巨型水電站水輪發電機運維管理創新

趙曉嘉，喬進國（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南　大理 675702）

巨型水電站水輪發電機運維管理創新

趙曉嘉，喬進國
（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南大理 675702）

小灣機組投運后，電廠通過全面掌握發電機真實性能，加強設計、制造、安裝期間遺留問題攻關，排除設備隱患、消除設備缺陷，改善發電機運行環境，結合在線監測系統與動態分析系統、監視和分析水輪發電機健康狀態，規范化、標準化日常運行維護工作，獲得了一系列先進的巨型水輪發電機運維管理經驗。

巨型水電站；水輪發電機；運行維護；管理；小灣水電站

1　工程概況

小灣水電站正常蓄水位1 240 m，水庫總庫容為149.14億m3，有效庫容為98.95億 m3，水庫具有不完全多年調節能力。電站地下廠房內安裝6臺單機容量為 700 MW的水輪發電機，裝機總容量4 200 MW，電站多年平均發電量為189.9億kW·h。

小灣水電站水輪發電機設計制作安裝難度很大，是世界上該水頭段單機容量最大的水輪發電機，在單機容量700 MW的機組中轉速最高，由此一方面導致發電機定子線棒間距世界最小、線棒絕緣設計制作難度大，推力軸承單位面積受壓大、制作難度系數屬世界第一；另一方面因為轉速高、各部位綜合設計難度大，容易造成各部件的甩油，從而污染發電機定子線棒。機組運行條件苛刻，運行水頭變幅達87 m，最大水頭（251 m）與最小水頭（164 m）比值為1.53，要求水輪機具有寬幅度的水頭適應性、穩定性和高效性。發電機采用密閉自循環、雙路徑向、無風扇空氣冷卻系統，定子線圈上端部采用回風方式冷卻，下端部采用旁路通風方式冷卻，采用全水冷空氣冷卻器的冷卻總容量達9 000 kW，屬世界第一。

小灣水電站已于2010年全部投產，小灣電廠參照全國已投產的大型水電廠的運維管理經驗，解決了設計、制造、安裝期間遺留下來的重大遺留問題，在實際工作中逐步提煉出了一系列先進的巨型水輪發電機運維管理經驗。

2　全面開展水輪發電機試驗， 掌握小灣水輪發電機真實性能

為全面了解和掌握小灣水輪發電機組真實性能，除常規機組性能測試外，電廠在700 MW水輪發電機組上進行了全面的發電機性能試驗，包括三相穩態短路試驗、發電機空載試驗、直軸同步電抗與短路比確定、電話諧波因數測試、電壓波形正弦性畸變率測試、出力試驗、通風試驗、推力軸承試驗、溫升試驗、噪聲測定、零序電抗測試、負序電抗測試、交軸同步電抗Xq測定、飛輪力矩測試、效率及損耗試驗、進相試驗等。上述各試驗檢驗了700 MW級水輪發電機的各項性能指標，掌握了真實的試驗數據，對后續機組運行、維護管理工作打下了堅實的基礎。

3　加強設計、 制造、安裝期間遺留問題攻關，排除設備隱患、消除設備缺陷

3.1發電機電暈問題

由于小灣定子線棒間距較小，各臺機組運行1～2年后，發電機定子線棒均出現不同程度的電暈現象。經分析，電暈原因為：小灣發電機定子繞組原繞線方式中，所有繞組的走線方向一致，造成相鄰的不同相別的線棒之間的電勢差從中性點端的0逐漸變大到出口端的18 kV，引起定子繞組局部電勢差過高、電場分布不均，從而出現電暈。

電廠決定通過發電機定子繞組改接線方式減少電暈現象。原理為：改變一半支路（偶數號支路）的繞組的走線方向，如A相繞組各分支繞組的編號為U1、U2…U8，改變U2、U4、U6和U8這4個（3相共12個）分支繞組的走線方向，使相鄰的不同相別繞組的走線方向相反，使得它們之間的電勢差始終保持在10.4 kV（相電壓）左右，降低繞組間的局部電勢差、改善線棒間的電場分布，以減少電暈的發生。

通過在機組大修期間實施的2號發電機定子改接線效果來看，改接線后電暈大幅減少、電暈強度明顯降低。2號機組修后運行至今，僅發現定子上端部452槽與453槽線棒之間靠近“r”拐角處的上斜邊墊塊處有一處輕微放電點，改善效果明顯。

3.2發電機定子振動偏大問題

小灣水電站各機組在700 MW有功負荷下定子機架、定子鐵心水平振動值均偏大，已超過 GB/ T8564—2003《水輪發電機組安裝技術規范》及合同要求，部分振動值已超過小灣電廠振動一級報警定值（120 μm）。

根據歷次機組振動試驗、定子徑向剛度分析得出，造成定子低頻振動的原因為轉子不圓及定轉子偏心，因此要減少發電機定子振動情況，需改善轉子圓度、減少轉子偏心度。

小灣發電機磁極鍵采用斜向打緊固定，易造成磁極鍵虛打緊、產生松動；機組過速后，磁軛存在殘余變形，沖片切向產生錯牙，也易造成磁極鍵松動，上述現象也會導致機組運行時轉子動態不圓度增大。

電廠結合機組檢修期根據質量標準對1、2、6號發電機轉子圓度進行了處理，以1號機組為例，處理后定子機架及鐵心水平振動由最高107 μm降至最高80 μm，改善效果明顯（1號機組檢修前后發電機定子機架及鐵心振動數據對比見圖1）。計劃在后續機組檢修期間開展如下工作，以顯著改善定子振動情況：提高發電機檢修質量標準，將轉子半徑的最大值與最小值之差控制在0.8 mm以內，最大限度減小轉子的不圓度，將上導、水導軸承盤車數據凈擺度在一個方向上的最大差值控制在0.08 mm以內。在機組大修期間吊出轉子，將磁軛鍵重新打緊到3 mm，重新掛裝磁極，增加0.1 mm厚的超薄磁極鍵調整墊片，以確保打緊磁極鍵，消除離心力引起的磁極膨脹量防止出現虛打緊現象。

圖1　1號機組檢修前后發電機定子機架及鐵心振動數據對比

3.3軸電流偏大問題

軸電流偏大是已投產的大型水輪發電機遇到的一大難題，軸電流偏大會造成各導軸承油膜破壞，嚴重時會造成燒瓦事故。針對小灣各發電機軸電流測值在4～10 A之間的問題，電廠組織進行技術攻關，最終確定由于大軸中心補氣排水裝置集水箱的動、靜止漏環間長期受潮導致局部短路，形成了軸電流回路。現場對大軸中心補氣排水裝置的止漏環梳齒及其連接螺栓、墊片、絕緣套筒等部件整體噴涂絕緣漆處理。2號機組處理前600～650 MW運行時軸電流為4.4 A，處理后相同負荷下運行時軸電流為0.53 A，下降效果明顯。

3.4發電機轉子動態一點接地問題

小灣機組運行過程中也遇到發電機轉子動態一點接地這一難題，2014年小灣多臺機組在運行過程中監控頻報“轉子一點接地保護裝置故障報警（復歸）”、“轉子一點接地保護報警（復歸）”信號，停機后檢查轉子絕緣良好，屬動態接地。經多次檢查分析，發現個別發電機磁極調整墊片過長，與磁極繞組間有刮傷痕跡，經測量導通接地。切除過長的發電機磁極調整墊片并點焊固定，對磁極內側紅漆刮傷點進行補漆后開機試驗，轉子一點接地報警消失，機組運行正常。

3.5發電機空氣冷卻器防滲漏措施及滲漏在線報警裝置加裝

2014年不少大型水輪發電機出現因未及時發現空冷器漏水，造成定子線棒燒損的事故。小灣吸取相關電廠上述教訓，在機組檢修期間吊出所有發電機空氣冷卻器，用氬弧焊將高10 mm的不銹鋼板點焊在各臺空氣冷卻器對應的定子機座下環板上端面，并用樂泰5 699密封膠對未點焊部位進行封堵，在各臺空氣冷卻器對應的定子機座外壁底部鉆兩個φ16的排水孔，將排水管引排至排水溝，并在管路出口加裝滲漏報警裝置。在發電機空氣冷卻器滲漏初期，報警裝置監測到滲漏現象后發出報警信號，運行人員可以及時抵達現場處理，以防止事故擴大。該項目已取得國家實用新型專利。

3.6推力軸承鏡板泵改造

由于推力鏡板泵是第一次在700 MW機組上使用，機組長期運行后發現鏡板泵瓦支架軸與軸孔間出現磨損，鏡板泵瓦卡澀，如不及時處理有可能造成推力冷卻容量不足、推力瓦溫升高，甚至燒瓦事故。

為了保證推力鏡板泵正常運行，小灣電廠開展了推力鏡板泵問題技術攻關，將推力頭與轉子支架、鏡板間加裝了定位銷，有效控制了鏡板和推力頭在機組運行中徑向竄動的現象；并在推力鏡板泵瓦支架軸增加抗磨襯套，泵瓦增加支撐，改造后運行情況良好。

3.7發電機中性點CT改造

由于小灣發電機中性點電流較大（分支引出導體電流達10 000 A以上），檢查發現各臺發電機中性點B相CT吊孔處，澆注絕緣層有不同程度的開裂現象。電廠開展了發電機中性點CT開裂問題技術攻關，最終確定原因為：當發電機帶大負荷運行時，由于電流越大、導體距離CT越近，雜散磁場越強，且B相CT同時受A、C兩相導體大電流產生的雜散磁場作用，該相CT鐵心局部磁密嚴重飽和，鐵心及屏蔽結構長期處于更熱狀態，再加其所處位置通風散熱不利，因此B相CT運行溫度高于A、C兩相，在內外溫差的作用下，導致B相CT出現開裂現象。

電廠決定對中性點CT進行改型，增大直徑以提高散熱能力，提高絕緣等級以提高抗雜散磁場能力及耐熱能力，改型后運行情況良好。

4　發電機運行環境改善措施

發電機的運行環境事關發電機及其附屬設備的健康與使用壽命，小灣水電站為改善與改進發電機運行環境，采取了如下措施。

4.1推力油槽甩油處理

推力軸承甩油會污染水輪發電機及其附屬設備，小灣機組因轉速高，也曾飽受甩油問題困擾。小灣推力軸承甩油由3方面原因造成：推力頭與轉子中心體把合螺栓爬油，推力油盆上密封蓋爬油，以及推力油盆分瓣組合縫密封與下部環形密封的“T”型密封錯位漏油。電廠在推力頭與轉子中心體把合面加工密封槽、安裝了φ8耐油橡膠條，對轉子中心體內銷釘孔進行了封堵，將原推力油盆上蓋板更換為帶隨動式密封條的接觸式油槽蓋板，在推力油盆分瓣組合縫的全接觸面涂抹了密封膠，目前推力油槽甩油現象已得到有效解決。

4.2發電機風洞除濕改造

南方地區地下廠房的發電機風洞內管路結露，是一個常見又較難解決的問題，對發電機定、轉子及其附屬設備的絕緣有直接影響。小灣采取措施確保發電機風洞與外界可靠密封，對發電機風洞內全部水管路增加結露涂層，并將原有小功率除濕機改造為大功率全封閉式除濕機，停機后發電機風洞內的濕度可有效控制在60%以下，發電機空氣冷卻器及風洞內各水系統管路再未出現結露現象，有效防止了發電機定子鐵心銹蝕、相關電氣設備與元器件發潮現象，保障了發電機的正常運行。

4.3制動閘板改造

發電機制動過程中閘板產生粉塵是造成定轉子污染的一個重大污染源，小灣水電站將原制動器閘板更換為非金屬無石棉無塵閘板，目前發電機停機制動過程中已無明顯粉塵，改善效果明顯。

5　結合在線監測系統與動態分析系統， 監視和分析水輪發電機健康狀態

5.1發電機局放在線監測系統

小灣水電站結合機組檢修加裝了發電機局放在線監測系統，通過發電機局放在線監測系統及環境在線監測系統，能在線實時觀察發電機、封閉母線等設備的相關運行數據，并根據該數據進行趨勢分析，掌握設備健康狀況，及時發現設備存在的隱患和問題。

通過狀態監測系統，可以實時監測機組各部位振動擺度、發電機定轉子氣隙運行數據、軸系狀態、定轉子圓度、磁極形貌及相關波形頻譜等（見圖2），也可以選擇任意時間段的歷史數據進行分析。該系統的長期應用，有助于現場人員及時掌握機組運行情況，便于開展發電機運行趨勢分析，并及時調整不利運行工況。

圖2　小灣機組狀態監測系統

5.2數據動態分析平臺

運行人員可根據各機組的特點，結合設備大量的實際運行數據統計情況，對數據動態分析平臺（見圖3）中各項設備運行參數的預警值進行設置，運行參數超過預警值后將在系統中報警。由于計算機監控系統中各運行參數的種類及數據量較大，機組運行過程中該平臺可起到輔助監盤的作用，在大幅降低運行監盤人員的技術門檻的同時，還有助于及時發現設備運行中出現的問題。

通過該系統，現場人員還可以隨時對全廠設備的生產運行數據進行查詢、分析和對比，掌握設備健康狀況變化趨勢，對發現的設備隱患和薄弱環節，制定有針對性的預防控制措施或運行特維措施，保障設備安全穩定運行。

圖3　小灣數據動態分析平臺

6　規范化、 標準化日常運行維護

6.1運行維護巡檢標準化

根據小灣電廠發電設備巡回檢查管理標準及運行規程，運行維護巡檢分為以下幾種：

（1）每天3次的運行交接班巡檢，以及每值1次的運行值班巡檢，對開關站、控制樓配電室、發電機機旁盤、廠用電系統、封閉母線、高廠變、勵磁變、主變、水輪機室、中低壓氣系統、機組技術供水等設備進行重點巡檢。

（2）運行On-call巡檢根據設備安裝部位分為4個區域中，1、2、3號區域每日1次，4號區域每周1次，巡檢項目共計3 172項，包括大電流部件的紅外測溫等工作。

（3）運行班每半個月會對所有機組各進行一次停機后發電機風洞內的定子機座、定子上端線棒、空冷器、制動系統、下擋風板、推力油盆、下導油盆、高壓油頂起裝置、上導油盆下油擋、轉子中心體內部、大軸中心補氣及排水管路、消防管路、粉塵吸收裝置管路、油霧吸收裝置管路、除濕機、排水溝、各電纜橋架等部位的設備進行全面檢查。

（4）維護班、計算機監控班每月對發電機進行專業巡檢及趨勢分析，專業巡檢項目共計4 762項。

上述巡檢發現了發電機空冷器軟連接損壞、空冷器固定壓板螺栓松脫、中性點CT開裂、集電環碳刷打火等重大缺陷，防止了缺陷的擴大。

6.2推行可視化運行、維護、檢修

小灣電廠結合運行、維護、檢修工作，頒布了可視化巡回檢查標準、可視化檢修作業指導書、可視化設備維護管理標準等一系列規程、標準，推出可視化運行操作、巡檢、維護、檢修視頻教學，其中含有可視化巡回檢查項目651項、可視化檢修作業指導書52份、可視化維護工單1 643項。通過視頻、圖片的應用，已顯著提高初學人員的技能學習和掌握速度，并降低人員操作失誤的幾率。

6.3其他方面

小灣電廠為確保水輪發電機的安全穩定運行，積極探索并采取了如下措施：增加發電機轉子勵磁系統刷握與碳刷，定期檢查并更換磨損量較大的碳刷，消除集電環碳刷打火現象，在集電環內增加測溫裝置，對集電環內溫度進行實時監視；對高壓油頂起裝置程序進行優化，增加雙電源切換裝置；加裝了HDJ交流竄入直流監測裝置，具備交流竄直流故障記憶和報警功能，便于故障點查找及故障消除；所有連接螺栓均涂抹了螺栓緊固劑，重要螺栓加裝了止動墊片等防松動措施并做好防松標記，便于巡檢人員對螺栓松動情況進行檢查；每次檢修均用工業內窺鏡對發電機轉子極間支撐螺栓、螺母進行檢查；發電機風洞入口裝有金屬探測器，防止物品未經登記便帶入風洞；在機組運行中噪音較大的區域進口加裝了噪音檢測系統，出現噪音異常立即在監控系統報警；并計劃2015年在發電機風洞內加裝紅外線攝像頭，對水輪發電機運行中外圍設備的發熱情況進行在線觀測，并實現越限報警。

7　結語

小灣水電廠在先進的運維管理理念的指導下，充分結合現場實際，各臺機組均實現投產后180 d內無非計劃停運，投產多年無非計劃

劃停運，積累了豐富的700 MW級水輪發電機的運維經驗。小灣電廠將持續推進運行、維護及檢修管理的規范化、標準化、流程化、信息化，不斷更新700 MW級水輪發電機的運維新成績。

［1］哈動國家水力發電設備工程技術研究中心有限公司.巨型水輪發電機定子振動評估及技術解決方案［R］.哈爾濱：哈動國家水力發電設備工程技術研究中心有限公司，2014.

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［3］陳家恒，王超，李燕云.小灣水電站典型電氣事故隱患分析與解決方案［J］.水力發電，2011（9）：65-68.

［4］梁朝弼.小灣電廠發電機電暈處理方法［J］.云南水力發電，2012 （4）：124-127.

［5］趙七美.大型水輪發電機定子定位筋安裝技術［J］.水電站機電技術，2009（5）：41-44.

（責任編輯高瑜）

Innovation on Operation and Maintenance Management of Hydro-Generators in Giant Hydropower Station

ZHAO Xiaojia，QIAO Jinguo
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

A series of advanced operation and maintenance management experiences of giant hydro-generators are achieved through a full grasping of generator's real performance，strengthening researches on the remaining issues of design，manufacture and installation of unit，removing hidden trouble and eliminating defects of equipments，improving operating environment of generators，monitoring and analyzing the health state of generators based on online monitoring system and dynamic analysis system，and implementing standardized routine operation and maintenance.

giant hydropower station；hydro-generator；operation and maintenance；management；Xiaowan Hydropower Station

TM312（274）

A

0559-9342（2015）10-0025-04

2015-07-28

趙曉嘉（1987—），男，河南靈寶人，工程師，主要從事水電站生產技術管理工作.