35 kV簡易線路負荷側變壓器臺區的優化設計

關榮生（中國石油集團電能有限公司電力技術服務公司）

35 kV架空線路作為油田生產用電網絡中的重要一環，為油田油氣井生產提供電力保障。在某油田電網中，采油、采氣區域廣闊，井區用電點分散，部分負荷區域距離供電點在30 km以及更遠的位置上，10 kV配電線路無法滿足供電質量要求。為滿足油氣生產供電要求，該油田采用35 kV電壓等級作為配電等級使用，供遠距離油氣井提供采收能量來源。中油電能在2018—2021年開展該油田電氣設計工作中，現場勘察發現35 kV簡易線路變壓器臺區安裝標準不一致，設備功能性有重復設置，浪費生產投資。基于上述原因，在設計施工環節對35 kV簡易線路負荷側臺區進行優化[1]。

1 主要問題

1）用電電壓過低，嚴重影響電氣設備的正常運行，導致供電質量不高（簡稱低電壓）。某油田電網具有點多、面廣、線路長的特點，各油田之間距離遠，沒有形成統一的電網。而供電質量的好壞直接影響原油產量。由于該地區供電半徑過長、線路線徑小、變壓器容量小，導致電網存在著不同程度的末端低電壓現象，因此消除低電壓問題是臺區升級改造的重要部分[2]。

2）某油田配電網存在一定程度的線損高問題。該油田主要用電負荷跨度長，導致在輸電過程中由于線阻而帶來的電能損耗，再加上部分區域線路老化十分嚴重，一定程度上也使線損情況加重。線損高導致該區域供電的經濟性差，節能降耗、降本增效勢在必行[3]。

3）線路故障率高。近些年該區域線路故障率明顯升高，造成35 kV線路的非計劃停運率提升。并且大部分線路所帶負荷都是高產井，直接影響原油穩產。

2 原因分析

1）臺區電壓低的主要原因有以下幾方面：一是變壓器與導線不匹配，統計近三年數據表明，塔東地區導線線徑偏小的比例接近70%。二是供電半徑過長，占比達61%。三是區域重負荷，大部分的低電壓問題與負荷大小有關，塔東電網的重負荷地區（負荷率大于70%）普遍存在低電壓現象。

2）線損高的主要原因。經分析該油田塔東區域線損高主要由技術原因和管理原因兩方面導致。而技術原因占主要因素：一是配電網供電區域半徑大，區域回路較長，存在大量迂回線路；部分線路超負荷運行，線阻過高。二是線路嚴重老化，該油田自然環境惡劣，雷雨、暴風、暴曬等致使線路老化；部分線路存在缺陷嚴重，瓷件污穢等問題，進而導致線路元器件的絕緣等級降低，致使阻抗、泄漏增大，無功損耗增加，線損率上升。三是變壓器的設計不合理，首先是變壓器容量無法滿足區域輸配電需求，特別是當超負荷運行的情況下，線路電流增高，變壓器能耗加劇；其次是由于三相四線設計不合理，導致負荷不均衡，三相電流出現明顯差異，造成線損增高。除此以外，不正常用電（盜電現象）也是該地區線損高的一個因素[4]。

3）故障率高的主要原因。由于塔東區域部分35 kV簡易線路負荷側臺區內，斷開設備、避雷器使用橫擔組數過多，引線布置凌亂。且大部分35 kV簡易線路負荷側落地式變壓器采用直接落地安裝方式，在新疆沙漠區域落地變臺經常被移動沙丘覆蓋，造成部分區域停電事故[5]。

3 優化方案

1）針對供電距離過長導致供電末端低電壓的問題，本著“容量適度、半徑合理、布點集中”的原則對配電變壓器增容布點。并且在設計優化方案時，一方面盡量控制供電半徑小于5 km，同時結合油氣生產單位加速推進低壓電網的升級改造，尤其是塔東區域油田電網的改造力度。另一方面，積極采取電壓補償的方式，在低電壓區域附近線路，安裝動態電壓補償裝置進行相應補償，要比更換絕緣導線、增設電源點等方法經濟性更好[6]。

2）針對線損高的問題，主要采取三種解決措施，分別可以通過設備改造、無功補償和優化電網運行方式進行優化解決。

設備安裝時應充分考慮各種因素，應選擇合適的無功補償設備。同時把提高輸電和供電效率放在首位，最大限度地減少無功功率的遠距離傳輸。針對35 kV的供電系統，在35 kV母線上、35 kV線路上和變電所內部安裝具有集中補償功能的并聯電容器組，以實現10 kV線路的分散補償和變電所的集中補償，進而提高整個系統功率因數[7]。通過該地區的運行數據分析，功率因數從0.8提高到0.9，線損率下降20%左右，降損效果十分明顯。

另外，在架設輸電線路時也要最大限度減小供電半徑，利用中心供電的方法有效控制不必要的線損。一般來說，35 kV線路的供電半徑應小于20 km，然而該油田部分電網在建設時或因地理條件差，或因用戶分散，造成臺區供電半徑過大。為此，針對這些電網的升級改造，該油田嚴格按“小容量、短半徑、密布點”的方案，延伸高壓供電至負荷中心，增大導線橫截面積，盡量縮短供電半徑，減少迂回供電，同時有計劃地更換和淘汰一批損耗高的變壓器，在運行方式上增加并列線路運行和環網開網運行，并加大低能耗和有載調壓變電器的更換力度，從而降低電網損耗[8]。

3）針對臺區內裝置設計不合理問題。本著經濟合理、便于施工的原則，依據設計規程、規范，優化臺區35 kV簡易線路負荷側設計方案。通過對塔中、哈得區域的實地踏勘，將變壓器基礎安裝標高設置在600～1 000 mm，可有效避免沙塵暴經過區域變壓器散熱區域被掩埋，發生油氣井停運事故。并且自上而下安裝35 kV跌落式熔斷器、避雷器、變壓器，設計清晰明了，降低運維人員觸電風險[9]：選取JKLGYJ型絕緣導線作為引下線。防止野外鳥類、小動物攀爬造成相間距離不夠放電；落地變臺容量柱上式、落地式變臺均采用螺栓固定方式。塔中、哈得作業區沙漠地帶以及可能漫水區域安裝的100 kVA及以下容量變臺采用柱上式安裝，其他情況下均采用落地式安裝方式[10]；在變壓器設置中，電力變壓器與電泵井變壓器變臺需分開放置，有獨立的操作機構。變壓器選用S11以上系列低耗能變壓器。

4 應用效果

采用臺區35 kV簡易線路優化方案，不僅提高了該區域的供電質量、降低了線損，同時還降低了35 kV簡易線路的非計劃停運率。避免因沙塵暴、動物攀爬等天氣及其他原因造成的油氣井失電。

以該油田塔中地區1條35 kV簡易線路為例，該條線路長度37 km，包含有2個主力礦的13口高產氣井。2020年度因沙粒堆積變壓器、野生動物攀爬造成非計劃停電3次，1次停電搶修費用在2.3萬元左右，全年搶修費接近7萬元。該油田35 kV簡易線路15條左右，采用該優化設計方法總體經濟效益可觀。優化改造后該區域15條線路2020—2021年負荷期非計劃停運情況對比見表1。在負荷相近情況下，同期對比節約各類成本約90萬元。

表1 2020—2021年負荷期非計劃停運情況對比Tab.1 Comparison of unplanned outage during load period from 2020 to 2021

通過在臺區安裝無功補償裝置實現無功功率的降低，從而提高功率因數。從2020年以來，共計安裝295臺高壓無功補償裝置，并均已經具備實時監控條件，遠程高壓無功補償裝置占比達54%。線路無功電量逐年遞減，線路平均功率因數由0.7上升到0.85。由此多投入高壓無功補償容量4.8×104kVar，一臺高壓無功補償裝置容量為200 kVar，相當于240臺高壓無功補償裝置，平均一臺高壓無功補償裝置可節電2.5×104kWh，每年可節電6×106kWh。2020—2021年參數對比情況見表2。

表2 2020—2021年參數情況對比情況Tab.2 Parameter comparison from 2020 to 2021

5 結論

采用該優化設計方法，一定程度上減輕后期保運單位的維護量。特別是沙漠、戈壁地區，線路人員巡視周期長，故障狀態時達到現場條件不便利。優化臺區設計方法可有效節約人力和時間成本，提高維護工作效率。同時，可保障西氣東輸主力氣田的有效、安全用電，從而增加西氣東輸油氣產量，對社會和諧穩定發展具有重要的社會意義。該油田部分電網采用優化后的35 kV簡易線路變臺，可有效兼顧線路的使用距離和投資經濟性，解決了故障率高、線損高等問題，取得了良好的經濟效益，為該油田數字化電網的發展和建設提供了技術支持，具有一定的推廣價值。