干式变压器在舰船上的应用探讨

2022-06-09杜智慧刘茂辉

船电技术 2022年5期

关键词：干式励磁绕组

杜智慧，刘茂辉，张峰

应用研究

干式变压器在舰船上的应用探讨

杜智慧，刘茂辉，张峰

（中船黄埔文冲船舶有限公司，广州 510715 ）

本文介绍了干式变压器组成、结构、性能特点，阐述了在船舶电力系统上选用干式变压器须考虑的因素以及安装和使用应注意的问题，可供船用干式变压器选用、设计布置及安装使用参考。

干式变压器箔绕冷却局放试验

0 引言

从1964年德国AEG公司研制出第一台400kVA、20kV的环氧浇注式干式变压器[1]，干式变压器的发展就进入了一个新的阶段。在以后的第二年，德国TU公司又研制出了第一代B级绝缘的环氧浇注式干式变压器，从此环氧浇注式干式变压器不断有新的发展，生产出许多新的类型的产品，迄今在世界上环氧浇注式干式变压器变已成为干式变压器的主流型式。在1970年代后期，美国也不断发展并改进了采用NOMEX纸作为绝缘材料的浸渍式H级干式变压器。近几十年来，随着世界经济的发展，干变在全世界取得了迅猛的发展，尤其是在配电变压器中，干变所占的比例愈来愈大，据统计，在欧美等发达国家中，它已占到配变的40～50%。在我国，约占到50%左右。

随着船舶向着大型化、自动化和综合电力推进方向发展，电网容量及配电系统电压等级逐渐抬高，常规舰船用变压器已不能满足使用要求，需使用大功率干式变压器才能满足要求。目前环氧浇注型干式变压器广泛用作电力推进系统移相变压器或主日用变压器使用。环氧浇注型干式变压器浇注线圈的整体机械强度好，抗短路能力强，防潮及耐腐蚀性能特别好，尤其适合在类似舰船及海洋工程恶劣的环境条件下使用。

1 干式变压器结构组成

干式变压器主要由硅钢片组成的铁芯和环氧树脂浇注的线圈组成, 匝间、层间、段间绝缘以及绝缘筒等都用绝缘纸或成型件组成, 低压线圈为箔绕式，高压线圈为连续线绕式或箔绕式，器身采取特殊的阻隔并由垫块支撑和约束线圈, 其零部件搭接的紧固件均有防松性能。

1.1 铁芯

铁芯采用优质冷轧晶粒取向硅钢片，铁芯硅钢片采用45度全斜接缝，使磁通沿着硅钢片接缝方向通过。每片硅钢叠片均浸渍绝缘漆以减少涡流损耗，铁芯绑扎夹紧牢固、绝缘良好。

1.2 线圈绕组

高压线圈绕组多采用机械强度高、散热条件好的连续式结构，线圈绕制在成型绝缘筒上，高压线圈采用绝缘纸包扁铜线做导体，层间采用绝缘材料绝缘纸，线圈经VPI真空压力浸渍成坚固整体，有效避免了多层圆筒式线圈层间电压高、散热能力差、容易热击穿、以及机械强度低的缺点，从而提高了变压器运行的可靠性。

低压线圈多采用箔绕式。箔式绕线是以不同厚度的铜或铝箔带为导体，以宽带状的H级绝缘材料为层间绝缘，以窄带状的绝缘材料为端绝缘，在箔式绕线机上一次完成卷绕，形成卷状线圈。同时完成线圈内外侧引线的焊接及外表面包扎。低压线圈采用箔绕式线圈，具有更强的抗短路能力。

绝缘材料多采用聚酰亚胺薄膜纤维纸复合材料（Nomex），绝缘等级可达到H级别，若干式变压器绝缘耐热等级为其他等级时，如B级、F级时，则应选用相应耐热等级的绝缘材料，也可选高一级的，已保持一定的冗余。

图1 干式变压器结构示意图

1.3 干式变压器外壳结构形式

1）开启式：是一种常用的形式，其器身与大气直接接触，适应于比较干燥而洁净的室内，（环境温度20度时，相对湿度不应超过85%），一般有空气自冷和风冷两种冷却方式，主要是在陆上使用。

2）封闭式：器身处在封闭的外壳内，与大气不直接接触，通过外部空气循环冷却装置进行冷却。是目前舰船常采用的形式，防护等级可达到IP44。

1.4 干式变压器冷却方式

干式变压器冷却方式分为自然空气循环冷却（AN）和强迫空气循环冷却（AF）。自然空冷时，变压器可在额定容量下长期连续运行。在采用强迫风冷时，变压器输出容量可提高50%。为了提高船舶使用的经济性，船用干式变压器多采用强迫循环冷却方式，变压器与冷却装置之间有风道连接，风机将变压器壳内的热气抽出，进入空-水冷却装置进行冷却。采用强迫空气循环冷却方式的变压器能有效降低变压器的温升，提高变压器的运行效率。

2 干式变压器性能特点

干式变压器具有抗短路能力强、维护工作量小、运行效率高、体积小、噪音低等优点, 常用于防火、防爆等性能要求高的场所。

1）干式变压器无可燃性树脂，在使用过程中不助燃，能阻燃，不会爆炸及释放有毒气体、不会对环境、其他设备和人体造成危害，对湿度、灰尘、污染不敏感；运行无局部放电及永无“龟裂”的可能。

2）采用国内先进技术，机械强度高，抗短路能力强，局部放电小，热稳定性好，可靠性高，使用寿命长。

3）低损耗，低噪音，节能效果明显，免维护；体积小，重量轻，占地空间少。

4）高、低压线圈均选用NOMEX绝缘材料、并经VPI真空加压设备多次浸渍H级无溶剂浸渍漆。产品为H级（180℃），而主要绝缘材料是C级（220℃）,过负荷能力强，有很好的抗短路能力。在通风良好的情况下，允许过载20%运行。

5）防潮性能好，适应高湿度和其他恶劣环境中运行；

6）干式变压器可配备完善的温度检测和保护系统。采用智能信号温控系统，可自动检测和巡回显示三相绕组各自的工作温度，可自动启动、停止风机，并有报警、跳闸等功能设置。

3 干式变压器选用

干式变压器可用作为船舶电力系统的输电、变电和配电[2]，干式变压器在综合电力推进船舶上多作为主日用变压器用，是船上的重要电源设备。通常选用2台同容量同型号的三相干式变压器作为主日用变压器使用，两台变压器可以短时并联使用，实现不断电转换。目前还没有单独的船用干式变压相关标准，干式变压器适用标准规范是GB1094.11-2007 《电力变压器》第11部分：干式变压器。但此规范适用范围是最高电压为40.5 kV及以下，且至少有一个绕组是在高于1.1 kV时运行的干式电力变压器。若采用AC690 V电制的舰船，电压等级达不到1.1 kV，但由于电力负荷比较大，多采用干式变压器作为主日用变压器使用用，技术要求同样需参照GB1094.11-2007 《电力变压器》[3]执行。

在变压器选用时，主要关注定额数据的匹配性，船用变压器的定额数据是指额定容量、额定电压、额定频率、连接组别，短路电电流和温升。性能方面，关注绝缘等级，耐压等级，温升等级，热态绝缘电阻，变压器空载损耗、负载损耗、空载电流及阻抗，励磁电流，绝缘等级等。外壳防护型式即外壳防护等级形式确定，多数采用IP44防溅式。相关性能要求可以参照GB1094《电力变压器》[3]、GJB621A-1999《舰船变压器通用规范》[4]、GJB4000-2000 《舰船通用规范》[5]3组电力系统及CCS钢规[6]的要求。但在选用时要注意以下问题：

3.1 变压器容量选用

变压器的容量由负载决定，用电设备视在功率计算公式：

式中：— 分类用电设备的总视在功率（kVA）；— 分类用电设备的总有功功率 (kW)；— 同时使用系数；cosφ — 分类用电设备的平均功率因数。

变压器容量为各分类用电设备的总视在功率之和，并考虑一定的储备，从而确定变压器的理论容量。一般变压器的负荷率为85%左右，选取的变压器容量要略大于理论容量。

3.2 干式变压器预励磁

干式变压器副边开路，在原边接入电源时为空载合闸，在空载合闸时可能出现很大的冲击电流，冲击电流的大小可以达到稳态空载电流的几十上百倍，相当于几倍的额定电流，这就是励磁涌流。

合闸时原边的电动势平衡方程式[7]：

电阻压降很小，可以忽略不计则磁通为：

因此磁通Φ的大小和合闸瞬间电压的初相角有关，在电压U=0时，磁通达到最大值，其对应的励磁电流也将增大到稳态值的几十倍，甚至上百倍，在最不利的情况下，其励磁涌流的最大值是6～8倍的额定电流，虽然比短路电流小很多，但是最初几个周期的励磁涌较大，可能会引起电流保护装置的误动作，为了防止励磁电流过高，当在合闸瞬间电压值为零时，在铁芯所建立的磁通最大值为Φ，由于磁通不能突变，合闸瞬间磁通为0，则铁芯中产生了非周期分量Φt，由于磁饱和和铁芯材料的非线性特性，将产生很大的励磁涌流，而合闸时在原边用一定电流值的电源进行预充磁，由于有了预充磁产生的磁通位置铁芯中磁通的初始状态，那么非周期分量Φ也大大减小，从而有效地降低励磁涌流。

变压器的容量越大，励磁涌流衰减的时间就越长，在选用大容量干式变压器时候，要选择匹配容量的预励磁变压器来减少励磁涌流。

3.3 主要出厂试验项目要求

干式变压器主要出厂试验包括：绕组电阻测量；短路阻抗和负载损耗测量；空载损耗和空载电流测量；外施耐压试验；感应耐压试验；局部放电量测量等；热态绝缘电阻测量[8]。

某型船主变压器（箔绕式干式变压器）在使用过程中连续发生匝间短路严重故障，在进行故障分析时发现，出厂试验时进行了外施耐压试验和感应高压试验，承受工频电压3000 V，历时1 min，试验合格，施加2倍额定电压和2倍额定电流，无击穿和闪络现象。但变压器生产厂家提供不出局部放电测量数据，理由是变压器的额定电压是AC690V/398 V，没有达到干式变压器标准要求的电压1.1 kV，可以不参照执行。在故障排查过程中，对变压器线圈拆解后及对倒查工序时发现，此批次日用变压器的铜排焊缝处不够平整，有动力磨光机打磨的过程，引线铜排附近的铜箔和绝缘层上有少量的击穿点，打磨后产生的铜屑清洁处理可能不够彻底，而导致有部分铜屑残留在了绕组内部，所以变压器通电后造成对绝缘层的加速老化从而产生匝间短路，最终引起故障。出厂试验时进行的感应耐压试验，铜屑处的绝缘层已受到损伤，但还未完全击穿，在多次通电后，铜屑残留的位置会对绝缘层有一定的磨损和集中放电现象，加速了层间绝缘的破损和老化，导致匝间短路。若能在出厂试验时进行局部放电量测量，可以非常容易的检测到线圈层间是否有铜屑等金属杂质，从而排除隐患，可以避免装船后严重事故的发生。故局部放电量的测量是干式变压器一个重要的出厂试验项目，局部放电水平的最大值为10 pC，此指标越低越好，国内已有干式变压器生产厂家可以把局部放电指标控制在0 pC。

图2 干式变压器铜箔匝间短路照片

3.4 干式变压器运行监测

干式变压器的安全运行和使用寿命，很大程度上取决于变压器绕组绝缘的安全可靠。绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏，是导致变压器不能正常工作的主要原因之一，因此对变压器的运行温度的监测及其报警控制是十分重要的[9]。

风机自动控制：通过预埋在低压绕组最热处的Pt100热敏测温电阻测取温度信号。变压器负荷增大，运行温度上升，当绕组温度达设定时，系统自动启动风机冷却；当绕组温度低至设定温度时，系统自动停止风机。

温度显示系统：通过预埋在低压绕组中的Pt100热敏电阻测取温度变化值，直接显示各相绕组温度（三相巡检及最大值显示，并可记录历史最高温度），可将最高温度以4～20 mA模拟量输出，若需传输至船上的机舱监测系统。

4 干式变压器安装和使用

船用大功率干式变压器多设有风-水冷却装置，外接冷却水，通过风-水冷却装置对变压器进行散热。采用风水冷却的干式变压器防护等级可以做到IP44，可以有效防导电固体异物及老鼠等小动物进入，造成短路停电等恶性故障，为带电部分提供安全屏障。在干式变压器风水冷却装置出现故障时，可以降额使用。在变压器室的通风冷却系统应足以使周围的环境空气温度低于规定的最高温度40℃，但要高于最低温度-5℃。变压器室要防止腐蚀性蒸汽、有害气体、可燃气体产生和聚积。

为了降低电网中的3次谐波，变压器次级绕组的三相最好采用△形接法，故在船用干式变压器规格书签定中明确高压侧为Y形接法，低压侧为△形接法。

干式变压器在安装好后，要做好接地措施。干式变压器在接好线，确认冷却系统正常工作后，先空载通电，观察测试输入输出电压符合要求。同时观察机器内部是否有异响、打火、异味等非正常现象，若有异常，请立即断开输入电源。当空载测试完成且正常后，方可接入负载投入使用。变压器投入运行后，所带负荷应由轻到重，且检查产品有无异响，切忌盲目一次大负载投入。