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

船舶電力推進系統是指采用電動機直接驅動螺旋槳為船舶提供動力的系統，其工作原理是：柴油發電機發出的交流電經電力推進變壓器（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、振動和噪聲小等優點。基于這些優點，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，電力推進系統中常用的整流電路為24脈波整流系統，用兩臺12脈波軸向雙分裂整流變壓器，網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，分別經全波整流后，在直流側并聯運行，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，柴油發電機發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，聯結組標號分別為Dd1.75y0.75(-7.5°)和Dd0.25y11.25(+7.5°)，繞組聯結如圖2所示。

變壓器在船舶艙室內的運行環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，經多方討論，變壓器的設計方案確定為：

1）網側線圈采用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，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為環境溫度，℃；當時約為 △θα=30℃。

4.3 結論

依據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級絕緣系統的繞組最高熱點溫度180℃。繞組熱點因過載試驗出現了不應有的高溫，使線圈絕緣迅速發生變化，絕緣強度下降，導致變壓器在空載試驗時擊穿而發生故障。

而GJB621A—1999《艦船變壓器通用規范》中規定的適用范圍是：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的陸上聯調試驗。2014年完成整船的系泊試驗及航行試驗，變壓器優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，實現了零的突破。這說明產品出現問題不一定是壞事，只要能夠認真總結經驗，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].