石油工程电力系统谐波危害与抑制

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摘要：大功率可控硅scr、变压器、igbt、电力管和晶体管的广泛应用，非线性负载的不断增加，使电压波形频率畸变严重，这便是谐波。谐波最早是被发现于20世纪50年代，之后非线性负载引起的谐波干扰问题日益受到人们的关注。直流电动机驱动石油钻机使用的可控硅整流器会使石油电网产生谐波对其他用电器等设备性能造成严重不良影响，影响其他用电设备长期稳定正常运行。为有效改善石油钻井供电系统电能质量，防止变压器及其他用电器等设备长期由于工作在高谐波污染环境中而可能出现安全隐患，故非常有必要对系统的谐波污染进行有效治理，以真正达到有效净化系统电能质量、使用电设备安全可靠运行、提高系统电能综合利用率的重要目的。

关键词：非线性负载；谐波；滤波

引言

随着我国石油钻井工程电力装备的不断更新以及现代电子钻井电力系统技术的不断发展，石油钻井中的动力设备大多已经由电动机逐渐替代了柴油机。为有效改善石油钻井供电系统电能质量，防止变压器及其他用电器等设备长期由于工作在高谐波污染环境中而可能出现安全隐患，故非常有必要对系统的谐波污染进行有效治理，才能有效减少井场电力设备的故障率，减轻劳动强度和提高经济效益[1-2]。

1谐波的直接危害

（1）对柴油发电设备的直接危害。由于谐波的干扰作用，产生寄生转矩，降低了发电机机械能转换为电能的效率，增加供电设备的损耗，谐波在每个转子线圈阻尼线圈和线圈绕组中都会产生额外的电力损耗，增加了柴油发电机组的燃油消耗。（2）电力谐波对变压器的影响。谐波会降低变压器绝缘的电场强度，谐波电流的存在也使得给变压器增加了大量铜损。对那些带有非线型负荷的励磁变压器而言，会需要加大励磁输出电流的谐波分量。谐波输出电流的增加可能会直接使整个变压器内的局部区域产生高温，不严重时会大大缩短整个变压器的正常使用寿命，严重则很有可能会导致整个变压器内部烧坏。对变压器来说，谐波电流增大，会增加散杂的损耗和铜损，谐波电压会增加一些铁损。与纯基波运行的正弦波电流和电压相比较，谐波对变压器的最主要的直接影响之一是变压器运行温度上升，同时由谐波所引起的额外能量损耗将与频率和电流的平方成一定比例继续上升，从而直接致使谐波变压器的输出负载和电容量大幅下降；研究结果表明，变压器的温升升高8℃左右，使用寿命将减少一半。（3）对钻井用电设备的直接危害。谐波的大量产生直接使石油钻井现场内使用的日光灯、led灯等照明灯、监控监测设施、开关电源的连续使用寿命大幅度的缩短，继电器通常有误触或动作放电现象。（4）能源的浪费。谐波的大量存在可直接降低整个电力系统中的功率因数，增加电力视在功率，大量使用电能产生浪费，增加钻井的用电成本。（5）谐波电流过大，在流过电力电缆时，会直接导致动力电缆异常发热严重。造成动力电缆异常发热这种现象的主要原因之一是由于交流谐波电流的趋肤效应。趋肤效应原理是指电流在流过电缆导体时，向通过电缆导体的外层表面集中的一种物理现象，电流频率强度越高，电流就越向通过电缆导体的外层表面逐渐集中。在趋肤效应的作用下，当谐波电流大量流过电缆上的导体时，导体的有效截面积就可能会大大小于电缆导体的实际截面积。截面积小，意味着电阻就会增加，也就是说电阻的增加会使动力电缆产生更大的热量。（6）导致意外发生跳闸。由于谐波电流过大导致断路器意外发生跳闸，电路的额定负荷还没有完全达到断路器额定负载的状态下，断路器上的保护装置就可能会保护动作。谐波电流过大导致整个断路器保护装置意外动作的发生机理主要取决于这个断路器保护装置的实际工作原理。由于此类电路单相保护装置的功能种类繁多，但是其工作电路原理大相径庭，单相保护电路发生跳闸的主要原因大多可能是因为短路电流电压峰值过大，导致电路上的保护装置动作。如果这个电路动作保护装置主要是通过自动检测电路峰值动作电流大小来控制动作的，就可能会导致出现误动作。当一个电路中有保护装置的触发条件中包含负序触发电流时，如果触发电流中包含较大的负序电流成分时，则电路中的保护装置很有可能也就会被自动触发。（7）三次电流谐波的特殊性和危害。在如何处理三次谐波危害问题上，三次谐波电流要引起特别的高度重视。三次电流谐波中的电流之所以安全危害比较大，是因为三次电流谐波中的电流在中线上相互叠加，会直接导致中线上的电流流量增加很多，容易造成用电设备严重损坏甚至产生火灾安全隐患。

2谐波的正确抑制与有效治理

（1）无源滤波装置。该滤波装置主要由电抗器、电阻器和滤波电容器组成。滤波装置由若干个无源滤波器进行并联连接组成，每个无源滤波器在谐波频率内呈现低阻的特性，吸收谐波电流，使谐波流入交流系统的谐波电流大大降低，达到抑制电流谐波的主要目的。滤波装置直接投入电网中，与其他谐波源并联，滤除特定频次中的谐波。在基波下，滤波器一般都是呈现容性，除了可以起到滤波的重要作用外，还起到可以起到同时兼顾无功率补偿的作用。（2）有源滤波装置。主要用于电力线路谐波治理中的专用设备。用现代智能电力和微电子技术和基于高速dsp等元器件的高速数字信号采集处理系统技术设计制成。有源电力滤波补偿装置由指令电流信号运算电路和电流补偿电流信号发生电路两个主要组成部分共同组成。指令电流自动运算控制电路随时自动监视电网线路电流中的指令电流，将多路模拟指令电流运算信号进行转换后成为数字信号，送到数字信号处理器，由处理器对数据进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制电流信号形式向自动补偿电流发生电路中将送出信号驱动电流脉冲，驱动输出igbt或驱动ipm功率补偿模块，生成幅值相等、极性相反的补偿电流并流入特定电网，对电网中的谐波电流进行自动补偿或者消除。

3谐波治理后的效果

石油钻井直流电驱动钻机大多采用新型有源滤波治理装置，对钻井供配电系统中的谐波进行治理（图1、图2），治理后谐波可以有以下效益：（1）减少钻井电力系统谐波源的含量。消去谐波击穿无功补偿装置里电容器的威胁，避免电路可能发生的并联谐振而引起的设备损坏及烧毁，保障设备正常运行。图1谐波治理装置投入前图2谐波治理装置运行后（2）减少通过线路系统中的电流。提高线路功率因数，消除通过配电保护线路的谐波，减小线路上的损耗，降低配电线路电缆的温升，提高配电线路上的承载能力，减少因配电线路或保护设备烧毁等而带来的直接损失。（3）减少线路电控保护设备和继电保护器等装置误动作或者不正常动作。提高电力系统中的电能传输质量，提高配电线路系统的工作安全性和工作可靠性。（4）减少了谐波对供配电线路系统内的其他用电保护设备的直接影响。（5）补偿线路三相电流不平衡，减少电力变压器和配电线路的铜损，提高电能质量。（6）减少电力变压器的附加损耗，降低工作时的噪音，提升电力变压器的负载能力。（7）apf/svg在投入电网后，能够提升变压器和电缆的负载能力，等同于对整个电力系统进行了扩容。（8）apf/svg接入后，在每个负载接入端有效的控制、消除了谐波，避免了大量谐波流入电网造成电网污染，有效避免了电网谐波对接入电网其他用户的直接影响。（9）减少谐波流经于输出线柜、变压器的母线输出电流值，降低因电流过大导致的母线、变压器温升。

4结语

综上，在我国石油钻井及输配电系统的谐波污染问题得到有效治理后，钻井设备整体安全运行效率将一定会因此得到极大提高，用电设备的安全稳定正常运行也必然可以因此得到有力的保障，同时也有效的保证了电网的电能质量，谐波治理对石油钻井的经济效益、设备安全的作用十分明显。

参考文献：

[1][美]J.C达斯著，于海波等，译.电力系统谐波[M].北京：机械工业出版社，2020.

[2]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1998.

作者：沈书林 宋松明 王纪超 彭友园 单位：中国石化西南石油工程有限公司临盘钻井分公司