水電站水輪發電機組常見故障技術處理

王國剛

（中國葛洲壩集團機電建設有限公司，四川成都 610000）

1 水電站水輪發電機運行概述

1.1 水輪發電機的運行方式

水輪機是一種利用水能轉化為機械能的裝置，它將水的能量轉化為旋轉動能，驅動發電機轉動，從而產生電能。水輪發電機組廣泛應用于水力發電行業，高效利用水能對可再生能源的開發和利用具有重要意義。

水輪發電機的運行方式通常包括以下4個步驟。（1）進水。水輪發電機需要從水源中引入水以驅動水輪機。通常情況下，水源來自水壩、水庫、河流或者海洋。（2）旋轉水輪機。水流經水輪機的葉片，產生旋轉動力，將水能轉化為機械能。水輪機的旋轉速度通常較低，但扭矩大，因此可以驅動發電機高速旋轉。（3）旋轉發電機。水輪機驅動發電機的轉子旋轉，使發電機的線圈在磁場的作用下產生電動勢，從而產生電能。發電機的輸出電壓和頻率與旋轉速度和磁場強度有關，通常需要調節和控制才能得到穩定的電能輸出[1]。（4）輸電。發電后的電能通過輸電線路輸送到需要用電的地方，為人們的日常生活和生產提供電力。

需要注意的是，水輪發電機的運行需要有穩定的水源，并且需要對水流的流量和水位進行控制和調節，以保證水輪機和發電機的穩定運行。同時，不同類型水輪發電機的運行方式有所差異。例如，斜流水輪機和混流水輪機的運行原理和特點與傳統的輪盤水輪機有所不同。

1.2 水輪發電機組的結構

水輪發電機組通常由水輪機、發電機、調速機構、軸承和機械密封等組成。（1）水輪機。水輪機是將水的能量轉化為機械能的裝置，水輪葉片是最關鍵的部分，它們負責將水能轉化為機械能，并帶動水輪機旋轉。葉片的結構和形狀可以根據不同的水流條件進行優化和設計。（2）發電機。發電機是將機械能轉化為電能的裝置，發電機的結構通常包括定子、轉子、電樞、電刷、軸承等部分。轉子是發電機的旋轉部分，由磁極和繞組組成；定子則是靜止的部分，由電樞和繞組組成。發電機的輸出電壓和頻率與轉子旋轉速度和磁場強度有關，因此需要通過調速機構控制水輪機的轉速，以保證發電機的輸出電壓和頻率穩定[2]。（3）調速機構。調速機構是控制水輪機轉速的裝置，通常包括水力控制系統和電氣控制系統。水力控制系統通過控制進入水輪機的水流量和流速實現調速；電氣控制系統則通過調節發電機的勵磁電流和電阻實現調速。（4）軸承。軸承是支撐水輪機和發電機轉子的重要部分，它能夠減少轉子的摩擦和磨損，并支持轉子的重量和離心力。常見的軸承包括滾動軸承和滑動軸承等。（5）機械密封。機械密封是保證水輪機和發電機運行穩定的重要部分，它能夠防止水和油等介質泄漏，同時也能夠防止空氣和灰塵等雜質進入機器內部，常見的機械密封包括旋轉密封和端面密封等。

2 水電站水輪發電機組運行中常見的故障

2.1 溫度故障

其一，溫度過高。水輪發電機組的各個部件在運行中會產生熱量，如水輪機葉片與水摩擦產生的熱量、發電機電樞電阻產生的熱量等。如果這些熱量不能及時散發出去，就會導致溫度升高，引起溫度故障。溫度過高可能導致葉片變形、電繞組燒壞等問題，進而影響水輪發電機組的安全穩定運行。其二，溫度過低。在低溫環境下，水輪發電機組的部件可能變得十分脆弱，甚至出現開裂等故障。同時，低溫環境還可能導致油潤滑不良，增加部件磨損和損壞的風險。

2.2 電氣故障

第一，電繞組短路。電繞組短路是指發電機內部繞組中兩個或多個相之間出現短路，可能的原因包括繞組絕緣老化、電繞組內部雜物等。電繞組短路導致發電機輸出功率下降，甚至發生故障停機。解決方法一般是更換電繞組或修復絕緣的方法解決。第二，絕緣損壞。發電機內部繞組絕緣層損壞或老化也可能導致故障。絕緣損壞可能導致電流泄漏、電壓不穩定等問題。解決方法是對絕緣進行維護或更換[3]。第三，過熱。發電機長時間運行，可能導致內部電器部件過熱。過熱可能導致電繞組絕緣老化、設備壽命縮短等問題。解決方法是增加散熱裝置，保證設備運行在適宜的溫度范圍內。第四，電氣接觸不良。發電機內部連接頭、接線端子等部件可能出現松動或接觸不良，這種故障可能導致電阻增加、電壓下降等問題。解決方法是檢查和緊固連接頭、接線端子等。第五，外部短路。發電機輸出端可能出現對地或對其他電氣部件的短路，這種故障可能會導致設備損壞、火災等嚴重后果。解決方法是加強絕緣，防止外部短路。

2.3 機械故障

第一，軸承故障。水輪發電機組轉子是通過軸承支撐的，長時間運行后可能出現軸承磨損、過熱等問題。軸承故障會導致轉子不平衡，甚至造成設備停機。解決方法是定期檢查和更換軸承。第二，轉子不平衡。轉子不平衡是指轉子在運行過程中出現質量分布不均勻，導致振動增大。轉子不平衡可能導致軸承故障、機組振動增大等問題，進一步影響設備壽命。解決方法是通過動平衡技術對轉子進行校正。第三，機械損傷。機械損傷可能是由于設備長時間運行或各種外部因素（如顆粒物、噪聲等）導致的，損傷主要包括葉片磨損、軸承磨損、齒輪損傷等，機械損傷會導致機組性能下降，甚至設備停機。解決方法是根據具體情況對受損部件進行修復或更換。第四，內部泄漏。內部泄漏是指發電機內部機油、水等物質泄漏到其他部位，可能導致電氣部件受損、機械部件腐蝕等問題。解決方法是檢查泄漏部位，維護和更換密封件。

3 水電站水輪發電機組運行常見故障技術處理

3.1 強化硬件設計

第一，選用高品質的軸承和材料，有效延長設備的壽命，減少軸承故障和機械損傷的發生。合適的材料也可以提高設備的耐腐蝕性和耐磨性，減少內部泄漏的發生。PCL技術可以應用于材料的選型和測試，確保材料的質量和性能符合設備要求。第二，通過動平衡技術對轉子進行校正，避免轉子不平衡導致的故障。PCL技術可以用于轉子的動態測試和分析，幫助確定動平衡方案和優化方案效果[4]。第三，采用先進的潤滑系統，降低設備運行過程中的磨損和摩擦，減少機械損傷的發生。PCL技術可以應用于潤滑系統的設計和優化，確保潤滑系統的性能和效果符合設備要求。第四，通過智能監控系統實時監測設備的運行狀態，及時發現機械故障并預防潛在的機械故障。PCL技術可以應用于智能監控系統的開發和優化，提高監控精度和可靠性。第五，采用PCL技術進行優化和測試，確保措施的實施效果符合設備要求，從而降低機械故障的發生率，保障水輪發電機組的安全穩定運行。

3.2 裝配檢修系統

通過裝配水輪發電機檢修系統進行檢修，無線傳感技術、數據庫、大數據分析和智能警報系統的應用可以實現設備的智能化維護和檢修，提高設備的可靠性和安全性，減少機械故障的發生。具體而言，包含以下幾方面內容。第一，無線傳感技術。通過安裝無線傳感器，實時監測水輪發電機的運行狀態和故障信息，準確判斷設備運行狀況和維護需求。同時，無線傳感技術可以收集設備的數據信息，為后續大數據分析提供支持。第二，建立完整的數據庫。將收集的數據信息進行整合和存儲，建立完整的數據庫，為后續的分析和判斷提供可靠的數據支持。同時，可以建立歷史數據，用于比對和參考。第三，大數據分析。利用大數據技術對收集的數據信息進行分析，對設備運行狀況進行預測和診斷，提前預防機械故障的發生。同時，可以針對設備的運行情況進行優化和調整，提高設備的運行效率，延長設備的使用壽命。第四，安裝智能警報系統。根據設備的運行狀態和故障信息，設置智能警報系統，及時提醒維護人員進行維修和處理，避免故障進一步擴大而損害設備。

3.3 采用高溫處理技術

第一，在水輪發電機的正常運行過程中，由于機械摩擦和電磁感應等因素，發電機內部產生高溫，影響設備的壽命和穩定性。采用高溫處理技術，可以使發電機的材料經過一定的處理后具備更好的耐高溫性能，能夠更好地應對高溫環境，減少溫度故障的發生。第二，電氣故障是水輪發電機運行中常見的問題之一，其原因可能包括絕緣老化、接觸不良、電路短路等。采用高溫處理技術，可以提高電氣元器件的耐高溫性能，減少因高溫導致的電氣故障。第三，機械故障可能包括軸承損壞、齒輪磨損等問題，這些故障往往會導致設備的損壞和停機維修。采用高溫處理技術，可以對軸承和齒輪等關鍵部件進行強化處理，提高其抗磨損性能和耐用性能，減少機械故障的發生[5]。

3.4 強化日常維護

為了解決水輪發電機組運行中存在的各類問題，需要強化日常維護工作。第一，溫度監測。對水輪發電機組內部的溫度進行實時監測，可以采用溫度傳感器和自動控制系統等技術實現，一旦發現溫度異常，及時進行處理，避免溫度故障的發生。第二，電氣檢測。對水輪發電機組的電氣元器件進行定期檢測，包括檢查接線是否松動、電纜是否老化、電路是否短路等，發現問題及時進行修復或更換[6]。第三，潤滑維護。定期對水輪發電機組的潤滑系統進行檢查和維護，包括檢查油液的質量和液位、清洗油路和濾芯等，確保潤滑系統的正常運行，減少機械故障的發生。第四，檢修計劃。建立完整的水輪發電機組檢修計劃，對設備進行定期檢修和維護，包括清洗、檢查和更換關鍵部件，以延長設備的壽命，提高設備的穩定性。第五，數據庫管理。建立完整的水輪發電機組數據庫，記錄設備的使用情況、維修記錄和故障信息等，通過大數據分析技術，及時發現設備的問題并進行預防和處理。第六，智能警報系統。安裝智能警報系統，及時發現設備的異常情況并進行預警，減少故障的發生，降低不必要的損失。第七，人員培訓[7]。加強維護人員的培訓，提高相關人員對設備的認識和維護能力，使其能夠及時發現設備問題并進行處理。

4 結語

水電站水輪發電機組是我國清潔能源發電設備中的重要組成部分，經常出現各種故障，為生產帶來了嚴重的影響。通過強化硬件設計等多種處理方法，可以有效解決水輪發電機組運行中存在的各類問題，提高設備的可靠性和穩定性，促進清潔能源的發展和應用。通過不斷探索和創新，能夠進一步提高水輪發電機組的運行效率和安全性，為我國的清潔能源事業做出更大的貢獻。