油田電能質(zhì)量治理可行性研究

周勝利（中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心）

馬金玉（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司）

油田電能質(zhì)量治理可行性研究

周勝利（中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心）

馬金玉（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司）

C A C F-0.4系列連續(xù)可調(diào)磁性濾波智能補(bǔ)償系統(tǒng)綜合了磁性濾波和連續(xù)可調(diào)智能無功補(bǔ)償控制技術(shù)，該裝置可應(yīng)用在高低壓供電系統(tǒng)中。磁性濾波補(bǔ)償單元濾波補(bǔ)償并舉，一方面對(duì)系統(tǒng)中數(shù)值較大的特征諧波進(jìn)行濾波，同時(shí)補(bǔ)償無功功率，既可提高電網(wǎng)質(zhì)量，又可以提高電網(wǎng)功率因數(shù)。

電網(wǎng)質(zhì)量 電能質(zhì)量評(píng)估 諧波治理 效益評(píng)價(jià)

近年來，隨著油田對(duì)節(jié)能減排工作的重視，變頻設(shè)備以其優(yōu)越的節(jié)電性能在油田應(yīng)用越來越廣泛。一方面為油田節(jié)約了大量電能，而另一方面卻存在污染電網(wǎng)的現(xiàn)象。為此，大慶油田公司采油十廠于近期組織相關(guān)單位及技術(shù)部門，對(duì)供配網(wǎng)的諧波污染情況進(jìn)行了測(cè)試和分析，提出了電網(wǎng)諧波治理的可行性研究。

1 現(xiàn)場(chǎng)用電情況

測(cè)試樣點(diǎn)選取了2個(gè)站點(diǎn)，分別為朝陽(yáng)溝2#聯(lián)合泵站、朝陽(yáng)溝4#聯(lián)合泵站。

1.1 朝陽(yáng)溝2#聯(lián)合泵站

變壓器帶載情況：摻水泵在用2臺(tái)，1臺(tái)工頻1臺(tái)變頻，單臺(tái)泵功率55k W；供水泵1臺(tái)，變頻運(yùn)行，單臺(tái)泵功率55 k W；外輸泵運(yùn)行1臺(tái)，變頻運(yùn)行，單臺(tái)泵功率110k W；電脫水器運(yùn)行2臺(tái)，單臺(tái)功率30k W；收油泵運(yùn)行1臺(tái)，工頻運(yùn)行，單臺(tái)泵功率15 k W；另加單相70k W運(yùn)行電量。變壓器參數(shù)見表1。

表1 朝陽(yáng)溝2#聯(lián)合泵站供水崗變壓器參數(shù)

1.2 朝陽(yáng)溝4#聯(lián)合泵站

變壓器帶載情況：摻水泵運(yùn)行2臺(tái)，1臺(tái)工頻1臺(tái)變頻，單臺(tái)泵功率55 k W；外輸泵運(yùn)行1臺(tái)，變頻運(yùn)行，單臺(tái)泵功率22k W；提升泵運(yùn)行1臺(tái)，工頻運(yùn)行，單臺(tái)泵功率75k W；過濾反沖洗泵運(yùn)行1臺(tái)，單臺(tái)泵功率30k W；除氧反沖洗泵運(yùn)行1臺(tái)，單臺(tái)泵功率45k W。變壓器參數(shù)見表2。

表2 朝陽(yáng)溝4#聯(lián)合泵站變壓器參數(shù)

2 電能質(zhì)量測(cè)試分析

對(duì)朝陽(yáng)溝2#聯(lián)合泵站供水崗、朝陽(yáng)溝2#聯(lián)合泵站、肇東1#聯(lián)合站及肇東25#聯(lián)合站的配電變壓器低壓母線進(jìn)行了電能質(zhì)量測(cè)試工作，測(cè)試儀表為C.A 8 334三相電力質(zhì)量分析儀，測(cè)試方式為三相三線制。

2.1 朝陽(yáng)溝2#聯(lián)合站供水崗測(cè)試

朝陽(yáng)溝2#聯(lián)合站供水崗電量及電能質(zhì)量測(cè)試見表3，測(cè)試工位：變壓器0.4 k V進(jìn)線柜；用電設(shè)備：變頻器及泵等。

表3 朝陽(yáng)溝2#聯(lián)合站供水崗測(cè)試結(jié)果

2.2 朝陽(yáng)溝4#聯(lián)合站測(cè)試

朝陽(yáng)溝4#聯(lián)合站電量及電能質(zhì)量測(cè)試見表4，測(cè)試工位：變壓器0.4 k V進(jìn)線柜；用電設(shè)備：變頻器及泵等。

表4 朝陽(yáng)溝4#聯(lián)合站測(cè)試結(jié)果

3 測(cè)試評(píng)估結(jié)論

3.1 電能質(zhì)量評(píng)估

根據(jù)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)2個(gè)站點(diǎn)電能質(zhì)量測(cè)試評(píng)估結(jié)論如下：

◇供電電壓滿足G B/T12325—2003《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》規(guī)定；

◇電壓波動(dòng)滿足G B/T12326—2008《電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變》規(guī)定；

◇各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)變壓器低壓母線U t h d%最大值低于U t h d%=5的國(guó)標(biāo)限值；

◇朝陽(yáng)溝2#聯(lián)合站供水崗變壓器低壓母線5次諧波超標(biāo)，4#聯(lián)合站變壓器低壓母線5次、7次諧波超標(biāo)；

◇三相電流波形發(fā)生畸變，嚴(yán)重偏離標(biāo)準(zhǔn)正弦波；

◇各變壓器母線功率因數(shù)均達(dá)不到0.90以上要求，需要補(bǔ)償。

3.2 諧波危害評(píng)估

諧波產(chǎn)生附加能耗：諧波造成功率因數(shù)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(dòng)機(jī)發(fā)熱損耗，降低效率。

諧波的存在減少了設(shè)備電氣壽命。諧波電壓會(huì)引起局部放電，且長(zhǎng)期諧波發(fā)熱加速絕緣部件老化，降低電氣設(shè)備的絕緣壽命。

諧波的存在影響安全生產(chǎn)。諧波造成電容器過電流和過電壓，補(bǔ)償柜無法正常投切，導(dǎo)致電容器被燒毀；設(shè)備噪聲增加；繼電保護(hù)出現(xiàn)誤動(dòng)作，影響儀表計(jì)量精度；對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；可能引起電網(wǎng)局部諧振。

4 電網(wǎng)質(zhì)量治理方案

從電能質(zhì)量測(cè)試評(píng)估結(jié)果可以看出，用電系統(tǒng)必須進(jìn)行諧波治理，降低或消除諧波危害，同時(shí)提高運(yùn)行功率因數(shù)，降低損耗，增加設(shè)備使用壽命，為安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供保障。

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

CA CF-0.4系列連續(xù)可調(diào)磁性濾波智能補(bǔ)償系統(tǒng)綜合了磁性濾波和連續(xù)可調(diào)智能無功補(bǔ)償控制技術(shù)，該裝置可應(yīng)用在高低壓系統(tǒng)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(bǔ)償單元、可調(diào)電感單元、智能控制單元、監(jiān)測(cè)及保護(hù)單元。磁性濾波補(bǔ)償單元濾波補(bǔ)償并舉，對(duì)系統(tǒng)中數(shù)值較大的特征諧波進(jìn)行濾波，同時(shí)補(bǔ)償無功功率；可調(diào)電感單元是實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵部分；智能控制單元和監(jiān)測(cè)單元（也稱系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)節(jié)單元）可根據(jù)負(fù)荷變化隨時(shí)調(diào)節(jié)無功量；監(jiān)測(cè)及保護(hù)單元具有電參數(shù)檢測(cè)和過壓、過流保護(hù)等功能。該裝置能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)無功變化，并隨時(shí)吸收或釋放所需無功量，使系統(tǒng)運(yùn)行功率因數(shù)穩(wěn)定。與分組投切的無功補(bǔ)償裝置相比，本裝置屬連續(xù)可調(diào)智能型，無投切無觸點(diǎn)操作，智能控制，使用壽命長(zhǎng)，因其維護(hù)簡(jiǎn)單，尤其在高壓系統(tǒng)中，不存在高壓開關(guān)頻繁投切問題，可替代分組投切補(bǔ)償裝置。本裝置在抑制和濾除電網(wǎng)諧波、降低電網(wǎng)損耗，節(jié)約能源，優(yōu)化電網(wǎng)的供電質(zhì)量方面效果顯著。

系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)如下：

◇濾波補(bǔ)償功能兼?zhèn)?，既保護(hù)了設(shè)備，又改善了電能質(zhì)量；

◇提高系統(tǒng)功率因數(shù)，并將其穩(wěn)定在設(shè)定值；

◇程控?zé)o功補(bǔ)償實(shí)時(shí)跟蹤智能功能，特別適用于負(fù)載變化頻繁的工況；

◇無投切無觸點(diǎn)操作，維護(hù)簡(jiǎn)單；

◇裝置中采用電抗器，調(diào)節(jié)靈活方便，可準(zhǔn)確地調(diào)整在要求的工作點(diǎn)；

◇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)良，節(jié)約電能；

◇使用壽命長(zhǎng)；

◇運(yùn)行噪聲低。

5 磁性濾波原理

品字型磁性濾波技術(shù)是利用電磁轉(zhuǎn)換原理和移相技術(shù)，將諧波電能轉(zhuǎn)換為磁能。如圖2所示，諧波電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在磁性濾波器特殊品字型磁路結(jié)構(gòu)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(dá)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(jié)構(gòu)和特定磁路作用下，a相諧波磁場(chǎng)向c相磁場(chǎng)偏移后返回a相，形成方向相反的磁束，在鐵芯內(nèi)抵消（b、c相工作原理相同）。

諧波產(chǎn)生的磁場(chǎng)在鐵芯中的抵消效果如圖4所示，經(jīng)移相偏移后n次諧波在鐵芯中產(chǎn)生的磁場(chǎng)為Bn′和Bn，Bn′和Bn方向相反，大部分被抵消，抵消后的磁場(chǎng)無法感應(yīng)出原來的諧波電流。

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

為了解決分組投切開關(guān)易損壞和開關(guān)動(dòng)作頻繁的問題，通過智能控制單元，采用無級(jí)連續(xù)可調(diào)電抗器吸收/釋放容性電流的方法?？烧{(diào)電抗器的工作外特性如圖5所示，當(dāng)直流線圈的電流增大時(shí)，外特性曲線依次向右平移。當(dāng)控制線圈電流Iy=0時(shí)，在定電壓下的感性電流最??；當(dāng)Iy增大時(shí)，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(bǔ)償系統(tǒng)感性電流的輸出，從而達(dá)到平衡系統(tǒng)容性電流的作用。

可調(diào)電抗器的工作過程分析如下：Ic為電容器固定補(bǔ)償電流；IL為可調(diào)電抗器電流。假設(shè)T0時(shí)刻負(fù)載無功電流為IQ0，可調(diào)電抗器電流為IL0時(shí)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，功率因數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定值；T1時(shí)刻由于某擾動(dòng)負(fù)載無功電流減小為IQ1，可調(diào)電抗器應(yīng)吸收多余的容性電流，其電流增大為IL2，以免過補(bǔ)；又T2時(shí)刻由于某擾動(dòng)負(fù)載無功電流增大為IQ2，可調(diào)電抗器應(yīng)釋放缺少的容性電流，其電流減小為IL1，以免欠補(bǔ)；隨著系統(tǒng)中的擾動(dòng)隨時(shí)發(fā)生，可調(diào)電抗器也隨負(fù)載無功電流的需求而變化。在程序控制下，系統(tǒng)功率因數(shù)可穩(wěn)定在設(shè)定范圍。這種補(bǔ)償方式無投切觸點(diǎn)操作，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單，不存在開關(guān)頻繁投切問題，可替代分組投切。

6 治理預(yù)期效果

電能質(zhì)量治理的預(yù)期效果為：

◇功率因數(shù)提高到0.9以上，并可設(shè)定為0.91~0.98之間任一數(shù)值;

◇治理后的諧波值不超過國(guó)標(biāo)限值;

◇改善電流波形，使之趨近于標(biāo)準(zhǔn)正弦波;

◇延緩電氣絕緣部件的老化，提高電氣設(shè)備的使用壽命;

◇減低或消除對(duì)通信系統(tǒng)的干擾。

預(yù)計(jì)該項(xiàng)目實(shí)施將取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。因解決了諧波污染，提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，改善了電能質(zhì)量，綜合節(jié)電率可達(dá)10%以上。

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.04.003

周勝利，1997年畢業(yè)于佳木斯工學(xué)院，工程師，從事節(jié)能評(píng)價(jià)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(qū)西賓路552號(hào)，163455。

2012-01-23）