基于油田电网系统的节电技术和无功补偿探讨

2011-04-01祁开阳胡晓宝

电气传动自动化 2011年6期

祁开阳，胡晓宝，钟辉

（中国石化西北油田分公司，新疆库尔勒 841600）

1 供（配）电系统的节电技术

1.1 供电网的节电技术

油田供电网是指6（10）kV以上电压等级的线路，主要任务是实现电力的远距离输送。但是由于输电线路电阻的存在，在输送电力的同时，传输线上会产生输电损耗，即所谓的网损。同时，在各级变电所内，为实现电力的分配和控制，所内控制设备上也会产生损耗，即所谓的所内损耗。因此，供电系统的节电工作主要就是降低网损和所内损耗，同时不断提高电力调度自动化水平。

1.2 配电网的节电技术

油田配电网是指6（10）kV及以下电压等级的线路，主要任务是为用电设备分配电能。由于配电网需直接向高压电动机供电，而在八十年代前，国产高压电动机最高电压等级为6kV，因此配电网电压都选用了6kV电压级，只有最近几年10kV高压电动机已正式生产，一些新建的油田与电网才选用了10kV电压级。

油田配电网的网损率相对较高，特别是6kV井排线路，其原因为：①作为配电网主要用电负荷的电动机负荷普遍存在着“大马拉小车”现象，因而造成配网功率因数过低、网损过大；②配电变压器多处于非经济运行区；③由于油田进入高含水后期开发阶段，用电负荷不断增大，线损也随之增加。特点是配电网首端主干线段的损耗增加更为明显；④一些配电网供电半径过长，远远超出合理输送距离，也是造成网损过大的原因。

2 功率因数及无功补偿

油田电网负荷中普遍存在着电动机和配电变压器配网的线路长度过长的现象，这都是造成功率潮流中无功功率比重较大的原因。直接表现则是电网的自然功率因数过低。为了提高功率因数，使其达到国家标准（不低于0.9），则必须对电网进行无功补偿。目前采用在配变电所6（10）kV母线上装设集中补偿的电容器组，大都能使供电网出口功率因数达到0.9以上。但是由于缺乏计算手段，补偿容量多是按主变压器容量的10%～15%选择，主要以补偿主变压器无功损耗为依据。但从全网观点来看，这并不是最佳补偿方案。无功补偿的作用是将原来由电网提供的感性负荷所需的无功功率改由与之处于同一位置或最近位置上的补偿电容器提供，借以减小网上所传输的无功电流，达到降低网损、开发电网潜在容量的目的。

2.1 无功补偿技术

用电负荷无功需求的基本倾向是向上一级供电电网索取无功功率，因此可以在配电网采取三级无功优化补偿技术。

（1）一级：抽油机井单井的低压无功就地（动态）补偿

据大量统计数据，国内各油田抽油机驱动电机的自然平均功率因数为0.4左右，是油田配电网的最大无功需求者，也是三级无功补偿的最底层，补偿的重点。只有这一级得到了合理的补偿，才能最大限度地减少配电网上所传输的无功功率，降低网损。

（2）二级：配电网高压无功分散补偿

一级补偿后，从系统经济技术角度考虑，功率因数一般不补偿到1，因此抽油机驱动电机所需的无功功率还会有一定缺口；同时配电变压器也需要一部分无功功率进行励磁，因此可在配电网的合适位置安装高压分散补偿电容，用以补偿单井无功就地补偿的不足，最大限度地减少网上所传送的无功功率。

（3）三级：变电所高压无功自动跟踪补偿

经过前二级无功补偿后，配电网的功率因数可达到一定水平。但配电网各节点（抽油机井）的无功功率还有一定缺口，同时变电所主变本身也需要一定的无功功率。如果这一级不进行补偿，这要通过35kV线路从上一级变电所输送无功功率，产生高压网损。由于油田生产的特殊规律，电力负荷是经常变化的，如注水系统开泵台数的变化，配电网运行方式的改变及抽油机负荷的周期性变化，为使系统功率因数能稳定在一定水平上，这一级采用具有自动跟踪调节功能的无功自动补偿装置。这一级的补偿容量也需要由无功优化补偿软件计算后确定其最佳补偿容量。通过采用这些技术，可有效地降低网损，基本上可实现配电网的优化运行。

2.2 影响功率因数的主要因素

功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消耗有功功率外，还需要无功功率。当有功功率一定时，如减少无功功率，则功率因数便能够提高。提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。

（1）异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备

异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。变压器消耗无功的主要成份是空载无功功率，和负载率的大小无关。因此，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长其处于低负载运行状态。

（2）供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响

当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般工厂的无功将增加35%左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。

（3）电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响

以上论述了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此必须要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。

2.3 无功补偿的方法

提高功率因数的主要方法是采用低压无功补偿技术，我们通常采用的方法主要有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。

（1）随机补偿

随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主，此种方式可较好地限制用电单位无功负荷。随机补偿的优点是用电设备运行时，无功补偿投入；用电设备停运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等特点。

（2）随器补偿

随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是用电单位无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加。随器补偿的优点是接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制电网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是补偿无功最有效的手段之一。

（3）跟踪补偿

跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kV母线上的补偿方式。适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。跟踪补偿的优点是运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。

3 无功补偿的效益

在现代用电企业中，在数量众多、容量大小不等的感性设备连接于电力系统中，电网传输功率除有功功率外，还需无功功率。如自然平均功率因数在0.70～0.85之间。企业消耗电网的无功功率约占消耗有功功率的60%～90%，如果把功率因数提高到0.95左右，则无功消耗只占有功消耗的30%左右。由于减少了电网无功功率的输入，会给用电企业带来效益。

（1）节省企业电费开支

提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的，因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值，低于规定的数值，需要多收电费，高于规定数值，可相应地减少电费。可见，提高功率因数对企业有着重要的经济意义。

（2）提高设备的利用率

对于原有供电设备来讲，在同样有功功率下，因功率因数的提高，负荷电流减少，因此向负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供配电设备都增加了功率储备，从而满足了负荷增长的需要；如果原网络已趋于过载，由于功率因数的提高，输送无功电流的减少，使系统不致于过载运行，从而发挥原有设备的潜力；对尚处于设计阶段的新建企业来说则能降低设备容量，减少投资费用，在一定条件下，改善后的功率因数可以使所选变压器容量降低。

（3）降低系统的能耗

补偿前后线路传送的有功功率不变。

（4）改善电压质量

减少无功功率，则有利于线路末端电压的稳定，有利于大电动机的启动。因此，无功补偿能改善电压质量。但是如果只追求改善电压质量来装设电容器是很不经济的，对于无功补偿应用的主要目的是改善功率因数，减少线损，调压只是一个辅助作用。