陸渾水電站高水頭運行發生振動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行發生振動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)

通過對水輪機在超出最高運行水頭下運行引起振動的現象進行研究，分析可能引起振動的因素，重點對引起共振的原因進行闡述，找到避開共振區的辦法和理論依據。同時論述了電站發生的一起轉子接地故障，通過讓電流經過接地點，查找準確故障點的具體辦法和措施。

高水頭；振動；接地；處理

1 灌溉洞電站2號機高水頭運行突發振動問題的分析與處理

灌溉洞電站2號機水輪機型號HL-240-LJ180，設計水頭20.4 m(相當于庫水位316 m)，設計出力3 200 kW，當庫水位升至319.5 m時，超設計額定水頭3.5 m，超最高運行水頭1.5 m，機組振動突然明顯增加，當負荷降至1 900 kW時振動才明顯減輕至允許范圍內。水輪機的振動可能由多方面原因引起：機組鏡板底平面與機組軸線不垂直，造成機組總軸線產生一個不平衡力，隨著轉子的轉動，產生一個偏心力距，將引起徑向振動導致瓦溫升高，翻閱了近一年的運行記錄，瓦溫并未有明顯的異常，排除了這方面的原因。經過分析我們認為，水輪機在非設計允許水頭下運行，特別是在超設計最大水頭下運行，轉輪葉片進口，水流沖角發生改變，偏離最佳區域，水流紊亂形成漩渦，再加上整個轉輪出口的旋轉水流，在尾水進口形成一個大的漩渦(尾水渦帶)，尾水渦帶稍有偏心就形成脈動壓力，使轉輪形成旋轉徑向推力引起主軸和機組承重機架的振動。

綜合以上分析，機組振動可能由各種因素綜合造成，2號機的振動是當水位升高到319.5 m附近時，振動突然增加，很有可能在超過最高設計水頭時主要由尾水渦帶引起，并且和各種引起振動的因素組合在一起，在一定的條件下形成某一振動頻率，如果剛好和機組固有的頻率一致，就會發生共振從而使振動突然增加。如何改變機組的運行條件躲過共振區，通過觀察發現，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，使機組進入設計允許范圍內，這樣不但能改變轉輪的水流沖角，而且隨著尾水位的升高對尾水渦帶也有一定的穩定作用，減輕了脈動的影響，關閉退水閘東孔閘門后，尾水位由1.8 m升至2.7 m，調整導葉開度負荷由1 900 kW升至3 000 kW，不但機組振動基本消除，而且比沒有關閉退水閘東孔閘門前，在負荷1 900 kW時運行還要穩定。

水輪發電機振動處理的一般原則：機組振動是由多種因素引起，它們相互增加或削弱，在一定條件下形成共振。如果機組出現振動，首先就要分析引起振動的原因，確定振動的性質。假如振動主要是由共振引起，只要運行條件稍有改變振動就會明顯減弱；假如是機組本身的原因，不能立即進行處理，在消除振動之前應進行跟蹤監測觀察，振動是擴大還是穩定在某一允許的水平，防止狀態惡化造成事故；若振動是因超出設計最大允許運行水頭引起，可根據實際情況，通過提高尾水位，相當于降低運行水頭的辦法來解決，電站多年來在實際運行過程中，通過提高尾水位的辦法，有效地解決了機組的振動問題，并取得了良好的經濟效益。

2 灌溉洞電站2號機轉子一點接地問題的查找與處理

故障現象：2010年4月份開機時，集控臺發出轉子一點接地信號，按下復歸按鈕，無法復位，證明故障確實存在，為了檢測接地情況，用100 mA的電流表串入轉子一點接地回路，接地電流27 mA，按規程規定接地電流最大不能超過10 mA說明發生了嚴重的接地故障。

故障分析及查找辦法和處理過程：我們首先取掉集電環碳刷，讓轉子和集電環斷開，這時接地信號消失接地電流為0，這證明接地確實為轉子內部接地引起。電站以前曾經發生過多次接地故障，大多數情況下為轉子受潮，經常采用的辦法是：開機升壓至5 kV，通過勵磁線圈的發熱和內部循環風對轉子進行烘干，一般經過3～4 h，接地信號都能消失，接地點電流就能減少到允許范圍內。可這次經過3 h的運行，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，而是實際存在金屬性接地，我們和廠家聯系并咨詢了有關方面的專業人士，建議吊芯逐個磁極查找故障點，如果這樣，不但2號機不能發電，在檢修過程中灌溉洞要停水，3號機也不能發電，影響水庫整個年度調度計劃，造成水資源的浪費和近百萬的經濟損失，我們翻閱了大量書籍，用盡了我們能夠使用的辦法，都無法準確找到故障點。經過認真的分析研究，根據歐姆定律在電壓一定的情況下抗阻越小電流越大，為了讓接地點和非接地點的電流有明顯的變化，決定電源采用交流電，讓電流通過接地點的方法查找故障，具體做法是：首先用4 mm2的銅線將發動機轉子和定子鐵芯短接，防止電流通過軸瓦造成燒蝕，用2 kVA的自耦調壓器，調節一個2 kVA、36 V的行燈變壓器，在二次側串接15 A、5 Ω的可調電阻，可防止短路燒壞設備，實驗前先將2根實驗線N1和N2短接，通過調節調壓器和可調電阻，使電流達到10 A，然后斷開電源，N2接在發電機轉子磁軛上，最后合上電源，用N1分別去連接32個磁極的進線端記錄下電流的數值，如表1所示。

從表中實驗數據結果來看，30號磁極電流和N1和N2直接短路電流僅僅相差1 A，而兩邊29號磁極和31號磁極又明顯減小，說明理論接地點就在30號磁極上，為了更準確地找到故障點，斷開電源，把接地線真接在30號磁極的磁軛上，為避免電流過大，重新短接N1和N2，通過調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去找，相對最大電流點就是故障點，確定理論故障點后，進入轉子內部，松開磁極固定螺絲，推動磁極線圈向定子鐵芯方向移動，這樣線圈進線端和轉子之間就留有5 mm的間隙。重新把實驗線接到30號磁極線圈上，合上電源，用絕緣棒撬動線圈時，電流有明顯的波動，說明這是因線圈移動時接地電阻的變化而因起，為準確找到故障點，斷開電源，進入轉子內部檢查發現，第二匝線圈底部和磁極根部絕緣墊有明顯的碳化痕跡，距離理論故障點不到1 cm，更換絕緣墊對線圈底部進行處理后，問題很快得到解決。

表1 磁極編號與電流對應表

3 發生接地故障原因分析及預防措施

接地點發生在磁極底部有以下原因造成：發電機運行時轉子溫度高達100 ℃以上，而且2號機冷卻方式為水環空冷，機組停后，發電機內部濕度大，轉子鐵芯凝結有水珠，當水珠滑落到底部時該處絕緣受潮，為發生接地故障埋下伏筆。在實際運行過程中，又由于轉子線圈為感性，線圈電流不能突變，在停機過程中，斷開滅磁開關的瞬間在轉子內產生高壓，長期多次的積累最終造成絕緣的損壞。

在今后實際工作中，為盡可能避免轉子接地故障的發生，停機時，應把勵磁電流降到最小，再跳滅磁開關，避免轉子線圈高壓的產生，停機后，應及時關閉發電機的冷卻水，降低發電機內部的濕度，避免上述原因造成的轉子一點接地故障。

4 結語

筆者在實際工作中，通過調節尾水閘門，提高尾水位降低凈水頭的方法解決了水輪發電機組在超設計水位引起的振動問題，在其他電站具有一定的借鑒意義。

讓較大電流通過接地點，判斷接地電流的大小來確定故障點，這樣的方法不但適用于發動機轉子接地的查找，而且可排除其他電氣設備難以查找的隱性故障。但是，運用此方法有一定的風險，應根據情況準確選擇電壓等級及串接電阻、接地電流的大小，電流過大容易造成火災或者對設備的徹底損壞，電流太小又不便于分析判斷，運用適當則可快速準確地查找到故障點。

2014-10-24

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