河南油田供配電系統改造設計

趙電廣 趙 睿 田知密 徐 濤

1常州大學石油工程學院2中國石油新疆油田分公司基本建設工程處3中國石油長慶油田分公司第六采氣廠4青海油田質量安全環保處

河南油田供配電系統改造設計

趙電廣1趙 睿2田知密3徐 濤4

1常州大學石油工程學院2中國石油新疆油田分公司基本建設工程處3中國石油長慶油田分公司第六采氣廠4青海油田質量安全環保處

隨著油田的持續擴展，電網規模變大，輸送電線路增長，無功負載越來越多，導致油田電網功率因數降低，使電網無功損耗增大，電網輸送電壓波動大，造成油田設備運行不穩定。以河南油田供配電電網為例，設計的電網無功功率補償方案，目的是提高該油田電網的功率因數，降低電能損耗，提高電網的可靠性和穩定性。根據該油田的供配電電網特點和電網負荷波動情況，選擇桿上補償方式，對輸配電電網進行無功功率補償。該油田供配電電網改造后，電網功率因數顯著提高，達到0.965，電網電壓輸出穩定，油田生產設備運行穩定，電能損耗降低。

油田配電網；供配電系統；無功功率；無功補償

針對目前河南油田供配電系統存在的問題，設計了油田供配電系統改造方案，對油田供配電網絡進行整改，以提高供電質量，降低電能損耗，節約成本[1]。為了能夠提高電網供電的質量，維持供配電系統電壓穩定，降低系統的電能損耗，提高供電效率，將采用無功功率補償技術，改造油田供配電系統。

1 供配電系統特點

河南油田供配電系統主要由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具有以下特點：

（1）系統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，相應的電網測量儀表將安裝在每條供配電線路的出口處，測量該線路的電流、功率、輸出電量和功率因數等。

（2）系統包括多條分支和多個負荷節點，每個分支或者負荷節點一般連接有不同的配電變壓器。

（3）系統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投入裝置，當該供配電線路出現故障無法供電時，可以自動連接此裝置，從附近其他線路獲取電力供應，進而提高供電的可靠性。

（4）在油田生產過程中，供配電系統的主要負荷為抽油機、注水泵和油站。抽油機、注水泵和油站等在油田生產過程中負荷變化較大，因此要求抽油機、注水泵和油站等使用的電動機啟動轉動力矩較大，而實際生產中，電動機處于低負荷運行狀態，而且油田配電變壓器的容量也大于電網實際需求，導致油田配電變壓器處于非經濟狀態，供配電線路運行低效，電網損耗較大。同時，伴隨著油田的持續建設，規模不斷增大，用電量增加，油田供配電網絡也將隨之增大，導致供配電線路增長，供配電電網的可靠性和穩定性降低[2]。

2 配電網無功補償

在油田供配電系統的負荷設備中感應電動機是主要負荷來源。供配電系統的輸出功率分為有功功率和無功功率。有功功率，是指油田生產中被用于轉換成機械能、熱能等的功率；而無功功率是指用于電場與磁場交換的功率。無功功率在設備運行時，建立和維持磁場以進行能量交換，從而實現機械能、熱能等的輸出[3]。

無功功率主要是交流電在通過容性或者感性負載時產生，而油田供配電系統中，包含有大量的容性或者感性負載，這些設備既消耗配電網的有功功率，又消耗大量的無功功率，從而增加了電網負擔，導致電網的電能利用效率偏低。為了提高油田供配電系統的電能利用效率，需要對電網進行無功補償。無功補償可以降低電網的電能損耗，提高電網供電效率。

2.1 配電網的無功功率損耗

計算無功功率時，先計算在單相正弦交流電路中的無功功率。單相電路中有功功率為P=UI cos θ，無功功率為Q=UI sin θ，視在功率為S=UI，電路的功率因數為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。

在油田供配電電網中，傳輸的是三相正弦交流電，以A、B、C分別表示每相電路，則可得油田供配電網絡的三相電路總的有功功率為P=PA+PB+PC，無功功率為Q=QA+QB+QC，視在功率為S=SA+SB+SC，電網功率因數為λ=P/S。

在油田的供配電電網中，電網的無功損耗主要來源于線路損耗和變壓器損耗。其中，電網的線路損耗主要是指在供配電電網中，由于線路傳輸導致的無功損耗。對于35 kV及以下輸電線路，電網中并聯電納損耗小，只需要計算串聯電抗的無功損耗，因此，對于35 kV及以下輸電線路，電網的線路無功損耗可表示為

式中ΔQ1為電網中由于串聯電抗產生的無功損耗；I為電網中線路的電流值；UN為電網的輸電電壓；P為電網的有功功率值；Q為電網的無功功率值；Xl為電網線路的阻抗值。

從線路的無功損耗公式可知，電網線路產生的無功損耗與電網的輸電電壓平方成反比，與電網有功功率P、無功功率Q平方成正比。

隨著油田建設規模的變大，電網負荷增多，油田供配電電網中的有功功率P、無功功率Q將會變大。而隨著輸電線路變長，負載變多，電網的輸電電壓會隨著輸送距離持續下降，因此導致電網的線路無功損耗顯著上升[4]。

電網的變壓器無功損耗包括變壓器繞組漏抗無功損耗和變壓器勵磁支路無功損耗。而變壓器繞組漏抗無功損耗和勵磁支路損耗分別與變壓器的短路電壓和空載電流相關，在油田供配電電網中，存在多級變壓器結構，此時電網的變壓器無功損耗較大。

2.2 無功功率補償方法

油田供配電電網無功功率補償的方式，按補償點所在電網位置可以分為4種：變電站集中補償、用戶終端分散補償、桿上補償和低壓集中補償。圖1所示為4種無功功率補償方式示意圖。

圖1 電網無功功率補償方式

變電站集中補償方式是在油田供配電電網中，在變電站位置并聯無功功率補償裝置，平衡電網的無功功率。低壓集中補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節電容器柜，可以根據用戶的負載水平變化，調整相應的無功功率補償。桿上補償方式是在電網的輸配送電線路上并聯安裝電容器，對電網進行無功功率補償，該方式主要用于油田規模較大、輸配電線路較長的情況下。用戶終端分散補償方式是指針對部分用戶負載大，而且負載運行平穩，此時可以考慮在用戶端單獨安裝電容器，實現就地無功功率補償。表1所示為不同的電網無功功率補償方式的優缺點對比。

表1 不同的電網無功功率補償方式對比

3 配電網改造方案

以河南油田供配電電網為例，設計該電網的無功功率補償方案，目的是提高該油田電網的功率因數，降低電能損耗，提高電網的可靠性和穩定性。該油田供配電電網輸送電線路6 kV的主線，線路始端電壓為6 kV，線路末端電壓已經降為5.45 kV，輸送電線路電壓下降了0.55 kV，對油田生產設備的運行造成了嚴重影響，該線路的電能損耗嚴重，功率因數低于0.8。因此該輸配電線路不符合油田生產的要求，需要對供配電線路進行改造，目標是使線路的功率因數達到0.95以上。

根據該油田的供配電電網特點和電網負荷波動情況，選擇桿上補償方式，對輸配電電網進行無功功率補償，以提高該電網線路的功率因數，降低線路損耗。選擇在輸配電線路上電網負荷較多的地方，安裝無功功率補償裝置。圖2所示為該油田供配電電網無功功率補償設計圖。供配電電網改造后，電網功率因數顯著提高，達到0.965，電網電壓輸出穩定，油田生產設備運行穩定，電網損耗降低，節約了大量電能。

圖2 供配電電網無功功率補償設計

4 結語

隨著油田生產規模擴大，油田供配電系統出現了設備、線路老化的問題，電網輸配電線路變長導致線路的壓降增大、線路輸電電壓波動大、電壓質量降低。同時，由于電網負載變多，油田電網的功率因數降低、無功功率損耗增大、電網電能損耗增多。因此，需要對油田供配電系統進行改造。對河南油田供配電系統進行無功補償，可提高電網的功率因數，穩定電網的輸電電壓，減少電網線路損耗和電能損耗。

[1]樊春林．高壓無功補償技術在杏南配電網的應用[J]．油氣田地面工程，2011，30（9）：67-68.

[2]馬占寒，馬春國，張偉，等．前大油田供配電系統優化設計[J]．油氣田地面工程，2013，32（11）：107-108.

[3]蘇艷．油田配電網的自動化設計[J]．油氣田地面工程，2013，32（1）：68-69.

[4]張銳．油田配電網無功優化的研究[D]．北京：中國石油大學（北京），2009：22-25.

（欄目主持 關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.032

2015-06-17