許山明，張立佳

（西部鉆探準(zhǔn)東鉆井公司物資裝備科，新疆 烏魯木齊 831511）

1 引言

隨著國內(nèi)鉆井技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)鉆機(jī)的技術(shù)要求越來越高，而電動(dòng)鉆機(jī)以其良好的特性在鉆井市場(chǎng)中被廣泛應(yīng)用。但采用SCR變流技術(shù)的直流電動(dòng)鉆機(jī)，其負(fù)載特性為感性，在鉆井過程中會(huì)產(chǎn)生較大的無功，降低了自備發(fā)電設(shè)備或電網(wǎng)供電設(shè)備的使用效率，并且造成較大的電壓波動(dòng)，同時(shí)還產(chǎn)生大量的諧波，給其它用電設(shè)備帶來危害。采用VFD變頻技術(shù)的變頻鉆機(jī)，在鉆井過程中產(chǎn)生的無功雖然較小，但產(chǎn)生的諧波卻更多。為了提高電能質(zhì)量、保障設(shè)備安全運(yùn)行、降耗節(jié)能、充分利用電氣設(shè)備的出力等，就需要采取恰當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償及諧波抑制措施，在提高功率因數(shù)的同時(shí)還能對(duì)諧波進(jìn)行治理。因此引入無功功率補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用于鉆井現(xiàn)場(chǎng)具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2 鉆井現(xiàn)場(chǎng)交流電路中的功率關(guān)系

鉆井現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間變化。

瞬時(shí)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(shí)功率P在一個(gè)周期內(nèi)的平均值稱為平均功率，即有功功率。根據(jù)積分關(guān)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(xiàn)場(chǎng)大量使用異步電動(dòng)機(jī)及其它感性負(fù)載，這些感性負(fù)載產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量與電源之間交換的能量存在一個(gè)周期內(nèi)的“吞吐”，將“吞吐”的幅度定義為電網(wǎng)的無功功率Q。鉆井現(xiàn)場(chǎng)電路的負(fù)載并非電阻，而是伴隨著容性、感性負(fù)載的存在。因此無功功率就表征電路和電源之間進(jìn)行能量交換的那部分有吞有吐的瞬時(shí)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(wǎng)中有功功率、無功功率、視在功率之間存在矢量關(guān)系，三者之間可以表達(dá)為：

2.4 功率因數(shù) cosφ

鉆井現(xiàn)場(chǎng)交流電路中的功率不僅與電壓、電流的大小有關(guān)，還與它們之間的相位差φ有關(guān)，鉆井現(xiàn)場(chǎng)電路中有功功率與視在功率的比值cosφ即為功率因數(shù)。根據(jù)公式轉(zhuǎn)換：

通過式（8）可以看出，功率因數(shù)是隨著電路的無功功率增加而降低的。而在鉆井現(xiàn)場(chǎng)電路中，供電線路接有大量的電感性負(fù)載導(dǎo)致無功功率Q增加而使電網(wǎng)的功率因數(shù)降低，因此為了降低無功功率，提高功率因數(shù)，就要在電路中并聯(lián)接入容性負(fù)載。由于感性負(fù)載和容性負(fù)載是兩種性質(zhì)相反的元件，電感吸能之際恰是電容放能之際，用容性負(fù)載的無功去補(bǔ)償感性負(fù)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(shù)。

如圖1所示為70D鉆機(jī)在鉆進(jìn)工況下的功率因數(shù)變化曲線。表1為電力系統(tǒng)綜合測(cè)量?jī)x對(duì)該鉆機(jī)鉆進(jìn)工況電壓、電流計(jì)功率因數(shù)的測(cè)試，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)該鉆機(jī)的功率因數(shù)在0.3-0.6之間。

圖1 70D鉆機(jī)在鉆進(jìn)工況下的功率因數(shù)變化曲線

表1 電壓、電流幅值及功率、功率因數(shù)表

3 鉆井現(xiàn)場(chǎng)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(fù)荷的非線性造成的，目前井隊(duì)使用的空調(diào)、電腦、整流器、電焊機(jī)、變壓器等電器均給電網(wǎng)注入了大量諧波，而高次諧波污染對(duì)鉆井現(xiàn)場(chǎng)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成潛在的威脅。國家電網(wǎng)規(guī)定：電路中諧波電流的含量不應(yīng)大于額定電流的5%，因此，有必要對(duì)鉆機(jī)電網(wǎng)中高次諧波的含量進(jìn)行分析。

由于各次諧波的原因，在鉆井現(xiàn)場(chǎng)電網(wǎng)中的電壓及電流并非規(guī)律的正弦波，通過傅里葉級(jí)數(shù)分解可分解為各種頻率的正弦波，對(duì)于電網(wǎng)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(cè)量?jī)x對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆機(jī)電網(wǎng)中的諧波測(cè)試發(fā)現(xiàn)：電網(wǎng)中5次含量最高達(dá)到7.22%，7 次含量達(dá)到 3.33%，11 次含量為 4.48%，13次含量為3.95%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家電網(wǎng)對(duì)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(diǎn)：

（1）消耗電力系統(tǒng)的無功儲(chǔ)備，增加輸電線損耗及井場(chǎng)電器設(shè)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(shè)備的故障與損壞，運(yùn)行安全性下降。

（2）對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，使井場(chǎng)電話和網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量下降；造成重要和敏感的自動(dòng)控制和保護(hù)工作紊亂，誤動(dòng)和拒動(dòng)的現(xiàn)象增加，導(dǎo)致可靠性下降。

表2 各次諧波含量表

4 補(bǔ)償方案的選擇及補(bǔ)償容量的確定

4.1 補(bǔ)償方案的選擇

隨著技術(shù)的發(fā)展，無功補(bǔ)償及諧波抑制的方案也經(jīng)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(fù)荷特性或不同的供電質(zhì)量要求。

（1）接觸器投切電容器（簡(jiǎn)稱MSC）型：采用接觸器投入或切出電容器與電抗器的串聯(lián)回路，在進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，也對(duì)諧波進(jìn)行抑制。適用于較平穩(wěn)負(fù)荷，投入或切出不需太頻繁的場(chǎng)合。

（2）晶閘管投切電容器（簡(jiǎn)稱TSC）型：采用晶閘管投切電容器與電抗器的串聯(lián)回路，由于用電力電子元件晶閘管做為無觸點(diǎn)開關(guān)代替有觸點(diǎn)的機(jī)電設(shè)備接觸器使工作可靠性、壽命、響應(yīng)時(shí)間等提高，可適用于投入或切出較為頻繁的場(chǎng)合，是取代MSC的換代產(chǎn)品。

（3）固定電容器＋晶閘管控制電抗器（簡(jiǎn)稱FC＋TCR）型：采用開關(guān)投入電容器與電抗器的串聯(lián)回路（FC），對(duì)無功進(jìn)行全補(bǔ)償，同時(shí)對(duì)預(yù)定諧波進(jìn)行全抑制，另外通過晶閘管控制電抗器（TCR），動(dòng)態(tài)連續(xù)地調(diào)整無功。適用于快變性質(zhì)的負(fù)荷以及諧波較為嚴(yán)重的場(chǎng)合。

（4）有源型諧波抑制及無功補(bǔ)償裝置（簡(jiǎn)稱APFC）：采用了可關(guān)斷電力電子器件、計(jì)算機(jī)控制及PWM技術(shù)，是目前最先進(jìn)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方案，造價(jià)較高，目前主要用于對(duì)供電質(zhì)量要求很高以及一些瞬變負(fù)荷如冶煉爐等場(chǎng)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(jù)上述方案的對(duì)比，可以看出FC＋TCR方案較為適合電動(dòng)鉆機(jī)的負(fù)荷特性，同時(shí)造價(jià)也較為適中?；谝陨显颍捎肍C＋TCR技術(shù)的石油鉆機(jī)專用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償及諧波抑制裝置。

4.2 補(bǔ)償容量Qc的確定

針對(duì)目前電動(dòng)鉆機(jī)不同工況下功率因數(shù)較低的情況，應(yīng)該從提高功率因數(shù)的角度考慮補(bǔ)償容量。如果電網(wǎng)最大負(fù)荷月的平均有功功率為Ppi，補(bǔ)償前的功率因數(shù)為cosφ1，補(bǔ)償后的功率因數(shù)為cosφ2，則補(bǔ)償容量可用下述公式計(jì)算：

根據(jù)鉆機(jī)鉆進(jìn)工況的實(shí)際情況，測(cè)得補(bǔ)償前功率因數(shù) cosφ1在 0.4-0.6 之間，取 0.5，預(yù)期補(bǔ)償后的功率因數(shù)為0.95。經(jīng)過測(cè)算，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鉆機(jī)最大負(fù)荷的月平均有功功率為2300kW，代入式（11）中計(jì)算：

經(jīng)過計(jì)算，取補(bǔ)償功率1500kVAR。

5 無功補(bǔ)償技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與結(jié)果分析

無功補(bǔ)償及諧波抑制系統(tǒng)于2009年4月10日進(jìn)行設(shè)備調(diào)試、參數(shù)匹配調(diào)試后正式投入試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)共投入三組共1500kVAR的無功補(bǔ)償裝置，從4月11日至4月15日對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行為期四天的觀測(cè)，記錄。期間現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)歷了起鉆、下鉆、鉆進(jìn)三個(gè)工況。

此次試驗(yàn)的主要目的是通過設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中測(cè)量的數(shù)據(jù)及有關(guān)波形來驗(yàn)證補(bǔ)償裝置的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能是否達(dá)到提高電網(wǎng)功率因數(shù)、抑制諧波的目的。

試驗(yàn)用材料及設(shè)備：①TDS220美國泰克存儲(chǔ)記憶示波器；②3169-20／21 Clamp On Power Hitester日本原裝進(jìn)口電力系統(tǒng)綜合測(cè)量?jī)x。

將示波器和測(cè)量?jī)x接入系統(tǒng)，在起鉆、下鉆、鉆進(jìn)三種工況下，首先記錄補(bǔ)償裝置未投入時(shí)有關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)（第一參數(shù)）。然后將補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行，再次記錄有關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)（第二參數(shù)）。記錄完畢后將每一工況下的第一參數(shù)和第二參數(shù)進(jìn)行比較，通過前后數(shù)據(jù)和圖形的對(duì)比，分析補(bǔ)償裝置的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能。

5.1 電網(wǎng)中的無功功率補(bǔ)償測(cè)試

（1）起鉆工況

補(bǔ)償裝置投入前無功功率的變化曲線如圖2所示。

補(bǔ)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(bǔ)償裝置投入前后系統(tǒng)的無功功率變化曲線。

通過設(shè)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(bǔ)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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)速度能夠有效地跟蹤鉆機(jī)負(fù)載的快速變化。

圖2 補(bǔ)償裝置投入前無功功率的變化曲線

圖3 補(bǔ)償裝置投入后無功功率的變化曲線

圖4 補(bǔ)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(shù)補(bǔ)償性能測(cè)試

（1）鉆進(jìn)工況

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

（2）下鉆工況

圖7為補(bǔ)償裝置投入前后功率因數(shù)曲線。

（3）起鉆工況

圖8為補(bǔ)償裝置投入后功率因數(shù)變化曲線及補(bǔ)償裝置退出后功率因數(shù)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(bǔ)償裝置后，在起下鉆、鉆進(jìn)工況下，系統(tǒng)的功率因數(shù)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(shù)能達(dá)到0.91-0.95之間。

圖5 補(bǔ)償裝置投入前系統(tǒng)功率因數(shù)的變化曲線

圖6 補(bǔ)償裝置投入后系統(tǒng)功率因數(shù)的變化曲線

圖7 補(bǔ)償裝置投入前功率因數(shù)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(bǔ)償裝置投入后功率因數(shù)變化曲線及補(bǔ)償裝置退出后功率因數(shù)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(cè)試

在起鉆、下鉆及鉆進(jìn)三種工況下對(duì)諧波電壓進(jìn)行測(cè)試及分析。

（1）起鉆工況

補(bǔ)償裝置投入前各次諧波電壓含有量如表4所示。

表4 補(bǔ)償裝置投入前各次諧波電壓含有量

補(bǔ)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(bǔ)償裝置投入前各次諧波電壓含有量如表6所示。

表5 補(bǔ)償裝置投入后各次諧波電壓含有量

表6 補(bǔ)償裝置投入前各次諧波電壓含有量

補(bǔ)償裝置投入后各次諧波電壓含有量如表7所示。

表7 補(bǔ)償裝置投入后各次諧波電壓含有量

（3）鉆進(jìn)工況

補(bǔ)償裝置投入前各次諧波電壓含有量如表8所示。

表8 補(bǔ)償裝置投入前各次諧波電壓含有量

補(bǔ)償裝置投入后各次諧波電壓含有量見表9。

通過補(bǔ)償裝置投入前后數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，補(bǔ)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(wǎng)對(duì)諧波含量小于5%的規(guī)定。

表9 補(bǔ)償裝置投入后各次諧波電壓含有量

6 電動(dòng)鉆機(jī)無功補(bǔ)償及諧波抑制的意義

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

（2）功率因數(shù)低時(shí)，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(jī)組。如CAT3512B的空載耗油達(dá)70升／小時(shí)。增加無功補(bǔ)償裝置后，可以減少運(yùn)行機(jī)組的臺(tái)數(shù)，也降低了空載油耗。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，有功功率足夠而由于無功功率不夠，需要多開一臺(tái)車的時(shí)間在鉆井周期中約占70%。對(duì)于有功功率或機(jī)械能轉(zhuǎn)換來說，這臺(tái)車就相當(dāng)于空載。一臺(tái)直流電動(dòng)鉆機(jī)在一年內(nèi)工作時(shí)間按10個(gè)月考慮，每臺(tái)柴油機(jī)正常工作時(shí)每月耗油約45噸，空載運(yùn)行時(shí)耗油大約是其50%，可計(jì)算出一年內(nèi)多耗油約150噸。

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

（4）增加諧波抑制裝置后，將延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)、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(jié)束語

目前國家民用電力電網(wǎng)系統(tǒng)大多都配置了該裝置，在改善諧波、提高功率因數(shù)等方面取得了良好效果。為了加快鉆探行業(yè)的設(shè)備更新改進(jìn)，有必要對(duì)于功率因數(shù)低、諧波污染嚴(yán)重、動(dòng)力不足的直流電動(dòng)鉆機(jī)上配置該裝置，以改善電網(wǎng)質(zhì)量。在今后鉆機(jī)發(fā)展過程中，無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

［1］王向成.電網(wǎng)無功補(bǔ)償實(shí)用技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

［2］魏佩瑜.電工學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］辜承林，陳喬夫，熊永前.電機(jī)學(xué)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.

［4］王廷才.變頻器原理及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械出版社，2009.

［5］教育部高等教育司組.電路基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，1998.