推進(jìn)變壓器相位角問題的分析和處理

張建平，鄭天府，卞邦亮，唐杰

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

某深水鋪管船項(xiàng)目，全船配置有10臺(tái)推進(jìn)器，其中6臺(tái)主推進(jìn)器帶切換，配有12個(gè)推進(jìn)變壓器(2臺(tái)主推各配2個(gè)變壓器)，變壓器相位角分為：+7.5°、-7.5°(數(shù)量和功率完全對(duì)稱)。系統(tǒng)采用2種運(yùn)行模式：DP2時(shí)所有母聯(lián)開關(guān)和耦合開關(guān)全部閉合，系統(tǒng)為一字排，所有推進(jìn)變壓器連接在一起，正負(fù)角度完全對(duì)稱，互相平衡；

DP3時(shí)中間配電板的母聯(lián)開關(guān)分開，系統(tǒng)左右兩部分獨(dú)立運(yùn)行，分段母排上的推進(jìn)變壓器相位角按設(shè)計(jì)意圖也應(yīng)該各自對(duì)稱。系統(tǒng)可以一直以24脈系統(tǒng)運(yùn)行，諧波最小(理想情況：不考慮某個(gè)推進(jìn)器故障、不考慮單個(gè)帶切換推進(jìn)器已切換，鋪管、吊機(jī)等變頻器諧波另外考慮)。

全船推進(jìn)器電力系統(tǒng)見圖1。

圖1 推進(jìn)器電力系統(tǒng)

系統(tǒng)較好地利用推進(jìn)器移相變壓器，結(jié)合船舶運(yùn)行工況形成24相整流，從源頭控制諧波產(chǎn)生，但實(shí)際變壓器相位角配置和設(shè)計(jì)意圖產(chǎn)生了差異，需要分析論證以便結(jié)合項(xiàng)目進(jìn)度制定處理方案。

1 相位角問題描述

項(xiàng)目基本設(shè)計(jì)階段，推進(jìn)器T5、T6為交叉供電(物理位置在船舶左側(cè)的T5正常時(shí)由右母排供電，物理位置在船舶右側(cè)的T6正常時(shí)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(shí)際相位角，變壓器進(jìn)艙安裝、電纜敷設(shè)后形成了表1的變壓器相位角現(xiàn)狀。DP2時(shí)所有變壓器在同一母排上運(yùn)行，形成24脈系統(tǒng)；但DP3運(yùn)行時(shí)2段獨(dú)立母排上的各自變壓器相位角并不完全平衡，這可能對(duì)全船諧波造成影響。

表1 變壓器相位角現(xiàn)狀

2 相位角對(duì)諧波的影響

首先分析DP3時(shí)左、右兩部分獨(dú)立運(yùn)行的諧波情況，計(jì)算對(duì)比相位角不平衡和平衡兩種情況下的諧波數(shù)據(jù)，以判斷現(xiàn)狀下對(duì)諧波的影響程度。鑒于吊機(jī)、鋪管等作業(yè)設(shè)備變頻器的諧波參數(shù)未知，諧波計(jì)算僅考慮推進(jìn)電力系統(tǒng)。

計(jì)算模型基于圖2。

圖2 諧波計(jì)算對(duì)比的電力模型

模型1：S-LAY工況，3臺(tái)主發(fā)在網(wǎng)，推進(jìn)器T1、T3、T5、T7、T9在網(wǎng)，母排A1、A2、B3一字排，低壓配電板和其他變頻設(shè)備不考慮。在線推進(jìn)變壓器相位角不平衡。

模型2：S-LAY工況，3臺(tái)主發(fā)在網(wǎng)，推進(jìn)器T1、T3、T6、T7、T9在網(wǎng)，母排A1、A2、B3一字排，低壓配電板和其他變頻設(shè)備不考慮。在線推進(jìn)變壓器的相位角基本平衡。

諧波計(jì)算結(jié)果中的主要諧波值見表2，諧波計(jì)算點(diǎn)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(shù)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(duì)比表

對(duì)應(yīng)該鋪管船入級(jí)的LR船級(jí)社規(guī)范《Rules and Regulations for the Classification of Ships》，Part 6/Chapter 2/Section 1/1.8，有如下規(guī)定：“除非另有說明，任何交流配電盤或分區(qū)板上的電壓波形的總諧波失真(THD)均不得超過基波的8%，計(jì)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(rèn)為：

1)總諧波失真(total harmonic distortion，THD)小于或者等于8% (計(jì)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(jì)算值，相位角不平衡時(shí)的為3.413%，遠(yuǎn)低于規(guī)范要求的8%；單次25次諧波值為1.343%，接近1.5%，但規(guī)范要求針對(duì)的是25次以上，并不包括25次；其他高次諧波均低于0.35%，遠(yuǎn)低于規(guī)范要求的1.5%。因此即使按照當(dāng)前相位角配置，也可滿足規(guī)范的諧波要求(不考慮其他作業(yè)設(shè)備變頻器)。

3 問題處理

由于作業(yè)設(shè)備變頻器的諧波數(shù)據(jù)缺失，初步計(jì)算全船諧波時(shí)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(gè)機(jī)艙工況。以丟失左機(jī)艙為例，帶切換的推進(jìn)器T1、T5、T7切換到右半邊母排，此時(shí)整個(gè)電力系統(tǒng)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(tái)主推進(jìn)器運(yùn)行，系統(tǒng)相位角完全平衡。

分析發(fā)現(xiàn)諧波值超標(biāo)。由于主要諧波源的作業(yè)設(shè)備變頻器的諧波值采用典型值，但實(shí)際多傳動(dòng)系統(tǒng)為AFE(Active Front End)類型的IGBT驅(qū)動(dòng)器，單傳動(dòng)變頻器大多是低諧波產(chǎn)品，諧波值要低于典型值所代表的IEEE標(biāo)準(zhǔn)中的諧波電壓和電流限值；而且兩種分析工況都是推進(jìn)變壓器相位角完全平衡的情況。由此推斷諧波計(jì)算值超標(biāo)主要是典型值和實(shí)際差異過大導(dǎo)致。

不同類型變頻器的網(wǎng)側(cè)電流諧波含量見表3。

表3 不同供電單元的網(wǎng)側(cè)電流諧波含量對(duì)比[5] %

鑒于諧波計(jì)算電力模型所分析的諧波狀況僅包括推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，作業(yè)設(shè)備變頻器的影響暫時(shí)無法準(zhǔn)確給出，相位角問題仍可能成為諧波達(dá)標(biāo)的不確定因素，對(duì)更正相位角的3種方案進(jìn)行分析。

3.1 推進(jìn)變壓器更改相位角

按照目前推進(jìn)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(duì)于一次側(cè)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(jìn)艙安裝，理論上仍可通過更改抽頭/繞組接線方式實(shí)現(xiàn)更改相位角。按照該變壓器資料，確實(shí)是通過高壓引線連接實(shí)現(xiàn)正移+7.5°和負(fù)移-7.5°，見圖3中的c)和d)。但圖示為鏡像(正裝和倒裝)，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)一步分析。

圖3 變壓器繞組聯(lián)接和抽頭聯(lián)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(biāo)相位角變壓器一致。結(jié)合變壓器測(cè)試報(bào)告，由c)、d)可知，±7.5°變壓器的低壓側(cè)聯(lián)接組別、相序皆相同；由a)和f)可知，其實(shí)際聯(lián)接和目標(biāo)變壓器完全相同，只要變動(dòng)1U/1V/1W的定義，即可將變壓器相位角互換，無需更改抽頭聯(lián)接。

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

圖4 變壓器繞組聯(lián)接方式

比較可知，T3和T4的原副邊聯(lián)接方式相同，但是1U/1V/1W電源相序不同，不同的相序使對(duì)應(yīng)的向量關(guān)系發(fā)生變化，等效于改變一次側(cè)聯(lián)接方式，可實(shí)現(xiàn)互換相位角。

3.2 更改推進(jìn)器切換開關(guān)的狀態(tài)

T5和T6、T7和T8為可切換推進(jìn)器，可改變中壓切換柜內(nèi)開關(guān)的狀態(tài)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(shí)，左舷推進(jìn)器由左半邊母排供電，右舷推進(jìn)器由右半邊母排供電。實(shí)際運(yùn)行視具體情況，帶切換推進(jìn)器的供電回路可手動(dòng)切換到另一邊母排供電。

各母排分段所帶負(fù)載情況見表4，帶括號(hào)的推進(jìn)器表示后備回路連接，切換后才由對(duì)應(yīng)的母排分段供電。

表4 分段母排負(fù)載表

如果將T5和T6的切換柜開關(guān)狀態(tài)(NC)和(NO)交換，分段母排負(fù)載表中T5和T6實(shí)際連接在表3中帶括號(hào)的位置，A1和C6帶載明顯大于其他母排分段。但DP3時(shí)左邊3個(gè)母排分段相連，右邊3個(gè)母排分段相連，左右半邊各有3臺(tái)發(fā)電機(jī)組供電，合計(jì)31 041 kVA，且鋪管作業(yè)時(shí)吊機(jī)不工作，不計(jì)入其功率。負(fù)荷分析表明并無影響。

此方案基本沒有實(shí)際工作量，但會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)備資料的修改，涉及各方對(duì)圖紙的重新審核認(rèn)可。具體影響如下。

1)配電詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙和計(jì)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(fù)荷計(jì)算書、協(xié)調(diào)性分析、ABB壓降計(jì)算等。

2)設(shè)備資料。配電板原理圖。

3)FMEA分析報(bào)告。

3.3 交換推進(jìn)變壓器的物理位置

第3種方案是交換2臺(tái)變壓器的物理位置，T5和T6推進(jìn)變壓器的布置見圖5。

圖5 T5和T6推進(jìn)變壓器布置

從圖5上看，T5和T6相鄰，相對(duì)容易。

鑒于設(shè)備已進(jìn)艙安裝，交換變壓器物理位置會(huì)造成返工，而且艙壁或甲板需要工藝開孔，代價(jià)相對(duì)較大，具體工作量和影響取決于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)度和工藝部門，此處不展開。

3.4 處理方案的決策

基于上述諧波計(jì)算、規(guī)范分析，以及不同解決方案的可行性、優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)狀，推進(jìn)變壓器相位角問題的的處理從以下角度考慮。

1)項(xiàng)目圖紙已完成，送退審工作進(jìn)入尾聲，設(shè)備已安裝，即使換接抽頭或更改相序改變相位角，或者交換變壓器，修改的緊迫性并不存在。

2)按照不同的變壓器相位角建立的模型，經(jīng)初步諧波計(jì)算、對(duì)比，相位角情況對(duì)諧波的影響仍然在船級(jí)社規(guī)范允許范疇。

3)就地更改變壓器相位角可行性較高。

4)對(duì)項(xiàng)目后續(xù)調(diào)試工作無實(shí)質(zhì)影響。

因此，推進(jìn)變壓器可以維持目前全船電力單線圖上的相位角配置，待全船諧波計(jì)算完成后，如THD值符合規(guī)范要求，則不需要對(duì)變壓器相位角作修改；如結(jié)果不理想、需要修改相位角，則前述的3個(gè)方案都可行。

帶切換推進(jìn)器的切換開關(guān)有NC、NO區(qū)分，工況允許1或2個(gè)推進(jìn)器切換后再成系統(tǒng)運(yùn)行，比如將T5、T6同時(shí)切換(相當(dāng)于相位角交換)。從這個(gè)角度看，相位角問題也可看作為切換開關(guān)的操作問題，對(duì)系統(tǒng)沒有實(shí)質(zhì)影響。只是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)主回路和后備回路沒有嚴(yán)格區(qū)分，各母排分段上的負(fù)荷分配沒有達(dá)到最佳的平衡。