1、1油田抽油机供电系统无功补偿的研究与应用张小宁 1 张宝贵 1 陆则印 1 林峰 2 姚宝琪 2(1胜利石油管理局生产管理部，山东东营 257001；2.北京电联力光电气有限公司，北京 100085) RESARACH AND APPLICATION OF REACTIVE POWER COMPENSATION OF DISTRIBUTION SYSTEM FOR OIL-PUMPING UNITSZhang Xiaoning1 Zhang Baogui1 Lu Zeyin1 Lin feng2 Yao Baoqi2(1.Shengli Petroleum Administration, Do
2、ngying Shandong 257001, China；2. Beijing Dianlian-liguang Electrical Co. Ltd, Beijng,100085,China)ABSTRACT：In order to raise the power factor of distribution system with 1140V for oil-pumping units based on the analyzing the load performance , operation state ,existing problem and influence factor o
3、f oil-pumping units ,a reactor controlled reactive power compensation equipment has been developed .And The technology character ,using method and applying example have been introduced in detail KEY WORDS：Distribution system; reactive power compensation; reactive power; motor摘要：为提高油田采油系统 1140V 供电系统的
4、功率因数，在对油田抽油机负荷特点和运行状态，以及抽油机电动机无功补偿的存在问题、影响因素等进行详细分析基础上，研制了一种用电抗器控制无功的无功功率动态补偿箱，并详细介绍了补偿箱的技术特点、使用方法和实际应用情况。关键词：配电系统 无功补偿 无功功率 电动机中图分类号：1 引言油田采油抽油机用电环境恶劣，人为窃电现象十分普遍，为防窃电油田抽油机电动机不得不采用 1140V 电压等级供电。为降低供电系统低压线路损耗，抽油机供电多采用变压器-电动机单元接线方式。由于抽油机工况复杂、供电电压偏高和供电方式的特殊性，给采油供电系统无功补偿设备选择及无功补偿的实现增加了难度，导致供电系统的功率因数长期偏低
5、，一般在 0.30.4左右，个别井功率因数在 0.2 以下。而电能计量则同时计量消耗有功电量和无功电量。这种情况必然导致供电系统网损过大，供电部门要向采油单位收取功率因数调整电费，这对采油单位无疑增大采油生产的成本，使采油生产的整体经济效益下降。为使抽油机供电功率因数达到规定的要求，解决好 1140V 抽油机电动机系统的无功问题，对抽油机负荷特点、电动机运行状态等问题进行了认真研究，研制 1140V 的无功补偿及电动机控制箱，实际使用表明能很好地抽油机这种特殊负荷的无功问题。2 抽油机负荷特点及运行状态2.1 抽油机负荷特点不同油井抽油机的负荷曲线不同，抽油机负荷是一种与井下工况和平衡情况有关
6、，依抽油机冲程为周期连续变化的周期性负荷。抽油机负荷主要有以下特点 1。图 1 抽油机负荷转矩和功率变化曲线Fig.1 the curve of the power and torque of an oil-pumping unit（1）抽油机负荷是变化极大的连续周期性负荷。变化频率常用冲程表示，抽油机冲程一般来说为 612 次/分钟，即变化周期为 510 秒。（2）变化周期的上下两个冲程各有一个死点，2抽油机停车后再起动时，总是从两个死点中负载较大的死点开始起动。因此，要求抽油机电动机应具有较大的起动转矩。（3）抽油机负荷转矩和功率变化曲线如图 1所示。从图中可以看出，抽油机在工作存在发电运
7、行过程，其输出功率的大小和时间，随抽油机工作的实际工况不同而不同。抽油机负荷特点决定选择电动机时，必须按最大扭矩选配电动机。实际中考虑到砂卡、结蜡等异常时，不致因起动困难烧毁电动机，通常还要人为增大电动机裕量，这无疑加剧“大马拉小车”现象，使得电动机长期在低负荷下运行。电动机负载率低影响电动机的运行效率，国家标准 GB12497-1995 规定，Y 系列 37kW 的 6 极电动机的负载率在 0.40 以上时为经济状态。一般情况下，电动机效率、功率因数与负载率关系曲线如图 2 所示。图中 a 点对应的负载率称为临界负载率 0。从图 2 曲线可看出：当负载率 0.70 时，功率因数随负载率下降很
8、快。图 2 效率、功率因数与负载率的关系曲线Fig.2 the relation of efficiency and power factor功率因数低下不仅增加电动机本身损耗，而且给电网造成附加损耗，降低电网供电能力和变压器设备的利用率。2.2 抽油机电动机运行状态分析根据对抽油机负荷特点和机理分析，以及大量现场实际测试可得到如下结论：抽油机电动机在正常工作时，根据抽油机机械负荷的变化，电动机可能有两种完全不同的工作状态：当电动机拖动机械负荷运行时，电机处于电动机工作状态，此时电动机从电网吸收有功和无功功率；当机械负荷拖动电动机运行时，电机处于发电机工作状态，此时电机从电网吸收无功功率，向电
9、网送出有功功率。而但无论电动机工作在那种状态，都要从电网吸收无功功率。电机处于发电状态时，由电机理论可知，电机从电网吸收的无功功率即空载无功功率，其大小与电机的设计方法、材料选用和制造工艺等直接相关。而电机处于电动机状态时，无功功率变化则与电动机负载大小有关，现场实际测量结果表明：抽油机上、下冲程的负荷变化，会引起 1kvar 无功变化。3 抽油机供电系统无功补偿研究油田 1140V 的抽油机电动机绝大多数采用6kV 直配供电、变压器-电动机单元接线方式，在变压器低压侧计量消耗的有功电量和无功电量，这种系统在电动机端实施就地分散无功补偿是最佳补偿方案。对在电动机控制箱加电容器进行固定补偿，笔者
10、和相关部门做过很多试验，试验能够得到较好的补偿效果，可以使功率因数达到0.85 以上。但是，大范围使用却暴露出很多问题，难达到十分理想的补偿效果。3.1 电容器选择匹配问题用电容器实施固定就地补偿的电容器容量，一般按下式计算确定（1）03)98.50(UIQC式中：U电动机的电压，kV；I0电动机的的空载电流，A。从计算公式可以看出，当电动机电压一定时，电动机的空载电流也是一定的，所以补偿容量 QC就是固定的。实践表明，这种理论上的选择方法对负载率较高的电动机，能得到较好的补偿效果，而对抽油机这种工况复杂、负载率很低的电动机补偿效果却很差，功率因数得不到保证。试验表明，同样的电动机、相同的补偿
11、容量，电动机负载率不同时补偿的效果不同，抽油机周期性负荷的变化，也会使无功功率发生变化。虽然通过实际测试和进行调试，固定补偿在一段时期能保证功率因数在 0.85 以上，但之后会随井下工况变化而发生改变。另外，抽油机电机分 22、30、37、45、55kW 等多种容量，电机极数有六极、八极的不同，电容器规格也不同，电机还有新、旧之分（大量电机经过多次修理） ，这些因素对补偿无功都有很大影响。因此，测试和调试的工作量非常大，而大量的测试和调试工作现场人员是难以很好完成的。3.2 过补引起的无功倒送问题由于抽油机电动机补偿无功情况复杂，及使功率因数达标是用户追求的目标，一些文献介绍固定补偿功率因数能
12、达标的实例 2，其补偿电容器可能会处在过补状态。另外，固定补偿的控制3采用的是与电动机同时投切的控制方法，由于补偿的无功大于电动机的空载激磁无功，切除时常会引发自激而损坏电容器。过补引起的无功倒送是电力系统所不允许的，因为它会增加线路和变压器的损耗，加重供电线路的负担 。因为，线路、变压器电能损耗与电流有效值平方成正比，并不会因为功率反送而减小。另外，油田采油供电系统不考虑方向的无功电量计量方式，无功倒送也会使结算功率因数降低，使补偿的经济效益下降。因此，无功补偿应避免出现过补现象，而抽油机无功补偿情况复杂，上下冲程负荷变化很大，采用固定补偿使功率因数达标，出现过补是难以避免的。3.3 系统谐
13、波的影响问题电容器具有一定的抗谐波能力，但谐波含量过大时会对电容器的寿命产生影响，甚至造成电容器的过早损坏。胜利油田采油供电系统用有部分变频调速电动机，实测表明采油供电系统存在谐波的影响问题，而这一问题往往被忽视，导致一些电容器莫名其妙地损坏。另外，1140V 电容器补偿投切涌流大，以及电容器大切除时可能发生自激，这些都是补偿设计必须考虑的问题。3.4 关于动态补偿的问题由于抽油机电动机无功补偿情况复杂，大范围推广固定补偿存在困难和补偿效果不理想，如何解决抽油机电动机无功补偿成为需要研究的课题，大家自然会想到动态补偿的问题。而采油生产采用 1140V 供电目的是防止偷电问题，但也给无功补偿技术
14、的实施增加了难度。与 380V 供电相比，1140V 的刀开关、断路器、电容器等设备的要求高，设备的价格高和装置的体积大。抽油机负荷的变化快，解决动态补偿问题需要依赖电力电子技术来实现。由于电力电子器件制作工艺方面的原因，目前无法制造高耐压、小电流的晶闸管元件，而且高耐压的晶闸管器件价格非常高。采用晶闸管串联技术不仅实现、控制上复杂，成本也很高。对 1140V、功率因数 0.85时的 55kW 电动机，可计算其额定电流在 24A 左右，并且需要动态补偿的无功只有几千乏。因此，对抽油机电动机用晶闸管实现动态补偿，需要的投资相比较高，性价比比较差。通过上述的分析和研究可知，由于正常运行时抽油机的负
15、荷率非常低，影响因素多，供电电压高，对抽油机这种特殊负荷的无功补偿，有很多问题有待研究和解决。4 电抗器控制的补偿装置研制在上述需求分析、研究的基础上，开发、研制了一种通过电抗器控制无功的 1140V 抽油机电动机控制箱，补偿控制箱主接线如图 3 所示。无功补偿控制箱电容器分为两组，固定补偿和 3 或 4 千乏左右的可调补偿。固定补偿电容器承担电动机的空载无功，可调部分受电压调节器的控制，随抽油机负荷变化调节、补偿变动无功，变动无功补偿由电压调节器控制电抗器实现。专用电动机保护器用于过流、短路和缺相保护。鉴于油田 1140V 抽油机电动机供电系统的特殊性，根据开发、设计者经验考虑了实际中的各种
16、情况，使装置具有以下几方面特点。（1）电容器是补偿控制箱的易损坏设备，通常电容器损坏最主要原因是过电压和过电流，标准电容器的允许过电压 1.1UN。考虑到真空接触器操作、补偿系统可能出现的自激等过电压影响，补偿箱采用非标准、专门设计的高耐压、抗谐波电容器，电容器的绝缘膜为法国进口绝缘膜。图 3 电动机无功动态补偿箱的接线Fig.3 the wiring diagram reactive power compensation unit for a motor（2）抽油机用 1140V 电压供电，电容器投入时会出现较大的浪涌电流。为限制浪涌电流和考虑系统谐波的可能影响，固定补偿电容器回路也串有专门
17、设计、制造的限流电抗器，且 LC 串联回路的调谐频率选择为 189Hz。另外，电抗器设计要选择好电抗器铁芯线性度，以保证其在投切涌流和额定电压畸变下不会发生饱和。（3）补偿控制箱断路器用国内信誉好、高质4量的真空接触器；电动机的过流、缺相保护器采用现场人员熟悉、习惯的产品；电压调节器是自己开发的专用补偿控制器。另外，为方便电容器安装、调试和运行监视，补偿控制箱内安装有功率因数表，以便于掌握补偿情况、方便调试或及时更换固定补偿电容器。5补偿控制箱的使用调试由于抽油机使用的电动机容量不同，电机极数有六极或八极等差别，以及新、旧电机消耗无功不同，使用本文补偿控制箱也需要进行简单调试，首先是按表 1
18、选择固定电容器。前面已经提到过，本文设计的补偿箱采用非标准、专门设计的高耐压、抗谐波电容器，考虑到不同容量、不同极数电动机的通用性，用于固定补偿的电容器有 12、15、18、22、24kvar 几种规格，通过组合构成固定补偿电容器。表 1 1140V 鼠笼式电动机电容器配置容量Tab1 the compensating capacity for induce motor with 1140V电容器容量（kvar）电动机容量（kW） 六极 八极 十极22 12 15 1830 15 18 2237 18 22 2445 22 24 3055 24 30 3675 30 36 48可调补偿部分电容
19、器设计有 3、4kvar 两种规格，电压调节器检测电源端的功率因数，输出端控制电抗器实现抽油机变化无功负荷的动态补偿，补偿系数通过调节器设置。实际试验表明，要想取得十分理想的补偿效果，关键在于固定补偿电容器的选择。表 1 给出的补偿容量配置是根据电动机参数计算和调试经验给出的结果。由于抽油机工况复杂，特别是实际调试结果发现，经多次修理的旧电机有功、无功消耗增加都很大，因此补偿箱安装前后必须进行测试，调试好后再投入运行。另外，对性能和参数有较大变化的高耗能旧电机应淘汰。抽油机电机控制箱一般是由多家生产的，生产厂家对不同抽油机性能、电机极数等情况并不十分清楚。因此，补偿箱电容器配置应由有关单位统一
20、负责，这一点非常重要。处理好调试和管理工作，就能得到最理想的补偿效果。6 结 语油田抽油机负荷特殊、工况复杂，因此抽油机电动机无功补偿问题复杂。本文研究、试验的结果表明，对固定补偿如果调试好，能使功率因数达到 0.85 左右，但大范围应用的调试工作量大，因而难达到十分理想的补偿效果。本文提出和研制的 1140V 动态无功补偿控制箱，能够动态补偿抽油机负荷的变化无功，实践表明能得到十分理想的补偿效果，并且具有可靠性高、成本低、调试简单等优点；控制箱在系统设计、设备选择和补偿控制上，有效地解决了抽油机这种特殊负荷无功补偿问题。抽油机采油用电是油田用电大户，其电费支出约占油田总电费的 40%左右，因
21、此抽油机供电降损、节能意义重大。无功补偿是降低线路、变压器电能损耗和避免无功罚款的有效措施，但不能降低电动机的电能损耗。如何利用电力电子技术即能提高功率因数，又能降低电动机的电能损耗是需要继续研究、解决的问题。参考文献：1 薄保中、龚新强（Bao Baozhong,Gong Xinqiang） ，抽油机电机的节能改造（Motor Reconstruction for Energy Saving of Oil-Pumping Units）J，节能技术（Energy Conservation Technology） ，2000， 18（100）：31322 尚德彬，王高明，毛伟（Shang Deb
22、in，Wang Gaoming,Mao wei） ，中原油田油区配电系统无功补偿研究与应用（Study And Application Of Reactive Compensation Of Distribution System Used in Zhongyuan Oilfield）J，电工技术杂志（Electro Technical Journal） ，2001（3）：36383 戴晓亮（Dai Xiaoliang） ，无功补偿技术在配电网中的应用（Application of Reactive Compensation Technology for Distribution System
23、）J，电网技术（Power System Technology） ，1999，23（6）：1114_作者简介：张小宁（1962- ） ，男，陕西省西安人，高级工程师，从事油田供电系统自动化方面的科研和管理工作。山东东营市胜利石油管理局生产管理部，257001；张宝贵（1968- ） ，男，河北省石家庄人，工程师，从事油田水力及电力技术管理工作。山东东营市胜利石油管理局黄河治理办公室，257001陆则印（1963- ），男，山东省泰安人，工程师，从事油田供电系统自动化方面的技术和管理工作。山东东营市胜利石油管理局孤岛采油厂，257001林 峰(1966-)，男，福建霞浦人，北京电联力光电气有限公司总经理，从事供配电系统自动化方面的科技开发工作。北京市海淀区上地国际科技创业园 103 号楼 16 层B，100085；E-mail：
