油田配电网谐波治理方案及效果分析

1 电网谐波产生的原因及危害

正弦电压加压于非线性负载, 基波电流的正弦波形畸变成不规则非正弦波形, 对非正弦波进行傅立叶分解, 除了基波频率的电量, 基波倍频的成分, 称为谐波。谐波的存在会严重影响电网的安全运行, 主要表现在以下几个方面:

(1) 谐波电流在变压器中, 产生附加高频涡流铁损, 使变压器过热, 降低了变压器的输出容量, 使变压器的噪声增大, 严重缩短变压器的寿命, 甚至损坏变压器;

(2) 谐波电流的趋肤效应使导线等效截面变小, 致使导线过热, 降低绝缘强度, 并且增加线路的损耗;

(3) 谐波电压、电流对附近的通讯设备正常运行产生干扰;影响线路中的保护元件, 引起继电保护或自动系统装置的误操作, 造成意外跳闸、电气测量仪表不准确等等。

(4) 谐波产生的暂时过电压和瞬态过电压破坏设备绝缘, 引发三相短路, 烧毁变压器;谐波电流过大时, 会烧断无功补偿装置的保险丝, 造成无功补偿装置不能投切;流过补偿电容的电流过大, 导致电容过热, 致使无功补偿装置中的电容炸裂。

(5) 谐波电压、电流会引起公共电网中局部产生并联谐振和串联谐振, 造成严重事故。

(6) 大量三次谐波电流在中线上叠加, 会导致中线电流过大, 造成火灾隐患。

2 胜利油田现河厂电网质量存在的问题:

我厂配电网辖75条线路, 线路总负荷容量20.83万k VA;共1837台配电变压器;涉及17座变电站 (其中16座油田的、1座地方的) ;线路总长807公里;通过高压架空线路, 将6k V或10k V的电力输送到油井、注水泵站或输油站等用电侧。

注水和集输站中变频设备在低压配电系统中产生大量的电流谐波, 由于谐波和无功的存在, 各站供电系统存在电压电流畸变较大、电压较大幅度波动、线路损耗高, 严重时容易造成断路器跳闸、电力谐振等系统性事故, 严重影响各站的供电质量。为了稳定可靠的保证各站生产用、保护配电和用电设备, 降低电能消耗, 采油厂对各站电网进行系统优化改造, 进行电网谐波治理。

对部分注水泵站、集输站和转接站等用电侧进行了集中测试, 测试数据可以看出测点配电系统功率因数不达标, 谐波含量超标, 是主要问题, 对输配用电系统造成以下影响:

2.1

用电侧使用了变频装置, 工作时产生了大量谐波, 汇集到整个电网中;

2.2

部分用电设备或线路功率因数偏低, 低于0.85, 导致用电生产设备效率低, 同时造成线路上的电能损耗较大, 功率因数愈低线路压降愈大, 使得用电设备的运行条件恶化;

2.3

功率因数偏低, 降低了变电、输电设施的供电能力, 使电力损耗增加 (网络中的电能损失与功率值平方成反比) ;

2.4

谐波的集肤效应造成变压器线圈、母排、断路器、电缆等电气组件严重发热, 元器件发热会导致火灾、短路等问题, 给供电系统安全造成极大风险;

2.5

谐波会造成系统功率因数低下, 导致系统无功电流急增, 严重降低了变压器的输出能力;

2.6

谐波会产生瞬时过电压, 严重干扰配电系统的弱电系统, 造成控制系统损坏, 导致设备不能正常运行。

3 治理方案

结合各测试点现状情况, 根据有源电能质量综合治理技术路线, 配置两种治理技术方案, 并优选APF技术方案。选取其中一个测试站点进行实例计算分析, 并对采油厂其它站点进行技术方案配置。

4 技术方案的优选

根据APF+C、APF两个技术方案的工作原理、组成及特点的对比。

APF+C方案优点:同时有源消除谐波与无源行无功补偿, 具有部分双向补偿功能;价格相对便宜。缺点:反应速度稍慢、不是完全平滑连续, 仍然不能完全消除电流谐振, 但电容器寿命相对短。

APF方案优点:同时进行无功补偿、谐波治理和三相不平衡治理;具有精确、双向、快速无功补偿能力, 无谐振风险, 完全解决谐波造成的影响。缺点:价格略高。

优选APF技术方案作为本次治理的技术方案。

5 解决的问题

根据谐波污染源的分布情况, 采取变压器低压侧进行集中补偿的方式。

谐波治理目标值:功率因数≥0.95, THDi<5%。

谐波和无功计算及配置如下:以河50注为例, 变压器低压侧视在电流约865.5A, 电流谐波失真率42.78%, 谐波电流为340.4A, 电流失真率降低到5%, 需要的补偿的谐波电流为300A, 功率因数0.88, 补偿到0.95需要的无功容量为0kvar, 见表6。考虑用电负载增加和安全余量, 采用2套180A有源滤波器综合治理谐波和补偿无功。

6 效果分析

6.1 经济效益

在保证电能质量前提下, 最大限度提高节电效果和减少投资, 综合评估各站点可选技术方案配置, 确定优选配置方案。

在保证各配电室电网质量提高的前提下, 设备费安装及施工费用为456万元, 每年节约电量约2330160Kw·h, 每年节约电费支出:

2330160×0.6=1398096元

预计投资回收期预计在3.26年。此后每年预计产生收益139.8万元。

6.2 社会效益

随着采油厂的用电环境日趋复杂, 对用电质量需求的不断提高, 谐波治理可以减少无功功率高, 功率因数低, 电流谐波和电压谐波含量高, 电机发热量大, 噪音大, 电容补偿柜坏损严重等电能质量下降问题, 大幅减少职工维护劳动强度。