孤網系統的電能質量問題及解決方案研究

凡曼，袁靖宇

（1.西南石油大學，四川 成都 610500；2.中國科學院聲學研究所，北京 100190）

對于油田來說，需要建立獨立的電站，利用天然氣進行發電，還有利用柴油進行發電，進而為油田工作人員提高正常的生活保障。以自建電站為中心，連同電站周邊處理站或平臺、單井、計量站、注水站、脫氣站、轉油站等工藝設施的供配電系統，構成了一套完整的電氣孤網系統。油田配電線路長時間暴露在室外，而且覆蓋面廣、線長、點多，很容易出現故障。如果線路出現問題，不但會影響油田正常工作，還會對配電網安全運行產生威脅。而且隨著科技的發展，油田供電系統中大量應用了非線性負載，會造成電網電流出現畸變，進而出現諧波污染，導致電能質量問題。

1 孤網的含義與運行特點

1.1 孤網的含義

孤網是孤立電網的簡稱，顧名思義，就是不與大電網進行連接的電網，而且孤網的容量都很小，一般單機容量占到整體容量的7%左右，也被叫作小電網。如果機組出現問題，能夠防止由于甩負荷使電網正常工作受到影響。而且一般將孤網分成大電網與小電網兩種，如果單機容量大于整體容量的7%，則叫作大電網，如果單機容量小于整體容量的7%，則叫作小網，小網如果獨立運行，則就是孤網。

1.2 孤網的運行特點

孤網一般是由頻率進行控制的，因此調節系統的動態響應要良好，并且在穩定性以及靜態特征方面也要具備良好的基礎，只有這樣才能在負荷出現變化時，讓電網頻率實現穩定運行。因此，操作人員不需要過度關注負荷調整問題，而需要重視孤網調頻率問題，將頻率保持在一定規程標準范圍內。正如上文提到的，孤網具備較小的容量，熱力勢能和旋轉慣量儲存都很低，因此調速系統要更加靈敏，并保持快速的動態響應水平。

2 油田電力系統電能質量問題的危害

電能質量問題對旋轉設備和變壓器的主要危害是能夠引起附加損耗和發熱的增加，此外電能質量問題還會引起旋轉設備和變壓器出現振動并發出噪聲，長時間的振動會造成金屬疲勞和機械損壞。電能質量對線路的主要危害是引起附加損耗，并能夠引起系統的電感、電容發生諧振，使諧波放大。當電能質量問題引起系統出現諧振時，諧波電壓升高，引起繼電保護及安全自動裝置誤動，損壞系統設備，引發系統事故，威脅油田電力系統的安全運行。電能質量問題還會干擾通信設備，增加電力系統的功率損耗，使無功補償設備不能正常運行等。三相不對稱運行也會導致電變壓器電能損耗增加，而且在三相四線制供電網絡中，中性線上將會出現電流，而且由于存在阻抗，會損耗電能，輸電效率也會隨之降低。

2.1 電壓波動和閃變

電能質量出現問題會使用電設備出現不穩定的運行工況，而且會造成電壓出現波動，電壓幅值很容易超出最大范圍。而且在孤網運行時，旋轉電機就會出現額外損耗，進而使電機壽面縮短，工作效率極度下降。

2.2 電壓短時中斷

造成瞬態電壓出現偏差的因素多種多樣，需要引起有關人員的重視。影響因素一般有下雨、閃電、強風等，而且設備誤動作同樣會引起瞬態電壓出現偏差。由于在油田電力系統中應用了大量微處理器與計算機控制的精密儀器，因此對供電質量提出了更高要求。

2.3 諧波危害

諧波能夠增加電網損耗，會降低用電設備的輸電效率與發電效率。而且還會導致電氣儀表測量的準確性降低，因此測量結果與預期結果往往會出現偏差；會對用電設備的實際運行造成嚴重影響，例如諧波會增加電機轉矩，導致電機出現噪音以及機械振動，并且容易引入鐵損以及銅損，還會加入過電壓，造成設備溫度迅速升高，導致設備絕緣老化加速，降低設備使用周期；會使自動裝置、繼電保護等出現誤動作；會對周圍通信系統性成干擾，導致通信質量降低。若系統的頻率與諧波的頻率比較接近，還會出現并聯諧振的情況，會使諧波危害進一步擴大。

3 油田孤網系統的電能質量問題

海外油氣田孤網電力系統中的非線性負載，運行中會產生諧波，對整個系統造成諧波污染，影響電能質量，嚴重時可能會影響普通電氣設備絕緣和電力電容補償裝置及整流設備的使用壽命。油田的孤網電力系統包括完整的發、輸、變電系統，在石油行業中，現有電動機有交流電驅動以及直流電驅動兩種，而且不論何種形式，都是通過開關元件動作實現能量變化的，大部分輸出功率通過可控硅整流后對電動機進行直流控制，所以會出現大量諧波，而且在直流驅動的電鉆機中，除了含有大量諧波，還會造成功率因素下降，不但導致電站供電能力下降，還會出現嚴重的產能浪費。

絕大多數的油田鉆井系統使用了較多的頂驅、轉盤、絞車、泥漿泵等設備，而且這些設備一般是由直流電動機或變頻器提供電源的，會使用到六脈沖整流技術。并且這些設備一般是聯合作業，需要多臺變頻柜一起進行工作，在AC—DC期間會出現5、7、11、13次諧波，電網中會充斥大量諧波，不但會使系統出現諧波污染，還會導致發電機無法正常運行。THDI能夠超過30%，并且獨立供電后THDU保持在20%，最大能超過30%。此外若電網中出現諧波，還會增加無功功率，造成功率因數降低，嚴重的還會出現串聯諧振或并聯諧振。如果鉆機系統是靠直流電動機驅動的，也會使功率因數降低，需要系統提供無功功率。此外絞車工作時切換頻繁，需要在滿載與空載間不斷切換，會增加無功電流波動。例如鉆井絞車在進行工作時，載率切換頻繁，負載也會不斷變化，當絞車滿載時，功率因數保持在0.4左右，空載時功率因數為0.8左右，由于符合沖擊性變化會使電壓出現嚴重波動，供電質量也會因此受到影響，會使小電網系統增加額外負擔，會對用電設備的安全性與使用效率產生嚴重影響。

4 改善油田孤網系統電能質量的主要措施

4.1 油井動態無功自動補償

在油井電網系統中，應用無功功率動態自動補償措施，會改善無功功率動態補償。如果負荷發生變化，會造成電網系統的電壓出現偏差，這也是出現電壓偏差的根本原因。所以通過無功功率動態自動補償能夠徹底解決這一問題，而且是目前最好的解決途經。對同步電動機勵磁電流進行調整，在規定的范圍內對勵磁電流進行調整能夠使其實現滯后運行，會出現滯后無功功率，進而實現改善功率因數以及調整電壓偏差的效果。

4.2 諧波治理

在抑制諧波干擾方面，最好的辦法就是增加變頻器的載波頻率。變頻器在剛剛生產時，工作人員會將載波頻率調至較低值，這樣做的原因是為了防止絕緣柵雙極型晶體管發生功率損耗。如果載波頻率出廠時為1kHz，若將其調整到16kHz，功率損耗會增加最多2.5倍，但是發熱量最多會增加6倍。如果載波頻率得到增加，就會提升輸出電流波形正弦性能。因此通過增加變頻器的載波頻率，能夠起到良好的抑制諧波的效果。此外，為了對變頻器的感應干擾以及發射干擾進行抑制，需要對電動波動效應進行抑制，將電抗器接入輸出電路，對5、7、11、13次諧波抑制效果明顯。

4.3 通過有載調壓變壓器降低電壓波動

一般來說，無功負荷只適合將功率因數補償至0.95左右，但是還有一些負荷需要電網供電，但這就會出現電壓偏差，因此就需要找到有效的途徑解決這一問題。其中利用有載調壓變壓器就能很好處理這個問題，不但能減少電壓偏差，還能最大限度地消除電網波動，使電網電能質量得到全面的提升。

4.4 減少配電線路故障

對配電電網進行技術改造，能夠使其布置更加合理，在條件允許的情況下能夠降低線路長度，使電能配置更加均衡。此外，通過使用新型的施工水平，在選擇絕緣導線時重視絕緣性，也能提升線路絕緣能力。通過使用新技術，能夠使線路運行更加可靠。在夏季雷雨季節，經常會出現雷擊等情況，會使電力設備出現損壞，影響油田電力系統的正常運轉。通過在油田電力系統中應用氧化鋅避雷針，能夠降低由雷擊引發事故的概率。對線路加強巡視，在夜間以及特殊天氣巡視期間要細心監測，及時發現隱患并徹底清除，避免設備出現重復跳閘等問題。而且還需要對電氣設備進行試驗，及時處理設備隱患，對電網進行污染處理工作，進而提升電能質量。

5 結語

綜上所述，油田電力系統目前正向環保、節能方向發展，但不能忽視其中存在的問題。主要分析了孤網的含義與運行特點、油田電力系統電能質量問題的危害、孤網系統的電能質量問題以及提高孤網系統電能質量的主要措施。