孤网系统的电能质量问题及解决方案研究

2019-01-17凡曼袁靖宇

中国设备工程 2019年9期

凡曼，袁靖宇

（1.西南石油大学，四川成都 610500；2.中国科学院声学研究所，北京 100190）

对于油田来说，需要建立独立的电站，利用天然气进行发电，还有利用柴油进行发电，进而为油田工作人员提高正常的生活保障。以自建电站为中心，连同电站周边处理站或平台、单井、计量站、注水站、脱气站、转油站等工艺设施的供配电系统，构成了一套完整的电气孤网系统。油田配电线路长时间暴露在室外，而且覆盖面广、线长、点多，很容易出现故障。如果线路出现问题，不但会影响油田正常工作，还会对配电网安全运行产生威胁。而且随着科技的发展，油田供电系统中大量应用了非线性负载，会造成电网电流出现畸变，进而出现谐波污染，导致电能质量问题。

1 孤网的含义与运行特点

1.1 孤网的含义

孤网是孤立电网的简称，顾名思义，就是不与大电网进行连接的电网，而且孤网的容量都很小，一般单机容量占到整体容量的7%左右，也被叫作小电网。如果机组出现问题，能够防止由于甩负荷使电网正常工作受到影响。而且一般将孤网分成大电网与小电网两种，如果单机容量大于整体容量的7%，则叫作大电网，如果单机容量小于整体容量的7%，则叫作小网，小网如果独立运行，则就是孤网。

1.2 孤网的运行特点

孤网一般是由频率进行控制的，因此调节系统的动态响应要良好，并且在稳定性以及静态特征方面也要具备良好的基础，只有这样才能在负荷出现变化时，让电网频率实现稳定运行。因此，操作人员不需要过度关注负荷调整问题，而需要重视孤网调频率问题，将频率保持在一定规程标准范围内。正如上文提到的，孤网具备较小的容量，热力势能和旋转惯量储存都很低，因此调速系统要更加灵敏，并保持快速的动态响应水平。

2 油田电力系统电能质量问题的危害

电能质量问题对旋转设备和变压器的主要危害是能够引起附加损耗和发热的增加，此外电能质量问题还会引起旋转设备和变压器出现振动并发出噪声，长时间的振动会造成金属疲劳和机械损坏。电能质量对线路的主要危害是引起附加损耗，并能够引起系统的电感、电容发生谐振，使谐波放大。当电能质量问题引起系统出现谐振时，谐波电压升高，引起继电保护及安全自动装置误动，损坏系统设备，引发系统事故，威胁油田电力系统的安全运行。电能质量问题还会干扰通信设备，增加电力系统的功率损耗，使无功补偿设备不能正常运行等。三相不对称运行也会导致电变压器电能损耗增加，而且在三相四线制供电网络中，中性线上将会出现电流，而且由于存在阻抗，会损耗电能，输电效率也会随之降低。

2.1 电压波动和闪变

电能质量出现问题会使用电设备出现不稳定的运行工况，而且会造成电压出现波动，电压幅值很容易超出最大范围。而且在孤网运行时，旋转电机就会出现额外损耗，进而使电机寿面缩短，工作效率极度下降。

2.2 电压短时中断

造成瞬态电压出现偏差的因素多种多样，需要引起有关人员的重视。影响因素一般有下雨、闪电、强风等，而且设备误动作同样会引起瞬态电压出现偏差。由于在油田电力系统中应用了大量微处理器与计算机控制的精密仪器，因此对供电质量提出了更高要求。

2.3 谐波危害

谐波能够增加电网损耗，会降低用电设备的输电效率与发电效率。而且还会导致电气仪表测量的准确性降低，因此测量结果与预期结果往往会出现偏差；会对用电设备的实际运行造成严重影响，例如谐波会增加电机转矩，导致电机出现噪音以及机械振动，并且容易引入铁损以及铜损，还会加入过电压，造成设备温度迅速升高，导致设备绝缘老化加速，降低设备使用周期；会使自动装置、继电保护等出现误动作；会对周围通信系统性成干扰，导致通信质量降低。若系统的频率与谐波的频率比较接近，还会出现并联谐振的情况，会使谐波危害进一步扩大。

3 油田孤网系统的电能质量问题

海外油气田孤网电力系统中的非线性负载，运行中会产生谐波，对整个系统造成谐波污染，影响电能质量，严重时可能会影响普通电气设备绝缘和电力电容补偿装置及整流设备的使用寿命。油田的孤网电力系统包括完整的发、输、变电系统，在石油行业中，现有电动机有交流电驱动以及直流电驱动两种，而且不论何种形式，都是通过开关元件动作实现能量变化的，大部分输出功率通过可控硅整流后对电动机进行直流控制，所以会出现大量谐波，而且在直流驱动的电钻机中，除了含有大量谐波，还会造成功率因素下降，不但导致电站供电能力下降，还会出现严重的产能浪费。

绝大多数的油田钻井系统使用了较多的顶驱、转盘、绞车、泥浆泵等设备，而且这些设备一般是由直流电动机或变频器提供电源的，会使用到六脉冲整流技术。并且这些设备一般是联合作业，需要多台变频柜一起进行工作，在AC—DC期间会出现5、7、11、13次谐波，电网中会充斥大量谐波，不但会使系统出现谐波污染，还会导致发电机无法正常运行。THDI能够超过30%，并且独立供电后THDU保持在20%，最大能超过30%。此外若电网中出现谐波，还会增加无功功率，造成功率因数降低，严重的还会出现串联谐振或并联谐振。如果钻机系统是靠直流电动机驱动的，也会使功率因数降低，需要系统提供无功功率。此外绞车工作时切换频繁，需要在满载与空载间不断切换，会增加无功电流波动。例如钻井绞车在进行工作时，载率切换频繁，负载也会不断变化，当绞车满载时，功率因数保持在0.4左右，空载时功率因数为0.8左右，由于符合冲击性变化会使电压出现严重波动，供电质量也会因此受到影响，会使小电网系统增加额外负担，会对用电设备的安全性与使用效率产生严重影响。

4 改善油田孤网系统电能质量的主要措施

4.1 油井动态无功自动补偿

在油井电网系统中，应用无功功率动态自动补偿措施，会改善无功功率动态补偿。如果负荷发生变化，会造成电网系统的电压出现偏差，这也是出现电压偏差的根本原因。所以通过无功功率动态自动补偿能够彻底解决这一问题，而且是目前最好的解决途经。对同步电动机励磁电流进行调整，在规定的范围内对励磁电流进行调整能够使其实现滞后运行，会出现滞后无功功率，进而实现改善功率因数以及调整电压偏差的效果。

4.2 谐波治理

在抑制谐波干扰方面，最好的办法就是增加变频器的载波频率。变频器在刚刚生产时，工作人员会将载波频率调至较低值，这样做的原因是为了防止绝缘栅双极型晶体管发生功率损耗。如果载波频率出厂时为1kHz，若将其调整到16kHz，功率损耗会增加最多2.5倍，但是发热量最多会增加6倍。如果载波频率得到增加，就会提升输出电流波形正弦性能。因此通过增加变频器的载波频率，能够起到良好的抑制谐波的效果。此外，为了对变频器的感应干扰以及发射干扰进行抑制，需要对电动波动效应进行抑制，将电抗器接入输出电路，对5、7、11、13次谐波抑制效果明显。

4.3 通过有载调压变压器降低电压波动

一般来说，无功负荷只适合将功率因数补偿至0.95左右，但是还有一些负荷需要电网供电，但这就会出现电压偏差，因此就需要找到有效的途径解决这一问题。其中利用有载调压变压器就能很好处理这个问题，不但能减少电压偏差，还能最大限度地消除电网波动，使电网电能质量得到全面的提升。

4.4 减少配电线路故障

对配电电网进行技术改造，能够使其布置更加合理，在条件允许的情况下能够降低线路长度，使电能配置更加均衡。此外，通过使用新型的施工水平，在选择绝缘导线时重视绝缘性，也能提升线路绝缘能力。通过使用新技术，能够使线路运行更加可靠。在夏季雷雨季节，经常会出现雷击等情况，会使电力设备出现损坏，影响油田电力系统的正常运转。通过在油田电力系统中应用氧化锌避雷针，能够降低由雷击引发事故的概率。对线路加强巡视，在夜间以及特殊天气巡视期间要细心监测，及时发现隐患并彻底清除，避免设备出现重复跳闸等问题。而且还需要对电气设备进行试验，及时处理设备隐患，对电网进行污染处理工作，进而提升电能质量。