王勞動(dòng)

（廣州華南船舶修造廠，廣州 510715）

1 前言

艦船發(fā)電機(jī)組修理后需要進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)，以驗(yàn)證柴油機(jī)及發(fā)電機(jī)的修理質(zhì)量和技術(shù)性能。負(fù)荷試驗(yàn)的主要設(shè)備，一般采用水負(fù)荷試驗(yàn)裝置。以往我廠使用的鹽水缸，外觀粗糙、可靠性差、電極移動(dòng)不均衡、速度快、難作微小的極板移動(dòng)調(diào)整，極板傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)單薄，安全性差。同時(shí)，由于艦船修理停泊的位置不固定，每次發(fā)電機(jī)組負(fù)荷試驗(yàn)都需要把鹽水缸、電抗器等搬運(yùn)到試驗(yàn)區(qū)域，拉電纜和接線工作繁瑣，耗時(shí)耗工。

根據(jù)以上情況，為了提高工作效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，適應(yīng)新裝備保障需求，需要設(shè)計(jì)制作1套發(fā)電機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)裝置整合到平板車上，方便移動(dòng)和試驗(yàn)。本裝置使用鹽水缸作為有功負(fù)載，在極板間距不變的情況下，用極板升降控制極板的浸水面積來調(diào)節(jié)負(fù)載大?。煌瑫r(shí)設(shè)計(jì)兩個(gè)鹽水缸，以滿足增壓柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷從0→50%及50%→100%突變?cè)囼?yàn)的需要；使用電抗器來調(diào)節(jié)無功負(fù)載。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）鹽水缸水電阻

① 發(fā)電機(jī)相電阻

設(shè)發(fā)電機(jī)的功率為P，額定電流為I,額定功率因數(shù)為CosФ，其有功電流為ICosФ所需要的每相電阻R相（星級(jí)接法）可用下式表示：

由式2計(jì)算得出R約為1.5 Ω。

② 水電阻

水電阻的等值電路為三角形電路，其阻值與極板浸水面積、極板間距的關(guān)系，可用下式表示：

式中：R—電阻，（Ω）；

ρ—電解質(zhì)電阻率，Ω·mm/m；

L —極板間距，m；

S —極板浸水面積，mm。

實(shí)際使用為自來水，含鹽量小于0.5 g/，可查得100℃時(shí)淡水的電阻率為9.7×10Ω·mm/m，0.5%濃度鹽水的電阻率為5×10Ω·mm/m，可知水的電阻率隨著含鹽量的增加而減小。當(dāng)發(fā)電機(jī)功率在較小范圍內(nèi)超過本裝置的設(shè)計(jì)負(fù)荷上限時(shí)，可向水中加鹽來提高水的含鹽量，使得水的電阻率減小，即水電阻減小。根據(jù)I=U/R、P=UI可知，負(fù)載電流隨著水電阻減小而增大、負(fù)載功率也增大，從而滿足試驗(yàn)負(fù)荷要求。

水電阻等效于發(fā)電機(jī)有功負(fù)載電阻，設(shè)定合理的極板間距，根據(jù)上述公式可求得極板的浸水總面積。

已知100 ℃時(shí)淡水的電阻率為9.7×10Ω·mm/m，極板間距L可設(shè)為0.15 m，為滿足300 kW發(fā)電機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)需要，計(jì)算得出極板浸水總面積S約為9.7 m（9.7×10mm）。初定放置10塊極板，每塊極板單面浸水面積約為0.485 m。實(shí)際極板面積應(yīng)有一定的余量，同時(shí)應(yīng)保證極板升降的上限位置距離鹽水缸上部支架、下限位置距離鹽水缸底部、極板距離鹽水缸內(nèi)壁均留有一定的安全距離。綜上考慮，電極板外形尺寸選為：4 mm×1200 mm×600 mm（底部斜邊形）。

本裝置設(shè)置電極板10塊，其中A相4塊、B、C相各3塊。A相比B、C相多一塊，是為了保證每塊極板間距不變，保持三相電流的平衡。極板間距為0.15 m，極板底部切成斜邊形，以便負(fù)載可以從零開始逐漸增加，而不會(huì)出現(xiàn)小負(fù)荷突變或震蕩現(xiàn)象。

（2）電抗器容量

三相電抗器鐵芯中間的氣隙越大，電抗值就越小，無功電流就越大；交流繞組圈數(shù)越少，電抗值就越小，無功電流就越大。

分別計(jì)算發(fā)電機(jī)組單機(jī)運(yùn)行和雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)電抗器所需的容量，再根據(jù)其最高值來確定電抗器容量。

① 單機(jī)運(yùn)行時(shí)

② 雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)

兩臺(tái)300 kW發(fā)電機(jī)并車時(shí)總功率P為600 kW，總額定電流I約為1 110 A；當(dāng)CosФ取0.8，由CosФ+ SinФ=1計(jì)算得出SinФ為0.6，則無功電流I=IeSinФ=667 A。

查TKS三相可調(diào)電抗器技術(shù)參數(shù)，容量為500 kvar的電抗器最大無功電流為722 A，故選用電抗器額定容量為500 kvar。

3 裝置組成

（1）500 kvar三相可調(diào)電抗器（1臺(tái)）

電制：3相、400 V、50 Hz

額定無功功率：SinФ≥0.99

負(fù)載特性：線性電抗

負(fù)載調(diào)節(jié)方式：電動(dòng)和手動(dòng)

（2）300 kW水電阻裝置（2個(gè)）

鋼制鹽水缸，鋼板厚度8 mm，內(nèi)襯玻璃鋼絕緣，電極板采用厚度4 mm 304不銹鋼板，帶極板升降及控制裝置。

（3）平板車（1臺(tái)）

輪胎平板車，前端加裝螺桿支撐架，防止負(fù)荷過重減輕輪子受力，起到安全保護(hù)作用。

（4）電氣控制裝置

電氣控制裝置可設(shè)計(jì)成兩種模式：手動(dòng)控制模式；PLC控制模式。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可二選一。

① 手動(dòng)控制模式

該裝置由開關(guān)箱、儀表控制箱等組成：

開關(guān)箱用于安裝斷路器與電抗器、鹽水缸、發(fā)電機(jī)的接線。箱內(nèi)設(shè)600 A自動(dòng)空氣斷路器2個(gè)（分別用于向2個(gè)鹽水缸水負(fù)載供電）、800 A自動(dòng)空氣斷路器1個(gè)（用于向電抗器供電），分別可遠(yuǎn)距離遙控分、合閘及機(jī)旁分、合閘控制；

儀表控制箱能進(jìn)行鹽水缸、電抗器加減負(fù)載的控制，同時(shí)顯示試驗(yàn)參數(shù)（電流、電壓、功率、功率因數(shù)）。箱內(nèi)設(shè)有：監(jiān)視負(fù)載的數(shù)顯功率表；電流表、電壓表及功率因數(shù)表；電流表、電壓表分別設(shè)有轉(zhuǎn)換開關(guān)，檢測(cè)三相負(fù)載電流及電壓值；設(shè)有鹽水缸和電抗器負(fù)載增、減自復(fù)位轉(zhuǎn)換開關(guān)及相應(yīng)指示燈、遠(yuǎn)距離遙控和就近機(jī)旁控制轉(zhuǎn)換開關(guān)、鹽水缸和電抗器負(fù)載供電開關(guān)的電磁合閘和分閘按鈕及相應(yīng)指示燈；具有負(fù)載上限位置和下限位置限位功能及開關(guān)分閘、合閘、負(fù)載增減遠(yuǎn)距離遙控功能。

② PLC控制模式

該裝置由開關(guān)箱、儀表控制箱（內(nèi)設(shè)PLC、人機(jī)界面）等組成：

開關(guān)箱用于安裝斷路器、接觸器、中間繼電器和電抗器、鹽水缸、發(fā)電機(jī)的接線；

儀表控制箱用于安裝PLC、人機(jī)界面、儀表等，能進(jìn)行鹽水缸、電抗器加減負(fù)載的自動(dòng)控制，同時(shí)顯示試驗(yàn)參數(shù)（電流、電壓、功率、功率因數(shù)）。

其主要控制原理：通過人機(jī)界面設(shè)置發(fā)電機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)需要的有功功率、極板浸水面積（浸水深度），發(fā)送到PLC；由PLC發(fā)出指令控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，帶動(dòng)極板升降到需要的浸水深度位置，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有功負(fù)載的自動(dòng)調(diào)節(jié)；同時(shí)設(shè)置需要的功率因數(shù)，得出需要的無功功率，發(fā)送到PLC；由PLC發(fā)出指令控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，改變電抗器氣隙大小，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)無功負(fù)載的自動(dòng)調(diào)節(jié)。其系統(tǒng)圖，見圖1。

圖1 帶PLC的組合式發(fā)電機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖

4 結(jié)束語

經(jīng)過多次試驗(yàn)論證，本套發(fā)電機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)裝置能對(duì)300 kW以下、功率因數(shù)達(dá)0.4（滯后）以下的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行單機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)；對(duì)2臺(tái)300 kW以下、功率因數(shù)達(dá)0.8（滯后）以下的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行并聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)。此方案設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)機(jī)旁和遙控的負(fù)載調(diào)節(jié)，解決了發(fā)電機(jī)組的內(nèi)場(chǎng)和裝艦后試驗(yàn)的問題。

該裝置為整體小車式，移動(dòng)方便，接線簡(jiǎn)單，可節(jié)省安裝時(shí)間；同時(shí)，其電極板采用304不銹鋼為材料，耐銹蝕，可提高設(shè)備使用壽命，減少維修費(fèi)用；此裝置能滿足船廠現(xiàn)有艦船和新型艦船中小型發(fā)電機(jī)組修理的試驗(yàn)要求。