陸渾水電站高水頭運行發(fā)生振動和接地問題的分析和處理

孫九順 孫孝亮

(1.河南省陸渾水電站，河南 洛陽 471412；2.武漢國測科技股份有限公司，湖北 武漢 430233)

陸渾水電站高水頭運行發(fā)生振動和接地問題的分析和處理

孫九順1孫孝亮2

(1.河南省陸渾水電站，河南 洛陽 471412；2.武漢國測科技股份有限公司，湖北 武漢 430233)

通過對水輪機在超出最高運行水頭下運行引起振動的現(xiàn)象進行研究，分析可能引起振動的因素，重點對引起共振的原因進行闡述，找到避開共振區(qū)的辦法和理論依據(jù)。同時論述了電站發(fā)生的一起轉(zhuǎn)子接地故障，通過讓電流經(jīng)過接地點，查找準(zhǔn)確故障點的具體辦法和措施。

高水頭；振動；接地；處理

1 灌溉洞電站2號機高水頭運行突發(fā)振動問題的分析與處理

灌溉洞電站2號機水輪機型號HL-240-LJ180，設(shè)計水頭20.4 m(相當(dāng)于庫水位316 m)，設(shè)計出力3 200 kW，當(dāng)庫水位升至319.5 m時，超設(shè)計額定水頭3.5 m，超最高運行水頭1.5 m，機組振動突然明顯增加，當(dāng)負荷降至1 900 kW時振動才明顯減輕至允許范圍內(nèi)。水輪機的振動可能由多方面原因引起：機組鏡板底平面與機組軸線不垂直，造成機組總軸線產(chǎn)生一個不平衡力，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生一個偏心力距，將引起徑向振動導(dǎo)致瓦溫升高，翻閱了近一年的運行記錄，瓦溫并未有明顯的異常，排除了這方面的原因。經(jīng)過分析我們認為，水輪機在非設(shè)計允許水頭下運行，特別是在超設(shè)計最大水頭下運行，轉(zhuǎn)輪葉片進口，水流沖角發(fā)生改變，偏離最佳區(qū)域，水流紊亂形成漩渦，再加上整個轉(zhuǎn)輪出口的旋轉(zhuǎn)水流，在尾水進口形成一個大的漩渦(尾水渦帶)，尾水渦帶稍有偏心就形成脈動壓力，使轉(zhuǎn)輪形成旋轉(zhuǎn)徑向推力引起主軸和機組承重機架的振動。

綜合以上分析，機組振動可能由各種因素綜合造成，2號機的振動是當(dāng)水位升高到319.5 m附近時，振動突然增加，很有可能在超過最高設(shè)計水頭時主要由尾水渦帶引起，并且和各種引起振動的因素組合在一起，在一定的條件下形成某一振動頻率，如果剛好和機組固有的頻率一致，就會發(fā)生共振從而使振動突然增加。如何改變機組的運行條件躲過共振區(qū)，通過觀察發(fā)現(xiàn)，灌溉洞尾水渠退水閘有兩孔閘門，雖然我們不能降低庫水位，但可通過抬高尾水，降低落差，使機組進入設(shè)計允許范圍內(nèi)，這樣不但能改變轉(zhuǎn)輪的水流沖角，而且隨著尾水位的升高對尾水渦帶也有一定的穩(wěn)定作用，減輕了脈動的影響，關(guān)閉退水閘東孔閘門后，尾水位由1.8 m升至2.7 m，調(diào)整導(dǎo)葉開度負荷由1 900 kW升至3 000 kW，不但機組振動基本消除，而且比沒有關(guān)閉退水閘東孔閘門前，在負荷1 900 kW時運行還要穩(wěn)定。

水輪發(fā)電機振動處理的一般原則：機組振動是由多種因素引起，它們相互增加或削弱，在一定條件下形成共振。如果機組出現(xiàn)振動，首先就要分析引起振動的原因，確定振動的性質(zhì)。假如振動主要是由共振引起，只要運行條件稍有改變振動就會明顯減弱；假如是機組本身的原因，不能立即進行處理，在消除振動之前應(yīng)進行跟蹤監(jiān)測觀察，振動是擴大還是穩(wěn)定在某一允許的水平，防止?fàn)顟B(tài)惡化造成事故；若振動是因超出設(shè)計最大允許運行水頭引起，可根據(jù)實際情況，通過提高尾水位，相當(dāng)于降低運行水頭的辦法來解決，電站多年來在實際運行過程中，通過提高尾水位的辦法，有效地解決了機組的振動問題，并取得了良好的經(jīng)濟效益。

2 灌溉洞電站2號機轉(zhuǎn)子一點接地問題的查找與處理

故障現(xiàn)象：2010年4月份開機時，集控臺發(fā)出轉(zhuǎn)子一點接地信號，按下復(fù)歸按鈕，無法復(fù)位，證明故障確實存在，為了檢測接地情況，用100 mA的電流表串入轉(zhuǎn)子一點接地回路，接地電流27 mA，按規(guī)程規(guī)定接地電流最大不能超過10 mA說明發(fā)生了嚴(yán)重的接地故障。

故障分析及查找辦法和處理過程：我們首先取掉集電環(huán)碳刷，讓轉(zhuǎn)子和集電環(huán)斷開，這時接地信號消失接地電流為0，這證明接地確實為轉(zhuǎn)子內(nèi)部接地引起。電站以前曾經(jīng)發(fā)生過多次接地故障，大多數(shù)情況下為轉(zhuǎn)子受潮，經(jīng)常采用的辦法是：開機升壓至5 kV，通過勵磁線圈的發(fā)熱和內(nèi)部循環(huán)風(fēng)對轉(zhuǎn)子進行烘干，一般經(jīng)過3～4 h，接地信號都能消失，接地點電流就能減少到允許范圍內(nèi)。可這次經(jīng)過3 h的運行，檢測接地電流不但沒有減少反而增加到31 mA，由此基本可以確定，接地非受潮引起，而是實際存在金屬性接地，我們和廠家聯(lián)系并咨詢了有關(guān)方面的專業(yè)人士，建議吊芯逐個磁極查找故障點，如果這樣，不但2號機不能發(fā)電，在檢修過程中灌溉洞要停水，3號機也不能發(fā)電，影響水庫整個年度調(diào)度計劃，造成水資源的浪費和近百萬的經(jīng)濟損失，我們翻閱了大量書籍，用盡了我們能夠使用的辦法，都無法準(zhǔn)確找到故障點。經(jīng)過認真的分析研究，根據(jù)歐姆定律在電壓一定的情況下抗阻越小電流越大，為了讓接地點和非接地點的電流有明顯的變化，決定電源采用交流電，讓電流通過接地點的方法查找故障，具體做法是：首先用4 mm2的銅線將發(fā)動機轉(zhuǎn)子和定子鐵芯短接，防止電流通過軸瓦造成燒蝕，用2 kVA的自耦調(diào)壓器，調(diào)節(jié)一個2 kVA、36 V的行燈變壓器，在二次側(cè)串接15 A、5 Ω的可調(diào)電阻，可防止短路燒壞設(shè)備，實驗前先將2根實驗線N1和N2短接，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器和可調(diào)電阻，使電流達到10 A，然后斷開電源，N2接在發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁軛上，最后合上電源，用N1分別去連接32個磁極的進線端記錄下電流的數(shù)值，如表1所示。

從表中實驗數(shù)據(jù)結(jié)果來看，30號磁極電流和N1和N2直接短路電流僅僅相差1 A，而兩邊29號磁極和31號磁極又明顯減小，說明理論接地點就在30號磁極上，為了更準(zhǔn)確地找到故障點，斷開電源，把接地線真接在30號磁極的磁軛上，為避免電流過大，重新短接N1和N2，通過調(diào)壓器和滑線電阻配合，使短路電流降至5 A，然后去接觸逐匝線圈，找到最大電流的那匝線圈，接著在這匝線圈上逐點去找，相對最大電流點就是故障點，確定理論故障點后，進入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，松開磁極固定螺絲，推動磁極線圈向定子鐵芯方向移動，這樣線圈進線端和轉(zhuǎn)子之間就留有5 mm的間隙。重新把實驗線接到30號磁極線圈上，合上電源，用絕緣棒撬動線圈時，電流有明顯的波動，說明這是因線圈移動時接地電阻的變化而因起，為準(zhǔn)確找到故障點，斷開電源，進入轉(zhuǎn)子內(nèi)部檢查發(fā)現(xiàn)，第二匝線圈底部和磁極根部絕緣墊有明顯的碳化痕跡，距離理論故障點不到1 cm，更換絕緣墊對線圈底部進行處理后，問題很快得到解決。

表1 磁極編號與電流對應(yīng)表

3 發(fā)生接地故障原因分析及預(yù)防措施

接地點發(fā)生在磁極底部有以下原因造成：發(fā)電機運行時轉(zhuǎn)子溫度高達100 ℃以上，而且2號機冷卻方式為水環(huán)空冷，機組停后，發(fā)電機內(nèi)部濕度大，轉(zhuǎn)子鐵芯凝結(jié)有水珠，當(dāng)水珠滑落到底部時該處絕緣受潮，為發(fā)生接地故障埋下伏筆。在實際運行過程中，又由于轉(zhuǎn)子線圈為感性，線圈電流不能突變，在停機過程中，斷開滅磁開關(guān)的瞬間在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生高壓，長期多次的積累最終造成絕緣的損壞。

在今后實際工作中，為盡可能避免轉(zhuǎn)子接地故障的發(fā)生，停機時，應(yīng)把勵磁電流降到最小，再跳滅磁開關(guān)，避免轉(zhuǎn)子線圈高壓的產(chǎn)生，停機后，應(yīng)及時關(guān)閉發(fā)電機的冷卻水，降低發(fā)電機內(nèi)部的濕度，避免上述原因造成的轉(zhuǎn)子一點接地故障。

4 結(jié)語

筆者在實際工作中，通過調(diào)節(jié)尾水閘門，提高尾水位降低凈水頭的方法解決了水輪發(fā)電機組在超設(shè)計水位引起的振動問題，在其他電站具有一定的借鑒意義。

讓較大電流通過接地點，判斷接地電流的大小來確定故障點，這樣的方法不但適用于發(fā)動機轉(zhuǎn)子接地的查找，而且可排除其他電氣設(shè)備難以查找的隱性故障。但是，運用此方法有一定的風(fēng)險，應(yīng)根據(jù)情況準(zhǔn)確選擇電壓等級及串接電阻、接地電流的大小，電流過大容易造成火災(zāi)或者對設(shè)備的徹底損壞，電流太小又不便于分析判斷，運用適當(dāng)則可快速準(zhǔn)確地查找到故障點。

2014-10-24

孫九順(1965—)，男，河南洛陽人，工程師，研究方向：電氣自動化、電氣設(shè)備試驗與檢修。