水力發(fā)電設備運行狀態(tài)故障分析與檢修

王軼

（中國華電集團四川華電雜谷腦水電開發(fā)有限責任公司，四川成都 610000）

0 引言

水力發(fā)電是一種清潔、可再生的能源，具有儲能性和靈活性等優(yōu)點，廣泛應用于各個領域。隨著能源需求的不斷增長和環(huán)境保護意識的加強，水力發(fā)電在全球范圍內得到了越來越廣泛的應用。然而，水力發(fā)電設備的故障率較高，一旦發(fā)生故障，將會對電網穩(wěn)定運行和電力供應產生不利影響。因此，研究水力發(fā)電設備的故障分析和檢修方法，提高水力發(fā)電設備的可靠性和安全性，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 水力發(fā)電設備的基本結構和工作原理

1.1 水力發(fā)電設備的基本結構

水力發(fā)電設備由水輪機、發(fā)電機、調速器、調壓器、水利設備等組成。其中，水輪機是轉化水能為機械能的裝置；發(fā)電機是將水輪機輸出的機械能轉化為電能的裝置；調速器和調壓器是控制水輪機的轉速和出水壓力的裝置；水利設備是供水、排水和防洪的設施。

1.2 水力發(fā)電設備的工作原理

水力發(fā)電設備的工作原理是將水的動能轉化為機械能，再將機械能轉化為電能。整個過程包括水的引水、水輪機的轉動、發(fā)電機的發(fā)電和電能的輸送4 個環(huán)節(jié)[1]。

（1）水的引水，水力發(fā)電設備的第一步是將水引入引水渠道或水輪機進口處。引水渠道一般包括水庫、大壩、引水隧道和進水口，引水渠道的設計和建設對水力發(fā)電設備的發(fā)電量和穩(wěn)定性有著至關重要的作用。水流進入引水渠道后，經過流量計和閘門等調節(jié)設備，控制水流量和水頭，為水輪機提供足夠的水源。

（2）水輪機的轉動，當水流進入水輪機時，水輪機葉片將水流動能轉化為機械能，使水輪機開始轉動。水輪機的轉速和發(fā)電機的額定轉速一般不同，需要通過調速器來控制水輪機的轉速，以滿足發(fā)電機的電能需求。水輪機的轉動一般有兩種方式：一種是水平軸式水輪機，另一種是垂直軸式水輪機。

（3）發(fā)電機的發(fā)電，水輪機的轉動產生機械能，通過聯(lián)軸器和減速器傳遞到發(fā)電機轉子上，使其旋轉。發(fā)電機的轉子中的磁場與定子中的繞組之間產生電磁感應，從而使得定子繞組中的電能轉化為電能輸出。發(fā)電機輸出的電能一般是交流電，經過變壓器升壓后輸送到變電站，進一步加工為適用于輸送和使用的電能[2]。

（4）電能的輸送，電能輸送是指將發(fā)電機發(fā)出的電能從水力發(fā)電設備輸送到用電地點的過程。輸送電能需要通過變電站進行升壓和輸送，同時通過電力線路和變壓器等設備輸送到用電地點，滿足電力用戶的用電需求。

2 水力發(fā)電設備的故障分析和檢修方法

2.1 水力發(fā)電設備常見故障類型及其產生原因

2.1.1 發(fā)動機的故障

（1）軸承故障，軸承是發(fā)動機中非常重要的部件之一，它主要的功能是支撐發(fā)動機中的轉子和定子，以及減少它們之間的摩擦，使發(fā)動機能夠正常運轉。但是，軸承也容易發(fā)生故障，這可能會導致發(fā)動機失效或產生嚴重的損壞。軸承故障的主要原因之一是潤滑不良。當軸承的潤滑不足或潤滑油污染時，會導致軸承過度磨損和熱損傷，從而降低軸承的壽命。潤滑不良可能是由于油泵故障、油路堵塞、油壓過低、油溫過高或油品質量不良等原因引起的。另一個導致軸承故障的原因是磨損過度。軸承在長時間的使用過程中，會因為受到高速旋轉和負載的影響，導致軸承表面磨損。如果磨損過度，就會導致軸承松動，從而導致發(fā)動機產生振動和噪音。

（2）絕緣老化，絕緣材料在發(fā)動機中起著非常重要的作用，它主要用于隔離導體，保證發(fā)動機正常運行。然而，隨著使用時間的增加，絕緣材料可能會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，從而影響絕緣性能，導致發(fā)動機故障。絕緣老化的主要原因之一是高溫。發(fā)動機在工作過程中會產生高溫，而高溫會導致絕緣材料中的樹脂和添加劑分解，從而降低絕緣材料的強度和耐用性。此外，高溫還會導致絕緣材料變形和開裂，從而降低絕緣材料的隔離性能[3]。另一個導致絕緣老化的原因是濕度。當發(fā)動機運行時，周圍的濕度可能會對絕緣材料產生不良影響。濕度可能會導致絕緣材料中的水分分解，從而降低絕緣材料的強度和耐用性。此外，濕度還會促進絕緣材料中的化學反應，從而導致絕緣材料的老化和劣化。

（3）短路故障，短路故障是發(fā)動機中常見的故障之一，它會導致電路中的電流過大，可能會引起電路過載、損壞電子元件等問題。短路故障的主要原因包括絕緣老化、接線不良等。絕緣老化是導致短路故障的主要原因之一。在發(fā)動機中，許多電線和電纜被用于連接各種電子設備，這些電線和電纜包覆著絕緣材料以隔離電線和電纜之間的電流。然而，隨著使用時間的增加，絕緣材料可能會老化和破裂，從而導致電線之間出現(xiàn)短路。另一個導致短路故障的原因是接線不良。在發(fā)動機中，許多電子設備都需要連接到電源和控制電路中，如果電線或電纜連接不牢固或接觸不良，可能會導致電流無法流動或電路短路。

2.1.2 變壓器的故障

（1）溫度過高，溫度過高是導致變壓器損壞的常見原因之一。變壓器在工作時會產生一定的熱量，如果散熱不良或過載等原因導致溫度過高，會對變壓器的絕緣和鐵芯造成損害。變壓器工作時需要不斷地將熱量散發(fā)出去，如果變壓器的散熱不良，熱量就會在變壓器內部積聚，導致溫度過高。例如，如果變壓器安裝的位置不合適，或者散熱器的設計不合理，都可能導致散熱不良。當變壓器輸出功率超過額定功率時，就會導致變壓器過載，從而產生過多的熱量。如果過載時間過長，會導致變壓器繞組和絕緣材料的老化和損壞，從而降低變壓器的使用壽命。

（2）繞組短路，變壓器繞組短路是指變壓器中的兩個或多個線圈之間出現(xiàn)短路現(xiàn)象。繞組短路是變壓器中最常見的故障之一，其主要原因包括絕緣老化、電氣過載等。變壓器中的繞組通常由絕緣材料包裹，隨著使用時間的增加，絕緣材料會因為環(huán)境因素（潮濕、高溫）和電場作用而老化，絕緣材料的老化程度會逐漸加劇，最終會導致絕緣材料的擊穿和短路。當變壓器承受的負載超過其額定負載時，就會發(fā)生電氣過載。由于負載過重，繞組的電流就會超過額定電流，導致繞組溫度升高，這樣就會使得絕緣材料變脆，最終導致繞組短路。

（3）絕緣老化，絕緣老化是變壓器常見的故障之一，它是指絕緣材料隨著使用時間的增加而失去絕緣性能的現(xiàn)象。絕緣材料在變壓器中主要起到隔離和保護的作用，一旦絕緣老化，就會導致電器故障和事故，影響變壓器的安全運行。

首先是高溫，長時間高溫環(huán)境下，絕緣材料會因為熱量的影響而老化，溫度越高，絕緣老化的速度也越快。其次是濕度，濕度過高會導致絕緣材料中的水分子被吸收，從而引起絕緣老化。此外，變壓器本身的材料老化也是導致絕緣老化的原因之一。變壓器中使用的絕緣材料有橡膠、絕緣紙等多種材料，長時間使用后，這些材料會因為各種因素而老化，導致絕緣性能下降。

2.2 水力發(fā)電設備故障的處理方法

2.2.1 變壓器的檢修方法

（1）溫度過高，變壓器溫度過高時，需要檢查變壓器的散熱系統(tǒng)是否正常工作，同時對變壓器的絕緣性能進行檢查。首先，檢查散熱系統(tǒng)，變壓器散熱系統(tǒng)是保證變壓器正常運行的重要組成部分。如果散熱不良，會導致變壓器溫度過高。因此，需要檢查變壓器的冷卻風扇、散熱器、冷卻油等散熱系統(tǒng)的工作情況是否正常。如果發(fā)現(xiàn)異常，需要及時進行修理或更換。其次，檢查絕緣性能，變壓器絕緣性能是保證變壓器正常運行的另一個重要因素。絕緣老化、損壞等問題都可能導致變壓器溫度過高。因此，需要進行絕緣性能的檢查。可以使用絕緣電阻測試儀來測試絕緣電阻是否達到規(guī)定標準。如果發(fā)現(xiàn)絕緣電阻不足，需要進行絕緣材料的更換或維修[4]。最后，檢查變壓器的電氣連接，電氣連接不良也可能導致變壓器溫度過高。因此，需要檢查變壓器的電氣連接情況是否正常。如果發(fā)現(xiàn)電氣連接不良，需要進行緊固或更換電氣連接器。

（2）繞組短路，當變壓器出現(xiàn)繞組短路故障時，需要進行以下步驟來解決問題：①安全措施。在進行檢查和維修前，必須先斷開電源并采取安全措施，以免發(fā)生意外事故。②檢查線圈。首先需要檢查變壓器中的線圈，找出具體的短路點。這可以通過使用高電壓電路測試儀或歐姆表等工具進行檢查。如果有任何破損或者局部短路，則要將受影響的線圈更換或進行修復。③找出故障原因。除了檢查線圈外，還需要檢查引起故障的其他因素，例如可能的過載情況，絕緣材料的老化等等。這可以通過對變壓器進行全面的檢查和測試來進行確認。④維修和更換。一旦確定了故障原因，需要根據(jù)情況進行維修和更換。對于比較嚴重的繞組短路問題，可能需要更換整個變壓器或者更換其中一個或多個線圈。⑤測試和檢驗。最后需要對修復后的變壓器進行測試和檢驗，確保其工作正常。這可以通過使用高電壓測試儀或其他專業(yè)測試設備來完成。

（3）絕緣老化，變壓器絕緣老化是變壓器運行中的一種常見故障，對于絕緣老化的處理，需要進行絕緣性能測試和及時修復。首先，變壓器絕緣老化后，其絕緣性能將會下降，導致變壓器的安全性和穩(wěn)定性受到影響。因此，對于變壓器絕緣老化的處理，需要首先進行絕緣性能測試，以確定變壓器絕緣性能的實際情況。其次，對于絕緣老化導致的變壓器故障，需要進行深入分析，找出故障的原因。一般來說，絕緣老化的原因有很多，包括高溫、濕度、電場應力等因素。需要對變壓器的使用環(huán)境進行分析，查看是否存在高溫、潮濕等不利因素，是否存在電場應力集中等問題。同時，還需要檢查變壓器繞組、接線等部件，確定是否存在機械損傷等問題。最后，針對絕緣老化導致的變壓器故障，需要進行及時的修復，同時，需要注意保護變壓器的其他部件，避免二次損傷。

2.2.2 發(fā)動機的檢修方法

（1）軸承故障，發(fā)動機軸承是支撐轉子和定子的關鍵部件之一，如果軸承損壞或磨損過度，會導致發(fā)動機產生振動或噪音，甚至停機。因此，在發(fā)現(xiàn)軸承故障時，必須及時進行檢查和測試，以找出故障原因并進行修復。首先，進行軸承的檢查和測試。檢查時可以使用裸眼或顯微鏡等工具觀察軸承表面是否有磨損或劃痕等情況，檢查軸承是否松動或變形。測試時可以使用振動分析儀等設備進行振動測試，以確定軸承的運行狀況。其次，需要注意軸承的潤滑情況。潤滑不良是導致軸承故障的常見原因之一。因此，對軸承的潤滑進行維護非常重要。潤滑方式包括油潤滑和脂潤滑兩種。油潤滑一般適用于高速軸承，脂潤滑適用于低速高承載的軸承。需要根據(jù)軸承的工作條件選擇合適的潤滑方式，并定期進行潤滑維護。

（2）絕緣老化，發(fā)動機絕緣老化是指發(fā)動機中的絕緣材料隨著使用時間的增加，會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，從而影響絕緣性能。發(fā)動機絕緣老化的主要原因包括高溫、濕度等環(huán)境因素，以及發(fā)動機本身的材料老化等。當發(fā)動機絕緣老化時，會降低絕緣性能，導致電氣故障，甚至可能引起安全事故。因此，需要對發(fā)動機的絕緣性能進行測試，找出故障原因并及時修復。常用的絕緣性能測試包括絕緣電阻測試和介質損耗測試。絕緣電阻測試是指對發(fā)動機繞組和絕緣層之間的絕緣電阻進行測試，判斷絕緣狀態(tài)是否良好。介質損耗測試是指對發(fā)動機的介質損耗進行測試，判斷介質是否老化，影響絕緣性能。進行絕緣性能測試時，要先將發(fā)動機停機，并斷開電源，保證安全。然后對發(fā)動機的繞組和絕緣層進行清潔，避免測試結果的誤差。接著進行絕緣電阻測試和介質損耗測試，根據(jù)測試結果判斷絕緣狀態(tài)是否良好。

（3）短路故障，發(fā)動機中的短路故障是指電路中的兩個或多個導體之間出現(xiàn)短路現(xiàn)象，可能導致發(fā)動機無法正常工作甚至引發(fā)火災等嚴重后果。因此，在發(fā)動機出現(xiàn)短路故障時，需要及時進行檢查和維修。首先，需要對發(fā)動機電路進行仔細的檢查。通過檢查電路中的各種連接器、插頭和線束等，找出是否有明顯的接線不良、接觸不良或者短路等問題。同時，要使用萬用表等測試工具對電路進行測試，測量電路中各點之間的電阻、電壓和電流等參數(shù)，以判斷是否存在短路故障。其次，需要注意發(fā)動機接線的維護[5]。在使用過程中，電線和連接器等易受損部位會逐漸老化或磨損，導致接線不良，甚至發(fā)生短路故障。因此，需要及時對電線和連接器等部位進行檢查和維護，保持其良好的狀態(tài)。

3 結語

本文通過對水力發(fā)電設備的基本結構和工作原理、故障分析和檢修方法、實例分析等方面的研究，總結了水力發(fā)電設備故障診斷和處理的方法和技術，并提出了一些改進和完善的建議。隨著水力發(fā)電技術的不斷發(fā)展和進步，對水力發(fā)電設備的故障診斷和處理方法也將不斷進行改進和完善，以提高水力發(fā)電設備的安全性和穩(wěn)定性，為社會經濟發(fā)展做出貢獻。