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摘要： 以直流钻机在实际钻进工况期间测量的无功、谐波电流、谐波电压为基础;简要分析了这些因素对电网的影响;提出了在以工业电网为动力时对这些因素的应对措施;说明了对钻机影响最大的问题在于谐波电压可能会使数字型开关电源装置中的电解电容器过热而烧毁。
关键词： 电动钻机; 无功; 电流谐波; 电压谐波; 影响、对策
中图分类号： TM72 文献标识码： A
文章编号：1005—7277（2019）04—0001—03
Abstract： Based on the reactive power， harmonic wave current and voltage of DC drilling rig under actual working condition， this paper briefly analyses the effect of these factors on power grid， puts forward the solutions to these factors when industrial power grid is used as power source， and illustrates that the harmonic wave voltage may cause the electrolytic capacitors in the digital switching power supply unit to overheat and burn down.
Key words： Electric control drilling rig; reactive power; current harmonic wave; voltage harmonic wave; effect and solutions
1 引言
無论是直流的SCR，还是变频的VFD电动钻机，在其钻井机械（绞车、转盘/顶驱、泥浆泵）的电力拖动装置里，都有三相桥式变流环节，由于电力电子器件的非线性和电动机负载的特点，传动系统工作时，会在供电电网里产生谐波和无功，谐波和无功对电网及其负载的影响已有很多文献[1-3]论述，这些论述大多都基于谐波和无功自身的特性而言，本文论述在实际钻机应用中产生的影响。
2 测量数据
电动钻机供电电网的无功和谐波里，虽然有MCC变压器和异步电动机铁芯非线性所产生的部分，但最主要的部分是由电力电子器件工作时的非线性和电动机工作时需要吸收无功的特点所产生，这些无功和谐波随着钻井工艺（负载）的变化而变化，大小并不固定，具体的理论计算可参考相关文献[4]，本文给出一组在现场实际负载比较稳定时段内检测的数据以供参考。
2.1 系统配置
供电及传动系统的配置单线图见图1
2.2 测试工况
测试时间：2019年6月14日12：30～16：30;测试地点：新疆吉木萨尔70202井队;钻井工况：二开期间，井深4400多米;指配方式：SCR1拖动1#泵，SCR2拖动转盘，SCR3拖动3#泵;负载情况：双泵钻进，泵压24 MPa～26MPa，其他配套机械工作情况从略。
2.3 测试数据
SCR1～SCR3工作时的参数及各测试点的数据见表1。
3 数据简析
表1的数据中，输入电压一列为620VAC，和设计的600VAC略有不同，是由于变压器T1原端电网电压较高所致，并不影响无功和谐波的数据。首先看功率因数或者无功，对于测量点1，也就是网侧，由于系统配置了无功补偿装置A6，因此无论对SCR1～SCR3，功率因数均为0.97以上，基本上是满足国标（≧0.90）对用户点要求的;对于测量点2、3，也就是传动装置的进线电抗器前后端，功率因数只有0.4左右，比较低了，同时可以看出进线电抗器对功率因数的提高或者说无功负载的减少基本上没有作用;其次看电流谐波THDi，在电抗器前后端，也就是测量点2、3上，均为30%左右，在测量点1的网侧，仍然有10.2%左右，即2×1150A×10.2%=235A，折算到T1的原边为0.6÷10×235=14A（实际上由于有A6兼有滤波作用，测量点0的基波电流只有1339AAC，按10.2%的总谐波计算时，只有约13AAC，折算到变压器T1原边时几乎可以忽略），基本上可以满足GB/T14549-1993的要求，同时也可以看出电抗器对谐波电流也没有什么影响;最后看谐波电压THDu，在测量点3，含量为19.0%，在1、2点均为10.3%左右，折算到变压器T1的原边，含量仍然为10.3%，这已经超过了GB/T14549-1993要求总含量不超过4%一倍以上了！同时可以看出，在T1的配置参数和上述工作点时，电抗器将3点的19.0%降低到10.3%！电抗器前后的电压测量波形见图2。由于SCR2的负载较小，对测量点的数据基本上没有多大影响，可忽略不计。
图2中上面的曲线为测量点2处波形，下面的曲线为测量点3处波形。由两条曲线图的比较可见，在电压的突变处，电抗器对缺口的宽度影响不大，但有效降低了缺口的深度。
4 影响、对策
无功和谐波（电流、电压）对电网的影响都是不利的，各成分含量应该达到国标要求，但具体到钻机的实际情况，在考虑到装置成本时，需要综合考虑各种因素的影响。对无功来说，如果不进行补偿，无功大（功率因数低）时，不利影响是线路电压将降低，导致电源容量不足，这个影响可以通过提高副边电压进行一定的补偿，或者适当加大T1变压器容量的方式解决，如在上述数据中，钻井部分的有功总量约为：P1=2×1350×420+120×150=1152kW，在功率因数为0.4时需要的变压器容量为：S1=P1÷0.4=1152÷0.4=2880kVA，在图1的参数配置下，留给其他负载的容量为：S2=3150-S1=3150-2880=270kVA，这个容量如果能够满足其他负载的话就不需要增容！变压器增容方法有不足之处，在于电费是按容量计算的，有功不大，但缴费不少。因此到底是选配无功补偿装置A6还是增大变压器容量，取决于钻机使用地电网收费规则和配置A6那种方式经济。对于电流的谐波问题，上述工况（基本上是整个钻井过程中最大负载）的数据对电网是允许的，并没有超标，基于成本考虑，可不做处理;对变压器以内的其他负载而言，由于这些谐波只流过特定（绞车、转盘/顶驱、泥浆泵）负载，而这些负载是能够抗住影响的，其他负载如电动机等没有谐波电流流过，基本上也没有影响;谐波电压是由于谐波电流流过电源漏抗（图1中T1的阻抗压降Z1）时产生的，在本测试中，正弦电压减去谐波电压后的电源电压中含有10.3%的谐波电压，这个电压对钻机电网上负载的最大影响是含有数字型开关电源部分，如录井设备中的数字型UPS电源、视频监视系统中的显示器电源、PLC控制系统电源以及其他数字控制装置的供电电源等。为了获得比较稳定、干净的工作电压，这些电源回路里都设置有电解电容器。制造商基于市场竞争和成本的考虑，对这些电容器一般是按照民用级别（电压谐波≦4%）选型配置的，在钻机工况的应用时，这些电容器将因过高的谐波电压而过热，过热到一定程度时外壳爆裂而损坏，导致相应设备故障停机，甚至整个钻机停机！由测试数据可见，如果没有电抗器，谐波电压将更加严重，即使按承受超过国标一倍的谐波能力选配，虽然在短时间内电解电容器没有烧毁，也将大大缩短设计寿命！消除谐波电压的根本措施是配置动态有源滤波器，可与A6的无功补偿功能合并配置，但成本较高，占用空间较大，优点是既可满足电网要求，也可保证电源装置安全工作;另外一个比较经济的解决措施，是当电网对用户点的谐波要求不严时，由于上述电源的功率不大，可配置容量较小的专用净化电源，成本较低，也能保证电源安全工作。缺点是当净化电源故障时，接于其上的所有部分都将停止工作，特别是钻机的PLC控制部分，这样会降低钻机工作的可靠性！
5 结束语
以三相六脉动变流装置为基础的电动钻机，无论是直流的SCR型，还是VFD型，谐波电流和谐波电压以及由此引起的无功一定存在，大小随工艺的变化而变化，在重载情况下两者基本相当。由谐波电流引起的谐波电压对搅拌器、振动筛、剪切泵、风扇等泵类、风机类电机负载，虽然会产生额外的扭矩振动、发热，一方面电机由于选型裕量较大，另一方面拖动性能也在工艺要求允许的范围内，只是电源的运行效率或者装备利用率有所降低，没有实质性影响;有实质性影响且最严重的在于数字型的开关电源部分，有可能烧毁其中的电解电容器，导致故障停机，甚至钻机的可靠运行。
参考文献：
[1]王兆安，刘进军，王跃等. 编著，谐波抑制和无功功率补偿 第3版[M].机械工业出版社，北京，2016.01;P29-P38.
[2]朱奇先，林雅玲等. 石油钻机电控系统（SCR/VFD）电磁问题研究[J]. 电气传动，第44卷，2014.10;P74-P80.
[3]冯益强，蒋明等. 基于降本、提效、节能的石油钻机电控系统配置[J]. 电气传动，第47卷，2017.01，P7-P12;
[4]天津电气传动设计研究所编著. 电气传动自动化技术手册 第2版[M]. 机械工业出版社，北京，2005年6月;P732-P740.
作者简介：
董 斌（1985-），男，工程师。2008年本科毕业于河北科技师范学院机械工程系，学士学位，现工作于中国石油集团渤海钻探工程有限公司第五钻井工程分公司，主要从事石油钻探物资管理工作。
收稿日期：2019-07-11
关键词： 电动钻机; 无功; 电流谐波; 电压谐波; 影响、对策
中图分类号： TM72 文献标识码： A
文章编号：1005—7277（2019）04—0001—03
Abstract： Based on the reactive power， harmonic wave current and voltage of DC drilling rig under actual working condition， this paper briefly analyses the effect of these factors on power grid， puts forward the solutions to these factors when industrial power grid is used as power source， and illustrates that the harmonic wave voltage may cause the electrolytic capacitors in the digital switching power supply unit to overheat and burn down.
Key words： Electric control drilling rig; reactive power; current harmonic wave; voltage harmonic wave; effect and solutions
1 引言
無论是直流的SCR，还是变频的VFD电动钻机，在其钻井机械（绞车、转盘/顶驱、泥浆泵）的电力拖动装置里，都有三相桥式变流环节，由于电力电子器件的非线性和电动机负载的特点，传动系统工作时，会在供电电网里产生谐波和无功，谐波和无功对电网及其负载的影响已有很多文献[1-3]论述，这些论述大多都基于谐波和无功自身的特性而言，本文论述在实际钻机应用中产生的影响。
2 测量数据
电动钻机供电电网的无功和谐波里，虽然有MCC变压器和异步电动机铁芯非线性所产生的部分，但最主要的部分是由电力电子器件工作时的非线性和电动机工作时需要吸收无功的特点所产生，这些无功和谐波随着钻井工艺（负载）的变化而变化，大小并不固定，具体的理论计算可参考相关文献[4]，本文给出一组在现场实际负载比较稳定时段内检测的数据以供参考。
2.1 系统配置
供电及传动系统的配置单线图见图1
2.2 测试工况
测试时间：2019年6月14日12：30～16：30;测试地点：新疆吉木萨尔70202井队;钻井工况：二开期间，井深4400多米;指配方式：SCR1拖动1#泵，SCR2拖动转盘，SCR3拖动3#泵;负载情况：双泵钻进，泵压24 MPa～26MPa，其他配套机械工作情况从略。
2.3 测试数据
SCR1～SCR3工作时的参数及各测试点的数据见表1。
3 数据简析
表1的数据中，输入电压一列为620VAC，和设计的600VAC略有不同，是由于变压器T1原端电网电压较高所致，并不影响无功和谐波的数据。首先看功率因数或者无功，对于测量点1，也就是网侧，由于系统配置了无功补偿装置A6，因此无论对SCR1～SCR3，功率因数均为0.97以上，基本上是满足国标（≧0.90）对用户点要求的;对于测量点2、3，也就是传动装置的进线电抗器前后端，功率因数只有0.4左右，比较低了，同时可以看出进线电抗器对功率因数的提高或者说无功负载的减少基本上没有作用;其次看电流谐波THDi，在电抗器前后端，也就是测量点2、3上，均为30%左右，在测量点1的网侧，仍然有10.2%左右，即2×1150A×10.2%=235A，折算到T1的原边为0.6÷10×235=14A（实际上由于有A6兼有滤波作用，测量点0的基波电流只有1339AAC，按10.2%的总谐波计算时，只有约13AAC，折算到变压器T1原边时几乎可以忽略），基本上可以满足GB/T14549-1993的要求，同时也可以看出电抗器对谐波电流也没有什么影响;最后看谐波电压THDu，在测量点3，含量为19.0%，在1、2点均为10.3%左右，折算到变压器T1的原边，含量仍然为10.3%，这已经超过了GB/T14549-1993要求总含量不超过4%一倍以上了！同时可以看出，在T1的配置参数和上述工作点时，电抗器将3点的19.0%降低到10.3%！电抗器前后的电压测量波形见图2。由于SCR2的负载较小，对测量点的数据基本上没有多大影响，可忽略不计。
图2中上面的曲线为测量点2处波形，下面的曲线为测量点3处波形。由两条曲线图的比较可见，在电压的突变处，电抗器对缺口的宽度影响不大，但有效降低了缺口的深度。
4 影响、对策
无功和谐波（电流、电压）对电网的影响都是不利的，各成分含量应该达到国标要求，但具体到钻机的实际情况，在考虑到装置成本时，需要综合考虑各种因素的影响。对无功来说，如果不进行补偿，无功大（功率因数低）时，不利影响是线路电压将降低，导致电源容量不足，这个影响可以通过提高副边电压进行一定的补偿，或者适当加大T1变压器容量的方式解决，如在上述数据中，钻井部分的有功总量约为：P1=2×1350×420+120×150=1152kW，在功率因数为0.4时需要的变压器容量为：S1=P1÷0.4=1152÷0.4=2880kVA，在图1的参数配置下，留给其他负载的容量为：S2=3150-S1=3150-2880=270kVA，这个容量如果能够满足其他负载的话就不需要增容！变压器增容方法有不足之处，在于电费是按容量计算的，有功不大，但缴费不少。因此到底是选配无功补偿装置A6还是增大变压器容量，取决于钻机使用地电网收费规则和配置A6那种方式经济。对于电流的谐波问题，上述工况（基本上是整个钻井过程中最大负载）的数据对电网是允许的，并没有超标，基于成本考虑，可不做处理;对变压器以内的其他负载而言，由于这些谐波只流过特定（绞车、转盘/顶驱、泥浆泵）负载，而这些负载是能够抗住影响的，其他负载如电动机等没有谐波电流流过，基本上也没有影响;谐波电压是由于谐波电流流过电源漏抗（图1中T1的阻抗压降Z1）时产生的，在本测试中，正弦电压减去谐波电压后的电源电压中含有10.3%的谐波电压，这个电压对钻机电网上负载的最大影响是含有数字型开关电源部分，如录井设备中的数字型UPS电源、视频监视系统中的显示器电源、PLC控制系统电源以及其他数字控制装置的供电电源等。为了获得比较稳定、干净的工作电压，这些电源回路里都设置有电解电容器。制造商基于市场竞争和成本的考虑，对这些电容器一般是按照民用级别（电压谐波≦4%）选型配置的，在钻机工况的应用时，这些电容器将因过高的谐波电压而过热，过热到一定程度时外壳爆裂而损坏，导致相应设备故障停机，甚至整个钻机停机！由测试数据可见，如果没有电抗器，谐波电压将更加严重，即使按承受超过国标一倍的谐波能力选配，虽然在短时间内电解电容器没有烧毁，也将大大缩短设计寿命！消除谐波电压的根本措施是配置动态有源滤波器，可与A6的无功补偿功能合并配置，但成本较高，占用空间较大，优点是既可满足电网要求，也可保证电源装置安全工作;另外一个比较经济的解决措施，是当电网对用户点的谐波要求不严时，由于上述电源的功率不大，可配置容量较小的专用净化电源，成本较低，也能保证电源安全工作。缺点是当净化电源故障时，接于其上的所有部分都将停止工作，特别是钻机的PLC控制部分，这样会降低钻机工作的可靠性！
5 结束语
以三相六脉动变流装置为基础的电动钻机，无论是直流的SCR型，还是VFD型，谐波电流和谐波电压以及由此引起的无功一定存在，大小随工艺的变化而变化，在重载情况下两者基本相当。由谐波电流引起的谐波电压对搅拌器、振动筛、剪切泵、风扇等泵类、风机类电机负载，虽然会产生额外的扭矩振动、发热，一方面电机由于选型裕量较大，另一方面拖动性能也在工艺要求允许的范围内，只是电源的运行效率或者装备利用率有所降低，没有实质性影响;有实质性影响且最严重的在于数字型的开关电源部分，有可能烧毁其中的电解电容器，导致故障停机，甚至钻机的可靠运行。
参考文献：
[1]王兆安，刘进军，王跃等. 编著，谐波抑制和无功功率补偿 第3版[M].机械工业出版社，北京，2016.01;P29-P38.
[2]朱奇先，林雅玲等. 石油钻机电控系统（SCR/VFD）电磁问题研究[J]. 电气传动，第44卷，2014.10;P74-P80.
[3]冯益强，蒋明等. 基于降本、提效、节能的石油钻机电控系统配置[J]. 电气传动，第47卷，2017.01，P7-P12;
[4]天津电气传动设计研究所编著. 电气传动自动化技术手册 第2版[M]. 机械工业出版社，北京，2005年6月;P732-P740.
作者简介：
董 斌（1985-），男，工程师。2008年本科毕业于河北科技师范学院机械工程系，学士学位，现工作于中国石油集团渤海钻探工程有限公司第五钻井工程分公司，主要从事石油钻探物资管理工作。
收稿日期：2019-07-11