趙電廣 趙 睿 田知密 徐 濤

1常州大學(xué)石油工程學(xué)院2中國(guó)石油新疆油田分公司基本建設(shè)工程處3中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第六采氣廠4青海油田質(zhì)量安全環(huán)保處

河南油田供配電系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

趙電廣1趙 睿2田知密3徐 濤4

1常州大學(xué)石油工程學(xué)院2中國(guó)石油新疆油田分公司基本建設(shè)工程處3中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第六采氣廠4青海油田質(zhì)量安全環(huán)保處

隨著油田的持續(xù)擴(kuò)展，電網(wǎng)規(guī)模變大，輸送電線路增長(zhǎng)，無(wú)功負(fù)載越來(lái)越多，導(dǎo)致油田電網(wǎng)功率因數(shù)降低，使電網(wǎng)無(wú)功損耗增大，電網(wǎng)輸送電壓波動(dòng)大，造成油田設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定。以河南油田供配電電網(wǎng)為例，設(shè)計(jì)的電網(wǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償方案，目的是提高該油田電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低電能損耗，提高電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。根據(jù)該油田的供配電電網(wǎng)特點(diǎn)和電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)情況，選擇桿上補(bǔ)償方式，對(duì)輸配電電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。該油田供配電電網(wǎng)改造后，電網(wǎng)功率因數(shù)顯著提高，達(dá)到0.965，電網(wǎng)電壓輸出穩(wěn)定，油田生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，電能損耗降低。

油田配電網(wǎng)；供配電系統(tǒng)；無(wú)功功率；無(wú)功補(bǔ)償

針對(duì)目前河南油田供配電系統(tǒng)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了油田供配電系統(tǒng)改造方案，對(duì)油田供配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整改，以提高供電質(zhì)量，降低電能損耗，節(jié)約成本[1]。為了能夠提高電網(wǎng)供電的質(zhì)量，維持供配電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，降低系統(tǒng)的電能損耗，提高供電效率，將采用無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)，改造油田供配電系統(tǒng)。

1 供配電系統(tǒng)特點(diǎn)

河南油田供配電系統(tǒng)主要由6 kV的母線及引出的6 kV供電線路、配電變壓器、380 V或者220 V的低壓供電線路幾部分組成。這類油田供配電系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)包含多條主要供配電線路，每條線路包含1條6 kV供電母線，相應(yīng)的電網(wǎng)測(cè)量?jī)x表將安裝在每條供配電線路的出口處，測(cè)量該線路的電流、功率、輸出電量和功率因數(shù)等。

（2）系統(tǒng)包括多條分支和多個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，每個(gè)分支或者負(fù)荷節(jié)點(diǎn)一般連接有不同的配電變壓器。

（3）系統(tǒng)中每條供配電線路安裝有與附近線路的連接裝置。此連接裝置為備用電源自動(dòng)投入裝置，當(dāng)該供配電線路出現(xiàn)故障無(wú)法供電時(shí)，可以自動(dòng)連接此裝置，從附近其他線路獲取電力供應(yīng)，進(jìn)而提高供電的可靠性。

（4）在油田生產(chǎn)過(guò)程中，供配電系統(tǒng)的主要負(fù)荷為抽油機(jī)、注水泵和油站。抽油機(jī)、注水泵和油站等在油田生產(chǎn)過(guò)程中負(fù)荷變化較大，因此要求抽油機(jī)、注水泵和油站等使用的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩較大，而實(shí)際生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，而且油田配電變壓器的容量也大于電網(wǎng)實(shí)際需求，導(dǎo)致油田配電變壓器處于非經(jīng)濟(jì)狀態(tài)，供配電線路運(yùn)行低效，電網(wǎng)損耗較大。同時(shí)，伴隨著油田的持續(xù)建設(shè)，規(guī)模不斷增大，用電量增加，油田供配電網(wǎng)絡(luò)也將隨之增大，導(dǎo)致供配電線路增長(zhǎng)，供配電電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性降低[2]。

2 配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償

在油田供配電系統(tǒng)的負(fù)荷設(shè)備中感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是主要負(fù)荷來(lái)源。供配電系統(tǒng)的輸出功率分為有功功率和無(wú)功功率。有功功率，是指油田生產(chǎn)中被用于轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、熱能等的功率；而無(wú)功功率是指用于電場(chǎng)與磁場(chǎng)交換的功率。無(wú)功功率在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，建立和維持磁場(chǎng)以進(jìn)行能量交換，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能、熱能等的輸出[3]。

無(wú)功功率主要是交流電在通過(guò)容性或者感性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生，而油田供配電系統(tǒng)中，包含有大量的容性或者感性負(fù)載，這些設(shè)備既消耗配電網(wǎng)的有功功率，又消耗大量的無(wú)功功率，從而增加了電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致電網(wǎng)的電能利用效率偏低。為了提高油田供配電系統(tǒng)的電能利用效率，需要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。無(wú)功補(bǔ)償可以降低電網(wǎng)的電能損耗，提高電網(wǎng)供電效率。

2.1 配電網(wǎng)的無(wú)功功率損耗

計(jì)算無(wú)功功率時(shí)，先計(jì)算在單相正弦交流電路中的無(wú)功功率。單相電路中有功功率為P=UI cos θ，無(wú)功功率為Q=UI sin θ，視在功率為S=UI，電路的功率因數(shù)為λ=cos θ=P/S。其中U、I分別為該單相電路中電壓和電流的有效值，；θ為電路中電壓與電流的相角差。

在油田供配電電網(wǎng)中，傳輸?shù)氖侨嗾医涣麟?，以A、B、C分別表示每相電路，則可得油田供配電網(wǎng)絡(luò)的三相電路總的有功功率為P=PA+PB+PC，無(wú)功功率為Q=QA+QB+QC，視在功率為S=SA+SB+SC，電網(wǎng)功率因數(shù)為λ=P/S。

在油田的供配電電網(wǎng)中，電網(wǎng)的無(wú)功損耗主要來(lái)源于線路損耗和變壓器損耗。其中，電網(wǎng)的線路損耗主要是指在供配電電網(wǎng)中，由于線路傳輸導(dǎo)致的無(wú)功損耗。對(duì)于35 kV及以下輸電線路，電網(wǎng)中并聯(lián)電納損耗小，只需要計(jì)算串聯(lián)電抗的無(wú)功損耗，因此，對(duì)于35 kV及以下輸電線路，電網(wǎng)的線路無(wú)功損耗可表示為

式中ΔQ1為電網(wǎng)中由于串聯(lián)電抗產(chǎn)生的無(wú)功損耗；I為電網(wǎng)中線路的電流值；UN為電網(wǎng)的輸電電壓；P為電網(wǎng)的有功功率值；Q為電網(wǎng)的無(wú)功功率值；Xl為電網(wǎng)線路的阻抗值。

從線路的無(wú)功損耗公式可知，電網(wǎng)線路產(chǎn)生的無(wú)功損耗與電網(wǎng)的輸電電壓平方成反比，與電網(wǎng)有功功率P、無(wú)功功率Q平方成正比。

隨著油田建設(shè)規(guī)模的變大，電網(wǎng)負(fù)荷增多，油田供配電電網(wǎng)中的有功功率P、無(wú)功功率Q將會(huì)變大。而隨著輸電線路變長(zhǎng)，負(fù)載變多，電網(wǎng)的輸電電壓會(huì)隨著輸送距離持續(xù)下降，因此導(dǎo)致電網(wǎng)的線路無(wú)功損耗顯著上升[4]。

電網(wǎng)的變壓器無(wú)功損耗包括變壓器繞組漏抗無(wú)功損耗和變壓器勵(lì)磁支路無(wú)功損耗。而變壓器繞組漏抗無(wú)功損耗和勵(lì)磁支路損耗分別與變壓器的短路電壓和空載電流相關(guān)，在油田供配電電網(wǎng)中，存在多級(jí)變壓器結(jié)構(gòu)，此時(shí)電網(wǎng)的變壓器無(wú)功損耗較大。

2.2 無(wú)功功率補(bǔ)償方法

油田供配電電網(wǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)姆绞?，按補(bǔ)償點(diǎn)所在電網(wǎng)位置可以分為4種：變電站集中補(bǔ)償、用戶終端分散補(bǔ)償、桿上補(bǔ)償和低壓集中補(bǔ)償。圖1所示為4種無(wú)功功率補(bǔ)償方式示意圖。

圖1 電網(wǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償方式

變電站集中補(bǔ)償方式是在油田供配電電網(wǎng)中，在變電站位置并聯(lián)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，平衡電網(wǎng)的無(wú)功功率。低壓集中補(bǔ)償方式是選擇在用戶的低壓配電室位置，安裝容量較小的可調(diào)節(jié)電容器柜，可以根據(jù)用戶的負(fù)載水平變化，調(diào)整相應(yīng)的無(wú)功功率補(bǔ)償。桿上補(bǔ)償方式是在電網(wǎng)的輸配送電線路上并聯(lián)安裝電容器，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，該方式主要用于油田規(guī)模較大、輸配電線路較長(zhǎng)的情況下。用戶終端分散補(bǔ)償方式是指針對(duì)部分用戶負(fù)載大，而且負(fù)載運(yùn)行平穩(wěn)，此時(shí)可以考慮在用戶端單獨(dú)安裝電容器，實(shí)現(xiàn)就地?zé)o功功率補(bǔ)償。表1所示為不同的電網(wǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

表1 不同的電網(wǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償方式對(duì)比

3 配電網(wǎng)改造方案

以河南油田供配電電網(wǎng)為例，設(shè)計(jì)該電網(wǎng)的無(wú)功功率補(bǔ)償方案，目的是提高該油田電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低電能損耗，提高電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。該油田供配電電網(wǎng)輸送電線路6 kV的主線，線路始端電壓為6 kV，線路末端電壓已經(jīng)降為5.45 kV，輸送電線路電壓下降了0.55 kV，對(duì)油田生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響，該線路的電能損耗嚴(yán)重，功率因數(shù)低于0.8。因此該輸配電線路不符合油田生產(chǎn)的要求，需要對(duì)供配電線路進(jìn)行改造，目標(biāo)是使線路的功率因數(shù)達(dá)到0.95以上。

根據(jù)該油田的供配電電網(wǎng)特點(diǎn)和電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)情況，選擇桿上補(bǔ)償方式，對(duì)輸配電電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，以提高該電網(wǎng)線路的功率因數(shù)，降低線路損耗。選擇在輸配電線路上電網(wǎng)負(fù)荷較多的地方，安裝無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。圖2所示為該油田供配電電網(wǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)計(jì)圖。供配電電網(wǎng)改造后，電網(wǎng)功率因數(shù)顯著提高，達(dá)到0.965，電網(wǎng)電壓輸出穩(wěn)定，油田生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，電網(wǎng)損耗降低，節(jié)約了大量電能。

圖2 供配電電網(wǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

隨著油田生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，油田供配電系統(tǒng)出現(xiàn)了設(shè)備、線路老化的問(wèn)題，電網(wǎng)輸配電線路變長(zhǎng)導(dǎo)致線路的壓降增大、線路輸電電壓波動(dòng)大、電壓質(zhì)量降低。同時(shí)，由于電網(wǎng)負(fù)載變多，油田電網(wǎng)的功率因數(shù)降低、無(wú)功功率損耗增大、電網(wǎng)電能損耗增多。因此，需要對(duì)油田供配電系統(tǒng)進(jìn)行改造。對(duì)河南油田供配電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，可提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)的輸電電壓，減少電網(wǎng)線路損耗和電能損耗。

[1]樊春林．高壓無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在杏南配電網(wǎng)的應(yīng)用[J]．油氣田地面工程，2011，30（9）：67-68.

[2]馬占寒，馬春國(guó)，張偉，等．前大油田供配電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．油氣田地面工程，2013，32（11）：107-108.

[3]蘇艷．油田配電網(wǎng)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)[J]．油氣田地面工程，2013，32（1）：68-69.

[4]張銳．油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化的研究[D]．北京：中國(guó)石油大學(xué)（北京），2009：22-25.

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.032

2015-06-17