船舶电站码头试验设备分析

2012-07-04潘德华罗寰

船电技术 2012年11期

潘德华罗寰

（1. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064；2. 金海船业有限公司，浙江 316012）

0 引言

船舶建造下水后，电站发电机组首先要在码头上进行相应的负载试验，以检验船舶发电机组的设备性能指标，不仅要满足正常运行的一般负载变化，还要进行有功、无功负载的突加、突卸变化。目前船厂码头试验大多采用电阻来进行发电机组有功功率的消耗，用电抗器来作为发电机的无功负载。本文通过对这些负载设备的分析，以方便码头试验的设计工作。

为方便在电站调试中负载的使用，电阻、电抗器负载均应能进行遥控调节。负载装置中另设置主接触器，可遥控接通、断开，使总配电板的主开关不进行带负载接通、断开操作，这样在电站调试期间，主开关触头可以避免不必要的损耗。负载电阻和电抗器一般并联使用，有功、无功可以分别调节，这样电阻或电抗器，可以单独控制通过小于额定容量的电流。如果采用串联连接，不但电流很大，而且不易调节，改变任何一个，都能引起有功、无功功率的变化。

1 水电阻

大容量的发电机采用水电阻作负荷装置较为合适。它是一个圆形水桶，桶内对称布置若干组铁板作极板，可以接成正负两组，也可以接成A、B、C三相，桶内盛水。

图1 水电阻负载装置

水电阻的等值电路为三角形电路，其电阻值与极板浸水面积、间距的关系可用下式表示：

式中：R△：等效电阻，Ω

ρt：电解质电阻率，Ω·mm2/m

l ：极板间距，m

S ：极板浸水面积，mm2

如果发电机功率为 P，额定电流为 Ie，功率因数 COSφe为 0.8，则其有功电流为 IeCOSφe，所需要的每相电阻（三角形接法）为：

可推算出极板浸水面积、极板间距的关系。因极板最大面积可通过其结构算出，即确定出水电阻中极板间距的大小，以满足试验最大负载的要求。

水电阻装置内的溶液一般选用淡水，而不使用海水或盐水，因海水或盐水对桶体、极板具有较大的腐蚀性（为了防止桶体腐蚀，可以在桶体内表面搪水泥等防腐材料），且在使用中，随着水份蒸发，盐的浓度会发生变化，造成负载阻值不稳定。但是盐水的电阻率很小，在 100℃淡水的电阻系数为：9.7×107 Ω·mm2/m，而0.5%浓度的盐水的电阻系数为：5.0×105 Ω·mm2/m。由此可见，电阻值要相差两个数量级，说明同样规格大小的水电阻，采用海水或盐水作电解质后可以大大提高其容量。

极板厚度一般选用 10 mm左右的钢板。过厚，增加重量；过薄，使用期限太短。极板间距也不能过小，极板上的氧化层经常脱落，容易被卡住而发生短路；间距过大，使其电阻增加，容量降低，一般以50 mm为宜。极板的底部应切成斜边形，以使负载可从零开始逐渐增加，而不会出现负载突变或震荡现象。

在负载试验过程中，为保持负荷电流稳定不变，应不断添加被蒸发和流失的溶液，同时对进出口水溶液进行适当的调节，保持水温稳定；同时通过控制水位高低，或控制极板升降均可达到改变负载大小的目的，实践表明，采用进出水口阀门控制改变水位进行调节的效果不及用升降电动机控制极板升降的效果好。前者的负载变化速度慢，水份没有得到充份的利用，阀门容易损坏，后者的电动机的速比要选择适当，极板升降过快，使负载调节不容易控制；升降太慢，使负载变化的太慢，一般极板以每秒升降10 mm左右为宜。

下面是水电阻装置典型控制线路原理图。

图2 水电阻装置典型控制线路原理图

2 带气隙的电抗器

这种电抗器的结构原理如图所示。交流绕组宜做成饼式，分成圈数相等的几组，可以任意进行串并联，以扩大调节范围。三相铁芯可以合在一起，也可以分成三个单相。铁芯中间的气隙越大，电抗越小，无功电流也就越大。同样交流绕组圈数越少，电抗值也就越小，无功电流越大。

电抗器的气隙可以手动调节，也可以电动机遥控。由于电抗器通电时，磁震动较大，所以蜗轮蜗杆的自锁要牢固，否则会自行滑动，气隙自动减少。

这种电抗器在进行计算时，应该按间隙为零的条件下，它的最大电抗值应该等于或大于所需要的最大电抗值。

图3 带气隙调整的电抗器结构原理图

气隙为零时的电抗为：

式中 f ：频率，Hz

w ：圈数，匝

S ：磁路面积，cm2

l ：平均磁路长度，cm

M ：层数

铁芯一般选用变压器硅钢片来组装，其磁通密度可取13000～14000 Gs。磁通密度和磁导率的关系μ＝f（B）曲线如图：

图4 硅钢片的μ＝f（B）曲线

3 饱和电抗器

这是一种利用直流改变铁芯磁饱和程度，从而改变电抗值的电抗器。直流绕组中通过的直流电流越大，铁芯越是饱和，电抗值也就越小，其结构原理见图：

图5 饱和电抗器结构原理图

直流励磁绕组可用专门的直流发电机组供电，也可以用硅整流直流电源或可控硅直流电源供电。因在交直流同时供电时，铁芯中存在高次谐波磁通，即使交流绕组正反串联，在直流绕组中还是能感应出偶次谐波电势。如果选用内阻较小的直流发电机组供电，依靠电枢绕组将偶次谐波电势短路，可以把偶次谐波磁通抑制在一个较低水平上。若采用另两种电源，则由于其有一个方向不导通的缘故，在控制绕组中还能感应出很高的偶次谐波感应电势，致使硅整流或可控硅被击穿。此外，谐波电势还能在直流电路中形成一个附加直流电流，使电抗减小，这种现象在作突加负载试验时尤为明显，它是一个正反馈，使电抗急剧降低，冲击电流大大超过稳定后的电流值，造成瞬时最大压降不准，所以一般还是以直流发电机组供电为宜。小容量的直流发电机不宜找到，此时可用普通的直流电动机代替，只要把它的串激绕组反接一下即可。发电机的励磁最好采用它激形式，这样可使起始下限电压调得较低，扩大电抗器的调节范围。

直流发电机组不易受干扰，可以直接进行遥控启、停及调压操作。为了防止遥控插头遇潮而漏电击穿，机组遥控电源应采用 36 V低压交流电，以保证操作安全。

饱和电抗器的缺点是体积大，装置复杂，电抗器的调节范围受到一定的限制，只能利用三相交流绕组星形－三角形接法变换，每相的两只交流绕组串并联接法变换来扩大它的使用范围。在交直流绕组匝数不变的情况下，如以两只交流绕组串联三相三角接法时（图 7中 c），通过电流为I，则在串联星形接法时（图7中a），通过电流为(1/3)I，而在并联星形接法时（图7中b），通过电流为1 (1/3)I，如果改为并联三角形接法（图7中d），，通过电流最大，达到4 I左右。

图6 饱和电抗器交流绕组接线图

4 感应调压器

这是一种应用矢量相加减的方法进行调压的变压器，其原理可见下图。

当原边输入电压为380 V时，改变转子定子间的相对位置，输出交流电压可在0～650 V范围变化。这种调压器可以改造一下，就可以作交流发电机试车电抗器使用。此时，把它原来接电网的输入端予以开路，原输出端接正在调试的发电机，调压器就成了电抗器。改变定子与转子之间的角度位置，即改变它的电抗值。在原输出电压为最大值的位置相应于电抗值为最大。