自升式钻井平台钻井变频系统谐波的抑制

陈平良

(中国石油集团海洋工程有限公司，北京,100028)

0 前言

自升式钻井平台谐波主要是由于钻井马达（绞车、顶驱、泥浆泵）采用了变频驱动技术产生。最近几年随着该技术的不断完善和成熟，在海洋工程领域的应用越来越广泛。通过本次对变频驱动控制系统的开发研究，进一步掌握该系统配置及选型，为以后在基本设计阶段确定电力负荷以及电力分配打下基础。

本文研究依托于某型自升式钻井平台。该平台变频驱动的钻井设备的大量非线性负载的使用，大量的谐波主要来自于大功率变流设备。通过对该问题研究，进一步了解谐波对电网所造成的危害，在以后的设计中能够避免。

1 谐波源分析

随着直流电机逐渐被交流变频调速取代，平台钻井设备通过变频器来实现钻井系统的控制，平台电网高次谐波主要来自于这些大功率变频器所使用的大量电力电子元器件。另外，平台不间断电源系统、24V 直流电源、通讯、导航蓄的电池组充电和火灾报警系统等使用的直流电源同样产生谐波。

变频器的输出电压与电流也影响着平台电网的谐波含量，同时电网电压等级也是平台整体性能的主要参数。依据平台电力系统潮流分析、负荷计算和选择性要求，钻井系统主马达电压的等级选取600V。钻井系统的10 个交流异步电动机连接到变频系统上。每个马达有一组电机动力电缆和一组控制电缆,用于冷却风机、马达空间加热器、系统润滑油泵和安全、报警信号传送。

另外，为减小钻井变频系统注入电网谐波分量，交流变频器应尽量避免长期运行在较低负载下。电网谐波还与主柴油发电机绕组的等值阻抗有关。

2 谐波危害

电网中含有高次谐波会因控制信号紊乱而使相位控制设备的正常工作收到干扰，如电子设备的错误触发、计算机误动作、电子原件无法进行测量等。谐波使信息线路、通信线路产生噪声。对旋转电动机定子产生谐波电流，形成正向和反向旋转磁场，使电动机效率降低，过热。过大的谐波电流会对变压器等电气设备产生附加损耗，引起过热。较高的高次谐波含量电流能使电盘中断路器开断能力下降、继电保护设备误动作及效率降低、测量仪表的测量准度降低等问题。

自升式钻井平台上的电力设备较多，高次谐波电流在复杂的电缆路径上形成谐波电压降落较大，伴随着产生设备的功率损耗。电网产生的高频谐波电流流过电缆铜芯时将发生肌肤效应，使铜芯等效导通面积减小，电阻增大，引起电缆过热。海洋平台中变频电缆的可以等效成一个容值很小的电容，而这个容值通常不容忽视。所以在高频谐波流过时，就会产生一个介质损耗，使电缆发热。高频谐波过大加快绝缘老化。

自升式钻井平台的自动控制系统通常采用高性能工业单片计算机，大量微计算机或其他高精度的电子元件，数字、模拟电路，对导航和控制系统的危害非常严重。平台对这些设备要求较高的工作运行精度。通常不会因干扰而破坏系统软件程序，但通讯总线的数据将被电网谐波严重干扰，比如通讯信号错误寻址，甚至可能造成程序“飞车”、意外停机等预想不到的状态。此外，高次谐波还会对电力系统继电保护装置及船用测量仪表等产生干扰。

图3.1 变频器内部电源电路原理图

3 谐波的抑制措施

为了有效控制平台变频装置所产生的谐波，本文采用移相隔离变压器,通过增加反馈电网变频器的脉冲数来抑制平台电力电网谐波成分。

平台变频器内部电源系统的电路原理如图3.1 所示。由于平台采用交流变频调速的方法进行钻井交流电机的驱动从而进行日常钻井作业。变频系统采用换流器电路进行设计和研究，换流器基本主回路如图3.2 所示，采用晶闸管阴极与阳极间承担电压较小的桥式电路。在换流过程中，通过对加在换流器晶闸管控制极上的触发脉冲相位控制，运行过程中以一定的周期重复从某一晶闸管到另一个晶闸管换相。

图3.2 换流器的基本主电路

理论研究换流器原理简述如下，如图3.2 的桥式电路正向换流器工作波形的图3.3 所示,设交流电压分别为ea、eb、ec，其峰值设为Em，在V1 中动作期间流动的短路电流ia 下式成立：

图3.3 换流器的动作波形

采用多脉冲整流是输入多重化的谐波治理方法，这种方法能够有效减少变频设备中产生的非线性负载和电力电子设备的高次谐波，减少抑制电压波形的总谐波畸变，达到船级社规定的单次谐波畸变率小于5%，总谐波畸变率（THD）小于8%的要求，是对钻井平台电网进行谐波抑制可行而经济的方案。

4 结论

相对于岸上电力系统，海洋平台电力系统负荷容量小，平台常规设备能以抵抗来自非线性负荷的干扰，而平台谐波源相对容量较大，因此谐波造成的影响相对较大。又由于受平台空间等因素限值，电网谐波抑制措施有所局限。因此，选择适宜的抑制措施对平台电网的安全性尤为关键。

在自升式钻井平台电力系统中，主配电盘母线上含有大量的谐波电流，产生剧烈的波形畸变。在谐波计算中，由于海洋平台电力系统电源多为的柴油发电机，容量小传送距离短不能看作无穷大电源，因此电力系统谐波计算跟发电机的内阻抗有一定关系，发电机绕组内阻抗越大，就会影响主母线电压的畸变率相应升高。而多重化移相隔离变压器的使用，明显抑制电力电网谐波，其原因是电力系统中谐波电流波形发生位移，从而抵消主要高次谐波。采用移相隔离变压器的多脉冲整流方案正不断在钻井平台上获得应用。

[1] 曾晖.海上油气田工程设计.北京：中国石油大学出版社，2010：459-464.

[2] 中国航空工业规划设计院编.工业与民用配电设计手册. 北京：中国电力出版社，2005，第六章： 285-286.

[3] 《石油和化工工程设计工作手册》编委会.曾辉等.东营：中国石油大学出版社，2010.9

[4] Frankenberg W,Templin H.Assessment of harmonic interference from shipborne converter equipment for compliance with mains quality requirements[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1991,6(4):1735-1739.

[5] 中国船级社编.海上移动平台入级与建造规范.北京：人民交通出版社，2012，第5 篇： 18-20.