諧波對電動鉆機影響及處理方法的探討

馮責通　湯學恩　洪超

摘要 例舉諧波對電動鉆機干擾引起電氣設備故障的處理實例，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、變頻電動鉆機和變頻頂驅(qū)的普及，井隊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)電機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定、停機，鉆機懸停失靈，錄井儀記錄出錯或者數(shù)據(jù)不準確，電腦運行不穩(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)，使處理故障變的復雜并且越來越難。就我們在工作中遇到幾次故障和處理方法進行探討。

2.故障現(xiàn)象及處理

2.1電動鉆機和變頻頂驅(qū)相互干擾故障

某廠家ZJ70D直流電動鉆機和70DB變頻頂驅(qū)配套鉆井施工，頂驅(qū)的600V電源來自電動鉆機的SCR房。在試運行時發(fā)現(xiàn)頂驅(qū)以運轉(zhuǎn)，卡特彼特發(fā)電機組轉(zhuǎn)速、電壓就不穩(wěn)，不論是單機組還是雙機組并機運行都不穩(wěn)，轉(zhuǎn)速在1470—1520轉(zhuǎn)/分之間反復變化，電壓在570—620V反復變化，致鉆井無法正常施工。雙方廠家電氣技術人員到現(xiàn)場對各自的設備進行全面檢查，沒有發(fā)現(xiàn)任何問題，認為是諧波干擾的問題。然后把頂驅(qū)的輸出動力電纜和電動鉆機輸出動力電纜分開，檢查SCR房和項驅(qū)電控房接地棒和接地線，并且又分別增加來一根接地棒，試運行故障依舊，最后給SCR房內(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電動鉆機起井架CAT發(fā)電機組停機故障

新配套ZJ70DB電動鉆機在現(xiàn)場起井架過程中，當起到25。左右時兩臺并機的卡特彼特發(fā)電機組突然停機，反復幾次依然如此，一臺CAT發(fā)電機組也停機。電氣師認真檢查了設備并重新調(diào)試發(fā)電機的參數(shù)，改變PLC的程序等用了許多方法都沒解決該故障。認為是諧波干擾的問題。整套鉆機有七臺變頻電動機，其動力電纜是帶屏蔽層，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電動鉆機時常出現(xiàn)懸停功能失靈故障

ZJ70DB電動鉆機在使用一年以后時常出現(xiàn)機懸停突然失靈故障，經(jīng)過認真檢查沒有發(fā)現(xiàn)故障，廠家電氣人員認為和諧波干擾有關，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機動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合理并有說服力的解釋，后經(jīng)過學習、處理故障經(jīng)驗的積累，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荷而產(chǎn)生諧波，例如可控硅整流器、開關電源等，直流電動鉆機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)動大型直流電動機，可控硅把交流電整流成直流電的同時產(chǎn)生一些5次、7次、¨次等諧波，這些諧波含量不是很高，一般不會影響設備的運行，就沒有引起注意。

第二類是由于逆變負荷而產(chǎn)生諧波，例如變頻器、中頻爐等，變頻電動鉆機的變頻逆變就屬于這一類，ZJ70DB電動鉆機使用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，其含量是直流電動鉆機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)變頻柜運行時產(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)電機控制模塊抗諧波干擾能力太弱，嚴重干擾了發(fā)電機控制模塊運行，致使發(fā)電機組轉(zhuǎn)速、電壓就不穩(wěn)。在處理過程中隨著動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電動鉆機的變頻電動使用動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)，當絞車電動機在起井架時電流大、高次諧波含量高，在其動力電纜屏蔽層中感應出一些高次諧波，由于屏蔽層是連接在一起的，每根動力線屏蔽層中都會感應出高次諧波，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力電纜，并回注到SCR房600V母線中引起更嚴重的干擾，使發(fā)電機組突然停機。當動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次干擾動力電纜的現(xiàn)象，發(fā)電機組停機故障自然消失。

故障3原因分析：ZJ70DB電動鉆機在使用一年后時常出現(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諧波疏導入地

使用變頻設備必須做好接地工作，在接地方面許多人存在一個誤區(qū)，認為接地就是把接地棒打入地下然后用導線連接起來就完成了，這只是對接地的表面認識，正確接地是接地做完以后測量接地電阻，采用其它方法使其降到在4以下，才是完成接地工作。現(xiàn)場情況是設備都接地了，不管阻值的大小，一般情況下現(xiàn)場接地電阻在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。現(xiàn)場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。諧波引起設備故障時有時無的原因是：變頻器產(chǎn)生的諧波是隨著輸出電流增大而增加，諧波含量低時或接地電阻較低時設備正常運行，在諧波含量高時或接地電阻較高時設備出現(xiàn)故障。需要明確一點，4【2以下接地電阻是國家標準規(guī)定保護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。井隊目前解決諧波常用的方法是做好諧波疏導入地。

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回路的設定，只能針對于某一次諧波，即針對于某一個頻率為低阻抗，使得該頻率流經(jīng)為其設定的Lc回路，達到消除（濾除）某一頻率的諧波的目的。Lc回路在濾除諧波的同時，在基波對系統(tǒng)進行無功補償以提高系統(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。通過實時檢測負載電流波形，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，實現(xiàn)濾除（抵消）諧波、動態(tài)補償系統(tǒng)無功與電壓波動、抑制諧振、提高功率因數(shù)等功能，從而達到改善供電系統(tǒng)安全性、節(jié)能降耗的目的。

5.結(jié)論

諧波對井隊電力設備的影響越來越嚴重，甚至影響到了正常生產(chǎn)。諧波的治理是疏導入地和濾波裝置濾除。諧波疏導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，讓諧波順利疏導入地。正確的接地即可抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發(fā)出干擾，反之則引入嚴重的干擾，使設備無法正常工作。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。隨著變頻電動鉆機控制技術的發(fā)展，有源電力濾波裝置會在得到廣泛的應用。