石油工程電力系統(tǒng)諧波危害與抑制

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摘要：大功率可控硅scr、變壓器、igbt、電力管和晶體管的廣泛應(yīng)用，非線性負(fù)載的不斷增加，使電壓波形頻率畸變嚴(yán)重，這便是諧波。諧波最早是被發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，之后非線性負(fù)載引起的諧波干擾問(wèn)題日益受到人們的關(guān)注。直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)使用的可控硅整流器會(huì)使石油電網(wǎng)產(chǎn)生諧波對(duì)其他用電器等設(shè)備性能造成嚴(yán)重不良影響，影響其他用電設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定正常運(yùn)行。為有效改善石油鉆井供電系統(tǒng)電能質(zhì)量，防止變壓器及其他用電器等設(shè)備長(zhǎng)期由于工作在高諧波污染環(huán)境中而可能出現(xiàn)安全隱患，故非常有必要對(duì)系統(tǒng)的諧波污染進(jìn)行有效治理，以真正達(dá)到有效凈化系統(tǒng)電能質(zhì)量、使用電設(shè)備安全可靠運(yùn)行、提高系統(tǒng)電能綜合利用率的重要目的。

關(guān)鍵詞：非線性負(fù)載；諧波；濾波

引言

隨著我國(guó)石油鉆井工程電力裝備的不斷更新以及現(xiàn)代電子鉆井電力系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，石油鉆井中的動(dòng)力設(shè)備大多已經(jīng)由電動(dòng)機(jī)逐漸替代了柴油機(jī)。為有效改善石油鉆井供電系統(tǒng)電能質(zhì)量，防止變壓器及其他用電器等設(shè)備長(zhǎng)期由于工作在高諧波污染環(huán)境中而可能出現(xiàn)安全隱患，故非常有必要對(duì)系統(tǒng)的諧波污染進(jìn)行有效治理，才能有效減少井場(chǎng)電力設(shè)備的故障率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和提高經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

1諧波的直接危害

（1）對(duì)柴油發(fā)電設(shè)備的直接危害。由于諧波的干擾作用，產(chǎn)生寄生轉(zhuǎn)矩，降低了發(fā)電機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的效率，增加供電設(shè)備的損耗，諧波在每個(gè)轉(zhuǎn)子線圈阻尼線圈和線圈繞組中都會(huì)產(chǎn)生額外的電力損耗，增加了柴油發(fā)電機(jī)組的燃油消耗。（2）電力諧波對(duì)變壓器的影響。諧波會(huì)降低變壓器絕緣的電場(chǎng)強(qiáng)度，諧波電流的存在也使得給變壓器增加了大量銅損。對(duì)那些帶有非線型負(fù)荷的勵(lì)磁變壓器而言，會(huì)需要加大勵(lì)磁輸出電流的諧波分量。諧波輸出電流的增加可能會(huì)直接使整個(gè)變壓器內(nèi)的局部區(qū)域產(chǎn)生高溫，不嚴(yán)重時(shí)會(huì)大大縮短整個(gè)變壓器的正常使用壽命，嚴(yán)重則很有可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)變壓器內(nèi)部燒壞。對(duì)變壓器來(lái)說(shuō)，諧波電流增大，會(huì)增加散雜的損耗和銅損，諧波電壓會(huì)增加一些鐵損。與純基波運(yùn)行的正弦波電流和電壓相比較，諧波對(duì)變壓器的最主要的直接影響之一是變壓器運(yùn)行溫度上升，同時(shí)由諧波所引起的額外能量損耗將與頻率和電流的平方成一定比例繼續(xù)上升，從而直接致使諧波變壓器的輸出負(fù)載和電容量大幅下降；研究結(jié)果表明，變壓器的溫升升高8℃左右，使用壽命將減少一半。（3）對(duì)鉆井用電設(shè)備的直接危害。諧波的大量產(chǎn)生直接使石油鉆井現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)使用的日光燈、led燈等照明燈、監(jiān)控監(jiān)測(cè)設(shè)施、開(kāi)關(guān)電源的連續(xù)使用壽命大幅度的縮短，繼電器通常有誤觸或動(dòng)作放電現(xiàn)象。（4）能源的浪費(fèi)。諧波的大量存在可直接降低整個(gè)電力系統(tǒng)中的功率因數(shù)，增加電力視在功率，大量使用電能產(chǎn)生浪費(fèi)，增加鉆井的用電成本。（5）諧波電流過(guò)大，在流過(guò)電力電纜時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致動(dòng)力電纜異常發(fā)熱嚴(yán)重。造成動(dòng)力電纜異常發(fā)熱這種現(xiàn)象的主要原因之一是由于交流諧波電流的趨膚效應(yīng)。趨膚效應(yīng)原理是指電流在流過(guò)電纜導(dǎo)體時(shí)，向通過(guò)電纜導(dǎo)體的外層表面集中的一種物理現(xiàn)象，電流頻率強(qiáng)度越高，電流就越向通過(guò)電纜導(dǎo)體的外層表面逐漸集中。在趨膚效應(yīng)的作用下，當(dāng)諧波電流大量流過(guò)電纜上的導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體的有效截面積就可能會(huì)大大小于電纜導(dǎo)體的實(shí)際截面積。截面積小，意味著電阻就會(huì)增加，也就是說(shuō)電阻的增加會(huì)使動(dòng)力電纜產(chǎn)生更大的熱量。（6）導(dǎo)致意外發(fā)生跳閘。由于諧波電流過(guò)大導(dǎo)致斷路器意外發(fā)生跳閘，電路的額定負(fù)荷還沒(méi)有完全達(dá)到斷路器額定負(fù)載的狀態(tài)下，斷路器上的保護(hù)裝置就可能會(huì)保護(hù)動(dòng)作。諧波電流過(guò)大導(dǎo)致整個(gè)斷路器保護(hù)裝置意外動(dòng)作的發(fā)生機(jī)理主要取決于這個(gè)斷路器保護(hù)裝置的實(shí)際工作原理。由于此類(lèi)電路單相保護(hù)裝置的功能種類(lèi)繁多，但是其工作電路原理大相徑庭，單相保護(hù)電路發(fā)生跳閘的主要原因大多可能是因?yàn)槎搪冯娏麟妷悍逯颠^(guò)大，導(dǎo)致電路上的保護(hù)裝置動(dòng)作。如果這個(gè)電路動(dòng)作保護(hù)裝置主要是通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)電路峰值動(dòng)作電流大小來(lái)控制動(dòng)作的，就可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)誤動(dòng)作。當(dāng)一個(gè)電路中有保護(hù)裝置的觸發(fā)條件中包含負(fù)序觸發(fā)電流時(shí)，如果觸發(fā)電流中包含較大的負(fù)序電流成分時(shí)，則電路中的保護(hù)裝置很有可能也就會(huì)被自動(dòng)觸發(fā)。（7）三次電流諧波的特殊性和危害。在如何處理三次諧波危害問(wèn)題上，三次諧波電流要引起特別的高度重視。三次電流諧波中的電流之所以安全危害比較大，是因?yàn)槿坞娏髦C波中的電流在中線上相互疊加，會(huì)直接導(dǎo)致中線上的電流流量增加很多，容易造成用電設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞甚至產(chǎn)生火災(zāi)安全隱患。

2諧波的正確抑制與有效治理

（1）無(wú)源濾波裝置。該濾波裝置主要由電抗器、電阻器和濾波電容器組成。濾波裝置由若干個(gè)無(wú)源濾波器進(jìn)行并聯(lián)連接組成，每個(gè)無(wú)源濾波器在諧波頻率內(nèi)呈現(xiàn)低阻的特性，吸收諧波電流，使諧波流入交流系統(tǒng)的諧波電流大大降低，達(dá)到抑制電流諧波的主要目的。濾波裝置直接投入電網(wǎng)中，與其他諧波源并聯(lián)，濾除特定頻次中的諧波。在基波下，濾波器一般都是呈現(xiàn)容性，除了可以起到濾波的重要作用外，還起到可以起到同時(shí)兼顧無(wú)功率補(bǔ)償?shù)淖饔?。?）有源濾波裝置。主要用于電力線路諧波治理中的專(zhuān)用設(shè)備。用現(xiàn)代智能電力和微電子技術(shù)和基于高速dsp等元器件的高速數(shù)字信號(hào)采集處理系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)制成。有源電力濾波補(bǔ)償裝置由指令電流信號(hào)運(yùn)算電路和電流補(bǔ)償電流信號(hào)發(fā)生電路兩個(gè)主要組成部分共同組成。指令電流自動(dòng)運(yùn)算控制電路隨時(shí)自動(dòng)監(jiān)視電網(wǎng)線路電流中的指令電流，將多路模擬指令電流運(yùn)算信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號(hào)，送到數(shù)字信號(hào)處理器，由處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制電流信號(hào)形式向自動(dòng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路中將送出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電流脈沖，驅(qū)動(dòng)輸出igbt或驅(qū)動(dòng)ipm功率補(bǔ)償模塊，生成幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流并流入特定電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)中的諧波電流進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償或者消除。

3諧波治理后的效果

石油鉆井直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)大多采用新型有源濾波治理裝置，對(duì)鉆井供配電系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行治理（圖1、圖2），治理后諧波可以有以下效益：（1）減少鉆井電力系統(tǒng)諧波源的含量。消去諧波擊穿無(wú)功補(bǔ)償裝置里電容器的威脅，避免電路可能發(fā)生的并聯(lián)諧振而引起的設(shè)備損壞及燒毀，保障設(shè)備正常運(yùn)行。圖1諧波治理裝置投入前圖2諧波治理裝置運(yùn)行后（2）減少通過(guò)線路系統(tǒng)中的電流。提高線路功率因數(shù)，消除通過(guò)配電保護(hù)線路的諧波，減小線路上的損耗，降低配電線路電纜的溫升，提高配電線路上的承載能力，減少因配電線路或保護(hù)設(shè)備燒毀等而帶來(lái)的直接損失。（3）減少線路電控保護(hù)設(shè)備和繼電保護(hù)器等裝置誤動(dòng)作或者不正常動(dòng)作。提高電力系統(tǒng)中的電能傳輸質(zhì)量，提高配電線路系統(tǒng)的工作安全性和工作可靠性。（4）減少了諧波對(duì)供配電線路系統(tǒng)內(nèi)的其他用電保護(hù)設(shè)備的直接影響。（5）補(bǔ)償線路三相電流不平衡，減少電力變壓器和配電線路的銅損，提高電能質(zhì)量。（6）減少電力變壓器的附加損耗，降低工作時(shí)的噪音，提升電力變壓器的負(fù)載能力。（7）apf/svg在投入電網(wǎng)后，能夠提升變壓器和電纜的負(fù)載能力，等同于對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)容。（8）apf/svg接入后，在每個(gè)負(fù)載接入端有效的控制、消除了諧波，避免了大量諧波流入電網(wǎng)造成電網(wǎng)污染，有效避免了電網(wǎng)諧波對(duì)接入電網(wǎng)其他用戶的直接影響。（9）減少諧波流經(jīng)于輸出線柜、變壓器的母線輸出電流值，降低因電流過(guò)大導(dǎo)致的母線、變壓器溫升。

4結(jié)語(yǔ)

綜上，在我國(guó)石油鉆井及輸配電系統(tǒng)的諧波污染問(wèn)題得到有效治理后，鉆井設(shè)備整體安全運(yùn)行效率將一定會(huì)因此得到極大提高，用電設(shè)備的安全穩(wěn)定正常運(yùn)行也必然可以因此得到有力的保障，同時(shí)也有效的保證了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，諧波治理對(duì)石油鉆井的經(jīng)濟(jì)效益、設(shè)備安全的作用十分明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1][美]J.C達(dá)斯著，于海波等，譯.電力系統(tǒng)諧波[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020.

[2]王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

作者：沈書(shū)林 宋松明 王紀(jì)超 彭友園 單位：中國(guó)石化西南石油工程有限公司臨盤(pán)鉆井分公司