試析水輪發(fā)電機組的常見電氣故障與維護

王塞北　王亞楠

摘要：對水電站水輪發(fā)電機組的工作原理、組成及故障診斷進行了簡要介紹，分析了水輪發(fā)電機組的3個常見電氣故障，并提出了水輪發(fā)電機組的維護策略。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機;水電站;電氣故障;日常維護

1 水電站水輪發(fā)電機組概況

1.1? ? 水輪發(fā)電機工作原理

水輪發(fā)電機是一種以水輪機為原動力，將水能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機械能，從而帶動發(fā)電機發(fā)出電能的一種機械，是水電站必不可少的核心設(shè)備之一。其具體工作原理是當水流流過水輪機轉(zhuǎn)輪時，會帶動水輪機轉(zhuǎn)動，水的機械能轉(zhuǎn)化成水輪機的機械能，而水輪機轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機的轉(zhuǎn)子相連，水輪機轉(zhuǎn)動可以帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，進而產(chǎn)生電能。

1.2? ? 水輪發(fā)電機組成

水輪發(fā)電機由轉(zhuǎn)子、定子和勵磁裝置等主要部件組成[1]。機座、鐵芯和繞組等各個部件組成了定子，通過其配合運行達到水輪發(fā)電機組穩(wěn)定運行的效果。轉(zhuǎn)子是用來保證水輪發(fā)動機組正常且穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的部件，由輪轂、風扇、主軸裝置組成。為了保證水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，一般水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量比較大，因此，水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子一般較為笨重，不易移動。而勵磁裝置則為笨重的轉(zhuǎn)子提供穩(wěn)定的發(fā)電能量，給水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子提供磁場，使轉(zhuǎn)子和定子之間有穩(wěn)定的磁場，保證整個水輪發(fā)電機組的正常運行。水輪發(fā)電機組的各個部件各司其職，配合工作，進而將水的機械能轉(zhuǎn)化為電能，保證水力發(fā)電廠的正常工作。

1.3? ? 水輪發(fā)電機故障診斷

水輪發(fā)電機故障診斷是其維修工作中非常重要的環(huán)節(jié)之一，也是影響維修成功與否的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。水輪發(fā)電機的故障診斷需要診斷人員具備較強的專業(yè)水平和豐富的維修經(jīng)驗。

水輪發(fā)電機故障診斷的第一步是對設(shè)備外觀進行觀察，根據(jù)設(shè)備外觀上的一些特點判斷設(shè)備的使用情況和可能發(fā)生的問題，包括了解確定設(shè)備的型號、使用年限等信息，以進一步對設(shè)備故障進行判斷和維修。對于不同的故障類型，設(shè)備會有不同的外觀反映，有些外觀反映比較明顯，維修人員可以快速辨認故障類型并進行處理，而有些外觀反映并不顯眼，需要維修人員在充分了解各類故障的基礎(chǔ)上進行進一步細節(jié)觀察，保證對故障的觀察判斷更加清晰、準確，以便于后續(xù)維修工作的開展。

水輪發(fā)電機故障診斷的第二步是要詳細詢問水力發(fā)電廠工作人員，了解設(shè)備日常的工作情況以及設(shè)備在發(fā)生故障前后的操作情況、設(shè)備的具體故障狀況等，了解設(shè)備日常的使用頻率，水電站日常對該設(shè)備的管理方法、保養(yǎng)方法等。這些都有助于檢測維修人員對設(shè)備的故障程度進行準確分析。同時，檢測維修人員需要在處理該設(shè)備問題以外，對該水電廠的工作人員，特別是設(shè)備的管理維護人員，補充關(guān)于設(shè)備的日常護理和保養(yǎng)知識，保證設(shè)備日常的使用和維護沒有問題，防止多次產(chǎn)生設(shè)備故障，延長設(shè)備使用壽命。

最后，設(shè)備故障檢測需要借助一些專業(yè)儀器，專業(yè)的精密儀器可以有效、快速地對設(shè)備故障點進行分析，幫助維修人員提高維修效率，減少維修人員不必要的設(shè)備檢查等工作，減輕檢測維修人員的工作量。

2 水輪發(fā)電機常見電氣故障

水輪發(fā)電機常見故障一般分為電氣故障和機械故障兩部分，電氣故障一般包括超負荷運轉(zhuǎn)、溫度過高和轉(zhuǎn)子接地等，機械故障一般包括空蝕和振動等。

2.1? ? 發(fā)電機組超負荷運轉(zhuǎn)

對于一般的水輪發(fā)電機組來講，定子部分的電流超過額定電流的110%即可視為超負荷工作。在超負荷狀態(tài)下工作的發(fā)電機組會有警告提示，由于設(shè)備的過載保護被打破，設(shè)備運轉(zhuǎn)出現(xiàn)問題，無法正常工作。長時間處于超負荷工作狀態(tài)的設(shè)備會影響整個設(shè)備發(fā)電效率，導致發(fā)電廠發(fā)電計劃難以正常完成。

首先，為了防止發(fā)電機組超負荷運轉(zhuǎn)產(chǎn)生故障，在設(shè)備正常工作時，工作人員可以適當降低設(shè)備發(fā)出的無用功率，適當降低勵磁電流，防止出現(xiàn)超負荷運轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，影響設(shè)備工作效率。工作人員需要額外注意設(shè)備的運行功率，保證其在正常工作閾值范圍內(nèi)，防止設(shè)備出現(xiàn)超負荷工作狀態(tài)。如果仍然出現(xiàn)意外情況，設(shè)備出現(xiàn)了超負荷工作狀態(tài)，則需要工作人員及時降低工作機組的勵磁電流，防止設(shè)備長時間低效率工作對發(fā)電廠運行產(chǎn)生影響。工作人員需要結(jié)合水輪發(fā)電機組運轉(zhuǎn)的實際情況，調(diào)整工作機組的勵磁電流。

2.2? ? 轉(zhuǎn)子接地故障

轉(zhuǎn)子接地故障是水輪發(fā)電機故障中比較常見的一種，轉(zhuǎn)子接地故障一般分為兩類：轉(zhuǎn)子單點接地故障和轉(zhuǎn)子回路兩點接地故障。一般情況下，轉(zhuǎn)子單點接地故障不會直接使勵磁電流流經(jīng)故障部位，導致勵磁電流出現(xiàn)問題，整個設(shè)備機組還可以正常運行。但是，這種正常運行很難穩(wěn)定維持下去，因為隨著單點接地時間推移，發(fā)電機組設(shè)備轉(zhuǎn)子的正負極會發(fā)生倒轉(zhuǎn)，導致轉(zhuǎn)子單點接地故障演變成轉(zhuǎn)子回路兩點接地故障。當水輪發(fā)電機組設(shè)備出現(xiàn)轉(zhuǎn)子回路兩點接地故障時，故障部位一般出現(xiàn)在機組內(nèi)部，會有勵磁電流經(jīng)過，導致出現(xiàn)回路電流。故障部位會直接導致設(shè)備出現(xiàn)振動或過熱情況，導致設(shè)備無法正常運行[2]。

2.3? ? 設(shè)備溫度過高

水輪發(fā)電機組在工作中隨著時間的推移，機組產(chǎn)生越來越多的熱量本是正?，F(xiàn)象，但工作人員需要對這些熱量進行檢測監(jiān)控，保證其處在合理范圍內(nèi)，否則可能會導致設(shè)備機組無法正常工作，甚至導致機組內(nèi)部零件熔融，對設(shè)備產(chǎn)生不可逆的負面影響，甚至會危及工作環(huán)境中人員的人身安全。

對于水輪發(fā)電機組的過熱問題，一般情況下，其轉(zhuǎn)子、定子和鐵芯部位可能會由于漩渦現(xiàn)象出現(xiàn)非正常發(fā)熱問題，進而導致定子部分的溫度過高，水輪發(fā)電機機組不能正常運轉(zhuǎn)。因而在水輪發(fā)電機工作時，工作人員需要對這一部分的溫度進行檢測，避免出現(xiàn)非正常發(fā)熱現(xiàn)象。在日常設(shè)備維護工作中，工作人員需要及時注意測溫系統(tǒng)是否正常，預防設(shè)備溫度過高，對設(shè)備溫度進行監(jiān)控。如果設(shè)備過熱現(xiàn)象已經(jīng)出現(xiàn)，工作人員需要立刻聯(lián)系相關(guān)維修人員對該問題進行處理，盡可能將這類不良影響降到最低，保證水電站的正常、平穩(wěn)運行。

水輪發(fā)電機組設(shè)備的不同電氣故障特點及其解決辦法如表1所示。

3 水輪發(fā)電機組維護策略

3.1? ? 落實日常維護工作

水輪發(fā)電機組的日常維護是非常重要的工作，其正常運行對水電站來說非常重要，水輪發(fā)電機出現(xiàn)故障會給水電站造成很大的損失，可以通過按時到位的日常維護工作排查水輪發(fā)電機組的各種故障，降低故障發(fā)生率，同時減少各類故障維修費用。

在日常維護工作中，維護人員只有充分了解水輪發(fā)電機組各類故障可能發(fā)生的位置、程度以及發(fā)生故障時水輪發(fā)電機會有什么樣的反映等，才能在日常維護中對各類故障進行有目的性的排查。日常維護需要對水輪發(fā)電機組進行清潔，使工作人員可以及時處理設(shè)備運行故障。同時，需要及時清理水輪發(fā)電機附近地面的水漬，防止水漬危及設(shè)備電路安全。水輪發(fā)電機組本身配備了一些設(shè)備檢測裝置，比如定子部位的溫度檢測裝置等。在日常維護工作中，維護人員要特別注意這些監(jiān)測裝置的工作狀態(tài)是否正常，如果監(jiān)測裝置出現(xiàn)故障而維護人員并未察覺，那么水輪發(fā)電機組如果出現(xiàn)故障，比如局部過熱，而溫度檢測裝置由于故障未發(fā)出警告信號，其導致的后果將不堪設(shè)想[3]。

3.2? ? 提高設(shè)備維護管理工作人員的專業(yè)水平

應當將水輪發(fā)電機組設(shè)備故障的預防工作落實到設(shè)備日常維護工作中，除了日常維護，水輪發(fā)電機組設(shè)備的管理和檢修方法的合理性等都會對設(shè)備產(chǎn)生影響，進而對水電站的正常工作產(chǎn)生影響。

在設(shè)備日常維護工作中，高技術(shù)水平的維護人員可以準確判斷設(shè)備需要特別注意的地方，對設(shè)備故障敏感度較高，在維護工作中可以及時發(fā)現(xiàn)水輪發(fā)電機組的異常狀況，并對異常狀況進行及時處理，保證水輪發(fā)電機工作時可以正常運行。

因此，水電站應盡量選用專業(yè)技術(shù)水平較高、理論知識扎實的人員。同時，水電站可以定期組織員工進行專業(yè)技術(shù)知識的學習，及時引進先進的技術(shù)，保證水電站的工程技術(shù)先進，員工技術(shù)不斷進步，以此確保水電站可以長期、平穩(wěn)運行。

3.3? ? 定期進行設(shè)備檢修

定期的設(shè)備檢修對于保證水輪發(fā)電機的正常運行非常重要。水輪發(fā)電機這類大型設(shè)備，往往在運行一段時間后，某些零部件可能處于非正常運行狀態(tài)，這些非正常運行狀態(tài)短期內(nèi)可能不會直接對水輪發(fā)電機工作產(chǎn)生較大影響，其工作效率短期內(nèi)也不會明顯降低，甚至設(shè)備的一些監(jiān)測裝置也可能沒有及時檢測到異常。但如果任由這些非正常狀態(tài)持續(xù)進行，會危害水輪發(fā)電機組設(shè)備的使用壽命，最終導致故障的產(chǎn)生。而設(shè)備定期檢修可以有效解決這一問題。定期檢修工作需要對設(shè)備的各項指標進行比照，對設(shè)備的工作狀態(tài)進行檢測，對各個組件進行故障排查，保證設(shè)備運行穩(wěn)定正常。

4 結(jié)語

水輪發(fā)電機組設(shè)備的穩(wěn)定運行是水電站正常工作的基本保障。本文分析了水輪發(fā)電機組的3個常見電氣故障，包括發(fā)電機組超負荷運轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子接地和設(shè)備非正常發(fā)熱，針對水輪機組的維護，提出了落實日常維護工作，提高設(shè)備維護管理工作人員的專業(yè)水平，定期進行設(shè)備檢修的建議，以保證水電站水輪發(fā)電機組的正常穩(wěn)定運行。

[參考文獻]

[1] 王振羽，王永潭，王樹新，等.水電站水輪發(fā)電機組的常見故障與維護[J].科學技術(shù)創(chuàng)新，2019（34）：176.

[2] 林子陽.豐滿重建水電站發(fā)電機內(nèi)部故障主保護配置方案[J].水電站機電技術(shù)，2019（8）：19-21.

[3] 盧勝文.談電機推力瓦燒損的故障原因及檢修[J].機床與液壓，2010，38（12）：121-122.

收稿日期：2020-03-22

作者簡介：王塞北（1986—），女，河北遷西人，工程師，研究方向：水利水電工程管理。