發電機組水電阻負載的設計

殷浩 曹光桂 楊傳將

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

新造或經過大修、中修的柴油發電機組在總裝落成后均要進行負載試驗，由于水電阻裝置結構簡單，調節電阻值方便，易于散熱，可消耗較大功率的電能，因此普遍用水電阻負載模擬發電機組負載試驗，其目的是進一步檢查柴油發電機組各主要部件的制造或修理及安裝質量，調整其功率及傳動控制、保護系統，確保柴油發動機、發電機各部件安裝正確，動作可靠，性能良好，運行安全，并能發揮設計要求的控制性能和功率特性。

2 水電阻的組成

水電阻裝置，由三相對稱極板、絕緣板、水槽、橫梁、拖動電機、龍門架、電動水泵、電極升降控制裝置等組成，其特點是三相極板與橫梁用絕緣子聯結，不同相極板之間用絕緣子聯結，橫梁與龍門架聯接，升降電機、滑輪、導向輪、鋼絲繩與龍門架聯接，水電阻池為鋼筋凝土結構。

為了防止水電阻通過電流后溫度自動升高，在水電阻負溫度特性的作用下，電阻逐步減少，采用泵水循環冷卻方式降低水溫。其優點是水面波動小，負荷穩定；缺點是，受循環水來源的限制，水池中的水的電阻率不均勻，水電阻不斷的變化對阻值的影響也很大。

水電阻控制裝置控制拖動電機的啟動/停機，來實現升/降三相對稱電極在水池中的深度，從而無級地改變水電阻負載的功率。

3 水電阻典型模型的計算

3.1 圓柱電極常規排列水電阻的計算

假定水電阻池的水域和水深尺寸足夠大，可忽略邊界的影響。電極浸沒在水中，一方面它對“地”有電容，水體體現電介質特性，有靜電效應；另一方面，電流在水中散流，水體體現電阻特性，有恒定電場的效應。由于它們的邊界條件完全一樣，故兩種場是相似的，能用靜電比擬法求解，得到電阻與電容的關系式 ：

以上ε，ρ分別表示水的介電常數和電阻率。

假若靜電場中導體的電容已求得，相同兩導體作為電極時，在其之間填充均勻的導電媒質水，導體的電阻就能由公式(1)求解。公式(1)為直流電阻的公式，而水電阻流過的是工頻交流電流。但由于工頻電流流散時，水的電阻率相當大，以至于感應電勢引起的電壓降與電阻壓降相比能忽略不計，故仍可按直流電阻計算，為使三相電流平衡，三相電極結構相同，且排列方式一般在空間上對稱。

如圖1 水電阻圓柱電極常規排列圖，三相圓柱電極結構相同，且在空間上對稱排列，設電極的間距為D1，等效半徑為r，電極單位高度的電量為q,電極的長度為L，圍繞A相電極作一個圓柱面，作為高斯面S。

圖1 水電阻圓柱電極常規排列圖

由高斯定理[1]，靜電比擬法可得，單位高度，不同相電極之間的電阻為：

3.2 橢圓柱電極交錯排列水電阻的計算

現在本行業一般采用3相空間對稱的長方形鋼制平板作為電極。為了計算方便，長方形鋼制平板電極模型能等效為橢圓柱形模型，長方形的長可近似認為橢圓的長半軸，長方形的寬可近似認為橢圓的短半軸，如圖2 水電阻橢圓柱電極排列圖，設電極間距為D2，橢圓長半軸為r1，短半軸為r2，電極單位高度的電量為q,電極的長度為L。

單位高度的各相電阻計算方法，同公式(2)，得：

圖2 水電阻橢圓柱電極排列圖

可見 電極間距D2越小，各相水電阻R2越小；電極長半軸r1越短，各相水電阻R2越小；電極短半軸r2越長，各相水電阻R2越小；此種情況下，水電阻消耗的功率為：

4 水電阻改進模型的計算

由于電極之間的距離D存在一個安全距離，所以在大功率（幾百千瓦或者幾千千瓦）水電阻設計時，為減小水電阻的電阻值，提高水電阻的功率，只需要將電極采用三相互相交錯排列方式，以滿足實際的負載試驗要求。如圖3水電阻橢圓柱電極交錯排列圖，圖中A與A1橢圓柱電極接A相電流，B與B1橢圓柱電極接B相電流，C與C1橢圓柱電極接C相電流。在靜電場中A與A1橢圓柱電極相連，可認為同一導體。同理，B與B1橢圓柱電極，C與C1橢圓柱電極均為同一導體。

交錯排列時，單位高度的各相電阻計算方法，同公式 (3)，得：

電極間距D3越短，各相水電阻R3越小； 電極長半軸r1越長，各相水電阻R2越小；電極短半軸r2越長，各相水電阻R2越小；水電阻的消耗的功率為：

橢圓柱電極交錯排列時與一般排列的功率比為：

如果D2=D3=40 mm ，r1=1000 mm，r2=2.5 mm，得 K=ln1.33/ln1.01≈28.5,即在電極的安全距離都為D=D2=D3= 40 mm時，后者的功率是前者的28.5倍，可見只需要增加一組對稱的交錯三相電極，就能很明顯地提高水電阻的功率。

圖3 水電阻橢圓柱電極交錯排列圖

5 工程實例

武漢長海高新單臺發電機組水電阻負載最大容量為200 kW,由于需要測試并調整2臺1600 kW發電機組并車帶載性能參數，當時考慮了，方案一：新建水電阻池，水電阻電極及其它輔件，與原有的水電阻并聯；方案二：采取電極交錯排列方式，重新制作了6個電極，經過技術經濟比較，最終采取了方案二。水電阻池的長*寬*深：3800（mm）*3800（mm）*4000（mm），極板由10 mm厚的鋼板制成，鋼板的形狀，我們采用菱形，使負荷從零開始逐漸增加，避免負荷突變或震蕩現象的產生。極板的形狀與尺寸如圖4極板的形狀與尺寸所示。

因為極板面積比較大，所以選取電動機和減速器時，速比要選大一些，這樣在加減負荷時，功率變化比較平穩，易于操作，改水電阻齒輪箱的速比為1∶11025[3]，用擺線式三級減速齒輪箱，經實際使用，功率變化平穩，效果很好[4]。

因為電流很大、電極比較重，所以用16 mm厚的紫銅板固定電極。為防止電極的左右擺動，用鋼管焊在支架頂部。在電極支臂上焊一個套管，使電極能上下滑動。從配電板到水電阻的接線用3根3*240 mm的軟電纜，電極的接線端子用紫銅的等長雙頭螺栓。

改進后的功率最大值為P=5000 kW，計算與實際基本相符合，實際負載比改進前增加20倍，由于實際水電阻制作中，電極形狀，結構與理論設計存在較小差異，經過數據校正，數據誤差后，投入實際測量與試驗2年后，經過調整的發電機組性能較好，說明了理論與實際完全相符。

圖4 極板的形狀與尺寸

6 結束語

用交錯排列電極的方法增加水電阻的功率，是一種十分有效的技術措施，它具有簡單，可靠及投資少的特點，作者根據運行與設計經驗作了理論探討，有關方法與公式在水電阻設計與計算中，能作為設計參考，但有些需要考慮以下的因素：（1）水電阻通過電流后溫度自動升高，在水電阻負溫度特性的作用下，電阻逐步減少；（2）水電阻池的水與外界交換的水的電阻率需要保持一致。一定要經過試驗分析確認。

[1]毛鈞杰等. 電磁場理論[M]. 長沙： 國防科技大學出版,社 1998, 249-251.

[2]鄭程遙, 水電站水電阻的設計計算. 中國農村水利水電, 2003(4)： 60-61.

[3]袁繼華. 船舶電氣安裝與調試. 北京： 國防工業出版社.

[4]孫世言等. 發電機組負荷試驗用水電阻. 造船技術,2001(2).