船舶電站碼頭試驗設備分析

潘德華 羅寰

（1. 武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064；2. 金海船業有限公司，浙江 316012）

0 引言

船舶建造下水后，電站發電機組首先要在碼頭上進行相應的負載試驗，以檢驗船舶發電機組的設備性能指標，不僅要滿足正常運行的一般負載變化，還要進行有功、無功負載的突加、突卸變化。目前船廠碼頭試驗大多采用電阻來進行發電機組有功功率的消耗，用電抗器來作為發電機的無功負載。本文通過對這些負載設備的分析，以方便碼頭試驗的設計工作。

為方便在電站調試中負載的使用，電阻、電抗器負載均應能進行遙控調節。負載裝置中另設置主接觸器，可遙控接通、斷開，使總配電板的主開關不進行帶負載接通、斷開操作，這樣在電站調試期間，主開關觸頭可以避免不必要的損耗。負載電阻和電抗器一般并聯使用，有功、無功可以分別調節，這樣電阻或電抗器，可以單獨控制通過小于額定容量的電流。如果采用串聯連接，不但電流很大，而且不易調節，改變任何一個，都能引起有功、無功功率的變化。

1 水電阻

大容量的發電機采用水電阻作負荷裝置較為合適。它是一個圓形水桶，桶內對稱布置若干組鐵板作極板，可以接成正負兩組，也可以接成A、B、C三相，桶內盛水。

圖1 水電阻負載裝置

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、間距的關系可用下式表示：

式中：R△： 等效電阻，Ω

ρt： 電解質電阻率，Ω·mm2/m

l ： 極板間距，m

S ： 極板浸水面積，mm2

如果發電機功率為 P，額定電流為 Ie，功率因數 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、極板間距的關系。因極板最大面積可通過其結構算出，即確定出水電阻中極板間距的大小，以滿足試驗最大負載的要求。

水電阻裝置內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，可以在桶體內表面搪水泥等防腐材料），且在使用中，隨著水份蒸發，鹽的濃度會發生變化，造成負載阻值不穩定。但是鹽水的電阻率很小，在 100℃淡水的電阻系數為：9.7×107 Ω·mm2/m，而0.5%濃度的鹽水的電阻系數為：5.0×105 Ω·mm2/m。由此可見，電阻值要相差兩個數量級，說明同樣規格大小的水電阻，采用海水或鹽水作電解質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，極板上的氧化層經常脫落，容易被卡住而發生短路；間距過大，使其電阻增加，容量降低，一般以50 mm為宜。極板的底部應切成斜邊形，以使負載可從零開始逐漸增加，而不會出現負載突變或震蕩現象。

在負載試驗過程中，為保持負荷電流穩定不變，應不斷添加被蒸發和流失的溶液，同時對進出口水溶液進行適當的調節，保持水溫穩定；同時通過控制水位高低，或控制極板升降均可達到改變負載大小的目的，實踐表明，采用進出水口閥門控制改變水位進行調節的效果不及用升降電動機控制極板升降的效果好。前者的負載變化速度慢，水份沒有得到充份的利用，閥門容易損壞，后者的電動機的速比要選擇適當，極板升降過快，使負載調節不容易控制；升降太慢，使負載變化的太慢，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

這種電抗器的結構原理如圖所示。交流繞組宜做成餅式，分成圈數相等的幾組，可以任意進行串并聯，以擴大調節范圍。三相鐵芯可以合在一起，也可以分成三個單相。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調節，也可以電動機遙控。由于電抗器通電時，磁震動較大，所以蝸輪蝸桿的自鎖要牢固，否則會自行滑動，氣隙自動減少。

這種電抗器在進行計算時，應該按間隙為零的條件下，它的最大電抗值應該等于或大于所需要的最大電抗值。

圖3 帶氣隙調整的電抗器結構原理圖

氣隙為零時的電抗為：

式中 f ： 頻率，Hz

w ： 圈數，匝

S ： 磁路面積，cm2

l ： 平均磁路長度，cm

M ： 層數

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。磁通密度和磁導率的關系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，其結構原理見圖：

圖5 飽和電抗器結構原理圖

直流勵磁繞組可用專門的直流發電機組供電，也可以用硅整流直流電源或可控硅直流電源供電。因在交直流同時供電時，鐵芯中存在高次諧波磁通，即使交流繞組正反串聯，在直流繞組中還是能感應出偶次諧波電勢。如果選用內阻較小的直流發電機組供電，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較低水平上。若采用另兩種電源，則由于其有一個方向不導通的緣故，在控制繞組中還能感應出很高的偶次諧波感應電勢，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附加直流電流，使電抗減小，這種現象在作突加負載試驗時尤為明顯，它是一個正反饋，使電抗急劇降低，沖擊電流大大超過穩定后的電流值，造成瞬時最大壓降不準，所以一般還是以直流發電機組供電為宜。小容量的直流發電機不宜找到，此時可用普通的直流電動機代替，只要把它的串激繞組反接一下即可。發電機的勵磁最好采用它激形式，這樣可使起始下限電壓調得較低，擴大電抗器的調節范圍。

直流發電機組不易受干擾，可以直接進行遙控啟、停及調壓操作。為了防止遙控插頭遇潮而漏電擊穿，機組遙控電源應采用 36 V低壓交流電，以保證操作安全。

飽和電抗器的缺點是體積大，裝置復雜，電抗器的調節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接法變換來擴大它的使用范圍。在交直流繞組匝數不變的情況下，如以兩只交流繞組串聯三相三角接法時（圖 7中 c），通過電流為I，則在串聯星形接法時（圖7中a），通過電流為(1/3)I，而在并聯星形接法時（圖7中b），通過電流為1 (1/3)I，如果改為并聯三角形接法（圖7中d），，通過電流最大，達到4 I左右。

圖6 飽和電抗器交流繞組接線圖

4 感應調壓器

這是一種應用矢量相加減的方法進行調壓的變壓器，其原理可見下圖。

當原邊輸入電壓為380 V時，改變轉子定子間的相對位置，輸出交流電壓可在0～650 V范圍變化。這種調壓器可以改造一下，就可以作交流發電機試車電抗器使用。此時，把它原來接電網的輸入端予以開路，原輸出端接正在調試的發電機，調壓器就成了電抗器。改變定子與轉子之間的角度位置，即改變它的電抗值。在原輸出電壓為最大值的位置相應于電抗值為最大。

圖7 感應調壓器原理圖

這種作為電抗器使用的感應調壓器，它的電抗變化范圍很大。但作為電抗器使用時，受到轉子繞組最大允許電流的限制，容量要小于作調壓器使用時的容量。其缺點是在進行突加負荷試驗時，由于瞬時的電動應力很大，它的電動調節機構容易損壞。

五 結束語

本文通過對碼頭設備的分析，可以方便試驗人員選擇適合的負載設備進行發電機或其他電源設備在碼頭上系泊試驗工作，以求對其性能的全面驗證。

[1]佐治學. 電氣電路A. 科學出版社, 2001.

[2]施億生, 謝紹惠. 船舶電站[M]. 北京：國防工業出版社, 1981.