陸渾水電站高水頭運(yùn)行發(fā)生振動(dòng)和接地問題的分析和處理

孫九順 孫孝亮

(1.河南省陸渾水電站，河南 洛陽 471412；2.武漢國測科技股份有限公司，湖北 武漢 430233)

陸渾水電站高水頭運(yùn)行發(fā)生振動(dòng)和接地問題的分析和處理

孫九順1孫孝亮2

(1.河南省陸渾水電站，河南 洛陽 471412；2.武漢國測科技股份有限公司，湖北 武漢 430233)

通過對水輪機(jī)在超出最高運(yùn)行水頭下運(yùn)行引起振動(dòng)的現(xiàn)象進(jìn)行研究，分析可能引起振動(dòng)的因素，重點(diǎn)對引起共振的原因進(jìn)行闡述，找到避開共振區(qū)的辦法和理論依據(jù)。同時(shí)論述了電站發(fā)生的一起轉(zhuǎn)子接地故障，通過讓電流經(jīng)過接地點(diǎn)，查找準(zhǔn)確故障點(diǎn)的具體辦法和措施。

高水頭；振動(dòng)；接地；處理

1 灌溉洞電站2號(hào)機(jī)高水頭運(yùn)行突發(fā)振動(dòng)問題的分析與處理

灌溉洞電站2號(hào)機(jī)水輪機(jī)型號(hào)HL-240-LJ180，設(shè)計(jì)水頭20.4 m(相當(dāng)于庫水位316 m)，設(shè)計(jì)出力3 200 kW，當(dāng)庫水位升至319.5 m時(shí)，超設(shè)計(jì)額定水頭3.5 m，超最高運(yùn)行水頭1.5 m，機(jī)組振動(dòng)突然明顯增加，當(dāng)負(fù)荷降至1 900 kW時(shí)振動(dòng)才明顯減輕至允許范圍內(nèi)。水輪機(jī)的振動(dòng)可能由多方面原因引起：機(jī)組鏡板底平面與機(jī)組軸線不垂直，造成機(jī)組總軸線產(chǎn)生一個(gè)不平衡力，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)偏心力距，將引起徑向振動(dòng)導(dǎo)致瓦溫升高，翻閱了近一年的運(yùn)行記錄，瓦溫并未有明顯的異常，排除了這方面的原因。經(jīng)過分析我們認(rèn)為，水輪機(jī)在非設(shè)計(jì)允許水頭下運(yùn)行，特別是在超設(shè)計(jì)最大水頭下運(yùn)行，轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口，水流沖角發(fā)生改變，偏離最佳區(qū)域，水流紊亂形成漩渦，再加上整個(gè)轉(zhuǎn)輪出口的旋轉(zhuǎn)水流，在尾水進(jìn)口形成一個(gè)大的漩渦(尾水渦帶)，尾水渦帶稍有偏心就形成脈動(dòng)壓力，使轉(zhuǎn)輪形成旋轉(zhuǎn)徑向推力引起主軸和機(jī)組承重機(jī)架的振動(dòng)。

綜合以上分析，機(jī)組振動(dòng)可能由各種因素綜合造成，2號(hào)機(jī)的振動(dòng)是當(dāng)水位升高到319.5 m附近時(shí)，振動(dòng)突然增加，很有可能在超過最高設(shè)計(jì)水頭時(shí)主要由尾水渦帶引起，并且和各種引起振動(dòng)的因素組合在一起，在一定的條件下形成某一振動(dòng)頻率，如果剛好和機(jī)組固有的頻率一致，就會(huì)發(fā)生共振從而使振動(dòng)突然增加。如何改變機(jī)組的運(yùn)行條件躲過共振區(qū)，通過觀察發(fā)現(xiàn)，灌溉洞尾水渠退水閘有兩孔閘門，雖然我們不能降低庫水位，但可通過抬高尾水，降低落差，使機(jī)組進(jìn)入設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，這樣不但能改變轉(zhuǎn)輪的水流沖角，而且隨著尾水位的升高對尾水渦帶也有一定的穩(wěn)定作用，減輕了脈動(dòng)的影響，關(guān)閉退水閘東孔閘門后，尾水位由1.8 m升至2.7 m，調(diào)整導(dǎo)葉開度負(fù)荷由1 900 kW升至3 000 kW，不但機(jī)組振動(dòng)基本消除，而且比沒有關(guān)閉退水閘東孔閘門前，在負(fù)荷1 900 kW時(shí)運(yùn)行還要穩(wěn)定。

水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)處理的一般原則：機(jī)組振動(dòng)是由多種因素引起，它們相互增加或削弱，在一定條件下形成共振。如果機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)，首先就要分析引起振動(dòng)的原因，確定振動(dòng)的性質(zhì)。假如振動(dòng)主要是由共振引起，只要運(yùn)行條件稍有改變振動(dòng)就會(huì)明顯減弱；假如是機(jī)組本身的原因，不能立即進(jìn)行處理，在消除振動(dòng)之前應(yīng)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測觀察，振動(dòng)是擴(kuò)大還是穩(wěn)定在某一允許的水平，防止?fàn)顟B(tài)惡化造成事故；若振動(dòng)是因超出設(shè)計(jì)最大允許運(yùn)行水頭引起，可根據(jù)實(shí)際情況，通過提高尾水位，相當(dāng)于降低運(yùn)行水頭的辦法來解決，電站多年來在實(shí)際運(yùn)行過程中，通過提高尾水位的辦法，有效地解決了機(jī)組的振動(dòng)問題，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 灌溉洞電站2號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地問題的查找與處理

故障現(xiàn)象：2010年4月份開機(jī)時(shí)，集控臺(tái)發(fā)出轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地信號(hào)，按下復(fù)歸按鈕，無法復(fù)位，證明故障確實(shí)存在，為了檢測接地情況，用100 mA的電流表串入轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地回路，接地電流27 mA，按規(guī)程規(guī)定接地電流最大不能超過10 mA說明發(fā)生了嚴(yán)重的接地故障。

故障分析及查找辦法和處理過程：我們首先取掉集電環(huán)碳刷，讓轉(zhuǎn)子和集電環(huán)斷開，這時(shí)接地信號(hào)消失接地電流為0，這證明接地確實(shí)為轉(zhuǎn)子內(nèi)部接地引起。電站以前曾經(jīng)發(fā)生過多次接地故障，大多數(shù)情況下為轉(zhuǎn)子受潮，經(jīng)常采用的辦法是：開機(jī)升壓至5 kV，通過勵(lì)磁線圈的發(fā)熱和內(nèi)部循環(huán)風(fēng)對轉(zhuǎn)子進(jìn)行烘干，一般經(jīng)過3～4 h，接地信號(hào)都能消失，接地點(diǎn)電流就能減少到允許范圍內(nèi)?？蛇@次經(jīng)過3 h的運(yùn)行，檢測接地電流不但沒有減少反而增加到31 mA，由此基本可以確定，接地非受潮引起，而是實(shí)際存在金屬性接地，我們和廠家聯(lián)系并咨詢了有關(guān)方面的專業(yè)人士，建議吊芯逐個(gè)磁極查找故障點(diǎn)，如果這樣，不但2號(hào)機(jī)不能發(fā)電，在檢修過程中灌溉洞要停水，3號(hào)機(jī)也不能發(fā)電，影響水庫整個(gè)年度調(diào)度計(jì)劃，造成水資源的浪費(fèi)和近百萬的經(jīng)濟(jì)損失，我們翻閱了大量書籍，用盡了我們能夠使用的辦法，都無法準(zhǔn)確找到故障點(diǎn)。經(jīng)過認(rèn)真的分析研究，根據(jù)歐姆定律在電壓一定的情況下抗阻越小電流越大，為了讓接地點(diǎn)和非接地點(diǎn)的電流有明顯的變化，決定電源采用交流電，讓電流通過接地點(diǎn)的方法查找故障，具體做法是：首先用4 mm2的銅線將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和定子鐵芯短接，防止電流通過軸瓦造成燒蝕，用2 kVA的自耦調(diào)壓器，調(diào)節(jié)一個(gè)2 kVA、36 V的行燈變壓器，在二次側(cè)串接15 A、5 Ω的可調(diào)電阻，可防止短路燒壞設(shè)備，實(shí)驗(yàn)前先將2根實(shí)驗(yàn)線N1和N2短接，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器和可調(diào)電阻，使電流達(dá)到10 A，然后斷開電源，N2接在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛上，最后合上電源，用N1分別去連接32個(gè)磁極的進(jìn)線端記錄下電流的數(shù)值，如表1所示。

從表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果來看，30號(hào)磁極電流和N1和N2直接短路電流僅僅相差1 A，而兩邊29號(hào)磁極和31號(hào)磁極又明顯減小，說明理論接地點(diǎn)就在30號(hào)磁極上，為了更準(zhǔn)確地找到故障點(diǎn)，斷開電源，把接地線真接在30號(hào)磁極的磁軛上，為避免電流過大，重新短接N1和N2，通過調(diào)壓器和滑線電阻配合，使短路電流降至5 A，然后去接觸逐匝線圈，找到最大電流的那匝線圈，接著在這匝線圈上逐點(diǎn)去找，相對最大電流點(diǎn)就是故障點(diǎn)，確定理論故障點(diǎn)后，進(jìn)入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，松開磁極固定螺絲，推動(dòng)磁極線圈向定子鐵芯方向移動(dòng)，這樣線圈進(jìn)線端和轉(zhuǎn)子之間就留有5 mm的間隙。重新把實(shí)驗(yàn)線接到30號(hào)磁極線圈上，合上電源，用絕緣棒撬動(dòng)線圈時(shí)，電流有明顯的波動(dòng)，說明這是因線圈移動(dòng)時(shí)接地電阻的變化而因起，為準(zhǔn)確找到故障點(diǎn)，斷開電源，進(jìn)入轉(zhuǎn)子內(nèi)部檢查發(fā)現(xiàn)，第二匝線圈底部和磁極根部絕緣墊有明顯的碳化痕跡，距離理論故障點(diǎn)不到1 cm，更換絕緣墊對線圈底部進(jìn)行處理后，問題很快得到解決。

表1 磁極編號(hào)與電流對應(yīng)表

3 發(fā)生接地故障原因分析及預(yù)防措施

接地點(diǎn)發(fā)生在磁極底部有以下原因造成：發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子溫度高達(dá)100 ℃以上，而且2號(hào)機(jī)冷卻方式為水環(huán)空冷，機(jī)組停后，發(fā)電機(jī)內(nèi)部濕度大，轉(zhuǎn)子鐵芯凝結(jié)有水珠，當(dāng)水珠滑落到底部時(shí)該處絕緣受潮，為發(fā)生接地故障埋下伏筆。在實(shí)際運(yùn)行過程中，又由于轉(zhuǎn)子線圈為感性，線圈電流不能突變，在停機(jī)過程中，斷開滅磁開關(guān)的瞬間在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生高壓，長期多次的積累最終造成絕緣的損壞。

在今后實(shí)際工作中，為盡可能避免轉(zhuǎn)子接地故障的發(fā)生，停機(jī)時(shí)，應(yīng)把勵(lì)磁電流降到最小，再跳滅磁開關(guān)，避免轉(zhuǎn)子線圈高壓的產(chǎn)生，停機(jī)后，應(yīng)及時(shí)關(guān)閉發(fā)電機(jī)的冷卻水，降低發(fā)電機(jī)內(nèi)部的濕度，避免上述原因造成的轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障。

4 結(jié)語

筆者在實(shí)際工作中，通過調(diào)節(jié)尾水閘門，提高尾水位降低凈水頭的方法解決了水輪發(fā)電機(jī)組在超設(shè)計(jì)水位引起的振動(dòng)問題，在其他電站具有一定的借鑒意義。

讓較大電流通過接地點(diǎn)，判斷接地電流的大小來確定故障點(diǎn)，這樣的方法不但適用于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子接地的查找，而且可排除其他電氣設(shè)備難以查找的隱性故障。但是，運(yùn)用此方法有一定的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)根據(jù)情況準(zhǔn)確選擇電壓等級(jí)及串接電阻、接地電流的大小，電流過大容易造成火災(zāi)或者對設(shè)備的徹底損壞，電流太小又不便于分析判斷，運(yùn)用適當(dāng)則可快速準(zhǔn)確地查找到故障點(diǎn)。

2014-10-24

孫九順(1965—)，男，河南洛陽人，工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化、電氣設(shè)備試驗(yàn)與檢修。