延长智能负载箱使用寿命

董秋苏

(中国船舶电站设备有限公司， 上海 200129)



延长智能负载箱使用寿命

董秋苏

(中国船舶电站设备有限公司， 上海 200129)

通过严控电阻管制造工艺提高电阻管的质量，通过改进设计电阻管、电抗投入运行的智能控制软件使得电阻管能得到均衡使用，达到延长负载箱整体寿命的目的并对此进行研究，进一步结合实际应用情况进行介绍。

智能干式负载箱；柴油发电机组试验设备；电阻、电抗负载；使用寿命

0 引言

国内大部分船厂和柴油发电机组成套厂家都还在使用老式的分离式水电阻负载筒、电抗器、试验台位和试验柜等设备组合(见图1)进行柴油发电机组(以下简称机组)的性能试验。设备老化、测试状态不稳定、测试精度差、试验不环保等诸多问题，易影响整个系泊试验的生产周期，长时间占用船厂码头的宝贵资源。

近几年，市场上陆续出现了新型负载试验设备——智能干式负载箱(以下简称负载箱)。这是一种将电阻负载、电抗负载、散热风机、汇流排、控制器件和测量器件集成在标准集装箱内的一体化多功能试验设备，机组测试专用，户外可方便移动运输。其终端采用电脑显示和操作，具有一定的智能性。负载箱带有先进的控制系统，采用RS 485/422串口通信方式，试验负载时通过自动测控系统能准确地检测出发电机组运行中的各种负载状态，操作者只需通过手提电脑就可以方便地实现远程操作，对机组进行突加突卸等试验，并通过稳态、瞬态试验快速测试出机组电压、频率的调整率、波动率、恢复时间等关键参数、曲线，并能将测试结果进行打印，实现机组测试的智能化、数字化。负载箱具有负载稳定性佳、测试精度高等特点，而且标准集装箱型的负载箱方便交通运输和船厂码头吊装。负载箱各项测试、保护、人机友好界面等功能不断完善，已在市场上得到用户的普遍欢迎。

在其长期运行跟踪过程中发现，无论是国外还是国内的负载箱，普遍存在电阻管由于连续使用时间长、使用频率高，易造成损坏现象，从而影响负载箱的整体使用寿命。电阻管损坏的主要原因取决于电阻管自身质量、整个负载箱的散热效果。

电阻管作为负载使用，消耗电能转换为热能、加热电阻及空气，如散热效果不佳，会加速电阻老化。负载箱的整个散热系统特别重要，要求进出风道通畅，散热均匀，有效排除热量，使电阻管的温度稳定并维持在允许工作范围内。

本文主要就如何在散热情况满足要求的前提下，通过提高电阻管制造工艺确保电阻管本身质量，通过智能控制软件来控制电阻管的均衡投入使用，并结合实际应用，延长负载箱整体寿命。

图1 老式电站系统试验设备——电抗器、接线电箱、水电阻负载筒等设备组合

1 负载箱电站系统试验运行情况

负载箱是船厂系泊试验中最重要的试验设备之一，也是柴油发电机组性能测试必不可少的设备，在船厂系泊试验过程中使用率非常高(见图2)。根据GB/T 13032-2010《船用柴油发电机组》、GJB 1988-1994 《舰船用柴油发电机组及控制系统通用规范》、GJB 3549-1999《水面舰艇动力系统陆上联调试验规程》要求，进行柴油发电机组试验、电站系统陆上联调、船厂码头系泊试验时，需进行机组调速特性试验(包括测试稳态调速率、转速波动率、瞬态调速率、机组空载电压整定、负载试验)、机组调压特性试验(包括稳态电压调整率、机组瞬态电压性能、电压波动率)以及机组并联运行试验等，完成整个电站系统试验预计需每天连续试验10多个小时，连续试验15～30天，其间整个负载箱将长时间连续运行。

图2 电站系统试验新式设备——负载箱系统图

负载箱是一种将电阻负载和电抗负载一体化，专为船用发电机组试验用的户外可移动型智能多功能负载装置。采用计算机智能控制技术和强力风冷技术，将试验的发电机组所发出的电能通过电阻、电抗负载转换成热能，再通过箱内散热风机将热风通过散热口排出。对负载箱的各种创新设计解决了超大负载运行的安全性、准确性、可靠性及耐用性等方面的问题，使试验负载箱具有质量可靠、数据准确、结构紧凑，以及防水、防腐蚀、移动方便、免维护等优点，充分满足了供电设备对试验负载的要求。

2 负载箱电阻管损坏原因分析

负载箱故障原因大部分是由于电阻管损坏造成的，电阻管损坏后会造成三相负载不平衡度超差，影响电站系统试验；而烧断电阻丝是大部分电阻管损坏的原因，电阻丝搭碰到外壳上造成相间短路等是另一部分造成电阻管损坏的原因。图3为已损坏的电阻管。

图3 已损坏的电阻管

2.1 电阻管制造质量

2.1.1 电阻管组成及结构特点

电阻管的基本组成部分：发热丝(电阻丝)，金属外保护(不锈钢管)，引出棒，绝缘介质(氧化镁)，其他组件(如安装支架、封口材料、接线端子等)。如图4所示。

图4 电阻管结构

发热丝是电阻管的发热体，可将电能转化为热能。金属外保护管起防腐蚀、防敲击、防潮和散热作用。引出棒连接电源线，作为不发热部分留在加热管内。氧化镁粉的作用是：固定电阻丝的中心位置，保证金属外壳不带电(绝缘)，将电阻丝发出的热传导出去。氧化镁粉采用中温氧化镁，耐温800 ℃。通过缩管工艺压实填充物。封口材料使绝缘填充料(氧化镁)不易吸收环境中的水汽，确保电阻管有良好的电气绝缘性能。封口材料加工成型后，通过高温排潮去除内部水汽，最后管口再封口。严格按照制造加强电阻管工艺执行，以确保电阻管的质量。外保护管和引出棒均采用不锈钢材料。

2.1.2 电阻管制造质量控制

电阻管制造除关注外观形状、尺寸、结构、功率偏差，还需关注冷态、热态电气性能，发热的均匀性，需特别关注电阻管耐压以及绝缘问题。

(1) 耐压问题。测试耐压：在规定的试验条件下(如温度、湿度；设定的击穿电压、电流等)，不造成击穿的电压有效值。从填粉后开始测量至封口前应满足2 300 V、0.5 mA、1 s不击穿为合格；封口后至成品出库应满足2 000 V，0.5 mA，1 s不击穿为合格；国标民用要求为1 500 V，5 mA，1 s不击穿为合格。影响耐压的主要因素：不锈钢管内有水、油污、锈蚀、肉瘤毛刺等；钢管下料时管口有毛刺或有铁屑进入管内；钢管弯曲变形；发热丝清洗后未烘干；发热丝端头有翘头现象；引出棒弯曲；胶料偏心；氧化镁粉中有导电杂质；填粉机中端头磨损过于严重，导致偏心；导管上升速度过快，造成填粉密度过低；安装上端胶料时将引出棒压弯、压偏；填粉机振荡幅度过大，导致发热丝偏心；填粉操作工艺卫生差；氧化镁粉受潮；脱皮时管口产生内毛刺；封口材料不合格；封口操作时工艺卫生差；未封口产品露天放置时间过长导致吸潮；产品排潮时间不够；封口不严实导致浸水试验时管口进水；等。

(2) 绝缘问题。测试绝缘：从封口后开始对产品的绝缘性能进行测量，在交流500 V电压下，绝缘电阻应大于1 000 MΩ。影响绝缘不合格的因素：氧化镁粉中存在高温易分解物质；封口材料本身绝缘不良；封口工艺卫生差；封口受潮；封口不严导致浸水试验进水。性能要求：在工作温度，具有较高的导热性能，能迅速地把热量传递到外管表面，使电阻丝与管壁的温度接近；工作温度在1 100 ℃之内，应具有较好的绝缘性能；必须具有颗粒度，形状为圆形；在常温或高温下电热丝材料和管材应无腐蚀现象。

通常情况下，电阻管的金属外管不带电，且结构简单、用料省、成本低、使用寿命长、机械强度高、热效率高、使用安全，可以弯成各种形状，拆装方便。但如果电阻丝过热可能破坏绝缘，会造成电阻丝烧断。烧断的电阻丝可能触碰金属外管，电阻丝碰壳构成短路回路致使不同相的电阻管发生绝缘故障。因此，在负载箱使用前有必要检查负载的绝缘情况，并做好定期维护保养，避免发生短路情况。

目前，国内外制造的负载箱所选用的电阻管电阻丝均采用Ni80Cr20材料，填充料采用氧化镁，钢管和钢带采用SUS304材料，引出棒采用不锈钢，其优点是于高温环境中强度高，长期高温运行不易变形，不易改变结构，常温下塑性好，变形后修复方便，辐射率高、不带磁性、耐酸碱、耐盐雾、使用寿命长，配合适当的动力冷却风扇，可长期连续使用。

2.2 电阻管在负载箱内的安装位置

出于对使用负载箱时的安全性考虑，为了取得更好的散热效果，延长负载箱使用寿命，电阻管安装于集装箱的下部、中部，逐步过渡到上部，这样更有利于散热和安全使用。

但由于负载箱是集装箱型式，整体空间有限。随着近几年船舶吨位的增长，船用发电机组的功率也越来越大，负载箱也相应增大了功率。为提高负载箱的发电机组负载试验功率，负载箱的内部结构设计十分紧凑，有部分厂家的负载箱没有维修通道，有部分厂家留有维修通道但相对较窄，导致现场维修难度高。负载箱内部结构布置如图5所示。

图5 负载箱内部结构布置

电阻管在排列安装时，相互之间的间距，既要考虑到整体负载箱的功率提升要求，又需考虑电阻管的散热要求，如图6所示。通过检查分析、研究、测试，大多数负载箱由于电阻管的损坏而进厂维修：既有分布不规则的电阻管损坏，主要是电阻管本身的质量原因；也有部分损坏的电阻管则有规律可循，分布比较集中，主要集中在投入工作顺序靠前的几组电阻管。

图6 电阻管的排列

3 电阻组、电抗的智能投入使用

尽管采取了改进电阻管制造工艺、提高电阻管本身质量、合理排列电阻管等措施，尽最大可能提高负载箱的散热效果，但毕竟整个负载箱的整体空间有限，大热量长时间集聚在箱内的电阻腔室内，势必会加速电阻管老化，影响电阻管的寿命。在实际使用过程中，电阻、电抗的损坏较多，主要是因为在加载中，预先设定电阻、电抗的投入顺序，易造成排序靠前的电阻、电抗始终被频繁投入使用致使排列靠前的电阻、电抗最先出现老化和损坏现象。

负载箱的特点是负载调节时，可根据要求设置连续调节，也可阶跃式一次调节到位。阶跃式调节可使负载调节的时间大幅缩短，负载分离元件数量减少，实现负载试验过程的自动化。干式电阻和电抗负载按特定方式编码，计算机则根据每次所需加载量的大小自动计算和产生对应的控制指令，指令通过接口发送到可编程控制器(Programmable Logic Controller, PLC)，再由PLC驱动对应的负载达到同步加载的目的。

为使电阻管、电抗能均匀使用，防止投入使用顺序靠前的电阻管、电抗因过度使用造成提前老化、三相不平衡等影响到整个负载箱的使用寿命，负载箱的每一次加载，在控制软件设计上采用电阻管、电抗随机加载的模式，即从空载开始进行加载电阻管、电抗的随机投入运行，而不是采用固定的投入使用顺序。电阻管、电抗的随机选择性投入运行，由于投入机会的均衡，使所有电阻管、电抗均衡运行，延长电阻管、电抗的寿命，从而延长了负载箱整体使用寿命。

3.1 采用随机方式，智能投入电阻管、电抗

电阻管组成有功功率，采用1，2，2，4；10，20，20，40；100，200，200，400等的级数组成，每一组乘上一个最小功率，就是每一组的总功率，这样就能得出所有电阻组的功率。所有电阻组的功率和就是总功率。

为使大功率电阻管能均匀使用，防止前排电阻管因过度使用造成加快老化、三相不平衡等影响到整个负载箱的使用寿命，本文介绍的负载箱在软件设计上采用大功率电阻管随机加载的模式，即从空载进行加载投入时，首先预置好电阻管的实际组数(本文设定为17组)，再通过使用读取系统内部时钟秒数每17 s为一个循环周期，用来判断大功率电阻管组的加载顺序。

控制流程图如图7所示。

图7 控制流程图

3.2 改进前后可靠性比较

系统的可靠性是指它从开始运行(t=0)到某时刻t这段时间内能正常运行的概率，用R(t)表示；所谓失效率是指单位时间内失效的元件数与元件总数的比例，以λ表示，当λ为常数时，可靠性与失效率的关系为：R(t)=e-λu；两次故障之间系统能够正常工作时间的平均值称为平均故障时间tMTBF。

负载箱电阻管模块采用并联连接方式，系统的可靠性可以采用并联系统可靠性计算模型来计算。并联系统就是组成大型电阻管模块内的并联电阻单元都失效时才失效的系统。它的可靠性数学模型为

式中：λs为产品的失效率；Rs(t)为产品的可靠度；Ri(t)为单元的可靠度；n为产品所包含的单元数。

改进前可靠性计算：

假设单个电阻管的故障时间约为3 000h。

失效率λ1= 1.96×10-5

可靠性R(t1)=e-λ1t=0.942 9

改进后可靠性计算：

[][]

失效率λ2= 1.15×10-6

可靠性R(t1)=e-λ1t=0.996 6

综上所述，改进后整个系统的可靠性得到了显著提高，平均故障时间间隔也得到大幅的延长，整个系统的使用寿命得到提高，系统的改进是有成效的。

4 结语

经过长期对负载箱研发设计及使用情况的跟踪，在满足负载箱大容量的前提下，通过对电阻管制造工艺研究，来提高电阻管本身制造质量；通过电阻管、电抗随机投入运行的智能控制软件的设计，电阻管、电抗的寿命得到均衡使用，较好地解决了部分前置投入运行的电阻管、电抗加速老化的问题，有效提高其可靠性，延长负载箱的整体寿命。

因为负载箱的测控系统采用先进的设计理念和数字化网络控制技术，上、下位机以及扩充负载之间均采用网线连接方式，人机友好型的负载试验模式很受操作人员的欢迎，且负载箱测试功能更全、精度更高，船东往往会指定船厂采用智能干式负载试验技术。随着船舶的大型化，船上发电机组的容量随之增大，目前船厂的负载箱储备量无法满足需求，智能干式负载箱能够助力船厂码头船舶电站系统试验智能化的要求，更新老设备、增加新设备将成为新趋势。

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. 船用柴油发电机组: GB/T 13032-2010[S].北京：中国标准出版社，2010.

[2] 国防科学技术工业委员会.舰船用柴油发电机组及控制系统通用规范:GJB 1988-1994 [S].1994.

[3] 中国人民解放军总装备部.水面舰艇动力系统陆上联调试验规程：GJB 3549-1999[S].1999.

HeatDissipationofIntelligentDry-TypeLoadBank

DONGQiusu

(ChinaShipPowerStationCo.,Ltd.,Shanghai200129,China)

The quality of the resistance tube is improved by strictly controlling the manufacturing process of the resistor tube. By improving the design of intelligent control software for the resistor tube and reactance in operation, the resistance tube can be used in a balanced way to prolong the whole service life of the load box. Further practical applications are introduced combined with the application.

intelligent dry-type load bank; genset test equipment; resistance and reactor load; service life

董秋苏(1964-)，女，高级工程师，从事船舶设备制造技术研究

1000-3878(2017)03-0067-05

U

A