摘要：为提高油田采油系统1140V供电系统的功率因数，在对油田抽油机负荷特点和运行状态，以及抽油机电动机无功补偿的存在问题、影响因素等进行详细分析基础上，研制了一种用电抗器控制无功的无功功率动态补偿箱，并详细介绍了补偿箱的技术特点、使用方法和实际应用情况。
关键词：配电系统 无功补偿 无功功率 电动机
1 引言
油田采油抽油机用电环境恶劣，人为窃电现象十分普遍，为防窃电油田抽油机电动机不得不采用1140V电压等级供电。为降低供电系统低压线路损耗，抽油机供电多采用变压器-电动机单元接线方式。由于抽油机工况复杂、供电电压偏高和供电方式的特殊性，给采油供电系统无功补偿设备选择及无功补偿的实现增加了难度，导致供电系统的功率因数长期偏低，一般在0.3～0.4左右，个别井功率因数在0.2以下。而电能计量则同时计量消耗有功电量和无功电量。
这种情况必然导致供电系统网损过大，供电部门要向采油单位收取功率因数调整电费，这对采油单位无疑增大采油生产的成本，使采油生产的整体经济效益下降。为使抽油机供电功率因数达到规定的要求，解决好1140V抽油机电动机系统的无功问题，对抽油机负荷特点、电动机运行状态等问题进行了认真研究，研制1140V的无功补偿及电动机控制箱，实际使用表明能很好地抽油机这种特殊负荷的无功问题。
2 抽油机负荷特点及运行状态
2.1 抽油机负荷特点
不同油井抽油机的负荷曲线不同，抽油机负荷是一种与井下工况和平衡情况有关，依抽油机冲程为周期连续变化的周期性负荷。
(1)抽油机负荷是变化极大的连续周期性负荷。变化频率常用冲程表示，抽油机冲程一般来说为6～12次/分钟，即变化周期为5～10秒。
(2)变化周期的上下两个冲程各有一个死点，抽油机停车后再起动时，总是从两个死点中负载较大的死点开始起动。因此，要求抽油机电动机应具有较大的起动转矩。
(3)抽油机负荷转矩和功率变化曲线如图1所示。从图中可以看出，抽油机在工作存在发电运行过程，其输出功率的大小和时间，随抽油机工作的实际工况不同而不同。
抽油机负荷特点决定选择电动机时，必须按最大扭矩选配电动机。实际中考虑到砂卡、结蜡等异常时，不致因起动困难烧毁电动机，通常还要人为增大电动机裕量，这无疑加剧“大马拉小车”现象，使得电动机长期在低负荷下运行。
电动机负载率低影响电动机的运行效率，国家标准GB12497-1995规定，Y系列37kW的6极电动机的负载率在0.40以上时为经济状态。
一般情况下，电动机效率、功率因数与负载率关系曲线如图2所示。图中a点对应的负载率称为临界负载率β0。从图2曲线可看出：当负载率β<0.70时，功率因数随负载率下降很快。
功率因数低下不仅增加电动机本身损耗，而且给电网造成附加损耗，降低电网供电能力和变压器设备的利用率。
2.2 抽油机电动机运行状态分析
根据对抽油机负荷特点和机理分析，以及大量现场实际测试可得到如下结论：
抽油机电动机在正常工作时，根据抽油机机械负荷的变化，电动机可能有两种完全不同的工作状态：当电动机拖动机械负荷运行时，电机处于电动机工作状态，此时电动机从电网吸收有功和无功功率;当机械负荷拖动电动机运行时，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。
而但无论电动机工作在那种状态，都要从电网吸收无功功率。电机处于发电状态时，由电机理论可知，电机从电网吸收的无功功率即空载无功功率，其大小与电机的设计方法、材料选用和制造工艺等直接相关。而电机处于电动机状态时，无功功率变化则与电动机负载大小有关，现场实际测量结果表明：抽油机上、下冲程的负荷变化，会引起1～4kvar无功变化。
3 抽油机供电系统无功补偿研究
油田1140V的抽油机电动机绝大多数采用6kV直配供电、变压器-电动机单元接线方式，在变压器低压侧计量消耗的有功电量和无功电量，这种系统在电动机端实施就地分散无功补偿是最佳补偿方案。对在电动机控制箱加电容器进行固定补偿，笔者和相关部门做过很多试验，试验能够得到较好的补偿效果，可以使功率因数达到0.85以上。但是，大范围使用却暴露出很多问题，难达到十分理想的补偿效果。
3.1 电容器选择匹配问题
用电容器实施固定就地补偿的电容器容量，一般按下式计算确定.
Q=(0.95~0.98)√3 UI (1)
式中：U—电动机的电压，kV;
I—电动机的的空载电流，A。
从计算公式可以看出，当电动机电压一定时，电动机的空载电流也是一定的，所以补偿容量QC就是固定的。实践表明，这种理论上的选择方法对负载率较高的电动机，能得到较好的补偿效果，而对抽油机这种工况复杂、负载率很低的电动机补偿效果却很差，功率因数得不到保证。试验表明，同样的电动机、相同的补偿容量，电动机负载率不同时补偿的效果不同，抽油机周期性负荷的变化，也会使无功功率发生变化。
虽然通过实际测试和进行调试，固定补偿在一段时期能保证功率因数在0.85以上，但之后会随井下工况变化而发生改变。另外，抽油机电机分22、30、37、45、55kW等多种容量，电机极数有六极、八极的不同，电容器规格也不同，电机还有新、旧之分(大量电机经过多次修理)，这些因素对补偿无功都有很大影响。因此，测试和调试的工作量非常大，而大量的测试和调试工作现场人员是难以很好完成的。
3.2 过补引起的无功倒送问题
由于抽油机电动机补偿无功情况复杂，及使功率因数达标是用户追求的目标，一些文献介绍固定补偿功率因数能达标的实例[2]，其补偿电容器可能会处在过补状态。另外，固定补偿的控制采用的是与电动机同时投切的控制方法，由于补偿的无功大于电动机的空载激磁无功，切除时常会引发自激而损坏电容器。
过补引起的无功倒送是电力系统所不允许的，因为它会增加线路和变压器的损耗，加重供电线路的负担[3]。因为，线路、变压器电能损耗与电流有效值平方成正比，并不会因为功率反送而减小。另外，油田采油供电系统不考虑方向的无功电量计量方式，无功倒送也会使结算功率因数降低，使补偿的经济效益下降。因此，无功补偿应避免出现过补现象，而抽油机无功补偿情况复杂，上下冲程负荷变化很大，采用固定补偿使功率因数达标，出现过补是难以避免的。
3.3系统谐波的影响问题
电容器具有一定的抗谐波能力，但谐波含量过大时会对电容器的寿命产生影响，甚至造成电容器的过早损坏。胜利油田采油供电系统用有部分变频调速电动机，实测表明采油供电系统存在谐波的影响问题，而这一问题往往被忽视，导致一些电容器莫名其妙地损坏。另外，1140V电容器补偿投切涌流大，以及电容器大切除时可能发生自激，这些都是补偿设计必须考虑的问题。
3.4 关于动态补偿的问题
由于抽油机电动机无功补偿情况复杂，大范围推广固定补偿存在困难和补偿效果不理想，如何解决抽油机电动机无功补偿成为需要研究的课题，大家自然会想到动态补偿的问题。而采油生产采用1140V供电目的是防止****问题，但也给无功补偿技术的实施增加了难度。与380V供电相比，1140V的刀开关、断路器、电容器等设备的要求高，设备的价格高和装置的体积大。
抽油机负荷的变化快，解决动态补偿问题需要依赖电力电子技术来实现。由于电力电子器件制作工艺方面的原因，目前无法制造高耐压、小电流的晶闸管元件，而且高耐压的晶闸管器件价格非常高。采用晶闸管串联技术不仅实现、控制上复杂，成本也很高。对1140V、功率因数0.85时的55kW电动机，可计算其额定电流在24A左右，并且需要动态补偿的无功只有几千乏。因此，对抽油机电动机用晶闸管实现动态补偿，需要的投资相比较高，性价比比较差。
通过上述的分析和研究可知，由于正常运行时抽油机的负荷率非常低，影响因素多，供电电压高，对抽油机这种特殊负荷的无功补偿，有很多问题有待研究和解决。
4 电抗器控制的补偿装置研制
在上述需求分析、研究的基础上，开发、研制了一种通过电抗器控制无功的1140V抽油机电动机控制箱，补偿控制箱主接线如图3所示。
无功补偿控制箱电容器分为两组，固定补偿和3或4千乏左右的可调补偿。固定补偿电容器承担电动机的空载无功，可调部分受电压调节器的控制，随抽油机负荷变化调节、补偿变动无功，变动无功补偿由电压调节器控制电抗器实现。专用电动机保护器用于过流、短路和缺相保护。
鉴于油田1140V抽油机电动机供电系统的特殊性，根据开发、设计者经验考虑了实际中的各种情况，使装置具有以下几方面特点。
(1)电容器是补偿控制箱的易损坏设备，通常电容器损坏最主要原因是过电压和过电流，标准电容器的允许过电压1.1UN。考虑到真空接触器操作、补偿系统可能出现的自激等过电压影响，补偿箱采用非标准、专门设计的高耐压、抗谐波电容器，电容器的绝缘膜为法国进口绝缘膜。
(2)抽油机用1140V电压供电，电容器投入时会出现较大的浪涌电流。为限制浪涌电流和考虑系统谐波的可能影响，固定补偿电容器回路也串有专门设计、制造的限流电抗器，且LC串联回路的调谐频率选择为189Hz。另外，电抗器设计要选择好电抗器铁芯线性度，以保证其在投切涌流和额定电压畸变下不会发生饱和。
(3)补偿控制箱断路器用国内信誉好、高质量的真空接触器;电动机的过流、缺相保护器采用现场人员熟悉、习惯的产品;电压调节器是自己开发的专用补偿控制器。另外，为方便电容器安装、调试和运行监视，补偿控制箱内安装有功率因数表，以便于掌握补偿情况、方便调试或及时更换固定补偿电容器。
5.补偿控制箱的使用调试
由于抽油机使用的电动机容量不同，电机极数有六极或八极等差别，以及新、旧电机消耗无功不同，使用本文补偿控制箱也需要进行简单调试，首先是按表1选择固定电容器。
前面已经提到过，本文设计的补偿箱采用非标准、专门设计的高耐压、抗谐波电容器，考虑到不同容量、不同极数电动机的通用性，用于固定补偿的电容器有12、15、18、22、24kvar几种规格，通过组合构成固定补偿电容器。
可调补偿部分电容器设计有3、4kvar两种规格，电压调节器检测电源端的功率因数，输出端控制电抗器实现抽油机变化无功负荷的动态补偿，补偿系数通过调节器设置。
实际试验表明，要想取得十分理想的补偿效果，关键在于固定补偿电容器的选择。表1给出的补偿容量配置是根据电动机参数计算和调试经验给出的结果。由于抽油机工况复杂，特别是实际调试结果发现，经多次修理的旧电机有功、无功消耗增加都很大，因此补偿箱安装前后必须进行测试，调试好后再投入运行。另外，对性能和参数有较大变化的高耗能旧电机应淘汰。
抽油机电机控制箱一般是由多家生产的，生产厂家对不同抽油机性能、电机极数等情况并不十分清楚。因此，补偿箱电容器配置应由有关单位统一负责，这一点非常重要。处理好调试和管理工作，就能得到最理想的补偿效果。
6 结 语
油田抽油机负荷特殊、工况复杂，因此抽油机电动机无功补偿问题复杂。本文研究、试验的结果表明，对固定补偿如果调试好，能使功率因数达到0.85左右，但大范围应用的调试工作量大，因而难达到十分理想的补偿效果。
本文提出和研制的1140V动态无功补偿控制箱，能够动态补偿抽油机负荷的变化无功，实践表明能得到十分理想的补偿效果，并且具有可靠性高、成本低、调试简单等优点;控制箱在系统设计、设备选择和补偿控制上，有效地解决了抽油机这种特殊负荷无功补偿问题。
抽油机采油用电是油田用电大户，其电费支出约占油田总电费的40%左右，因此抽油机供电降损、节能意义重大。无功补偿是降低线路、变压器电能损耗和避免无功罚款的有效措施，但不能降低电动机的电能损耗。如何利用电力电子技术即能提高功率因数，又能降低电动机的电能损耗是需要继续研究、解决的问题。
