專利名稱：高壓兆瓦級(jí)大功率電阻的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的采用水作為電阻介質(zhì)的電阻，其形狀和體積可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè) 計(jì)，裝水電阻的容器可以選用密封式或敞開(kāi)式，水電阻容器材料要求絕緣，并且能耐100攝 氏度的水沸點(diǎn)溫度。 本發(fā)明中，水的電阻率是隨溫度變化，并且不同的水質(zhì)，它們的導(dǎo)電特性是不同的，對(duì)于兆瓦級(jí)大功率負(fù)載來(lái)說(shuō)，場(chǎng)地是固定的，它的水源也是固定的，所以可以認(rèn)為所用 水的特性恒定，僅是水的電阻率隨溫度變化。對(duì)于大功率穩(wěn)態(tài)負(fù)載來(lái)說(shuō)，水處于沸騰狀態(tài)， 這時(shí)水的電阻率可以認(rèn)為是恒定的。如圖1所示，圖1為某地自來(lái)水的電阻率，隨溫度變化 的數(shù)值的圖，水溫達(dá)到90攝氏度之后，電阻率接近恒定。所以水在沸騰狀態(tài)時(shí)，電阻率可以 認(rèn)為是固定的。 50kV/100A的負(fù)載，使用大功率金屬絲的線繞電阻，運(yùn)行時(shí)間只有0. 3秒，電阻溫
度超過(guò)100攝氏度，經(jīng)費(fèi)20萬(wàn)元。采用自來(lái)水作為電阻介質(zhì)的電阻，材料費(fèi)用小于15萬(wàn)元，
運(yùn)行時(shí)間超過(guò)30分鐘，最高溫度100攝氏度，且不需要散熱設(shè)備。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下 1)成本低，不會(huì)過(guò)熱損毀。 2)不需要通風(fēng)、循環(huán)和液體冷卻設(shè)備。 3)電阻的功率可以超過(guò)兆瓦量級(jí)，電壓能超過(guò)10kV。 4)電阻設(shè)備放置在戶外，不占用室內(nèi)空間。 5)使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，沒(méi)有廢棄物產(chǎn)生，不污染環(huán)境。
6)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)1000秒。


圖1取樣自來(lái)水電阻率與水溫關(guān)系圖。
圖2為本發(fā)明電阻的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
高壓兆瓦級(jí)大功率電阻，包括有絕緣材料制成的容器l，容器1中盛放有水2作為 電阻介質(zhì)，容器1高度高于容器1中水2面高度，還包括有金屬電極板3，金屬電極板3分 別沿著容器1兩側(cè)壁插入水2中，并緊貼容器1兩側(cè)壁，作為電阻的接線端。水電阻通過(guò)金 屬電極板3接入電路中使用。加熱使容器1中的2水處于沸騰的狀態(tài)，得到阻值穩(wěn)定的水 電阻。容器1的形狀為圓柱形、半圓柱形、長(zhǎng)方體、錐體或球體，容器1橫截面積為長(zhǎng)方形； 容器1為敞口的或密封的；容器1外部有加強(qiáng)筋4進(jìn)行固定。當(dāng)容器1為敞口時(shí)，敞口邊沿 設(shè)置有一圈擋板5防止水濺出。容器1底部還設(shè)置有絕緣的支撐裝置6以隔開(kāi)容器1與地 面，容器1與支撐裝置6之間還設(shè)置有墊板7。 本發(fā)明利用水的汽化潛熱高的特點(diǎn)，使水電阻工作在沸騰狀態(tài)，利用蒸發(fā)潛熱吸 收電阻介質(zhì)水的熱功耗。 電阻介質(zhì)水的電阻率經(jīng)過(guò)測(cè)定之后，可以根據(jù)實(shí)際使用參數(shù)來(lái)確定電阻介質(zhì)水的 形狀和電阻介質(zhì)水的重量。水電阻的相關(guān)計(jì)算如下 1 :已知條件所需要的電阻的歐姆值R，本地自來(lái)水沸騰時(shí)電阻率為P K，負(fù)載功 率設(shè)定為P千瓦，運(yùn)行時(shí)間設(shè)定為T秒。
2 :水蒸發(fā)的質(zhì)量計(jì)算水負(fù)載運(yùn)行在沸騰狀態(tài)，P千瓦的功率，運(yùn)行T秒，水負(fù)載吸
收的能量W是 W = P*T (1) 水的汽化潛熱是L(kg/kJ) ，W焦耳的能量能使質(zhì)量為M千克的水汽化，M可通過(guò)下式計(jì)算 M = W/L(2) 3 :電阻介質(zhì)水的質(zhì)量計(jì)算電阻介質(zhì)水在額定參數(shù)下蒸發(fā)M千克，如果總電阻保 持不變，要求M千克占電阻介質(zhì)水總體積的比例要非常小。設(shè)定這個(gè)比例為x^時(shí)，電阻的 變化就非常小，電阻的變化在x^以內(nèi)。也就是電阻介質(zhì)水的總質(zhì)量MT。w是
MTotal = M/x%= 100M/x(kg) (3)
把(1)和(2)式代入(3)式得
ioo尸r Mr。to/ =100M/x(^) = — (4) 實(shí)際工程中，x < 5時(shí)，就滿足需求，如果要求電阻變化率非常小，x就要取小。電 阻運(yùn)行的時(shí)間T可以根據(jù)實(shí)際負(fù)載特性取，要滿足模擬測(cè)試要求。汽化潛熱L是物理學(xué)常 量，通常取2257. 2kJ/kg。 4 :計(jì)算電阻介質(zhì)水的橫截面積S和長(zhǎng)度1 :
ioo 根據(jù)(4)式，需要的自來(lái)水質(zhì)量是Mr。,。, =100M/x(%) = —*7(松)(5) 電阻介質(zhì)水的體積V是橫截面S和電阻介質(zhì)水的長(zhǎng)度1之積V = S*l (6) 電阻介質(zhì)水的密度是物理常量P watCT = 1. 03kg/m3，所以電阻介質(zhì)水的質(zhì)量與它
的橫截面積和長(zhǎng)度關(guān)系如下 MTotal = P water*V = P water*S*l (7) 電阻介質(zhì)水的歐姆值R與電阻介質(zhì)水的橫截面積和長(zhǎng)度關(guān)系如下
" A 4 (8) MT。^和R是已知的，所以聯(lián)立(7)和(8)式可以計(jì)算出電阻介質(zhì)水的橫截面積S 和長(zhǎng)度1為
^ ^z^^_= ioo A; 5 :設(shè)計(jì)電阻介質(zhì)水的容器設(shè)計(jì) 因?yàn)樽詠?lái)水屬于導(dǎo)體，裝自來(lái)水的容器如果也是導(dǎo)體，將會(huì)影響電阻的精度。所以 電阻介質(zhì)水的容器要選擇絕緣材料，并且容器要能滿足水沸騰的工作模式，也就是容器在 IOO攝氏度下不能變形和破裂。目前市場(chǎng)上比較合適的水電阻容器材料是聚丙烯材料，也就 是PP (Polypropylene)板材；它能夠方便的裁剪和焊接，做成需要的形狀。容器可以是圓柱 形、半圓柱形、長(zhǎng)方體、錐體或球體等形狀?？紤]到橫截面積的計(jì)算和水蒸氣的散發(fā)，容器可 以做成橫截面是長(zhǎng)方形，頂面敞開(kāi)，和普通水槽相似。以下把容器簡(jiǎn)稱為水槽。
因?yàn)閷?shí)際中PP板的尺寸限制，水槽不能做的無(wú)限大。水槽的尺寸要根據(jù)市場(chǎng)上的 PP板尺寸設(shè)計(jì)，這樣最節(jié)約經(jīng)費(fèi)。也就是水槽的橫截面積要與PP板的寬度相對(duì)應(yīng)，水槽高 度也要和市場(chǎng)上PP板對(duì)應(yīng)。如果電阻介質(zhì)水的長(zhǎng)度1大于PP板的長(zhǎng)度，可以考慮用多個(gè) 水槽串聯(lián)組成一個(gè)電阻。因此(9)式中的橫截面積S要在PP板的允許范圍內(nèi)，計(jì)算時(shí)，先設(shè)定橫截面積S，然后計(jì)算水電阻長(zhǎng)度1。水槽的高度要大于水面的高度，否則水沸騰時(shí)會(huì)
使水漫出水槽；具體設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)需要和使用環(huán)境確定水槽和水面的高度差。 電阻介質(zhì)水的長(zhǎng)度確定之后，就可以確定水槽的數(shù)量。這樣電阻的設(shè)計(jì)基本結(jié)束。
下一步就是電阻的安裝 如果電阻的最大工作電壓U〈 lkV，水槽可以直接放置在地面，因?yàn)镻P板的絕緣性
能滿足lkV等級(jí)的使用；如果U > lkV，安全起見(jiàn)就要選擇相應(yīng)的絕緣支撐子，把水槽支撐
起來(lái)，使之對(duì)地絕緣；絕緣子的電壓等級(jí)選擇滿足大于電阻的工作電壓即可。 水槽放置在絕緣支撐子上面時(shí)，需要墊板放置在水槽底部和絕緣支撐子之間，防
止水槽底部變形或破裂，比較節(jié)約經(jīng)費(fèi)的辦法就是使用經(jīng)過(guò)防腐處理的木條放置在水槽和
絕緣支撐子之間，木條的數(shù)量和絕緣支撐子的數(shù)量及布局可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定。 多個(gè)水槽放置時(shí)，如果總長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，可以分若干排，每排在放置幾個(gè)水槽。這樣可
以滿足超過(guò)兆歐級(jí)的電阻負(fù)載需求。
權(quán)利要求
高壓兆瓦級(jí)大功率電阻，其特征在于包括有絕緣材料制成的容器，容器中盛放有水作為電阻介質(zhì)，容器中水面高度低于容器邊沿，還包括有金屬電極板，所述金屬電極板分別沿著容器兩側(cè)壁插入水中，作為電阻的接線端；且加熱使容器中的水處于沸騰的狀態(tài)，得到阻值穩(wěn)定的水電阻。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓兆瓦級(jí)大功率電阻，其特征在于所述容器的形狀為圓 柱形、半圓柱形、長(zhǎng)方體、錐體或球體；所述容器為敞口的或密封的；所述容器外部有加強(qiáng) 筋進(jìn)行固定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓兆瓦級(jí)大功率電阻，其特征在于所述容器底部還設(shè)置 有絕緣的支撐裝置以隔開(kāi)容器與地面，所述容器與支撐裝置之間還設(shè)置有墊板。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓兆瓦級(jí)大功率電阻，其特征在于所述容器材料選用聚 丙烯材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓兆瓦級(jí)大功率電阻，其特征在于所述容器中水的橫截 面積及長(zhǎng)度由所需要的電阻值、水沸騰時(shí)電阻工作的功率、水沸騰時(shí)電阻運(yùn)行時(shí)間、水的密 度、水沸騰時(shí)的電阻率、水的汽化潛熱常量、水的阻值變化率確定。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高壓兆瓦級(jí)大功率電阻，其特征在于所述的水電阻可串聯(lián) 或并聯(lián)以滿足阻值要求。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高壓兆瓦級(jí)大功率電阻，包括有容器，容器中盛放有水作為電阻介質(zhì)，還包括有金屬電極板，金屬電極板分別沿著容器兩側(cè)壁插入水中，作為電阻的接線端。本發(fā)明的成本低，不會(huì)過(guò)熱損毀。使用時(shí)不需要通風(fēng)、循環(huán)和液體冷卻設(shè)備。本發(fā)明的電阻的功率可以超過(guò)兆瓦量級(jí)，電壓能超過(guò)10kV，電阻設(shè)備放置在戶外，不占用室內(nèi)空間。本發(fā)明使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，沒(méi)有廢棄物產(chǎn)生，不污染環(huán)境，運(yùn)行時(shí)間超過(guò)1000秒。
文檔編號(hào)H01C11/00GK101763928SQ20091025167
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者傅鵬, 馮虎林, 劉保華, 李俊, 楊雷, 潘圣民, 茆華風(fēng), 蔣力, 趙士元 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所