河南油田供配电系统改造设计

赵电广 赵 睿 田知密 徐 涛

1常州大学石油工程学院2中国石油新疆油田分公司基本建设工程处3中国石油长庆油田分公司第六采气厂4青海油田质量安全环保处

河南油田供配电系统改造设计

赵电广1赵 睿2田知密3徐 涛4

1常州大学石油工程学院2中国石油新疆油田分公司基本建设工程处3中国石油长庆油田分公司第六采气厂4青海油田质量安全环保处

随着油田的持续扩展，电网规模变大，输送电线路增长，无功负载越来越多，导致油田电网功率因数降低，使电网无功损耗增大，电网输送电压波动大，造成油田设备运行不稳定。以河南油田供配电电网为例，设计的电网无功功率补偿方案，目的是提高该油田电网的功率因数，降低电能损耗，提高电网的可靠性和稳定性。根据该油田的供配电电网特点和电网负荷波动情况，选择杆上补偿方式，对输配电电网进行无功功率补偿。该油田供配电电网改造后，电网功率因数显著提高，达到0.965，电网电压输出稳定，油田生产设备运行稳定，电能损耗降低。

油田配电网；供配电系统；无功功率；无功补偿

针对目前河南油田供配电系统存在的问题，设计了油田供配电系统改造方案，对油田供配电网络进行整改，以提高供电质量，降低电能损耗，节约成本[1]。为了能够提高电网供电的质量，维持供配电系统电压稳定，降低系统的电能损耗，提高供电效率，将采用无功功率补偿技术，改造油田供配电系统。

1 供配电系统特点

河南油田供配电系统主要由6 kV的母线及引出的6 kV供电线路、配电变压器、380 V或者220 V的低压供电线路几部分组成。这类油田供配电系统具有以下特点：

（1）系统包含多条主要供配电线路，每条线路包含1条6 kV供电母线，相应的电网测量仪表将安装在每条供配电线路的出口处，测量该线路的电流、功率、输出电量和功率因数等。

（2）系统包括多条分支和多个负荷节点，每个分支或者负荷节点一般连接有不同的配电变压器。

（3）系统中每条供配电线路安装有与附近线路的连接装置。此连接装置为备用电源自动投入装置，当该供配电线路出现故障无法供电时，可以自动连接此装置，从附近其他线路获取电力供应，进而提高供电的可靠性。

（4）在油田生产过程中，供配电系统的主要负荷为抽油机、注水泵和油站。抽油机、注水泵和油站等在油田生产过程中负荷变化较大，因此要求抽油机、注水泵和油站等使用的电动机启动转动力矩较大，而实际生产中，电动机处于低负荷运行状态，而且油田配电变压器的容量也大于电网实际需求，导致油田配电变压器处于非经济状态，供配电线路运行低效，电网损耗较大。同时，伴随着油田的持续建设，规模不断增大，用电量增加，油田供配电网络也将随之增大，导致供配电线路增长，供配电电网的可靠性和稳定性降低[2]。

2 配电网无功补偿

在油田供配电系统的负荷设备中感应电动机是主要负荷来源。供配电系统的输出功率分为有功功率和无功功率。有功功率，是指油田生产中被用于转换成机械能、热能等的功率；而无功功率是指用于电场与磁场交换的功率。无功功率在设备运行时，建立和维持磁场以进行能量交换，从而实现机械能、热能等的输出[3]。

无功功率主要是交流电在通过容性或者感性负载时产生，而油田供配电系统中，包含有大量的容性或者感性负载，这些设备既消耗配电网的有功功率，又消耗大量的无功功率，从而增加了电网负担，导致电网的电能利用效率偏低。为了提高油田供配电系统的电能利用效率，需要对电网进行无功补偿。无功补偿可以降低电网的电能损耗，提高电网供电效率。

2.1 配电网的无功功率损耗

计算无功功率时，先计算在单相正弦交流电路中的无功功率。单相电路中有功功率为P=UI cos θ，无功功率为Q=UI sin θ，视在功率为S=UI，电路的功率因数为λ=cos θ=P/S。其中U、I分别为该单相电路中电压和电流的有效值，；θ为电路中电压与电流的相角差。

在油田供配电电网中，传输的是三相正弦交流电，以A、B、C分别表示每相电路，则可得油田供配电网络的三相电路总的有功功率为P=PA+PB+PC，无功功率为Q=QA+QB+QC，视在功率为S=SA+SB+SC，电网功率因数为λ=P/S。

在油田的供配电电网中，电网的无功损耗主要来源于线路损耗和变压器损耗。其中，电网的线路损耗主要是指在供配电电网中，由于线路传输导致的无功损耗。对于35 kV及以下输电线路，电网中并联电纳损耗小，只需要计算串联电抗的无功损耗，因此，对于35 kV及以下输电线路，电网的线路无功损耗可表示为

式中ΔQ1为电网中由于串联电抗产生的无功损耗；I为电网中线路的电流值；UN为电网的输电电压；P为电网的有功功率值；Q为电网的无功功率值；Xl为电网线路的阻抗值。

从线路的无功损耗公式可知，电网线路产生的无功损耗与电网的输电电压平方成反比，与电网有功功率P、无功功率Q平方成正比。

随着油田建设规模的变大，电网负荷增多，油田供配电电网中的有功功率P、无功功率Q将会变大。而随着输电线路变长，负载变多，电网的输电电压会随着输送距离持续下降，因此导致电网的线路无功损耗显著上升[4]。

电网的变压器无功损耗包括变压器绕组漏抗无功损耗和变压器励磁支路无功损耗。而变压器绕组漏抗无功损耗和励磁支路损耗分别与变压器的短路电压和空载电流相关，在油田供配电电网中，存在多级变压器结构，此时电网的变压器无功损耗较大。

2.2 无功功率补偿方法

油田供配电电网无功功率补偿的方式，按补偿点所在电网位置可以分为4种：变电站集中补偿、用户终端分散补偿、杆上补偿和低压集中补偿。图1所示为4种无功功率补偿方式示意图。

图1 电网无功功率补偿方式

变电站集中补偿方式是在油田供配电电网中，在变电站位置并联无功功率补偿装置，平衡电网的无功功率。低压集中补偿方式是选择在用户的低压配电室位置，安装容量较小的可调节电容器柜，可以根据用户的负载水平变化，调整相应的无功功率补偿。杆上补偿方式是在电网的输配送电线路上并联安装电容器，对电网进行无功功率补偿，该方式主要用于油田规模较大、输配电线路较长的情况下。用户终端分散补偿方式是指针对部分用户负载大，而且负载运行平稳，此时可以考虑在用户端单独安装电容器，实现就地无功功率补偿。表1所示为不同的电网无功功率补偿方式的优缺点对比。

表1 不同的电网无功功率补偿方式对比

3 配电网改造方案

以河南油田供配电电网为例，设计该电网的无功功率补偿方案，目的是提高该油田电网的功率因数，降低电能损耗，提高电网的可靠性和稳定性。该油田供配电电网输送电线路6 kV的主线，线路始端电压为6 kV，线路末端电压已经降为5.45 kV，输送电线路电压下降了0.55 kV，对油田生产设备的运行造成了严重影响，该线路的电能损耗严重，功率因数低于0.8。因此该输配电线路不符合油田生产的要求，需要对供配电线路进行改造，目标是使线路的功率因数达到0.95以上。

根据该油田的供配电电网特点和电网负荷波动情况，选择杆上补偿方式，对输配电电网进行无功功率补偿，以提高该电网线路的功率因数，降低线路损耗。选择在输配电线路上电网负荷较多的地方，安装无功功率补偿装置。图2所示为该油田供配电电网无功功率补偿设计图。供配电电网改造后，电网功率因数显著提高，达到0.965，电网电压输出稳定，油田生产设备运行稳定，电网损耗降低，节约了大量电能。

图2 供配电电网无功功率补偿设计

4 结语

随着油田生产规模扩大，油田供配电系统出现了设备、线路老化的问题，电网输配电线路变长导致线路的压降增大、线路输电电压波动大、电压质量降低。同时，由于电网负载变多，油田电网的功率因数降低、无功功率损耗增大、电网电能损耗增多。因此，需要对油田供配电系统进行改造。对河南油田供配电系统进行无功补偿，可提高电网的功率因数，稳定电网的输电电压，减少电网线路损耗和电能损耗。

[1]樊春林．高压无功补偿技术在杏南配电网的应用[J]．油气田地面工程，2011，30（9）：67-68.

[2]马占寒，马春国，张伟，等．前大油田供配电系统优化设计[J]．油气田地面工程，2013，32（11）：107-108.

[3]苏艳．油田配电网的自动化设计[J]．油气田地面工程，2013，32（1）：68-69.

[4]张锐．油田配电网无功优化的研究[D]．北京：中国石油大学（北京），2009：22-25.

（栏目主持 关梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.032

2015-06-17