干式整流變壓系統(tǒng)在海洋工程軟鋪設(shè)備的應(yīng)用

楊 進(jìn)，鄭志雄，劉立宇

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

南海深水油氣田大力實(shí)施深水開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略及國(guó)際化戰(zhàn)略現(xiàn)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性階段，深水海底柔性管纜（含電纜、軟管及臍帶纜等）陸地倒纜及海上施工軟鋪裝備的類(lèi)型越來(lái)越多樣化。管纜施工裝備運(yùn)行電路控制系統(tǒng)更新?lián)Q代，電氣控制系統(tǒng)集成化、自動(dòng)化程度越來(lái)越高。管纜施工裝備中通過(guò)使用變壓器、整流器及變頻器等控制技術(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)改變電路系統(tǒng)電壓、電流及頻率等參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整或剎車(chē)。

對(duì)2500 t 卷管盤(pán)及100 t 張緊器等軟鋪設(shè)備干式整流變壓系統(tǒng)工作原理及工程應(yīng)用進(jìn)行研究，根據(jù)軟鋪設(shè)備實(shí)測(cè)波形對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓和電流變化、諧波影響等進(jìn)行分析，干式整流變壓系統(tǒng)在工程運(yùn)用中具有良好的諧波抑制功能，可有效地將電路環(huán)流抑制在變壓器閥側(cè)。

1 干式整流變壓系統(tǒng)工作原理

干式整流變壓系統(tǒng)由干式整流變壓器和整流器組合構(gòu)成，其中干式整流變壓器為干式變壓器的一種，主要由鐵芯（或磁芯）和線(xiàn)圈組成，三相干式整流變壓系統(tǒng)有不少于3 個(gè)線(xiàn)圈，其中電源輸入側(cè)線(xiàn)圈稱(chēng)為初級(jí)線(xiàn)圈，變壓器電源輸出側(cè)線(xiàn)圈稱(chēng)為次級(jí)線(xiàn)圈。整流器通過(guò)干式整流變壓器的電磁互感效應(yīng)變換電壓、電流和阻抗得到合適的電源供應(yīng)，以12 脈波整流電路（稱(chēng)為十二相整流電路）為例（圖1），電源輸入側(cè)為初級(jí)線(xiàn)圈（星形接法），變壓器輸出側(cè)為次級(jí)線(xiàn)圈（星形接法和三角形接法），整流變壓器閥側(cè)線(xiàn)圈各接一組三相橋式整流器并聯(lián)運(yùn)行，該整流變壓器同時(shí)具備移相功能，輸出多套相位電壓供整流器使用，使輸出整流電壓在每個(gè)交流電源周期過(guò)程中脈動(dòng)12 次。

圖1 12 脈波干式整流變壓系統(tǒng)原理

2 干式整流變壓系統(tǒng)諧波和環(huán)流控制及其工程應(yīng)用

隨著海洋工程軟鋪設(shè)備發(fā)展的需求，在船舶電路系統(tǒng)大功率整流電路中，當(dāng)設(shè)備變頻調(diào)速運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的諧波和環(huán)流，會(huì)對(duì)船舶電網(wǎng)帶來(lái)嚴(yán)重的無(wú)功電流污染，導(dǎo)致船舶電網(wǎng)中電壓和電流波形失真。電路中諧波可能會(huì)引起電路系統(tǒng)諧振，增加變壓器內(nèi)部銅耗和鐵芯損耗，降低發(fā)電機(jī)及其附屬用電設(shè)備的效率。

2.1 諧波原因分析及控制

大功率整流電路諧波產(chǎn)生的主要原因是由于電路系統(tǒng)中非線(xiàn)性負(fù)載存在，電流經(jīng)過(guò)此類(lèi)負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流與所加的電壓不呈線(xiàn)性關(guān)系，形成非正弦電流。干式整流變壓系統(tǒng)能夠?qū)⒅C波就近隔離，將作為一種大功率電路諧波抑制技術(shù)而具備一定的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，其優(yōu)點(diǎn)在于輸入和輸出側(cè)三角形接法線(xiàn)圈平均分配負(fù)載，可將諧波在三角形閉合回路上相加形成環(huán)流而消耗在線(xiàn)圈內(nèi)，因此達(dá)到降低諧波的作用。

2.2 環(huán)流原因分析及控制

在12 脈波干式整流系統(tǒng)中，由于整流變壓器閥側(cè)線(xiàn)圈不匹配、星形接法和三角形接法引起變壓器閥側(cè)線(xiàn)電壓相角之間互差30°等因素，導(dǎo)致并聯(lián)連接的兩組整流橋間存在電壓差，而此電壓差則會(huì)在變壓器的兩側(cè)線(xiàn)圈和兩組整流橋間形成不經(jīng)過(guò)負(fù)載的環(huán)流。在大功率整流系統(tǒng)中，當(dāng)電路系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)流較大時(shí)，會(huì)造成整流器直流側(cè)母排支架發(fā)熱、增加系統(tǒng)電能損耗并降低整流效率。

12 脈波干式整流系統(tǒng)中為使閥側(cè)由星形接法和三角形接法線(xiàn)圈分別供電的兩組三相整流橋在直流側(cè)能夠并聯(lián)運(yùn)行，需滿(mǎn)足次級(jí)線(xiàn)圈直流電壓平均值要相等，同時(shí)次級(jí)線(xiàn)圈兩線(xiàn)圈的匝比為，由于星形接法和三角形接法電壓有30°相位差，兩側(cè)線(xiàn)圈存在漏抗，在一定負(fù)載時(shí)會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。系統(tǒng)環(huán)流將使得星形接法和三角形接法的兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈一個(gè)電流增大，另外一個(gè)電流減少，電流增大造成線(xiàn)圈局部嚴(yán)重過(guò)熱，因此為了減小12 脈波干式整流變壓系統(tǒng)中的環(huán)流，次級(jí)線(xiàn)圈中的星形接法和三角形接法線(xiàn)圈匝數(shù)之比要盡可能接近。

2.3 干式整流變壓系統(tǒng)應(yīng)用

2.3.1 干式整流變壓系統(tǒng)在2500 t 卷管盤(pán)應(yīng)用

海洋工程大型軟鋪設(shè)備2500 t 卷管盤(pán)設(shè)備運(yùn)行供電系統(tǒng)主要包括2 套12 脈波干式整流變壓系統(tǒng)（由干式整流變壓器及12 脈波整流單元組成）、4 套逆變單元及1 套制動(dòng)單元（圖1），當(dāng)工程船舶供應(yīng)兩路690 V/50 Hz 主電源由12 脈波干式整流變壓系統(tǒng)整流后輸出平滑的930 V 直流電源，直流電源經(jīng)過(guò)ABB 變頻器逆變單元再逆變成頻率、電壓可調(diào)的交流電源，從而實(shí)現(xiàn)2500 t 卷管盤(pán)4 臺(tái)三相異步交流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。當(dāng)2500 t 卷管盤(pán)電機(jī)在減速或剎車(chē)制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量可通過(guò)變頻器逆變單元再逆變成直流電源，通過(guò)系統(tǒng)電路中的制動(dòng)單元將交流電機(jī)減速或剎車(chē)制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量進(jìn)行消耗，防止直流母排電壓過(guò)高損壞設(shè)備。其中干式整流變壓系統(tǒng)是設(shè)備配電系統(tǒng)的重要組成部分之一，其二次側(cè)星三角形線(xiàn)圈平均分配負(fù)載，可有效降低變壓器進(jìn)線(xiàn)側(cè)諧波和電路系統(tǒng)環(huán)流的產(chǎn)生，抑制諧波和環(huán)流對(duì)船舶電網(wǎng)帶來(lái)了的無(wú)功電流污染。

2500 t 卷管盤(pán)選用的干式整流變壓系統(tǒng)配備有移相功能的整流變壓器，該整流變壓器聯(lián)結(jié)方式為Dy11d0 接法，即初級(jí)線(xiàn)圈側(cè)為三角形接法，次級(jí)線(xiàn)圈側(cè)為星形及三角形接法，輸出電源為兩路相位差為30°的三相正弦交流電。即初級(jí)線(xiàn)圈三角型接法與次級(jí)線(xiàn)圈三角型接法相位角一樣，次級(jí)線(xiàn)圈星型接法相位角落后其三角型接法相位角30°，可輸出6 種波形電壓供整流器使用，經(jīng)過(guò)整流器整流橋后輸出12 段波形電壓，再經(jīng)過(guò)整流器濾波元件輸出穩(wěn)定的直流電壓至直流母排供逆變器單元使用。

干式變壓器的短路阻抗百分比決定著變壓器二次側(cè)發(fā)生短路時(shí)能夠產(chǎn)生短路電流的大小，短路阻抗百分比選擇過(guò)小會(huì)加大短路電流，引起變壓器線(xiàn)圈發(fā)熱嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備。2500 t 卷管盤(pán)干式整流變壓系統(tǒng)短路阻抗選擇為5.88%，該選擇可以限制一定的短路電流，減少整流設(shè)備對(duì)其他并聯(lián)運(yùn)行整流設(shè)備相互間的電磁干擾。

2.3.2 干式整流變壓系統(tǒng)在100 t 張緊器應(yīng)用

100 t 張緊器電氣系統(tǒng)使用的是常規(guī)6 脈波整流系統(tǒng)，與12脈波整流系統(tǒng)不同，6 脈波脈波整流系統(tǒng)所需電源為普通三相正弦交流電，而12 脈波整流器需要使用存在相位差的2 路三相正弦交流電。由于100 t 張緊器為可移動(dòng)式軟鋪設(shè)備，根據(jù)項(xiàng)目作業(yè)需要選擇不同船舶進(jìn)行裝船，公司自有船舶常用大功率供電電源為690 V/50 Hz，而100 t 張緊器需求電源為400 V/50 Hz，因此該6 脈波整流系統(tǒng)需配備變壓器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。為達(dá)到變壓及有效抑制諧波電流影響，100 t 張緊器選用干式整流變壓器與6脈波整流系統(tǒng)組合成干式整流變壓系統(tǒng)。100 t 張緊器管纜鋪設(shè)作業(yè)工作載荷大，而干式變壓器的散熱性能好，過(guò)負(fù)載保護(hù)能力強(qiáng)且便于運(yùn)輸，雖然海上軟鋪?zhàn)鳂I(yè)期間濕度大及環(huán)境惡劣，但干式變壓器存放于集裝箱式密閉空間內(nèi)部，能夠適用于海上高濕度和惡劣作業(yè)環(huán)境。

100 t 張緊器驅(qū)動(dòng)供電系統(tǒng)主要包括1 套干式整流變壓器、4 套艾默生變頻器SPMA1402（含6 脈波整流單元、逆變單元、制動(dòng)電阻單元）、4 臺(tái)90 kW 變頻電機(jī)（圖2），其中干式整流變壓器與6 脈波整流系統(tǒng)組合成干式整流變壓系統(tǒng)。當(dāng)工程船舶供應(yīng)一路690 V/50 Hz 主電源由干式變壓系統(tǒng)初級(jí)線(xiàn)圈輸入后，次級(jí)線(xiàn)圈側(cè)分路且移相成兩路400 V/50 Hz 電源；隨后兩路400 V/50 Hz 電源分別供4 套6 脈波整流單元使用整流后輸出平滑的540 V 直流電源，直流電源經(jīng)過(guò)艾默生變頻器內(nèi)部逆變單元再逆變成頻率、電壓可調(diào)的交流電源，從而實(shí)現(xiàn)100 t 張緊器4 臺(tái)三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。若不采取有效的諧波抑制方式，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波將嚴(yán)重影響船舶供電系統(tǒng)及其他電氣元件，因此100 t 張緊器選擇整流變壓器且聯(lián)結(jié)方式為Dd0y11，利用該干式整流變壓系統(tǒng)具有很好的諧波抑制功能，從而達(dá)到保護(hù)船舶供電系統(tǒng)及其他電氣元件的效果。

圖2 100 t 張緊器干式整流變壓系統(tǒng)

3 干式整流變壓系統(tǒng)種類(lèi)的選擇

目前大型設(shè)備整流變壓器主要包括干式整流變壓器和油浸式整流變壓器，在工業(yè)領(lǐng)域和生活領(lǐng)域中，應(yīng)根據(jù)室內(nèi)或室外所需、工作環(huán)境、整流器類(lèi)型及所需電壓、耐熱等級(jí)、經(jīng)濟(jì)成本等來(lái)確認(rèn)采用整流變壓系統(tǒng)的類(lèi)型。油浸式整流變壓器是由存儲(chǔ)于油箱內(nèi)的完全獨(dú)立的變壓器，有造價(jià)較低、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，但由于油浸式整流變壓器因運(yùn)輸成本高、可燃可爆、且不適用于頻繁移動(dòng)等諸多原因，故其不符合大型軟鋪設(shè)備經(jīng)常移動(dòng)使用的特性。

干式整流變壓器與整流裝置構(gòu)成的干式整流變壓系統(tǒng)適用于軟鋪設(shè)備的大功率12 脈波整流電路，也稱(chēng)為“共鐵芯12 脈波整流電路”，共鐵芯12 脈波整流電路的變壓器，鐵芯利用率比較高，因此具有造價(jià)低、體積小的優(yōu)點(diǎn)。另外，干式整流變壓系統(tǒng)具有良好的防火性、運(yùn)輸放便、抗沖擊、清潔及無(wú)漏油風(fēng)險(xiǎn)、易維護(hù)等特點(diǎn)。

綜上所述，干式整流變壓系統(tǒng)為大型軟鋪設(shè)備整流變壓功能的首選。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)軟鋪設(shè)備2500 t 卷管盤(pán)及100 t 張緊器干式整流變壓系統(tǒng)的工作原理、諧波和環(huán)流控制及其工程應(yīng)用分析，對(duì)于不同類(lèi)型的軟鋪裝備所需干式整流變壓系統(tǒng)組成和原理各有不同，但其結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量與裝備所運(yùn)用的環(huán)境相匹配，同時(shí)具備良好的可靠性和易維護(hù)性。使用干式整流變壓系統(tǒng)不但可以滿(mǎn)足軟鋪設(shè)備的供電需求，有效解決大功率整流電路系統(tǒng)中諧波治理和環(huán)流問(wèn)題，亦能給軟鋪設(shè)備電氣系統(tǒng)帶來(lái)有效保護(hù)，憑借著高安全性、高可靠性、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，干式整流變壓系統(tǒng)未來(lái)將具有很大的發(fā)展前景。