萨北油田6 kV 配电线路节能降耗研究

尹利秋 （大庆油田电力运维分公司）

萨北油田配电网主要由高压输电线路、变电设备、低压配电线路及用电设备四部分组成。高压输电线路输送电能通过110 kV/35 kV 变电站降压为6 kV，由6 kV 配电线路输送到各用电地点，经变压器变比输出0.4 kV 电能供用电设备使用。配电网的损耗主要出现在变压器自身损耗和配电线路的输电损耗上，相对应的节能措施主要是应用节能型变压器以降低变压器自身损耗和对配电线路进行无功补偿，提高配电线路功率因数，降低线路损耗。

1 应用节能变压器

1.1 损耗构成

配电变压器在运行过程中，一、二次侧绕组会产生损耗，称为铜损；变压器铁芯也会产生损耗，称为铁损。而且，变压器铁芯饱和时，会在内部产生涡流损耗。配电变压器损耗主要分为两大类，空载损耗和负载损耗[1-2]。

油田用配电变压器很大一部分为抽油机井供电，由于油井产液变化大，导致变压器负荷波动大，经常处于轻载状态下[3]，变压器所消耗的空载损耗所占比重随之加大，进而影响了变压器效率。变压器的空载损耗由磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗构成。主要由铁芯的材质特性、设计结构和工艺加工等决定。

变压器的负载损耗主要分为短路损耗和杂散损耗。杂散损耗是由于变压器绕组、铁芯、铁芯夹、磁屏蔽、外壳或箱壁等的漏磁通所引起的损耗。

1.2 几种节能变压器比较

变压器发展趋势为节能型变压器逐步替代低效高耗型变压器，国内现阶段油浸式变压器以S11、S13 为主，S14、SH15 为辅。不同型号和容量变压器损耗参数对比见表1。

表1 不同型号和容量变压器损耗参数对比Tab.1 Comparison of loss parameters of transformers of different models and capacitiesW

S9 型节能变压器铁芯材质采用了低损耗的硅钢片。 与S7 型变压器相比， 空载损耗降低了11.87%，负载损耗降低了23.55%。

S11 型变压器铁芯采用的是卷铁芯结构，充分利用了硅钢片的取向性，而且铁芯是无接缝的，改善了其导磁性，降低了磁阻。与S9 型变压器相比，空载损耗降低了28.96%，负载损耗不变。

S13 型节能变压器铁芯结构为三角形排列且无接缝，在专用设备上卷绕成型，降低了磁阻，减少了空载电流。与S11 型变压器相比，空载损耗降低了29.38%，负载损耗不变。

相同容量下，S13 和S14 型变压器空载损耗相同，空载损耗随型号的递增（S7～S13）逐渐降低；S9、S11、S13 型变压器相同容量下负载损耗相同，相同容量下S7 型变压器负载损耗最大，S14 型变压器最小。

1.3 S11 型变压器节能效果

2015 年以前，萨北油田老旧油井供电系统采用S7 型变压器，只有新投产油井变压器采用S11 型变压器。大量低效高耗变压器的使用，导致了配电线路线损率高，运行不经济。于是分批次淘汰，用S11 型变压器逐步替代S7 型变压器，以降低油田电网的电能损耗。对萨北油田某6 kV 配电线路16 台S11 型变压器替代S7 型变压器进行前后对比测试，其节能效果见表2。S11 型变压器比S7 型变压器有功功率损失下降24.37%，无功功率损失下降13.98%，综合功率损失下降23.16%，起到了明显的节能效果。

表2 S11 型变压器节能效果Tab.2 Energy conservation effect of S11 transformer

2 6 kV 配电线路无功补偿

2.1 功率因数指标分析

萨北油田配电网中的用电设备主要是为机采、注水、集输工艺提供动力的电动机。这些用电负荷均为感性负荷，其在运行时不仅需要电力系统提供有功功率，还需要产生感应电动势的无功功率。线路无功功率的增大直接导致功率因数变小，线路损耗增加，变压器利用率降低[4-5]。

根据电工学原理，功率因数与有功功率、无功功率、视在功率等存在等式关系：

式中：S为视在功率，kVA；P为有功功率，kW； cosϕ为功率因数，无因次；ϕ为电压与电流相位差，°；I为电流，A；U为电压，kV；SN为变压器容量，kVA。

设线路电阻为r，则线路损耗为I2r。因为，当输电线路的电压和传输的有功功率一定时，由式（2）可知，输电线上的电流与功率因数成反比。功率因数越小，输电线上的电流越大，线路损耗越大。

由式（3）可知，变压器容量一定时，能够输出的有功功率与功率因数成正比。功率因数低，变压器利用率降低。以容量500 kVA 变压器为例，若功率因数为0.9， 则变压器输出有功功率450 kW，功率因数为0.6 时，变压器输出有功功率300 kW。功率因数的大小直接影响变压器输出有功功率的能力。

由此可见，功率因数的提高对降低线路损耗，提高变压器利用率有重要意义[6-9]。

2.2 无功补偿节能原理

配电线路中存在电感元件和电容元件，一般在运行过程中，电感元件的电流滞后于电压90°，电容元件的电流超前于电压90°。交流电在通过纯电阻负载时，电能全部转换成热能，在通过纯容性或纯感性负载时，并不做功，没有电能消耗，即为无功功率。萨北油田配电网中的用电负荷为感性负荷，此时的功率因数小于1。通常提高功率因数常用的方法是在感性负载两端并联电容器，对无功功率进行补偿，从而减小阻抗角，提高功率因数，简称无功补偿。

感性负载并联电容提高功率因数原理见图1。并联电容器前，线路的阻抗角为负载的阻抗角ϕ1，线路的功率因数为cosϕ1，线路的电流为I1；并联电容器后，因电容上的电流超前于电压90°，抵消了部分感性负载电流的无功分量，线路电流I减小，阻抗角ϕ减小，线路功率因数cosϕ提高。由于线路电流I减小，线路损耗I2r降低[10]。

图1 感性负载并联电容提高功率因数原理Fig.1 Inductive load parallel capacitor to improve power factor

2.3 6 kV 配电线路无功补偿节能效果

采油三厂相关技术人员以提高线路功率因数作为切入点，对低功率因数配电线路架设电容补偿装置。电容补偿装置的作用是对配电线路进行无功补偿，消除滞后电流，提高功率因数，降低配电线路损耗。对萨北油田12 条6 kV 配电线路应用无功补偿装置前后进行对比测试，装置节能效果见表3。线路平均功率因数由0.822 提高到0.906，线路损耗平均下降率为22.73%。

表3 装置节能效果Tab.3 Energy conservation effect of device

3 节能量测算及推广应用

3.1 应用节能型变压器节能量测算

通过对萨北油田某6 kV 配电线路16 台S7 型变压器更换为节能型S11 型变压器测试数据进行对比分析，更换前S7 型变压器输入平均有功功率23.87 kW，变压器平均有功功率损失0.57 kW，有功损耗占比2.39%。更换S11 型变压器后输入平均有功功率23.26 kW，变压器平均有功功率损失0.41 kW，有功损耗占比1.76%。更换后平均有功功率损失降低0.16 kW。按一天24 h 计算，S11 型节能变压器替代S7 型变压器，每台变压器损失电量每天降低约3.84 kWh。

3.2 应用无功补偿装置节能量测算

通过对萨北油田12 条6 kV 配电线路应用无功补偿装置前后测试数据进行对比分析，补偿前每条线路平均每日输入有功电量8 563.20 kWh，平均有功电量每日损耗344.25 kWh；补偿后每条线路平均每日输入有功电量8 124.00 kWh，线路平均有功电量损耗264.05 kWh，平均每条线路每日有功电量损耗降低80.20 kWh。

3.3 推广应用

以萨北油田二西、三西区块5 条6 kV 配电线路为例，该5 条线路总长度77.76 km，附带变压器233台。平均每条线路长度15.55 km，平均每条线路附带变压器约46 台。按5 条线路全部应用节能型变压器和无功补偿装置两种技术进行测算，5 条线路所带233 台变压器全部更换为S11 型节能变压器损失电量每日可降低约894.72 kWh，5 条线路全部安装无功补偿装置，线路损耗电量可降低约401 kWh/d。年运行时间按365 d 计算，5 条线路每年可降低损耗电量约47.29×104kWh，可节约标准煤143.05 t。

4 结论

萨北油田6 kV 配电线路节能降耗主要从配电变压器的节能降损和提高配电线路功率因数两方面作为切入点。通过更换S11 型节能变压器和对6 kV 配电线路安装无功补偿装置，两项节能措施的并用达到了改善萨北油田电网使用效率的目的，实现了配电线路电能输送的节能降耗。

1）应用节能型变压器。油田电网具有变压器多而分散、井用变压器负载系数低的特点，应用节能型变压器可有效降低变压器空载损耗和负载损耗，提高变压器运行效率。

2）6 kV 配电线路安装无功补偿装置。油田电网主要用电设备大部分为电动机，普遍存在无功功率建立磁场的情况。特别是抽油机用电动机，由于抽油机采油的特殊性，导致抽油机匹配电动机多处于轻载状态，加之产液量的逐年递减，无功功率占比呈现上升趋势。配电线路安装无功补偿装置是提高油田配电网功率因数的必要方法，可有效降低配电线路损耗，提高输电效率。

并以萨北油田相同规模5 条6 kV 配电线路为例，组合应用两项节能措施后，预计每年可降低损耗电量约47.29×104kWh，可节约标准煤143.05 t，为油田电网推广应用两项节能措施提供了数据参考。