCR頂驅UPS電源PLC諧波干擾

中圖分類號：TE922 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）08（c）-0140-02

隨著工業技術的不斷發展與進步，電動鉆機的諸多特點，預示著它將逐漸取代原始的柴油機和聯動箱組成的機械鉆機。江蘇海外鉆井項目Sinopec216隊，于2007年由寶石廠配套50D電動鉆機，SCR房由寶美配套制造，并配有北石DQ70BSC頂驅。在本套鉆機的設計應用中，絞車、轉盤和泥漿泵采用SCR整流驅動，頂驅采用變頻調速系統，整套鉆機節能效果明顯，操作方便、維護簡單等優點，但是SCR和變頻器造成了相互間諧波干擾及對其他設備和儀器諧波干擾的問題。本文對該鉆機使用過程中出現的故障進行統計，將SCR和變頻器產生干擾的原因和危害進行梳理，并對其他設備的諧波干擾和電磁輻射問題采取了相應的抑制方法。

1電動鉆機諧波干擾源的出現

當井深1800m左右，雙泵開啟，頂驅頻繁報故障并跳閘停機，通過檢查發現頂驅PLC柜內隔離變壓器發出嗡嗡的聲響，并且重啟頂驅PLC和工控計算機后，UPS電源發出吱吱的聲音，重啟頂驅后鉆臺按工況要求繼續鉆進，用FLUCK萬用表檢測UPS電源上級隔離變壓器的輸出端，檢測發現當兩臺泵的總泵沖提到100沖，泵壓16MPa時，電壓波動并不大，但是頻率波動很大，偶然還能發現300Hz以上的數字。示波器對電源進行監視，發現雜亂的不光滑的曲線，在曲線上出現很多毛刺，且能明顯聽到UPS電源內部頻繁發出開關切換的聲音。由UPS電源控制面板上直接供電的指示燈也隨著UPS內部開關的切換出現明顯的閃爍。繼續觀察，發現在UPS頻繁切換供電模式的時候，PLC和工控電腦自動重啟。

2諧波干擾原因解析

在頂驅轉速120～150rpm時，兩臺泵的泵沖相差10次/分鐘，UPS能夠長期工作在外接電源模式，也就是PLC和工控機都能夠正常工作，能保證司鉆臺的安全操作。針對這種故障情況，對兩臺泵在不同運轉情況下使用示波器進行監視。

現場使用一臺泵，且泵沖為40沖/分鐘時可見隔離變壓器上的380V電壓一個周期內電壓波形的跌落明顯增加，整個波型也開始出現一定的變形。說明SCR房內運轉泥漿泵，諧波的含量開始增加，波形的塌陷和變形嚴重。當啟動另外一臺泵后，兩臺泵沖均為40沖/分鐘時，整個380V電壓有明顯的電壓跌落，并且整個波型被打成數個波段，而每個波段上是無數個鋸齒狀的方波，整個正弦波遭到了嚴重的破壞。說明頂驅運轉時，兩臺泵同時開起來后，它對電壓的破壞性是大于一臺泵對波形的破壞性。提高兩臺泵沖到均為50沖/分鐘時，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生了1+1>2的結果，導致UPS頻繁切換供電模式，長時間工作在UPS供電模式下，UPS電源電壓低的情況就會導致控制系統癱瘓。增加一臺泵沖到55沖/分鐘，同時降低一臺泵沖到45沖/分鐘時基本能夠保證UPS電源的正常工作，可以判斷此時的干擾是一個干擾臨界點。

通過以上故障臨界點的尋找判斷，整個電路中出現了大量的諧波干擾。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的正弦波，而變成了由數條犬牙交錯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重的話，還會使正弦波變成非正弦波，在兩臺泵沖均為50沖時，其電壓波形就是非常嚴重的諧波干擾現象，為了保證井下安全，不得不調整兩臺泵的泵沖，將目的段完成至2200m。但在現場工況來說，特別是在井下儀器需要泵壓穩定的情況下，兩臺泵相差10泵沖不能滿足現場需求，只能尋找設備內部原因，并加以解決。

3諧波對現場設備的危害

本套設備中，SCR整流裝置在運行時產生的高次諧波會反饋到電網，使電網質量下降，影響與該裝置并聯在同一電網的其它負載的正常工作[1]。高次諧波不僅干擾了頂驅控制系統的正常供電，對交流和直流驅動系統PLC和井場工作用電及生活用電都產生了干擾。

3.1 電網損耗增加，利用率降低

諧波使電網中的電器元件產生附加的諧波損耗，降低了用電設備的效率，通過電網傳導到其它的用電器，引起電網中局部的串聯或并聯諧振，從而使諧波放大[2]。電機結構原因其內部氣隙不均勻，逆變器輸出帶有高次諧波成分的電壓與電流，在內部氣隙中產生高次諧波磁通，隨著頻率變化，電壓、頻率基波在發生變化的同時，高次諧波成分會在較寬的頻譜內變化，頻率低一些的高次諧波成分能與電機轉子發生共振，從而引起頂驅電機的振動，噪音增大，縮短電機壽命。

3.2 儀器軟件或硬件不能正常使用

諧波干擾頂驅控制系統的UPS電源，導致PLC重啟，重啟后電網中持續諧波干擾，將會直接導致PLC死機的現象，即輸出模塊的輸出點不動作，需要人為重啟PLC和司鉆控制臺的開關旋鈕，才能為PLC系統復位。該電網為錄井和定向井服務提供工作電源，當諧波成分達到一定程度時，錄井儀器不能使用，接收井下信號的地面儀器也受到電源諧波干擾，導致信號不能接收和處理，不能進行下一步生產。

3.3 儀器儀表計量顯示不準確，無法正常工作

當頂驅轉速60rpm后，無論扭矩如何，鉆臺儀表即受到電磁輻射干擾，致使顯示器畫面出現不規則波紋或斑點，甚至黑屏等現象。電磁輻射干擾使經過變頻器輸出導線附近的控制信號、檢測信號等弱電信號受到干擾，嚴重時使系統無法得到正確的檢測信號，使控制系統紊亂[3]。

3.4 導致生活營地用電受到干擾

當電源質量降低，辦公電腦死機，生活電器自動保護停機，甚至日光燈的熄滅。電網中的諧波使得現場生產和生活受到嚴重干擾，甚至生產不能進行，所以對設備的整改和對諧波的抑制迫在眉睫。

4諧波干擾的抑制方法與補救措施

考慮到現場情況的嚴峻性和設備不能重新配套的可能，作者在加強設備內部屏蔽與強化接地的同時還提出即經濟又能快速解決抑制諧波干擾的措施。通過現場一年的運轉驗證，該方案簡單且經濟可行。

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，故根據現場情況，更換從變頻房到司鉆臺的雙芯屏蔽通訊電纜，并將通訊線遠離頂驅動力電纜和直流電機動力電纜。

4.2 強化接地[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，提高系統的抗干擾能力。變頻器的接地方式有多點接地、一點接地及經母線接地等幾種形式。根據信號頻率和接地線長度特征，頂驅變頻系統采用單點接地和多點接地共用的方式，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半徑范圍內做一個水坑盛滿水。將直流電機動力電纜線槽和頂驅動力電纜線槽分別接地然后將接地線焊接在套管壁上。進行接地電阻檢測，測量值在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，其優點運行效率高、噪音低、價格相對便宜，主要適用于市電波動不大、對供電質量要求不高的場合。而從現場的情況來分析，在大量使用SCR和IGBT這類大功率開關元件的電動鉆機中，非在線式UPS不能滿足工作要求，需要更換成純在線式UPS，或者選用抗干擾能力更強的UPS來給控制系統供電。將原配的UPS更換為分體式2kVA工頻UPS，該UPS不僅是在線式，而且加裝了獨立的隔離變壓器和RC的消諧電路，其濾波功能大為提高。現場對該UPS的輸入端與輸出端的電壓波形進行了對比，對比表明，輸出端的電壓波形經過UPS濾波后，其供電質量已得到了明顯的改善。

4.4 使用電動發電機為頂驅輔助系統供電

通過對鉆機電氣總原理進行分析，設計安裝一套電動發電機，即為頂驅輔助系統供電的發電機，設計功率為15kW發電機。此方案雖能有效隔離頂驅系統和SCR系統之間的電網，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 使用獨立電源系統為輔助系統供電

通過對前三種方式進行嘗試，但問題未能解決，而第四步的方案不滿足現場急迫需要。采取設備出廠配套的輔助發電機為頂驅輔助系統供電，同時為司鉆房，錄井儀器，定向設備及生活營地供電，即將頂驅輔助系統和其他重要用電系統脫離600V電網，頂驅輔助系統故障得以解決。

5結語

干擾對現場工況來說是很復雜的，因此在采取抗干擾措施時，應當采用適當的措施，既要考慮效果，又要考慮價格因素，還要因現場情況而定。采用的措施只要能解決問題即可。針對變頻器在電動鉆機應用中的諧波干擾問題分析，實際工程應用中，通過以上解決步驟和途徑，從干擾源方面考慮，保證了頂驅輔助控制系統的穩定性，將重要設備和儀器用電脫離了被污染的電網，提高現場設備使用率和安全操作性能。

參考文獻

[1] 楊澤暉.晶閘管整流裝置對電力網的影響及抑制[J].機械工程與自動化，2005（2）.

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

[3] 陽若寧.電力系統中諧波的產生、危害及抑制[J].長沙電力學院學報，2003.

[4] 張紅蓮.數控機床中變頻器的諧波干擾及抑制措施[J].機床電器，2010.