潘德華 羅寰
(1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所,武漢 430064;2. 金海船業(yè)有限公司,浙江 316012)
船舶建造下水后,電站發(fā)電機(jī)組首先要在碼頭上進(jìn)行相應(yīng)的負(fù)載試驗(yàn),以檢驗(yàn)船舶發(fā)電機(jī)組的設(shè)備性能指標(biāo),不僅要滿足正常運(yùn)行的一般負(fù)載變化,還要進(jìn)行有功、無(wú)功負(fù)載的突加、突卸變化。目前船廠碼頭試驗(yàn)大多采用電阻來(lái)進(jìn)行發(fā)電機(jī)組有功功率的消耗,用電抗器來(lái)作為發(fā)電機(jī)的無(wú)功負(fù)載。本文通過(guò)對(duì)這些負(fù)載設(shè)備的分析,以方便碼頭試驗(yàn)的設(shè)計(jì)工作。
為方便在電站調(diào)試中負(fù)載的使用,電阻、電抗器負(fù)載均應(yīng)能進(jìn)行遙控調(diào)節(jié)。負(fù)載裝置中另設(shè)置主接觸器,可遙控接通、斷開(kāi),使總配電板的主開(kāi)關(guān)不進(jìn)行帶負(fù)載接通、斷開(kāi)操作,這樣在電站調(diào)試期間,主開(kāi)關(guān)觸頭可以避免不必要的損耗。負(fù)載電阻和電抗器一般并聯(lián)使用,有功、無(wú)功可以分別調(diào)節(jié),這樣電阻或電抗器,可以單獨(dú)控制通過(guò)小于額定容量的電流。如果采用串聯(lián)連接,不但電流很大,而且不易調(diào)節(jié),改變?nèi)魏我粋€(gè),都能引起有功、無(wú)功功率的變化。
大容量的發(fā)電機(jī)采用水電阻作負(fù)荷裝置較為合適。它是一個(gè)圓形水桶,桶內(nèi)對(duì)稱布置若干組鐵板作極板,可以接成正負(fù)兩組,也可以接成A、B、C三相,桶內(nèi)盛水。
圖1 水電阻負(fù)載裝置
水電阻的等值電路為三角形電路,其電阻值與極板浸水面積、間距的關(guān)系可用下式表示:
式中:R△: 等效電阻,Ω
ρt: 電解質(zhì)電阻率,Ω·mm2/m
l : 極板間距,m
S : 極板浸水面積,mm2
如果發(fā)電機(jī)功率為 P,額定電流為 Ie,功率因數(shù) COSφe為 0.8,則其有功電流為 IeCOSφe,所需要的每相電阻(三角形接法)為:
可推算出極板浸水面積、極板間距的關(guān)系。因極板最大面積可通過(guò)其結(jié)構(gòu)算出,即確定出水電阻中極板間距的大小,以滿足試驗(yàn)最大負(fù)載的要求。
水電阻裝置內(nèi)的溶液一般選用淡水,而不使用海水或鹽水,因海水或鹽水對(duì)桶體、極板具有較大的腐蝕性(為了防止桶體腐蝕,可以在桶體內(nèi)表面搪水泥等防腐材料),且在使用中,隨著水份蒸發(fā),鹽的濃度會(huì)發(fā)生變化,造成負(fù)載阻值不穩(wěn)定。但是鹽水的電阻率很小,在 100℃淡水的電阻系數(shù)為:9.7×107 Ω·mm2/m,而0.5%濃度的鹽水的電阻系數(shù)為:5.0×105 Ω·mm2/m。由此可見(jiàn),電阻值要相差兩個(gè)數(shù)量級(jí),說(shuō)明同樣規(guī)格大小的水電阻,采用海水或鹽水作電解質(zhì)后可以大大提高其容量。
極板厚度一般選用 10 mm左右的鋼板。過(guò)厚,增加重量;過(guò)薄,使用期限太短。極板間距也不能過(guò)小,極板上的氧化層經(jīng)常脫落,容易被卡住而發(fā)生短路;間距過(guò)大,使其電阻增加,容量降低,一般以50 mm為宜。極板的底部應(yīng)切成斜邊形,以使負(fù)載可從零開(kāi)始逐漸增加,而不會(huì)出現(xiàn)負(fù)載突變或震蕩現(xiàn)象。
在負(fù)載試驗(yàn)過(guò)程中,為保持負(fù)荷電流穩(wěn)定不變,應(yīng)不斷添加被蒸發(fā)和流失的溶液,同時(shí)對(duì)進(jìn)出口水溶液進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié),保持水溫穩(wěn)定;同時(shí)通過(guò)控制水位高低,或控制極板升降均可達(dá)到改變負(fù)載大小的目的,實(shí)踐表明,采用進(jìn)出水口閥門控制改變水位進(jìn)行調(diào)節(jié)的效果不及用升降電動(dòng)機(jī)控制極板升降的效果好。前者的負(fù)載變化速度慢,水份沒(méi)有得到充份的利用,閥門容易損壞,后者的電動(dòng)機(jī)的速比要選擇適當(dāng),極板升降過(guò)快,使負(fù)載調(diào)節(jié)不容易控制;升降太慢,使負(fù)載變化的太慢,一般極板以每秒升降10 mm左右為宜。
下面是水電阻裝置典型控制線路原理圖。
圖2 水電阻裝置典型控制線路原理圖
這種電抗器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。交流繞組宜做成餅式,分成圈數(shù)相等的幾組,可以任意進(jìn)行串并聯(lián),以擴(kuò)大調(diào)節(jié)范圍。三相鐵芯可以合在一起,也可以分成三個(gè)單相。鐵芯中間的氣隙越大,電抗越小,無(wú)功電流也就越大。同樣交流繞組圈數(shù)越少,電抗值也就越小,無(wú)功電流越大。
電抗器的氣隙可以手動(dòng)調(diào)節(jié),也可以電動(dòng)機(jī)遙控。由于電抗器通電時(shí),磁震動(dòng)較大,所以蝸輪蝸桿的自鎖要牢固,否則會(huì)自行滑動(dòng),氣隙自動(dòng)減少。
這種電抗器在進(jìn)行計(jì)算時(shí),應(yīng)該按間隙為零的條件下,它的最大電抗值應(yīng)該等于或大于所需要的最大電抗值。
圖3 帶氣隙調(diào)整的電抗器結(jié)構(gòu)原理圖
氣隙為零時(shí)的電抗為:
式中 f : 頻率,Hz
w : 圈數(shù),匝
S : 磁路面積,cm2
l : 平均磁路長(zhǎng)度,cm
M : 層數(shù)
鐵芯一般選用變壓器硅鋼片來(lái)組裝,其磁通密度可取13000~14000 Gs。磁通密度和磁導(dǎo)率的關(guān)系μ=f(B)曲線如圖:
圖4 硅鋼片的μ=f(B)曲線
這是一種利用直流改變鐵芯磁飽和程度,從而改變電抗值的電抗器。直流繞組中通過(guò)的直流電流越大,鐵芯越是飽和,電抗值也就越小,其結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖:
圖5 飽和電抗器結(jié)構(gòu)原理圖
直流勵(lì)磁繞組可用專門的直流發(fā)電機(jī)組供電,也可以用硅整流直流電源或可控硅直流電源供電。因在交直流同時(shí)供電時(shí),鐵芯中存在高次諧波磁通,即使交流繞組正反串聯(lián),在直流繞組中還是能感應(yīng)出偶次諧波電勢(shì)。如果選用內(nèi)阻較小的直流發(fā)電機(jī)組供電,依靠電樞繞組將偶次諧波電勢(shì)短路,可以把偶次諧波磁通抑制在一個(gè)較低水平上。若采用另兩種電源,則由于其有一個(gè)方向不導(dǎo)通的緣故,在控制繞組中還能感應(yīng)出很高的偶次諧波感應(yīng)電勢(shì),致使硅整流或可控硅被擊穿。此外,諧波電勢(shì)還能在直流電路中形成一個(gè)附加直流電流,使電抗減小,這種現(xiàn)象在作突加負(fù)載試驗(yàn)時(shí)尤為明顯,它是一個(gè)正反饋,使電抗急劇降低,沖擊電流大大超過(guò)穩(wěn)定后的電流值,造成瞬時(shí)最大壓降不準(zhǔn),所以一般還是以直流發(fā)電機(jī)組供電為宜。小容量的直流發(fā)電機(jī)不宜找到,此時(shí)可用普通的直流電動(dòng)機(jī)代替,只要把它的串激繞組反接一下即可。發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁最好采用它激形式,這樣可使起始下限電壓調(diào)得較低,擴(kuò)大電抗器的調(diào)節(jié)范圍。
直流發(fā)電機(jī)組不易受干擾,可以直接進(jìn)行遙控啟、停及調(diào)壓操作。為了防止遙控插頭遇潮而漏電擊穿,機(jī)組遙控電源應(yīng)采用 36 V低壓交流電,以保證操作安全。
飽和電抗器的缺點(diǎn)是體積大,裝置復(fù)雜,電抗器的調(diào)節(jié)范圍受到一定的限制,只能利用三相交流繞組星形-三角形接法變換,每相的兩只交流繞組串并聯(lián)接法變換來(lái)擴(kuò)大它的使用范圍。在交直流繞組匝數(shù)不變的情況下,如以兩只交流繞組串聯(lián)三相三角接法時(shí)(圖 7中 c),通過(guò)電流為I,則在串聯(lián)星形接法時(shí)(圖7中a),通過(guò)電流為(1/3)I,而在并聯(lián)星形接法時(shí)(圖7中b),通過(guò)電流為1 (1/3)I,如果改為并聯(lián)三角形接法(圖7中d),,通過(guò)電流最大,達(dá)到4 I左右。
圖6 飽和電抗器交流繞組接線圖
這是一種應(yīng)用矢量相加減的方法進(jìn)行調(diào)壓的變壓器,其原理可見(jiàn)下圖。
當(dāng)原邊輸入電壓為380 V時(shí),改變轉(zhuǎn)子定子間的相對(duì)位置,輸出交流電壓可在0~650 V范圍變化。這種調(diào)壓器可以改造一下,就可以作交流發(fā)電機(jī)試車電抗器使用。此時(shí),把它原來(lái)接電網(wǎng)的輸入端予以開(kāi)路,原輸出端接正在調(diào)試的發(fā)電機(jī),調(diào)壓器就成了電抗器。改變定子與轉(zhuǎn)子之間的角度位置,即改變它的電抗值。在原輸出電壓為最大值的位置相應(yīng)于電抗值為最大。
圖7 感應(yīng)調(diào)壓器原理圖
這種作為電抗器使用的感應(yīng)調(diào)壓器,它的電抗變化范圍很大。但作為電抗器使用時(shí),受到轉(zhuǎn)子繞組最大允許電流的限制,容量要小于作調(diào)壓器使用時(shí)的容量。其缺點(diǎn)是在進(jìn)行突加負(fù)荷試驗(yàn)時(shí),由于瞬時(shí)的電動(dòng)應(yīng)力很大,它的電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)容易損壞。
本文通過(guò)對(duì)碼頭設(shè)備的分析,可以方便試驗(yàn)人員選擇適合的負(fù)載設(shè)備進(jìn)行發(fā)電機(jī)或其他電源設(shè)備在碼頭上系泊試驗(yàn)工作,以求對(duì)其性能的全面驗(yàn)證。
[1]佐治學(xué). 電氣電路A. 科學(xué)出版社, 2001.
[2]施億生, 謝紹惠. 船舶電站[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 1981.