發(fā)電機(jī)組水電阻負(fù)載的設(shè)計(jì)

殷浩 曹光桂 楊傳將

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

新造或經(jīng)過(guò)大修、中修的柴油發(fā)電機(jī)組在總裝落成后均要進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，由于水電阻裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)電阻值方便，易于散熱，可消耗較大功率的電能，因此普遍用水電阻負(fù)載模擬發(fā)電機(jī)組負(fù)載試驗(yàn)，其目的是進(jìn)一步檢查柴油發(fā)電機(jī)組各主要部件的制造或修理及安裝質(zhì)量，調(diào)整其功率及傳動(dòng)控制、保護(hù)系統(tǒng)，確保柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)各部件安裝正確，動(dòng)作可靠，性能良好，運(yùn)行安全，并能發(fā)揮設(shè)計(jì)要求的控制性能和功率特性。

2 水電阻的組成

水電阻裝置，由三相對(duì)稱極板、絕緣板、水槽、橫梁、拖動(dòng)電機(jī)、龍門架、電動(dòng)水泵、電極升降控制裝置等組成，其特點(diǎn)是三相極板與橫梁用絕緣子聯(lián)結(jié)，不同相極板之間用絕緣子聯(lián)結(jié)，橫梁與龍門架聯(lián)接，升降電機(jī)、滑輪、導(dǎo)向輪、鋼絲繩與龍門架聯(lián)接，水電阻池為鋼筋凝土結(jié)構(gòu)。

為了防止水電阻通過(guò)電流后溫度自動(dòng)升高，在水電阻負(fù)溫度特性的作用下，電阻逐步減少，采用泵水循環(huán)冷卻方式降低水溫。其優(yōu)點(diǎn)是水面波動(dòng)小，負(fù)荷穩(wěn)定；缺點(diǎn)是，受循環(huán)水來(lái)源的限制，水池中的水的電阻率不均勻，水電阻不斷的變化對(duì)阻值的影響也很大。

水電阻控制裝置控制拖動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)/停機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)升/降三相對(duì)稱電極在水池中的深度，從而無(wú)級(jí)地改變水電阻負(fù)載的功率。

3 水電阻典型模型的計(jì)算

3.1 圓柱電極常規(guī)排列水電阻的計(jì)算

假定水電阻池的水域和水深尺寸足夠大，可忽略邊界的影響。電極浸沒在水中，一方面它對(duì)“地”有電容，水體體現(xiàn)電介質(zhì)特性，有靜電效應(yīng)；另一方面，電流在水中散流，水體體現(xiàn)電阻特性，有恒定電場(chǎng)的效應(yīng)。由于它們的邊界條件完全一樣，故兩種場(chǎng)是相似的，能用靜電比擬法求解，得到電阻與電容的關(guān)系式 ：

以上ε，ρ分別表示水的介電常數(shù)和電阻率。

假若靜電場(chǎng)中導(dǎo)體的電容已求得，相同兩導(dǎo)體作為電極時(shí)，在其之間填充均勻的導(dǎo)電媒質(zhì)水，導(dǎo)體的電阻就能由公式(1)求解。公式(1)為直流電阻的公式，而水電阻流過(guò)的是工頻交流電流。但由于工頻電流流散時(shí)，水的電阻率相當(dāng)大，以至于感應(yīng)電勢(shì)引起的電壓降與電阻壓降相比能忽略不計(jì)，故仍可按直流電阻計(jì)算，為使三相電流平衡，三相電極結(jié)構(gòu)相同，且排列方式一般在空間上對(duì)稱。

如圖1 水電阻圓柱電極常規(guī)排列圖，三相圓柱電極結(jié)構(gòu)相同，且在空間上對(duì)稱排列，設(shè)電極的間距為D1，等效半徑為r，電極單位高度的電量為q,電極的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，圍繞A相電極作一個(gè)圓柱面，作為高斯面S。

圖1 水電阻圓柱電極常規(guī)排列圖

由高斯定理[1]，靜電比擬法可得，單位高度，不同相電極之間的電阻為：

3.2 橢圓柱電極交錯(cuò)排列水電阻的計(jì)算

現(xiàn)在本行業(yè)一般采用3相空間對(duì)稱的長(zhǎng)方形鋼制平板作為電極。為了計(jì)算方便，長(zhǎng)方形鋼制平板電極模型能等效為橢圓柱形模型，長(zhǎng)方形的長(zhǎng)可近似認(rèn)為橢圓的長(zhǎng)半軸，長(zhǎng)方形的寬可近似認(rèn)為橢圓的短半軸，如圖2 水電阻橢圓柱電極排列圖，設(shè)電極間距為D2，橢圓長(zhǎng)半軸為r1，短半軸為r2，電極單位高度的電量為q,電極的長(zhǎng)度為L(zhǎng)。

單位高度的各相電阻計(jì)算方法，同公式(2)，得：

圖2 水電阻橢圓柱電極排列圖

可見 電極間距D2越小，各相水電阻R2越小；電極長(zhǎng)半軸r1越短，各相水電阻R2越?。浑姌O短半軸r2越長(zhǎng)，各相水電阻R2越??；此種情況下，水電阻消耗的功率為：

4 水電阻改進(jìn)模型的計(jì)算

由于電極之間的距離D存在一個(gè)安全距離，所以在大功率（幾百千瓦或者幾千千瓦）水電阻設(shè)計(jì)時(shí)，為減小水電阻的電阻值，提高水電阻的功率，只需要將電極采用三相互相交錯(cuò)排列方式，以滿足實(shí)際的負(fù)載試驗(yàn)要求。如圖3水電阻橢圓柱電極交錯(cuò)排列圖，圖中A與A1橢圓柱電極接A相電流，B與B1橢圓柱電極接B相電流，C與C1橢圓柱電極接C相電流。在靜電場(chǎng)中A與A1橢圓柱電極相連，可認(rèn)為同一導(dǎo)體。同理，B與B1橢圓柱電極，C與C1橢圓柱電極均為同一導(dǎo)體。

交錯(cuò)排列時(shí)，單位高度的各相電阻計(jì)算方法，同公式 (3)，得：

電極間距D3越短，各相水電阻R3越小； 電極長(zhǎng)半軸r1越長(zhǎng)，各相水電阻R2越??；電極短半軸r2越長(zhǎng)，各相水電阻R2越小；水電阻的消耗的功率為：

橢圓柱電極交錯(cuò)排列時(shí)與一般排列的功率比為：

如果D2=D3=40 mm ，r1=1000 mm，r2=2.5 mm，得 K=ln1.33/ln1.01≈28.5,即在電極的安全距離都為D=D2=D3= 40 mm時(shí)，后者的功率是前者的28.5倍，可見只需要增加一組對(duì)稱的交錯(cuò)三相電極，就能很明顯地提高水電阻的功率。

圖3 水電阻橢圓柱電極交錯(cuò)排列圖

5 工程實(shí)例

武漢長(zhǎng)海高新單臺(tái)發(fā)電機(jī)組水電阻負(fù)載最大容量為200 kW,由于需要測(cè)試并調(diào)整2臺(tái)1600 kW發(fā)電機(jī)組并車帶載性能參數(shù)，當(dāng)時(shí)考慮了，方案一：新建水電阻池，水電阻電極及其它輔件，與原有的水電阻并聯(lián)；方案二：采取電極交錯(cuò)排列方式，重新制作了6個(gè)電極，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終采取了方案二。水電阻池的長(zhǎng)*寬*深：3800（mm）*3800（mm）*4000（mm），極板由10 mm厚的鋼板制成，鋼板的形狀，我們采用菱形，使負(fù)荷從零開始逐漸增加，避免負(fù)荷突變或震蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生。極板的形狀與尺寸如圖4極板的形狀與尺寸所示。

因?yàn)闃O板面積比較大，所以選取電動(dòng)機(jī)和減速器時(shí)，速比要選大一些，這樣在加減負(fù)荷時(shí)，功率變化比較平穩(wěn)，易于操作，改水電阻齒輪箱的速比為1∶11025[3]，用擺線式三級(jí)減速齒輪箱，經(jīng)實(shí)際使用，功率變化平穩(wěn)，效果很好[4]。

因?yàn)殡娏骱艽?、電極比較重，所以用16 mm厚的紫銅板固定電極。為防止電極的左右擺動(dòng)，用鋼管焊在支架頂部。在電極支臂上焊一個(gè)套管，使電極能上下滑動(dòng)。從配電板到水電阻的接線用3根3*240 mm的軟電纜，電極的接線端子用紫銅的等長(zhǎng)雙頭螺栓。

改進(jìn)后的功率最大值為P=5000 kW，計(jì)算與實(shí)際基本相符合，實(shí)際負(fù)載比改進(jìn)前增加20倍，由于實(shí)際水電阻制作中，電極形狀，結(jié)構(gòu)與理論設(shè)計(jì)存在較小差異，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)校正，數(shù)據(jù)誤差后，投入實(shí)際測(cè)量與試驗(yàn)2年后，經(jīng)過(guò)調(diào)整的發(fā)電機(jī)組性能較好，說(shuō)明了理論與實(shí)際完全相符。

圖4 極板的形狀與尺寸

6 結(jié)束語(yǔ)

用交錯(cuò)排列電極的方法增加水電阻的功率，是一種十分有效的技術(shù)措施，它具有簡(jiǎn)單，可靠及投資少的特點(diǎn)，作者根據(jù)運(yùn)行與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)作了理論探討，有關(guān)方法與公式在水電阻設(shè)計(jì)與計(jì)算中，能作為設(shè)計(jì)參考，但有些需要考慮以下的因素：（1）水電阻通過(guò)電流后溫度自動(dòng)升高，在水電阻負(fù)溫度特性的作用下，電阻逐步減少；（2）水電阻池的水與外界交換的水的電阻率需要保持一致。一定要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析確認(rèn)。

[1]毛鈞杰等. 電磁場(chǎng)理論[M]. 長(zhǎng)沙： 國(guó)防科技大學(xué)出版,社 1998, 249-251.

[2]鄭程遙, 水電站水電阻的設(shè)計(jì)計(jì)算. 中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2003(4)： 60-61.

[3]袁繼華. 船舶電氣安裝與調(diào)試. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社.

[4]孫世言等. 發(fā)電機(jī)組負(fù)荷試驗(yàn)用水電阻. 造船技術(shù),2001(2).