船用電力推進變壓器的故障分析與改進

／海軍駐西安872廠軍事代表室 李樂強 西安天虹電氣有限公司 凌良 鄭紹忠 ／

船用電力推進變壓器的故障分析與改進

／海軍駐西安872廠軍事代表室 李樂強 西安天虹電氣有限公司 凌良 鄭紹忠 ／

介紹了船用風水冷型電力推進變壓器在研制過程中出現(xiàn)的故障及分析改進措施。

電力推進；整流變壓器；過載試驗；熱點溫升計算；故障分析；改進

0 引言

船舶電力推進系統(tǒng)是指采用電動機直接驅動螺旋槳為船舶提供動力的系統(tǒng)，其工作原理是：柴油發(fā)電機發(fā)出的交流電經(jīng)電力推進變壓器（整流變壓器）整流后，供給變頻器，由變頻器輸出不同頻率的交流電給推進電機提供動力。

船舶電力推進系統(tǒng)具有調速范圍廣、驅動力矩大、易于正反轉、體積小、布局靈活、安裝方便、便于維修、振動和噪聲小等優(yōu)點。基于這些優(yōu)點，電力推進在大型船舶上得到推廣與應用。船用電力推進變壓器是推進系統(tǒng)中重要的組成部分，它的運行可靠性直接決定著船舶的運行可靠性。

為了抑制諧波，電力推進系統(tǒng)中常用的整流電路為24脈波整流系統(tǒng)，用兩臺12脈波軸向雙分裂整流變壓器，網(wǎng)側繞組接法為延邊三角形，分別移相+7.5°和-7.5°。這樣兩臺變壓器的四個閥側繞組的線電壓相量互差15°相位，分別經(jīng)全波整流后，在直流側并聯(lián)運行，形成24脈波整流。

1 任務來源及產品技術方案

西安天虹電氣有限公司是長期從事干式變壓器的專業(yè)生產廠家。2012年，公司首次承接國內軍用某型船的24脈波電力推進整流變壓器。該船的原動力由柴油機提供，柴油發(fā)電機發(fā)出的電能供給推進變壓器，推進變壓器接變頻器，變頻器輸出不同頻率的交流電至左、右推進電機以輸出動力，如圖1所示。

變壓器容量為4200kVA，每艘船共兩臺，聯(lián)結組標號分別為Dd1.75y0.75(-7.5°)和Dd0.25y11.25(+7.5°)，繞組聯(lián)結如圖2所示。

變壓器在船舶艙室內的運行環(huán)境相對陸地上要惡劣，主要內容如下：

1）有鹽霧、霉菌、油霧等；

2）艙室環(huán)境最高溫度45℃，空氣濕度最高95%；

3）變壓器的散熱不對艙室溫度產生影響；

4）有振動、搖擺；

5）該變壓器作為電力推進系統(tǒng)的核心部件，技術要求高，結構復雜，要求±2×2.5%的分接范圍；

圖1 24脈波整流機組原理圖

圖2 變壓器繞組聯(lián)結圖

6）有重量和尺寸限制；

7）電壓比及移相偏差要符合要求；

8）有過載要求；

9）閥側繞組帶屏蔽。

因此，經(jīng)多方討論，變壓器的設計方案確定為：

1）網(wǎng)側線圈采用QZYB-2/180型聚酯亞胺漆包線繞制，閥側線圈采用T2銅箔繞制，閥側繞組帶接地屏蔽；所有線圈均采用環(huán)氧樹脂澆注包封。

按平均溫升（模擬負載法，繞組短路試驗狀態(tài)下）最高的8 4.2 K的繞組進行熱點溫升計算：①額定電流時，△θU1=1.2 5×8 4.2×1.02=1 0 5.3 K；②過載1.2倍時，△θU2=1.2 5×8 4.2×1.22=1 5 1.6 K；③過載1.3倍時，△θU3=1.2 5×8 4.2×1.32=1 7 7.9 K；④過載1.4倍時，△θU4=1.2 5×8 4.2×1.42=2 0 6.3 K；⑤過載1.5倍時，△θU5=1.25×84.2×1.52=236.8K；⑥過載1.6倍時，△θU6=1.25×84.2×1.62=269.4K。

式中，C為繞組的有效熱容量，W·min/K，經(jīng)計算C=10458 W ·min/K；△θHS,r為額定負載下的熱點溫升，△θHS,r= △θU1=105.3K；△θe為空載時鐵心對繞組的熱點溫升的影響，因過載試驗時鐵心不發(fā)熱，取：△θe=0K；pr為額定負載和額定溫升下的繞組總損耗，W，pr=6735W。

因此

4.1.3 過載試驗時線圈熱點溫升 △θt計算

式中，△θt為負載變化t時間后的熱點溫升，K； △θi為某負載率In開始時的起始熱點溫升，K；△θu為負載率Iu不發(fā)生變化情況下最終熱點溫升，K；t為時間，min；為給定負載下繞組的時間常數(shù)，min。

4.2 繞組熱點溫度計算

過載試驗時結束時繞組熱點溫度

式中，△θα為環(huán)境溫度，℃；當時約為 △θα=30℃。

4.3 結論

依據(jù)計算結果可以得出結論：過載試驗結束時的繞組熱點溫度達到189.3℃，超過F級絕緣系統(tǒng)的繞組最高熱點溫度180℃。繞組熱點因過載試驗出現(xiàn)了不應有的高溫，使線圈絕緣迅速發(fā)生變化，絕緣強度下降，導致變壓器在空載試驗時擊穿而發(fā)生故障。

而GJB621A—1999《艦船變壓器通用規(guī)范》中規(guī)定的適用范圍是：電壓不超過500V，頻率為50Hz和60Hz，容量為三相為3kVA及以上的艦船用變壓器的設計、制造和驗收，標準中所提及的變壓器容量也不超過100kVA。說明GJB621A—1999中規(guī)定的試驗項目并不完全適用于容量為4200kVA的電力推進變壓器，特別是標準要求的過載試驗程序完全不適用于這么大容量的變壓器。

5 改進措施

經(jīng)與用戶充分溝通，認為該推進變壓器在船舶上可能遇到的過載運行倍數(shù)不會大于1.2。因此達成一致意見，對過載試驗的內容進行了剪裁，按表3規(guī)定的程序進行過載試驗并修改了《試驗大綱》（見表3）。

表3 4200kVA電力推進變壓器剪裁后的過載試驗程序

工廠除依據(jù)實際運行工況對變壓器過載試驗程序進行驗證以外，在設計上對變壓器的繞組熱點溫度進行了校核，同時還對變壓器線圈的縱絕緣做了加強，改進了線圈絕緣的散熱結構。按照新設計的圖紙重新生產了兩臺變壓器，新變壓器所有的試驗項目均順利通過。

6 結束語

新變壓器于2013年交付用戶使用，同年完成船舶電力推進系統(tǒng)的陸上聯(lián)調試驗。2014年完成整船的系泊試驗及航行試驗，變壓器優(yōu)越的性能得到了用戶的高度認可。2015年后，工廠相繼接到后續(xù)幾條船的變壓器訂單，所有變壓器均一次性通過各項檢驗，順利交付用戶，運行良好。我國自行研制生產的電力推進變壓器首次在軍船上使用，實現(xiàn)了零的突破。這說明產品出現(xiàn)問題不一定是壞事，只要能夠認真總結經(jīng)驗，找到故障的根本原因并加以改進，完全可以向用戶提供可靠的產品和優(yōu)質的服務。嚴格按照GJB9001B的要求控制產品質量，才能確保產品的可靠性。

[1]GJB621A—1999《艦船變壓器通用規(guī)范》[S].

[2]GB1094.11—2007《電力變壓器 第11部分：干式變壓器》[S].

[3]GB/T1094.12—2013《電力變壓器 第12部分：干式電力變壓器負載導則》[S].

[4]JB/T8636—1997《電力變流變壓器》[S].