童紅雷 （中石化江漢石油管理局鉆井二公司，湖北 潛江433123）

電動鉆機控制系統(tǒng)及頂驅控制系統(tǒng)的諧波干擾及其抑制

童紅雷 （中石化江漢石油管理局鉆井二公司，湖北 潛江433123）

在電動鉆機控制系統(tǒng)及頂驅控制系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的諧波干擾現(xiàn)象，輕者干擾SCR房和頂驅電控系統(tǒng)的正常運轉，重者會燒毀SCR房和頂驅電控系統(tǒng)內重要的控制模塊。通過對各種工況下的600V（220V）電壓波形拍照，找出了產(chǎn)生諧波干擾的根源。由此提出了減少和消除諧波干擾的具體方案。

電動鉆機；頂驅；控制系統(tǒng)；諧波干擾；消除

1 諧波干擾的出現(xiàn)

江漢鉆井70130隊的電控房是2002年從SIEMENS原裝進口的全數(shù)字化控制的SCR（直流可控硅）房，因這個硅房的設計實際上是照搬海上平臺的設計，故電控房內每組晶閘管的進線上均加裝了進線電抗。柴油機是底特律的，發(fā)電機是馬拉松的，每臺的單機容量是1714kW，功率是1200kW，電壓是600V，頻率是50Hz。考慮到將來使用自備發(fā)電機的可能性，在試用高壓電的1個月后開始使用自備發(fā)電機。

當將全井場的用電從高壓電倒成自備發(fā)電機后，發(fā)現(xiàn)頂驅電控房內PLC/MCC柜內的隔離變壓器發(fā)出較明顯的低沉的嗡嗡聲，OT3000型UPS（不間斷電源）的控制面板上頻繁的發(fā)出 “電壓低”報警（用萬用表測得當時的電壓為598V），其內部也頻繁發(fā)出開關切換的聲音。而由UPS直接供電的指示燈也隨著UPS內部開關的切換出現(xiàn)明顯的閃爍。沒多久，絕大多數(shù)的指示燈均被燒毀。用示波器測得隔離變壓器輸出端和UPS的輸出端的電壓波形，發(fā)現(xiàn)在1個周期內出現(xiàn)數(shù)處電壓波型的尖峰跌落。由此判斷整個電路中出現(xiàn)了大量的諧波干擾。所謂諧波，也就是說電源受到了污染，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)條犬牙交錯狀或是鋸齒狀的各種雜波組成的近似正弦波。如果諧波含量非常嚴重的話，還會使正弦波變成非正弦波。

2 諧波干擾的分析

為了具體分析諧波干擾的產(chǎn)生，將各種工況下的600V （220V）電壓波形拍了照。圖1是邊開泵邊上提鉆具時的600V電壓波形，可見一個周期內電壓的跌落明顯增加，整個波型也開始出現(xiàn)一定的變形。這說明在SCR房內同時開啟并運轉泥漿泵和絞車的控制柜后，諧波的含量開始明顯增加，波型的塌陷和變形也更加嚴重。圖2是只開頂驅系統(tǒng)時的600V電壓波型，可見整個600V電壓也有幾個明顯的電壓跌落，并且整個波型被打成數(shù)個波段，而每個波段上是無數(shù)個鋸齒狀的方波，整個正弦波遭到了嚴重的破壞。這說明頂驅開起來后，它對電壓波型的破壞是大于SCR房內各直流電機控制系統(tǒng)對波型的破壞的。圖3是同時開啟并運轉頂驅和泥漿泵時的600V電壓波型，可見由于諧波之間的疊加往往會產(chǎn)生1＋1＞2的結果，故大幅度的電壓跌落明顯增加，波型的正弦形式進一步遭到破壞。圖4是頂驅和泥漿泵同時運轉時頂驅電控房內380V/220V變壓器的220V輸出端的電壓波型，可見該220V的電壓波型已經(jīng)變得面目全非，其大幅度的電壓跌落不僅多，而且還很深。而該220V電壓是經(jīng)UPS使用后供給各種PLC模塊和控制板的關鍵電源。

圖1 邊開泵邊上提鉆具時600V電壓波形

圖2 只開頂驅系統(tǒng)時600V電壓波型

圖3 同時開啟并運轉頂驅和泥漿泵時600V電壓波型

圖4 頂驅和泥漿泵同時運轉時頂驅電控房380V/220V變壓器220V輸出端的電壓波型

測量與統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，即使是在用單獨發(fā)電機給頂驅單獨供電時，頂驅的電壓諧波雖然并不高，但是電流諧波總量可高達50%。由于在鉆井井隊的設備配套中，電氣設備的使用越來越多，它們之間的電磁干擾將會越來越嚴重。為了讓SCR房和頂驅系統(tǒng)有一個相對較好的電源環(huán)境，必須采取措施來改善它們的工作環(huán)境。從圖1～4可見，整個井場電路的諧波是由SCR房和頂驅電控系統(tǒng)二者所共同產(chǎn)生的，而且二者是相互疊加并相互影響的。

幾乎可以肯定地說，將來新配套的電動鉆機在和北其他頂驅配套使用時，都會或多或少的碰到諧波干擾問題，這個問題必須引起足夠地重視。否則，輕者干擾SCR房和頂驅電控系統(tǒng)的正常運轉，重者會燒毀SCR房和頂驅電控系統(tǒng)內重要的控制模塊。

3 諧波干擾的抑制

為了減少和消除UPS輸出端的諧波干擾，可將北石廠原配的非在線式UPS換成純在線式的UPS。在個別供電環(huán)境特別惡劣的情況下，還應考慮選用抗干擾能力更強的UPS來給控制系統(tǒng)供電。

所謂非在線式UPS亦稱為后備式UPS，后備式UPS電源的優(yōu)點是：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，比較適合家庭使用，但在大量使用晶閘管和逆變器這類大功率開關元件的電動鉆機中使用該類UPS作為關鍵控制系統(tǒng)的供電顯然是不合適的。因為該類UPS的切換控制電路會受到諧波的干擾而進行頻繁的動作。

其工作原理是：工作時，首先將市電轉化為直流電給UPS電池充電，同時逆變器將此直流電逆變成交流電為負載供電；由于市電經(jīng)過了交流到直流、再到交流的轉換過程，所以市電中原有的干擾和脈沖電壓成分已經(jīng)過濾得非常干凈；因此，由在線式UPS逆變出來的電壓很穩(wěn)定。由于逆變電路始終在工作，所以當停電時，UPS能馬上將其存儲的電能通過逆變器轉化為交流電對負載進行供電，從而達到了輸出電壓零中斷的切換目標。

由于市面銷售的在線式UPS（如山特的C3K）在諧波干擾異常嚴重的供電環(huán)境下，并不能十分有效地濾除諧波為控制系統(tǒng)提供干凈可靠的電源。2009年，北石廠將其原配的UPS更換為了GP802H－B 2KVA，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(xiàn)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(jīng)過UPS的濾波后，其供電質量已得到了明顯的改善。

4 進一步抑制諧波干擾的建議

1）為進一步改善大量使用晶閘管、逆變器等大功率電力開關器件電路的電能質量，各電控廠家應考慮將6脈沖的整流電路改為12脈沖整流電路。

2）考慮將控制電路的供電集中起來，統(tǒng)一使用帶有有源消諧裝置的UPS統(tǒng)一進行供電。

3）使用電抗器或隔離變壓器將頂驅的電源系統(tǒng)與SCR房的電源系統(tǒng)進行電氣隔離，以減少它們之間的相互干擾。

TE928.07

A

1000－9752（2011）06－0367－02

2011－05－20

童紅雷 （1974－），男，1998年江漢石油學院畢業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事鉆機的設備配套、維護工作。

［編輯］ 蘇開科