船用电力推进变压器的故障分析与改进

／海军驻西安872厂军事代表室 李乐强 西安天虹电气有限公司 凌良 郑绍忠 ／

船用电力推进变压器的故障分析与改进

／海军驻西安872厂军事代表室 李乐强 西安天虹电气有限公司 凌良 郑绍忠 ／

介绍了船用风水冷型电力推进变压器在研制过程中出现的故障及分析改进措施。

电力推进；整流变压器；过载试验；热点温升计算；故障分析；改进

0 引言

船舶电力推进系统是指采用电动机直接驱动螺旋桨为船舶提供动力的系统，其工作原理是：柴油发电机发出的交流电经电力推进变压器（整流变压器）整流后，供给变频器，由变频器输出不同频率的交流电给推进电机提供动力。

船舶电力推进系统具有调速范围广、驱动力矩大、易于正反转、体积小、布局灵活、安装方便、便于维修、振动和噪声小等优点。基于这些优点，电力推进在大型船舶上得到推广与应用。船用电力推进变压器是推进系统中重要的组成部分，它的运行可靠性直接决定着船舶的运行可靠性。

为了抑制谐波，电力推进系统中常用的整流电路为24脉波整流系统，用两台12脉波轴向双分裂整流变压器，网侧绕组接法为延边三角形，分别移相+7.5°和-7.5°。这样两台变压器的四个阀侧绕组的线电压相量互差15°相位，分别经全波整流后，在直流侧并联运行，形成24脉波整流。

1 任务来源及产品技术方案

西安天虹电气有限公司是长期从事干式变压器的专业生产厂家。2012年，公司首次承接国内军用某型船的24脉波电力推进整流变压器。该船的原动力由柴油机提供，柴油发电机发出的电能供给推进变压器，推进变压器接变频器，变频器输出不同频率的交流电至左、右推进电机以输出动力，如图1所示。

变压器容量为4200kVA，每艘船共两台，联结组标号分别为Dd1.75y0.75(-7.5°)和Dd0.25y11.25(+7.5°)，绕组联结如图2所示。

变压器在船舶舱室内的运行环境相对陆地上要恶劣，主要内容如下：

1）有盐雾、霉菌、油雾等；

2）舱室环境最高温度45℃，空气湿度最高95%；

3）变压器的散热不对舱室温度产生影响；

4）有振动、摇摆；

5）该变压器作为电力推进系统的核心部件，技术要求高，结构复杂，要求±2×2.5%的分接范围；

图1 24脉波整流机组原理图

图2 变压器绕组联结图

6）有重量和尺寸限制；

7）电压比及移相偏差要符合要求；

8）有过载要求；

9）阀侧绕组带屏蔽。

因此，经多方讨论，变压器的设计方案确定为：

1）网侧线圈采用QZYB-2/180型聚酯亚胺漆包线绕制，阀侧线圈采用T2铜箔绕制，阀侧绕组带接地屏蔽；所有线圈均采用环氧树脂浇注包封。

按平均温升（模拟负载法，绕组短路试验状态下）最高的8 4.2 K的绕组进行热点温升计算：①额定电流时，△θU1=1.2 5×8 4.2×1.02=1 0 5.3 K；②过载1.2倍时，△θU2=1.2 5×8 4.2×1.22=1 5 1.6 K；③过载1.3倍时，△θU3=1.2 5×8 4.2×1.32=1 7 7.9 K；④过载1.4倍时，△θU4=1.2 5×8 4.2×1.42=2 0 6.3 K；⑤过载1.5倍时，△θU5=1.25×84.2×1.52=236.8K；⑥过载1.6倍时，△θU6=1.25×84.2×1.62=269.4K。

式中，C为绕组的有效热容量，W·min/K，经计算C=10458 W ·min/K；△θHS,r为额定负载下的热点温升，△θHS,r= △θU1=105.3K；△θe为空载时铁心对绕组的热点温升的影响，因过载试验时铁心不发热，取：△θe=0K；pr为额定负载和额定温升下的绕组总损耗，W，pr=6735W。

因此

4.1.3 过载试验时线圈热点温升 △θt计算

式中，△θt为负载变化t时间后的热点温升，K； △θi为某负载率In开始时的起始热点温升，K；△θu为负载率Iu不发生变化情况下最终热点温升，K；t为时间，min；为给定负载下绕组的时间常数，min。

4.2 绕组热点温度计算

过载试验时结束时绕组热点温度

式中，△θα为环境温度，℃；当时约为 △θα=30℃。

4.3 结论

依据计算结果可以得出结论：过载试验结束时的绕组热点温度达到189.3℃，超过F级绝缘系统的绕组最高热点温度180℃。绕组热点因过载试验出现了不应有的高温，使线圈绝缘迅速发生变化，绝缘强度下降，导致变压器在空载试验时击穿而发生故障。

而GJB621A—1999《舰船变压器通用规范》中规定的适用范围是：电压不超过500V，频率为50Hz和60Hz，容量为三相为3kVA及以上的舰船用变压器的设计、制造和验收，标准中所提及的变压器容量也不超过100kVA。说明GJB621A—1999中规定的试验项目并不完全适用于容量为4200kVA的电力推进变压器，特别是标准要求的过载试验程序完全不适用于这么大容量的变压器。

5 改进措施

经与用户充分沟通，认为该推进变压器在船舶上可能遇到的过载运行倍数不会大于1.2。因此达成一致意见，对过载试验的内容进行了剪裁，按表3规定的程序进行过载试验并修改了《试验大纲》（见表3）。

表3 4200kVA电力推进变压器剪裁后的过载试验程序

工厂除依据实际运行工况对变压器过载试验程序进行验证以外，在设计上对变压器的绕组热点温度进行了校核，同时还对变压器线圈的纵绝缘做了加强，改进了线圈绝缘的散热结构。按照新设计的图纸重新生产了两台变压器，新变压器所有的试验项目均顺利通过。

6 结束语

新变压器于2013年交付用户使用，同年完成船舶电力推进系统的陆上联调试验。2014年完成整船的系泊试验及航行试验，变压器优越的性能得到了用户的高度认可。2015年后，工厂相继接到后续几条船的变压器订单，所有变压器均一次性通过各项检验，顺利交付用户，运行良好。我国自行研制生产的电力推进变压器首次在军船上使用，实现了零的突破。这说明产品出现问题不一定是坏事，只要能够认真总结经验，找到故障的根本原因并加以改进，完全可以向用户提供可靠的产品和优质的服务。严格按照GJB9001B的要求控制产品质量，才能确保产品的可靠性。

[1]GJB621A—1999《舰船变压器通用规范》[S].

[2]GB1094.11—2007《电力变压器 第11部分：干式变压器》[S].

[3]GB/T1094.12—2013《电力变压器 第12部分：干式电力变压器负载导则》[S].

[4]JB/T8636—1997《电力变流变压器》[S].