电驱动钻机电压稳定性浅析
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作者: 董春彦 王新
提要：电压稳定性是衡量电驱动钻机供电质量的重要指标，电压不稳定将影响钻机的安全经济运行。本文从影响电压稳定性的因素入手，结合钻井设备实际工况，分析了电压不稳定产生的原因及不良影响，有针对性的提出了相关措施。
关键词：电压 稳定性 电驱动钻机
随着电驱动钻机电气设备的复杂程度越来越高，其对供电质量的要求也越来越严格。作为衡量钻机供电质量的重要指标，电压稳定性显得尤其重要。电压稳定性是指供电系统维持负荷电压于某一规定的运行极限之内的能力，即系统各母线电压在正常和受扰动后的动态过程中被控制在额定电压的允许偏差范围内的能力。当电压实际值偏离时，经发电机动态调节无法达到新平衡状态的情况下，将导致电气设备无法正常运行，甚至造成不必要的故障和设备损坏。因此，必须提高对电压稳定性的要求，制定有效措施避免电压不稳定现象。
一、影响电压稳定性的因素
电压稳定性主要涉及的内容包括电压偏差、电压波动和闪变、电压正弦波形畸变率（谐波）、电压不平衡度以及频率偏差。电压不稳定有多种成因。电控系统对电压稳定性的影响主要有以下几方面。
1、发电机对电压稳定性的影响
频率的变化对应着系统中有功负荷的变化，电压的变化对应着系统中无功负荷的变化。发电机正常运行维持端电压恒定，当负荷电压降低时，发电机的无功需求可能使励磁电流或电枢电流达到极限，从而急剧改变发电机特性，其保护装置将使发电机自动下线，甚至停机。如果并联的发电机组负荷分配不均，带载最多的发电机达到励磁极限时，端电压将下降，如负荷功率恒定，定子电流增加，进一步限制其无功输出，以保证定子电流在允许的范围之内，而其不足无功只有靠其它机组提供，从而限制其它机组励磁的自动调节。此时将逐渐出现电压不稳定的现象，甚至造成并联发电机的失步。而系统如果提供的有功不足将会引起频率的波动。
2、用电设备对电压稳定性的影响
现场设备中与电压稳定关系相关的设备有：变频调速器、直流SCR调速器、变压器、异步电动、空调和热泵、放电照明设备、电抗器等。这些负荷在正常运行时消耗较多无功，对电压的灵敏度要求较高，特别是在电压较低及电压恢复过程中，影响较大。大量非线性阻抗特性或具有非正弦电流特性的供电设备，使得实际的电压波形偏离正弦波，产生电压正弦波形畸变。其注入的谐波电流在电网阻抗上产生谐波电压，谐波电压叠加在电网上，作用于电气设备，对这些设备产生影响。
3、配电线路对电压稳定性的影响
电能输送过程要产生电压损耗，线路和变压器的电压损耗主要取决于通过的无功功率，输送的距离越远，中间环节越多，引起的电压降也越大，负荷端的电压也就越低，越容易产生不稳定现象。如果是低压线路过长，导线截面偏细，也影响电压的稳定性。同时受不同负荷用电特性的影响，在电能分配和传输过程中难免出现三相不对称。三相负荷严重不对称，中性点电位就会发生偏移，产生不平衡电压，加大电压偏差。
二、电压不稳定对电气设备的影响
当供电电压发生不稳定现象时，用电设备运行参数和寿命将受到影响。影响程度受偏差大小及其持续时间而异。
1、电压偏差对设备的影响
1）异步电动机。当端子电压为负偏差时，负荷电流将增大，起动转矩、最大转矩和最大负荷能力均显著减小，严重时甚至不能起动或堵转，当电动机因不稳定而停止转动时，易过热烧毁。当电压为正偏差时，转矩增加，严重时可能损坏设备。一般情况下，电压比额定值稍高要比电压低于额定值对电动机性能的不利影响小一些。
2）同步电动机。其起动转矩与端电压平方成正比，最大转矩直接与端电压成正比变化。如同步电动机励磁电流由晶闸管整流器供给，且整流器交流侧电源是与同步机共同的，则其最大转矩将与端电压的平方成正比变化。
3）电热设备。电阻热能输出与外施电压平方成正比，端电压降低，加热时间显著延长，影响生产效率。端电压升高，热能输出升高，致使电热元件寿命缩短。
2、电压波动对设备的影响
电压的波动和闪动是由于井场用电的剧烈变化引起。急剧的电压波动会引起同步电机的震动，使电子设备、测量仪表无法正常的工作；而电压闪动超过限度值使照明负荷无法正常工作，损害操作人员的身体健康。如果电压波动较大时，会产生较大的电压变化率du/dt,较大的电压变化率容易损坏变频器输入模块和电机绕组的绝缘。
3、电压正弦波形畸变的影响
1）引起电气设备损耗增加，产生局部过热，加快旋转电机、变压器、电容器电缆等电气元件中绝缘介质的电离过程，使其发热绝缘老化，寿命降低。
2）电机的机械振动增大，噪音增强，造成工作环境噪声污染。
3）对电子元件产生干扰，引起工作失常；对自动装置或测量仪器产生干扰，图像和通讯质量下降。
4）有发生谐振的危险。
5）相同频率的谐波电压和谐波电流要产生同次谐波的有功功率和无功功率，从而降低电网电压，对柴油发电机的电压调节产生负面影响。
6）电网谐波含量较大时导致变频器轻则不能够连续正常运行，重则造成设备输入回路的损坏。
7）直流驱动钻机如果增配顶驱交流变频系统必须在顶驱变频器的的交流输入端配置谐波吸收装置，否则谐波易进入电网影响柴油发电机。
4、三相电压不平衡对设备的影响
中性线既有电流通过，增加线路的电能损耗。零序电流产生的零序磁通使变压器产生磁滞和涡流损耗，高温使绝缘加速老化。线路压降和损耗相应增加。随着负荷波动会引起电机附加振动力矩和发热，绝缘寿命缩短，某些保护会因负序和谐波的干扰而勿动。
三、提高电压稳定性的几点措施
为避免电压的不稳定问题，保证电压在静态、动态和暂态过程中的稳定调节，建议从以下几方面入手。
1、加强用电设备管理和维护，做到没问题早预防，有问题早解决。尽量减少由于设备故障引起的电压不稳定 。
2、保证并网发电机的同步工作状态，熟悉并掌握发电、配电设备及用电设备的工作原理和维护操作。
3、治理谐波，根据需要选择具有良好动态性能、精密控制的滤波器或模块化的谐波吸收装置。减小谐波输入，提高功率因数。
4、在变频器应用较多的场合，采用集中整流，直流共母线的供电方式。在变频器输入侧加装滤波电抗器和谐波吸收装置降低高次谐波分量。小负荷变频器装配隔离变压器。
5、以发电机组为主自动调节电压和无功功率平衡，同时提高自然功率因数，合理进行无功补偿，并按电压与负荷变化自动投切无功补偿设备，实现电压和无功综合控制，提高电压稳定性，降低损耗。
四、结论
综上所述，随着钻、修井作业对供电系统要求不断提高，电压不稳定严重影响电驱动钻机供电系统安全、可靠、经济运行，必须切实加强对电压稳定性的分析和管理，并采取合理措施，从而确保系统稳定运行。
参考文献：
[1]张奇志.电动钻机自动化技术[M].石油工业出版
[2]袁季修.电力系统安全稳定控制[M].北京:中国电力出版社
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