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用，非線性負載的不斷增加，使電壓波形頻率畸變嚴重，這便是諧波。諧波最早是被發(fā)現(xiàn)于20世紀50年代，之后非線性負載引起的諧波干擾問題日益受到人們的關注。直流電動機驅動石油鉆機使用的可控硅整流器會使石油電網(wǎng)產(chǎn)生諧波對其他用電器等設備性能造成嚴重不良影響，影響其他用電設備長期穩(wěn)定正常運行。為有效改善石油鉆井供電系統(tǒng)電能質量，防止變壓器及其他用電器等設備長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，故非常有必要對系統(tǒng)的諧波污染進行有效治理，以真正達到有效凈化系統(tǒng)電能質量、使用電設備安全可靠運行、提高系統(tǒng)電能綜合利用率的重要目的。

關鍵詞：非線性負載；諧波；濾波

引言

隨著我國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)技術的不斷發(fā)展，石油鉆井中的動力設備大多已經(jīng)由電動機逐漸替代了柴油機。為有效改善石油鉆井供電系統(tǒng)電能質量，防止變壓器及其他用電器等設備長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，故非常有必要對系統(tǒng)的諧波污染進行有效治理，才能有效減少井場電力設備的故障率，減輕勞動強度和提高經(jīng)濟效益[1-2]。

1諧波的直接危害

（1）對柴油發(fā)電設備的直接危害。由于諧波的干擾作用，產(chǎn)生寄生轉矩，降低了發(fā)電機機械能轉換為電能的效率，增加供電設備的損耗，諧波在每個轉子線圈阻尼線圈和線圈繞組中都會產(chǎn)生額外的電力損耗，增加了柴油發(fā)電機組的燃油消耗。（2）電力諧波對變壓器的影響。諧波會降低變壓器絕緣的電場強度，諧波電流的存在也使得給變壓器增加了大量銅損。對那些帶有非線型負荷的勵磁變壓器而言，會需要加大勵磁輸出電流的諧波分量。諧波輸出電流的增加可能會直接使整個變壓器內的局部區(qū)域產(chǎn)生高溫，不嚴重時會大大縮短整個變壓器的正常使用壽命，嚴重則很有可能會導致整個變壓器內部燒壞。對變壓器來說，諧波電流增大，會增加散雜的損耗和銅損，諧波電壓會增加一些鐵損。與純基波運行的正弦波電流和電壓相比較，諧波對變壓器的最主要的直接影響之一是變壓器運行溫度上升，同時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載和電容量大幅下降；研究結果表明，變壓器的溫升升高8℃左右，使用壽命將減少一半。（3）對鉆井用電設備的直接危害。諧波的大量產(chǎn)生直接使石油鉆井現(xiàn)場內使用的日光燈、led燈等照明燈、監(jiān)控監(jiān)測設施、開關電源的連續(xù)使用壽命大幅度的縮短，繼電器通常有誤觸或動作放電現(xiàn)象。（4）能源的浪費。諧波的大量存在可直接降低整個電力系統(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，增加鉆井的用電成本。（5）諧波電流過大，在流過電力電纜時，會直接導致動力電纜異常發(fā)熱嚴重。造成動力電纜異常發(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。趨膚效應原理是指電流在流過電纜導體時，向通過電纜導體的外層表面集中的一種物理現(xiàn)象，電流頻率強度越高，電流就越向通過電纜導體的外層表面逐漸集中。在趨膚效應的作用下，當諧波電流大量流過電纜上的導體時，導體的有效截面積就可能會大大小于電纜導體的實際截面積。截面積小，意味著電阻就會增加，也就是說電阻的增加會使動力電纜產(chǎn)生更大的熱量。（6）導致意外發(fā)生跳閘。由于諧波電流過大導致斷路器意外發(fā)生跳閘，電路的額定負荷還沒有完全達到斷路器額定負載的狀態(tài)下，斷路器上的保護裝置就可能會保護動作。諧波電流過大導致整個斷路器保護裝置意外動作的發(fā)生機理主要取決于這個斷路器保護裝置的實際工作原理。由于此類電路單相保護裝置的功能種類繁多，但是其工作電路原理大相徑庭，單相保護電路發(fā)生跳閘的主要原因大多可能是因為短路電流電壓峰值過大，導致電路上的保護裝置動作。如果這個電路動作保護裝置主要是通過自動檢測電路峰值動作電流大小來控制動作的，就可能會導致出現(xiàn)誤動作。當一個電路中有保護裝置的觸發(fā)條件中包含負序觸發(fā)電流時，如果觸發(fā)電流中包含較大的負序電流成分時，則電路中的保護裝置很有可能也就會被自動觸發(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，是因為三次電流諧波中的電流在中線上相互疊加，會直接導致中線上的電流流量增加很多，容易造成用電設備嚴重損壞甚至產(chǎn)生火災安全隱患。

2諧波的正確抑制與有效治理

（1）無源濾波裝置。該濾波裝置主要由電抗器、電阻器和濾波電容器組成。濾波裝置由若干個無源濾波器進行并聯(lián)連接組成，每個無源濾波器在諧波頻率內呈現(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兼顧無功率補償?shù)淖饔?。?）有源濾波裝置。主要用于電力線路諧波治理中的專用設備。用現(xiàn)代智能電力和微電子技術和基于高速dsp等元器件的高速數(shù)字信號采集處理系統(tǒng)技術設計制成。有源電力濾波補償裝置由指令電流信號運算電路和電流補償電流信號發(fā)生電路兩個主要組成部分共同組成。指令電流自動運算控制電路隨時自動監(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算信號進行轉換后成為數(shù)字信號，送到數(shù)字信號處理器，由處理器對數(shù)據(jù)進行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調制電流信號形式向自動補償電流發(fā)生電路中將送出信號驅動電流脈沖，驅動輸出igbt或驅動ipm功率補償模塊，生成幅值相等、極性相反的補償電流并流入特定電網(wǎng)，對電網(wǎng)中的諧波電流進行自動補償或者消除。

3諧波治理后的效果

石油鉆井直流電驅動鉆機大多采用新型有源濾波治理裝置，對鉆井供配電系統(tǒng)中的諧波進行治理（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。消去諧波擊穿無功補償裝置里電容器的威脅，避免電路可能發(fā)生的并聯(lián)諧振而引起的設備損壞及燒毀，保障設備正常運行。圖1諧波治理裝置投入前圖2諧波治理裝置運行后（2）減少通過線路系統(tǒng)中的電流。提高線路功率因數(shù)，消除通過配電保護線路的諧波，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設備燒毀等而帶來的直接損失。（3）減少線路電控保護設備和繼電保護器等裝置誤動作或者不正常動作。提高電力系統(tǒng)中的電能傳輸質量，提高配電線路系統(tǒng)的工作安全性和工作可靠性。（4）減少了諧波對供配電線路系統(tǒng)內的其他用電保護設備的直接影響。（5）補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，提高電能質量。（6）減少電力變壓器的附加損耗，降低工作時的噪音，提升電力變壓器的負載能力。（7）apf/svg在投入電網(wǎng)后，能夠提升變壓器和電纜的負載能力，等同于對整個電力系統(tǒng)進行了擴容。（8）apf/svg接入后，在每個負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，降低因電流過大導致的母線、變壓器溫升。

4結語

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

參考文獻：

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

[2]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

作者：沈書林 宋松明 王紀超 彭友園 單位：中國石化西南石油工程有限公司臨盤鉆井分公司