推進變壓器相位角問題的分析和處理

2022-07-19 06:38:28張建平鄭天府卞邦亮唐杰

船海工程 2022年3期

張建平，鄭天府，卞邦亮，唐杰

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

某深水鋪管船項目，全船配置有10臺推進器，其中6臺主推進器帶切換，配有12個推進變壓器(2臺主推各配2個變壓器)，變壓器相位角分為：+7.5°、-7.5°(數量和功率完全對稱)。系統采用2種運行模式：DP2時所有母聯開關和耦合開關全部閉合，系統為一字排，所有推進變壓器連接在一起，正負角度完全對稱，互相平衡；

DP3時中間配電板的母聯開關分開，系統左右兩部分獨立運行，分段母排上的推進變壓器相位角按設計意圖也應該各自對稱。系統可以一直以24脈系統運行，諧波最小(理想情況：不考慮某個推進器故障、不考慮單個帶切換推進器已切換，鋪管、吊機等變頻器諧波另外考慮)。

全船推進器電力系統見圖1。

圖1 推進器電力系統

系統較好地利用推進器移相變壓器，結合船舶運行工況形成24相整流，從源頭控制諧波產生，但實際變壓器相位角配置和設計意圖產生了差異，需要分析論證以便結合項目進度制定處理方案。

1 相位角問題描述

項目基本設計階段，推進器T5、T6為交叉供電(物理位置在船舶左側的T5正常時由右母排供電，物理位置在船舶右側的T6正常時由左母排供電)。為避免DP路徑的交叉，確定將T5、T6交換供電回路，更新單線圖見圖1。但由于沒有考慮到相位角平衡問題，并沒有核查T5、T6的實際相位角，變壓器進艙安裝、電纜敷設后形成了表1的變壓器相位角現狀。DP2時所有變壓器在同一母排上運行，形成24脈系統；但DP3運行時2段獨立母排上的各自變壓器相位角并不完全平衡，這可能對全船諧波造成影響。

表1 變壓器相位角現狀

2 相位角對諧波的影響

首先分析DP3時左、右兩部分獨立運行的諧波情況，計算對比相位角不平衡和平衡兩種情況下的諧波數據，以判斷現狀下對諧波的影響程度。鑒于吊機、鋪管等作業設備變頻器的諧波參數未知，諧波計算僅考慮推進電力系統。

計算模型基于圖2。

圖2 諧波計算對比的電力模型

模型1：S-LAY工況，3臺主發在網，推進器T1、T3、T5、T7、T9在網，母排A1、A2、B3一字排，低壓配電板和其他變頻設備不考慮。在線推進變壓器相位角不平衡。

模型2：S-LAY工況，3臺主發在網，推進器T1、T3、T6、T7、T9在網，母排A1、A2、B3一字排，低壓配電板和其他變頻設備不考慮。在線推進變壓器的相位角基本平衡。

諧波計算結果中的主要諧波值見表2，諧波計算點在中壓配電板871EH001的母排分段A1。兩種模型下差別較大的分別是第11、13、35、37次諧波，單次諧波數值相差在4倍左右，其余頻率諧波值基本相同或差別不大。

表2 兩種模型諧波值對比表

對應該鋪管船入級的LR船級社規范《Rules and Regulations for the Classification of Ships》，Part 6/Chapter 2/Section 1/1.8，有如下規定：“除非另有說明，任何交流配電盤或分區板上的電壓波形的總諧波失真(THD)均不得超過基波的8%，計算到不超過電源頻率50倍的所有頻率；25倍基波頻率以上的單次諧波電壓不能超過基波電源電壓的1.5%。”由此認為：

1)總諧波失真(total harmonic distortion，THD)小于或者等于8% (計算到50次諧波為止)。

2)單次諧波小于等于1.5%(指25次以上的單次諧波，不包括25次)。

按照兩種模型諧波計算值，相位角不平衡時的為3.413%，遠低于規范要求的8%；單次25次諧波值為1.343%，接近1.5%，但規范要求針對的是25次以上，并不包括25次；其他高次諧波均低于0.35%，遠低于規范要求的1.5%。因此即使按照當前相位角配置，也可滿足規范的諧波要求(不考慮其他作業設備變頻器)。

3 問題處理

由于作業設備變頻器的諧波數據缺失，初步計算全船諧波時采用基于IEEE Std 519-2014的軟件典型值代入，分析兩種工況。

1)丟失一個機艙工況。以丟失左機艙為例，帶切換的推進器T1、T5、T7切換到右半邊母排，此時整個電力系統T1、T2、T4、T5、T6、T7、T8、T10在同一母排上，變壓器相位角完全平衡。

2)MOORING PIPELAY工況。僅T1、T2兩臺主推進器運行，系統相位角完全平衡。

分析發現諧波值超標。由于主要諧波源的作業設備變頻器的諧波值采用典型值，但實際多傳動系統為AFE(Active Front End)類型的IGBT驅動器，單傳動變頻器大多是低諧波產品，諧波值要低于典型值所代表的IEEE標準中的諧波電壓和電流限值；而且兩種分析工況都是推進變壓器相位角完全平衡的情況。由此推斷諧波計算值超標主要是典型值和實際差異過大導致。

不同類型變頻器的網側電流諧波含量見表3。

表3 不同供電單元的網側電流諧波含量對比[5] %

鑒于諧波計算電力模型所分析的諧波狀況僅包括推進驅動系統，作業設備變頻器的影響暫時無法準確給出，相位角問題仍可能成為諧波達標的不確定因素，對更正相位角的3種方案進行分析。

3.1 推進變壓器更改相位角

按照目前推進變壓器的相位角情況，只要交換T3和T4,或者T5和T6,或者T7和T8任意一組變壓器的相位角，都可以解決這一問題。

變壓器為GEAFOL品牌，對于一次側相移+7.5°和-7.5°的變壓器，一般都是高壓引線連接不同，即便已進艙安裝，理論上仍可通過更改抽頭/繞組接線方式實現更改相位角。按照該變壓器資料，確實是通過高壓引線連接實現正移+7.5°和負移-7.5°，見圖3中的c)和d)。但圖示為鏡像(正裝和倒裝)，需結合現場實際進一步分析。

圖3 變壓器繞組聯接和抽頭聯接組別

以圖3中T3(865ET003)、T4(865ET004)變壓器為例。使變壓器繞組的空間位置和目標相位角變壓器一致。結合變壓器測試報告，由c)、d)可知，±7.5°變壓器的低壓側聯接組別、相序皆相同；由a)和f)可知，其實際聯接和目標變壓器完全相同，只要變動1U/1V/1W的定義，即可將變壓器相位角互換，無需更改抽頭聯接。

推進器驅動系統的整流部分為隔離式不控型整流器，推進變壓器(即隔離移相變壓器)采用延邊三角形聯接方式，按照銘牌上的繞組聯接圖，忽略電壓等級抽頭，將其等效為圖4。

圖4 變壓器繞組聯接方式

比較可知，T3和T4的原副邊聯接方式相同，但是1U/1V/1W電源相序不同，不同的相序使對應的向量關系發生變化，等效于改變一次側聯接方式，可實現互換相位角。

3.2 更改推進器切換開關的狀態

T5和T6、T7和T8為可切換推進器，可改變中壓切換柜內開關的狀態改變供電來源，選擇左半邊或右半邊母排供電，參見圖1。

T5由中間配電板(NC常閉主回路)或者右配電板(NO常開后備回路)供電，T6由中間配電板(NC)或左配電板(NO)供電。DP3正常工況時，左舷推進器由左半邊母排供電，右舷推進器由右半邊母排供電。實際運行視具體情況，帶切換推進器的供電回路可手動切換到另一邊母排供電。

各母排分段所帶負載情況見表4，帶括號的推進器表示后備回路連接，切換后才由對應的母排分段供電。

表4 分段母排負載表

如果將T5和T6的切換柜開關狀態(NC)和(NO)交換，分段母排負載表中T5和T6實際連接在表3中帶括號的位置，A1和C6帶載明顯大于其他母排分段。但DP3時左邊3個母排分段相連，右邊3個母排分段相連，左右半邊各有3臺發電機組供電，合計31 041 kVA，且鋪管作業時吊機不工作，不計入其功率。負荷分析表明并無影響。

此方案基本沒有實際工作量，但會導致設計圖紙、設備資料的修改，涉及各方對圖紙的重新審核認可。具體影響如下。

1)配電詳細設計圖紙和計算書。全船電力單線圖、分電箱圖紙、主干電纜走向圖、諧波分析、負荷計算書、協調性分析、ABB壓降計算等。

2)設備資料。配電板原理圖。

3)FMEA分析報告。