油田抽油機(jī)供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难芯颗c應(yīng)用

1、油田抽油機(jī)供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难芯颗c應(yīng)用張小寧1 張寶貴1 陸則印1 林峰2 姚寶琪2(1勝利石油管理局生產(chǎn)管理部，山東東營(yíng) 257001；2.北京電聯(lián)力光電氣有限公司，北京 100085)RESARACH AND APPLICATION OF REACTIVE POWER COMPENSATION OF DISTRIBUTION SYSTEMFOR OIL-PUMPING UNITSZhang Xiaoning Zhang Baogui Lu Zeyin Lin feng Yao Baoqi(1.Shengli Petroleum Administration, Dongying Shando

2、ng 257001, China；2. Beijing Dianlian-liguang Electrical Co. Ltd,Beijng,100085,China)11 122ABSTRACT：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 of oil-pu

3、mping units ,a reactor controlled reactive power compensation equipment has been developed .And The technology character ,using method and applying example have been introduced in detailKEY WORDS：Distribution system; reactive power compensation; reactive power; motor摘要：為提高油田采油系統(tǒng)1140V供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，在對(duì)油田抽油

4、機(jī)負(fù)荷特點(diǎn)和運(yùn)行狀態(tài)，以及抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)無(wú)功補(bǔ)償?shù)拇嬖趩?wèn)題、影響因素等進(jìn)行詳細(xì)分析基礎(chǔ)上，研制了一種用電抗器控制無(wú)功的無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償箱，并詳細(xì)介紹了補(bǔ)償箱的技術(shù)特點(diǎn)、使用方法和實(shí)際應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞：配電系統(tǒng) 無(wú)功補(bǔ)償 無(wú)功功率 電動(dòng)機(jī) 中圖分類號(hào)：統(tǒng)的無(wú)功問(wèn)題，對(duì)抽油機(jī)負(fù)荷特點(diǎn)、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等問(wèn)題進(jìn)行了認(rèn)真研究，研制1140V的無(wú)功補(bǔ)償及電動(dòng)機(jī)控制箱，實(shí)際使用表明能很好地抽油機(jī)這種特殊負(fù)荷的無(wú)功問(wèn)題。2 抽油機(jī)負(fù)荷特點(diǎn)及運(yùn)行狀態(tài)2.1 抽油機(jī)負(fù)荷特點(diǎn)不同油井抽油機(jī)的負(fù)荷曲線不同，抽油機(jī)負(fù)荷是一種與井下工況和平衡情況有關(guān)，依抽油機(jī)沖程為周期連續(xù)變化的周期性負(fù)荷。抽油機(jī)負(fù)荷主要有以下特點(diǎn)。11

5、引言油田采油抽油機(jī)用電環(huán)境惡劣，人為竊電現(xiàn)象十分普遍，為防竊電油田抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)不得不采用1140V電壓等級(jí)供電。為降低供電系統(tǒng)低壓線路損耗，抽油機(jī)供電多采用變壓器-電動(dòng)機(jī)單元接線方式。由于抽油機(jī)工況復(fù)雜、供電電壓偏高和供電方式的特殊性，給采油供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備選擇及無(wú)功補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)增加了難度，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的功率因數(shù)長(zhǎng)期偏低，一般在0.30.4左右，個(gè)別井功率因數(shù)在0.2以下。而電能計(jì)量則同時(shí)計(jì)量消耗有功電量和無(wú)功電量。這種情況必然導(dǎo)致供電系統(tǒng)網(wǎng)損過(guò)大，供電部門要向采油單位收取功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)，這對(duì)采油單位無(wú)疑增大采油生產(chǎn)的成本，使采油生產(chǎn)的整體經(jīng)濟(jì)效益下降。為使抽油機(jī)供電功率因數(shù)達(dá)到規(guī)定的要求

6、，解決好1140V抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)系圖1 抽油機(jī)負(fù)荷轉(zhuǎn)矩和功率變化曲線 Fig.1 the curve of the power and torque of anoil-pumping unit（1）抽油機(jī)負(fù)荷是變化極大的連續(xù)周期性負(fù)荷。變化頻率常用沖程表示，抽油機(jī)沖程一般來(lái)說(shuō)為612次/分鐘，即變化周期為510秒。 （2）變化周期的上下兩個(gè)沖程各有一個(gè)死點(diǎn)，抽油機(jī)停車后再起動(dòng)時(shí)，總是從兩個(gè)死點(diǎn)中負(fù)載較大的死點(diǎn)開始起動(dòng)。因此，要求抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。（3）抽油機(jī)負(fù)荷轉(zhuǎn)矩和功率變化曲線如圖1所示。從圖中可以看出，抽油機(jī)在工作存在發(fā)電運(yùn)行過(guò)程，其輸出功率的大小和時(shí)間，隨抽油機(jī)工作的實(shí)際工

7、況不同而不同。抽油機(jī)負(fù)荷特點(diǎn)決定選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須按最大扭矩選配電動(dòng)機(jī)。實(shí)際中考慮到砂卡、結(jié)蠟等異常時(shí)，不致因起動(dòng)困難燒毀電動(dòng)機(jī)，通常還要人為增大電動(dòng)機(jī)裕量，這無(wú)疑加劇“大馬拉小車”現(xiàn)象，使得電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期在低負(fù)荷下運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)負(fù)載率低影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB12497-1995規(guī)定，Y系列37kW的6極電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率在0.40以上時(shí)為經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。一般情況下，電動(dòng)機(jī)效率、功率因數(shù)與負(fù)載率關(guān)系曲線如圖2所示。圖中a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的負(fù)載率稱為臨界負(fù)載率0。從圖2曲線可看出：當(dāng)負(fù)載率<0.70時(shí)，功率因數(shù)隨負(fù)載率下降很快。圖2 效率、功率因數(shù)與負(fù)載率的關(guān)系曲線 Fig.2 the relation

8、 of efficiency and power factor功率因數(shù)低下不僅增加電動(dòng)機(jī)本身?yè)p耗，而且給電網(wǎng)造成附加損耗，降低電網(wǎng)供電能力和變壓器設(shè)備的利用率。2.2 抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分析根據(jù)對(duì)抽油機(jī)負(fù)荷特點(diǎn)和機(jī)理分析，以及大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試可得到如下結(jié)論：抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)在正常工作時(shí)，根據(jù)抽油機(jī)機(jī)械負(fù)荷的變化，電動(dòng)機(jī)可能有兩種完全不同的工作狀態(tài)：當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)機(jī)械負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收有功和無(wú)功功率；當(dāng)機(jī)械負(fù)荷拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，向電網(wǎng)送出有功功率。而但無(wú)論電動(dòng)機(jī)工作在那種狀態(tài)，都要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率。電機(jī)處于發(fā)

9、電狀態(tài)時(shí)，由電機(jī)理論可知，電機(jī)從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率即空載無(wú)功功率，其大小與電機(jī)的設(shè)計(jì)方法、材料選用和制造工藝等直接相關(guān)。而電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，無(wú)功功率變化則與電動(dòng)機(jī)負(fù)載大小有關(guān)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明：抽油機(jī)上、下沖程的負(fù)荷變化，會(huì)引起1kvar無(wú)功變化。3 抽油機(jī)供電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償研究油田1140V的抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)絕大多數(shù)采用6kV直配供電、變壓器-電動(dòng)機(jī)單元接線方式，在變壓器低壓側(cè)計(jì)量消耗的有功電量和無(wú)功電量，這種系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)端實(shí)施就地分散無(wú)功補(bǔ)償是最佳補(bǔ)償方案。對(duì)在電動(dòng)機(jī)控制箱加電容器進(jìn)行固定補(bǔ)償，筆者和相關(guān)部門做過(guò)很多試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)軌虻玫捷^好的補(bǔ)償效果，可以使功率因數(shù)達(dá)到0.85以上。但是，

10、大范圍使用卻暴露出很多問(wèn)題，難達(dá)到十分理想的補(bǔ)償效果。3.1 電容器選擇匹配問(wèn)題用電容器實(shí)施固定就地補(bǔ)償?shù)碾娙萜魅萘?，一般按下式?jì)算確定QC (0.950.98)3UI0（1）式中：U電動(dòng)機(jī)的電壓，kV；I0電動(dòng)機(jī)的的空載電流，A。從計(jì)算公式可以看出，當(dāng)電動(dòng)機(jī)電壓一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的空載電流也是一定的，所以補(bǔ)償容量QC就是固定的。實(shí)踐表明，這種理論上的選擇方法對(duì)負(fù)載率較高的電動(dòng)機(jī)，能得到較好的補(bǔ)償效果，而對(duì)抽油機(jī)這種工況復(fù)雜、負(fù)載率很低的電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償效果卻很差，功率因數(shù)得不到保證。試驗(yàn)表明，同樣的電動(dòng)機(jī)、相同的補(bǔ)償容量，電動(dòng)機(jī)負(fù)載率不同時(shí)補(bǔ)償?shù)男Ч煌?，抽油機(jī)周期性負(fù)荷的變化，也會(huì)使無(wú)功功率發(fā)生變化

11、。雖然通過(guò)實(shí)際測(cè)試和進(jìn)行調(diào)試，固定補(bǔ)償在一段時(shí)期能保證功率因數(shù)在0.85以上，但之后會(huì)隨井下工況變化而發(fā)生改變。另外，抽油機(jī)電機(jī)分22、30、37、45、55kW等多種容量，電機(jī)極數(shù)有六極、八極的不同，電容器規(guī)格也不同，電機(jī)還有新、舊之分（大量電機(jī)經(jīng)過(guò)多次修理），這些因素對(duì)補(bǔ)償無(wú)功都有很大影響。因此，測(cè)試和調(diào)試的工作量非常大，而大量的測(cè)試和調(diào)試工作現(xiàn)場(chǎng)人員是難以很好完成的。3.2 過(guò)補(bǔ)引起的無(wú)功倒送問(wèn)題由于抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償無(wú)功情況復(fù)雜，及使功率因數(shù)達(dá)標(biāo)是用戶追求的目標(biāo)，一些文獻(xiàn)介紹固定補(bǔ)償功率因數(shù)能達(dá)標(biāo)的實(shí)例2，其補(bǔ)償電容器可能會(huì)處在過(guò)補(bǔ)狀態(tài)。另外，固定補(bǔ)償?shù)目刂撇捎玫氖桥c電動(dòng)機(jī)同時(shí)投切的控制

12、方法，由于補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功大于電動(dòng)機(jī)的空載激磁無(wú)功，切除時(shí)常會(huì)引發(fā)自激而損壞電容器。過(guò)補(bǔ)引起的無(wú)功倒送是電力系統(tǒng)所不允許的，因?yàn)樗鼤?huì)增加線路和變壓器的損耗，加重供電線路的負(fù)擔(dān)。因?yàn)?，線路、變壓器電能損耗與電流有效值平方成正比，并不會(huì)因?yàn)楣β史此投鴾p小。另外，油田采油供電系統(tǒng)不考慮方向的無(wú)功電量計(jì)量方式，無(wú)功倒送也會(huì)使結(jié)算功率因數(shù)降低，使補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益下降。因此，無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)避免出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)現(xiàn)象，而抽油機(jī)無(wú)功補(bǔ)償情況復(fù)雜，上下沖程負(fù)荷變化很大，采用固定補(bǔ)償使功率因數(shù)達(dá)標(biāo)，出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)是難以避免的。 3.3系統(tǒng)諧波的影響問(wèn)題電容器具有一定的抗諧波能力，但諧波含量過(guò)大時(shí)會(huì)對(duì)電容器的壽命產(chǎn)生影響，甚至造成電容器的過(guò)早

13、損壞。勝利油田采油供電系統(tǒng)用有部分變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，實(shí)測(cè)表明采油供電系統(tǒng)存在諧波的影響問(wèn)題，而這一問(wèn)題往往被忽視，導(dǎo)致一些電容器莫名其妙地?fù)p壞。另外，1140V電容器補(bǔ)償投切涌流大，以及電容器大切除時(shí)可能發(fā)生自激，這些都是補(bǔ)償設(shè)計(jì)必須考慮的問(wèn)題。 3.4 關(guān)于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題由于抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)無(wú)功補(bǔ)償情況復(fù)雜，大范圍推廣固定補(bǔ)償存在困難和補(bǔ)償效果不理想，如何解決抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)無(wú)功補(bǔ)償成為需要研究的課題，大家自然會(huì)想到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。而采油生產(chǎn)采用1140V供電目的是防止偷電問(wèn)題，但也給無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)施增加了難度。與380V供電相比，1140V的刀開關(guān)、斷路器、電容器等設(shè)備的要求高，設(shè)備的價(jià)格高和裝置

14、的體積大。抽油機(jī)負(fù)荷的變化快，解決動(dòng)態(tài)補(bǔ)償問(wèn)題需要依賴電力電子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于電力電子器件制作工藝方面的原因，目前無(wú)法制造高耐壓、小電流的晶閘管元件，而且高耐壓的晶閘管器件價(jià)格非常高。采用晶閘管串聯(lián)技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)、控制上復(fù)雜，成本也很高。對(duì)1140V、功率因數(shù)0.85時(shí)的55kW電動(dòng)機(jī)，可計(jì)算其額定電流在24A左右，并且需要?jiǎng)討B(tài)補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功只有幾千乏。因此，對(duì)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)用晶閘管實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，需要的投資相比較高，性價(jià)比比較差。通過(guò)上述的分析和研究可知，由于正常運(yùn)行時(shí)抽油機(jī)的負(fù)荷率非常低，影響因素多，供電電壓高，對(duì)抽油機(jī)這種特殊負(fù)荷的無(wú)功補(bǔ)償，有很多問(wèn)題有待研究和解決。4 電抗器控制的補(bǔ)償裝置研制在

15、上述需求分析、研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)、研制了一種通過(guò)電抗器控制無(wú)功的1140V抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)控制箱，補(bǔ)償控制箱主接線如圖3所示。無(wú)功補(bǔ)償控制箱電容器分為兩組，固定補(bǔ)償和3或4千乏左右的可調(diào)補(bǔ)償。固定補(bǔ)償電容器承擔(dān)電動(dòng)機(jī)的空載無(wú)功，可調(diào)部分受電壓調(diào)節(jié)器的控制，隨抽油機(jī)負(fù)荷變化調(diào)節(jié)、補(bǔ)償變動(dòng)無(wú)功，變動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償由電壓調(diào)節(jié)器控制電抗器實(shí)現(xiàn)。專用電動(dòng)機(jī)保護(hù)器用于過(guò)流、短路和缺相保護(hù)。 鑒于油田1140V抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)的特殊性，根據(jù)開發(fā)、設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)考慮了實(shí)際中的各種情況，使裝置具有以下幾方面特點(diǎn)。（1）電容器是補(bǔ)償控制箱的易損壞設(shè)備，通常電容器損壞最主要原因是過(guò)電壓和過(guò)電流，標(biāo)準(zhǔn)電容器的允許過(guò)電壓1.1U

16、N?？紤]到真空接觸器操作、補(bǔ)償系統(tǒng)可能出現(xiàn)的自激等過(guò)電壓影響，補(bǔ)償箱采用非標(biāo)準(zhǔn)、專門設(shè)計(jì)的高耐壓、抗諧波電容器，電容器的絕緣膜為法國(guó)進(jìn)口絕緣膜。圖3 電動(dòng)機(jī)無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償箱的接線Fig.3 the wiring diagram reactive power compensationunit for a motor（2）抽油機(jī)用1140V電壓供電，電容器投入時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的浪涌電流。為限制浪涌電流和考慮系統(tǒng)諧波的可能影響，固定補(bǔ)償電容器回路也串有專門設(shè)計(jì)、制造的限流電抗器，且LC串聯(lián)回路的調(diào)諧頻率選擇為189Hz。另外，電抗器設(shè)計(jì)要選擇好電抗器鐵芯線性度，以保證其在投切涌流和額定電壓畸變下不會(huì)發(fā)生飽

17、和。（3）補(bǔ)償控制箱斷路器用國(guó)內(nèi)信譽(yù)好、高質(zhì)量的真空接觸器；電動(dòng)機(jī)的過(guò)流、缺相保護(hù)器采用現(xiàn)場(chǎng)人員熟悉、習(xí)慣的產(chǎn)品；電壓調(diào)節(jié)器是自己開發(fā)的專用補(bǔ)償控制器。另外，為方便電容器安裝、調(diào)試和運(yùn)行監(jiān)視，補(bǔ)償控制箱內(nèi)安裝有功率因數(shù)表，以便于掌握補(bǔ)償情況、方便調(diào)試或及時(shí)更換固定補(bǔ)償電容器。 5補(bǔ)償控制箱的使用調(diào)試由于抽油機(jī)使用的電動(dòng)機(jī)容量不同，電機(jī)極數(shù)有六極或八極等差別，以及新、舊電機(jī)消耗無(wú)功不同，使用本文補(bǔ)償控制箱也需要進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)試，首先是按表1選擇固定電容器。前面已經(jīng)提到過(guò)，本文設(shè)計(jì)的補(bǔ)償箱采用非標(biāo)準(zhǔn)、專門設(shè)計(jì)的高耐壓、抗諧波電容器，考慮到不同容量、不同極數(shù)電動(dòng)機(jī)的通用性，用于固定補(bǔ)償?shù)碾娙萜饔?2、1

18、5、18、22、24kvar幾種規(guī)格，通過(guò)組合構(gòu)成固定補(bǔ)償電容器。表1 1140V鼠籠式電動(dòng)機(jī)電容器配置容量 Tab1 the compensating capacity for induce motorwith 1140V 電動(dòng)機(jī)容量電容器容量（kvar） （kW） 六極 八極 十極 22 12 15 18 30 15 18 22 37 18 22 24 45 22 24 30 55 24 30 36 75303648可調(diào)補(bǔ)償部分電容器設(shè)計(jì)有3、4kvar兩種規(guī)格，電壓調(diào)節(jié)器檢測(cè)電源端的功率因數(shù)，輸出端控制電抗器實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)變化無(wú)功負(fù)荷的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，補(bǔ)償系數(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)器設(shè)置。實(shí)際試驗(yàn)表明，要想取得

19、十分理想的補(bǔ)償效果，關(guān)鍵在于固定補(bǔ)償電容器的選擇。表1給出的補(bǔ)償容量配置是根據(jù)電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)給出的結(jié)果。由于抽油機(jī)工況復(fù)雜，特別是實(shí)際調(diào)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)多次修理的舊電機(jī)有功、無(wú)功消耗增加都很大，因此補(bǔ)償箱安裝前后必須進(jìn)行測(cè)試，調(diào)試好后再投入運(yùn)行。另外，對(duì)性能和參數(shù)有較大變化的高耗能舊電機(jī)應(yīng)淘汰。 抽油機(jī)電機(jī)控制箱一般是由多家生產(chǎn)的，生產(chǎn)廠家對(duì)不同抽油機(jī)性能、電機(jī)極數(shù)等情況并不十分清楚。因此，補(bǔ)償箱電容器配置應(yīng)由有關(guān)單位統(tǒng)一負(fù)責(zé)，這一點(diǎn)非常重要。處理好調(diào)試和管理工作，就能得到最理想的補(bǔ)償效果。6 結(jié) 語(yǔ)油田抽油機(jī)負(fù)荷特殊、工況復(fù)雜，因此抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題復(fù)雜。本文研究、試驗(yàn)的結(jié)果表明，對(duì)固定補(bǔ)償如果調(diào)試好，能使功率因數(shù)達(dá)到0.85左右，但大范圍應(yīng)用的調(diào)試工作量大，因而難達(dá)到十分理想的補(bǔ)償效果。本文提出和研制的1140V動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制箱，能夠動(dòng)態(tài)補(bǔ)償抽油機(jī)負(fù)荷的變化無(wú)功，實(shí)踐表明能得到十分理想的補(bǔ)償效果，并且具有可靠性高、成本低、調(diào)試簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；控制箱在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇和補(bǔ)償控制上，有效地解決了抽油機(jī)這種特殊負(fù)荷無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題。抽油機(jī)采油用電是油田用電大戶，其電費(fèi)支出約占油田總電費(fèi)的40%左右，因此抽油機(jī)供電降損、節(jié)能意義重大。無(wú)功補(bǔ)償是降低線路、變壓器電能損耗和避免無(wú)功罰款的有效措施，但不能降低電動(dòng)機(jī)的電能損