燈泡貫流式水輪發電機運行與維護的幾點注意事項

李敏

（湖南瀟湘水電站，湖南 永州 425000）

燈泡貫流式水輪發電機運行與維護的幾點注意事項

李敏

（湖南瀟湘水電站，湖南 永州 425000）

針對目前燈泡貫流式水輪發電機頻繁出現故障的現象，通過加強對機組潤滑油系統、冷卻系統的維護，加強對發電機絕緣監視、溫度監視、油污監視等手段可以大大減少發電機故障的發生，延長發電機的大修周期，確保發電機安全、長周期地運行。

水輪發電機；潤滑油系統；絕緣監視；溫度監視；短路

1 前言

目前我國低水頭徑流式水電站的裝機容量在不斷的增加，自20世紀90年代以來，燈泡貫流式水輪發電機組由于效率高、投資少，建設工期短，特別適宜低水頭電站的開發而得到迅速發展，特別是近10年以來，燈泡貫流式水電站的裝機容量在不斷的增加。由于該機組是一種新型機組，在對發電機組的運行與維護方面目前還未有一套完整的標準，均是參照運行與維護經驗較成熟的混流式水輪發電機組相關的規程進行運行與維護。但由于貫流式機組的特殊結構，給運行與維護帶來了許多不便之處，特別是對機組進行大修與其他類型的機組相比工作量大得多，檢修很不方便。因此，如何加強貫流式水輪發電機的運行與維護，確保機組長周期可靠、安全運行就顯得十分重要，筆者通過多年的實踐經驗總結了以下幾點注意事項，能夠確保機組安全、可靠運行。

2 加強機組潤滑油系統維護

由于貫流式水輪機的特殊結構，與混流式等常見機組的結構有很大的不同，混流式機組的潤滑油無需循環，而貫流式機組軸承及推力瓦用油均需進行循環冷卻供油，供油正常（正常的流量和油溫）是確保水輪機及發電機軸承正常的必要條件。由于貫流式機組在20世紀90年代才在國內逐步應用，運行和設計經驗仍在不斷的積累過程中，在貫流式水電站中燒毀機組軸承軸瓦成為了很常見的事故，這類事故維修工期一般均在2個月以上，造成的直接和間接經濟損失均很大。而造成這類事故絕大部原因是潤滑油系統故障引發的。因此加強潤滑油系統的維護顯得十分重要。為確保機組潤滑油系統可靠工作，應注意以下幾方面。

2.1 設計、配置可靠的潤滑油中斷回路

自動化回路的可靠性直接影響潤滑油系統的正常工作。對于潤滑油系統自動化回路，一般主要配置高位油箱用于啟備用油泵的“油位偏低”和用于報警的“油位過低”的液位開關，低位油箱設計用于報警的“油位過高”和“油位過低”的液位開關，對于正推、反推、水導、電導軸承一般各設計1個流量開關監視其油的流量是否正常。在總潤滑回油管路設計1個流量開關監視總的回油流量，并根據總的回油流量中斷判據執行事故停機流程。這種通常設計表面上是正確的，但卻存在很大的安全隱患，由于目前的流量開關均是熱導式流量開關，其動作可靠性受到油溫及油質的影響很大，經常出現拒動現象，如果在潤滑油中斷時而流量開關拒動將會使軸承軸瓦燒毀。同時，由于貫流機組各軸承、軸瓦供油量均較大，即使流量開關可靠動作，如在回油中斷時再事故停機，各軸承、軸瓦的溫度已迅速上升，在停機過程中也會使軸承、軸瓦燒毀。因此，判斷潤滑油中斷事故停機的最好的主判據應是“高位油箱油位”，即在高位油箱設置“事故停機油位”液位開關，當高位油箱油位下降至即將耗盡油量的位置時動作，機組LCU執行事故停機程序。這樣確保機組在停機過程仍能供油。同時應將電導、水導供油中斷及總回油流量中斷作為事故停機的判據，這相當于是“高位油箱事故低油位”的后備保護，當事故低油位拒動時，也能將機組安全停下。

2.2 配置可靠的潤滑油泵控制程序和控制電路

一個完善的潤滑油泵控制程序和控制電路對機組潤滑油系統的可靠工作起到重要作用。貫流式機組只要運轉，潤滑油就不能中斷，潤滑油泵就得連續工作，因此，機組LCU控制程序應達到如下功能：在機組非停機狀態下，始終要保持1臺油泵在運行狀態，無論在什么情況下正在運行的油泵退出運行，應有語音故障信號提醒值班人員，同時應無條件啟動另1臺油泵，當兩臺油泵同時停止時，應有語音事故信號，提醒值班人員進行緊急處理。同時程序應實時對高位油箱的油位進行監視，當收到“油位過低”的信號時應啟動備用潤滑油泵，同時發出語音故障信號提醒值班人員，將油補充至正常油位時退出備用油泵。只有這樣才可確保其可靠工作。

3 加強發電機定子絕緣的監視

發電機定子主絕緣是同時在電場作用下和機械（振動）作用下工作的，這使其抗電強度大大降低，主絕緣擊穿后將會使發電機定子繞組燒毀，且其擊穿具有不可逆性，因此平時加強發電機的絕緣監視意義十分重大。而發電機主絕緣擊穿最常見的有電擊穿、熱擊穿和電化學擊穿。

發電機投運后，需要趁機會不定期的對發電機絕緣進行監視，由于燈泡貫流式發電機定子采用臥式結構，整個機組在水里，機組的振動較大，環境潮濕，散熱條件不好，這些都會加劇絕緣的老化，特別是很容易受潮。因此在豐水季節趁發電機停機時，應及時測量發電機的絕緣，而停機時間較長時，在開機前還要測量其絕緣。因為定子在水里，發電機長周期運行其定子及鐵心的溫度可達100℃左右，而定子外壁、流道內水溫一般在20℃左右。這樣當機組停機后，定子內外溫差很大，定子線圈的冷卻速度很快，從而在定子主絕緣表面凝結水露，使主絕緣表面受潮，筆者曾對單機容量為13 MW的燈泡貫流式發電機做過試驗，在機組剛停機時（線圈溫度為80℃）測得定子的吸收比為800/60，而停機48 h后，測得定子的吸收比為40/20，在2 d之后絕緣下降許多，其主要原因是定子線圈外表結水受潮所致。當絕緣降低后，電導將大大增加，如果絕緣降低到允許值以下，當發電機在起勵建壓或是并網操作出現操作過電壓時，就有可能使機組線圈的絕緣擊穿而燒毀機組。特別是針對有先天缺陷（如三相絕緣不平衡、三相泄漏電流不平衡等）的發電機更要注意加強其絕緣的監視，如果檢查到其絕緣下降到相關注意值時，在開機前應對其進行干燥處理，讓絕緣恢復至允許范圍，再對其進行建壓，防止絕緣的擊穿，這一點對貫流式機組要特別注意，加強防范。

4 加強發電機的溫度監視

根據固體介質的擊穿理論可知，固體介質的熱擊穿電壓與環境溫度、電壓作用時間、電壓頻率、介質的散熱條件以及絕緣本身的導熱系數等因素有關，而環境溫度是引起絕緣老化最主要的因素之一。貫流式機組采用全密封式結構，散熱條件不好，主要用強迫風循環散熱，發電機內部的溫度是隨著定子、轉子電流的增加而增加，根據發熱公式W=I2Rt可知，運行中的發電機溫度與電流的平方及時間成正比，電流增加時，發熱量成平方的增加，如果散熱效果不好會導致溫度進一步升高，使絕緣老化，當介質中有局部缺陷特別是貫通性缺陷時，介質中就有電流流過，加之發電機本身溫度高，很有可能擊穿，因此，發電機在運行時要控制其溫度在規定的范圍內，在日常維護時要注意以下幾點：

（1）發電機溫度較高時，要加強監視，加強冷卻效果，如果發電機溫度較高，寧愿采取降低負荷運行方式，減小電流的熱效應，確保機組的安全運行，特別在環境較高的夏天，更應注意此項。

（2）日常維護檢修中，加強對發電機冷卻系統的維護，定期檢查冷卻風機的風量是否正常，其電機性能是否良好，確保機組運行時冷卻風機可靠運行。同時定期檢查冷卻水系統的流量及壓力，發現異常時應趁機進行處理，并且應定期對空氣冷卻器進行清洗，確保冷卻器的冷卻效果。

（3）加強對發電機測溫系統的維護，定期對相關的溫控儀、溫度巡檢儀及測溫電阻進行試驗檢查，使其能準確、實時的反映各測溫點溫度的實際值。

而針對絕緣存在先天性缺陷或是在運行中發現發電機的絕緣有局部缺陷時，更應注重溫度的監視與維護，一般發電機在運行時定子溫度較高，而在停機后，由于電流的熱效應失去，發電機定子溫度迅速降低，特別溫差較大的春天，如果機組停機時，發電機的溫度會很快從工作溫度下降到環境溫度，所用的時間約1.5 h左右，這樣快的降溫速度，導致發電機絕緣表面與芯線的溫度變化很大，使之在表面凝結水珠，導致絕緣表面受潮，同時溫度的急劇變化會使絕緣開裂，甚至碎化。

因此，在停機時應立即關閉發電機的冷卻系統，同時應立刻投入加熱器，控制發電機機堂內溫度，避免機組受潮，而當機組停機幾個小時后絕緣表面已受潮再投入加熱器時，作用已不大，因為發電機設計加熱器是防潮，而不是起到干燥作用。

5 防止發電機出口端短路

電流除了有熱效應，還有電動力的作用，根據公式：F＝0.2Kx侏1侏2/a可知，電動力的大小與電流成正比，電流越大，電動力的作用越大。正常情況下（帶額定負荷）發電機的定子電流的電動力作用不會使線圈變形，但強大的沖擊電流有可能導致線圈變形、主絕緣起殼、彎曲變形，甚至開裂，進而發生絕緣擊穿事故，而發電機在其出口端短路時，短路沖擊電流最大，對發電機的危害也最大，因此在發電機出口端應嚴格防止短路事故的發生。某電站剛投運時發電機絕緣良好，但投運兩年的時間里3臺發電機先后經歷過兩次升壓變壓器低壓側三相短路事故，導致后來3臺機組各有一相絕緣較其他兩相低，直流泄漏電流也偏大，這和短路電流使主絕緣局部受損有很大的關系。

同時，由于貫流式水電站的水頭較低，一般離城市較近，發電機與系統聯接較緊密（聯絡阻抗小），如果該發電機在系統出現故障時（如接地、相間短路），對發電機的沖擊也較大，筆者曾觀察到變比為10/110 kV的水電站，當系統中35 kV系統發生故障時，發電機的沖擊電流可達1.5倍的額定電流，為此要防止發電機出口端短路，就要加強對發電機相關配電設備的巡視與維護，并定期進行試驗，及時發現主設備的缺陷，同時提高配電設備繼電保護和自動裝置的可靠性，當被保護設備出現故障時迅速、可靠切除故障，減少短路電流對發電機線圈及主絕緣的沖擊。而針對與系統聯接緊密的發電機，當系統對機組影響較大時，應考慮裝設限制發電機短路電流的裝置（如電抗器等）。

6 加強發電機粉塵及油污的監視

燈泡貫流式水輪發電機的特殊結構，特別是轉槳式的水輪發電機組，其受油器設計安裝在發電機側，加之發電機機堂內的徑向軸承，使發電機有可能受到油霧及油污的影響，如果受油器漏油，將直接污染到定子、轉子及集電環，當油漏在定子線圈表面時，由集電環產生的碳粉會粘附在其表面，長期在高溫的作用下，對主絕緣將會產生電化學腐蝕作用，從而使絕緣局部受損。同時油污及碳粉粘附在滑環表面時，會使轉子絕緣降低，甚至會出現因油污及碳粉形成的接地故障。為此，應定期對發電機進行檢查，利用停機的機會進入發電機機膛內及時發現并清理油污，確保發電機的清潔，而對集電環更應定期清理其碳粉及油污。

7 結束語

燈泡貫流式水輪發電機雖然結構復雜，檢修不便，但通過日常加強絕緣的監視與維護、加強溫度及油污的監視，及時發現發電機潛在的缺陷并及時處理，可確保發電機長周期可靠、安全的運行。

[1]李學良.發電機定子線棒溫升試驗及分析[J].水力發電，2002 （19）：52-53.

[2]沙錫林.貫流式水電站[M].北京：中國水利水電出版社.

[3]劉 云.水輪發電機故障處理與檢修[M].北京:中國水利水電出版社.

TK730.8

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：1672-5387（2017）03-0051-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.016

2016-09-29

李 敏（1980-），女，工程師，從事貫流水電站機電設備技術管理工作。