水電站水輪發(fā)電機(jī)組常見故障技術(shù)處理

王國剛

（中國葛洲壩集團(tuán)機(jī)電建設(shè)有限公司，四川成都 610000）

1 水電站水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行概述

1.1 水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式

水輪機(jī)是一種利用水能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，它將水的能量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動能，驅(qū)動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生電能。水輪發(fā)電機(jī)組廣泛應(yīng)用于水力發(fā)電行業(yè)，高效利用水能對可再生能源的開發(fā)和利用具有重要意義。

水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式通常包括以下4個步驟。（1）進(jìn)水。水輪發(fā)電機(jī)需要從水源中引入水以驅(qū)動水輪機(jī)。通常情況下，水源來自水壩、水庫、河流或者海洋。（2）旋轉(zhuǎn)水輪機(jī)。水流經(jīng)水輪機(jī)的葉片，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動力，將水能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度通常較低，但扭矩大，因此可以驅(qū)動發(fā)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)。（3）旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)。水輪機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使發(fā)電機(jī)的線圈在磁場的作用下產(chǎn)生電動勢，從而產(chǎn)生電能。發(fā)電機(jī)的輸出電壓和頻率與旋轉(zhuǎn)速度和磁場強(qiáng)度有關(guān)，通常需要調(diào)節(jié)和控制才能得到穩(wěn)定的電能輸出[1]。（4）輸電。發(fā)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(chǎn)提供電力。

需要注意的是，水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行需要有穩(wěn)定的水源，并且需要對水流的流量和水位進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，以保證水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時，不同類型水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式有所差異。例如，斜流水輪機(jī)和混流水輪機(jī)的運(yùn)行原理和特點(diǎn)與傳統(tǒng)的輪盤水輪機(jī)有所不同。

1.2 水輪發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)

水輪發(fā)電機(jī)組通常由水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速機(jī)構(gòu)、軸承和機(jī)械密封等組成。（1）水輪機(jī)。水輪機(jī)是將水的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，水輪葉片是最關(guān)鍵的部分，它們負(fù)責(zé)將水能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并帶動水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)。葉片的結(jié)構(gòu)和形狀可以根據(jù)不同的水流條件進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)。（2）發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)通常包括定子、轉(zhuǎn)子、電樞、電刷、軸承等部分。轉(zhuǎn)子是發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)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(fā)電機(jī)的輸出電壓和頻率與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度和磁場強(qiáng)度有關(guān)，因此需要通過調(diào)速機(jī)構(gòu)控制水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，以保證發(fā)電機(jī)的輸出電壓和頻率穩(wěn)定[2]。（3）調(diào)速機(jī)構(gòu)。調(diào)速機(jī)構(gòu)是控制水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的裝置，通常包括水力控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。水力控制系統(tǒng)通過控制進(jìn)入水輪機(jī)的水流量和流速實(shí)現(xiàn)調(diào)速；電氣控制系統(tǒng)則通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流和電阻實(shí)現(xiàn)調(diào)速。（4）軸承。軸承是支撐水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的重要部分，它能夠減少轉(zhuǎn)子的摩擦和磨損，并支持轉(zhuǎn)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(jī)械密封。機(jī)械密封是保證水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定的重要部分，它能夠防止水和油等介質(zhì)泄漏，同時也能夠防止空氣和灰塵等雜質(zhì)進(jìn)入機(jī)器內(nèi)部，常見的機(jī)械密封包括旋轉(zhuǎn)密封和端面密封等。

2 水電站水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中常見的故障

2.1 溫度故障

其一，溫度過高。水輪發(fā)電機(jī)組的各個部件在運(yùn)行中會產(chǎn)生熱量，如水輪機(jī)葉片與水摩擦產(chǎn)生的熱量、發(fā)電機(jī)電樞電阻產(chǎn)生的熱量等。如果這些熱量不能及時散發(fā)出去，就會導(dǎo)致溫度升高，引起溫度故障。溫度過高可能導(dǎo)致葉片變形、電繞組燒壞等問題，進(jìn)而影響水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。其二，溫度過低。在低溫環(huán)境下，水輪發(fā)電機(jī)組的部件可能變得十分脆弱，甚至出現(xiàn)開裂等故障。同時，低溫環(huán)境還可能導(dǎo)致油潤滑不良，增加部件磨損和損壞的風(fēng)險。

2.2 電氣故障

第一，電繞組短路。電繞組短路是指發(fā)電機(jī)內(nèi)部繞組中兩個或多個相之間出現(xiàn)短路，可能的原因包括繞組絕緣老化、電繞組內(nèi)部雜物等。電繞組短路導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出功率下降，甚至發(fā)生故障停機(jī)。解決方法一般是更換電繞組或修復(fù)絕緣的方法解決。第二，絕緣損壞。發(fā)電機(jī)內(nèi)部繞組絕緣層損壞或老化也可能導(dǎo)致故障。絕緣損壞可能導(dǎo)致電流泄漏、電壓不穩(wěn)定等問題。解決方法是對絕緣進(jìn)行維護(hù)或更換[3]。第三，過熱。發(fā)電機(jī)長時間運(yùn)行，可能導(dǎo)致內(nèi)部電器部件過熱。過熱可能導(dǎo)致電繞組絕緣老化、設(shè)備壽命縮短等問題。解決方法是增加散熱裝置，保證設(shè)備運(yùn)行在適宜的溫度范圍內(nèi)。第四，電氣接觸不良。發(fā)電機(jī)內(nèi)部連接頭、接線端子等部件可能出現(xiàn)松動或接觸不良，這種故障可能導(dǎo)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(fā)電機(jī)輸出端可能出現(xiàn)對地或?qū)ζ渌姎獠考亩搪?，這種故障可能會導(dǎo)致設(shè)備損壞、火災(zāi)等嚴(yán)重后果。解決方法是加強(qiáng)絕緣，防止外部短路。

2.3 機(jī)械故障

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

3 水電站水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行常見故障技術(shù)處理

3.1 強(qiáng)化硬件設(shè)計(jì)

第一，選用高品質(zhì)的軸承和材料，有效延長設(shè)備的壽命，減少軸承故障和機(jī)械損傷的發(fā)生。合適的材料也可以提高設(shè)備的耐腐蝕性和耐磨性，減少內(nèi)部泄漏的發(fā)生。PCL技術(shù)可以應(yīng)用于材料的選型和測試，確保材料的質(zhì)量和性能符合設(shè)備要求。第二，通過動平衡技術(shù)對轉(zhuǎn)子進(jìn)行校正，避免轉(zhuǎn)子不平衡導(dǎo)致的故障。PCL技術(shù)可以用于轉(zhuǎn)子的動態(tài)測試和分析，幫助確定動平衡方案和優(yōu)化方案效果[4]。第三，采用先進(jìn)的潤滑系統(tǒng)，降低設(shè)備運(yùn)行過程中的磨損和摩擦，減少機(jī)械損傷的發(fā)生。PCL技術(shù)可以應(yīng)用于潤滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，確保潤滑系統(tǒng)的性能和效果符合設(shè)備要求。第四，通過智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)機(jī)械故障并預(yù)防潛在的機(jī)械故障。PCL技術(shù)可以應(yīng)用于智能監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和優(yōu)化，提高監(jiān)控精度和可靠性。第五，采用PCL技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和測試，確保措施的實(shí)施效果符合設(shè)備要求，從而降低機(jī)械故障的發(fā)生率，保障水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 裝配檢修系統(tǒng)

通過裝配水輪發(fā)電機(jī)檢修系統(tǒng)進(jìn)行檢修，無線傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)分析和智能警報(bào)系統(tǒng)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化維護(hù)和檢修，提高設(shè)備的可靠性和安全性，減少機(jī)械故障的發(fā)生。具體而言，包含以下幾方面內(nèi)容。第一，無線傳感技術(shù)。通過安裝無線傳感器，實(shí)時監(jiān)測水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，準(zhǔn)確判斷設(shè)備運(yùn)行狀況和維護(hù)需求。同時，無線傳感技術(shù)可以收集設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)大數(shù)據(jù)分析提供支持。第二，建立完整的數(shù)據(jù)庫。將收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合和存儲，建立完整的數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)的分析和判斷提供可靠的數(shù)據(jù)支持。同時，可以建立歷史數(shù)據(jù)，用于比對和參考。第三，大數(shù)據(jù)分析。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，對設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行預(yù)測和診斷，提前預(yù)防機(jī)械故障的發(fā)生。同時，可以針對設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，提高設(shè)備的運(yùn)行效率，延長設(shè)備的使用壽命。第四，安裝智能警報(bào)系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，設(shè)置智能警報(bào)系統(tǒng)，及時提醒維護(hù)人員進(jìn)行維修和處理，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大而損害設(shè)備。

3.3 采用高溫處理技術(shù)

第一，在水輪發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行過程中，由于機(jī)械摩擦和電磁感應(yīng)等因素，發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生高溫，影響設(shè)備的壽命和穩(wěn)定性。采用高溫處理技術(shù)，可以使發(fā)電機(jī)的材料經(jīng)過一定的處理后具備更好的耐高溫性能，能夠更好地應(yīng)對高溫環(huán)境，減少溫度故障的發(fā)生。第二，電氣故障是水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)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(shù)，可以提高電氣元器件的耐高溫性能，減少因高溫導(dǎo)致的電氣故障。第三，機(jī)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(dǎo)致設(shè)備的損壞和停機(jī)維修。采用高溫處理技術(shù)，可以對軸承和齒輪等關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)化處理，提高其抗磨損性能和耐用性能，減少機(jī)械故障的發(fā)生[5]。

3.4 強(qiáng)化日常維護(hù)

為了解決水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中存在的各類問題，需要強(qiáng)化日常維護(hù)工作。第一，溫度監(jiān)測。對水輪發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，可以采用溫度傳感器和自動控制系統(tǒng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，一旦發(fā)現(xiàn)溫度異常，及時進(jìn)行處理，避免溫度故障的發(fā)生。第二，電氣檢測。對水輪發(fā)電機(jī)組的電氣元器件進(jìn)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(fā)現(xiàn)問題及時進(jìn)行修復(fù)或更換[6]。第三，潤滑維護(hù)。定期對水輪發(fā)電機(jī)組的潤滑系統(tǒng)進(jìn)行檢查和維護(hù)，包括檢查油液的質(zhì)量和液位、清洗油路和濾芯等，確保潤滑系統(tǒng)的正常運(yùn)行，減少機(jī)械故障的發(fā)生。第四，檢修計(jì)劃。建立完整的水輪發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃，對設(shè)備進(jìn)行定期檢修和維護(hù)，包括清洗、檢查和更換關(guān)鍵部件，以延長設(shè)備的壽命，提高設(shè)備的穩(wěn)定性。第五，數(shù)據(jù)庫管理。建立完整的水輪發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)庫，記錄設(shè)備的使用情況、維修記錄和故障信息等，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的問題并進(jìn)行預(yù)防和處理。第六，智能警報(bào)系統(tǒng)。安裝智能警報(bào)系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常情況并進(jìn)行預(yù)警，減少故障的發(fā)生，降低不必要的損失。第七，人員培訓(xùn)[7]。加強(qiáng)維護(hù)人員的培訓(xùn)，提高相關(guān)人員對設(shè)備的認(rèn)識和維護(hù)能力，使其能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題并進(jìn)行處理。

4 結(jié)語

水電站水輪發(fā)電機(jī)組是我國清潔能源發(fā)電設(shè)備中的重要組成部分，經(jīng)常出現(xiàn)各種故障，為生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的影響。通過強(qiáng)化硬件設(shè)計(jì)等多種處理方法，可以有效解決水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中存在的各類問題，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，促進(jìn)清潔能源的發(fā)展和應(yīng)用。通過不斷探索和創(chuàng)新，能夠進(jìn)一步提高水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率和安全性，為我國的清潔能源事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。