董秋蘇

(中國船舶電站設(shè)備有限公司， 上海 200129)

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延長智能負載箱使用壽命

董秋蘇

(中國船舶電站設(shè)備有限公司， 上海 200129)

通過嚴控電阻管制造工藝提高電阻管的質(zhì)量，通過改進設(shè)計電阻管、電抗投入運行的智能控制軟件使得電阻管能得到均衡使用，達到延長負載箱整體壽命的目的并對此進行研究，進一步結(jié)合實際應(yīng)用情況進行介紹。

智能干式負載箱；柴油發(fā)電機組試驗設(shè)備；電阻、電抗負載；使用壽命

0 引言

國內(nèi)大部分船廠和柴油發(fā)電機組成套廠家都還在使用老式的分離式水電阻負載筒、電抗器、試驗臺位和試驗柜等設(shè)備組合(見圖1)進行柴油發(fā)電機組(以下簡稱機組)的性能試驗。設(shè)備老化、測試狀態(tài)不穩(wěn)定、測試精度差、試驗不環(huán)保等諸多問題，易影響整個系泊試驗的生產(chǎn)周期，長時間占用船廠碼頭的寶貴資源。

近幾年，市場上陸續(xù)出現(xiàn)了新型負載試驗設(shè)備——智能干式負載箱(以下簡稱負載箱)。這是一種將電阻負載、電抗負載、散熱風機、匯流排、控制器件和測量器件集成在標準集裝箱內(nèi)的一體化多功能試驗設(shè)備，機組測試專用，戶外可方便移動運輸。其終端采用電腦顯示和操作，具有一定的智能性。負載箱帶有先進的控制系統(tǒng)，采用RS 485/422串口通信方式，試驗負載時通過自動測控系統(tǒng)能準確地檢測出發(fā)電機組運行中的各種負載狀態(tài)，操作者只需通過手提電腦就可以方便地實現(xiàn)遠程操作，對機組進行突加突卸等試驗，并通過穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)試驗快速測試出機組電壓、頻率的調(diào)整率、波動率、恢復(fù)時間等關(guān)鍵參數(shù)、曲線，并能將測試結(jié)果進行打印，實現(xiàn)機組測試的智能化、數(shù)字化。負載箱具有負載穩(wěn)定性佳、測試精度高等特點，而且標準集裝箱型的負載箱方便交通運輸和船廠碼頭吊裝。負載箱各項測試、保護、人機友好界面等功能不斷完善，已在市場上得到用戶的普遍歡迎。

在其長期運行跟蹤過程中發(fā)現(xiàn)，無論是國外還是國內(nèi)的負載箱，普遍存在電阻管由于連續(xù)使用時間長、使用頻率高，易造成損壞現(xiàn)象，從而影響負載箱的整體使用壽命。電阻管損壞的主要原因取決于電阻管自身質(zhì)量、整個負載箱的散熱效果。

電阻管作為負載使用，消耗電能轉(zhuǎn)換為熱能、加熱電阻及空氣，如散熱效果不佳，會加速電阻老化。負載箱的整個散熱系統(tǒng)特別重要，要求進出風道通暢，散熱均勻，有效排除熱量，使電阻管的溫度穩(wěn)定并維持在允許工作范圍內(nèi)。

本文主要就如何在散熱情況滿足要求的前提下，通過提高電阻管制造工藝確保電阻管本身質(zhì)量，通過智能控制軟件來控制電阻管的均衡投入使用，并結(jié)合實際應(yīng)用，延長負載箱整體壽命。

圖1 老式電站系統(tǒng)試驗設(shè)備——電抗器、接線電箱、水電阻負載筒等設(shè)備組合

1 負載箱電站系統(tǒng)試驗運行情況

負載箱是船廠系泊試驗中最重要的試驗設(shè)備之一，也是柴油發(fā)電機組性能測試必不可少的設(shè)備，在船廠系泊試驗過程中使用率非常高(見圖2)。根據(jù)GB/T 13032-2010《船用柴油發(fā)電機組》、GJB 1988-1994 《艦船用柴油發(fā)電機組及控制系統(tǒng)通用規(guī)范》、GJB 3549-1999《水面艦艇動力系統(tǒng)陸上聯(lián)調(diào)試驗規(guī)程》要求，進行柴油發(fā)電機組試驗、電站系統(tǒng)陸上聯(lián)調(diào)、船廠碼頭系泊試驗時，需進行機組調(diào)速特性試驗(包括測試穩(wěn)態(tài)調(diào)速率、轉(zhuǎn)速波動率、瞬態(tài)調(diào)速率、機組空載電壓整定、負載試驗)、機組調(diào)壓特性試驗(包括穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率、機組瞬態(tài)電壓性能、電壓波動率)以及機組并聯(lián)運行試驗等，完成整個電站系統(tǒng)試驗預(yù)計需每天連續(xù)試驗10多個小時，連續(xù)試驗15～30天，其間整個負載箱將長時間連續(xù)運行。

圖2 電站系統(tǒng)試驗新式設(shè)備——負載箱系統(tǒng)圖

負載箱是一種將電阻負載和電抗負載一體化，專為船用發(fā)電機組試驗用的戶外可移動型智能多功能負載裝置。采用計算機智能控制技術(shù)和強力風冷技術(shù)，將試驗的發(fā)電機組所發(fā)出的電能通過電阻、電抗負載轉(zhuǎn)換成熱能，再通過箱內(nèi)散熱風機將熱風通過散熱口排出。對負載箱的各種創(chuàng)新設(shè)計解決了超大負載運行的安全性、準確性、可靠性及耐用性等方面的問題，使試驗負載箱具有質(zhì)量可靠、數(shù)據(jù)準確、結(jié)構(gòu)緊湊，以及防水、防腐蝕、移動方便、免維護等優(yōu)點，充分滿足了供電設(shè)備對試驗負載的要求。

2 負載箱電阻管損壞原因分析

負載箱故障原因大部分是由于電阻管損壞造成的，電阻管損壞后會造成三相負載不平衡度超差，影響電站系統(tǒng)試驗；而燒斷電阻絲是大部分電阻管損壞的原因，電阻絲搭碰到外殼上造成相間短路等是另一部分造成電阻管損壞的原因。圖3為已損壞的電阻管。

圖3 已損壞的電阻管

2.1 電阻管制造質(zhì)量

2.1.1 電阻管組成及結(jié)構(gòu)特點

電阻管的基本組成部分：發(fā)熱絲(電阻絲)，金屬外保護(不銹鋼管)，引出棒，絕緣介質(zhì)(氧化鎂)，其他組件(如安裝支架、封口材料、接線端子等)。如圖4所示。

圖4 電阻管結(jié)構(gòu)

發(fā)熱絲是電阻管的發(fā)熱體，可將電能轉(zhuǎn)化為熱能。金屬外保護管起防腐蝕、防敲擊、防潮和散熱作用。引出棒連接電源線，作為不發(fā)熱部分留在加熱管內(nèi)。氧化鎂粉的作用是：固定電阻絲的中心位置，保證金屬外殼不帶電(絕緣)，將電阻絲發(fā)出的熱傳導(dǎo)出去。氧化鎂粉采用中溫氧化鎂，耐溫800 ℃。通過縮管工藝壓實填充物。封口材料使絕緣填充料(氧化鎂)不易吸收環(huán)境中的水汽，確保電阻管有良好的電氣絕緣性能。封口材料加工成型后，通過高溫排潮去除內(nèi)部水汽，最后管口再封口。嚴格按照制造加強電阻管工藝執(zhí)行，以確保電阻管的質(zhì)量。外保護管和引出棒均采用不銹鋼材料。

2.1.2 電阻管制造質(zhì)量控制

電阻管制造除關(guān)注外觀形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)、功率偏差，還需關(guān)注冷態(tài)、熱態(tài)電氣性能，發(fā)熱的均勻性，需特別關(guān)注電阻管耐壓以及絕緣問題。

(1) 耐壓問題。測試耐壓：在規(guī)定的試驗條件下(如溫度、濕度；設(shè)定的擊穿電壓、電流等)，不造成擊穿的電壓有效值。從填粉后開始測量至封口前應(yīng)滿足2 300 V、0.5 mA、1 s不擊穿為合格；封口后至成品出庫應(yīng)滿足2 000 V，0.5 mA，1 s不擊穿為合格；國標民用要求為1 500 V，5 mA，1 s不擊穿為合格。影響耐壓的主要因素：不銹鋼管內(nèi)有水、油污、銹蝕、肉瘤毛刺等；鋼管下料時管口有毛刺或有鐵屑進入管內(nèi)；鋼管彎曲變形；發(fā)熱絲清洗后未烘干；發(fā)熱絲端頭有翹頭現(xiàn)象；引出棒彎曲；膠料偏心；氧化鎂粉中有導(dǎo)電雜質(zhì)；填粉機中端頭磨損過于嚴重，導(dǎo)致偏心；導(dǎo)管上升速度過快，造成填粉密度過低；安裝上端膠料時將引出棒壓彎、壓偏；填粉機振蕩幅度過大，導(dǎo)致發(fā)熱絲偏心；填粉操作工藝衛(wèi)生差；氧化鎂粉受潮；脫皮時管口產(chǎn)生內(nèi)毛刺；封口材料不合格；封口操作時工藝衛(wèi)生差；未封口產(chǎn)品露天放置時間過長導(dǎo)致吸潮；產(chǎn)品排潮時間不夠；封口不嚴實導(dǎo)致浸水試驗時管口進水；等。

(2) 絕緣問題。測試絕緣：從封口后開始對產(chǎn)品的絕緣性能進行測量，在交流500 V電壓下，絕緣電阻應(yīng)大于1 000 MΩ。影響絕緣不合格的因素：氧化鎂粉中存在高溫易分解物質(zhì)；封口材料本身絕緣不良；封口工藝衛(wèi)生差；封口受潮；封口不嚴導(dǎo)致浸水試驗進水。性能要求：在工作溫度，具有較高的導(dǎo)熱性能，能迅速地把熱量傳遞到外管表面，使電阻絲與管壁的溫度接近；工作溫度在1 100 ℃之內(nèi)，應(yīng)具有較好的絕緣性能；必須具有顆粒度，形狀為圓形；在常溫或高溫下電熱絲材料和管材應(yīng)無腐蝕現(xiàn)象。

通常情況下，電阻管的金屬外管不帶電，且結(jié)構(gòu)簡單、用料省、成本低、使用壽命長、機械強度高、熱效率高、使用安全，可以彎成各種形狀，拆裝方便。但如果電阻絲過熱可能破壞絕緣，會造成電阻絲燒斷。燒斷的電阻絲可能觸碰金屬外管，電阻絲碰殼構(gòu)成短路回路致使不同相的電阻管發(fā)生絕緣故障。因此，在負載箱使用前有必要檢查負載的絕緣情況，并做好定期維護保養(yǎng)，避免發(fā)生短路情況。

目前，國內(nèi)外制造的負載箱所選用的電阻管電阻絲均采用Ni80Cr20材料，填充料采用氧化鎂，鋼管和鋼帶采用SUS304材料，引出棒采用不銹鋼，其優(yōu)點是于高溫環(huán)境中強度高，長期高溫運行不易變形，不易改變結(jié)構(gòu)，常溫下塑性好，變形后修復(fù)方便，輻射率高、不帶磁性、耐酸堿、耐鹽霧、使用壽命長，配合適當?shù)膭恿鋮s風扇，可長期連續(xù)使用。

2.2 電阻管在負載箱內(nèi)的安裝位置

出于對使用負載箱時的安全性考慮，為了取得更好的散熱效果，延長負載箱使用壽命，電阻管安裝于集裝箱的下部、中部，逐步過渡到上部，這樣更有利于散熱和安全使用。

但由于負載箱是集裝箱型式，整體空間有限。隨著近幾年船舶噸位的增長，船用發(fā)電機組的功率也越來越大，負載箱也相應(yīng)增大了功率。為提高負載箱的發(fā)電機組負載試驗功率，負載箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計十分緊湊，有部分廠家的負載箱沒有維修通道，有部分廠家留有維修通道但相對較窄，導(dǎo)致現(xiàn)場維修難度高。負載箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置如圖5所示。

圖5 負載箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置

電阻管在排列安裝時，相互之間的間距，既要考慮到整體負載箱的功率提升要求，又需考慮電阻管的散熱要求，如圖6所示。通過檢查分析、研究、測試，大多數(shù)負載箱由于電阻管的損壞而進廠維修：既有分布不規(guī)則的電阻管損壞，主要是電阻管本身的質(zhì)量原因；也有部分損壞的電阻管則有規(guī)律可循，分布比較集中，主要集中在投入工作順序靠前的幾組電阻管。

圖6 電阻管的排列

3 電阻組、電抗的智能投入使用

盡管采取了改進電阻管制造工藝、提高電阻管本身質(zhì)量、合理排列電阻管等措施，盡最大可能提高負載箱的散熱效果，但畢竟整個負載箱的整體空間有限，大熱量長時間集聚在箱內(nèi)的電阻腔室內(nèi)，勢必會加速電阻管老化，影響電阻管的壽命。在實際使用過程中，電阻、電抗的損壞較多，主要是因為在加載中，預(yù)先設(shè)定電阻、電抗的投入順序，易造成排序靠前的電阻、電抗始終被頻繁投入使用致使排列靠前的電阻、電抗最先出現(xiàn)老化和損壞現(xiàn)象。

負載箱的特點是負載調(diào)節(jié)時，可根據(jù)要求設(shè)置連續(xù)調(diào)節(jié)，也可階躍式一次調(diào)節(jié)到位。階躍式調(diào)節(jié)可使負載調(diào)節(jié)的時間大幅縮短，負載分離元件數(shù)量減少，實現(xiàn)負載試驗過程的自動化。干式電阻和電抗負載按特定方式編碼，計算機則根據(jù)每次所需加載量的大小自動計算和產(chǎn)生對應(yīng)的控制指令，指令通過接口發(fā)送到可編程控制器(Programmable Logic Controller, PLC)，再由PLC驅(qū)動對應(yīng)的負載達到同步加載的目的。

為使電阻管、電抗能均勻使用，防止投入使用順序靠前的電阻管、電抗因過度使用造成提前老化、三相不平衡等影響到整個負載箱的使用壽命，負載箱的每一次加載，在控制軟件設(shè)計上采用電阻管、電抗隨機加載的模式，即從空載開始進行加載電阻管、電抗的隨機投入運行，而不是采用固定的投入使用順序。電阻管、電抗的隨機選擇性投入運行，由于投入機會的均衡，使所有電阻管、電抗均衡運行，延長電阻管、電抗的壽命，從而延長了負載箱整體使用壽命。

3.1 采用隨機方式，智能投入電阻管、電抗

電阻管組成有功功率，采用1，2，2，4；10，20，20，40；100，200，200，400等的級數(shù)組成，每一組乘上一個最小功率，就是每一組的總功率，這樣就能得出所有電阻組的功率。所有電阻組的功率和就是總功率。

為使大功率電阻管能均勻使用，防止前排電阻管因過度使用造成加快老化、三相不平衡等影響到整個負載箱的使用壽命，本文介紹的負載箱在軟件設(shè)計上采用大功率電阻管隨機加載的模式，即從空載進行加載投入時，首先預(yù)置好電阻管的實際組數(shù)(本文設(shè)定為17組)，再通過使用讀取系統(tǒng)內(nèi)部時鐘秒數(shù)每17 s為一個循環(huán)周期，用來判斷大功率電阻管組的加載順序。

控制流程圖如圖7所示。

圖7 控制流程圖

3.2 改進前后可靠性比較

系統(tǒng)的可靠性是指它從開始運行(t=0)到某時刻t這段時間內(nèi)能正常運行的概率，用R(t)表示；所謂失效率是指單位時間內(nèi)失效的元件數(shù)與元件總數(shù)的比例，以λ表示，當λ為常數(shù)時，可靠性與失效率的關(guān)系為：R(t)=e-λu；兩次故障之間系統(tǒng)能夠正常工作時間的平均值稱為平均故障時間tMTBF。

負載箱電阻管模塊采用并聯(lián)連接方式，系統(tǒng)的可靠性可以采用并聯(lián)系統(tǒng)可靠性計算模型來計算。并聯(lián)系統(tǒng)就是組成大型電阻管模塊內(nèi)的并聯(lián)電阻單元都失效時才失效的系統(tǒng)。它的可靠性數(shù)學模型為

式中：λs為產(chǎn)品的失效率；Rs(t)為產(chǎn)品的可靠度；Ri(t)為單元的可靠度；n為產(chǎn)品所包含的單元數(shù)。

改進前可靠性計算：

假設(shè)單個電阻管的故障時間約為3 000h。

失效率λ1= 1.96×10-5

可靠性R(t1)=e-λ1t=0.942 9

改進后可靠性計算：

[][]

失效率λ2= 1.15×10-6

可靠性R(t1)=e-λ1t=0.996 6

綜上所述，改進后整個系統(tǒng)的可靠性得到了顯著提高，平均故障時間間隔也得到大幅的延長，整個系統(tǒng)的使用壽命得到提高，系統(tǒng)的改進是有成效的。

4 結(jié)語

經(jīng)過長期對負載箱研發(fā)設(shè)計及使用情況的跟蹤，在滿足負載箱大容量的前提下，通過對電阻管制造工藝研究，來提高電阻管本身制造質(zhì)量；通過電阻管、電抗隨機投入運行的智能控制軟件的設(shè)計，電阻管、電抗的壽命得到均衡使用，較好地解決了部分前置投入運行的電阻管、電抗加速老化的問題，有效提高其可靠性，延長負載箱的整體壽命。

因為負載箱的測控系統(tǒng)采用先進的設(shè)計理念和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，上、下位機以及擴充負載之間均采用網(wǎng)線連接方式，人機友好型的負載試驗?zāi)Ｊ胶苁懿僮魅藛T的歡迎，且負載箱測試功能更全、精度更高，船東往往會指定船廠采用智能干式負載試驗技術(shù)。隨著船舶的大型化，船上發(fā)電機組的容量隨之增大，目前船廠的負載箱儲備量無法滿足需求，智能干式負載箱能夠助力船廠碼頭船舶電站系統(tǒng)試驗智能化的要求，更新老設(shè)備、增加新設(shè)備將成為新趨勢。

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 船用柴油發(fā)電機組: GB/T 13032-2010[S].北京：中國標準出版社，2010.

[2] 國防科學技術(shù)工業(yè)委員會.艦船用柴油發(fā)電機組及控制系統(tǒng)通用規(guī)范:GJB 1988-1994 [S].1994.

[3] 中國人民解放軍總裝備部.水面艦艇動力系統(tǒng)陸上聯(lián)調(diào)試驗規(guī)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

董秋蘇(1964-)，女，高級工程師，從事船舶設(shè)備制造技術(shù)研究

1000-3878(2017)03-0067-05

U

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