水輪發電機組運行穩定性檢測與故障探究

李多龍

（云南華電金沙江中游水電開發有限公司梨園發電分公司，云南 昆明 650228）

水輪發電機組是水電廠重要設備，它的穩定性不僅直接關系到電廠設備的經濟性，還會直接影響電網的穩定性和電網效益。隨著水輪發電機組的增多，質量也開始出現問題，因為設計、制造、安裝、運行等方面不合格造成設備運行頻率不適當，引發水輪發電機組局部出現共振和擺振。所以研究水輪發電機組穩定性具有重要的實際價值。筆者總結水輪發電機穩定性存在問題，分析其中原因，針對水輪發電機組運行特點和故障特點針對性提出診斷策略。

1 影響水輪發電機組穩定的基本因素

1.1 設計方面

一些電廠為了追求過高的能量指標，過度提高水輪機和機組的效率，選擇不恰當的設計方案。一個原因是選擇水輪發電機組同步轉速時沒有進行深入分析，讓發電機最高和最低水頭比例不恰當，超過正常范圍；另一原因是發電機組補氣措施過于薄弱，導致水輪發電機組不穩定范圍增加，超過正常范圍35%以上，部分發電機組甚至超過75%。導致水輪發電機在運行時會時間處于漩渦運動中，強大壓力脈動和空腔脫流容易出現強力振動，情況嚴重時還會導致水錘脫落。

1.2 電網電源

因為水輪發電組長期承擔調峰填谷、調頻、調相、事故備用的任務，所以水輪發電機經常會偏離額定范圍運行。在復雜情況下水輪發電機輪轉進出口出現異常，高負荷沖擊干擾區、低負荷振動區和補氣區情況時有發生，導致機組軸系運行狀態不佳，軸承系統、支撐結構功能逐漸失效，機組性能不穩定加劇。

1.3 上下游水位和運行水頭變化

在水電站計劃和投產時期，上下游水位、運行水頭經常發生變化，使得水輪發電機無法保持在最佳狀態，這是影響水輪發電機組穩定性的重要原因。因為水輪機只能在固定范圍運行，所以在低水頭低負荷、高水頭負荷情況下會發生撞擊、脫流，出現強烈沖擊振動，嚴重情況還會出現穿透性裂紋。

2 造成水輪發電機組不穩定的原因

水輪發電機組不穩定原因歸結起來可以分成三個方面：水輪發電機組的水利干擾、機械干擾、電磁干擾。

2.1 水利干擾

水力穩定性會直接影響到水輪發電機組的穩定性，這是水電機組的特征之一。從水輪發電機組運行狀態分析包括：不均勻的水力隨機振動、卡門渦列引起的水輪機轉輪葉片渦振、上下迷宮環不規則振動、高水頭低負荷尾水管渦帶造成的低頻振動等。這些振動特征會反應在水輪發電機組軸系、軸承系統、支撐部件、水輪機及其過流部件的壓力鋼管、迷宮環、頂蓋等設備上，嚴重時會影響廠房基礎，造成水輪發電機整體結構振動。

2.2 機械干擾

水輪發電機組是低轉速機械設備，如果其結構、制造、安裝等方面存在問題會造成機組運行過程中時軸不對中、曲折、傾斜、間隙過大、支撐部件受力不均勻、固定機架剛度不夠和機械徑向力增大的周期性振動、非周期性振動或者強烈共振。這些變化信號會集中在機組軸承、轉子軸系等設備上反應，進一步影響水輪發電機組整體結構。

2.3 電磁干擾

電磁干擾也是影響水輪發電機組穩定的因素之一，根據情況可分為兩類：轉頻振動和極頻振動，這種兩種振動形成電磁振動。

其中轉頻振動是因為轉子外圓和定子內腔不圓、轉子靜定無法平衡引起的定轉子間氣隙不均勻而導致，這種強烈的轉頻激擾力是導致機組的主要震源之一。極頻震動是由于水輪發電機長期工作而產生，機器內部受熱膨脹，這種變化會造成各個部位內應力變化不一致，導致定子鐵芯整體結構變化，鋼片松動。

并且，定子鐵芯的徑向、組合縫超過臨界切向應力，造成機器組合縫疊片不穩定，當機組空載運行、冷態運行時還會出現猛烈的定子振動。這些電磁振動會反應在機組軸承、轉子軸系、固定部件的上下機架等設備上影響水輪發電組整體結構穩定性。

3 水輪發電機組故障診斷

3.1 狀態監測

水輪發電機組穩定性是評價其性能的三大指標之一，有三個參數：機組擺渡、機組振動、機組的水力特征參數，檢測和診斷機組運行除了這三個參數外還需要考慮發電機電磁振動相關系數、推力軸承相關參數，全方位檢測機組。考慮到水輪發電機組的故障原因和信號特點，可以從機組轉子軸系、機組過流部件、推力軸承、機組噪音等在機組運動中的表現來確定。

（1）機組導軸承和轉子軸系。這一項主要檢測轉子軸系運行和軸承運行狀態兩方面，在機組三部導軸承上根據上導處、下導處、水導處設置六個監測點，分析機組擺度的時域、相位、軸系運行軌跡等信息；可以選擇軸承油盆進出口油溫、油位、導軸承瓦的瓦溫、冷卻器水進出口的水壓、水溫等信息分析附設系統對導軸承、轉子軸系穩定性的影響效果，從而進一步分析影響因素。

（2）發電機電磁振動。檢測發電機組電磁振動是檢測機組運行過程中電氣參數、定轉子結構狀態的重要依據。發電機組轉頻振動檢測項目有發電機氣隙、轉子動不平衡、定轉子整體溫度等；發電機極頻振動檢測是檢查定子鐵芯是否松動、組合縫是否穩定。根據發電機定轉子結構特點和具體尺寸，在定子槽選擇4～8 個監測點，通過分析得出定轉子具體狀態、氣隙變化和其他變化信號，從而分析水輪發電機組運行時的狀態和變化趨勢。

（3）機組噪音。水輪發電機組在運行過程中會出現噪音，一方面會對環境造成影響，另一方面也是分析機組振動穩定的重要數據。要根據水輪發電機組結構和尺寸在水輪機和尾水管等部分進行噪音檢測，根據數據分析發電機組運行狀態。

3.2 信號分析

水輪發電機組設備信號可以分為三類：周期信號、非周期信號、隨機信號。水輪發電機運行過程中會出現集中低頻隨機信號，根據這一特點可以分析出機組運行的周期，這種分析方式比較特殊也具有一定難度。還可以采集機組振動、擺度、壓力等信息，多方面檢測信號，提高檢測結果準確性。在處理信號時尤其要重視低頻隨機信號，可以借助低頻濾波、混合濾波等技術。

依據機組運動設備穩定性信號檢測機組運動狀態是目前常用的檢測方式，因為水輪機組屬于旋轉機械，具有自身獨特性，所以在進行信號分析時要對時域、頻域、時差域等信號做分析。還要分析水輪發電機組自身的獨特信號，包括幅值域、軸心軌跡、軸線運動軌跡等、極坐標等信息。利用機械信號分析功能和水輪發電機組的獨特信號可以全面分析機組整體穩定性，建立信號分析模塊，對水輪發電機導軸承、轉子軸系、過流部件、固定部件等部位分析，可以得出機組穩定實際情況和故障特征。

3.3 故障診斷專家系統

利用水輪發電機組運行穩定性信號可以及時找出機組特征信號和故障特征，這是分析機穩定性故障的基礎，然后借助專家系統完成故障診斷和機組運行趨勢分析。

檢測機組設備故障的方式很多，例如：專家系統的診斷、模糊理論的診斷、灰色理論的診斷、神經系統網絡診斷，這些診斷方式都有自身特點，適用不同情況。現在多數發電機廠會選擇專家系統系統，這種診斷方式雖然有一定欠缺，但是在知識表示和獲取、推理機制、控制策略等方面具有較為豐富的理論知識，這讓專家系統診斷具有可靠性。

因為水輪發電機組比較復雜、層次多、各部件藕聯性強，導致機組運行中各個部分信號會相互干擾和作用，診斷結果不確定。檢測要重視時效性，盡量得出單一性結果，所以給檢測帶來很大壓力。所以，其他故障檢測方法要適當融合到診斷專家系統中，形成子系統得出診斷意見，然后融合成綜合診斷結果，得出狀態檢修結果。

4 結語

水輪發電機組是國內外水力發電廠中經常使用的設備，其穩定性直接影響到整個機組的經濟價值和安全性。水力不穩定是導致水輪發電組穩定性不足的最常見因素，因為水力原因造成過流部件變化。可以根據檢測信號集中反應部分進行劃分，從導軸承和轉子軸系、機組過流部件、機組固定部件等項目進行檢測，根據水輪發電機組特征選擇和布置測點進行信號檢測和處理。分析水輪發電機組穩定性故障特征和特有的復雜性，應該根據地域特點選擇和水電廠機組運行相適應的診斷方式，如診斷專家系統，提高檢測的效率。