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钻机网电拖动系统谐波抑制研究

来源:个人技术集锦
维普资讯 http://www.cqvip.com 2008年第37卷 石油矿场机械 第7期第19页 OIL FIELD EQUIPMENT 2008,37(7):19~23 文章编号:1O01-3482(2008)07一O019-05 钻机网电拖动系统谐波抑制研究 戴树涛,税理中,董云飞 (江苏石油勘探局,江苏扬州225001) 摘要:针对钻机改用网电拖动后谐波产生的主要来源,研究了抑制谐波的措施以减少对电网的污 染,并设计出抑制电路及相应的产品。通过使用和测试,网电拖动系统谐波的抑制效果完全符合国 家标准GB/T14549—1993《电能质量公用电网谐波》的规定。 关键词:石油钻机;网电拖动;谐波抑制;整流变压器;电抗器;滤波器 中图分类号:TE922 文献标识码:A Study on Harmonic Wave Suppression of Drilling Rig Driven by Grid Power System DAI Shu—tao,SHUI Li—zhong,DONG Yun—fei (Jiangsu Petroleum Exploration Bureau,Yangzhou 225001,China) Abstract:Harmonic wave produced in the whole grid power driving system has serious influence on the power quality and the safe economic operation of the system.The sources of the creation of the harmonic wave and hazards in whole electric power drag system are analyzed in this paper, the suppression method on harmonic wave are studied.Based on the study,we developed the har— monic suppression products which are specially used on the electric power driving rig system.Af— ter test,the satisfied result are got. -121] Wilcox D C.Turbulence Modeling for CFDI,M].Cal— ,127] 郭印诚,林文漪.液雾燃烧的全欧拉模型数值模拟 ifornia:DCW Industries Inc,1998. 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(11):1 355—1 359. 收稿日期:2008-03—13 基金项目:中石化“网电拖动钻机技术改造”项目 作者简介:戴树涛(1976一),男,福建长汀人,工程师,1998年毕业于中国石油大学(北京)机电工程专业,主要从事钻井设 备的管理工作,E-mail:daist@joeco.com.cn。 维普资讯 http://www.cqvip.com 石油矿场机械 2008年7月 Key words:drilling rig;grid power driving;harmonic suppression;rectifier transformer;reactor; active filter 随着钻机“油改电”项目的开展,油田取得了可 电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的 电压上,使电压发生畸变。 1.2谐波的危害 ] 1.2.1增加发电输电供电和用电设备的能耗 观的经济和社会效益,但网电拖动系统产生的谐波 对电网的污染也日益严重,并对电网和拖动系统的 运行产生了很大的影响。网电拖动系统谐波的抑制 成为钻机“油改电”项目进一步发展必须要解决的关 谐波高频电流通过导体时能产生集肤效应,使 键课题之一。 1钻机网电拖动系统谐波的产生及危害 1.1谐波的产生_】 钻机网电拖动系统中谐波主要来源于2个方面。 a) 由非线性负荷而产生谐波,主要是1O kV 干式整流变压器产生谐波。这类负荷产生的谐波频 率均为工频频率的整数倍,例如,三相六脉波整流器 主要产生的是5次和7次谐波。由于变压器铁心的 饱和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,其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次谐波电流可达到 额定电流的0.5 。 b) 由于拖动系统采用变频器,逆变回路不仅 产生整数次谐波,还产生频率为逆 变频率2倍的分 数谐波。从结构上来看,变频器电流通过整流器变 成直流,然后再经过逆变器将直流变换成可控频率 的交流,它的每一个相都是一个2组晶闸管整流装 置反向并联的可逆电路。正、反2组按一定周期相 互切换,在负荷上就获得了交变输出的电压L,。,L,。 的幅值取决于各整流装置的控制角,频率取决于2 组整流装置的切换频率。目前的变频器有3种不同 的结构方式:①用可控整流器变压,用逆变器变频, 调压和调频分别在2个环节上进行,二者要在控制 电路上协调配合;②用不控整流器整流斩波器变压, 用逆变器变频,这种变频器整流环节用斩波器,用脉 宽调压;③用不控整流器整流,用PwM逆变器变 频,这种变频器只有采用可控关断的全控式器件(如 IGBT等),输出波形才会非常逼近正弦波。上述无 论哪一种变频器,都大量使用了晶闸管等非线性电 力电子元件。无论采用哪种整流方式,变频器从电 网中吸取能量的方式都不是连续的正弦波,而是以 脉动的断续方式向电网索取电流,这种脉动电流和 导体有效电阻增加,从而增加设备的功率损耗,发热 严重。 a) 对电动机的影响 谐波对电动机的危害主 要是产生附加损耗和附加转矩。由于集肤效应、磁 滞和涡流等随着频率的增高,在旋转电机铁心和绕 组中的附加损耗也增加。在供电系统中,电动机负 荷约占总负荷的85 ,因此,谐波使总附加损耗增 加的影响最显著。谐波引起电动机的热效应是按照 电动机所能承受的谐波电压折算成等值的基波逆序 电压来考虑的,在额定转矩下,当持续承受额定电压 3 的逆序电压时,电动机绝缘寿命会减少1/2。在 国际上,一般建议持续工作的电动机所承受的逆序 电压不宜超过额定电压的2 。另外,虽然谐波转 矩对电动机平均转矩的影响不大,但谐波会产生显 著的脉冲转矩,使电动机转轴扭曲振动。 b) 对变压器的影响 谐波电流能使变压器的 铜耗增加,特别是3次及其倍次谐波对三角形连接 的变压器会在绕组中形成环流,使绕组过热;对全星 形连接的变压器,当绕组中性点接地,而该侧电网中 分布电容较大或装有中性点接地的并联电容器时, 可能形成3次谐波谐振,使变压器附加损耗增加。 c) 对输电线路的影响 由于输电线路阻抗的 频率特性,线路电阻随着频率的升高而增加。在电 网损耗中,变压器和输电线路损耗占大部分,谐波能 使电网损耗和三相供电系统中的中线电流增大。当 输电线路存在分布线路电感和对地电容及它们与设 备谐波组成串联或并联回路时,在一定的参数条件 下,会发生串联或并联谐振。通常,并联谐波谐振所 产生的谐波过压和过流对设备的危害性较大。当注 入电网的谐波频率处于网络谐振点附近时,会激励 电感和电容产生部分谐振,造成谐波放大。在这种 情况下,谐波电压升高、电流增大将引起继电保护装 置误动,甚至损坏设备。与此同时,还可产生相当大 的谐波网损。对于电力电缆线路,由于电缆的对地 电容比架空线路约大1O~2O倍,而感抗约为架空 线路的1/2~1/3,因此更容易激励出较大的谐波谐 维普资讯 http://www.cqvip.com 第37卷第7期 戴树涛,等:钻机网电拖动系统谐波抑制研究 振和谐波放大,导致绝缘击穿。 d) 对电力电容器的影响 谐波电压增高会加 2钻机网电拖动系统中谐波的抑制措施 电网的污染程度用电压波形畸变率来表示,简 称THDu。按照国家标准GB/T14549 1993 ̄电能 速电容器老化,使电容器的损耗系数增大、附加损耗 增加,从而缩短电容器寿命并容易发生故障。另外, 当电容器的容抗与电网感抗组成的谐振回路的谐振 质量公用电网谐波》的规定:10 kV电网的THDu ̄ 4 ,400 V电网的THDu%5 。经过对钻机网电 拖动系统谐波的实际测试、抑制装置的开发和试验, 频率接近或等于某谐波分量频率时,会产生过大的 谐波电流并造成电容器因过热、过压而不能正常运 行,甚至损坏。 1.2.2影响高压继电保护和自动装置的工作和可靠性 谐波对电力系统中以逆序(基波)量为基础的继 电保护和自动装置的影响十分严重。这是由于这些 按逆序(基波)量整定的保护装置,其整定值小,灵敏 度高,在逆序基础上再叠加谐波干扰(如电气化铁 道、电弧炉等谐波源或逆序源)则会引起发电机逆序 电流保护误动,变电站主变的复合电压启动过电流 保护装置逆序电压元件误动,母线差动保护的逆序 电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、 高频保护、故障滤波器、自动准同期装置等发生误 动,严重威胁电力系统的安全运行。 1.2.3干扰电力电量测量仪 电力计量装置是按50 Hz正弦波标准设计的, 电路中的谐波成分会影响感应式电能表的正常工 作。当有谐波源存在时,谐波源用户的电能表记录 了该用户吸收的基波电能并扣除一小部分谐波电 能。虽然谐波源污染了电网,但电能计费却偏低。 线性负荷用户的电能表记录的是基波电能及部分谐 波电能,谐波电能不但使线性负荷性能变坏,还要多 交电费。 1.2.4干扰通信系统的工作 电力线路上的3、5、7、11等幅值较大的奇次低 频谐波通过磁场耦合,在邻近的通信线路中产生干 扰电压,影响线路通信质量;对钻机的自动化控制系 统的信号传输和信息显示产生严重的影响,使其误 动作或不动作,误显示或不显示,严重危及生产的正 常进行。 1.2.5对其他用电子设备的影响 谐波会使电视机和计算机的图像发生畸变,画 面亮度发生波动,并使机内的元件出现过热,使计算 机数据处理系统出现错误;对于带有启动用的镇流 器和提高功率因数用的电容器的荧光灯和汞灯而 言,会因为在一定参数的配合下,形成某次谐波频率 下的谐振,使镇流器或电容器因过热而损坏;对于采 用晶闸管的变速装置,谐波可能使晶闸管出现误动 作,使控制回路出现误触发。 总结出了一套有效的抑制方法,并根据具体系统开 发研制出相应的谐波抑制装置。 2.1 对干式变压器产生的谐波 a) 更换负序电压过滤器。选择带有高次谐波 滤波电路的负序电压过滤器。 b) 在特定的时段内,人为降低10 kV系统运 行电压,解决电压偏高的问题。 c) 增加换流装置的相数。换流装置是供电系 统的主要谐波源之一,其交流侧与直流侧产生的特 征谐波次数分别为p走±1和pk(P为整流相数或脉 动数,是为正整数)。当脉动数P从6增加到12时, 可有效消除幅度较大的低频项(其特征谐波次数分 别为12是±1和12是),从而大大降低谐波电流的有 效值。 d) 加装滤波装置(无源和有源滤波装置)。装 设交流滤波器可有效抑制谐波电流,使电网电压畸 变减轻,电力质量得以提高;可充分发挥大功率负荷 的效率,延长使用寿命。另外,滤波器因提供容性无 功功率而具有一定的无功补偿作用,使系统的功率 因数提高。 2.2对变频器产生的谐波 变频器工作时是一个强大的干扰源,其干扰途 径包括辐射、传导、电磁耦合、二次辐射、边传导边辐 射等,对电网和周围的设备影响很大,能使电网电压 产生畸变。变频器谐波产生的主要途径如图1。 增加输入电抗器,即电容串联电抗器动态补偿 兼调谐(如图2),可有效抑制变频器产生的谐波反 馈到电网中 ]。从图2可以看出,TR可以是2只 晶闸管反向并联,由PR功率因数控制器控制其导 通相位,实现电压的调节,即完成功率因数的动态补 偿;TR零触发并采用接触器通断,即可完成功率因 数的静态补偿;调谐电抗器LS与电容器C形成串 联谐振,吸收晶闸管变流器和交一直一交变频器所产 生的3,5,7,11,13,17,19次谐波电流。 为了保护变频器免受高次谐波电流和过载的影 响,确保系统响应在允许范围内,必须要采用输入电 抗器。如果电传动系统采用西门子大功率SINAMICS、 维普资讯 http://www.cqvip.com ・22・ 石油矿场机械 2008年7月 SIM0VERT MASTERDRIVES VC等系列变频 器,并通过干式整流变压器供电,线路结构如图3。 电接收机 10 图1 变频器谐波产生的主要途径 /L1 饥2 3AC L3 压器的额定功率,【, 为变压器的每单元阻抗,Sx。 为高电平电压的短路功率;S、,为所连变频器的视在 功率。 如果相对短路功率R >2O,则必须配置线路 输入电抗器。 2.3对电网造成污染的谐波 为防止辐射干扰,将变频器本身用铁壳屏蔽,输 L1 出线用钢管屏蔽,并与其他弱电信号分别配线,附近 的其他电子设备线路也采用屏蔽的方式;为避免传 导干扰,在电源进线端采用特制的输入电源滤波器; 为减少变频器的电磁干扰,在变频器的输出端接入 特制的输出电源滤波器,同时还能降低电动机噪声, 保护电机线圈。这些措施可以最大限度地减少对电 网的污染。 I L2 3AC L3 谐波抑制装置与变频器连接线路如图4。 PR一功率因数控制器;Ls一调谐(滤波)电抗器; TR一双向晶闸管;C一补偿电容器 2.4其他 图2电容串联电抗器动态补偿兼调谐 a) 在主电路中串联或并联有源电力滤波器, 实时从补偿对象中检测出谐波电流,由补偿装置产 生一个与该谐波电流大小相等、方向相反的补偿电 流,从而使电网电流只含基波电流。这种有源滤波 器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,其 特性不受系统的影响,无谐波放大的危险。 10 b) 在条件允许或对谐波限制要求比较高的情 图3通过于式整流变压器供电的线路结构 况下,可采用多相脉冲整流的方法。12相脉冲整流 的电压波形畸变率THDu为1O ~15 ;18相的 5 ~8 ;24相的<3 。 是否采用输入电抗器取决于相对短路功率R Rsc—SKl/sv c)选用D-ynl1接线组别的三相配电变压器。 式中,RSc为相对短路功率;S 为连接点线路短路功 率,SK1一STRF/(UKTRF+STRF/sK2),其中,STRF为变 在三相变压器中,把高压侧绕组接成三角形,低压绕 组接为星型,且中性点和“1l”点(二次侧电流相位滞 维普资讯 http://www.cqvip.com 第37卷第7期 戴树涛,等:钻机网电拖动系统谐波抑制研究 后330。)连接,以保证相电动势接近于正弦形,可避 免相电动势波形畸变的影响。 图4谐波抑制装置与变频器连接线路 d) 在变频器到电动机之间增加交流电抗器, 网质量完全符合国家标准的要求。 减少变频器输出线路产生的电磁辐射。该电抗器安 表1 ZJ30DB型钻机网电拖动系统谐波测试数据 装在距离变频器最近的地方,尽可能缩短与变频器 接线的距离。如果使用铠装电缆作为变频器与电动 机的连线时,可不使用这方法,但必须要做到电缆铠 在变频器和电动机端可靠接地,而且接地的电缆铠 要原样不动接地,不能扭成绳或辫子状,不能用其他 导线延长,变频器侧要接在变频器的地线端子上,然 后再将变频器接地。 3现场应用与测量 4 结语 对ZJ30DB型钻机网电拖动系统采取上述相应 的谐波抑制措施后进行了现场检测。 采取相应的谐波抑制措施后,有效降低了谐波 ZJ30DB钻机网电拖动系统的主要组成:①合 电流,增加了变压器的有效容量和相应的带载能力, 计600 kw的转盘和绞车驱动采用西门子SE71系 减少扩容所需的投资;有效降低了变压器的损耗,提 列变频器;②2台735 kw(1 000 hp)泥浆泵分别使 高了变压器安全运行系数,保证对谐波敏感的保护 用800 kW的西门子G150变频器驱动;③MCC配 装置和元器件不发生误动作,达到节能降耗的目的, 电系统。整个系统装机容量按3 250 kVA设计,分 节电率达10 ~30 ,谐波滤除率为70 ~80 ; 4台变压器供电,其中3台1 250 kVA的12脉冲干 减小集肤效应,热损、铜损、铁损、磁损和噪声大为下 式变压器给变频器供电,另外1台500 kVA的变压 降;符合国家节能降耗和可持续发展的要求,为钻机 器给MCC供电。 “油改电”项目的顺利实施和进一步发展提供了有利 采用的三相电能质量分析仪器是目前市场上功 支持。 能最强和最便于使用的电能质量测试设备,具有如 下功能:①有4种测量与分析软件,便于深入分析; 参考文献: ②可用于单相电力系统,也可用于3相电力系统的 [1] 车继勇,马爱彬,张斌,等.钻井井场电气系统谐波分 检测,适用范围广;③可即时读取测试结果,包括数 析及其抑制I-J].甘肃科技,2008,24(6):69—71. 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