浮体式水电阻的设计与制作

荆 超 杨铭雪 秦亚军

（烟台打捞局船厂 烟台264000）

浮体式水电阻的设计与制作

荆 超 杨铭雪 秦亚军

（烟台打捞局船厂 烟台264000）

文章旨在为船厂实现大功率设备的负荷试验，在对比传统负荷试验设备优缺点的基础上，阐述了大功率负荷试验设备的改进方法，并以烟台打捞局船厂建造的3 600 t打捞工程船为例，给出了浮体式水电阻制作的设计方案。通过试验证明，该方案达到了大功率设备负荷试验的要求，并且改变了传统的船舶下水后进行负荷试验的方法，缩短了船舶下水调试周期，提高了码头利用率。

负荷试验；水电阻；电抗器；负载

引 言

船舶电站是全船动力系统的核心，电站的运行质量直接关系到船舶的正常运转及船舶安全，因此电站必须做到可靠、稳定，这就决定了电力负荷试验的重要性。目前，大多数船厂在进行负荷试验时，仍选用水电阻作为有功负载，选用电抗器作为无功负载。

3 600 t打捞工程船是烟台打捞局船厂建造的一艘电力推进船，该船起重机、推进系统、移船绞车、艏侧推等大型设备均采用变频驱动方式，因此电站容量较大，共有1 150 kW主发电机组4台，250 kW停泊发电机组1台，无论单机试验或是并车运行，船厂现有负荷试验设备已远远达不到要求。因此，为顺利实现设备的负荷试验，文章以3 600 t打捞工程船为例，从改进负荷试验设备入手，探讨大功率船舶电站负荷试验的新方法。

1 负荷试验主要设备——水电阻与电抗器

在做船舶电站负荷试验时，水电阻是提供有功小于1 000 kW的机组，3 600 t打捞工程船最大工况时需3台发电机组并车，总功率为1 150 kW×3 = 3 450 kW，现有水电阻已远远达不到要求，因此需要设计新型水电阻。

2 3 600 t打捞工程船负荷试验方案设计

功率的负载，电抗器是提供无功功率的负载。两种消耗功率的设备并联接入发电机控制屏的母线上，提供发电机试验时所需要的有功负荷和无功负荷。

1.1 水电阻

传统水电阻是将极板浸入一个以盐水（按所需导电率稀释）或海水为电解质的储液缸中，通过改变极板浸入水中的面积来改变负荷的大小。其组成部分主要是储液缸、极板、极板升降机构以及升降机构控制系统。

这种水电阻的优点是结构简单、造价低廉、便于维护，但其缺点颇多：

（1）电解质容量有限，将使试验大功率负载时水电阻的体积过大。

（2）电缆需从极板连接到主配电板的汇流排上，且部分电缆需随极板上下运动。

（3）电解质导电率不易控制，实际操作中一般通过人工加盐和淡水来调节导电率，并没有准确的配方比。

（4）负载不稳定，储液缸里的电解质温度不均衡，往往是极板浸入部分温度很高，而极板未到达部分温度较低。随着电解质温度升高，使其导电率发生变化，当极板浸入部分温度达到100℃时，液面沸腾且有电解质飞溅，使极板接触面积发生不规则变化，导致发电机负载不稳定，对发电机损害较大。

1.2 电抗器

电抗器在负荷试验时主要有以下三个作用：一是对发电机的无功功率进行交换［1］，二是防止负荷电流突变，三是模拟船舶实际工况。由于船上绝大多数负载是感性负载，功率因数一般在0.8左右；如果单纯用水电阻作负载，功率因数为1，因此效用试验时并入电抗器，可将功率因数调整至0.8，这样更接近真实负载状态。

1.3 船厂现有负荷设备情况

船厂现有水电阻容量较小，仅适用于总功率

2.1 浮体式水电阻构想

3 600 t打捞工程船最大工况时，3台发电机组并车，总功率为3 450 kW，如果按照传统水电阻制作，那么其体积将非常大，因此，我们将水电阻负载制成浮体式，并将浮体部分安装于一个海水柜上，就成为一个水电阻柜，通过一个潜水泵将海水引到水电阻内，使水电阻内的海水与大海的海水进行交换，达到水电阻内海水降温的目的，此时只需改变浸入海水的极板面积（或高度）就可以满足大功率负荷试验。

此浮体式水电阻主要有以下几大优点：

（1）以海水为电解质，通过潜水泵进行海水交换，完全能满足3 600 t打捞工程船大功率负荷试验。

（2）海水是相对稳定的电解质，其导电率一致，使得极板浸入海水过程中，负荷电流变化稳定。

（3）海水通过潜水泵循环，散热较好，因此水温变化不大，更不会出现液面沸腾飞溅现象，负载比较稳定，不会对发电机造成损害。

（4）可以放在船台上进行试验，而不必放在海水中。

2.2 浮体式水电阻结构

与传统水电阻不同，由于浮体式水电阻放置在海水柜中，因此主要有以下几部分基本结构组成：

负载：主要由极板、极板支架组成；极板用钢板制做，极板支架用钢管和绝缘胶木制作。

浮体支撑机构：由浮体、支架组成；浮体可用钢板制作。

升降机构：由水电阻支架顶端的滑轮、电动机、减速机、控制箱和遥控按钮盒组成，电动机和减速机安装于水电阻浮体上。

2.2.1 参数确定

3 600 t打捞工程船电站共有AC 400 V、3相、50 Hz、1 150 kW发电机4台，根据负荷计算书，最大负荷状态为3台主发电机100%负荷并车运行，由此，水电阻设计功率取4 000 kW，考虑到极板面积过大及极板连接电缆重量，决定分别制作2个水电阻（结构见图1），每个水电阻功率为2 000 kW，单机试验时可用1个水电阻，并车试验可同时投入2个水电阻。

水电阻的等值电路为三角形接法，其阻值与极板浸水面积、极板间距的关系式为

式中：R线为线电阻，Ω；

ρt为电解质电阻率，Ω·m2/ m；

L为极板间距，m；

S为极板浸水面积，m2。

式中：P为发电机功率，kW；

Ie为发电机额定电流，A；

cosφ = 0.8。

海水导电率ρt= 7.05×10-2Ω·m2/ m，极板与

中心的距离取0.45 m，所以极板间距为0.78 m。

得出：

得出：R线= 2.0×106/（3 609×0.8）2= 0.24Ω。

得出：

S = ρtL / R线= 7.05×104×0.78/0.24 = 22 9125 mm2= 0.229 m2，为留出余量，最终取出极板面积S为0.24 m2。

2.2.2 具体结构细节

（1）为保证增减负载时电流平稳，水电阻极板形状设计为菱形，极板面积为0.24 m2，采用16 mm厚钢板制作。

（2）每个极板连接1块紫铜板，并安装双头铜螺栓，用来接线。铜板和极板支架用绝缘胶木板、螺栓连接。

（3）浮体的形状为“工”字形，在浮体之上分别安装2个水电阻支架，在支架顶端安装1个起升的穿减速器钢丝的定滑轮。

（4）在浮体上安装减速电动机，减速器的防护等级为防水型。

图1 水电阻结构示意图

（5）为方便检修，在浮体上安装1个防水型接线箱，负载上的电缆需在此与来自汇流排的电缆对接。

2.3 浮体式水电阻安放位置

根据3 600 t打捞工程船建造情况，为了缩短水下调试时间，准备在船台上进行发电机组负荷试验。因此，将海水柜靠船舶侧舷安装，既节省电缆，也利于试验观察，并可就近进行负荷试验所必须的操作。

2.4 浮体式水电阻控制系统

浮体式水电阻的控制系统主要通过电动机正反转运行来改变极板浸入水中的面积，从而改变负荷大小。

2.4.1 水电阻控制箱

根据减速电动机功率设计1个控制箱，能控制电动机正反转运行，通过减速机所带钢丝卷筒上的钢丝拉动负载上下运动。为保证安全，对电动机进行多种保护设计［2］。控制箱安放在船上主甲板适当位置，控制箱的防护等级为防水型。

2.4.2 控制系统

控制系统如图2所示 。

2.4.3 控制原理简介

（1）正转：按下按钮BP1→KM1线圈得电→KM1触点吸合→电动机M正转开始，同时上升指示灯HL2亮，当达到上限位开关时，SQ1断开→电动机M停止转动，此时，极板离开水面，负荷为0。

图2 控制系统原理图

（2）反转：按下按钮BP2→KM2线圈得电→KM2触点吸合→电动机M反转开始，同时下降指示灯HL3亮，当达到下限位开关时，SQ2断开→电动机M停止转动，此时，极板浸入水中面积最大，负荷最大。

在负荷试验过程中，可随时按下按钮BP3，使负荷保持在特定数值 。

2.4.4 遥控按钮盒

负荷试验中，同样可使用遥控按钮盒来遥控电机的正反转运行。

2.4.5 限位开关

在支架的顶端安装1个上限位开关，当极板达到支架顶端时使减速电动机停止运行，起到保护电动机的作用。在钢丝绳的适当位置安装1块衔铁，与支架上的下限位开关接触，达到下限位目的，从而防止连接极板的电缆在升降负载过程中产生过大的拉力。

2.5 浮体式水电阻电缆

2.5.1 电缆型式选择

根据上述计算，在最大工况3台机组并车时，水电阻

船厂现有负荷试验电缆为单根1×150×10-6m2，由于单根电缆比三芯三角形排列电缆损耗大，故将其载流量留出10%的余量，为329 A，为充分利用这些电缆，可在此基础上采购相同规格的电缆，每相需电缆11根，两个水电阻共需66根电缆。

2.5.2 电缆连接

电缆在敷设时不能绕圈，主要原因：一是防止电流绕圈时产生电磁感应引起涡流效应，二是电缆在额定功率使用时是靠空气散热，绕圈不利于散热。

2.6 负荷试验主要过程

根据3 600 t打捞工程船负荷试验大纲，负荷试验首先需进行单台机组试验，然后进行并联机组试验，两两并联、三三并联，最大工况时为3台机组并联。

3 结 论

目前，3 600 t打捞工程船负荷试验水电阻已按照该方案制成并完成负荷试验。经过测试，各项指标满足负荷试验要求。该水电阻不仅可以在船台上进行试验，而且可以满足大功率负荷试验的需要，对中小型船厂在造船技术方面的改进起到较大推进作用。

［1］ 史际昌.船舶电气［M］.大连： 大连海事学院出版社，2005.

［2］ 王文义.船舶电站［M］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006.

［3］ 袁继华.船舶电气安装与调试［M］.北京：国防工业出版社，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

荆 超（1981-），男，工程师，主要从事轮机自动化研究。

杨铭雪（1986-），女，助理工程师，主要从事电气自动化研究。

秦亚军（1982-），女，工程师，主要从事船舶与海洋工程研究。