浮體式水電阻的設計與制作

荊 超 楊銘雪 秦亞軍

（煙臺打撈局船廠 煙臺264000）

浮體式水電阻的設計與制作

荊 超 楊銘雪 秦亞軍

（煙臺打撈局船廠 煙臺264000）

文章旨在為船廠實現(xiàn)大功率設備的負荷試驗，在對比傳統(tǒng)負荷試驗設備優(yōu)缺點的基礎上，闡述了大功率負荷試驗設備的改進方法，并以煙臺打撈局船廠建造的3 600 t打撈工程船為例，給出了浮體式水電阻制作的設計方案。通過試驗證明，該方案達到了大功率設備負荷試驗的要求，并且改變了傳統(tǒng)的船舶下水后進行負荷試驗的方法，縮短了船舶下水調試周期，提高了碼頭利用率。

負荷試驗；水電阻；電抗器；負載

引 言

船舶電站是全船動力系統(tǒng)的核心，電站的運行質量直接關系到船舶的正常運轉及船舶安全，因此電站必須做到可靠、穩(wěn)定，這就決定了電力負荷試驗的重要性。目前，大多數(shù)船廠在進行負荷試驗時，仍選用水電阻作為有功負載，選用電抗器作為無功負載。

3 600 t打撈工程船是煙臺打撈局船廠建造的一艘電力推進船，該船起重機、推進系統(tǒng)、移船絞車、艏側推等大型設備均采用變頻驅動方式，因此電站容量較大，共有1 150 kW主發(fā)電機組4臺，250 kW停泊發(fā)電機組1臺，無論單機試驗或是并車運行，船廠現(xiàn)有負荷試驗設備已遠遠達不到要求。因此，為順利實現(xiàn)設備的負荷試驗，文章以3 600 t打撈工程船為例，從改進負荷試驗設備入手，探討大功率船舶電站負荷試驗的新方法。

1 負荷試驗主要設備——水電阻與電抗器

在做船舶電站負荷試驗時，水電阻是提供有功小于1 000 kW的機組，3 600 t打撈工程船最大工況時需3臺發(fā)電機組并車，總功率為1 150 kW×3 = 3 450 kW，現(xiàn)有水電阻已遠遠達不到要求，因此需要設計新型水電阻。

2 3 600 t打撈工程船負荷試驗方案設計

功率的負載，電抗器是提供無功功率的負載。兩種消耗功率的設備并聯(lián)接入發(fā)電機控制屏的母線上，提供發(fā)電機試驗時所需要的有功負荷和無功負荷。

1.1 水電阻

傳統(tǒng)水電阻是將極板浸入一個以鹽水（按所需導電率稀釋）或海水為電解質的儲液缸中，通過改變極板浸入水中的面積來改變負荷的大小。其組成部分主要是儲液缸、極板、極板升降機構以及升降機構控制系統(tǒng)。

這種水電阻的優(yōu)點是結構簡單、造價低廉、便于維護，但其缺點頗多：

（1）電解質容量有限，將使試驗大功率負載時水電阻的體積過大。

（2）電纜需從極板連接到主配電板的匯流排上，且部分電纜需隨極板上下運動。

（3）電解質導電率不易控制，實際操作中一般通過人工加鹽和淡水來調節(jié)導電率，并沒有準確的配方比。

（4）負載不穩(wěn)定，儲液缸里的電解質溫度不均衡，往往是極板浸入部分溫度很高，而極板未到達部分溫度較低。隨著電解質溫度升高，使其導電率發(fā)生變化，當極板浸入部分溫度達到100℃時，液面沸騰且有電解質飛濺，使極板接觸面積發(fā)生不規(guī)則變化，導致發(fā)電機負載不穩(wěn)定，對發(fā)電機損害較大。

1.2 電抗器

電抗器在負荷試驗時主要有以下三個作用：一是對發(fā)電機的無功功率進行交換［1］，二是防止負荷電流突變，三是模擬船舶實際工況。由于船上絕大多數(shù)負載是感性負載，功率因數(shù)一般在0.8左右；如果單純用水電阻作負載，功率因數(shù)為1，因此效用試驗時并入電抗器，可將功率因數(shù)調整至0.8，這樣更接近真實負載狀態(tài)。

1.3 船廠現(xiàn)有負荷設備情況

船廠現(xiàn)有水電阻容量較小，僅適用于總功率

2.1 浮體式水電阻構想

3 600 t打撈工程船最大工況時，3臺發(fā)電機組并車，總功率為3 450 kW，如果按照傳統(tǒng)水電阻制作，那么其體積將非常大，因此，我們將水電阻負載制成浮體式，并將浮體部分安裝于一個海水柜上，就成為一個水電阻柜，通過一個潛水泵將海水引到水電阻內，使水電阻內的海水與大海的海水進行交換，達到水電阻內海水降溫的目的，此時只需改變浸入海水的極板面積（或高度）就可以滿足大功率負荷試驗。

此浮體式水電阻主要有以下幾大優(yōu)點：

（1）以海水為電解質，通過潛水泵進行海水交換，完全能滿足3 600 t打撈工程船大功率負荷試驗。

（2）海水是相對穩(wěn)定的電解質，其導電率一致，使得極板浸入海水過程中，負荷電流變化穩(wěn)定。

（3）海水通過潛水泵循環(huán)，散熱較好，因此水溫變化不大，更不會出現(xiàn)液面沸騰飛濺現(xiàn)象，負載比較穩(wěn)定，不會對發(fā)電機造成損害。

（4）可以放在船臺上進行試驗，而不必放在海水中。

2.2 浮體式水電阻結構

與傳統(tǒng)水電阻不同，由于浮體式水電阻放置在海水柜中，因此主要有以下幾部分基本結構組成：

負載：主要由極板、極板支架組成；極板用鋼板制做，極板支架用鋼管和絕緣膠木制作。

浮體支撐機構：由浮體、支架組成；浮體可用鋼板制作。

升降機構：由水電阻支架頂端的滑輪、電動機、減速機、控制箱和遙控按鈕盒組成，電動機和減速機安裝于水電阻浮體上。

2.2.1 參數(shù)確定

3 600 t打撈工程船電站共有AC 400 V、3相、50 Hz、1 150 kW發(fā)電機4臺，根據(jù)負荷計算書，最大負荷狀態(tài)為3臺主發(fā)電機100%負荷并車運行，由此，水電阻設計功率取4 000 kW，考慮到極板面積過大及極板連接電纜重量，決定分別制作2個水電阻（結構見圖1），每個水電阻功率為2 000 kW，單機試驗時可用1個水電阻，并車試驗可同時投入2個水電阻。

水電阻的等值電路為三角形接法，其阻值與極板浸水面積、極板間距的關系式為

式中：R線為線電阻，Ω；

ρt為電解質電阻率，Ω·m2/ m；

L為極板間距，m；

S為極板浸水面積，m2。

式中：P為發(fā)電機功率，kW；

Ie為發(fā)電機額定電流，A；

cosφ = 0.8。

海水導電率ρt= 7.05×10-2Ω·m2/ m，極板與

中心的距離取0.45 m，所以極板間距為0.78 m。

得出：

得出：R線= 2.0×106/（3 609×0.8）2= 0.24Ω。

得出：

S = ρtL / R線= 7.05×104×0.78/0.24 = 22 9125 mm2= 0.229 m2，為留出余量，最終取出極板面積S為0.24 m2。

2.2.2 具體結構細節(jié)

（1）為保證增減負載時電流平穩(wěn)，水電阻極板形狀設計為菱形，極板面積為0.24 m2，采用16 mm厚鋼板制作。

（2）每個極板連接1塊紫銅板，并安裝雙頭銅螺栓，用來接線。銅板和極板支架用絕緣膠木板、螺栓連接。

（3）浮體的形狀為“工”字形，在浮體之上分別安裝2個水電阻支架，在支架頂端安裝1個起升的穿減速器鋼絲的定滑輪。

（4）在浮體上安裝減速電動機，減速器的防護等級為防水型。

圖1 水電阻結構示意圖

（5）為方便檢修，在浮體上安裝1個防水型接線箱，負載上的電纜需在此與來自匯流排的電纜對接。

2.3 浮體式水電阻安放位置

根據(jù)3 600 t打撈工程船建造情況，為了縮短水下調試時間，準備在船臺上進行發(fā)電機組負荷試驗。因此，將海水柜靠船舶側舷安裝，既節(jié)省電纜，也利于試驗觀察，并可就近進行負荷試驗所必須的操作。

2.4 浮體式水電阻控制系統(tǒng)

浮體式水電阻的控制系統(tǒng)主要通過電動機正反轉運行來改變極板浸入水中的面積，從而改變負荷大小。

2.4.1 水電阻控制箱

根據(jù)減速電動機功率設計1個控制箱，能控制電動機正反轉運行，通過減速機所帶鋼絲卷筒上的鋼絲拉動負載上下運動。為保證安全，對電動機進行多種保護設計［2］?？刂葡浒卜旁诖现骷装暹m當位置，控制箱的防護等級為防水型。

2.4.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)如圖2所示 。

2.4.3 控制原理簡介

（1）正轉：按下按鈕BP1→KM1線圈得電→KM1觸點吸合→電動機M正轉開始，同時上升指示燈HL2亮，當達到上限位開關時，SQ1斷開→電動機M停止轉動，此時，極板離開水面，負荷為0。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

（2）反轉：按下按鈕BP2→KM2線圈得電→KM2觸點吸合→電動機M反轉開始，同時下降指示燈HL3亮，當達到下限位開關時，SQ2斷開→電動機M停止轉動，此時，極板浸入水中面積最大，負荷最大。

在負荷試驗過程中，可隨時按下按鈕BP3，使負荷保持在特定數(shù)值 。

2.4.4 遙控按鈕盒

負荷試驗中，同樣可使用遙控按鈕盒來遙控電機的正反轉運行。

2.4.5 限位開關

在支架的頂端安裝1個上限位開關，當極板達到支架頂端時使減速電動機停止運行，起到保護電動機的作用。在鋼絲繩的適當位置安裝1塊銜鐵，與支架上的下限位開關接觸，達到下限位目的，從而防止連接極板的電纜在升降負載過程中產(chǎn)生過大的拉力。

2.5 浮體式水電阻電纜

2.5.1 電纜型式選擇

根據(jù)上述計算，在最大工況3臺機組并車時，水電阻

船廠現(xiàn)有負荷試驗電纜為單根1×150×10-6m2，由于單根電纜比三芯三角形排列電纜損耗大，故將其載流量留出10%的余量，為329 A，為充分利用這些電纜，可在此基礎上采購相同規(guī)格的電纜，每相需電纜11根，兩個水電阻共需66根電纜。

2.5.2 電纜連接

電纜在敷設時不能繞圈，主要原因：一是防止電流繞圈時產(chǎn)生電磁感應引起渦流效應，二是電纜在額定功率使用時是靠空氣散熱，繞圈不利于散熱。

2.6 負荷試驗主要過程

根據(jù)3 600 t打撈工程船負荷試驗大綱，負荷試驗首先需進行單臺機組試驗，然后進行并聯(lián)機組試驗，兩兩并聯(lián)、三三并聯(lián)，最大工況時為3臺機組并聯(lián)。

3 結 論

目前，3 600 t打撈工程船負荷試驗水電阻已按照該方案制成并完成負荷試驗。經(jīng)過測試，各項指標滿足負荷試驗要求。該水電阻不僅可以在船臺上進行試驗，而且可以滿足大功率負荷試驗的需要，對中小型船廠在造船技術方面的改進起到較大推進作用。

［1］ 史際昌.船舶電氣［M］.大連： 大連海事學院出版社，2005.

［2］ 王文義.船舶電站［M］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2006.

［3］ 袁繼華.船舶電氣安裝與調試［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1979.

Design and production of fl oating hydroelectric resistor

JING Chao YANG Ming-xue QIN Ya-jun
(Shipyard of Yantai Salvage Bureau, Yantai 264000, China)

In order to realize the load test for high power equipment of shipyard, the improvement method for the equipment is expounded based on the comparison with the traditional equipment. With example of Yantai wreching bureau’s 3600 t salvage craft, the design of fl oating hydroelectric resistance has been presented. The design can meet the requirement of the load test , and has changed the way that the load test has to be done after launching, which shortens the period of ship launching debug and improve the ef fi ciency of the dock.

load test; hydroelectric resistor; reactor; load

U674.3+3

A

1001-9855（2014）03-0080-05

2013-10-24 ；

2013-11-21

荊 超（1981-），男，工程師，主要從事輪機自動化研究。

楊銘雪（1986-），女，助理工程師，主要從事電氣自動化研究。

秦亞軍（1982-），女，工程師，主要從事船舶與海洋工程研究。