薩北油田6 kV 配電線路節(jié)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(wǎng)主要由高壓輸電線路、變電設(shè)備、低壓配電線路及用電設(shè)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(jīng)變壓器變比輸出0.4 kV 電能供用電設(shè)備使用。配電網(wǎng)的損耗主要出現(xiàn)在變壓器自身損耗和配電線路的輸電損耗上，相對應(yīng)的節(jié)能措施主要是應(yīng)用節(jié)能型變壓器以降低變壓器自身損耗和對配電線路進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高配電線路功率因數(shù)，降低線路損耗。

1 應(yīng)用節(jié)能變壓器

1.1 損耗構(gòu)成

配電變壓器在運行過程中，一、二次側(cè)繞組會產(chǎn)生損耗，稱為銅損；變壓器鐵芯也會產(chǎn)生損耗，稱為鐵損。而且，變壓器鐵芯飽和時，會在內(nèi)部產(chǎn)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(fù)載損耗[1-2]。

油田用配電變壓器很大一部分為抽油機(jī)井供電，由于油井產(chǎn)液變化大，導(dǎo)致變壓器負(fù)荷波動大，經(jīng)常處于輕載狀態(tài)下[3]，變壓器所消耗的空載損耗所占比重隨之加大，進(jìn)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(gòu)成。主要由鐵芯的材質(zhì)特性、設(shè)計結(jié)構(gòu)和工藝加工等決定。

變壓器的負(fù)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(jié)能變壓器比較

變壓器發(fā)展趨勢為節(jié)能型變壓器逐步替代低效高耗型變壓器，國內(nèi)現(xiàn)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(shù)對比見表1。

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

S9 型節(jié)能變壓器鐵芯材質(zhì)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(fù)載損耗降低了23.55%。

S11 型變壓器鐵芯采用的是卷鐵芯結(jié)構(gòu)，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(dǎo)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(fù)載損耗不變。

S13 型節(jié)能變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)為三角形排列且無接縫，在專用設(shè)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(fù)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(fù)載損耗相同，相同容量下S7 型變壓器負(fù)載損耗最大，S14 型變壓器最小。

1.3 S11 型變壓器節(jié)能效果

2015 年以前，薩北油田老舊油井供電系統(tǒng)采用S7 型變壓器，只有新投產(chǎn)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(dǎo)致了配電線路線損率高，運行不經(jīng)濟(jì)。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(wǎng)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(jìn)行前后對比測試，其節(jié)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(jié)能效果。

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

2 6 kV 配電線路無功補(bǔ)償

2.1 功率因數(shù)指標(biāo)分析

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

根據(jù)電工學(xué)原理，功率因數(shù)與有功功率、無功功率、視在功率等存在等式關(guān)系：

式中：S為視在功率，kVA；P為有功功率，kW； cos?為功率因數(shù)，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(shè)線路電阻為r，則線路損耗為I2r。因為，當(dāng)輸電線路的電壓和傳輸?shù)挠泄β室欢〞r，由式（2）可知，輸電線上的電流與功率因數(shù)成反比。功率因數(shù)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(shù)成正比。功率因數(shù)低，變壓器利用率降低。以容量500 kVA 變壓器為例，若功率因數(shù)為0.9， 則變壓器輸出有功功率450 kW，功率因數(shù)為0.6 時，變壓器輸出有功功率300 kW。功率因數(shù)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(shù)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(bǔ)償節(jié)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(fù)載時，電能全部轉(zhuǎn)換成熱能，在通過純?nèi)菪曰蚣兏行载?fù)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(wǎng)中的用電負(fù)荷為感性負(fù)荷，此時的功率因數(shù)小于1。通常提高功率因數(shù)常用的方法是在感性負(fù)載兩端并聯(lián)電容器，對無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，從而減小阻抗角，提高功率因數(shù)，簡稱無功補(bǔ)償。

感性負(fù)載并聯(lián)電容提高功率因數(shù)原理見圖1。并聯(lián)電容器前，線路的阻抗角為負(fù)載的阻抗角?1，線路的功率因數(shù)為cos?1，線路的電流為I1；并聯(lián)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(fù)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(shù)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(fù)載并聯(lián)電容提高功率因數(shù)原理Fig.1 Inductive load parallel capacitor to improve power factor

2.3 6 kV 配電線路無功補(bǔ)償節(jié)能效果

采油三廠相關(guān)技術(shù)人員以提高線路功率因數(shù)作為切入點，對低功率因數(shù)配電線路架設(shè)電容補(bǔ)償裝置。電容補(bǔ)償裝置的作用是對配電線路進(jìn)行無功補(bǔ)償，消除滯后電流，提高功率因數(shù)，降低配電線路損耗。對薩北油田12 條6 kV 配電線路應(yīng)用無功補(bǔ)償裝置前后進(jìn)行對比測試，裝置節(jié)能效果見表3。線路平均功率因數(shù)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(jié)能效果Tab.3 Energy conservation effect of device

3 節(jié)能量測算及推廣應(yīng)用

3.1 應(yīng)用節(jié)能型變壓器節(jié)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(jié)能型S11 型變壓器測試數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)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(yīng)用無功補(bǔ)償裝置節(jié)能量測算

通過對薩北油田12 條6 kV 配電線路應(yīng)用無功補(bǔ)償裝置前后測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，補(bǔ)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(bǔ)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(yīng)用

以薩北油田二西、三西區(qū)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(yīng)用節(jié)能型變壓器和無功補(bǔ)償裝置兩種技術(shù)進(jìn)行測算，5 條線路所帶233 臺變壓器全部更換為S11 型節(jié)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(bǔ)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(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤143.05 t。

4 結(jié)論

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

1）應(yīng)用節(jié)能型變壓器。油田電網(wǎng)具有變壓器多而分散、井用變壓器負(fù)載系數(shù)低的特點，應(yīng)用節(jié)能型變壓器可有效降低變壓器空載損耗和負(fù)載損耗，提高變壓器運行效率。

2）6 kV 配電線路安裝無功補(bǔ)償裝置。油田電網(wǎng)主要用電設(shè)備大部分為電動機(jī)，普遍存在無功功率建立磁場的情況。特別是抽油機(jī)用電動機(jī)，由于抽油機(jī)采油的特殊性，導(dǎo)致抽油機(jī)匹配電動機(jī)多處于輕載狀態(tài)，加之產(chǎn)液量的逐年遞減，無功功率占比呈現(xiàn)上升趨勢。配電線路安裝無功補(bǔ)償裝置是提高油田配電網(wǎng)功率因數(shù)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(guī)模5 條6 kV 配電線路為例，組合應(yīng)用兩項節(jié)能措施后，預(yù)計每年可降低損耗電量約47.29×104kWh，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤143.05 t，為油田電網(wǎng)推廣應(yīng)用兩項節(jié)能措施提供了數(shù)據(jù)參考。