干式變壓器在艦船上的應用探討

杜智慧，劉茂輝，張 峰

應用研究

干式變壓器在艦船上的應用探討

杜智慧，劉茂輝，張 峰

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715 ）

本文介紹了干式變壓器組成、結構、性能特點，闡述了在船舶電力系統上選用干式變壓器須考慮的因素以及安裝和使用應注意的問題，可供船用干式變壓器選用、設計布置及安裝使用參考。

干式變壓器 箔繞 冷卻 局放試驗

0 引言

從1964年德國AEG公司研制出第一臺400kVA、20kV的環氧澆注式干式變壓器[1]，干式變壓器的發展就進入了一個新的階段。在以后的第二年，德國TU公司又研制出了第一代B級絕緣的環氧澆注式干式變壓器，從此環氧澆注式干式變壓器不斷有新的發展，生產出許多新的類型的產品，迄今在世界上環氧澆注式干式變壓器變已成為干式變壓器的主流型式。在1970年代后期，美國也不斷發展并改進了采用NOMEX紙作為絕緣材料的浸漬式H級干式變壓器。近幾十年來，隨著世界經濟的發展，干變在全世界取得了迅猛的發展，尤其是在配電變壓器中，干變所占的比例愈來愈大，據統計，在歐美等發達國家中，它已占到配變的40～50%。在我國，約占到50%左右。

隨著船舶向著大型化、自動化和綜合電力推進方向發展，電網容量及配電系統電壓等級逐漸抬高，常規艦船用變壓器已不能滿足使用要求，需使用大功率干式變壓器才能滿足要求。目前環氧澆注型干式變壓器廣泛用作電力推進系統移相變壓器或主日用變壓器使用。環氧澆注型干式變壓器澆注線圈的整體機械強度好，抗短路能力強，防潮及耐腐蝕性能特別好，尤其適合在類似艦船及海洋工程惡劣的環境條件下使用。

1 干式變壓器結構組成

干式變壓器主要由硅鋼片組成的鐵芯和環氧樹脂澆注的線圈組成, 匝間、層間、段間絕緣以及絕緣筒等都用絕緣紙或成型件組成, 低壓線圈為箔繞式，高壓線圈為連續線繞式或箔繞式，器身采取特殊的阻隔并由墊塊支撐和約束線圈, 其零部件搭接的緊固件均有防松性能。

1.1 鐵芯

鐵芯采用優質冷軋晶粒取向硅鋼片，鐵芯硅鋼片采用45度全斜接縫，使磁通沿著硅鋼片接縫方向通過。每片硅鋼疊片均浸漬絕緣漆以減少渦流損耗，鐵芯綁扎夾緊牢固、絕緣良好。

1.2 線圈繞組

高壓線圈繞組多采用機械強度高、散熱條件好的連續式結構，線圈繞制在成型絕緣筒上，高壓線圈采用絕緣紙包扁銅線做導體，層間采用絕緣材料絕緣紙，線圈經VPI真空壓力浸漬成堅固整體，有效避免了多層圓筒式線圈層間電壓高、散熱能力差、容易熱擊穿、以及機械強度低的缺點，從而提高了變壓器運行的可靠性。

低壓線圈多采用箔繞式。箔式繞線是以不同厚度的銅或鋁箔帶為導體，以寬帶狀的H級絕緣材料為層間絕緣，以窄帶狀的絕緣材料為端絕緣，在箔式繞線機上一次完成卷繞，形成卷狀線圈。同時完成線圈內外側引線的焊接及外表面包扎。低壓線圈采用箔繞式線圈，具有更強的抗短路能力。

絕緣材料多采用聚酰亞胺薄膜纖維紙復合材料（Nomex），絕緣等級可達到H級別，若干式變壓器絕緣耐熱等級為其他等級時，如B級、F級時，則應選用相應耐熱等級的絕緣材料，也可選高一級的，已保持一定的冗余。

圖1 干式變壓器結構示意圖

1.3 干式變壓器外殼結構形式

1）開啟式：是一種常用的形式，其器身與大氣直接接觸，適應于比較干燥而潔凈的室內，（環境溫度20度時，相對濕度不應超過85%），一般有空氣自冷和風冷兩種冷卻方式，主要是在陸上使用。

2）封閉式：器身處在封閉的外殼內，與大氣不直接接觸，通過外部空氣循環冷卻裝置進行冷卻。是目前艦船常采用的形式，防護等級可達到IP44。

1.4 干式變壓器冷卻方式

干式變壓器冷卻方式分為自然空氣循環冷卻（AN）和強迫空氣循環冷卻（AF）。自然空冷時，變壓器可在額定容量下長期連續運行。在采用強迫風冷時，變壓器輸出容量可提高50%。為了提高船舶使用的經濟性，船用干式變壓器多采用強迫循環冷卻方式，變壓器與冷卻裝置之間有風道連接，風機將變壓器殼內的熱氣抽出，進入空-水冷卻裝置進行冷卻。采用強迫空氣循環冷卻方式的變壓器能有效降低變壓器的溫升，提高變壓器的運行效率。

2 干式變壓器性能特點

干式變壓器具有抗短路能力強、維護工作量小、運行效率高、體積小、噪音低等優點, 常用于防火、防爆等性能要求高的場所。

1）干式變壓器無可燃性樹脂，在使用過程中不助燃，能阻燃，不會爆炸及釋放有毒氣體、不會對環境、其他設備和人體造成危害，對濕度、灰塵、污染不敏感；運行無局部放電及永無“龜裂”的可能。

2）采用國內先進技術，機械強度高，抗短路能力強，局部放電小，熱穩定性好，可靠性高，使用壽命長。

3）低損耗，低噪音，節能效果明顯，免維護；體積小，重量輕，占地空間少。

4）高、低壓線圈均選用NOMEX絕緣材料、并經VPI真空加壓設備多次浸漬H級無溶劑浸漬漆。產品為H級（180℃），而主要絕緣材料是C級（220℃）,過負荷能力強，有很好的抗短路能力。在通風良好的情況下，允許過載20%運行。

5）防潮性能好，適應高濕度和其他惡劣環境中運行；

6）干式變壓器可配備完善的溫度檢測和保護系統。采用智能信號溫控系統，可自動檢測和巡回顯示三相繞組各自的工作溫度，可自動啟動、停止風機，并有報警、跳閘等功能設置。

3 干式變壓器選用

干式變壓器可用作為船舶電力系統的輸電、變電和配電[2]，干式變壓器在綜合電力推進船舶上多作為主日用變壓器用，是船上的重要電源設備。通常選用2臺同容量同型號的三相干式變壓器作為主日用變壓器使用，兩臺變壓器可以短時并聯使用，實現不斷電轉換。目前還沒有單獨的船用干式變壓相關標準，干式變壓器適用標準規范是GB1094.11-2007 《電力變壓器》第11部分：干式變壓器。但此規范適用范圍是最高電壓為40.5 kV及以下，且至少有一個繞組是在高于1.1 kV時運行的干式電力變壓器。若采用AC690 V電制的艦船，電壓等級達不到1.1 kV，但由于電力負荷比較大，多采用干式變壓器作為主日用變壓器使用用，技術要求同樣需參照GB1094.11-2007 《電力變壓器》[3]執行。

在變壓器選用時，主要關注定額數據的匹配性，船用變壓器的定額數據是指額定容量、額定電壓、額定頻率、連接組別，短路電電流和溫升。性能方面，關注絕緣等級，耐壓等級，溫升等級，熱態絕緣電阻，變壓器空載損耗、負載損耗、空載電流及阻抗，勵磁電流，絕緣等級等。外殼防護型式即外殼防護等級形式確定，多數采用IP44防濺式。相關性能要求可以參照GB1094《電力變壓器》[3]、GJB621A-1999《艦船變壓器通用規范》[4]、GJB4000-2000 《艦船通用規范》[5]3組電力系統及CCS鋼規[6]的要求。但在選用時要注意以下問題：

3.1 變壓器容量選用

變壓器的容量由負載決定，用電設備視在功率計算公式：

式中：— 分類用電設備的總視在功率（kVA）；— 分類用電設備的總有功功率 (kW)；— 同時使用系數；cosφ — 分類用電設備的平均功率因數。

變壓器容量為各分類用電設備的總視在功率之和，并考慮一定的儲備，從而確定變壓器的理論容量。一般變壓器的負荷率為85%左右，選取的變壓器容量要略大于理論容量。

3.2 干式變壓器預勵磁

干式變壓器副邊開路，在原邊接入電源時為空載合閘，在空載合閘時可能出現很大的沖擊電流，沖擊電流的大小可以達到穩態空載電流的幾十上百倍，相當于幾倍的額定電流，這就是勵磁涌流。

合閘時原邊的電動勢平衡方程式[7]：

電阻壓降很小，可以忽略不計則磁通為：

因此磁通Φ的大小和合閘瞬間電壓的初相角有關，在電壓U=0時，磁通達到最大值，其對應的勵磁電流也將增大到穩態值的幾十倍，甚至上百倍，在最不利的情況下，其勵磁涌流的最大值是6～8倍的額定電流，雖然比短路電流小很多，但是最初幾個周期的勵磁涌較大，可能會引起電流保護裝置的誤動作，為了防止勵磁電流過高，當在合閘瞬間電壓值為零時，在鐵芯所建立的磁通最大值為Φ，由于磁通不能突變，合閘瞬間磁通為0，則鐵芯中產生了非周期分量Φt，由于磁飽和和鐵芯材料的非線性特性，將產生很大的勵磁涌流，而合閘時在原邊用一定電流值的電源進行預充磁，由于有了預充磁產生的磁通位置鐵芯中磁通的初始狀態，那么非周期分量Φ也大大減小，從而有效地降低勵磁涌流。

變壓器的容量越大，勵磁涌流衰減的時間就越長，在選用大容量干式變壓器時候，要選擇匹配容量的預勵磁變壓器來減少勵磁涌流。

3.3 主要出廠試驗項目要求

干式變壓器主要出廠試驗包括：繞組電阻測量；短路阻抗和負載損耗測量；空載損耗和空載電流測量；外施耐壓試驗；感應耐壓試驗；局部放電量測量等；熱態絕緣電阻測量[8]。

某型船主變壓器（箔繞式干式變壓器）在使用過程中連續發生匝間短路嚴重故障，在進行故障分析時發現，出廠試驗時進行了外施耐壓試驗和感應高壓試驗，承受工頻電壓3000 V，歷時1 min，試驗合格，施加2倍額定電壓和2倍額定電流，無擊穿和閃絡現象。但變壓器生產廠家提供不出局部放電測量數據，理由是變壓器的額定電壓是AC690V/398 V，沒有達到干式變壓器標準要求的電壓1.1 kV，可以不參照執行。在故障排查過程中，對變壓器線圈拆解后及對倒查工序時發現，此批次日用變壓器的銅排焊縫處不夠平整，有動力磨光機打磨的過程，引線銅排附近的銅箔和絕緣層上有少量的擊穿點，打磨后產生的銅屑清潔處理可能不夠徹底，而導致有部分銅屑殘留在了繞組內部，所以變壓器通電后造成對絕緣層的加速老化從而產生匝間短路，最終引起故障。出廠試驗時進行的感應耐壓試驗，銅屑處的絕緣層已受到損傷，但還未完全擊穿，在多次通電后，銅屑殘留的位置會對絕緣層有一定的磨損和集中放電現象，加速了層間絕緣的破損和老化，導致匝間短路。若能在出廠試驗時進行局部放電量測量，可以非常容易的檢測到線圈層間是否有銅屑等金屬雜質，從而排除隱患，可以避免裝船后嚴重事故的發生。故局部放電量的測量是干式變壓器一個重要的出廠試驗項目，局部放電水平的最大值為10 pC，此指標越低越好，國內已有干式變壓器生產廠家可以把局部放電指標控制在0 pC。

圖2 干式變壓器銅箔匝間短路照片

3.4 干式變壓器運行監測

干式變壓器的安全運行和使用壽命，很大程度上取決于變壓器繞組絕緣的安全可靠。繞組溫度超過絕緣耐受溫度使絕緣破壞，是導致變壓器不能正常工作的主要原因之一，因此對變壓器的運行溫度的監測及其報警控制是十分重要的[9]。

風機自動控制：通過預埋在低壓繞組最熱處的Pt100熱敏測溫電阻測取溫度信號。變壓器負荷增大，運行溫度上升，當繞組溫度達設定時，系統自動啟動風機冷卻；當繞組溫度低至設定溫度時，系統自動停止風機。

溫度顯示系統：通過預埋在低壓繞組中的Pt100熱敏電阻測取溫度變化值，直接顯示各相繞組溫度（三相巡檢及最大值顯示，并可記錄歷史最高溫度），可將最高溫度以4～20 mA模擬量輸出，若需傳輸至船上的機艙監測系統。

4 干式變壓器安裝和使用

船用大功率干式變壓器多設有風-水冷卻裝置，外接冷卻水，通過風-水冷卻裝置對變壓器進行散熱。采用風水冷卻的干式變壓器防護等級可以做到IP44，可以有效防導電固體異物及老鼠等小動物進入，造成短路停電等惡性故障，為帶電部分提供安全屏障。在干式變壓器風水冷卻裝置出現故障時，可以降額使用。在變壓器室的通風冷卻系統應足以使周圍的環境空氣溫度低于規定的最高溫度40℃，但要高于最低溫度-5℃。變壓器室要防止腐蝕性蒸汽、有害氣體、可燃氣體產生和聚積。

為了降低電網中的3次諧波，變壓器次級繞組的三相最好采用△形接法，故在船用干式變壓器規格書簽定中明確高壓側為Y形接法，低壓側為△形接法。

干式變壓器在安裝好后，要做好接地措施。干式變壓器在接好線，確認冷卻系統正常工作后，先空載通電，觀察測試輸入輸出電壓符合要求。同時觀察機器內部是否有異響、打火、異味等非正常現象，若有異常，請立即斷開輸入電源。當空載測試完成且正常后，方可接入負載投入使用。變壓器投入運行后，所帶負荷應由輕到重，且檢查產品有無異響，切忌盲目一次大負載投入。

5 結束語

總之，當選用干式變壓器時，要根據用途，不但要關注結構形式、定額數據匹配性、性能指標；而且要關注出廠試驗項目，各種電壓等級的干式變壓器都需要在出廠試驗時做局部放電量測量，以保證裝船的變壓器可靠頂用。通過科學安裝使用，可以充分發揮出干式變壓器的優良性能。

[1] 賀以燕.干式變壓器的發展現狀及趨勢[J].電工技術雜志, 2001(7): 48-52.

[2] 余濤. 干式電力變壓器技術與應用[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008: 20.

[3] 國家標準局. 電力變壓器: GB/T 1094.11-2007[S]. 北京: 中國標準出版社, 2017.

[4] 中國人民解放軍總裝備部. 艦船變壓器通用規范: GJB621B-2018[S]. 北京: 中國標準出版社, 2018.

[5] 中國人民解放軍總裝備部. 《艦船通用規范》3組電力系統: GJB4000-2000 [S]. 北京: 中國標準出版社, 2000.

[6] 中國船級社（CCS）. 鋼質海船入級規范2021[M]. 北京: 人民交通出版社, 2021.

[7] 王正茂. 電機學[M]. 西安: 西安交通大學出版社, 2000: 23.

[8] 董其國. 電力變壓器故障與診斷[M]. 北京: 中國電力出版社, 2000.4.

[9] 梁俊.變壓器在線監測技術的應用[J].廣西: 廣西電力, 2006 (5).

Discussion on application of dry-type transformer in warships

Du Zhihui, Liu Maohui, Zhang Feng

(Huangpu Wenchong Shipping Co., Ltd, CSSC, Guangzhou 520715, China)

U672

A

1003-4862（2022）05-0010-04

2021-11-03

杜智慧（1981-），男，高級工程師，主要從事船舶電氣技術工作。E-mail: hpsgjb@csschps.com