发电机组水电阻负载的设计

殷浩 曹光桂 杨传将

（中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉 430064）

1 引言

新造或经过大修、中修的柴油发电机组在总装落成后均要进行负载试验，由于水电阻装置结构简单，调节电阻值方便，易于散热，可消耗较大功率的电能，因此普遍用水电阻负载模拟发电机组负载试验，其目的是进一步检查柴油发电机组各主要部件的制造或修理及安装质量，调整其功率及传动控制、保护系统，确保柴油发动机、发电机各部件安装正确，动作可靠，性能良好，运行安全，并能发挥设计要求的控制性能和功率特性。

2 水电阻的组成

水电阻装置，由三相对称极板、绝缘板、水槽、横梁、拖动电机、龙门架、电动水泵、电极升降控制装置等组成，其特点是三相极板与横梁用绝缘子联结，不同相极板之间用绝缘子联结，横梁与龙门架联接，升降电机、滑轮、导向轮、钢丝绳与龙门架联接，水电阻池为钢筋凝土结构。

为了防止水电阻通过电流后温度自动升高，在水电阻负温度特性的作用下，电阻逐步减少，采用泵水循环冷却方式降低水温。其优点是水面波动小，负荷稳定；缺点是，受循环水来源的限制，水池中的水的电阻率不均匀，水电阻不断的变化对阻值的影响也很大。

水电阻控制装置控制拖动电机的启动/停机，来实现升/降三相对称电极在水池中的深度，从而无级地改变水电阻负载的功率。

3 水电阻典型模型的计算

3.1 圆柱电极常规排列水电阻的计算

假定水电阻池的水域和水深尺寸足够大，可忽略边界的影响。电极浸没在水中，一方面它对“地”有电容，水体体现电介质特性，有静电效应；另一方面，电流在水中散流，水体体现电阻特性，有恒定电场的效应。由于它们的边界条件完全一样，故两种场是相似的，能用静电比拟法求解，得到电阻与电容的关系式 ：

以上ε，ρ分别表示水的介电常数和电阻率。

假若静电场中导体的电容已求得，相同两导体作为电极时，在其之间填充均匀的导电媒质水，导体的电阻就能由公式(1)求解。公式(1)为直流电阻的公式，而水电阻流过的是工频交流电流。但由于工频电流流散时，水的电阻率相当大，以至于感应电势引起的电压降与电阻压降相比能忽略不计，故仍可按直流电阻计算，为使三相电流平衡，三相电极结构相同，且排列方式一般在空间上对称。

如图1 水电阻圆柱电极常规排列图，三相圆柱电极结构相同，且在空间上对称排列，设电极的间距为D1，等效半径为r，电极单位高度的电量为q,电极的长度为L，围绕A相电极作一个圆柱面，作为高斯面S。

图1 水电阻圆柱电极常规排列图

由高斯定理[1]，静电比拟法可得，单位高度，不同相电极之间的电阻为：

3.2 椭圆柱电极交错排列水电阻的计算

现在本行业一般采用3相空间对称的长方形钢制平板作为电极。为了计算方便，长方形钢制平板电极模型能等效为椭圆柱形模型，长方形的长可近似认为椭圆的长半轴，长方形的宽可近似认为椭圆的短半轴，如图2 水电阻椭圆柱电极排列图，设电极间距为D2，椭圆长半轴为r1，短半轴为r2，电极单位高度的电量为q,电极的长度为L。

单位高度的各相电阻计算方法，同公式(2)，得：

图2 水电阻椭圆柱电极排列图

可见 电极间距D2越小，各相水电阻R2越小；电极长半轴r1越短，各相水电阻R2越小；电极短半轴r2越长，各相水电阻R2越小；此种情况下，水电阻消耗的功率为：

4 水电阻改进模型的计算

由于电极之间的距离D存在一个安全距离，所以在大功率（几百千瓦或者几千千瓦）水电阻设计时，为减小水电阻的电阻值，提高水电阻的功率，只需要将电极采用三相互相交错排列方式，以满足实际的负载试验要求。如图3水电阻椭圆柱电极交错排列图，图中A与A1椭圆柱电极接A相电流，B与B1椭圆柱电极接B相电流，C与C1椭圆柱电极接C相电流。在静电场中A与A1椭圆柱电极相连，可认为同一导体。同理，B与B1椭圆柱电极，C与C1椭圆柱电极均为同一导体。

交错排列时，单位高度的各相电阻计算方法，同公式 (3)，得：

电极间距D3越短，各相水电阻R3越小； 电极长半轴r1越长，各相水电阻R2越小；电极短半轴r2越长，各相水电阻R2越小；水电阻的消耗的功率为：

椭圆柱电极交错排列时与一般排列的功率比为：

如果D2=D3=40 mm ，r1=1000 mm，r2=2.5 mm，得 K=ln1.33/ln1.01≈28.5,即在电极的安全距离都为D=D2=D3= 40 mm时，后者的功率是前者的28.5倍，可见只需要增加一组对称的交错三相电极，就能很明显地提高水电阻的功率。

图3 水电阻椭圆柱电极交错排列图

5 工程实例

武汉长海高新单台发电机组水电阻负载最大容量为200 kW,由于需要测试并调整2台1600 kW发电机组并车带载性能参数，当时考虑了，方案一：新建水电阻池，水电阻电极及其它辅件，与原有的水电阻并联；方案二：采取电极交错排列方式，重新制作了6个电极，经过技术经济比较，最终采取了方案二。水电阻池的长*宽*深：3800（mm）*3800（mm）*4000（mm），极板由10 mm厚的钢板制成，钢板的形状，我们采用菱形，使负荷从零开始逐渐增加，避免负荷突变或震荡现象的产生。极板的形状与尺寸如图4极板的形状与尺寸所示。

因为极板面积比较大，所以选取电动机和减速器时，速比要选大一些，这样在加减负荷时，功率变化比较平稳，易于操作，改水电阻齿轮箱的速比为1∶11025[3]，用摆线式三级减速齿轮箱，经实际使用，功率变化平稳，效果很好[4]。

因为电流很大、电极比较重，所以用16 mm厚的紫铜板固定电极。为防止电极的左右摆动，用钢管焊在支架顶部。在电极支臂上焊一个套管，使电极能上下滑动。从配电板到水电阻的接线用3根3*240 mm的软电缆，电极的接线端子用紫铜的等长双头螺栓。

改进后的功率最大值为P=5000 kW，计算与实际基本相符合，实际负载比改进前增加20倍，由于实际水电阻制作中，电极形状，结构与理论设计存在较小差异，经过数据校正，数据误差后，投入实际测量与试验2年后，经过调整的发电机组性能较好，说明了理论与实际完全相符。

图4 极板的形状与尺寸

6 结束语

用交错排列电极的方法增加水电阻的功率，是一种十分有效的技术措施，它具有简单，可靠及投资少的特点，作者根据运行与设计经验作了理论探讨，有关方法与公式在水电阻设计与计算中，能作为设计参考，但有些需要考虑以下的因素：（1）水电阻通过电流后温度自动升高，在水电阻负温度特性的作用下，电阻逐步减少；（2）水电阻池的水与外界交换的水的电阻率需要保持一致。一定要经过试验分析确认。

[1]毛钧杰等. 电磁场理论[M]. 长沙： 国防科技大学出版,社 1998, 249-251.

[2]郑程遥, 水电站水电阻的设计计算. 中国农村水利水电, 2003(4)： 60-61.

[3]袁继华. 船舶电气安装与调试. 北京： 国防工业出版社.

[4]孙世言等. 发电机组负荷试验用水电阻. 造船技术,2001(2).