一种组合式发电机负荷试验装置设计

王劳动

（广州华南船舶修造厂，广州 510715）

1 前言

舰船发电机组修理后需要进行负荷试验，以验证柴油机及发电机的修理质量和技术性能。负荷试验的主要设备，一般采用水负荷试验装置。以往我厂使用的盐水缸，外观粗糙、可靠性差、电极移动不均衡、速度快、难作微小的极板移动调整，极板传动装置结构单薄，安全性差。同时，由于舰船修理停泊的位置不固定，每次发电机组负荷试验都需要把盐水缸、电抗器等搬运到试验区域，拉电缆和接线工作繁琐，耗时耗工。

根据以上情况，为了提高工作效率，减轻劳动强度，适应新装备保障需求，需要设计制作1套发电机负荷试验装置整合到平板车上，方便移动和试验。本装置使用盐水缸作为有功负载，在极板间距不变的情况下，用极板升降控制极板的浸水面积来调节负载大小；同时设计两个盐水缸，以满足增压柴油发电机组负荷从0→50%及50%→100%突变试验的需要；使用电抗器来调节无功负载。

2 设计参数

（1）盐水缸水电阻

① 发电机相电阻

设发电机的功率为P，额定电流为I,额定功率因数为CosФ，其有功电流为ICosФ所需要的每相电阻R相（星级接法）可用下式表示：

由式2计算得出R约为1.5 Ω。

② 水电阻

水电阻的等值电路为三角形电路，其阻值与极板浸水面积、极板间距的关系，可用下式表示：

式中：R—电阻，（Ω）；

ρ—电解质电阻率，Ω·mm/m；

L —极板间距，m；

S —极板浸水面积，mm。

实际使用为自来水，含盐量小于0.5 g/，可查得100℃时淡水的电阻率为9.7×10Ω·mm/m，0.5%浓度盐水的电阻率为5×10Ω·mm/m，可知水的电阻率随着含盐量的增加而减小。当发电机功率在较小范围内超过本装置的设计负荷上限时，可向水中加盐来提高水的含盐量，使得水的电阻率减小，即水电阻减小。根据I=U/R、P=UI可知，负载电流随着水电阻减小而增大、负载功率也增大，从而满足试验负荷要求。

水电阻等效于发电机有功负载电阻，设定合理的极板间距，根据上述公式可求得极板的浸水总面积。

已知100 ℃时淡水的电阻率为9.7×10Ω·mm/m，极板间距L可设为0.15 m，为满足300 kW发电机负荷试验需要，计算得出极板浸水总面积S约为9.7 m（9.7×10mm）。初定放置10块极板，每块极板单面浸水面积约为0.485 m。实际极板面积应有一定的余量，同时应保证极板升降的上限位置距离盐水缸上部支架、下限位置距离盐水缸底部、极板距离盐水缸内壁均留有一定的安全距离。综上考虑，电极板外形尺寸选为：4 mm×1200 mm×600 mm（底部斜边形）。

本装置设置电极板10块，其中A相4块、B、C相各3块。A相比B、C相多一块，是为了保证每块极板间距不变，保持三相电流的平衡。极板间距为0.15 m，极板底部切成斜边形，以便负载可以从零开始逐渐增加，而不会出现小负荷突变或震荡现象。

（2）电抗器容量

三相电抗器铁芯中间的气隙越大，电抗值就越小，无功电流就越大；交流绕组圈数越少，电抗值就越小，无功电流就越大。

分别计算发电机组单机运行和双机并联运行时电抗器所需的容量，再根据其最高值来确定电抗器容量。

① 单机运行时

② 双机并联运行时

两台300 kW发电机并车时总功率P为600 kW，总额定电流I约为1 110 A；当CosФ取0.8，由CosФ+ SinФ=1计算得出SinФ为0.6，则无功电流I=IeSinФ=667 A。

查TKS三相可调电抗器技术参数，容量为500 kvar的电抗器最大无功电流为722 A，故选用电抗器额定容量为500 kvar。

3 装置组成

（1）500 kvar三相可调电抗器（1台）

电制：3相、400 V、50 Hz

额定无功功率：SinФ≥0.99

负载特性：线性电抗

负载调节方式：电动和手动

（2）300 kW水电阻装置（2个）

钢制盐水缸，钢板厚度8 mm，内衬玻璃钢绝缘，电极板采用厚度4 mm 304不锈钢板，带极板升降及控制装置。

（3）平板车（1台）

轮胎平板车，前端加装螺杆支撑架，防止负荷过重减轻轮子受力，起到安全保护作用。

（4）电气控制装置

电气控制装置可设计成两种模式：手动控制模式；PLC控制模式。实际设计时可二选一。

① 手动控制模式

该装置由开关箱、仪表控制箱等组成：

开关箱用于安装断路器与电抗器、盐水缸、发电机的接线。箱内设600 A自动空气断路器2个（分别用于向2个盐水缸水负载供电）、800 A自动空气断路器1个（用于向电抗器供电），分别可远距离遥控分、合闸及机旁分、合闸控制；

仪表控制箱能进行盐水缸、电抗器加减负载的控制，同时显示试验参数（电流、电压、功率、功率因数）。箱内设有：监视负载的数显功率表；电流表、电压表及功率因数表；电流表、电压表分别设有转换开关，检测三相负载电流及电压值；设有盐水缸和电抗器负载增、减自复位转换开关及相应指示灯、远距离遥控和就近机旁控制转换开关、盐水缸和电抗器负载供电开关的电磁合闸和分闸按钮及相应指示灯；具有负载上限位置和下限位置限位功能及开关分闸、合闸、负载增减远距离遥控功能。

② PLC控制模式

该装置由开关箱、仪表控制箱（内设PLC、人机界面）等组成：

开关箱用于安装断路器、接触器、中间继电器和电抗器、盐水缸、发电机的接线；

仪表控制箱用于安装PLC、人机界面、仪表等，能进行盐水缸、电抗器加减负载的自动控制，同时显示试验参数（电流、电压、功率、功率因数）。

其主要控制原理：通过人机界面设置发电机负荷试验需要的有功功率、极板浸水面积（浸水深度），发送到PLC；由PLC发出指令控制电动机运行，带动极板升降到需要的浸水深度位置，从而实现发电机有功负载的自动调节；同时设置需要的功率因数，得出需要的无功功率，发送到PLC；由PLC发出指令控制电动机运行，改变电抗器气隙大小，从而实现发电机无功负载的自动调节。其系统图，见图1。

图1 带PLC的组合式发电机负荷试验装置系统图

4 结束语

经过多次试验论证，本套发电机负荷试验装置能对300 kW以下、功率因数达0.4（滞后）以下的发电机组进行单机负荷试验；对2台300 kW以下、功率因数达0.8（滞后）以下的发电机组进行并联运行试验。此方案设计可实现机旁和遥控的负载调节，解决了发电机组的内场和装舰后试验的问题。

该装置为整体小车式，移动方便，接线简单，可节省安装时间；同时，其电极板采用304不锈钢为材料，耐锈蚀，可提高设备使用寿命，减少维修费用；此装置能满足船厂现有舰船和新型舰船中小型发电机组修理的试验要求。