关键词:油区配电系统;抽油机电机;功率因数;补偿
1 引言
目前中原油田电网110kV系统的平均功率因数达到了0.95以上，满足了国家有关规定的要求。但油区配电系统的功率因数长期偏低，一般油区在。-7-0.8左右，个别油区甚至在0.6以下，造成低压配电线路线损过大，电能浪费十分严重，系统的整体经济效益下降。因此根据油区配电网的电力负荷性质，研究配电网无功补偿方案，提高配电系统功率因数，是减少电网损耗、节约电能、提高经济效益的最佳途径。
2 油区用电负荷的分类
油区用电负荷根据其运行特点可分为三大类:第一类为抽油机负荷，此类负荷是一种依抽油机的冲程为周期连续变化的周期性负荷，在一个周期内，每时每刻的负荷是不同的。这类负荷占油区总负荷的80%以上;第二类负荷为包括各种水泵、油泵在内的各类连续性负荷，此类负荷的运行特点是:电机起动后，负荷是基本不变的;第三类负荷是照明负荷，此类负荷仅在照明时间运行，运行时的负荷也是基本不变的。
3 酉己电系统无功补偿现状及主要问题
3.1 配电系统无功补偿现状
油区配电系统绝大部分采用了35kV直配的供电方式，配电变压器和低压配电装置设在计量站内，再由计量站经低压电缆辐射配电至抽油机电机。一般在计量站采用自动分级无功补偿装置进行集中无功补偿，也有部分厂、站采用了就地固定补偿方式。各采油厂抽油机井数及油区配电线路功率因数统计情况。
3.2存在的主要问题
根据《 供 用营业规则》规定:l00kVA及以上高压供电用户，在当地供电企业规定的电网高峰负荷时功率因数应为0.9以上。由表1可看出，油田油区配电系统的功率因数远未达到此要求，其主要原因如下:
(1) 补偿位置选择不理想，由于抽油机电机的无功补偿装置一般安装在计量站，因此通过抽油机电机低压配电线路的无功功率不能得到有效的补偿，低压线路损耗太大，据估算，额定容量为55kW的抽油机电机，配电线路长度不足300M的配电线路的线损率一般都在10%以上，每年运行时间按330天计算，单井的年电量损失达5000kW.h 以上。
(2) 补偿容量不适，目前计量站内安装的无功集中补偿装置的容量一般为120kvar。以当前常用的55kW电动机计算，需要补偿无功功率约30kvar，则一座计量站按8口抽油机井计算，需要补偿无功功率为240kvaro
(3) 自动补偿装置采用按功率因数高低，用交流接触器进行分级投切方式，而抽油机电机的功率因数在抽油机的一个冲程内变化极大，造成接触器动作频繁，极易损坏。以常用的C1-20型接触器为例，该接触器在AC3工作制下的电寿命为100^-104次。当此接触器用于计量站的无功补偿切换开关时，按每分钟开合1次计算(与抽油机的冲数、同时工作的抽油机数
量等有关，实际每分钟开合次数不止1次)，有效工作寿命也仅为2年。因此按功率因数的高低，调节无功补偿容量的自动补偿装置达不到预期补偿目的。
(4) 油区供电电压波动太大(一般在10%以上)，而按正常运行设计的电容器在电压升高到1. 15U。超出自动装置的设定范围时，就要退出运行而失去补偿作用。
(5) 设备工作条件不良，如运行电压长期偏高、维护检修不及时等，电气元件的非正常损坏严重。
4 无功补偿技术的研究
从上述对油区用电负荷的分类可以看出，抽油机电机负荷是决定整个配电网功率因数的关键因素，要想提高整个配网的功率因数，必须研究抽油机的负荷特点和抽油机电机的运行特性，计算电动机运行时的无功功率，才能提出切实可靠的无功补偿方案，达到提高功率因数、降低线路损耗、提高效益的研究目的。
4.1 抽油机负荷的特点
根据大量的现场测试及理论分析，抽油机负荷的特点为:
(1) 抽油机的负荷是一个变化极大的脉冲负荷，驱动这样负荷的电动机起动较为困难，而且要求电机应具有较大的起动力矩;
(2) 抽油机在工作中有一个输出功率的过程，输出功率的大小时间随抽油机的实际工况不同而不同，因此抽油机在运行过程中，将有一个驱动电动机发电运行的过程，其曲线如图1所示。M 为减速箱输出轴上的扭矩，Z为减速箱输出轴的角度。
4.2 抽油机电机的运行状态分析
众所周知，抽油机是靠电动机为原动力的，通过皮带、减速箱、四连杆机构拖动数吨重的抽油杆做上下往复运动。抽油杆的每一个上下往复运动称为一个周期(冲次)。在抽油杆向上运动的半个周期，电动机要克服抽油杆及采液的重力而做功。在抽油杆向下运动的半个周期，因抽油杆动能与平衡块的势能差，常常会出现电动机被拖动旋转的转速超过同步转速的现象，此时，电动机变为发电机向电网反输电能。因此，在抽油机运行的一个周期内，电动机根据抽油机的平衡情况，呈以下三种运行状态:重负荷一轻负荷一重负荷;重负荷一轻负荷一空载一轻负荷一重负荷;重负荷一轻负荷一空载一发电一空载一轻负荷一重负荷。其中前两种运行状态为电动机状态，后一种为发电机状态。
因此概括对抽油机负荷特点及运行状态的分析，可得出如下结论:
(1) 当抽油机电机拖动机械负荷运行时，电机处于电动机工作状态，此时电机从电网吸收有功和无功功率;
(2) 当机械负荷拖动抽油机电机运行时，电机处于发电机工作状态，此时电机从电网吸收无功功率，向电网送出有功功率;
(3) 根据电机理论:电动机状态时，电机从电网吸取的无功功率其大小与电机的设计、制造和运行参数有关;发电机状态时，电机必须从电网吸取无功电流激磁，才能建立电机端电压，向电网输出有功功率。由于此时的S=0，电机从电网吸取的无功功率即为电机的空载功率。而空载功率的大小亦与电机的设计、制造工艺、材料的选用等有关。因此无论抽油机电动机工作在何种状态，从电网中吸收的无功率基本是恒定的;
(4) 据以上分析，按照图1给出的扭矩曲线，求得抽油机电机的功率曲线如图2(其中Q2(i )为 电动机无功功率kvar,P2(i)电动机有功功率kW,S2 (i)电动机视在功率kVA)，求功率因数曲线。
4.3 抽油机电机无功补偿方式、容最的确定及装置简介
(1) 抽油机电动机无功补偿方式确定
根据以上分析:不论抽油机电机处于什么状态，都要从电网吸收一定的无功功率，所以最简单的补偿方式即在电机旁加一适当容量的电力电容器进行补偿。由于无功功率也在一定范围内波动，如果采用自动补偿装置，将会得到更好的补偿效果，但其造价将是固定补偿装置的5-10倍，因此在采用固定补偿效果能够达到预定指标的情况下，不再考虑安装自动补偿装置。
(2) 无功补偿容量的确定
按照《 供 配电系统设计规范》GB50052-9 5规定:第5.0.4条无功补偿容量宜按无功功率曲线或无功补偿计算的方法确定。第5.0.5条无功补偿装置的投切方式，具有下列情况之一时宜采用手动投切的无功补偿装置。①补偿低压基本无功功率的电容器组;②常年稳定的无功功率。第5.0.10条接在电动机控制设备侧电容器的额定电流，不应超过电动机励磁电流的0. 9倍，其馈电线和过电流保护装置的整定值，应按电动机一电容器组的电流确定。按照上述分析及国家标准规定，抽油机电机采用就地固定补偿时，补偿容量宜按电动机的实测最小无功的90%左右确定。
(3) 无功就地补偿装置简介
综上所述，结合实际情况，我们研制开发了一种无功就地固定补偿装置。该装置为箱式结构，内附电容器及自动空气开关等。其额定电压为交流400V ,额定频率50Hz，装置有较强的抗过压能力，允许在1. 2U。下长期运行，具有防爆、拒燃、无污染、防盗、防振、防阳光辐射功能，投切方式为手动即与电动机的投切同步，极适合于油田野外运行环境条件。主设备电容器为干式银锌镀膜边沿加厚，有较强击穿自愈能力。电容器的保护采用元件熔丝保护。目前我局油区抽油机电机的额定容量一般在45-55kW，因此共设计了三种型式的补偿装置，以满足实际需要。每种型式的补偿装置通过调节电容器输出端子的接线，都可输出三种不同的容量，其中型式一为15士3kvar,型式二为19士3 kvar、型式三为27士3kvar。
5 应用情况及效益分析
根据研究结论，我们对油田2500多口抽油机井实施了无功就地补偿，实际补偿后的平均指标为:平均每口抽油机井电机无功补偿容量为18.8 75kvar，补偿后平均功率因数由补偿前的0. 457提高到0. 899，提高了96.7 ;平均每口抽油机井的线损功率由1.18 5kW减少到。. 735kW，减少了38.0%;平均线损率由补偿。前的7.681%降低到3.095写，降低了59.70o，远远达到了国家规定的低压供电线路的线损标准。实施补偿后平均每口油井年可节电6126kWh。单井补偿装置2300元/台，250。口油井共投资为575万元，而年共节电1532X1 04kW h以上。若电费按0.5元/kWh计算，全油田年可节省电费开支760万元以上，因此投资回收期不到一年。
6.结论
(1) 进行抽油机电机无功就地补偿，经前后测试对比反映了补偿后的效果显著。
(2) 抽油机电机采用无功就地固定补偿完全可以达到理想的补偿效果，因此没有必要采用自动补偿装置进行补偿。
(3) 在没有投入大量资金的情况下，中原油田油区普遍采用抽油机电机无就地固定补偿，从而使油区低压配电系统的功率因数大幅度的提高达到0.85以上，线损大幅度的降低在5%以下，达到了节能降耗之目的。
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