薩北油田6 kV 配電線路節能降耗研究

尹利秋 （大慶油田電力運維分公司）

薩北油田配電網主要由高壓輸電線路、變電設備、低壓配電線路及用電設備四部分組成。高壓輸電線路輸送電能通過110 kV/35 kV 變電站降壓為6 kV，由6 kV 配電線路輸送到各用電地點，經變壓器變比輸出0.4 kV 電能供用電設備使用。配電網的損耗主要出現在變壓器自身損耗和配電線路的輸電損耗上，相對應的節能措施主要是應用節能型變壓器以降低變壓器自身損耗和對配電線路進行無功補償，提高配電線路功率因數，降低線路損耗。

1 應用節能變壓器

1.1 損耗構成

配電變壓器在運行過程中，一、二次側繞組會產生損耗，稱為銅損；變壓器鐵芯也會產生損耗，稱為鐵損。而且，變壓器鐵芯飽和時，會在內部產生渦流損耗。配電變壓器損耗主要分為兩大類，空載損耗和負載損耗[1-2]。

油田用配電變壓器很大一部分為抽油機井供電，由于油井產液變化大，導致變壓器負荷波動大，經常處于輕載狀態下[3]，變壓器所消耗的空載損耗所占比重隨之加大，進而影響了變壓器效率。變壓器的空載損耗由磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗構成。主要由鐵芯的材質特性、設計結構和工藝加工等決定。

變壓器的負載損耗主要分為短路損耗和雜散損耗。雜散損耗是由于變壓器繞組、鐵芯、鐵芯夾、磁屏蔽、外殼或箱壁等的漏磁通所引起的損耗。

1.2 幾種節能變壓器比較

變壓器發展趨勢為節能型變壓器逐步替代低效高耗型變壓器，國內現階段油浸式變壓器以S11、S13 為主，S14、SH15 為輔。不同型號和容量變壓器損耗參數對比見表1。

表1 不同型號和容量變壓器損耗參數對比Tab.1 Comparison of loss parameters of transformers of different models and capacitiesW

S9 型節能變壓器鐵芯材質采用了低損耗的硅鋼片。 與S7 型變壓器相比， 空載損耗降低了11.87%，負載損耗降低了23.55%。

S11 型變壓器鐵芯采用的是卷鐵芯結構，充分利用了硅鋼片的取向性，而且鐵芯是無接縫的，改善了其導磁性，降低了磁阻。與S9 型變壓器相比，空載損耗降低了28.96%，負載損耗不變。

S13 型節能變壓器鐵芯結構為三角形排列且無接縫，在專用設備上卷繞成型，降低了磁阻，減少了空載電流。與S11 型變壓器相比，空載損耗降低了29.38%，負載損耗不變。

相同容量下，S13 和S14 型變壓器空載損耗相同，空載損耗隨型號的遞增（S7～S13）逐漸降低；S9、S11、S13 型變壓器相同容量下負載損耗相同，相同容量下S7 型變壓器負載損耗最大，S14 型變壓器最小。

1.3 S11 型變壓器節能效果

2015 年以前，薩北油田老舊油井供電系統采用S7 型變壓器，只有新投產油井變壓器采用S11 型變壓器。大量低效高耗變壓器的使用，導致了配電線路線損率高，運行不經濟。于是分批次淘汰，用S11 型變壓器逐步替代S7 型變壓器，以降低油田電網的電能損耗。對薩北油田某6 kV 配電線路16 臺S11 型變壓器替代S7 型變壓器進行前后對比測試，其節能效果見表2。S11 型變壓器比S7 型變壓器有功功率損失下降24.37%，無功功率損失下降13.98%，綜合功率損失下降23.16%，起到了明顯的節能效果。

表2 S11 型變壓器節能效果Tab.2 Energy conservation effect of S11 transformer

2 6 kV 配電線路無功補償

2.1 功率因數指標分析

薩北油田配電網中的用電設備主要是為機采、注水、集輸工藝提供動力的電動機。這些用電負荷均為感性負荷，其在運行時不僅需要電力系統提供有功功率，還需要產生感應電動勢的無功功率。線路無功功率的增大直接導致功率因數變小，線路損耗增加，變壓器利用率降低[4-5]。

根據電工學原理，功率因數與有功功率、無功功率、視在功率等存在等式關系：

式中：S為視在功率，kVA；P為有功功率，kW； cos?為功率因數，無因次；?為電壓與電流相位差，°；I為電流，A；U為電壓，kV；SN為變壓器容量，kVA。

設線路電阻為r，則線路損耗為I2r。因為，當輸電線路的電壓和傳輸的有功功率一定時，由式（2）可知，輸電線上的電流與功率因數成反比。功率因數越小，輸電線上的電流越大，線路損耗越大。

由式（3）可知，變壓器容量一定時，能夠輸出的有功功率與功率因數成正比。功率因數低，變壓器利用率降低。以容量500 kVA 變壓器為例，若功率因數為0.9， 則變壓器輸出有功功率450 kW，功率因數為0.6 時，變壓器輸出有功功率300 kW。功率因數的大小直接影響變壓器輸出有功功率的能力。

由此可見，功率因數的提高對降低線路損耗，提高變壓器利用率有重要意義[6-9]。

2.2 無功補償節能原理

配電線路中存在電感元件和電容元件，一般在運行過程中，電感元件的電流滯后于電壓90°，電容元件的電流超前于電壓90°。交流電在通過純電阻負載時，電能全部轉換成熱能，在通過純容性或純感性負載時，并不做功，沒有電能消耗，即為無功功率。薩北油田配電網中的用電負荷為感性負荷，此時的功率因數小于1。通常提高功率因數常用的方法是在感性負載兩端并聯電容器，對無功功率進行補償，從而減小阻抗角，提高功率因數，簡稱無功補償。

感性負載并聯電容提高功率因數原理見圖1。并聯電容器前，線路的阻抗角為負載的阻抗角?1，線路的功率因數為cos?1，線路的電流為I1；并聯電容器后，因電容上的電流超前于電壓90°，抵消了部分感性負載電流的無功分量，線路電流I減小，阻抗角?減小，線路功率因數cos?提高。由于線路電流I減小，線路損耗I2r降低[10]。

圖1 感性負載并聯電容提高功率因數原理Fig.1 Inductive load parallel capacitor to improve power factor

2.3 6 kV 配電線路無功補償節能效果

采油三廠相關技術人員以提高線路功率因數作為切入點，對低功率因數配電線路架設電容補償裝置。電容補償裝置的作用是對配電線路進行無功補償，消除滯后電流，提高功率因數，降低配電線路損耗。對薩北油田12 條6 kV 配電線路應用無功補償裝置前后進行對比測試，裝置節能效果見表3。線路平均功率因數由0.822 提高到0.906，線路損耗平均下降率為22.73%。

表3 裝置節能效果Tab.3 Energy conservation effect of device

3 節能量測算及推廣應用

3.1 應用節能型變壓器節能量測算

通過對薩北油田某6 kV 配電線路16 臺S7 型變壓器更換為節能型S11 型變壓器測試數據進行對比分析，更換前S7 型變壓器輸入平均有功功率23.87 kW，變壓器平均有功功率損失0.57 kW，有功損耗占比2.39%。更換S11 型變壓器后輸入平均有功功率23.26 kW，變壓器平均有功功率損失0.41 kW，有功損耗占比1.76%。更換后平均有功功率損失降低0.16 kW。按一天24 h 計算，S11 型節能變壓器替代S7 型變壓器，每臺變壓器損失電量每天降低約3.84 kWh。

3.2 應用無功補償裝置節能量測算

通過對薩北油田12 條6 kV 配電線路應用無功補償裝置前后測試數據進行對比分析，補償前每條線路平均每日輸入有功電量8 563.20 kWh，平均有功電量每日損耗344.25 kWh；補償后每條線路平均每日輸入有功電量8 124.00 kWh，線路平均有功電量損耗264.05 kWh，平均每條線路每日有功電量損耗降低80.20 kWh。

3.3 推廣應用

以薩北油田二西、三西區塊5 條6 kV 配電線路為例，該5 條線路總長度77.76 km，附帶變壓器233臺。平均每條線路長度15.55 km，平均每條線路附帶變壓器約46 臺。按5 條線路全部應用節能型變壓器和無功補償裝置兩種技術進行測算，5 條線路所帶233 臺變壓器全部更換為S11 型節能變壓器損失電量每日可降低約894.72 kWh，5 條線路全部安裝無功補償裝置，線路損耗電量可降低約401 kWh/d。年運行時間按365 d 計算，5 條線路每年可降低損耗電量約47.29×104kWh，可節約標準煤143.05 t。

4 結論

薩北油田6 kV 配電線路節能降耗主要從配電變壓器的節能降損和提高配電線路功率因數兩方面作為切入點。通過更換S11 型節能變壓器和對6 kV 配電線路安裝無功補償裝置，兩項節能措施的并用達到了改善薩北油田電網使用效率的目的，實現了配電線路電能輸送的節能降耗。

1）應用節能型變壓器。油田電網具有變壓器多而分散、井用變壓器負載系數低的特點，應用節能型變壓器可有效降低變壓器空載損耗和負載損耗，提高變壓器運行效率。

2）6 kV 配電線路安裝無功補償裝置。油田電網主要用電設備大部分為電動機，普遍存在無功功率建立磁場的情況。特別是抽油機用電動機，由于抽油機采油的特殊性，導致抽油機匹配電動機多處于輕載狀態，加之產液量的逐年遞減，無功功率占比呈現上升趨勢。配電線路安裝無功補償裝置是提高油田配電網功率因數的必要方法，可有效降低配電線路損耗，提高輸電效率。

并以薩北油田相同規模5 條6 kV 配電線路為例，組合應用兩項節能措施后，預計每年可降低損耗電量約47.29×104kWh，可節約標準煤143.05 t，為油田電網推廣應用兩項節能措施提供了數據參考。