燈泡貫流式水輪發(fā)電機運行與維護的幾點注意事項

李敏

（湖南瀟湘水電站，湖南 永州 425000）

燈泡貫流式水輪發(fā)電機運行與維護的幾點注意事項

李敏

（湖南瀟湘水電站，湖南 永州 425000）

針對目前燈泡貫流式水輪發(fā)電機頻繁出現(xiàn)故障的現(xiàn)象，通過加強對機組潤滑油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的維護，加強對發(fā)電機絕緣監(jiān)視、溫度監(jiān)視、油污監(jiān)視等手段可以大大減少發(fā)電機故障的發(fā)生，延長發(fā)電機的大修周期，確保發(fā)電機安全、長周期地運行。

水輪發(fā)電機；潤滑油系統(tǒng)；絕緣監(jiān)視；溫度監(jiān)視；短路

1 前言

目前我國低水頭徑流式水電站的裝機容量在不斷的增加，自20世紀(jì)90年代以來，燈泡貫流式水輪發(fā)電機組由于效率高、投資少，建設(shè)工期短，特別適宜低水頭電站的開發(fā)而得到迅速發(fā)展，特別是近10年以來，燈泡貫流式水電站的裝機容量在不斷的增加。由于該機組是一種新型機組，在對發(fā)電機組的運行與維護方面目前還未有一套完整的標(biāo)準(zhǔn)，均是參照運行與維護經(jīng)驗較成熟的混流式水輪發(fā)電機組相關(guān)的規(guī)程進行運行與維護。但由于貫流式機組的特殊結(jié)構(gòu)，給運行與維護帶來了許多不便之處，特別是對機組進行大修與其他類型的機組相比工作量大得多，檢修很不方便。因此，如何加強貫流式水輪發(fā)電機的運行與維護，確保機組長周期可靠、安全運行就顯得十分重要，筆者通過多年的實踐經(jīng)驗總結(jié)了以下幾點注意事項，能夠確保機組安全、可靠運行。

2 加強機組潤滑油系統(tǒng)維護

由于貫流式水輪機的特殊結(jié)構(gòu)，與混流式等常見機組的結(jié)構(gòu)有很大的不同，混流式機組的潤滑油無需循環(huán)，而貫流式機組軸承及推力瓦用油均需進行循環(huán)冷卻供油，供油正常（正常的流量和油溫）是確保水輪機及發(fā)電機軸承正常的必要條件。由于貫流式機組在20世紀(jì)90年代才在國內(nèi)逐步應(yīng)用，運行和設(shè)計經(jīng)驗仍在不斷的積累過程中，在貫流式水電站中燒毀機組軸承軸瓦成為了很常見的事故，這類事故維修工期一般均在2個月以上，造成的直接和間接經(jīng)濟損失均很大。而造成這類事故絕大部原因是潤滑油系統(tǒng)故障引發(fā)的。因此加強潤滑油系統(tǒng)的維護顯得十分重要。為確保機組潤滑油系統(tǒng)可靠工作，應(yīng)注意以下幾方面。

2.1 設(shè)計、配置可靠的潤滑油中斷回路

自動化回路的可靠性直接影響潤滑油系統(tǒng)的正常工作。對于潤滑油系統(tǒng)自動化回路，一般主要配置高位油箱用于啟備用油泵的“油位偏低”和用于報警的“油位過低”的液位開關(guān)，低位油箱設(shè)計用于報警的“油位過高”和“油位過低”的液位開關(guān)，對于正推、反推、水導(dǎo)、電導(dǎo)軸承一般各設(shè)計1個流量開關(guān)監(jiān)視其油的流量是否正常。在總潤滑回油管路設(shè)計1個流量開關(guān)監(jiān)視總的回油流量，并根據(jù)總的回油流量中斷判據(jù)執(zhí)行事故停機流程。這種通常設(shè)計表面上是正確的，但卻存在很大的安全隱患，由于目前的流量開關(guān)均是熱導(dǎo)式流量開關(guān)，其動作可靠性受到油溫及油質(zhì)的影響很大，經(jīng)常出現(xiàn)拒動現(xiàn)象，如果在潤滑油中斷時而流量開關(guān)拒動將會使軸承軸瓦燒毀。同時，由于貫流機組各軸承、軸瓦供油量均較大，即使流量開關(guān)可靠動作，如在回油中斷時再事故停機，各軸承、軸瓦的溫度已迅速上升，在停機過程中也會使軸承、軸瓦燒毀。因此，判斷潤滑油中斷事故停機的最好的主判據(jù)應(yīng)是“高位油箱油位”，即在高位油箱設(shè)置“事故停機油位”液位開關(guān)，當(dāng)高位油箱油位下降至即將耗盡油量的位置時動作，機組LCU執(zhí)行事故停機程序。這樣確保機組在停機過程仍能供油。同時應(yīng)將電導(dǎo)、水導(dǎo)供油中斷及總回油流量中斷作為事故停機的判據(jù)，這相當(dāng)于是“高位油箱事故低油位”的后備保護，當(dāng)事故低油位拒動時，也能將機組安全停下。

2.2 配置可靠的潤滑油泵控制程序和控制電路

一個完善的潤滑油泵控制程序和控制電路對機組潤滑油系統(tǒng)的可靠工作起到重要作用。貫流式機組只要運轉(zhuǎn)，潤滑油就不能中斷，潤滑油泵就得連續(xù)工作，因此，機組LCU控制程序應(yīng)達到如下功能：在機組非停機狀態(tài)下，始終要保持1臺油泵在運行狀態(tài)，無論在什么情況下正在運行的油泵退出運行，應(yīng)有語音故障信號提醒值班人員，同時應(yīng)無條件啟動另1臺油泵，當(dāng)兩臺油泵同時停止時，應(yīng)有語音事故信號，提醒值班人員進行緊急處理。同時程序應(yīng)實時對高位油箱的油位進行監(jiān)視，當(dāng)收到“油位過低”的信號時應(yīng)啟動備用潤滑油泵，同時發(fā)出語音故障信號提醒值班人員，將油補充至正常油位時退出備用油泵。只有這樣才可確保其可靠工作。

3 加強發(fā)電機定子絕緣的監(jiān)視

發(fā)電機定子主絕緣是同時在電場作用下和機械（振動）作用下工作的，這使其抗電強度大大降低，主絕緣擊穿后將會使發(fā)電機定子繞組燒毀，且其擊穿具有不可逆性，因此平時加強發(fā)電機的絕緣監(jiān)視意義十分重大。而發(fā)電機主絕緣擊穿最常見的有電擊穿、熱擊穿和電化學(xué)擊穿。

發(fā)電機投運后，需要趁機會不定期的對發(fā)電機絕緣進行監(jiān)視，由于燈泡貫流式發(fā)電機定子采用臥式結(jié)構(gòu)，整個機組在水里，機組的振動較大，環(huán)境潮濕，散熱條件不好，這些都會加劇絕緣的老化，特別是很容易受潮。因此在豐水季節(jié)趁發(fā)電機停機時，應(yīng)及時測量發(fā)電機的絕緣，而停機時間較長時，在開機前還要測量其絕緣。因為定子在水里，發(fā)電機長周期運行其定子及鐵心的溫度可達100℃左右，而定子外壁、流道內(nèi)水溫一般在20℃左右。這樣當(dāng)機組停機后，定子內(nèi)外溫差很大，定子線圈的冷卻速度很快，從而在定子主絕緣表面凝結(jié)水露，使主絕緣表面受潮，筆者曾對單機容量為13 MW的燈泡貫流式發(fā)電機做過試驗，在機組剛停機時（線圈溫度為80℃）測得定子的吸收比為800/60，而停機48 h后，測得定子的吸收比為40/20，在2 d之后絕緣下降許多，其主要原因是定子線圈外表結(jié)水受潮所致。當(dāng)絕緣降低后，電導(dǎo)將大大增加，如果絕緣降低到允許值以下，當(dāng)發(fā)電機在起勵建壓或是并網(wǎng)操作出現(xiàn)操作過電壓時，就有可能使機組線圈的絕緣擊穿而燒毀機組。特別是針對有先天缺陷（如三相絕緣不平衡、三相泄漏電流不平衡等）的發(fā)電機更要注意加強其絕緣的監(jiān)視，如果檢查到其絕緣下降到相關(guān)注意值時，在開機前應(yīng)對其進行干燥處理，讓絕緣恢復(fù)至允許范圍，再對其進行建壓，防止絕緣的擊穿，這一點對貫流式機組要特別注意，加強防范。

4 加強發(fā)電機的溫度監(jiān)視

根據(jù)固體介質(zhì)的擊穿理論可知，固體介質(zhì)的熱擊穿電壓與環(huán)境溫度、電壓作用時間、電壓頻率、介質(zhì)的散熱條件以及絕緣本身的導(dǎo)熱系數(shù)等因素有關(guān)，而環(huán)境溫度是引起絕緣老化最主要的因素之一。貫流式機組采用全密封式結(jié)構(gòu)，散熱條件不好，主要用強迫風(fēng)循環(huán)散熱，發(fā)電機內(nèi)部的溫度是隨著定子、轉(zhuǎn)子電流的增加而增加，根據(jù)發(fā)熱公式W=I2Rt可知，運行中的發(fā)電機溫度與電流的平方及時間成正比，電流增加時，發(fā)熱量成平方的增加，如果散熱效果不好會導(dǎo)致溫度進一步升高，使絕緣老化，當(dāng)介質(zhì)中有局部缺陷特別是貫通性缺陷時，介質(zhì)中就有電流流過，加之發(fā)電機本身溫度高，很有可能擊穿，因此，發(fā)電機在運行時要控制其溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)，在日常維護時要注意以下幾點：

（1）發(fā)電機溫度較高時，要加強監(jiān)視，加強冷卻效果，如果發(fā)電機溫度較高，寧愿采取降低負(fù)荷運行方式，減小電流的熱效應(yīng)，確保機組的安全運行，特別在環(huán)境較高的夏天，更應(yīng)注意此項。

（2）日常維護檢修中，加強對發(fā)電機冷卻系統(tǒng)的維護，定期檢查冷卻風(fēng)機的風(fēng)量是否正常，其電機性能是否良好，確保機組運行時冷卻風(fēng)機可靠運行。同時定期檢查冷卻水系統(tǒng)的流量及壓力，發(fā)現(xiàn)異常時應(yīng)趁機進行處理，并且應(yīng)定期對空氣冷卻器進行清洗，確保冷卻器的冷卻效果。

（3）加強對發(fā)電機測溫系統(tǒng)的維護，定期對相關(guān)的溫控儀、溫度巡檢儀及測溫電阻進行試驗檢查，使其能準(zhǔn)確、實時的反映各測溫點溫度的實際值。

而針對絕緣存在先天性缺陷或是在運行中發(fā)現(xiàn)發(fā)電機的絕緣有局部缺陷時，更應(yīng)注重溫度的監(jiān)視與維護，一般發(fā)電機在運行時定子溫度較高，而在停機后，由于電流的熱效應(yīng)失去，發(fā)電機定子溫度迅速降低，特別溫差較大的春天，如果機組停機時，發(fā)電機的溫度會很快從工作溫度下降到環(huán)境溫度，所用的時間約1.5 h左右，這樣快的降溫速度，導(dǎo)致發(fā)電機絕緣表面與芯線的溫度變化很大，使之在表面凝結(jié)水珠，導(dǎo)致絕緣表面受潮，同時溫度的急劇變化會使絕緣開裂，甚至碎化。

因此，在停機時應(yīng)立即關(guān)閉發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)，同時應(yīng)立刻投入加熱器，控制發(fā)電機機堂內(nèi)溫度，避免機組受潮，而當(dāng)機組停機幾個小時后絕緣表面已受潮再投入加熱器時，作用已不大，因為發(fā)電機設(shè)計加熱器是防潮，而不是起到干燥作用。

5 防止發(fā)電機出口端短路

電流除了有熱效應(yīng)，還有電動力的作用，根據(jù)公式：F＝0.2Kx侏1侏2/a可知，電動力的大小與電流成正比，電流越大，電動力的作用越大。正常情況下（帶額定負(fù)荷）發(fā)電機的定子電流的電動力作用不會使線圈變形，但強大的沖擊電流有可能導(dǎo)致線圈變形、主絕緣起殼、彎曲變形，甚至開裂，進而發(fā)生絕緣擊穿事故，而發(fā)電機在其出口端短路時，短路沖擊電流最大，對發(fā)電機的危害也最大，因此在發(fā)電機出口端應(yīng)嚴(yán)格防止短路事故的發(fā)生。某電站剛投運時發(fā)電機絕緣良好，但投運兩年的時間里3臺發(fā)電機先后經(jīng)歷過兩次升壓變壓器低壓側(cè)三相短路事故，導(dǎo)致后來3臺機組各有一相絕緣較其他兩相低，直流泄漏電流也偏大，這和短路電流使主絕緣局部受損有很大的關(guān)系。

同時，由于貫流式水電站的水頭較低，一般離城市較近，發(fā)電機與系統(tǒng)聯(lián)接較緊密（聯(lián)絡(luò)阻抗小），如果該發(fā)電機在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時（如接地、相間短路），對發(fā)電機的沖擊也較大，筆者曾觀察到變比為10/110 kV的水電站，當(dāng)系統(tǒng)中35 kV系統(tǒng)發(fā)生故障時，發(fā)電機的沖擊電流可達1.5倍的額定電流，為此要防止發(fā)電機出口端短路，就要加強對發(fā)電機相關(guān)配電設(shè)備的巡視與維護，并定期進行試驗，及時發(fā)現(xiàn)主設(shè)備的缺陷，同時提高配電設(shè)備繼電保護和自動裝置的可靠性，當(dāng)被保護設(shè)備出現(xiàn)故障時迅速、可靠切除故障，減少短路電流對發(fā)電機線圈及主絕緣的沖擊。而針對與系統(tǒng)聯(lián)接緊密的發(fā)電機，當(dāng)系統(tǒng)對機組影響較大時，應(yīng)考慮裝設(shè)限制發(fā)電機短路電流的裝置（如電抗器等）。

6 加強發(fā)電機粉塵及油污的監(jiān)視

燈泡貫流式水輪發(fā)電機的特殊結(jié)構(gòu)，特別是轉(zhuǎn)槳式的水輪發(fā)電機組，其受油器設(shè)計安裝在發(fā)電機側(cè)，加之發(fā)電機機堂內(nèi)的徑向軸承，使發(fā)電機有可能受到油霧及油污的影響，如果受油器漏油，將直接污染到定子、轉(zhuǎn)子及集電環(huán)，當(dāng)油漏在定子線圈表面時，由集電環(huán)產(chǎn)生的碳粉會粘附在其表面，長期在高溫的作用下，對主絕緣將會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕作用，從而使絕緣局部受損。同時油污及碳粉粘附在滑環(huán)表面時，會使轉(zhuǎn)子絕緣降低，甚至?xí)霈F(xiàn)因油污及碳粉形成的接地故障。為此，應(yīng)定期對發(fā)電機進行檢查，利用停機的機會進入發(fā)電機機膛內(nèi)及時發(fā)現(xiàn)并清理油污，確保發(fā)電機的清潔，而對集電環(huán)更應(yīng)定期清理其碳粉及油污。

7 結(jié)束語

燈泡貫流式水輪發(fā)電機雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢修不便，但通過日常加強絕緣的監(jiān)視與維護、加強溫度及油污的監(jiān)視，及時發(fā)現(xiàn)發(fā)電機潛在的缺陷并及時處理，可確保發(fā)電機長周期可靠、安全的運行。

[1]李學(xué)良.發(fā)電機定子線棒溫升試驗及分析[J].水力發(fā)電，2002 （19）：52-53.

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[3]劉 云.水輪發(fā)電機故障處理與檢修[M].北京:中國水利水電出版社.

TK730.8

：B

：1672-5387（2017）03-0051-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.016

2016-09-29

李 敏（1980-），女，工程師，從事貫流水電站機電設(shè)備技術(shù)管理工作。