基于油田電網系統的節電技術和無功補償探討

祁開陽，胡曉寶，鐘 輝

（中國石化西北油田分公司，新疆 庫爾勒 841600）

1 供（配）電系統的節電技術

1.1 供電網的節電技術

油田供電網是指6（10）kV以上電壓等級的線路，主要任務是實現電力的遠距離輸送。但是由于輸電線路電阻的存在，在輸送電力的同時，傳輸線上會產生輸電損耗，即所謂的網損。同時，在各級變電所內，為實現電力的分配和控制，所內控制設備上也會產生損耗，即所謂的所內損耗。因此，供電系統的節電工作主要就是降低網損和所內損耗，同時不斷提高電力調度自動化水平。

1.2 配電網的節電技術

油田配電網是指6（10）kV及以下電壓等級的線路，主要任務是為用電設備分配電能。由于配電網需直接向高壓電動機供電，而在八十年代前，國產高壓電動機最高電壓等級為6kV，因此配電網電壓都選用了6kV電壓級，只有最近幾年10kV高壓電動機已正式生產，一些新建的油田與電網才選用了10kV電壓級。

油田配電網的網損率相對較高，特別是6kV井排線路，其原因為：①作為配電網主要用電負荷的電動機負荷普遍存在著“大馬拉小車”現象，因而造成配網功率因數過低、網損過大；②配電變壓器多處于非經濟運行區；③由于油田進入高含水后期開發階段，用電負荷不斷增大，線損也隨之增加。特點是配電網首端主干線段的損耗增加更為明顯；④一些配電網供電半徑過長，遠遠超出合理輸送距離，也是造成網損過大的原因。

2 功率因數及無功補償

油田電網負荷中普遍存在著電動機和配電變壓器配網的線路長度過長的現象，這都是造成功率潮流中無功功率比重較大的原因。直接表現則是電網的自然功率因數過低。為了提高功率因數，使其達到國家標準（不低于0.9），則必須對電網進行無功補償。目前采用在配變電所6（10）kV母線上裝設集中補償的電容器組，大都能使供電網出口功率因數達到0.9以上。但是由于缺乏計算手段，補償容量多是按主變壓器容量的10%～15%選擇，主要以補償主變壓器無功損耗為依據。但從全網觀點來看，這并不是最佳補償方案。無功補償的作用是將原來由電網提供的感性負荷所需的無功功率改由與之處于同一位置或最近位置上的補償電容器提供，借以減小網上所傳輸的無功電流，達到降低網損、開發電網潛在容量的目的。

2.1 無功補償技術

用電負荷無功需求的基本傾向是向上一級供電電網索取無功功率，因此可以在配電網采取三級無功優化補償技術。

（1）一級：抽油機井單井的低壓無功就地（動態）補償

據大量統計數據，國內各油田抽油機驅動電機的自然平均功率因數為0.4左右，是油田配電網的最大無功需求者，也是三級無功補償的最底層，補償的重點。只有這一級得到了合理的補償，才能最大限度地減少配電網上所傳輸的無功功率，降低網損。

（2）二級：配電網高壓無功分散補償

一級補償后，從系統經濟技術角度考慮，功率因數一般不補償到1，因此抽油機驅動電機所需的無功功率還會有一定缺口；同時配電變壓器也需要一部分無功功率進行勵磁，因此可在配電網的合適位置安裝高壓分散補償電容，用以補償單井無功就地補償的不足，最大限度地減少網上所傳送的無功功率。

（3）三級：變電所高壓無功自動跟蹤補償

經過前二級無功補償后，配電網的功率因數可達到一定水平。但配電網各節點（抽油機井）的無功功率還有一定缺口，同時變電所主變本身也需要一定的無功功率。如果這一級不進行補償，這要通過35kV線路從上一級變電所輸送無功功率，產生高壓網損。由于油田生產的特殊規律，電力負荷是經常變化的，如注水系統開泵臺數的變化，配電網運行方式的改變及抽油機負荷的周期性變化，為使系統功率因數能穩定在一定水平上，這一級采用具有自動跟蹤調節功能的無功自動補償裝置。這一級的補償容量也需要由無功優化補償軟件計算后確定其最佳補償容量。通過采用這些技術，可有效地降低網損，基本上可實現配電網的優化運行。

2.2 影響功率因數的主要因素

功率因數的產生主要是因為交流用電設備在其工作過程中，除消耗有功功率外，還需要無功功率。當有功功率一定時，如減少無功功率，則功率因數便能夠提高。提高功率因數問題的實質就是減少用電設備的無功功率需要量。

（1）異步電動機和電力變壓器是耗用無功功率的主要設備

異步電動機的定子與轉子間的氣隙是決定異步電動機需要較多無功的主要因素。而異步電動機所耗用的無功功率是由其空載時的無功功率和一定負載下無功功率增加值兩部分所組成。所以要改善異步電動機的功率因數就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負載率。變壓器消耗無功的主要成份是空載無功功率，和負載率的大小無關。因此，為了改善電力系統和企業的功率因數，變壓器不應空載運行或長其處于低負載運行狀態。

（2）供電電壓超出規定范圍也會對功率因數造成很大的影響

當供電電壓高于額定值的10%時，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長得很快，據有關資料統計，當供電電壓為額定值的110%時，一般工廠的無功將增加35%左右。當供電電壓低于額定值時，無功功率也相應減少而使它們的功率因數有所提高。但供電電壓降低會影響電氣設備的正常工作。所以，應當采取措施使電力系統的供電電壓盡可能保持穩定。

（3）電網頻率的波動也會對異步電機和變壓器的磁化無功功率造成一定的影響

以上論述了影響電力系統功率因數的一些主要因素，因此必須要尋求一些行之有效的、能夠使低壓電力網功率因數提高的一些實用方法，使低壓網能夠實現無功的就地平衡，達到降損節能的效果。

2.3 無功補償的方法

提高功率因數的主要方法是采用低壓無功補償技術，我們通常采用的方法主要有三種：隨機補償、隨器補償、跟蹤補償。

（1）隨機補償

隨機補償就是將低壓電容器組與電動機并接，通過控制、保護裝置與電機同時投切。隨機補償適用于補償電動機的無功消耗，以補勵磁無功為主，此種方式可較好地限制用電單位無功負荷。隨機補償的優點是用電設備運行時，無功補償投入；用電設備停運時，補償設備也退出，而且不需頻繁調整補償容量。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護簡單、事故率低等特點。

（2）隨器補償

隨器補償是指將低壓電容器通過低壓保險接在配電變壓器二次側，以補償配電變壓器空載無功的補償方式。配變在輕載或空載時的無功負荷主要是變壓器的空載勵磁無功，配變空載無功是用電單位無功負荷的主要部分，對于輕負載的配變而言，這部分損耗占供電量的比例很大，從而導致電費單價的增加。隨器補償的優點是接線簡單、維護管理方便、能有效地補償配變空載無功，限制電網無功基荷，使該部分無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低無功網損，具有較高的經濟性，是補償無功最有效的手段之一。

（3）跟蹤補償

跟蹤補償是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組補償在大用戶0.4kV母線上的補償方式。適用于100kVA以上的專用配變用戶，可以替代隨機、隨器兩種補償方式，補償效果好。跟蹤補償的優點是運行方式靈活，運行維護工作量小，比前兩種補償方式壽命相對延長、運行更可靠。但缺點是控制保護裝置復雜、首期投資相對較大。但當這三種補償方式的經濟性接近時，應優先選用跟蹤補償方式。

3 無功補償的效益

在現代用電企業中，在數量眾多、容量大小不等的感性設備連接于電力系統中，電網傳輸功率除有功功率外，還需無功功率。如自然平均功率因數在0.70～0.85之間。企業消耗電網的無功功率約占消耗有功功率的60%～90%，如果把功率因數提高到0.95左右，則無功消耗只占有功消耗的30%左右。由于減少了電網無功功率的輸入，會給用電企業帶來效益。

（1）節省企業電費開支

提高功率因數對企業的直接經濟效益是明顯的，因為國家電價制度中，從合理利用有限電能出發，對不同企業的功率因數規定了要求達到的不同數值，低于規定的數值，需要多收電費，高于規定數值，可相應地減少電費。可見，提高功率因數對企業有著重要的經濟意義。

（2）提高設備的利用率

對于原有供電設備來講，在同樣有功功率下，因功率因數的提高，負荷電流減少，因此向負荷傳送功率所經過的變壓器、開關和導線等供配電設備都增加了功率儲備，從而滿足了負荷增長的需要；如果原網絡已趨于過載，由于功率因數的提高，輸送無功電流的減少，使系統不致于過載運行，從而發揮原有設備的潛力；對尚處于設計階段的新建企業來說則能降低設備容量，減少投資費用，在一定條件下，改善后的功率因數可以使所選變壓器容量降低。

（3）降低系統的能耗

補償前后線路傳送的有功功率不變。

（4）改善電壓質量

減少無功功率，則有利于線路末端電壓的穩定，有利于大電動機的啟動。因此，無功補償能改善電壓質量。但是如果只追求改善電壓質量來裝設電容器是很不經濟的，對于無功補償應用的主要目的是改善功率因數，減少線損，調壓只是一個輔助作用。

4 三相異步電動機

通過就地補償后，由于電流的下降，功率因數的提高，從而增加了變壓器的容量。如一臺額定功率為155電動機，補償前功率因數為0.857，補償后功率因數為 0.967。

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