干式整流变压系统在海洋工程软铺设备的应用

杨 进，郑志雄，刘立宇

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518067）

0 引言

南海深水油气田大力实施深水开发战略及国际化战略现进入实质性阶段，深水海底柔性管缆（含电缆、软管及脐带缆等）陆地倒缆及海上施工软铺装备的类型越来越多样化。管缆施工装备运行电路控制系统更新换代，电气控制系统集成化、自动化程度越来越高。管缆施工装备中通过使用变压器、整流器及变频器等控制技术驱动电机旋转，通过改变电路系统电压、电流及频率等参数实现对电机转速调整或刹车。

对2500 t 卷管盘及100 t 张紧器等软铺设备干式整流变压系统工作原理及工程应用进行研究，根据软铺设备实测波形对网侧电压和电流变化、谐波影响等进行分析，干式整流变压系统在工程运用中具有良好的谐波抑制功能，可有效地将电路环流抑制在变压器阀侧。

1 干式整流变压系统工作原理

干式整流变压系统由干式整流变压器和整流器组合构成，其中干式整流变压器为干式变压器的一种，主要由铁芯（或磁芯）和线圈组成，三相干式整流变压系统有不少于3 个线圈，其中电源输入侧线圈称为初级线圈，变压器电源输出侧线圈称为次级线圈。整流器通过干式整流变压器的电磁互感效应变换电压、电流和阻抗得到合适的电源供应，以12 脉波整流电路（称为十二相整流电路）为例（图1），电源输入侧为初级线圈（星形接法），变压器输出侧为次级线圈（星形接法和三角形接法），整流变压器阀侧线圈各接一组三相桥式整流器并联运行，该整流变压器同时具备移相功能，输出多套相位电压供整流器使用，使输出整流电压在每个交流电源周期过程中脉动12 次。

图1 12 脉波干式整流变压系统原理

2 干式整流变压系统谐波和环流控制及其工程应用

随着海洋工程软铺设备发展的需求，在船舶电路系统大功率整流电路中，当设备变频调速运行过程中会产生一定的谐波和环流，会对船舶电网带来严重的无功电流污染，导致船舶电网中电压和电流波形失真。电路中谐波可能会引起电路系统谐振，增加变压器内部铜耗和铁芯损耗，降低发电机及其附属用电设备的效率。

2.1 谐波原因分析及控制

大功率整流电路谐波产生的主要原因是由于电路系统中非线性负载存在，电流经过此类负载时，负载电流与所加的电压不呈线性关系，形成非正弦电流。干式整流变压系统能够将谐波就近隔离，将作为一种大功率电路谐波抑制技术而具备一定的发展优势，其优点在于输入和输出侧三角形接法线圈平均分配负载，可将谐波在三角形闭合回路上相加形成环流而消耗在线圈内，因此达到降低谐波的作用。

2.2 环流原因分析及控制

在12 脉波干式整流系统中，由于整流变压器阀侧线圈不匹配、星形接法和三角形接法引起变压器阀侧线电压相角之间互差30°等因素，导致并联连接的两组整流桥间存在电压差，而此电压差则会在变压器的两侧线圈和两组整流桥间形成不经过负载的环流。在大功率整流系统中，当电路系统产生的环流较大时，会造成整流器直流侧母排支架发热、增加系统电能损耗并降低整流效率。

12 脉波干式整流系统中为使阀侧由星形接法和三角形接法线圈分别供电的两组三相整流桥在直流侧能够并联运行，需满足次级线圈直流电压平均值要相等，同时次级线圈两线圈的匝比为，由于星形接法和三角形接法电压有30°相位差，两侧线圈存在漏抗，在一定负载时会产生环流。系统环流将使得星形接法和三角形接法的两个次级线圈一个电流增大，另外一个电流减少，电流增大造成线圈局部严重过热，因此为了减小12 脉波干式整流变压系统中的环流，次级线圈中的星形接法和三角形接法线圈匝数之比要尽可能接近。

2.3 干式整流变压系统应用

2.3.1 干式整流变压系统在2500 t 卷管盘应用

海洋工程大型软铺设备2500 t 卷管盘设备运行供电系统主要包括2 套12 脉波干式整流变压系统（由干式整流变压器及12 脉波整流单元组成）、4 套逆变单元及1 套制动单元（图1），当工程船舶供应两路690 V/50 Hz 主电源由12 脉波干式整流变压系统整流后输出平滑的930 V 直流电源，直流电源经过ABB 变频器逆变单元再逆变成频率、电压可调的交流电源，从而实现2500 t 卷管盘4 台三相异步交流电机转速调节。当2500 t 卷管盘电机在减速或刹车制动过程中产生的能量可通过变频器逆变单元再逆变成直流电源，通过系统电路中的制动单元将交流电机减速或刹车制动过程中产生的能量进行消耗，防止直流母排电压过高损坏设备。其中干式整流变压系统是设备配电系统的重要组成部分之一，其二次侧星三角形线圈平均分配负载，可有效降低变压器进线侧谐波和电路系统环流的产生，抑制谐波和环流对船舶电网带来了的无功电流污染。

2500 t 卷管盘选用的干式整流变压系统配备有移相功能的整流变压器，该整流变压器联结方式为Dy11d0 接法，即初级线圈侧为三角形接法，次级线圈侧为星形及三角形接法，输出电源为两路相位差为30°的三相正弦交流电。即初级线圈三角型接法与次级线圈三角型接法相位角一样，次级线圈星型接法相位角落后其三角型接法相位角30°，可输出6 种波形电压供整流器使用，经过整流器整流桥后输出12 段波形电压，再经过整流器滤波元件输出稳定的直流电压至直流母排供逆变器单元使用。

干式变压器的短路阻抗百分比决定着变压器二次侧发生短路时能够产生短路电流的大小，短路阻抗百分比选择过小会加大短路电流，引起变压器线圈发热严重损坏设备。2500 t 卷管盘干式整流变压系统短路阻抗选择为5.88%，该选择可以限制一定的短路电流，减少整流设备对其他并联运行整流设备相互间的电磁干扰。

2.3.2 干式整流变压系统在100 t 张紧器应用

100 t 张紧器电气系统使用的是常规6 脉波整流系统，与12脉波整流系统不同，6 脉波脉波整流系统所需电源为普通三相正弦交流电，而12 脉波整流器需要使用存在相位差的2 路三相正弦交流电。由于100 t 张紧器为可移动式软铺设备，根据项目作业需要选择不同船舶进行装船，公司自有船舶常用大功率供电电源为690 V/50 Hz，而100 t 张紧器需求电源为400 V/50 Hz，因此该6 脉波整流系统需配备变压器进行电压转换。为达到变压及有效抑制谐波电流影响，100 t 张紧器选用干式整流变压器与6脉波整流系统组合成干式整流变压系统。100 t 张紧器管缆铺设作业工作载荷大，而干式变压器的散热性能好，过负载保护能力强且便于运输，虽然海上软铺作业期间湿度大及环境恶劣，但干式变压器存放于集装箱式密闭空间内部，能够适用于海上高湿度和恶劣作业环境。

100 t 张紧器驱动供电系统主要包括1 套干式整流变压器、4 套艾默生变频器SPMA1402（含6 脉波整流单元、逆变单元、制动电阻单元）、4 台90 kW 变频电机（图2），其中干式整流变压器与6 脉波整流系统组合成干式整流变压系统。当工程船舶供应一路690 V/50 Hz 主电源由干式变压系统初级线圈输入后，次级线圈侧分路且移相成两路400 V/50 Hz 电源；随后两路400 V/50 Hz 电源分别供4 套6 脉波整流单元使用整流后输出平滑的540 V 直流电源，直流电源经过艾默生变频器内部逆变单元再逆变成频率、电压可调的交流电源，从而实现100 t 张紧器4 台三相异步电机转速调节。若不采取有效的谐波抑制方式，驱动系统产生的谐波将严重影响船舶供电系统及其他电气元件，因此100 t 张紧器选择整流变压器且联结方式为Dd0y11，利用该干式整流变压系统具有很好的谐波抑制功能，从而达到保护船舶供电系统及其他电气元件的效果。

图2 100 t 张紧器干式整流变压系统

3 干式整流变压系统种类的选择

目前大型设备整流变压器主要包括干式整流变压器和油浸式整流变压器，在工业领域和生活领域中，应根据室内或室外所需、工作环境、整流器类型及所需电压、耐热等级、经济成本等来确认采用整流变压系统的类型。油浸式整流变压器是由存储于油箱内的完全独立的变压器，有造价较低、使用寿命长、维护成本低等优点，但由于油浸式整流变压器因运输成本高、可燃可爆、且不适用于频繁移动等诸多原因，故其不符合大型软铺设备经常移动使用的特性。

干式整流变压器与整流装置构成的干式整流变压系统适用于软铺设备的大功率12 脉波整流电路，也称为“共铁芯12 脉波整流电路”，共铁芯12 脉波整流电路的变压器，铁芯利用率比较高，因此具有造价低、体积小的优点。另外，干式整流变压系统具有良好的防火性、运输放便、抗冲击、清洁及无漏油风险、易维护等特点。

综上所述，干式整流变压系统为大型软铺设备整流变压功能的首选。

4 结束语

通过对软铺设备2500 t 卷管盘及100 t 张紧器干式整流变压系统的工作原理、谐波和环流控制及其工程应用分析，对于不同类型的软铺装备所需干式整流变压系统组成和原理各有不同，但其结构应尽量与装备所运用的环境相匹配，同时具备良好的可靠性和易维护性。使用干式整流变压系统不但可以满足软铺设备的供电需求，有效解决大功率整流电路系统中谐波治理和环流问题，亦能给软铺设备电气系统带来有效保护，凭借着高安全性、高可靠性、节能环保等特点，干式整流变压系统未来将具有很大的发展前景。