船用電力推進(jìn)變壓器的故障分析與改進(jìn)

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

船用電力推進(jìn)變壓器的故障分析與改進(jìn)

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

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

電力推進(jìn)；整流變壓器；過載試驗(yàn)；熱點(diǎn)溫升計(jì)算；故障分析；改進(jìn)

0 引言

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)是指采用電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳為船舶提供動(dòng)力的系統(tǒng)，其工作原理是：柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)電力推進(jìn)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(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力。

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、驅(qū)動(dòng)力矩大、易于正反轉(zhuǎn)、體積小、布局靈活、安裝方便、便于維修、振動(dòng)和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，電力推進(jìn)在大型船舶上得到推廣與應(yīng)用。船用電力推進(jìn)變壓器是推進(jìn)系統(tǒng)中重要的組成部分，它的運(yùn)行可靠性直接決定著船舶的運(yùn)行可靠性。

為了抑制諧波，電力推進(jìn)系統(tǒng)中常用的整流電路為24脈波整流系統(tǒng)，用兩臺(tái)12脈波軸向雙分裂整流變壓器，網(wǎng)側(cè)繞組接法為延邊三角形，分別移相+7.5°和-7.5°。這樣兩臺(tái)變壓器的四個(gè)閥側(cè)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(cè)并聯(lián)運(yùn)行，形成24脈波整流。

1 任務(wù)來源及產(chǎn)品技術(shù)方案

西安天虹電氣有限公司是長(zhǎng)期從事干式變壓器的專業(yè)生產(chǎn)廠家。2012年，公司首次承接國(guó)內(nèi)軍用某型船的24脈波電力推進(jìn)整流變壓器。該船的原動(dòng)力由柴油機(jī)提供，柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能供給推進(jìn)變壓器，推進(jìn)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(jìn)電機(jī)以輸出動(dòng)力，如圖1所示。

變壓器容量為4200kVA，每艘船共兩臺(tái)，聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)分別為Dd1.75y0.75(-7.5°)和Dd0.25y11.25(+7.5°)，繞組聯(lián)結(jié)如圖2所示。

變壓器在船舶艙室內(nèi)的運(yùn)行環(huán)境相對(duì)陸地上要惡劣，主要內(nèi)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(duì)艙室溫度產(chǎn)生影響；

4）有振動(dòng)、搖擺；

5）該變壓器作為電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心部件，技術(shù)要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求±2×2.5%的分接范圍；

圖1 24脈波整流機(jī)組原理圖

圖2 變壓器繞組聯(lián)結(jié)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(cè)繞組帶屏蔽。

因此，經(jīng)多方討論，變壓器的設(shè)計(jì)方案確定為：

1）網(wǎng)側(cè)線圈采用QZYB-2/180型聚酯亞胺漆包線繞制，閥側(cè)線圈采用T2銅箔繞制，閥側(cè)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(fù)載法，繞組短路試驗(yàn)狀態(tài)下）最高的8 4.2 K的繞組進(jìn)行熱點(diǎn)溫升計(jì)算：①額定電流時(shí)，△θU1=1.2 5×8 4.2×1.02=1 0 5.3 K；②過載1.2倍時(shí)，△θU2=1.2 5×8 4.2×1.22=1 5 1.6 K；③過載1.3倍時(shí)，△θU3=1.2 5×8 4.2×1.32=1 7 7.9 K；④過載1.4倍時(shí)，△θU4=1.2 5×8 4.2×1.42=2 0 6.3 K；⑤過載1.5倍時(shí)，△θU5=1.25×84.2×1.52=236.8K；⑥過載1.6倍時(shí)，△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(jì)算C=10458 W ·min/K；△θHS,r為額定負(fù)載下的熱點(diǎn)溫升，△θHS,r= △θU1=105.3K；△θe為空載時(shí)鐵心對(duì)繞組的熱點(diǎn)溫升的影響，因過載試驗(yàn)時(shí)鐵心不發(fā)熱，?。骸鳓萫=0K；pr為額定負(fù)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(yàn)時(shí)線圈熱點(diǎn)溫升 △θt計(jì)算

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

4.2 繞組熱點(diǎn)溫度計(jì)算

過載試驗(yàn)時(shí)結(jié)束時(shí)繞組熱點(diǎn)溫度

式中，△θα為環(huán)境溫度，℃；當(dāng)時(shí)約為 △θα=30℃。

4.3 結(jié)論

依據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得出結(jié)論：過載試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的繞組熱點(diǎn)溫度達(dá)到189.3℃，超過F級(jí)絕緣系統(tǒng)的繞組最高熱點(diǎn)溫度180℃。繞組熱點(diǎn)因過載試驗(yàn)出現(xiàn)了不應(yīng)有的高溫，使線圈絕緣迅速發(fā)生變化，絕緣強(qiáng)度下降，導(dǎo)致變壓器在空載試驗(yàn)時(shí)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(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)收，標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)項(xiàng)目并不完全適用于容量為4200kVA的電力推進(jìn)變壓器，特別是標(biāo)準(zhǔn)要求的過載試驗(yàn)程序完全不適用于這么大容量的變壓器。

5 改進(jìn)措施

經(jīng)與用戶充分溝通，認(rèn)為該推進(jìn)變壓器在船舶上可能遇到的過載運(yùn)行倍數(shù)不會(huì)大于1.2。因此達(dá)成一致意見，對(duì)過載試驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行了剪裁，按表3規(guī)定的程序進(jìn)行過載試驗(yàn)并修改了《試驗(yàn)大綱》（見表3）。

表3 4200kVA電力推進(jìn)變壓器剪裁后的過載試驗(yàn)程序

工廠除依據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)變壓器過載試驗(yàn)程序進(jìn)行驗(yàn)證以外，在設(shè)計(jì)上對(duì)變壓器的繞組熱點(diǎn)溫度進(jìn)行了校核，同時(shí)還對(duì)變壓器線圈的縱絕緣做了加強(qiáng)，改進(jìn)了線圈絕緣的散熱結(jié)構(gòu)。按照新設(shè)計(jì)的圖紙重新生產(chǎn)了兩臺(tái)變壓器，新變壓器所有的試驗(yàn)項(xiàng)目均順利通過。

6 結(jié)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(jìn)系統(tǒng)的陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。2014年完成整船的系泊試驗(yàn)及航行試驗(yàn)，變壓器優(yōu)越的性能得到了用戶的高度認(rèn)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(xiàng)檢驗(yàn)，順利交付用戶，運(yùn)行良好。我國(guó)自行研制生產(chǎn)的電力推進(jìn)變壓器首次在軍船上使用，實(shí)現(xiàn)了零的突破。這說明產(chǎn)品出現(xiàn)問題不一定是壞事，只要能夠認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，找到故障的根本原因并加以改進(jìn)，完全可以向用戶提供可靠的產(chǎn)品和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。嚴(yán)格按照GJB9001B的要求控制產(chǎn)品質(zhì)量，才能確保產(chǎn)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(fù)載導(dǎo)則》[S].

[4]JB/T8636—1997《電力變流變壓器》[S].