红河油田低压配电系统无功补偿装置的应用与效果

■兰 晋 ■中石化华北分公司第一采油厂，甘肃 庆阳 745000

红河油田位于甘肃省的镇原、泾川县境内，面积5512 平方千米，隶属中国石化股份有限公司华北分公司。在原油生产中，抽油机机械采油是原油生产的主要手段，同时机械采油的电力消耗也是油田主要的能耗之一，油区抽油机负荷约占生产用电负荷的70%以上，而这类负荷是一种依抽油机的冲程为周期性连续变化的负荷。电动机功率的匹配通常是根据负载电流或扭矩变化规律，按均方根求出等值电流或等值扭矩来计算的。但在实际运行中，因油藏情况的变化、泵挂深度的改变、地面调参情况等因素的影响，抽油机电机的运行与负载的变化又很难处于最佳配置中，所以使得抽油机电机实际运行中负载率低下。又因单井电动机的无功补偿不到位，致使低压配电系统的功率因数偏低，力能指标(η×cosφ)也就低下。随着部分油井开采年限的延长，井筒内动液面日趋下降，抽油泵的充满系数逐渐减小，过剩的抽油能力令抽油机无功抽吸时间增加，其负载在10-20%之间，机采效率偏低，无功损耗大，末端功率因数不达标，已成为油田最为棘手的问题，造成油井开采的电费成本居高不下，能源浪费十分严重。因此机采系统单井用电的功率因数的高低，是决定整个油区低压配电系统功率因数高低的关键因素，要想提高油区低压配电系统的功率因数，必须提高单井用电的功率因数，这对提高电能的利用率和经济效益具有现实意义。

1 补偿概况

红河油田因前期勘探开发过程中井网变动较大，各井区变压器暂没有做无功补偿工作，随着油田规模的扩大和井网的形成稳定，2010 年对我厂的34 个井场加装了无功补偿装置，这样既可以降低电流，减少内线损耗，降低配变损耗，使配变利用率提高，满足更多动力的供电需求，同时也可以降低每月电力中无功电费。低压配电系统采用在各井区变压器低压控制柜加装无功补偿柜进行集中自动无功补偿，改造后功率因数有了明显提高。经过一年多的运行，我们认为这种无功补偿方式、补偿装置的安装位置不能完全满足实际补偿的需要，低压配电系统功率因数长期偏低(约0.7 左右)，经过对油区抽油机负荷特点的分析研究，决定对功率因数达不到0.9 的井区进行无功就地补偿。通过二年的应用效果较好，目前采油厂低压配电系统的功率因数显著提高，线路损耗大幅度降低，取得了较好的经济效益。

2 补偿技术应用与分析

(1)无功补偿使用情况。第一采油厂于2010 年7 月在各井站采用自动分级无功补偿装置进行集中无功补偿，补偿容量根据变压器的容量和历月的功率因数情况，用交流接触器自动投切进行调节，其存在的问题和补偿效果如下:①现场使用情况:测试数据表明安装无功补偿装置后，效果明显，无功补偿电费的下降，带动每月电费整体下降(图1)。抽油机电动机在运行过程中，电力系统提供的有功功率、无功功率及功率因数都在不断的变化，而功率因数的变化不能正确反映系统对无功功率的需要，且其在某一状态下持续的时间极短，造成补偿设备(交流接触器用于无功补偿投切开关)投切跟不上功率因数的变化，所以补偿效果极不理想，有个别井的功率因数没有达到国家规定的0.9 以上。因此按功率因数调节无功补偿容量，达不到预期的补偿目的。

(2)补偿装置安装地点问题。在各井区安装的集中补偿装置，也仅能对变压器及以上的线路、设备进行无功补偿，而不能对抽油机电机供电线路进行补偿，从而不能最大限度地减少系统的无功输送量，无法使得整个线路和变压器的有功损耗减少到最低限度。

图1

(3)影响功率因数的因素和无功补偿的合理配置。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P 一定时，如减少无功功率Q，则功率因数便能够提高。在极端情况下，当Q=0 时，则其力率=1。因此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］。从电网无功功率消耗的基本状况可以看出，各级网络和输配电设备都要消耗一定数量的无功功率，尤以低压配电网所占比重最大。为了最大限度地减少无功功率的传输损耗，提高输配电设备的效率，无功补偿设备的配置，应按照“分级补偿，就地平衡”的原则，合理布局。

3 补偿技术改造

(1)无功补偿装置及容量的确定。结合红河油田的实际情况和集中补偿中出现的问题，我们研制了一种无功就地固定补偿装置。该装置为箱式结构，内装电容器及自动空气开关等。其额定电压为交流380V、额定频率50Hz，此装置具有防爆、拒燃、无污染、防盗、防振、防阳光辐射功能，投切方式为手动，即与电动机的投切同步，极适合于油田野外运行环境条件。主设备电容器为干式银锌镀膜边油加厚，有较强击穿自愈能力。按照《供配电系统设计规范》规定，接在电动机控制设备侧电容器的额定电流，不应超过电动机励磁电流的0.9 倍;其馈线和过电流保护装置的整定值，应按电动机电容器组的电流确定。按照上述规定，抽油机电机采用就地固定补偿时，补偿容量宜按电动机的实测最小无功的90%左右确定。红河油田抽油机电机的额定容量一般在15kw，根据此功率设计了符合其容量的补偿装置，以满足实际需要。

(2)无功补偿方式的确定。根据以上分析和实际使用测试情况，抽油机电机在运行过程中需要从电网中吸取一定的无功功率，由于无功功率在一定的范围内波动，如果采用自动补偿装置，将会得到更好的补偿效果，但其造价将是固定补偿装置的5～10 倍，因此最简单的补偿方式就是在抽油机电机处加一适当容量的电容器就地进行补偿。2011 年7 月，对ZJ21 井区和SP2 井区的共12 台抽油机的电机进行单台就地补偿，次月的电费清单可以看出两个月的功率因数均达到了0.9 以上，因此根据采用单台就地补偿后所取得的效果，没有必要采用自动补偿装置。

(3)实施效果及结论。根据以上数据看，ZJ21 井区补偿后平均功率因数由补偿前的0.62 提高到0.93，提高了50%;SP2 井区补偿后平均功率因数由补偿前的0.79 提高到0.91，提高了15%，完全满足了国家规定的低压供电线路补偿标准。实施补偿后两井区每月的节电费用为0.4～0.45 万元，每年可节约4.8～5.4 万元，单井补偿装置为2000元/台，共投用12 台，投资回收期只需半年。因此，进行抽油机电机就地无功补偿，经测试对比补偿效果显著。

［1］尚德彬，抽油机电机的无功就地补偿，农村电气化，2003(-10).

［2］李和兴，无功补偿在油田电网中的合理配置与应用，国内外机电一体化技术，2008-(01).