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）

0 引言

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)大多采用電阻來進(jìn)行發(fā)電機(jī)組有功功率的消耗，用電抗器來作為發(fā)電機(jī)的無功負(fù)載。本文通過對(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，使總配電板的主開關(guān)不進(jìn)行帶負(fù)載接通、斷開操作，這樣在電站調(diào)試期間，主開關(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、無功功率的變化。

1 水電阻

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，電阻值要相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，說明同樣規(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。過厚，增加重量；過薄，使用期限太短。極板間距也不能過小，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

2 帶氣隙的電抗器

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 ： 平均磁路長度，cm

M ： 層數(shù)

鐵芯一般選用變壓器硅鋼片來組裝，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

3 飽和電抗器

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。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，致使硅整流或可控硅被擊穿。此外，諧波電勢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），通過電流為I，則在串聯(lián)星形接法時(shí)（圖7中a），通過電流為(1/3)I，而在并聯(lián)星形接法時(shí)（圖7中b），通過電流為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

4 感應(yīng)調(diào)壓器

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)，把它原來接電網(wǎng)的輸入端予以開路，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。

五 結(jié)束語

本文通過對(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：國防工業(yè)出版社, 1981.