一種組合式發(fā)電機負荷試驗裝置設計

王勞動

（廣州華南船舶修造廠，廣州 510715）

1 前言

艦船發(fā)電機組修理后需要進行負荷試驗，以驗證柴油機及發(fā)電機的修理質量和技術性能。負荷試驗的主要設備，一般采用水負荷試驗裝置。以往我廠使用的鹽水缸，外觀粗糙、可靠性差、電極移動不均衡、速度快、難作微小的極板移動調整，極板傳動裝置結構單薄，安全性差。同時，由于艦船修理停泊的位置不固定，每次發(fā)電機組負荷試驗都需要把鹽水缸、電抗器等搬運到試驗區(qū)域，拉電纜和接線工作繁瑣，耗時耗工。

根據(jù)以上情況，為了提高工作效率，減輕勞動強度，適應新裝備保障需求，需要設計制作1套發(fā)電機負荷試驗裝置整合到平板車上，方便移動和試驗。本裝置使用鹽水缸作為有功負載，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節(jié)負載大小；同時設計兩個鹽水缸，以滿足增壓柴油發(fā)電機組負荷從0→50%及50%→100%突變試驗的需要；使用電抗器來調節(jié)無功負載。

2 設計參數(shù)

（1）鹽水缸水電阻

① 發(fā)電機相電阻

設發(fā)電機的功率為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（星級接法）可用下式表示：

由式2計算得出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、極板間距的關系，可用下式表示：

式中：R—電阻，（Ω）；

ρ—電解質電阻率，Ω·mm/m；

L —極板間距，m；

S —極板浸水面積，mm。

實際使用為自來水，含鹽量小于0.5 g/，可查得100℃時淡水的電阻率為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。當發(fā)電機功率在較小范圍內超過本裝置的設計負荷上限時，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，負載電流隨著水電阻減小而增大、負載功率也增大，從而滿足試驗負荷要求。

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

已知100 ℃時淡水的電阻率為9.7×10Ω·mm/m，極板間距L可設為0.15 m，為滿足300 kW發(fā)電機負荷試驗需要，計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。實際極板面積應有一定的余量，同時應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，以便負載可以從零開始逐漸增加，而不會出現(xiàn)小負荷突變或震蕩現(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。

分別計算發(fā)電機組單機運行和雙機并聯(lián)運行時電抗器所需的容量，再根據(jù)其最高值來確定電抗器容量。

① 單機運行時

② 雙機并聯(lián)運行時

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

查TKS三相可調電抗器技術參數(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三相可調電抗器（1臺）

電制：3相、400 V、50 Hz

額定無功功率：SinФ≥0.99

負載特性：線性電抗

負載調節(jié)方式：電動和手動

（2）300 kW水電阻裝置（2個）

鋼制鹽水缸，鋼板厚度8 mm，內襯玻璃鋼絕緣，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）

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

（4）電氣控制裝置

電氣控制裝置可設計成兩種模式：手動控制模式；PLC控制模式。實際設計時可二選一。

① 手動控制模式

該裝置由開關箱、儀表控制箱等組成：

開關箱用于安裝斷路器與電抗器、鹽水缸、發(fā)電機的接線。箱內設600 A自動空氣斷路器2個（分別用于向2個鹽水缸水負載供電）、800 A自動空氣斷路器1個（用于向電抗器供電），分別可遠距離遙控分、合閘及機旁分、合閘控制；

儀表控制箱能進行鹽水缸、電抗器加減負載的控制，同時顯示試驗參數(shù)（電流、電壓、功率、功率因數(shù)）。箱內設有：監(jiān)視負載的數(shù)顯功率表；電流表、電壓表及功率因數(shù)表；電流表、電壓表分別設有轉換開關，檢測三相負載電流及電壓值；設有鹽水缸和電抗器負載增、減自復位轉換開關及相應指示燈、遠距離遙控和就近機旁控制轉換開關、鹽水缸和電抗器負載供電開關的電磁合閘和分閘按鈕及相應指示燈；具有負載上限位置和下限位置限位功能及開關分閘、合閘、負載增減遠距離遙控功能。

② PLC控制模式

該裝置由開關箱、儀表控制箱（內設PLC、人機界面）等組成：

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

儀表控制箱用于安裝PLC、人機界面、儀表等，能進行鹽水缸、電抗器加減負載的自動控制，同時顯示試驗參數(shù)（電流、電壓、功率、功率因數(shù)）。

其主要控制原理：通過人機界面設置發(fā)電機負荷試驗需要的有功功率、極板浸水面積（浸水深度），發(fā)送到PLC；由PLC發(fā)出指令控制電動機運行，帶動極板升降到需要的浸水深度位置，從而實現(xiàn)發(fā)電機有功負載的自動調節(jié)；同時設置需要的功率因數(shù)，得出需要的無功功率，發(fā)送到PLC；由PLC發(fā)出指令控制電動機運行，改變電抗器氣隙大小，從而實現(xiàn)發(fā)電機無功負載的自動調節(jié)。其系統(tǒng)圖，見圖1。

圖1 帶PLC的組合式發(fā)電機負荷試驗裝置系統(tǒng)圖

4 結束語

經過多次試驗論證，本套發(fā)電機負荷試驗裝置能對300 kW以下、功率因數(shù)達0.4（滯后）以下的發(fā)電機組進行單機負荷試驗；對2臺300 kW以下、功率因數(shù)達0.8（滯后）以下的發(fā)電機組進行并聯(lián)運行試驗。此方案設計可實現(xiàn)機旁和遙控的負載調節(jié)，解決了發(fā)電機組的內場和裝艦后試驗的問題。

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