油田电网电能质量改进措施

朱益飞

（中国石化 胜利油田分公司 孤东采油厂，山东 东营 257237）

胜利油田孤东采油厂6 kV、10 kV和35 kV等配电线路由于长期野外运行，具有点多、线长、面广、结线方式复杂多变以及容易出现故障等特点。线路一旦发生故障，不仅仅严重影响油田正常油气生产，而且会严重影响供配电电网的安全运行，给油田生产带来很大不便。同时，近几年来，随着电力电子技术的广泛应用，供电系统中增加了大量的非线性负载，特别是静止变流器，从低压小容量家用电器到高压大容量用的工业交直流变换装置。静止变流器是以开关方式工作的，会引起电网电流、电压波形发生畸变，引起电网的谐波污染。另外，冲击性、波动性负荷，如：油田大功率高压注水设备以及大量变频节能设备，在频繁运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且使得电压波动、闪变、三相不平衡日趋严重。这些对电网的不利影响不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严重削弱和干扰电网的经济运行，造成对电网的“公害”。因此，如何提高油田电网电能质量，使高压配电线路整体网架运行质量得到明显改善，确保油田电网平稳运行和油气正常生产，已成为油田开发生产中重要的研究课题。

1 评价电网电能质量的主要指标

目前涉及评价电能质量的国家标准主要有供电电压允许偏差、供电电压允许波动和闪变、供电三相电压允许不平衡度、公用电网谐波以及供电频率允许偏差等5个方面。

1.1 电压允许偏差

《电能质量供电电压允许偏差》（GB 12325—90）规定电力系统在正常运行条件下，用户受电端供电电压的允许偏差为：①35 kV及以上供电和对电压质量有特殊要求的用户为额定电压的-5%～+5%；②10 kV及以下高压供电和低压电力用户为额定电压的-7%～+7%；③低压照明用户为额定电压的-10%～+5%。

为了保证用电设备的正常运行，在综合考虑了设备制造和电网建设的经济合理性后，对各类用户设备规定了如上的允许偏差值，此值为工业企业供配电系统设计提供了依据。

1.2 公用电网谐波

《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14529—93）中规定了各电压等级的总谐波畸变率，各单次奇次电压含有率和各单次偶次电压含有率的限制值。该标准还规定了电网公共连接点的谐波电流（2～25次）注入的允许值；而且同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配，以体现供配电的公正性。

1.3 电压波动和闪变

《电能质量电压波动和闪变》（GB 12326—2000）是在原来标准GB 12326—90的基础上，参考了国际电工委员会（IEC）电磁兼容（EMC）标准IEC 6100-3-7等修订而成的，适用于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能人对灯闪明显感觉的场合，该标准规定了各级电压下的闪变限制值。

1.4 三相电压不平衡

《电能质量三相电压允许不平衡度》（GB/T 15543—1995）适用于交流额定频率为50 Hz电力系统正常运行方式下由于负序分量而引起的PCC点连接点的电压不平衡，该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2%，短时间不得超过4%。

该标准还解释：不平衡度允许值指的是在电力系统正常运行的最小方式下负荷所引起的电压不平衡度为最大的生产（运行）周期中的实测值，例如：炼钢电弧炉应在熔化期测量等。在确定三相电压允许不平衡指标时，该标准规定用95%概率值作为衡量值。即正常运行方式下不平衡度允许值，对于波动性较小的场合，应和实际测量的5次接近数值的算术平均值对比；对于波动性较大的场合，应和实际测量的95%概率值对比，以判断是否合格。其短时允许值是指任何时刻均不能超过的限制值，以保证保护和自动装置的正确动作。

2 影响油田电网电能质量的因素分析

2.1 电压允许偏差超差

用电设备的运行指标和额定寿命是对其额定电压而言的。当其端子上出现电压偏差时，其运行参数和寿命将受到影响，影响程度视偏差的大小、持续的时间和设备状况而异，电压偏差计算式如下：

电压偏差（%）=（实际电压-额定电压）/额定电压×100%

一方面油田油井生产由于启动功率大，而实际运行功率小，造成油井生产功率因数低，无功负荷的变化产生电网电压偏差；另一方面，由于油田电网大多处于电网末端，多次发生因电网电压允许偏差超差（电压过高）造成油井低压用电设备故障事故。据统计，油井低压用电设备电压超差值在10%～25%之间时有发生。

2.2 谐波干扰

油田大量变频节能设备的现场应用，引起电网电流、电压波形发生畸变，造成电网谐波污染。目前，孤东采油厂在用各种变频节能控制设备已达1 000台以上，且以每年10%以上的速度增长。

2.3 电压波动

供电电网电压过高或过低，均对用电生产设备造成损害，不仅影响用电设备的故障事故的发生，而且会影响电网的正常运行，造成跳闸故障事故的发生。胜利油田孤东采油厂电网由于处于电网末端，因电网电压波动大（电压过高可过低）造成油井低压用电设备故障事故或电网线路跳闸断电故障事故时有发生，影响油田的正常生产。

2.4 配电线路故障

油田常见配电线路故障主要有配电线路速断跳闸故障、配电线路接地故障和过流跳闸故障等3种故障。

造成配电线路速断跳闸故障的原因主要有配电变压器跳闸故障、雷电危害、动物危害、恶劣天气影响、外力破坏危害、计量装置故障等。

造成配电线路接地故障的原因主要有绝缘子破裂，导致接地或绝缘子脏污，在雾雨天闪络、放电，从而造成绝缘电阻降低，跳线烧断搭到铁担上引起故障；导线烧断掉落到地上，从而导致接地跳闸故障；避雷器在雷雨天被雷电击穿；小动物危害引起而带来的接地故障；导线、跳线对杆塔放电引起的故障；清障不力，刮风时树枝碰线；洪水、风暴潮等自然灾害以及黄河大流量泄洪对配电线路接地系统造成的破坏故障等。

造成过流跳闸故障的原因主要有负荷配置不合理，造成部分线路负荷电流过大。油气处理联合站、油气接转站等大型电气设备启动时，瞬间启动电流过高造成对线路跳闸故障；低压线路配置不合理，线路过长，供电半径过大，造成低压线路故障频繁而发生短路跳闸故障；线路、金具等老化严重，由于负荷增长过快线径过细，使线路长期处于不经济运行状态，久而久之，导线严重发热，在薄弱环节打火烧断导线、跳线或熔丝熔断引起短路，产生短路电流，导致线路故障跳闸；配网自动化系统水平低，监控能力弱，预知维修能力差，导致线路维护不及时等。

3 提高油田电网电能质量的主要措施

3.1 油井动态无功自动补偿

推广应用油井无功动态自动补偿节能装置。就地进行无功功率动态自动补偿，及时调整油井无功功率动态补偿量，无功负荷的变化在电网各级系统中均产生电压偏差，它是产生电压偏差的根源，因此，就地进行无功功率补偿，及时调整无功功率补偿量，从源头上解决问题，是最有效的措施。目前，胜利油田孤东采油厂已推广应用油井无功动态自动补偿节能装置1 500余台，油井平均功率因数由治理前的0.5左右提高到0.8以上。

推广应用永磁同步电动机。调整同步电动机的励磁电流，在铭牌规定值的范围内适当调整同步电动机的励磁电流，使其超前或滞后运行，就能产生超前或滞后的无功功率，从而达到改善电网负荷的功率因数和调整电压偏差的目的。目前，胜利油田孤东采油厂已推广应用应用永磁同步电动机625台，油井平均功率因数由治理前的0.5左右提高到0.9以上，同时取得良好的节能降耗效果。

3.2 谐波治理

抑制谐波干扰最有效措施是提高变频器的载波频率，尤其是国产变频器。一般载波频率出厂值在较低值，目的是为了减少绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的功耗。例如：载波频率从2 kHz提高到16 kHz，即增加8倍时，功耗约增加2至2.5倍，而发热量增加4至6倍。当载波频率提高后，输出电流波形正弦性能变好，毛刺减少，波形光滑，所以适当提高载波频率，对抑制或减少谐波有利。同时，为抑制变频器的发射干扰和感应干扰，抑制电动机的电压波动效应，在变频器的输出电路中串接电抗器，对抑制5至19次谐波效果显著。选用时使电抗器上的电压降约在额定电压的3%为最佳。

采取措施后，变频柜谐波信号得到有效抑制，对油田电网运行质量影响降低到最低。

3.3 采用有载调压变压器减少电压波动

从总体上考虑，无功负荷只宜补偿到功率因数为0.90～0.95，仍然有一部分变化无功负荷要由电网供给而产生电压偏差，这就需要由分区采用一些有效的办法来解决，采用有载调压变压器就是有效而经济的办法之一，它既可避免电网电压偏差，又能有效避免和减少电网电压波动，提高电网电能质量。

3.4 减少配电线路故障

加大配电电网建设技术改造力度，使配电电网结构、变电站布置趋于合理，有条件的前提下尽量减少低压线路长度，使供电能力配置趋于平衡。同时，提高施工质量和工艺水平，采用绝缘导线，提高线路的绝缘化水平。

积极推广应用新技术，提高线路运行的可靠性和质量。针对雷雨季节易出现雷击损坏事故，给原油生产带来很大影响的实际问题，推广应用新型氧化锌避雷器，将电网中原有的阀型避雷器全部更换为新型氧化锌避雷器，减少了因雷击造成的停电事故。合理安装线路开关设备，配置开关定值，防止线路因故障越级。安装位置要便于巡视，便于操作；避免开关停电时涉及面过大；开关处要配置避雷器；新安装的柱上开关，一定注意导线与开关接线处的连接，防止松动，防止过热。积极开展配网自动化技术的研究与推广应用，加强供配电网信息化监控网络建设，提高配网自动化系统水平，以增强电网的抗灾能力和故障预知能力，提高电网安全经济运行质量。

加强线路巡视和监测工作。对每一条线路有计划地进行特殊及夜间巡视，进行线路故障巡视时，要细心查线和监测，发现故障及时彻底排除，防止重复跳闸。定期进行电气设备的试验、监测和检修工作，及时处理设备缺陷，有针对性开展电网污染治理，提高电网运行质量。