干式變壓器在艦船上的應(yīng)用探討

杜智慧，劉茂輝，張 峰

應(yīng)用研究

干式變壓器在艦船上的應(yīng)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(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)，闡述了在船舶電力系統(tǒng)上選用干式變壓器須考慮的因素以及安裝和使用應(yīng)注意的問(wèn)題，可供船用干式變壓器選用、設(shè)計(jì)布置及安裝使用參考。

干式變壓器 箔繞 冷卻 局放試驗(yàn)

0 引言

從1964年德國(guó)AEG公司研制出第一臺(tái)400kVA、20kV的環(huán)氧澆注式干式變壓器[1]，干式變壓器的發(fā)展就進(jìn)入了一個(gè)新的階段。在以后的第二年，德國(guó)TU公司又研制出了第一代B級(jí)絕緣的環(huán)氧澆注式干式變壓器，從此環(huán)氧澆注式干式變壓器不斷有新的發(fā)展，生產(chǎn)出許多新的類型的產(chǎn)品，迄今在世界上環(huán)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(guó)也不斷發(fā)展并改進(jìn)了采用NOMEX紙作為絕緣材料的浸漬式H級(jí)干式變壓器。近幾十年來(lái)，隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，干變?cè)谌澜缛〉昧搜该偷陌l(fā)展，尤其是在配電變壓器中，干變所占的比例愈來(lái)愈大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家中，它已占到配變的40～50%。在我國(guó)，約占到50%左右。

隨著船舶向著大型化、自動(dòng)化和綜合電力推進(jìn)方向發(fā)展，電網(wǎng)容量及配電系統(tǒng)電壓等級(jí)逐漸抬高，常規(guī)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(huán)氧澆注型干式變壓器廣泛用作電力推進(jìn)系統(tǒng)移相變壓器或主日用變壓器使用。環(huán)氧澆注型干式變壓器澆注線圈的整體機(jī)械強(qiáng)度好，抗短路能力強(qiáng)，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(huán)境條件下使用。

1 干式變壓器結(jié)構(gòu)組成

干式變壓器主要由硅鋼片組成的鐵芯和環(huán)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(xù)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(yōu)質(zhì)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(guò)。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(jī)械強(qiáng)度高、散熱條件好的連續(xù)式結(jié)構(gòu)，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(dǎo)體，層間采用絕緣材料絕緣紙，線圈經(jīng)VPI真空壓力浸漬成堅(jiān)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(jī)械強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，從而提高了變壓器運(yùn)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(dǎo)體，以寬帶狀的H級(jí)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(jī)上一次完成卷繞，形成卷狀線圈。同時(shí)完成線圈內(nèi)外側(cè)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(qiáng)的抗短路能力。

絕緣材料多采用聚酰亞胺薄膜纖維紙復(fù)合材料（Nomex），絕緣等級(jí)可達(dá)到H級(jí)別，若干式變壓器絕緣耐熱等級(jí)為其他等級(jí)時(shí)，如B級(jí)、F級(jí)時(shí)，則應(yīng)選用相應(yīng)耐熱等級(jí)的絕緣材料，也可選高一級(jí)的，已保持一定的冗余。

圖1 干式變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 干式變壓器外殼結(jié)構(gòu)形式

1）開(kāi)啟式：是一種常用的形式，其器身與大氣直接接觸，適應(yīng)于比較干燥而潔凈的室內(nèi)，（環(huán)境溫度20度時(shí)，相對(duì)濕度不應(yīng)超過(guò)85%），一般有空氣自冷和風(fēng)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(nèi)，與大氣不直接接觸，通過(guò)外部空氣循環(huán)冷卻裝置進(jìn)行冷卻。是目前艦船常采用的形式，防護(hù)等級(jí)可達(dá)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(huán)冷卻（AN）和強(qiáng)迫空氣循環(huán)冷卻（AF）。自然空冷時(shí)，變壓器可在額定容量下長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。在采用強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)，變壓器輸出容量可提高50%。為了提高船舶使用的經(jīng)濟(jì)性，船用干式變壓器多采用強(qiáng)迫循環(huán)冷卻方式，變壓器與冷卻裝置之間有風(fēng)道連接，風(fēng)機(jī)將變壓器殼內(nèi)的熱氣抽出，進(jìn)入空-水冷卻裝置進(jìn)行冷卻。采用強(qiáng)迫空氣循環(huán)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(yùn)行效率。

2 干式變壓器性能特點(diǎn)

干式變壓器具有抗短路能力強(qiáng)、維護(hù)工作量小、運(yùn)行效率高、體積小、噪音低等優(yōu)點(diǎn), 常用于防火、防爆等性能要求高的場(chǎng)所。

1）干式變壓器無(wú)可燃性樹脂，在使用過(guò)程中不助燃，能阻燃，不會(huì)爆炸及釋放有毒氣體、不會(huì)對(duì)環(huán)境、其他設(shè)備和人體造成危害，對(duì)濕度、灰塵、污染不敏感；運(yùn)行無(wú)局部放電及永無(wú)“龜裂”的可能。

2）采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)，機(jī)械強(qiáng)度高，抗短路能力強(qiáng)，局部放電小，熱穩(wěn)定性好，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)。

3）低損耗，低噪音，節(jié)能效果明顯，免維護(hù)；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(jīng)VPI真空加壓設(shè)備多次浸漬H級(jí)無(wú)溶劑浸漬漆。產(chǎn)品為H級(jí)（180℃），而主要絕緣材料是C級(jí)（220℃）,過(guò)負(fù)荷能力強(qiáng)，有很好的抗短路能力。在通風(fēng)良好的情況下，允許過(guò)載20%運(yùn)行。

5）防潮性能好，適應(yīng)高濕度和其他惡劣環(huán)境中運(yùn)行；

6）干式變壓器可配備完善的溫度檢測(cè)和保護(hù)系統(tǒng)。采用智能信號(hào)溫控系統(tǒng)，可自動(dòng)檢測(cè)和巡回顯示三相繞組各自的工作溫度，可自動(dòng)啟動(dòng)、停止風(fēng)機(jī)，并有報(bào)警、跳閘等功能設(shè)置。

3 干式變壓器選用

干式變壓器可用作為船舶電力系統(tǒng)的輸電、變電和配電[2]，干式變壓器在綜合電力推進(jìn)船舶上多作為主日用變壓器用，是船上的重要電源設(shè)備。通常選用2臺(tái)同容量同型號(hào)的三相干式變壓器作為主日用變壓器使用，兩臺(tái)變壓器可以短時(shí)并聯(lián)使用，實(shí)現(xiàn)不斷電轉(zhuǎn)換。目前還沒(méi)有單獨(dú)的船用干式變壓相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，干式變壓器適用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是GB1094.11-2007 《電力變壓器》第11部分：干式變壓器。但此規(guī)范適用范圍是最高電壓為40.5 kV及以下，且至少有一個(gè)繞組是在高于1.1 kV時(shí)運(yùn)行的干式電力變壓器。若采用AC690 V電制的艦船，電壓等級(jí)達(dá)不到1.1 kV，但由于電力負(fù)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(shù)要求同樣需參照GB1094.11-2007 《電力變壓器》[3]執(zhí)行。

在變壓器選用時(shí)，主要關(guān)注定額數(shù)據(jù)的匹配性，船用變壓器的定額數(shù)據(jù)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(guān)注絕緣等級(jí)，耐壓等級(jí)，溫升等級(jí)，熱態(tài)絕緣電阻，變壓器空載損耗、負(fù)載損耗、空載電流及阻抗，勵(lì)磁電流，絕緣等級(jí)等。外殼防護(hù)型式即外殼防護(hù)等級(jí)形式確定，多數(shù)采用IP44防濺式。相關(guān)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(guī)范》[4]、GJB4000-2000 《艦船通用規(guī)范》[5]3組電力系統(tǒng)及CCS鋼規(guī)[6]的要求。但在選用時(shí)要注意以下問(wèn)題：

3.1 變壓器容量選用

變壓器的容量由負(fù)載決定，用電設(shè)備視在功率計(jì)算公式：

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

變壓器容量為各分類用電設(shè)備的總視在功率之和，并考慮一定的儲(chǔ)備，從而確定變壓器的理論容量。一般變壓器的負(fù)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(yù)勵(lì)磁

干式變壓器副邊開(kāi)路，在原邊接入電源時(shí)為空載合閘，在空載合閘時(shí)可能出現(xiàn)很大的沖擊電流，沖擊電流的大小可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)空載電流的幾十上百倍，相當(dāng)于幾倍的額定電流，這就是勵(lì)磁涌流。

合閘時(shí)原邊的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式[7]：

電阻壓降很小，可以忽略不計(jì)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(guān)，在電壓U=0時(shí)，磁通達(dá)到最大值，其對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流也將增大到穩(wěn)態(tài)值的幾十倍，甚至上百倍，在最不利的情況下，其勵(lì)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(gè)周期的勵(lì)磁涌較大，可能會(huì)引起電流保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，為了防止勵(lì)磁電流過(guò)高，當(dāng)在合閘瞬間電壓值為零時(shí)，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(chǎn)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(chǎn)生很大的勵(lì)磁涌流，而合閘時(shí)在原邊用一定電流值的電源進(jìn)行預(yù)充磁，由于有了預(yù)充磁產(chǎn)生的磁通位置鐵芯中磁通的初始狀態(tài)，那么非周期分量Φ也大大減小，從而有效地降低勵(lì)磁涌流。

變壓器的容量越大，勵(lì)磁涌流衰減的時(shí)間就越長(zhǎng)，在選用大容量干式變壓器時(shí)候，要選擇匹配容量的預(yù)勵(lì)磁變壓器來(lái)減少勵(lì)磁涌流。

3.3 主要出廠試驗(yàn)項(xiàng)目要求

干式變壓器主要出廠試驗(yàn)包括：繞組電阻測(cè)量；短路阻抗和負(fù)載損耗測(cè)量；空載損耗和空載電流測(cè)量；外施耐壓試驗(yàn)；感應(yīng)耐壓試驗(yàn)；局部放電量測(cè)量等；熱態(tài)絕緣電阻測(cè)量[8]。

某型船主變壓器（箔繞式干式變壓器）在使用過(guò)程中連續(xù)發(fā)生匝間短路嚴(yán)重故障，在進(jìn)行故障分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，出廠試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行了外施耐壓試驗(yàn)和感應(yīng)高壓試驗(yàn)，承受工頻電壓3000 V，歷時(shí)1 min，試驗(yàn)合格，施加2倍額定電壓和2倍額定電流，無(wú)擊穿和閃絡(luò)現(xiàn)象。但變壓器生產(chǎn)廠家提供不出局部放電測(cè)量數(shù)據(jù)，理由是變壓器的額定電壓是AC690V/398 V，沒(méi)有達(dá)到干式變壓器標(biāo)準(zhǔn)要求的電壓1.1 kV，可以不參照?qǐng)?zhí)行。在故障排查過(guò)程中，對(duì)變壓器線圈拆解后及對(duì)倒查工序時(shí)發(fā)現(xiàn)，此批次日用變壓器的銅排焊縫處不夠平整，有動(dòng)力磨光機(jī)打磨的過(guò)程，引線銅排附近的銅箔和絕緣層上有少量的擊穿點(diǎn)，打磨后產(chǎn)生的銅屑清潔處理可能不夠徹底，而導(dǎo)致有部分銅屑?xì)埩粼诹死@組內(nèi)部，所以變壓器通電后造成對(duì)絕緣層的加速老化從而產(chǎn)生匝間短路，最終引起故障。出廠試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行的感應(yīng)耐壓試驗(yàn)，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?xì)埩舻奈恢脮?huì)對(duì)絕緣層有一定的磨損和集中放電現(xiàn)象，加速了層間絕緣的破損和老化，導(dǎo)致匝間短路。若能在出廠試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行局部放電量測(cè)量，可以非常容易的檢測(cè)到線圈層間是否有銅屑等金屬雜質(zhì)，從而排除隱患，可以避免裝船后嚴(yán)重事故的發(fā)生。故局部放電量的測(cè)量是干式變壓器一個(gè)重要的出廠試驗(yàn)項(xiàng)目，局部放電水平的最大值為10 pC，此指標(biāo)越低越好，國(guó)內(nèi)已有干式變壓器生產(chǎn)廠家可以把局部放電指標(biāo)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(yùn)行監(jiān)測(cè)

干式變壓器的安全運(yùn)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(guò)絕緣耐受溫度使絕緣破壞，是導(dǎo)致變壓器不能正常工作的主要原因之一，因此對(duì)變壓器的運(yùn)行溫度的監(jiān)測(cè)及其報(bào)警控制是十分重要的[9]。

風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制：通過(guò)預(yù)埋在低壓繞組最熱處的Pt100熱敏測(cè)溫電阻測(cè)取溫度信號(hào)。變壓器負(fù)荷增大，運(yùn)行溫度上升，當(dāng)繞組溫度達(dá)設(shè)定時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻；當(dāng)繞組溫度低至設(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止風(fēng)機(jī)。

溫度顯示系統(tǒng)：通過(guò)預(yù)埋在低壓繞組中的Pt100熱敏電阻測(cè)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(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

4 干式變壓器安裝和使用

船用大功率干式變壓器多設(shè)有風(fēng)-水冷卻裝置，外接冷卻水，通過(guò)風(fēng)-水冷卻裝置對(duì)變壓器進(jìn)行散熱。采用風(fēng)水冷卻的干式變壓器防護(hù)等級(jí)可以做到IP44，可以有效防導(dǎo)電固體異物及老鼠等小動(dòng)物進(jìn)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(fēng)水冷卻裝置出現(xiàn)故障時(shí)，可以降額使用。在變壓器室的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)應(yīng)足以使周圍的環(huán)境空氣溫度低于規(guī)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?xì)怏w產(chǎn)生和聚積。

為了降低電網(wǎng)中的3次諧波，變壓器次級(jí)繞組的三相最好采用△形接法，故在船用干式變壓器規(guī)格書簽定中明確高壓側(cè)為Y形接法，低壓側(cè)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(rèn)冷卻系統(tǒng)正常工作后，先空載通電，觀察測(cè)試輸入輸出電壓符合要求。同時(shí)觀察機(jī)器內(nèi)部是否有異響、打火、異味等非正?，F(xiàn)象，若有異常，請(qǐng)立即斷開(kāi)輸入電源。當(dāng)空載測(cè)試完成且正常后，方可接入負(fù)載投入使用。變壓器投入運(yùn)行后，所帶負(fù)荷應(yīng)由輕到重，且檢查產(chǎn)品有無(wú)異響，切忌盲目一次大負(fù)載投入。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，當(dāng)選用干式變壓器時(shí)，要根據(jù)用途，不但要關(guān)注結(jié)構(gòu)形式、定額數(shù)據(jù)匹配性、性能指標(biāo)；而且要關(guān)注出廠試驗(yàn)項(xiàng)目，各種電壓等級(jí)的干式變壓器都需要在出廠試驗(yàn)時(shí)做局部放電量測(cè)量，以保證裝船的變壓器可靠頂用。通過(guò)科學(xué)安裝使用，可以充分發(fā)揮出干式變壓器的優(yōu)良性能。

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

[2] 余濤. 干式電力變壓器技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2008: 20.

[3] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局. 電力變壓器: GB/T 1094.11-2007[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2017.

[4] 中國(guó)人民解放軍總裝備部. 艦船變壓器通用規(guī)范: GJB621B-2018[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2018.

[5] 中國(guó)人民解放軍總裝備部. 《艦船通用規(guī)范》3組電力系統(tǒng): GJB4000-2000 [S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2000.

[6] 中國(guó)船級(jí)社（CCS）. 鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2021[M]. 北京: 人民交通出版社, 2021.

[7] 王正茂. 電機(jī)學(xué)[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2000: 23.

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

[9] 梁俊.變壓器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)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(jí)工程師，主要從事船舶電氣技術(shù)工作。E-mail: hpsgjb@csschps.com