油田電能質量治理可行性研究

周勝利（中國石油天然氣集團公司節能技術監測評價中心）

馬金玉（大慶油田有限責任公司天然氣分公司）

油田電能質量治理可行性研究

周勝利（中國石油天然氣集團公司節能技術監測評價中心）

馬金玉（大慶油田有限責任公司天然氣分公司）

C A C F-0.4系列連續可調磁性濾波智能補償系統綜合了磁性濾波和連續可調智能無功補償控制技術，該裝置可應用在高低壓供電系統中。磁性濾波補償單元濾波補償并舉，一方面對系統中數值較大的特征諧波進行濾波，同時補償無功功率，既可提高電網質量，又可以提高電網功率因數。

電網質量 電能質量評估 諧波治理 效益評價

近年來，隨著油田對節能減排工作的重視，變頻設備以其優越的節電性能在油田應用越來越廣泛。一方面為油田節約了大量電能，而另一方面卻存在污染電網的現象。為此，大慶油田公司采油十廠于近期組織相關單位及技術部門，對供配網的諧波污染情況進行了測試和分析，提出了電網諧波治理的可行性研究。

1 現場用電情況

測試樣點選取了2個站點，分別為朝陽溝2#聯合泵站、朝陽溝4#聯合泵站。

1.1 朝陽溝2#聯合泵站

變壓器帶載情況：摻水泵在用2臺，1臺工頻1臺變頻，單臺泵功率55k W；供水泵1臺，變頻運行，單臺泵功率55 k W；外輸泵運行1臺，變頻運行，單臺泵功率110k W；電脫水器運行2臺，單臺功率30k W；收油泵運行1臺，工頻運行，單臺泵功率15 k W；另加單相70k W運行電量。變壓器參數見表1。

表1 朝陽溝2#聯合泵站供水崗變壓器參數

1.2 朝陽溝4#聯合泵站

變壓器帶載情況：摻水泵運行2臺，1臺工頻1臺變頻，單臺泵功率55 k W；外輸泵運行1臺，變頻運行，單臺泵功率22k W；提升泵運行1臺，工頻運行，單臺泵功率75k W；過濾反沖洗泵運行1臺，單臺泵功率30k W；除氧反沖洗泵運行1臺，單臺泵功率45k W。變壓器參數見表2。

表2 朝陽溝4#聯合泵站變壓器參數

2 電能質量測試分析

對朝陽溝2#聯合泵站供水崗、朝陽溝2#聯合泵站、肇東1#聯合站及肇東25#聯合站的配電變壓器低壓母線進行了電能質量測試工作，測試儀表為C.A 8 334三相電力質量分析儀，測試方式為三相三線制。

2.1 朝陽溝2#聯合站供水崗測試

朝陽溝2#聯合站供水崗電量及電能質量測試見表3，測試工位：變壓器0.4 k V進線柜；用電設備：變頻器及泵等。

表3 朝陽溝2#聯合站供水崗測試結果

2.2 朝陽溝4#聯合站測試

朝陽溝4#聯合站電量及電能質量測試見表4，測試工位：變壓器0.4 k V進線柜；用電設備：變頻器及泵等。

表4 朝陽溝4#聯合站測試結果

3 測試評估結論

3.1 電能質量評估

根據評估標準，對2個站點電能質量測試評估結論如下：

◇供電電壓滿足G B/T12325—2003《電能質量供電電壓允許偏差》規定；

◇電壓波動滿足G B/T12326—2008《電能質量電壓波動和閃變》規定；

◇各監測站點變壓器低壓母線U t h d%最大值低于U t h d%=5的國標限值；

◇朝陽溝2#聯合站供水崗變壓器低壓母線5次諧波超標，4#聯合站變壓器低壓母線5次、7次諧波超標；

◇三相電流波形發生畸變，嚴重偏離標準正弦波；

◇各變壓器母線功率因數均達不到0.90以上要求，需要補償。

3.2 諧波危害評估

諧波產生附加能耗：諧波造成功率因數降低，無功電流增大，增加變壓器損耗和線路損耗；諧波自身功率將增加線路損耗、變壓器的鐵損和銅損；諧波增加異步電動機發熱損耗，降低效率。

諧波的存在減少了設備電氣壽命。諧波電壓會引起局部放電，且長期諧波發熱加速絕緣部件老化，降低電氣設備的絕緣壽命。

諧波的存在影響安全生產。諧波造成電容器過電流和過電壓，補償柜無法正常投切，導致電容器被燒毀；設備噪聲增加；繼電保護出現誤動作，影響儀表計量精度；對通信系統產生干擾；可能引起電網局部諧振。

4 電網質量治理方案

從電能質量測試評估結果可以看出，用電系統必須進行諧波治理，降低或消除諧波危害，同時提高運行功率因數，降低損耗，增加設備使用壽命，為安全經濟運行提供保障。

最佳的治理方案是在變壓器低壓母線上并聯1套CA CF-0.4系列連續可調磁性濾波智能補償系統，該裝置既可以濾除諧波，又可以補償功率因數，治理方案如圖1所示。

CA CF-0.4系列連續可調磁性濾波智能補償系統綜合了磁性濾波和連續可調智能無功補償控制技術，該裝置可應用在高低壓系統中，包括0.4 k V、6k V、10k V及以上。裝置分四部分：磁性濾波補償單元、可調電感單元、智能控制單元、監測及保護單元。磁性濾波補償單元濾波補償并舉，對系統中數值較大的特征諧波進行濾波，同時補償無功功率；可調電感單元是實現無觸點調節的關鍵部分；智能控制單元和監測單元（也稱系統實時跟蹤調節單元）可根據負荷變化隨時調節無功量；監測及保護單元具有電參數檢測和過壓、過流保護等功能。該裝置能自動跟蹤系統無功變化，并隨時吸收或釋放所需無功量，使系統運行功率因數穩定。與分組投切的無功補償裝置相比，本裝置屬連續可調智能型，無投切無觸點操作，智能控制，使用壽命長，因其維護簡單，尤其在高壓系統中，不存在高壓開關頻繁投切問題，可替代分組投切補償裝置。本裝置在抑制和濾除電網諧波、降低電網損耗，節約能源，優化電網的供電質量方面效果顯著。

系統的性能優勢如下：

◇濾波補償功能兼備，既保護了設備，又改善了電能質量；

◇提高系統功率因數，并將其穩定在設定值；

◇程控無功補償實時跟蹤智能功能，特別適用于負載變化頻繁的工況；

◇無投切無觸點操作，維護簡單；

◇裝置中采用電抗器，調節靈活方便，可準確地調整在要求的工作點；

◇結構設計優良，節約電能；

◇使用壽命長；

◇運行噪聲低。

5 磁性濾波原理

品字型磁性濾波技術是利用電磁轉換原理和移相技術，將諧波電能轉換為磁能。如圖2所示，諧波電流產生的磁場在磁性濾波器特殊品字型磁路結構中，被分解為方向相反的磁通，在鐵芯磁路中相互抵消，從而達到濾除電能諧波的目的。

圖3中a、b、c分別代表三相諧波電流，在品字形結構和特定磁路作用下，a相諧波磁場向c相磁場偏移后返回a相，形成方向相反的磁束，在鐵芯內抵消（b、c相工作原理相同）。

諧波產生的磁場在鐵芯中的抵消效果如圖4所示，經移相偏移后n次諧波在鐵芯中產生的磁場為Bn′和Bn，Bn′和Bn方向相反，大部分被抵消，抵消后的磁場無法感應出原來的諧波電流。

磁性濾波不存在電容器補償，不涉及過補問題，屬于無源濾波，本身不消耗能量。磁性濾波技術不但能消除系統諧波，而且可提高功率因數、抑制浪涌和改善三相不平衡。

為了解決分組投切開關易損壞和開關動作頻繁的問題，通過智能控制單元，采用無級連續可調電抗器吸收/釋放容性電流的方法。可調電抗器的工作外特性如圖5所示，當直流線圈的電流增大時，外特性曲線依次向右平移。當控制線圈電流Iy=0時，在定電壓下的感性電流最小；當Iy增大時，在定電壓下的感性電流逐漸增大。利用該特性，通過改變控制圈的電流，改變補償系統感性電流的輸出，從而達到平衡系統容性電流的作用。

可調電抗器的工作過程分析如下：Ic為電容器固定補償電流；IL為可調電抗器電流。假設T0時刻負載無功電流為IQ0，可調電抗器電流為IL0時，系統處于穩定平衡狀態，功率因數穩定在設定值；T1時刻由于某擾動負載無功電流減小為IQ1，可調電抗器應吸收多余的容性電流，其電流增大為IL2，以免過補；又T2時刻由于某擾動負載無功電流增大為IQ2，可調電抗器應釋放缺少的容性電流，其電流減小為IL1，以免欠補；隨著系統中的擾動隨時發生，可調電抗器也隨負載無功電流的需求而變化。在程序控制下，系統功率因數可穩定在設定范圍。這種補償方式無投切觸點操作，使用壽命長，維護簡單，不存在開關頻繁投切問題，可替代分組投切。

6 治理預期效果

電能質量治理的預期效果為：

◇功率因數提高到0.9以上，并可設定為0.91~0.98之間任一數值;

◇治理后的諧波值不超過國標限值;

◇改善電流波形，使之趨近于標準正弦波;

◇延緩電氣絕緣部件的老化，提高電氣設備的使用壽命;

◇減低或消除對通信系統的干擾。

預計該項目實施將取得良好的經濟效益。因解決了諧波污染，提高了系統功率因數，改善了電能質量，綜合節電率可達10%以上。

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.04.003

周勝利，1997年畢業于佳木斯工學院，工程師，從事節能評價工作，E-m a i l：z h o u s h l 0459@c n p c.c o m.c n，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區西賓路552號，163455。

2012-01-23）