孤網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題及解決方案研究

凡曼，袁靖宇

（1.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190）

對于油田來說，需要建立獨立的電站，利用天然氣進(jìn)行發(fā)電，還有利用柴油進(jìn)行發(fā)電，進(jìn)而為油田工作人員提高正常的生活保障。以自建電站為中心，連同電站周邊處理站或平臺、單井、計量站、注水站、脫氣站、轉(zhuǎn)油站等工藝設(shè)施的供配電系統(tǒng)，構(gòu)成了一套完整的電氣孤網(wǎng)系統(tǒng)。油田配電線路長時間暴露在室外，而且覆蓋面廣、線長、點多，很容易出現(xiàn)故障。如果線路出現(xiàn)問題，不但會影響油田正常工作，還會對配電網(wǎng)安全運行產(chǎn)生威脅。而且隨著科技的發(fā)展，油田供電系統(tǒng)中大量應(yīng)用了非線性負(fù)載，會造成電網(wǎng)電流出現(xiàn)畸變，進(jìn)而出現(xiàn)諧波污染，導(dǎo)致電能質(zhì)量問題。

1 孤網(wǎng)的含義與運行特點

1.1 孤網(wǎng)的含義

孤網(wǎng)是孤立電網(wǎng)的簡稱，顧名思義，就是不與大電網(wǎng)進(jìn)行連接的電網(wǎng)，而且孤網(wǎng)的容量都很小，一般單機(jī)容量占到整體容量的7%左右，也被叫作小電網(wǎng)。如果機(jī)組出現(xiàn)問題，能夠防止由于甩負(fù)荷使電網(wǎng)正常工作受到影響。而且一般將孤網(wǎng)分成大電網(wǎng)與小電網(wǎng)兩種，如果單機(jī)容量大于整體容量的7%，則叫作大電網(wǎng)，如果單機(jī)容量小于整體容量的7%，則叫作小網(wǎng)，小網(wǎng)如果獨立運行，則就是孤網(wǎng)。

1.2 孤網(wǎng)的運行特點

孤網(wǎng)一般是由頻率進(jìn)行控制的，因此調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)要良好，并且在穩(wěn)定性以及靜態(tài)特征方面也要具備良好的基礎(chǔ)，只有這樣才能在負(fù)荷出現(xiàn)變化時，讓電網(wǎng)頻率實現(xiàn)穩(wěn)定運行。因此，操作人員不需要過度關(guān)注負(fù)荷調(diào)整問題，而需要重視孤網(wǎng)調(diào)頻率問題，將頻率保持在一定規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。正如上文提到的，孤網(wǎng)具備較小的容量，熱力勢能和旋轉(zhuǎn)慣量儲存都很低，因此調(diào)速系統(tǒng)要更加靈敏，并保持快速的動態(tài)響應(yīng)水平。

2 油田電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題的危害

電能質(zhì)量問題對旋轉(zhuǎn)設(shè)備和變壓器的主要危害是能夠引起附加損耗和發(fā)熱的增加，此外電能質(zhì)量問題還會引起旋轉(zhuǎn)設(shè)備和變壓器出現(xiàn)振動并發(fā)出噪聲，長時間的振動會造成金屬疲勞和機(jī)械損壞。電能質(zhì)量對線路的主要危害是引起附加損耗，并能夠引起系統(tǒng)的電感、電容發(fā)生諧振，使諧波放大。當(dāng)電能質(zhì)量問題引起系統(tǒng)出現(xiàn)諧振時，諧波電壓升高，引起繼電保護(hù)及安全自動裝置誤動，損壞系統(tǒng)設(shè)備，引發(fā)系統(tǒng)事故，威脅油田電力系統(tǒng)的安全運行。電能質(zhì)量問題還會干擾通信設(shè)備，增加電力系統(tǒng)的功率損耗，使無功補(bǔ)償設(shè)備不能正常運行等。三相不對稱運行也會導(dǎo)致電變壓器電能損耗增加，而且在三相四線制供電網(wǎng)絡(luò)中，中性線上將會出現(xiàn)電流，而且由于存在阻抗，會損耗電能，輸電效率也會隨之降低。

2.1 電壓波動和閃變

電能質(zhì)量出現(xiàn)問題會使用電設(shè)備出現(xiàn)不穩(wěn)定的運行工況，而且會造成電壓出現(xiàn)波動，電壓幅值很容易超出最大范圍。而且在孤網(wǎng)運行時，旋轉(zhuǎn)電機(jī)就會出現(xiàn)額外損耗，進(jìn)而使電機(jī)壽面縮短，工作效率極度下降。

2.2 電壓短時中斷

造成瞬態(tài)電壓出現(xiàn)偏差的因素多種多樣，需要引起有關(guān)人員的重視。影響因素一般有下雨、閃電、強(qiáng)風(fēng)等，而且設(shè)備誤動作同樣會引起瞬態(tài)電壓出現(xiàn)偏差。由于在油田電力系統(tǒng)中應(yīng)用了大量微處理器與計算機(jī)控制的精密儀器，因此對供電質(zhì)量提出了更高要求。

2.3 諧波危害

諧波能夠增加電網(wǎng)損耗，會降低用電設(shè)備的輸電效率與發(fā)電效率。而且還會導(dǎo)致電氣儀表測量的準(zhǔn)確性降低，因此測量結(jié)果與預(yù)期結(jié)果往往會出現(xiàn)偏差；會對用電設(shè)備的實際運行造成嚴(yán)重影響，例如諧波會增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)噪音以及機(jī)械振動，并且容易引入鐵損以及銅損，還會加入過電壓，造成設(shè)備溫度迅速升高，導(dǎo)致設(shè)備絕緣老化加速，降低設(shè)備使用周期；會使自動裝置、繼電保護(hù)等出現(xiàn)誤動作；會對周圍通信系統(tǒng)性成干擾，導(dǎo)致通信質(zhì)量降低。若系統(tǒng)的頻率與諧波的頻率比較接近，還會出現(xiàn)并聯(lián)諧振的情況，會使諧波危害進(jìn)一步擴(kuò)大。

3 油田孤網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題

海外油氣田孤網(wǎng)電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)載，運行中會產(chǎn)生諧波，對整個系統(tǒng)造成諧波污染，影響電能質(zhì)量，嚴(yán)重時可能會影響普通電氣設(shè)備絕緣和電力電容補(bǔ)償裝置及整流設(shè)備的使用壽命。油田的孤網(wǎng)電力系統(tǒng)包括完整的發(fā)、輸、變電系統(tǒng)，在石油行業(yè)中，現(xiàn)有電動機(jī)有交流電驅(qū)動以及直流電驅(qū)動兩種，而且不論何種形式，都是通過開關(guān)元件動作實現(xiàn)能量變化的，大部分輸出功率通過可控硅整流后對電動機(jī)進(jìn)行直流控制，所以會出現(xiàn)大量諧波，而且在直流驅(qū)動的電鉆機(jī)中，除了含有大量諧波，還會造成功率因素下降，不但導(dǎo)致電站供電能力下降，還會出現(xiàn)嚴(yán)重的產(chǎn)能浪費。

絕大多數(shù)的油田鉆井系統(tǒng)使用了較多的頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤、絞車、泥漿泵等設(shè)備，而且這些設(shè)備一般是由直流電動機(jī)或變頻器提供電源的，會使用到六脈沖整流技術(shù)。并且這些設(shè)備一般是聯(lián)合作業(yè)，需要多臺變頻柜一起進(jìn)行工作，在AC—DC期間會出現(xiàn)5、7、11、13次諧波，電網(wǎng)中會充斥大量諧波，不但會使系統(tǒng)出現(xiàn)諧波污染，還會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)無法正常運行。THDI能夠超過30%，并且獨立供電后THDU保持在20%，最大能超過30%。此外若電網(wǎng)中出現(xiàn)諧波，還會增加無功功率，造成功率因數(shù)降低，嚴(yán)重的還會出現(xiàn)串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振。如果鉆機(jī)系統(tǒng)是靠直流電動機(jī)驅(qū)動的，也會使功率因數(shù)降低，需要系統(tǒng)提供無功功率。此外絞車工作時切換頻繁，需要在滿載與空載間不斷切換，會增加無功電流波動。例如鉆井絞車在進(jìn)行工作時，載率切換頻繁，負(fù)載也會不斷變化，當(dāng)絞車滿載時，功率因數(shù)保持在0.4左右，空載時功率因數(shù)為0.8左右，由于符合沖擊性變化會使電壓出現(xiàn)嚴(yán)重波動，供電質(zhì)量也會因此受到影響，會使小電網(wǎng)系統(tǒng)增加額外負(fù)擔(dān)，會對用電設(shè)備的安全性與使用效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

4 改善油田孤網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的主要措施

4.1 油井動態(tài)無功自動補(bǔ)償

在油井電網(wǎng)系統(tǒng)中，應(yīng)用無功功率動態(tài)自動補(bǔ)償措施，會改善無功功率動態(tài)補(bǔ)償。如果負(fù)荷發(fā)生變化，會造成電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓出現(xiàn)偏差，這也是出現(xiàn)電壓偏差的根本原因。所以通過無功功率動態(tài)自動補(bǔ)償能夠徹底解決這一問題，而且是目前最好的解決途經(jīng)。對同步電動機(jī)勵磁電流進(jìn)行調(diào)整，在規(guī)定的范圍內(nèi)對勵磁電流進(jìn)行調(diào)整能夠使其實現(xiàn)滯后運行，會出現(xiàn)滯后無功功率，進(jìn)而實現(xiàn)改善功率因數(shù)以及調(diào)整電壓偏差的效果。

4.2 諧波治理

在抑制諧波干擾方面，最好的辦法就是增加變頻器的載波頻率。變頻器在剛剛生產(chǎn)時，工作人員會將載波頻率調(diào)至較低值，這樣做的原因是為了防止絕緣柵雙極型晶體管發(fā)生功率損耗。如果載波頻率出廠時為1kHz，若將其調(diào)整到16kHz，功率損耗會增加最多2.5倍，但是發(fā)熱量最多會增加6倍。如果載波頻率得到增加，就會提升輸出電流波形正弦性能。因此通過增加變頻器的載波頻率，能夠起到良好的抑制諧波的效果。此外，為了對變頻器的感應(yīng)干擾以及發(fā)射干擾進(jìn)行抑制，需要對電動波動效應(yīng)進(jìn)行抑制，將電抗器接入輸出電路，對5、7、11、13次諧波抑制效果明顯。

4.3 通過有載調(diào)壓變壓器降低電壓波動

一般來說，無功負(fù)荷只適合將功率因數(shù)補(bǔ)償至0.95左右，但是還有一些負(fù)荷需要電網(wǎng)供電，但這就會出現(xiàn)電壓偏差，因此就需要找到有效的途徑解決這一問題。其中利用有載調(diào)壓變壓器就能很好處理這個問題，不但能減少電壓偏差，還能最大限度地消除電網(wǎng)波動，使電網(wǎng)電能質(zhì)量得到全面的提升。

4.4 減少配電線路故障

對配電電網(wǎng)進(jìn)行技術(shù)改造，能夠使其布置更加合理，在條件允許的情況下能夠降低線路長度，使電能配置更加均衡。此外，通過使用新型的施工水平，在選擇絕緣導(dǎo)線時重視絕緣性，也能提升線路絕緣能力。通過使用新技術(shù)，能夠使線路運行更加可靠。在夏季雷雨季節(jié)，經(jīng)常會出現(xiàn)雷擊等情況，會使電力設(shè)備出現(xiàn)損壞，影響油田電力系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。通過在油田電力系統(tǒng)中應(yīng)用氧化鋅避雷針，能夠降低由雷擊引發(fā)事故的概率。對線路加強(qiáng)巡視，在夜間以及特殊天氣巡視期間要細(xì)心監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)隱患并徹底清除，避免設(shè)備出現(xiàn)重復(fù)跳閘等問題。而且還需要對電氣設(shè)備進(jìn)行試驗，及時處理設(shè)備隱患，對電網(wǎng)進(jìn)行污染處理工作，進(jìn)而提升電能質(zhì)量。

5 結(jié)語

綜上所述，油田電力系統(tǒng)目前正向環(huán)保、節(jié)能方向發(fā)展，但不能忽視其中存在的問題。主要分析了孤網(wǎng)的含義與運行特點、油田電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題的危害、孤網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題以及提高孤網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的主要措施。