高壓水電阻的製作方法

2023-04-29 17:45:11

本實用新型屬於高壓發電機組及高壓電源性能測試領域，涉及一種用於發電機組負荷試驗的高壓水電阻。

背景技術：

目前，針對發電機組負荷試驗所採用的負載裝置，通常有兩種類型：乾電阻和水電阻。乾電阻主要由接觸器和電阻絲製成，通過接觸器的閉合來改變電阻絲的並聯數量，從而獲得指定的電阻值；水電阻主要由金屬極板和水製成，通過調節金屬極板與水之間的距離或接觸面積，從而獲得指定的電阻值。

乾電阻的優點是功率波動小、控制精度高，缺點是：造價昂貴，是水電阻的三倍以上；通過接觸器來調節功率，每個接觸器串聯的電阻絲的阻值是一定的，因此功率調節是階梯式的，只能調節出設計好的若干個功率值，針對某個功率的發電機組設計的乾電阻很難應用到其他功率的發電機組上，兼容性能差；散熱風機數量較多，噪音汙染嚴重；電阻絲數量龐大，綜合故障率高，維護成本高；針對交流發電機組設計的乾電阻無法應用到直流發電機組上。

水電阻的優點是：造價低廉；功率可以連續調節，適用於大多數發電機組；噪音汙染極低；結構簡單，維修方便。目前，水電阻的功率調節方式主要分五種，第一種是維持水位為定值，通過電機和傳動機構驅動極板上下移動，調節極板插入水中的高度（如專利CN200920039077.4所公開的技術方案）；第二種是極板固定不動、維持水位為定值，調節極板之間的絕緣板插入水中的高度（如專利CN99224190.1所公開的技術方案）；第三種是極板固定不動、維持水位為定值，調節鹽水的濃度（如專利CN201220554188.0所公開的技術方案）；第四種是極板固定不動，通過調節水位高低來調節水與極板的接觸面積(如專利CN200720022665.8所公開的技術方案)。第一、第二種調節方式的缺點是升降絕緣板或極板所需的電機力矩較大，系統的慣性也很大，調節靈敏度很差；第三、第四種調節方式的缺點也是調節靈敏度很差。

此外，為了解決水的散熱問題，現有水電阻均採用循環冷卻的散熱方式，通過冷卻塔、大型換熱器、大面積水池等配套設施對熱水進行冷卻。這種散熱方式的缺點是：冷卻水摻混的過程中，水溫波動較大，導致運行過程中功率波動較大；冷卻塔、大型換熱器、大面積水池等配套設施佔地面積大、建設成本高；最嚴重的是，循環冷卻水迴路與相極板直接連通，如果應用到6kV、10kV等級的高電壓試驗，循環水迴路內的散熱設備和管路都處於高電勢，存在極大的安全隱患。

因此，在實施本專利之前，現有水電阻的功率調節方式存在調節靈敏度差、負載功率波動大，以及冷卻系統設備佔地大、成本高、安全性能低的技術問題。因此，亟需設計一種安全可靠的高壓水電阻裝置，以解決上述技術問題。

技術實現要素：

針對上述技術問題，本實用新型提供了一種結構簡單、成本低廉、調節靈敏、安全性高的高壓水電阻。

本實用新型通過以下技術方案來實現：

一種高壓水電阻，包括由絕緣材料製成的工作水箱，工作水箱內同心設置有相電位極板和零電位極板，所述相電位極板和零電位極板之間設置有阻值調節機構，阻值調節機構上設有連通相電位極板和零電位極板的通水窗口，阻值調節機構通過調節通水窗口的大小實現調節兩極板之間被水連通的截面積，兩極板間被水連通的截面積變化使得極板之間的電阻發生變化。

作為本案的優化方案，所述阻值調節機構由兩個相互獨立的絕緣隔板組成，絕緣隔板上均設有大小和位置相同的通水窗口，兩絕緣隔板在傳動機構的作用下發生相對位移；移動中，兩絕緣隔板上相對應的通水窗口錯動並發生遮擋，使得相電位極板和零電位極板之間被水連通的截面積發生變化。

作為本案的優化方案，所述絕緣隔板包括同心嵌套的固定絕緣隔板和可動絕緣隔板，固定絕緣隔板固定在工作水箱上，可動絕緣隔板與絕緣轉動軸固定連接，工作水箱底部設有驅動絕緣轉動軸的伺服電機和齒輪傳動機構，由絕緣轉動軸帶動可動絕緣隔板相對固定絕緣隔板發生位移。

作為本案的優化方案，所述相電位極板和零電位極板完全浸沒於水中。

作為本案的優化方案，所述相電位極板和零電位極板為上端敞口的空心柱形結構，同心設置且相電位極板布設於內環，零電位極板布設於相電位極板的外圍。

作為本案的優化方案，所述高壓水電阻採用沸騰蒸發的散熱方式，工作水箱內的水溫控制在98～100℃。

作為本案的優化方案，工作水箱內沸騰蒸發的水分通過補水箱補給；補水箱的水位高於工作水箱的水位，補水箱連通工作水箱的出水管上設有供水閥門，補水箱底部的補水管道上設有將水泵入補水箱的補水泵。

作為本案的優化方案，進行單相交流電試驗時，所述相電位極板與交流電源的火線連接，零電位極板與交流電源的零線連接。

作為本案的優化方案，進行三相交流電試驗時，工作水箱內分別設置有三組由相電位極板、零電位極板和阻值調節機構組成的水電阻，三個相電位極板分別與交流電源的三相連接，三個零電位極板短接。

作為本案的優化方案，進行直流電試驗時，所述相電位極板與直流電源的正極連接，零電位極板與直流電源的負極連接。

本實用新型的有益效果是：

1、通過阻值調節機構實現阻值連續可調節，阻值調節機構的慣性很小、控制靈敏度更高，有效解決了現有水電阻功率調節方式慣性大、調節靈敏度差的技術問題；

2、採用沸騰蒸發的散熱方式，由於水的電阻率基本恆定，有效解決了機組負載功率波動大的問題，功率波動更小、試驗精度更高；安全性能更高，可適用於1kV電壓等級以上的高壓試驗；無需冷卻塔、大型散熱器、大面積水池、循環冷卻水迴路等配套設施，1MWh發熱量的試驗成本僅為1.6噸自來水，大大提升了發電機組負荷試驗的經濟效益，降低了試驗成本；

3、將極板完全浸沒於水中，一方面有效消除了液面波動對功率造成的影響，進一步降低了功率波動；另一方面有效消除了極板間擊穿或極板對地擊穿的安全隱患，可適用於高壓環境。

4、可應用於直流電試驗、交流電試驗以及三相交流電試驗，方便快捷；結構合理，操作便捷，通用性好。

附圖說明

圖1為本實用新型高壓水電阻的結構示意圖；

圖2為本實用新型高壓水電阻的俯視圖；

圖3為本實用新型高壓水電阻的局部剖視圖；

圖4為本實用新型高壓水電阻中阻值調節機構的結構示意圖；

圖5為本實用新型高壓水電阻中單相交流或直流電試驗試驗的接線示意圖；

圖6為本實用新型高壓水電阻中三相交流電試驗的接線示意圖；

圖7為本實用新型高壓水電阻中水電阻值與水溫的關係曲線圖；

圖中：1、工作水箱；2、零電位極板；3、阻值調節機構；4、可動絕緣隔板；5、固定絕緣隔板；6、相電位極板；7、工作水箱內壁；8、絕緣轉動軸；9、通水窗口；10、短接裝置；11、伺服電機；12、齒輪傳動機構；13、補水箱；14、供水閥門；15、補水泵；16、補水管道；17、火線電纜；18、零線電纜；19、A相電纜；20、B相電纜；21、C相電纜；22-頂部固定板。

具體實施方式

下面將結合附圖及實施例對本實用新型及其效果作進一步闡述。

如圖1-3所示，一種高壓水電阻，包括工作水箱1、相電位極板（正極板）6、零電位極板（負極板）2和阻值調節機構3。相電位極板6和零電位極板2為上端敞口的空心柱形結構，兩極板之間設置阻值調節機構3，相電位極板6、零電位極板2和阻值調節機構3同心設置在工作水箱1內；阻值調節機構3上設有連通相電位極板6和零電位極板2的通水窗口，阻值調節機構3可通過相對位移來調節通水窗口的大小，進而實現調節兩極板之間被水連通的截面積，兩極板間被水連通的截面積變化使得極板之間的電阻發生變化；由於通水窗口的大小可實現連續調節，從而實現了水電阻功率連續可調節。

如圖4所示，阻值調節機構3可由兩個相互獨立的絕緣隔板組成，絕緣隔板上均設有大小和位置相同的通水窗口9，兩絕緣隔板在傳動機構的作用下發生相對位移；移動中，兩絕緣隔板上相對應的通水窗口9錯動並發生遮擋，即實際中用於通水的窗口大小發生了變化，使得相電位極板6和零電位極板2之間被水連通的截面積發生變化。具體地，絕緣隔板包括同心嵌套的固定絕緣隔板5和可動絕緣隔板4，工作水箱1的外形為五邊形，中心向上開有空心圓柱形的工作水箱內壁7，可動絕緣隔板4頂部與頂部固定板22固定連接，絕緣轉動軸8穿過工作水箱內壁7與頂部固定板22固定連接，即可動絕緣隔板4與絕緣轉動軸8通過頂部固定板22實現固定連接。工作水箱1底部設有驅動絕緣轉動軸8的伺服電機11和齒輪傳動機構12，由絕緣轉動軸8帶動可動絕緣隔板4相對固定絕緣隔板5發生位移。

進一步地，本實用新型中高壓水電阻採用沸騰蒸發的散熱方式，工作水箱1內的水溫控制在98～100℃，沸騰蒸發的水分則通過補水箱13補給；補水箱13的水位高於工作水箱1的水位，補水箱13連通工作水箱1的出水管上設有供水閥門14，補水箱13底部的補水管道16上設有將水泵入補水箱13的補水泵15。

進一步地，相電位極板6和零電位極板2完全浸沒於水中，且相電位極板6布設於內環，零電位極板2布設於相電位極板6的外圍。

現有水電阻產生功率波動的主要原因有兩個：一是水溫不恆定，二是極板與水的接觸面積有變化。水電阻的主要工作介質是自來水或含鹽水，其阻值隨著水溫的變化而變化，二者的關係曲線如圖7所示。當水溫在20~70℃時，水的電阻率變化較大；當水溫接近100℃時，水的電阻率基本恆定不變。在採用循環水冷卻的水電阻裝置中，工作水溫約為60~70℃，循環水量大，工作水溫波動大，水的電阻率變化快，導致機組負載功率波動大。本實用新型採用的是沸騰蒸發的散熱方式，水溫始終保持在100℃左右，水的電阻率基本恆定，因此試驗功率比較平穩。

現有水電阻多採用冷卻塔、大型散熱器、大面積水池等配套設施進行散熱冷卻，循環水迴路與相極板直接連通，如果應用在6kV、10kV等級的高電壓試驗，循環水迴路內的散熱設備和管路都處於高電勢，存在極大的安全隱患。本實用新型採用的是沸騰蒸發的散熱方式，工作水箱與外界是隔離的；同時，因沸騰蒸發而減少的水分通過獨立的補水箱進行補充，在補水過程中，工作水箱的水不與外界的補給水直接連通，因此完全消除了該安全隱患。除此之外，本實用新型的相電位極板6布置於內側、零電位極板2布置於外側，使得工作水箱1邊緣的電勢較低，進一步提高了水電阻的安全性。

當極板的一部分浸入水中、另一部分暴露於空氣中時，必須採取循環冷卻方式，不能讓水發生沸騰，否則液面將劇烈變化，引起功率波動。即使採取了循環冷卻方式，由於冷卻水流入工作水箱的過程是一個摻混的過程，液面仍然難以保持恆定，所以功率波動仍然較大。本實用新型將相電位極板6和零電位極板2全部浸沒在水中，消除了液面波動對功率造成的影響，從而進一步降低了功率波動。雖然沸騰形成的氣泡也會對極板間的電阻造成影響，但當極板面積比較大時，該影響在統計上趨於穩定，極板面積越大，沸騰造成的功率波動越小。因此，當極板全部浸沒於沸騰的水中時，試驗功率比部分浸入水中的情況穩定得多。

此外，當現有水電阻的極板部分浸入水中、部分暴露於空氣中時，工作過程中極板會被大量的水蒸氣籠罩著，在高壓環境（如10kV高壓電源試驗）時，很容易造成極板間擊穿或極板對地擊穿，存在極大的安全隱患。本實用新型將極板完全浸沒在水中，完全消除了該安全隱患，可適用於高壓環境。

利用本高壓水電阻進行發電機組負荷試驗，在進行單相交流電試驗或直流電試驗時，相電位極板6與交流電源或直流電源的火線電纜17連接，零電位極板2與交流電源或直流電源的零線電纜18連接。在進行三相交流電試驗時，工作水箱1內分別設置有三組由相電位極板6、零電位極板2和阻值調節機構3組成的水電阻，三個相電位極板6分別與交流電源的A相電纜19、B相電纜20、C相電纜21連接，三個零電位極板2通過短接裝置10短接在一起（如圖6所示）。

工作水箱1、固定絕緣隔板5、可動絕緣隔板4和傳動軸8均由絕緣材料製成，相電位極板6、零電位極板2和齒輪傳動機構12均由金屬材料製成，供水閥門14和 補水泵15的通流部分襯有塑料。相電位極板6、零電位極板2和阻值調節機構3都安裝在絕緣材料製成的工作水箱1中，工作水箱1中的水位高於極板，極板完全浸沒於水中並固定不動；在由伺服電機11和齒輪傳動機構12驅動可動絕緣隔板4相對固定絕緣隔板5產生位移，兩個絕緣隔板上的通水窗口9相互錯動遮擋，使得極板之間被水連通的截面積發生變化，因而極板之間的電阻值也發生變化，實現阻值連續可調的目的。由於採用沸騰蒸發的散熱方式，當工作水箱1中的水位蒸發下降到一定程度時，停止補水泵15、打開供水閥門14，由於補水箱13的水位高於工作水箱1的水位，補水箱13中的水在重力的作用下流入工作水箱1中；當補水箱13中的水位下降到一定程度時，關閉供水閥門14、運行補水泵15，通過補水泵15將水泵入補水箱13。

以上實施例僅是示例性的，並不會局限本實用新型，應當指出對於本領域的技術人員來說，在本實用新型所提供的技術啟示下，所做出的其它等同變型和改進，均應視為本實用新型的保護範圍。