本文目的在于幫助用戶和國(guó)內(nèi)鉆井裝備承包（配套）商，理解變頻鉆機(jī)的電控系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的原因和危害以及消除辦法，并根據(jù)用戶的要求選擇不同的VFD系統(tǒng)配套解決方案。

       在鉆井電控系統(tǒng)中諧波源主要為絞車、轉(zhuǎn)盤（或頂驅(qū)）、泥漿泵變頻器，占整個(gè)鉆井設(shè)備裝機(jī)總?cè)萘康?0％以上，隨著鉆井工況的需要，產(chǎn)生各次諧波電流幅值隨著一般鉆井負(fù)載工況、重載工況變化有所不同，屬于波動(dòng)變化的諧波，不同于一般計(jì)算機(jī)以及電子整流裝置和不間斷電源等非線性諧波負(fù)載產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的諧波。諧波對(duì)鉆井電控系統(tǒng)的危害體現(xiàn)在增加發(fā)、輸、供（配）和用電設(shè)備的附加損耗，使設(shè)備過(guò)熱，降低設(shè)備效率和利用率。

1、 如引起柴油機(jī)油耗增大效率降低，發(fā)電機(jī)過(guò)熱輸出功率降低。同時(shí)交流變量的復(fù)雜性增加了發(fā)電機(jī)組同步并車裝置的復(fù)雜性，嚴(yán)重影響繼電保護(hù)控制的靈敏性與準(zhǔn)確性以及自動(dòng)檢測(cè)裝置工作和可靠性，使測(cè)量和計(jì)量?jī)x表指示不準(zhǔn)，干擾通信系統(tǒng)的正常工作等；

2、 司鉆操作站和電氣工程師站組態(tài)畫面圖形畸變、亮度波動(dòng)，數(shù)據(jù)處理錯(cuò)誤等；

3、 諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)電動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)矩影響不大，但會(huì)產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩，引發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸扭曲振動(dòng)問(wèn)題。由于集膚效應(yīng)、磁滯、渦流等，隨著頻率增高而使鐵心和繞組產(chǎn)生的附加損耗增加。由于電動(dòng)機(jī)的出力一般不能根據(jù)發(fā)熱情況進(jìn)行調(diào)整，由諧波引起電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱效應(yīng)是按它能承受的諧波電壓折算成等值的基波負(fù)序電壓來(lái)考慮的，試驗(yàn)表明，在額定工況下持續(xù)承受3％的負(fù)序電壓，電動(dòng)機(jī)絕緣壽命要減少一半，建議控制負(fù)序電壓不宜超過(guò)額定電壓2％；

4、 發(fā)電機(jī)與主電機(jī)的電纜截面選型至少加大30％，且選用對(duì)稱的三相電纜。由于交直流線路中存在分布的線路電感和對(duì)地電容，它們與諧波負(fù)載組成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時(shí)，在一定參數(shù)配合的條件下，會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振。一般情況下，并聯(lián)諧波諧振所產(chǎn)生的諧波過(guò)電壓和過(guò)電流對(duì)相關(guān)設(shè)備危害較大。當(dāng)諧波頻率接近網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)時(shí)，會(huì)激勵(lì)電感、電容產(chǎn)生部分諧振，形成諧波放大；

5、 三次及倍數(shù)次諧波電流會(huì)在三角形聯(lián)接的輔助變壓器繞組中形成環(huán)流，增加銅耗使繞組過(guò)熱，絕緣加速老化、壽命縮短甚至損壞；

6、 隨著諧波電壓增高，會(huì)加速電容器的老化，使電容器的損耗系數(shù)增大、附加損耗增加，從而容易發(fā)生故障和縮短電容器壽命；另一方面電容器的電容與電網(wǎng)的感抗組成的諧振回路諧振頻率等于或接近于某次諧波分量頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生諧波電流放大，使得電容器因過(guò)熱、過(guò)電壓等而不能正常運(yùn)行。

      目前在鉆井電控系統(tǒng)配套時(shí)普遍采用提高發(fā)電機(jī)組額定容量，加大發(fā)電機(jī)的短路容量，加粗主電纜截面，增大輔助變壓器容量，以及選用遮斷能力強(qiáng)、整定值較大的斷路器、熔斷器等保護(hù)元件的辦法，不但不能從根本上消除諧波，反而降低了保護(hù)特性與功能，造成了投資浪費(fèi)，并增加供電系統(tǒng)隱患。因此從根本上治理諧波需要通過(guò)改變鉆井電控系統(tǒng)中整流單元的結(jié)構(gòu)形式或使用外部濾波器。典型的鉆井電傳動(dòng)系統(tǒng)單機(jī)結(jié)構(gòu)示意如下：
 

       諧波電流多少取決于交流傳動(dòng)的整流方式，諧波電壓為諧波電流與系統(tǒng)阻抗之積。國(guó)內(nèi)一般在鉆井電控系統(tǒng)配套中采用6脈沖整流器結(jié)構(gòu)型式， 沒(méi)有獨(dú)立的隔離變壓器，因此在600V母線的發(fā)電機(jī)樁頭上除3次及其倍數(shù)次諧波外，還有5，7，11，13。。。等多次諧波，總的電流畸變率THDi約為30%，總電壓畸變率THDu為15%左右。影響THDi或THDu的相關(guān)因素如下：

 

       對(duì)于不同交流傳動(dòng)整流方式的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如下，值得一提的是使用IGBT整流方式將會(huì)得到24脈沖整流器結(jié)構(gòu)形式的諧波治理效果，而簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和6脈沖整流方式相同。
 

        其中IGBT整流原理類似外部有源濾波裝置，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，哪里污染就在哪里治理已成為可能，依據(jù)現(xiàn)有諧波電流同時(shí)產(chǎn)生反向的補(bǔ)償電流予以抵消，實(shí)現(xiàn)真正的干凈電源。
 

       為方便在日后配套使用中理解和實(shí)際運(yùn)用，對(duì)各種不同整流器結(jié)構(gòu)形式的治理效果和成本分析對(duì)比如下，以6脈沖整流形式不帶電抗器的成本為基數(shù)：