干式整流變壓系統(tǒng)在海洋工程軟鋪設備的應用

楊 進，鄭志雄，劉立宇

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

南海深水油氣田大力實施深水開發(fā)戰(zhàn)略及國際化戰(zhàn)略現進入實質性階段，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型越來越多樣化。管纜施工裝備運行電路控制系統(tǒng)更新換代，電氣控制系統(tǒng)集成化、自動化程度越來越高。管纜施工裝備中通過使用變壓器、整流器及變頻器等控制技術驅動電機旋轉，通過改變電路系統(tǒng)電壓、電流及頻率等參數實現對電機轉速調整或剎車。

對2500 t 卷管盤及100 t 張緊器等軟鋪設備干式整流變壓系統(tǒng)工作原理及工程應用進行研究，根據軟鋪設備實測波形對網側電壓和電流變化、諧波影響等進行分析，干式整流變壓系統(tǒng)在工程運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。

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）和線圈組成，三相干式整流變壓系統(tǒng)有不少于3 個線圈，其中電源輸入側線圈稱為初級線圈，變壓器電源輸出側線圈稱為次級線圈。整流器通過干式整流變壓器的電磁互感效應變換電壓、電流和阻抗得到合適的電源供應，以12 脈波整流電路（稱為十二相整流電路）為例（圖1），電源輸入側為初級線圈（星形接法），變壓器輸出側為次級線圈（星形接法和三角形接法），整流變壓器閥側線圈各接一組三相橋式整流器并聯運行，該整流變壓器同時具備移相功能，輸出多套相位電壓供整流器使用，使輸出整流電壓在每個交流電源周期過程中脈動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)流控制及其工程應用

隨著海洋工程軟鋪設備發(fā)展的需求，在船舶電路系統(tǒng)大功率整流電路中，當設備變頻調速運行過程中會產生一定的諧波和環(huán)流，會對船舶電網帶來嚴重的無功電流污染，導致船舶電網中電壓和電流波形失真。電路中諧波可能會引起電路系統(tǒng)諧振，增加變壓器內部銅耗和鐵芯損耗，降低發(fā)電機及其附屬用電設備的效率。

2.1 諧波原因分析及控制

大功率整流電路諧波產生的主要原因是由于電路系統(tǒng)中非線性負載存在，電流經過此類負載時，負載電流與所加的電壓不呈線性關系，形成非正弦電流。干式整流變壓系統(tǒng)能夠將諧波就近隔離，將作為一種大功率電路諧波抑制技術而具備一定的發(fā)展優(yōu)勢，其優(yōu)點在于輸入和輸出側三角形接法線圈平均分配負載，可將諧波在三角形閉合回路上相加形成環(huán)流而消耗在線圈內，因此達到降低諧波的作用。

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線圈不匹配、星形接法和三角形接法引起變壓器閥側線電壓相角之間互差30°等因素，導致并聯連接的兩組整流橋間存在電壓差，而此電壓差則會在變壓器的兩側線圈和兩組整流橋間形成不經過負載的環(huán)流。在大功率整流系統(tǒng)中，當電路系統(tǒng)產生的環(huán)流較大時，會造成整流器直流側母排支架發(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)中為使閥側由星形接法和三角形接法線圈分別供電的兩組三相整流橋在直流側能夠并聯運行，需滿足次級線圈直流電壓平均值要相等，同時次級線圈兩線圈的匝比為，由于星形接法和三角形接法電壓有30°相位差，兩側線圈存在漏抗，在一定負載時會產生環(huán)流。系統(tǒng)環(huán)流將使得星形接法和三角形接法的兩個次級線圈一個電流增大，另外一個電流減少，電流增大造成線圈局部嚴重過熱，因此為了減小12 脈波干式整流變壓系統(tǒng)中的環(huán)流，次級線圈中的星形接法和三角形接法線圈匝數之比要盡可能接近。

2.3 干式整流變壓系統(tǒng)應用

2.3.1 干式整流變壓系統(tǒng)在2500 t 卷管盤應用

海洋工程大型軟鋪設備2500 t 卷管盤設備運行供電系統(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 套制動單元（圖1），當工程船舶供應兩路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，直流電源經過ABB 變頻器逆變單元再逆變成頻率、電壓可調的交流電源，從而實現2500 t 卷管盤4 臺三相異步交流電機轉速調節(jié)。當2500 t 卷管盤電機在減速或剎車制動過程中產生的能量可通過變頻器逆變單元再逆變成直流電源，通過系統(tǒng)電路中的制動單元將交流電機減速或剎車制動過程中產生的能量進行消耗，防止直流母排電壓過高損壞設備。其中干式整流變壓系統(tǒng)是設備配電系統(tǒng)的重要組成部分之一，其二次側星三角形線圈平均分配負載，可有效降低變壓器進線側諧波和電路系統(tǒng)環(huán)流的產生，抑制諧波和環(huán)流對船舶電網帶來了的無功電流污染。

2500 t 卷管盤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，該整流變壓器聯結方式為Dy11d0 接法，即初級線圈側為三角形接法，次級線圈側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。即初級線圈三角型接法與次級線圈三角型接法相位角一樣，次級線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，經過整流器整流橋后輸出12 段波形電壓，再經過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發(fā)生短路時能夠產生短路電流的大小，短路阻抗百分比選擇過小會加大短路電流，引起變壓器線圈發(fā)熱嚴重損壞設備。2500 t 卷管盤干式整流變壓系統(tǒng)短路阻抗選擇為5.88%，該選擇可以限制一定的短路電流，減少整流設備對其他并聯運行整流設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 張緊器為可移動式軟鋪設備，根據項目作業(yè)需要選擇不同船舶進行裝船，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)需配備變壓器進行電壓轉換。為達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 張緊器管纜鋪設作業(yè)工作載荷大，而干式變壓器的散熱性能好，過負載保護能力強且便于運輸，雖然海上軟鋪作業(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 張緊器驅動供電系統(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、制動電阻單元）、4 臺90 kW 變頻電機（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)。當工程船舶供應一路690 V/50 Hz 主電源由干式變壓系統(tǒng)初級線圈輸入后，次級線圈側分路且移相成兩路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，直流電源經過艾默生變頻器內部逆變單元再逆變成頻率、電壓可調的交流電源，從而實現100 t 張緊器4 臺三相異步電機轉速調節(jié)。若不采取有效的諧波抑制方式，驅動系統(tǒng)產生的諧波將嚴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結方式為Dd0y11，利用該干式整流變壓系統(tǒng)具有很好的諧波抑制功能，從而達到保護船舶供電系統(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)種類的選擇

目前大型設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)領域和生活領域中，應根據室內或室外所需、工作環(huán)境、整流器類型及所需電壓、耐熱等級、經濟成本等來確認采用整流變壓系統(tǒng)的類型。油浸式整流變壓器是由存儲于油箱內的完全獨立的變壓器，有造價較低、使用壽命長、維護成本低等優(yōu)點，但由于油浸式整流變壓器因運輸成本高、可燃可爆、且不適用于頻繁移動等諸多原因，故其不符合大型軟鋪設備經常移動使用的特性。

干式整流變壓器與整流裝置構成的干式整流變壓系統(tǒng)適用于軟鋪設備的大功率12 脈波整流電路，也稱為“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，因此具有造價低、體積小的優(yōu)點。另外，干式整流變壓系統(tǒng)具有良好的防火性、運輸放便、抗沖擊、清潔及無漏油風險、易維護等特點。

綜上所述，干式整流變壓系統(tǒng)為大型軟鋪設備整流變壓功能的首選。

4 結束語

通過對軟鋪設備2500 t 卷管盤及100 t 張緊器干式整流變壓系統(tǒng)的工作原理、諧波和環(huán)流控制及其工程應用分析，對于不同類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，但其結構應盡量與裝備所運用的環(huán)境相匹配，同時具備良好的可靠性和易維護性。使用干式整流變壓系統(tǒng)不但可以滿足軟鋪設備的供電需求，有效解決大功率整流電路系統(tǒng)中諧波治理和環(huán)流問題，亦能給軟鋪設備電氣系統(tǒng)帶來有效保護，憑借著高安全性、高可靠性、節(jié)能環(huán)保等特點，干式整流變壓系統(tǒng)未來將具有很大的發(fā)展前景。