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水電站水輪發(fā)電機(jī)組常見故障及處理措施探討

2024-05-08 06:55:25強(qiáng)
關(guān)鍵詞:水輪發(fā)電機(jī)組定子

王 宇 李 強(qiáng)

(1.國(guó)家能源集團(tuán)青海公司 2.哈爾濱優(yōu)盛電站設(shè)備有限公司)

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)組作為水電站的核心發(fā)電設(shè)備,對(duì)水電站的電力供給具有直接的影響作用,是電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)[1]。而在具體的實(shí)踐當(dāng)中,水電站水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行具有穩(wěn)定性不足的特征,各種故障頻發(fā),對(duì)水電站的經(jīng)濟(jì)效益及電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行都造成了較大的負(fù)面影響。鑒于此,有必要充分了解水輪發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)與工作原理,分析其常見的故障種類及產(chǎn)生原因,以此制定相應(yīng)的處理措施。

1 水電站水輪發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)與工作原理

水輪發(fā)電機(jī)組主要由水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)兩部分組成。其中,水輪機(jī)主要由導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、蝸殼、推力軸承、主軸、受油器等組成,而發(fā)電機(jī)則主要由轉(zhuǎn)子、定子、冷卻器等組成。在運(yùn)行過程中,水輪機(jī)受到水流的作用,可以驅(qū)動(dòng)渦輪或水輪,使其高速旋轉(zhuǎn)。而渦輪或水輪的旋轉(zhuǎn)又將驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行旋轉(zhuǎn),發(fā)電機(jī)組通過電磁感應(yīng)原理將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。此外,水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速將決定發(fā)出的交流電的頻率,為保證頻率的穩(wěn)定,就必須穩(wěn)定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。而通過交流電的頻率信號(hào)采樣,將其反饋到控制水輪機(jī)導(dǎo)葉開合角度的控制系統(tǒng)中,去控制水輪機(jī)的輸出功率,通過反饋控制原理,就可以讓發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定了??偟膩碚f,水輪發(fā)電機(jī)組的工作原理是利用水流驅(qū)動(dòng)水輪機(jī),然后通過水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)發(fā)電。

2 常見故障分析

2.1 過負(fù)荷故障

水輪發(fā)電機(jī)過負(fù)荷故障指的是水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中承受的負(fù)荷超過其額定值,導(dǎo)致電機(jī)過載,引發(fā)一系列不良后果。水輪發(fā)電機(jī)過負(fù)荷故障可能由多種原因引起,包括負(fù)載過大、電機(jī)故障、電源電壓不穩(wěn)定等。具體來說,負(fù)載過大可能是由于負(fù)載設(shè)備出現(xiàn)故障或發(fā)電機(jī)本身已發(fā)生故障;電機(jī)故障可能包括電機(jī)短路、接地、匝間短路等;電源電壓不穩(wěn)定可能導(dǎo)致電機(jī)需要消耗更多電流以保持同樣的輸出功率,從而造成電機(jī)過載。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)處于過負(fù)荷狀態(tài)下時(shí),其定子電流會(huì)超過額定值,同時(shí)其有功、無功及轉(zhuǎn)子電流也會(huì)超出額定值。如果定子電流超出額定值的1.1 倍,過負(fù)荷保護(hù)會(huì)發(fā)出動(dòng)作,出現(xiàn)過負(fù)荷報(bào)警信號(hào)。此外,還可能出現(xiàn)電機(jī)聲音異常、電機(jī)振動(dòng)加劇、溫度升高、端電壓下降等問題。

2.2 轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障

水電站水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障是指發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與大地之間的絕緣層被破壞,導(dǎo)致電流能夠直接流到大地而形成回路。當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障時(shí),雖然表計(jì)指示無異常,但轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地信號(hào)、計(jì)算機(jī)報(bào)警信號(hào)以及警鈴均會(huì)發(fā)出報(bào)警。這種故障是由多種原因引起的,包括制造缺陷、安裝與檢修留下的缺陷、長(zhǎng)期運(yùn)行使絕緣老化、水滴或濕氣侵入、過電壓等。轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障是水電站水輪發(fā)電機(jī)組常見的故障形式之一,發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí),勵(lì)磁繞組與地間尚未形成電氣回路,影響較小。但如果未能及時(shí)排查故障,導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地或多點(diǎn)接地故障時(shí),會(huì)破壞定、轉(zhuǎn)子間氣隙磁場(chǎng),導(dǎo)致力矩不平衡,引起機(jī)組震動(dòng),嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒損轉(zhuǎn)子繞組、定子鐵芯,甚至可能造成事故或危害人身安全[2]。

2.3 轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障

水輪發(fā)電機(jī)在正常的運(yùn)行工作中,其轉(zhuǎn)子不但要承受著電場(chǎng)的電壓,而且還要承受電磁力和機(jī)械力。若是不能夠及時(shí)有效的處理發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障問題,任由發(fā)電機(jī)組設(shè)備的轉(zhuǎn)子正負(fù)極翻轉(zhuǎn)的情況發(fā)展,就會(huì)導(dǎo)致其轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障。而一旦發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障,計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào),轉(zhuǎn)子的電壓降低而電流上升,無功功率表計(jì)指示會(huì)降低,由于磁場(chǎng)失衡,導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組振動(dòng)劇烈,產(chǎn)生較大的異響,使設(shè)備停止運(yùn)行。

2.4 定子一點(diǎn)接地故障

發(fā)電機(jī)定子一點(diǎn)接地故障是指發(fā)電機(jī)定子線圈與地之間發(fā)生短路。這種故障可能是由多種原因引起的,包括線圈絕緣損壞、水滴或濕氣侵入、過電壓、鼠害、機(jī)械損傷等[3]。接地故障可能發(fā)生在發(fā)電機(jī)內(nèi)部或外部,通常分為真接地和假接地兩種情況。真接地是指發(fā)電機(jī)定子線圈內(nèi)部發(fā)生接地故障,導(dǎo)致電流直接流入大地而形成回路。此時(shí),接地相對(duì)地電壓為零或降低,而非接地相對(duì)地電壓升高,線電壓保持平衡。真接地故障通常比較危險(xiǎn),因?yàn)槿绻拥仉娮韬苄?,大電流可能?huì)導(dǎo)致設(shè)備燒毀或熔斷器熔斷。假接地是指接地故障發(fā)生在發(fā)電機(jī)外部,例如電壓互感器二次側(cè)熔絲熔斷或高壓側(cè)線路故障等。這種情況下,接地相對(duì)地電壓不會(huì)降低,非接地相對(duì)地電壓也不會(huì)升高,線電壓不平衡。假接地故障通常不危險(xiǎn),但可能會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.5 溫度過高故障

在水輪發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的過程中,由于存在渦流現(xiàn)象,使得水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子、定子、鐵芯等部件都產(chǎn)生電流。在這些電流的作用下,各部件的溫度就會(huì)逐漸升高,使得整個(gè)發(fā)電機(jī)組處于高溫運(yùn)行狀態(tài)[4]。同時(shí),水輪發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的導(dǎo)軸承、轉(zhuǎn)子與定子的摩擦、線圈的電磁感應(yīng)、潤(rùn)滑油的化學(xué)反應(yīng)等也會(huì)產(chǎn)生熱量,從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出現(xiàn)溫度過高故障。此外,通風(fēng)不良、機(jī)械摩擦、接觸電阻過大等也是造成發(fā)電機(jī)組溫度過高的重要原因。例如,通風(fēng)不良可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的熱量無法及時(shí)散失,機(jī)械摩擦?xí)a(chǎn)生更多的熱量,接觸電阻過大則可能直接導(dǎo)致電流的損耗和熱量的產(chǎn)生。水電站水輪發(fā)電機(jī)組溫度過高會(huì)對(duì)其正常運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。首先,溫度過高可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組的效率下降,影響其發(fā)電能力。其次,長(zhǎng)期處于高溫運(yùn)行狀態(tài)可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組的零件融化,從而引發(fā)安全事故。此外,集電環(huán)和碳刷過熱還可能產(chǎn)生火花,嚴(yán)重時(shí)甚至可能燒損集電環(huán)和碳刷,甚至燒毀發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)等,引發(fā)更大的事故。一旦發(fā)電機(jī)出現(xiàn)溫度過高故障,上位機(jī)當(dāng)中會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào),同時(shí),定子的鐵芯、線圈的實(shí)際溫度都會(huì)超過額定溫度。

3 故障處理措施

3.1 過負(fù)荷故障處理

根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)的過負(fù)荷故障產(chǎn)生原因及具體表現(xiàn),采取以下處理措施:加大對(duì)頻率、電壓以及電流的實(shí)施監(jiān)控力度,當(dāng)發(fā)現(xiàn)電壓或者頻率超過額定值時(shí),就應(yīng)當(dāng)要及時(shí)降低負(fù)荷,確保定子電流在額定范圍內(nèi),如果通過調(diào)整未能改善狀況,應(yīng)當(dāng)找出具體的原因,并采取相應(yīng)的措施及時(shí)有效的消除過負(fù)荷。而當(dāng)電壓與頻率都處于正常范圍之內(nèi),應(yīng)當(dāng)要在保證母線電壓值正常的情況下,采取降低勵(lì)磁電流的方式,同時(shí)如實(shí)向上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)報(bào)告情況。若是母線的電壓值過小,而發(fā)電機(jī)仍出現(xiàn)過負(fù)荷故障,應(yīng)當(dāng)要采取限定負(fù)荷運(yùn)行的措施處理故障問題。

3.2 轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障處理

對(duì)于轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障,主要采取以下處理措施:首先,詳細(xì)檢查一點(diǎn)接地的信號(hào),若是能夠復(fù)歸,就確定為瞬時(shí)接地,而若是不能夠復(fù)歸,同時(shí)各項(xiàng)保護(hù)正常,就確定為永久接地。其次,測(cè)量轉(zhuǎn)子的正、負(fù)對(duì)地電壓,當(dāng)其中某極對(duì)地電壓為零,且另極電壓為全電壓時(shí),就表示發(fā)生了一點(diǎn)接地故障。在這種情況下,詳細(xì)檢查勵(lì)磁回路,明確發(fā)生接地的部件以及具體的性質(zhì)。通常分為兩種情況,即金屬性接地與非金屬性接地,若是為前者,則需要正式啟動(dòng)備用機(jī)機(jī)組,采取解列停機(jī)措施,而若是為后者,則需要及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施,準(zhǔn)備停機(jī)。

3.3 轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障處理

若是水電站水輪機(jī)組發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障,會(huì)明顯增加轉(zhuǎn)子的電流,從而損壞回路當(dāng)中的設(shè)備,而若是繞組內(nèi)部發(fā)生兩點(diǎn)接地故障,會(huì)致使內(nèi)部出現(xiàn)過熱現(xiàn)象,因此對(duì)于該故障,首先就必須要停機(jī)進(jìn)行檢查,明確電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作與否,確保FCB 以及GCB 跳閘,若是沒有跳閘,則需要及時(shí)采取手動(dòng)方式進(jìn)行停機(jī),將相應(yīng)的情況和上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行匯報(bào)。其次,在停機(jī)之后,應(yīng)當(dāng)要仔細(xì)檢查電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁系統(tǒng)和繞組,并對(duì)轉(zhuǎn)子絕緣進(jìn)行全面準(zhǔn)確的測(cè)量,如為2MΩ 以上,則應(yīng)清洗發(fā)電機(jī)大軸轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地碳刷。需要注意的是,在處理水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障時(shí),應(yīng)該先詳細(xì)詢問運(yùn)行值班負(fù)責(zé)人,了解情況,根據(jù)故障情況進(jìn)行分析和處理。如果無法自行處理,應(yīng)立即尋求專業(yè)技術(shù)人員的幫助。同時(shí),在平時(shí)的巡檢和維修工作中,應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)發(fā)電機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)工作,定期檢查發(fā)電機(jī)各部件的運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在的故障問題,確保發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。

3.4 定子一點(diǎn)接地故障處理

當(dāng)水電站睡了發(fā)電機(jī)組發(fā)生定子接地故障時(shí),首先需要對(duì)發(fā)電機(jī)的A、B、C 三相對(duì)低電壓進(jìn)行全面的檢測(cè),若是定子電壓表指示接地相對(duì)地電壓為零或者下降,則判定其為真接地;若是非接地相對(duì)地電壓增大,但線電壓保持平衡,則判定其為假接地。其次,對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行檢查,若是出現(xiàn)冒煙、漏水、溫度上升等狀況,且發(fā)電機(jī)組沒有自動(dòng)跳閘停機(jī),就需要及時(shí)采取手動(dòng)解列停機(jī)措施。再次,通過現(xiàn)場(chǎng)檢查,若是發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)定子一點(diǎn)接地故障,則需要將情況及時(shí)的上報(bào)至集控中心,在確保當(dāng)天的具體負(fù)荷需求情況下,啟動(dòng)備用機(jī)組,將負(fù)荷進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)移,及時(shí)將出現(xiàn)故障的機(jī)組進(jìn)行解列;若是發(fā)電機(jī)外部出現(xiàn)接地故障,則需要先明確具體原因,根據(jù)集控中心的指示進(jìn)行相應(yīng)的處理。最后,在選擇接地的過程當(dāng)中,要對(duì)發(fā)電機(jī)的接地電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,一旦出現(xiàn)消弧線圈的狀況,則必須立即采取停機(jī)處理。

3.5 溫度過高故障處理

對(duì)于水電站水輪發(fā)電機(jī)組的溫度過高故障,首先,需要將定子的有功負(fù)荷以及電流值調(diào)整至額定范圍內(nèi)。其次,通過檢查若是發(fā)現(xiàn)故障主要是由于測(cè)溫裝置異常所導(dǎo)致,就需要退出故障測(cè)點(diǎn),由專業(yè)的維護(hù)人員進(jìn)行處理;若是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)組冷卻水壓過低從而所導(dǎo)致的溫度故障,則需要全面檢查供水泵,并添加適當(dāng)?shù)膫溆盟_保水壓在正常范圍內(nèi);若是因?yàn)榭绽淦鞯倪M(jìn)出閥門開度不夠所導(dǎo)致的故障,則需要針對(duì)具體情況調(diào)整閥門;若是由于空冷器堵塞所引起的水路不暢,就需要采取加壓供水的方式,或者倒換冷卻水;若是空冷器閥芯脫落所導(dǎo)致的故障,就需要有效轉(zhuǎn)移發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷,降低發(fā)電機(jī)組的出力,并有效控制冷、熱風(fēng)的溫度。最后,在確保水電站整體出力及發(fā)電機(jī)組正常的情況下,有效調(diào)整各機(jī)組的負(fù)荷分配。若是以上措施仍無法解決發(fā)電機(jī)組溫度過高的問題,就必須要及時(shí)的聯(lián)系調(diào)度,對(duì)發(fā)電機(jī)組采取停機(jī)維修方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

水輪發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行是確保水電站安全生產(chǎn)的關(guān)鍵所在,對(duì)于水電站水輪發(fā)電機(jī)組修護(hù)人員而言,必須要充分了解發(fā)電機(jī)組在日常運(yùn)行過程當(dāng)中的常見故障,深入挖掘?qū)е鹿收系母驹?,并采取針?duì)性的有效措施,確保能夠在故障發(fā)生時(shí),及時(shí)的解決,將故障所帶來的負(fù)面影響降到最低,最大程度保障水電站的安全生產(chǎn)及供電作用。

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