直流钻机配套变频顶驱的电磁与谐波故障排除.docx

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直流钻机配套变频顶驱的电磁与谐波故障排除

直流钻机配套变频顶驱的谐波干扰研究

1电动钻机谐波干扰源的出现

1.1钻机简介

江苏海外钻井项目Sinopec218队，于2007年由宝鸡石油机械厂配套生产50D电动钻机，SCR房由宝美配套制造，并配有北石DQ70BSC顶驱。

本套钻机直流驱动部分采用晶闸管通过外部触发控制，通过晶闸管将50HZ600VAC整流为0~750VDC，即可调的直流电源驱动直流电机带动负载。

变频器的主电路是交流-直流-交流模式，也就是采用晶闸管将50HZ600V交流电整流为810V左右直流，然后再通过IGBT将直流电逆变为频率可调的交流电源输出。

该钻机配有三台卡特3512发电机和一台卡特C15辅助发电机，卡特3512单机容量1310KVA，功率1200KW,输出600V、50HZ电源，卡特C15辅助发电机容量410KVA,功率300KW,输出400V、50HZ电源。

1.2故障发生的背景

在配套顶驱进行第一口井的生产任务，当井深1800米左右，因钻井工况需要，将双泵开启，随着泵压和流量的加大，顶驱在运行一定时间后开始频繁报故障，逆变器PMU显示F008，起初能够自动复位或者手动复位后正常运转，运转一定时间后跳闸停机。

检查发现顶驱PLC柜内隔离变压器发出嗡嗡的声响，并且当重启顶驱PLC和工控计算机后，UPS电源也发出吱吱的声音。

1.3故障判断经过

发生顶驱总电源跳闸停机后，重启后钻台按工况要求继续钻进，用万用表检测UPS电源上级隔离变压器的输出端，检测发现当两台泵的总泵冲提到100冲，泵压16MPa时，电压波动并不大，但是频率波动很大，偶然能发现300HZ（高次频率）以上的数字，遂取示波器对电源进行监视，发现杂乱的不光滑的曲线，在曲线上出现很多毛刺，且能明显听到UPS电源内部频繁发出开关切换的声音。

而由UPS电源控制面板上直接供电的指示灯也随着UPS内部开关的切换出现明显的闪烁。

继续观察，发现在UPS频繁切换供电模式的时候，PLC和工控电脑也自动重启。

2对谐波干扰及机理分析

2.1故障检测过程

在排查故障的过程中，协调司钻操作，通过万用表和示波器的检测，找到一个干扰临界点，在顶驱按照工况要求工作在120~150rpm，两台泵的泵冲相差10次/分钟的时候，UPS能够长期工作在外接电源模式，也就是PLC和工控机都能够正常工作，不会自动重启，能够保证司钻台的安全操作性能。

针对这种故障情况，对两台泵在不同运转情况下使用示波器进行监视并拍照记录如下。

图2-1一台泵冲为40冲/分钟时380V电压波形

图2-2两台泵运转且每台泵冲为40冲/分钟时380V电压波形

图2-3两台泵冲均为50冲/分钟时380V电压波形

图2-4一台泵冲为55冲/分钟，一台泵冲为45冲/分钟时380V电压波形

2.2故障机理分析

图2-1是钻头到井底，不开顶驱，只开一台泵，且泵冲为40冲/分钟时，隔离变压器上的380V电压波形。

可见一个周期内电压的跌落明显增加，整个波型也开始出现一定的变形。

这说明在SCR房内开启并运转泥浆泵控制柜后，谐波的含量开始明显增加，波形的塌陷和变形严重。

图2-2是顶驱运转在150rpm，两台泵运转且每台泵冲为40冲/分钟时隔离变压器上的380V电压波形，可见整个380Ｖ电压也有几个明显的电压跌落，并且整个波型被打成数个波段，而每个波段上是无数个锯齿状的方波，整个正弦波遭到了严重的破坏。

这说明顶驱运转的情况下，两台泵同时开起来后，它对电压波形的破坏性是大于SCR房内两台泵直流电机控制系统对波形的破坏性。

图2-3是顶驱运转在150rpm时，增大两台泵的泵冲到100冲/分钟时的380V电压波形，可见由于谐波之间的叠加产生了1+1>2的结果，电压波型已经变得面目全非，其大幅度的电压跌落不仅多，而且还很深，导致UPS频繁切换供电模式，在长时间工作在UPS供电模式下，UPS电源低电压的情况就会导致控制系统瘫痪。

图2-4是顶驱运转在150rpm时,一台泥浆泵运转泵冲为55冲/分钟，另一台泵冲为45冲/分钟时隔离变压器的220V输出端的电压波形，基本能够保证UPS电源的正常工作。

为了保证井下安全，不得不调整两台泵的泵冲，将目的段完成至2200米左右。

但对现场工况来说，特别是在井下仪器需要泵压稳定的情况下，两台泵相差10泵冲不能满足现场需求，只能寻找设备内部原因，并加以解决。

3谐波产生的原因分类

通过以上四个电压波形图的分析，判断整个电路中出现了大量的谐波干扰。

所谓谐波，也就是说电源受到了污染，其波形不再是以前那种纯净的比较光滑且连续的正弦波，而变成了由数条犬牙交错状或是锯齿状的各种杂波组成的近似正弦波。

如果谐波含量非常严重的话，还会使正弦波变成非正弦波，在本文第二部分图三中显示的波形就是非常严重的谐波干扰现象。

我们分析电网谐波来自于三个方面。

3.1发电源质量不高产生谐波

发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。

3.2输配电系统产生谐波

输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。

它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。

铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流0.5%。

3.3用电设备产生的谐波

3.3.1晶闸管整流设备

晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。

如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。

如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。

查找相关统计数据表明：

由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。

在本文故障分析部分，谐波干扰现象随着泵冲的提高干扰现象越发严重就是很好的佐证。

3.3.2变频装置

变频装置由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。

北石DQ70BSC顶驱的功率为600KW，对电网的谐波干扰不能忽视。

3.3.3气体放电类电光源

荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。

分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。

3.3.4家用电器

电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。

在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。

这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大时，也是谐波的主要来源之一。

从发电源、输配电系统和用电设备三个方面着手分析，通过与该设备前期维护人员沟通，了解到该设备在未配套顶驱使用时曾出现过谐波干扰现场办公电器使用的情况，而配套顶驱后，顶驱不能正常使用，是多方面原因导致多种高次方谐波发生了叠加，从而谐波干扰的故障更加严重。

4谐波对现场设备的干扰与危害

通过以上分析，晶闸管和逆变器等非线性原件在运行时产生高次谐波,该高次谐波会反馈到电网,使电网质量下降,影响与该装置并联在同一电网的其它负载的正常工作[1]。

高次谐波不仅干扰了顶驱控制系统的正常供电和工作，对PLC、交直流驱动系统和办公生活用电都产生了干扰。

4.1污染公用电网

谐波使电网中的电器元件产生了附加的谐波损耗，降低了输变电及用电设备的效率的同时，通过电网传导到其它的用电器，引起电网中局部的串联或并联谐振，从而使谐波放大[2]。

如果公用电网的谐波特别严重，则不但使接入该电网的设备（电视机、计算机等）无法正常工作，甚至会造成故障，而且还会造成向公用电网的中性线注入更多电流，造成超载、发热，影响电力正常输送。

当井场设备运转情况达到第二部分描述的情况，即会产生办公电脑的死机，生活电器的自动保护，甚至日光灯的闪烁和熄灭。

4.2影响变压器工作

谐波电流，特别是3次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。

对Y形连接中性线接地系统中，侵入变压器的中性线的3次谐波电流会使中性线发热。

在钻机电网中有多级多种接法的变压器，将600V电压变为400V或220V电压供辅助工作系统工作，在直流控制系统中，更是有各电压等级的变压器，他们为控制系统的正常工作提供正确稳定的电源，任何一个变压器的损坏，都将直接导致驱动系统死机或瘫痪，影响井下正常生产，甚至带来一系列井下复杂或故障。

4.3影响继电保护的可靠性

如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小，此时，若谐波干扰叠加到极低的整定值上，则可能会引起负序保护装置的误动作，影响电力系统安全。

在故障排查过程中，发现的顶驱总电源开关跳闸即是负序保护装置的误动作导致的。

4.4加速用电设备老化

谐波使电机产生机械振动，使其局部过热，绝缘老化。

逆变器输出的电压和电流带有高次谐波成分，如电机本身气隙不均匀，在电机气隙中产生高次谐波磁通。

随着频率的改变，在基波成分变化的同时，高次谐波成分会在较宽的频谱内变动，频率较低的高次谐波成分可能与转子发生共振，从而引起电机振动、噪音增大，对电机的寿命产生影响。

4.5干扰通讯系统工作

在第二部分描述的故障中，谐波干扰顶驱控制系统的UPS电源，导致PLC重启，重启后电网中持续谐波干扰的情况，将会直接导致PLC死机的现象，即输出模块的输出点不动作，需要人为重启PLC和司钻控制台的开关旋钮，才能为PLC系统复位。

同一个网电还为井场录井和定向井服务公司提供工作电源，当谐波成分达到一定程度时，录井仪器不能正常使用，定向服务接收井下信号的地面仪器也受到电源谐波干扰，导致信号不能正常接收和处理，不能进行下一步正常生产。

4.6干扰测量控制仪器仪表

当顶驱运转速度达到60rpm后，无论扭矩如何，司钻台监视仪表即受到电磁电磁辐射干扰，致使微机显示器画面出现不规则波纹或斑点，甚至显示器黑屏等现象。

电磁辐射干扰使经过变频器输出导线附近的控制信号、检测信号等弱电信号受到干扰，严重时使系统无法得到正确的检测信号，使控制系统紊乱[3]。

5谐波干扰的抑制方法与措施

5.1屏蔽技术可以有效地防止向外辐射干扰

屏蔽干扰源是抑制电磁辐射和谐波干扰的最有效的方法。

变频器的电源电缆采用屏蔽电缆，屏蔽电缆穿铁管并接地，输出电缆也穿铁管并接地，屏蔽层应在接变频器处和电机处两端都接地。

变频器出厂均已做好屏蔽措施，故根据现场情况，更换了从变频房到司钻台的双芯屏蔽通讯电缆，并将通讯线远离顶驱动力电缆和直流电机动力电缆。

5.2强化接地[4]

接地是抑制电磁辐射和防止谐波干扰的重要手段。

良好的接地可在很大程度上抑制干扰的侵入,提高系统的抗干扰能力。

变频器的接地方式有多点接地、一点接地及经母线接地等几种形式。

根据信号频率和接地线长度特征，顶驱变频系统采用单点接地和多点接地共用的方式，将接地线连接到接地端子PE端，将房体接地铜棒埋入地下1.2m以上，保持接地桩周围2m范围内做一个水坑并一直盛满水。

将发电房、SCR房接地线加粗，并采取了和顶驱房一样的接地措施。

将直流电机动力电缆线槽和顶驱动力电缆线槽分别接地然后将接地线焊接在套管壁上。

进行接地电阻检测，测量值在2Ω以下。

5.3更换UPS电源

与北石厂家技术员联系后，更换原装UPS电源为工频UPS电源，虽然耐噪能力有所提高，即在如第二部分描述的工况中，UPS频繁切换工作模式的情况有所缓解，一旦工况更为复杂，UPS仍然出现掉电情况。

5.4在控制系统前加装电源滤波器

根据结构和接法不同，电源滤波器可抑制串模干扰，也可抑制共模干扰，或者抑制串共模干扰。

电源滤波器可以阻止电网中的干扰进入开关电源，也可以阻止开关电源的干扰进入电网。

但本套系统中，所使用的电源滤波器更换备件后，鉴于谐波干扰的情况比较严重，所起到的效果不佳。

5.5在顶驱供电源侧加入电容补偿装置，补偿无功波动

用电设备除电阻性负载外，大部分用电设备均属感性用电负载（如日光灯、变压器、电机等用电设备）这些感应负载，使供电电源电压相位发生改变（即电流滞后于电压），因此电压波动很大。

在有非线性原件产生严重谐波的电网中，感性用电负载使无功功率增大，浪费大量电能，电容并联在电网，电容与电路感性部分能量的吸收、释放恰好是相反的，所以电容可以代替电源给电路感性部分提供能量或者说把电路拉向了阻性的方向。

5.6重新安排供电系统，将测量、控制装置的供电从动力电网分开

动力装置的负荷变动大，测量、控制、电脑等负荷小，动力装置产生的干扰大，供电电源分开后，测量、控制、电脑等的电源与动力装置的电源相互隔离，可以彻底解决干扰。

考虑到现场情况的严峻性和设备不可能重新配套的可能，现场服务人员先采取前四种方式进行了尝试和完善，干扰现象得到一定的遏制，但问题未能彻底解决，第五种方式因周期长、费用高被暂且搁置。

通过设备出厂配套的辅助发电机为顶驱辅助系统供电，同时为司钻房，录井仪器，定向设备及生活营地供电，即将重要顶驱辅助系统和其他用电系统脱离600V电源电网，顶驱辅助系统故障得以解决。

6故障教训与小结

干扰对现场工况来说是很复杂的，不一步一步的分析和处理，很难准确掌握故障的症结在哪里，因此在采取抗干扰措施时，应当采用适当的措施，既要考虑效果，又要考虑价格因素，还要因现场情况而定。

采用的措施只要能解决问题即可，往往过多的抗干扰措施有可能会产生额外的干扰，具体情况具体解决。

针对变频器在电动钻机应用中的谐波干扰问题分析,实际工程应用中,通过以上解决步骤和途径，从干扰源方面考虑,保证了顶驱辅助控制系统的稳定性,将重要设备和仪器用电脱离了被污染的电网，提高现场设备使用率和安全操作性能。