变频钻机VFD连接电缆选型研究

2015-06-26刘小宝张津秦江朱奇先

电气传动 2015年1期

刘小宝，张津，秦江，朱奇先

（1.天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741020；2.渤海钻探第五钻井工程分公司，河北河间062465；3.渤海钻探塔里木钻井分公司，新疆库尔勒841000）

1 引言

石油钻机按钻井机械的拖动形式分为机械和电动两类，电动又分为直流和交流两种。变频钻机指钻井机械（绞车、转盘/顶驱、泥浆泵）由变频调速电机拖动的交流电动钻机。这是当前石油钻采行业比较先进的钻探装置。由于为调速电机供电的VFD（变频器）输出的电压不是正弦电量，因此对从VFD到电机之间的连接选用屏蔽还是非屏蔽电缆以及按什么规则选择电压、导体面积，由于存在较大的价格差异，因而各电控装置供应商做法不一，从而给用户的维护和设备管理造成了很多麻烦。本文就如何选择电缆进行探讨研究，提出一些观点供参考。

2 VFD连接

一种ZJ70DB 变频钻机中VFD 的连接如图1所示。各段长度如表1所示。

图1 VFD连接图Fig.1 VFD connection diagram

图1 中GEN 指发电机，AC 600 V；DSU 指变流器，DC 810 V；VFD指变频器，AC 0～600 V，0～200 Hz；M指交流电动机，AC 0～600 V。

表1 各段连接长度Tab.1 The connection length of each section

3 耐压选择

电缆的耐压必须满足钻机的各种工况并留有一定的余量，根据电磁波在电缆上传播的特性，由连接图1可知，确定耐压需要计算电磁波在传输时包含有反射波的最高工作电压。为此，首先需要计算电缆的分布参数、传输特性、负载的等效阻抗等。

3.1 分布参数

电缆的分布参数随布置方式的不同而有变化，以ORNM2000V，1×270 mm2为例，外形数据和常见布置方式如图2a、图2b 所示，在不考虑集肤和邻近效应时，对图2c按镜像法可列出各导体电位计算的方程式如下：

图2 电缆之间分布电容和互感计算图Fig.2 Calculation chart for distributing capacitance and mutual inductance between cables

当电缆绝缘材料为聚烯烃时，

从而解出：

可得U相的分布电容为

求解τ2,τ3同样可得CV0=78.5 pF/m，CW0=66.7 pF/m，当采用三分之一长度后对称换位时，则每相对地电容为

相互之间电容为CU0=57.6 pF/m，每相工作电容为CP=93.1-57.6=35.5 pF/m。对图2d采用相同的方法也可列方程解出工作电容，在此从略。由于放置电缆的槽为铁磁物质，在其内部有感应的电流，因此每相工作电感包括自感和互感，计算图见图3。

由自感和互感的计算式，

可得每相平均电感L1P=11.2×10-7H/m，L2P=4×10-7H/m，工作电感L=L1P+L2P=15.2×10-7H/m。图3 中，为镜像磁化电流，分别与对应相相等，μ≈μ0=4π×10-7H/m，由此可得电磁波的传输速度为

图3 自感互感计算图Fig.3 Calculation chart for self inductances and mutual inductances

3.2 特性参数

对于钻机VFD 中工作电缆截面积为1×270 mm2，特性参数见表2。表2 中，传输特性，特性阻抗，传输速度。

表2 特性参数Tab.2 Characteristic parameters

3.3 电机阻抗

由变频器供电的大功率电机的特性阻抗为

式中：U 为变频电机的输入电压，kV；P 为变频电机的额定功率，kW。

钻机中各电机的特性阻抗见表3。

表3 电机特性阻抗Tab.3 Characteristic impedance of motor

3.4 耐压选择

以绞车VFD 连接为例，根据上面的叙述，电磁波传输速度v=1.36×108m/s，传输距离L3=75 m，则需要的时间t=L3/v≈0.55 μs，脉冲在占空比50%、开关频率2 000 Hz、上升沿ton=0.8 μs时，电压脉宽为1/2 000×2=250 μs，由于电缆传输特性τ=7.34 ns，因此电压波形基本无失真传输。由于电缆特性阻抗Z1=207 Ω，而电机特性阻抗Z2=1.93 Ω，根据反射波电压u1b=(Z2-Z1)/(Z1+Z2)E（E为直流电压）可知，在线路末端开路时，将发生正电压波和负电流波的全反射，使线路末端电压提高到入射波电压的2 倍，随着反射波的反行，在反射波到达以后的线路上，线路电压也升到2倍；经过多次往返传播叠加的结果，末端电压将得到振荡的方波，中间电压将得到周期性凸形波，电压最大值均为2E，变化周期为，l为线路的长度。对于输入电压为600 V的变频钻机，为保证短路、开路、单相接地、电压波动、能耗制动时电压升高等情况下电缆的安全，其耐压应大于：Umax=2×1.2×1.35×600＝1 944 V（1.2为考虑电压波动、能耗制动的工况系数），可按等级系列选耐压2 000 V以上的电缆。

4 屏蔽选择

根据电磁场理论，电磁波在传输过程中会在周围空间感应出电场和磁场，以近区传导和远区辐射形式对其他电子设备和线路产生作用。辐射功率与波长的平方成反比，图1所示L1，L3电缆上有如下的频率：1）电网频率50 Hz；2）5，7 次谐波250 Hz，350 Hz频率；3）0～200 Hz的交流电流频率；4）1.25 kHz（S120变频器）或2 kHz（ACS800变频器）的脉冲电压频率；5）共模电压频率（6 倍的开关频率）；6）脉冲上升、下降沿频谱频率（对应IGBT开通和关断过程）。

IGBT的开通和关断过程对应的频谱计算式为

VFD 中常用IGBT 的ton,toff数据及频谱计算见表4。

表4 IGBT开关频谱Tab.4 IGBT switching frequency spectrum

以电网中谐波最高到7次（以50 Hz为例），IGBT 取开通时的最高频谱，电缆中的传输速度按v=1.36×108m s，磁导率μ0=4π×107H/m，铜的电导率σ＝5.8×107S/m，磁导率μr≈1 H/m，铁的电导率σ≈1×1011S/m，磁导率μr≈1 000 H/m。上述频率对应的计算波长λ=v/f和透入深度见表5。

由表5的波长可知，电缆中所有频率辐射出的电磁功率很小，对外影响可以忽略不计。传导干扰通过敷设在同一槽中电缆间的耦合电容、电感产生。当VFD连线和通讯线之间的距离为100 mm和300 mm、平行无屏蔽走线75 m时，仿照图2，可以大致算出两者之间的分布电容C12≈（2977.5～459）pF，信号线对地电容C20≈（60 255～55 200）pF；互感为M=4.95～6.53µH，如果通讯信号输入阻抗R=10 kΩ，VFD工作电压U1=600 V，开关频率f=2 000 Hz时，通讯线上通过分布电容感应的电压U2=4.89～28.14 V，即使R=1 kΩ，U2也在0.5 V以上；当采用屏蔽线、突出到屏蔽层外的长度为1 m、其他条件不变时，则U2≈0.5～3.0 V；当VFD连接电缆也采用屏蔽、铜质屏蔽层0.2 mm 且两端接地时，VFD电缆与信号线之间的耦合将电容大大减小，电容耦合电压U2≤0.5 V；在VFD输出频率0～150 Hz、电流950 A，R=10 kΩ时，VFD电缆无屏蔽时通过互感耦合的干扰电压U2max=4.43～5.85 V；带屏蔽层时，由电缆导体与屏蔽层之间的互感Ls≈114µH，可在屏蔽层上产生Is=216 A的去磁电流，由此对通讯电缆的干扰电压降为U2max=3.42～4.52 V，但还是超过了通讯信号允许的上限；即使频率降为50 Hz，仍然有1.1 V以上的干扰电压。因此在两者之间距离小于300 mm时，VFD电缆屏蔽与否都将影响通讯的正常工作。这是按照单相电缆之间的干扰计算的，正常情况下三相同时工作，电流基本平衡，对外产生的干扰接近为零，但当电机一相短路或开路瞬间，干扰电压基本就是这个数值。