油田抽油機供電系統無功補償的應用

油田抽油機供電系統無功補償的應用

摘要：為提高油田採油系統1140V供電系統的功率因數，在對油田抽油機負荷特點和運行狀態，以及抽油機電動機無功補償的存在問題、影響因素等進行詳細分析基礎上，研製了一種用電抗器控制無功的無功功率動態補償箱，並詳細介紹了補償箱的技術特點、使用方法和實際應用情況。

　　關鍵詞：配電系統 無功補償 無功功率 電動機

1 引言

　　油田採油抽油機用電環境惡劣，人為竊電現象十分普遍，為防竊電油田抽油機電動機不得不採用1140V電壓等級供電。為降低供電系統低壓線路損耗，抽油機供電多採用變壓器-電動機單元接線方式。由於抽油機工況複雜、供電電壓偏高和供電方式的特殊性，給採油供電系統無功補償設備選擇及無功補償的實現增加了難度，導致供電系統的功率因數長期偏低，一般在0.3～0.4左右，個別井功率因數在0.2以下。而電能計量則同時計量消耗有功電量和無功電量。

　　這種情況必然導致供電系統網損過大，供電部門要向採油單位收取功率因數調整電費，這對採油單位無疑增大採油生產的成本，使採油生產的整體經濟效益下降。為使抽油機供電功率因數達到規定的要求，解決好1140V抽油機電動機系統的無功問題，對抽油機負荷特點、電動機運行狀態等問題進行了認真研究，研製1140V的無功補償及電動機控制箱，實際使用表明能很好地抽油機這種特殊負荷的無功問題。

2 抽油機負荷特點及運行狀態

2.1 抽油機負荷特點

　　不同油井抽油機的負荷曲線不同，抽油機負荷是一種與井下工況和平衡情況有關，依抽油機衝程為周期連續變化的周期性負荷。

(1)抽油機負荷是變化極大的連續周期性負荷。變化頻率常用衝程表示，抽油機衝程一般來說為6～12次/分鐘，即變化周期為5～10秒。

(2)變化周期的上下兩個衝程各有一個死點，抽油機停車後再起動時，總是從兩個死點中負載較大的死點開始起動。因此，要求抽油機電動機應具有較大的起動轉矩。

(3)抽油機負荷轉矩和功率變化曲線如圖1所示。從圖中可以看出，抽油機在工作存在發電運行過程，其輸出功率的大小和時間，隨抽油機工作的實際工況不同而不同。

　　抽油機負荷特點決定選擇電動機時，必須按最大扭矩選配電動機。實際中考慮到砂卡、結蠟等異常時，不致因起動困難燒毀電動機，通常還要人為增大電動機裕量，這無疑加劇「大馬拉小車」現象，使得電動機長期在低負荷下運行。

　　電動機負載率低影響電動機的運行效率，國家標準GB12497-1995規定，Y系列37kW的6極電動機的負載率在0.40以上時為經濟狀態。

　　一般情況下，電動機效率、功率因數與負載率關係曲線如圖2所示。圖中a點對應的負載率稱為臨界負載率β0。從圖2曲線可看出：當負載率β<0.70時，功率因數隨負載率下降很快。

　　功率因數低下不僅增加電動機本身損耗，而且給電網造成附加損耗，降低電網供電能力和變壓器設備的利用率。

2.2 抽油機電動機運行狀態分析

　　根據對抽油機負荷特點和機理分析，以及大量現場實際測試可得到如下結論：

　　抽油機電動機在正常工作時，根據抽油機機械負荷的變化，電動機可能有兩種完全不同的工作狀態：當電動機拖動機械負荷運行時，電機處於電動機工作狀態，此時電動機從電網吸收有功和無功功率;當機械負荷拖動電動機運行時，電機處於發電機工作狀態，此時電機從電網吸收無功功率，向電網送出有功功率。

　　而但無論電動機工作在那種狀態，都要從電網吸收無功功率。電機處於發電狀態時，由電機理論可知，電機從電網吸收的無功功率即空載無功功率，其大小與電機的設計方法、材料選用和製造工藝等直接相關。而電機處於電動機狀態時，無功功率變化則與電動機負載大小有關，現場實際測量結果表明：抽油機上、下衝程的負荷變化，會引起1～4kvar無功變化。

3 抽油機供電系統無功補償研究

　　油田1140V的抽油機電動機絕大多數採用6kV直配供電、變壓器-電動機單元接線方式，在變壓器低壓側計量消耗的有功電量和無功電量，這種系統在電動機端實施就地分散無功補償是最佳補償方案。對在電動機控制箱加電容器進行固定補償，筆者和相關部門做過很多試驗，試驗能夠得到較好的補償效果，可以使功率因數達到0.85以上。但是，大範圍使用卻暴露出很多問題，難達到十分理想的補償效果。

3.1 電容器選擇匹配問題

　　用電容器實施固定就地補償的電容器容量，一般按下式計算確定.

Q=(0.95~0.98)√3 UI (1)

　　式中：U—電動機的電壓，kV;

I—電動機的的空載電流，A。

　　從計算公式可以看出，當電動機電壓一定時，電動機的空載電流也是一定的，所以補償容量QC就是固定的。實踐表明，這種理論上的選擇方法對負載率較高的電動機，能得到較好的補償效果，而對抽油機這種工況複雜、負載率很低的電動機補償效果卻很差，功率因數得不到保證。試驗表明，同樣的電動機、相同的補償容量，電動機負載率不同時補償的效果不同，抽油機周期性負荷的變化，也會使無功功率發生變化。

　　雖然通過實際測試和進行調試，固定補償在一段時期能保證功率因數在0.85以上，但之後會隨井下工況變化而發生改變。另外，抽油機電機分22、30、37、45、55kW等多種容量，電機極數有六極、八極的不同，電容器規格也不同，電機還有新、舊之分(大量電機經過多次修理)，這些因素對補償無功都有很大影響。因此，測試和調試的工作量非常大，而大量的測試和調試工作現場人員是難以很好完成的。

3.2 過補引起的無功倒送問題

　　由於抽油機電動機補償無功情況複雜，及使功率因數達標是用戶追求的目標，一些文獻介紹固定補償功率因數能達標的實例[2]，其補償電容器可能會處在過補狀態。另外，固定補償的控制採用的是與電動機同時投切的控制方法，由於補償的無功大於電動機的空載激磁無功，切除時常會引發自激而損壞電容器。

　　過補引起的無功倒送是電力系統所不允許的，因為它會增加線路和變壓器的損耗，加重供電線路的負擔[3]。因為，線路、變壓器電能損耗與電流有效值平方成正比，並不會因為功率反送而減小。另外，油田採油供電系統不考慮方向的無功電量計量方式，無功倒送也會使結算功率因數降低，使補償的經濟效益下降。因此，無功補償應避免出現過補現象，而抽油機無功補償情況複雜，上下衝程負荷變化很大，採用固定補償使功率因數達標，出現過補是難以避免的。

3.3系統諧波的影響問題

　　電容器具有一定的抗諧波能力，但諧波含量過大時會對電容器的壽命產生影響，甚至造成電容器的過早損壞。勝利油田採油供電系統用有部分變頻調速電動機，實測表明採油供電系統存在諧波的影響問題，而這一問題往往被忽視，導致一些電容器莫名其妙地損壞。另外，1140V電容器補償投切涌流大，以及電容器大切除時可能發生自激，這些都是補償設計必須考慮的問題。

3.4 關於動態補償的問題

　　由於抽油機電動機無功補償情況複雜，大範圍推廣固定補償存在困難和補償效果不理想，如何解決抽油機電動機無功補償成為需要研究的課題，大家自然會想到動態補償的問題。而採油生產採用1140V供電目的是防止偷電問題，但也給無功補償技術的實施增加了難度。與380V供電相比，1140V的刀開關、斷路器、電容器等設備的要求高，設備的價格高和裝置的體積大。

　　抽油機負荷的變化快，解決動態補償問題需要依賴電力電子技術來實現。由於電力電子器件製作工藝方面的原因，目前無法製造高耐壓、小電流的晶閘管元件，而且高耐壓的晶閘管器件價格非常高。採用晶閘管串聯技術不僅實現、控制上複雜，成本也很高。對1140V、功率因數0.85時的55kW電動機，可計算其額定電流在24A左右，並且需要動態補償的無功只有幾千乏。因此，對抽油機電動機用晶閘管實現動態補償，需要的投資相比較高，性價比比較差。

　　通過上述的分析和研究可知，由於正常運行時抽油機的負荷率非常低，影響因素多，供電電壓高，對抽油機這種特殊負荷的無功補償，有很多問題有待研究和解決。

4 電抗器控制的補償裝置研製

　　在上述需求分析、研究的基礎上，開發、研製了一種通過電抗器控制無功的1140V抽油機電動機控制箱，補償控制箱主接線如圖3所示。

　　無功補償控制箱電容器分為兩組，固定補償和3或4千乏左右的可調補償。固定補償電容器承擔電動機的空載無功，可調部分受電壓調節器的控制，隨抽油機負荷變化調節、補償變動無功，變動無功補償由電壓調節器控制電抗器實現。專用電動機保護器用於過流、短路和缺相保護。

　　鑒於油田1140V抽油機電動機供電系統的特殊性，根據開發、設計者經驗考慮了實際中的各種情況，使裝置具有以下幾方面特點。

(1)電容器是補償控制箱的易損壞設備，通常電容器損壞最主要原因是過電壓和過電流，標準電容器的允許過電壓1.1UN。考慮到真空接觸器操作、補償系統可能出現的自激等過電壓影響，補償箱採用非標準、專門設計的高耐壓、抗諧波電容器，電容器的絕緣膜為法國進口絕緣膜。

(2)抽油機用1140V電壓供電，電容器投入時會出現較大的浪涌電流。為限制浪涌電流和考慮系統諧波的可能影響，固定補償電容器迴路也串有專門設計、製造的限流電抗器，且LC串聯迴路的調諧頻率選擇為189Hz。另外，電抗器設計要選擇好電抗器鐵芯線性度，以保證其在投切涌流和額定電壓畸變下不會發生飽和。

(3)補償控制箱斷路器用國內信譽好、高質量的真空接觸器;電動機的過流、缺相保護器採用現場人員熟悉、習慣的產品;電壓調節器是自己開發的專用補償控制器。另外，為方便電容器安裝、調試和運行監視，補償控制箱內安裝有功率因數表，以便於掌握補償情況、方便調試或及時更換固定補償電容器。

5.補償控制箱的使用調試

　　由於抽油機使用的電動機容量不同，電機極數有六極或八極等差別，以及新、舊電機消耗無功不同，使用本文補償控制箱也需要進行簡單調試，首先是按表1選擇固定電容器。

　　前面已經提到過，本文設計的補償箱採用非標準、專門設計的高耐壓、抗諧波電容器，考慮到不同容量、不同極數電動機的通用性，用於固定補償的電容器有12、15、18、22、24kvar幾種規格，通過組合構成固定補償電容器。

　　可調補償部分電容器設計有3、4kvar兩種規格，電壓調節器檢測電源端的功率因數，輸出端控制電抗器實現抽油機變化無功負荷的動態補償，補償係數通過調節器設置。

　　實際試驗表明，要想取得十分理想的補償效果，關鍵在於固定補償電容器的選擇。表1給出的補償容量配置是根據電動機參數計算和調試經驗給出的結果。由於抽油機工況複雜，特別是實際調試結果發現，經多次修理的舊電機有功、無功消耗增加都很大，因此補償箱安裝前後必須進行測試，調試好後再投入運行。另外，對性能和參數有較大變化的高耗能舊電機應淘汰。

　　抽油機電機控制箱一般是由多家生產的，生產廠家對不同抽油機性能、電機極數等情況並不十分清楚。因此，補償箱電容器配置應由有關單位統一負責，這一點非常重要。處理好調試和管理工作，就能得到最理想的補償效果。

6 結 語

　　油田抽油機負荷特殊、工況複雜，因此抽油機電動機無功補償問題複雜。本文研究、試驗的結果表明，對固定補償如果調試好，能使功率因數達到0.85左右，但大範圍應用的調試工作量大，因而難達到十分理想的補償效果。

　　本文提出和研製的1140V動態無功補償控制箱，能夠動態補償抽油機負荷的變化無功，實踐表明能得到十分理想的補償效果，並且具有可靠性高、成本低、調試簡單等優點;控制箱在系統設計、設備選擇和補償控制上，有效地解決了抽油機這種特殊負荷無功補償問題。

　　抽油機採油用電是油田用電大戶，其電費支出約佔油田總電費的40%左右，因此抽油機供電降損、節能意義重大。無功補償是降低線路、變壓器電能損耗和避免無功罰款的有效措施，但不能降低電動機的電能損耗。如何利用電力電子技術即能提高功率因數，又能降低電動機的電能損耗是需要繼續研究、解決的問題。