大型水輪發電機剪斷銷剪斷及處置措施研究

劉江紅，王東澤，夏遠洋，王 奎，梅沈鋒

(雅礱江流域水電開發有限公司錦屏水力發電廠，四川 西昌 615000)

水輪機剪斷銷作為水機導水機構的保護常發生剪斷，導致主機缺陷和故障，減少機組可利用小時數，直接影響機組正常運行。水輪機剪斷銷剪斷的頻繁發生，對機組安全穩定運行構成了威脅。

1996-07-23日，福建謨武水電廠[1]2號機組(15 MW)在增負荷時，機組、廠房劇烈振動，同時負荷在2～10 MW之間波動，造成2號機組全部16根剪斷銷剪斷；全部導葉開、關限位裝置均被打斷，導葉拐臂嵌入座環后錐體端面；導葉進、出水邊由于導葉間相互碰撞均有不同程度的變形等嚴重后果。

1997-01-14日，江西界牌水電廠1號機在機組帶100%負荷甩負荷時，突然導水機構上半部的剪斷銷已全部斷裂，連桿及導葉拐臂雜亂無章地擺動，導致無法進行正常的停機操作, 機組在緊急停機過程中共劇烈振動了大約6 min。

2006-01-20日及3月7日，云南熊家溝電站[2]2號機組(9 MW)運行2個月及1號機組(9 MW)運行半年后，均出現剪斷銷的非正常剪斷現象，經檢查發現導葉端面間隙過小，部分導葉下端面間隙為0。

2006年2月，貴州烏江渡發電廠2號機(250 MW)在運行中水導瓦瓦溫異常升高，機組不能持續高負荷運行，測量機組水導振擺度較大；檢查2號機導葉立面間隙時發現14～15號導葉、15～16號導葉立面間隙與其他導葉相比偏差較大。經檢查發現14、15、16號導葉的剪斷銷已被剪斷，但由于導葉的剪斷銷信號器未安裝到位，因此“剪斷銷剪斷信號”并未發出。同年6月6日2號機運行中有幾塊水導瓦溫異常升高，且都在同一側。檢查發現2號機9、21號導葉剪斷銷均已被剪斷，遂對9、21號導葉剪斷銷進行更換。更換后2號機水導瓦溫恢復正常。自2007年至2008年2年間貴州烏江渡發電廠3臺機組共發生水輪機剪斷銷剪斷19次，其中開機剪斷9次、運行中剪斷10次, 且無一次為導葉被異物卡住而剪斷[3]。

2008-10-03日，遼寧湯河電廠1號機組(3.2 MW)開機試驗。當投入發電機的控制回路和直流回路保護時，控制臺上出現了水輪機事故信號，同時剪斷銷信號報出，使得機組不能開機并網。

2012年6～9月，四川深溪溝水電站4臺機組(165 MW)部分水輪機導葉剪斷銷均呈現不同程度的上爬現象[4]，上爬高度達10 mm左右，上爬剪斷銷主要集中在調速器推拉桿與控制環連接處附近。

2014-07-12日至2014-12-20日，1、2號貴州沙阡水電站水輪發電機組(25 MW)剪斷銷在開停機過程中共剪斷14次，其中1號機剪斷6次，2號機剪斷8次。

隨著水輪機組容量的不斷提升，機組的安全穩定運行顯得越來越重要。大型水輪機剪斷銷剪斷是水電廠較為嚴重的故障之一，其設計目的是當導葉間有異物卡住時保護導水機構及水輪機[5]。當剪斷銷被剪斷后，需壓力鋼管及尾水管排水后進入水輪機內部進行處理，這將花費大量的時間和人力，造成嚴重的經濟損失。因此，分析大型水輪發電機的剪斷銷剪斷的真實原因及事故應急處置顯得尤為重要。

1 剪斷銷的作用

1.1 剪斷銷的作用

隨著中國水電事業的不斷發展，大型水電站已成為水電發展的趨勢[6]。而大型水輪機的結構也日趨完善，作為保護裝置的剪斷銷，其作用不言而喻。

大型水輪機的導水機構是水輪機的核心組成部分，包含頂蓋、底環、導葉、導葉臂、連桿、控制環和接力器等部件組成。導水機構常用的安全裝置是剪斷銷。剪斷銷作為水輪機的主要保護之一，是水輪機安全穩定運行的重要保證措施。

目前常用的導葉傳動機構主要分為：連接板式傳動機構、叉頭傳動機構和耳柄傳動機構。為闡述剪斷銷工作原理，選取一種進行說明。

剪斷銷保護裝置通常由剪斷銷及其信號器組成。剪斷銷的結構示意圖如圖1所示。其中部做成薄弱的斷面。正常情況下，導葉在動作過程中，剪斷銷有足夠強度帶動導葉轉動。當關小(或閉)導葉時，若有異物卡在導葉之間，導葉軸和導葉臂將無法轉動，所需操作力矩急劇增加，當操作力增大到正常應力的1.5倍時，剪斷銷被剪斷，被卡住的導葉失去控制，而其他導葉繼續向關閉方向運動，以起到避免事故擴大的作用。剪斷銷的中心孔內裝有信號裝置，當剪斷銷被剪斷時，該裝置將通過監控系統發出信號。

圖1 一種剪斷銷的結構示意圖

剪斷銷的作用類似于電氣回路中“保險”。如導葉出現問題無法開啟或關閉時，為避免對接力器造成進一步的傷害，“保險”剪斷銷會因受到過大剪切力被“剪斷”。同時剪斷銷剪斷后，使剪斷銷信號器的常開觸點閉合，發出報警信號以便運行人員現場檢查并處置。

1.2 剪斷銷剪斷后的現象特征

水輪機剪斷銷在運行中發生剪斷，是為了防止因導葉被異物卡住等原因造成導水機構無法關閉而損壞，通過剪斷銷的剪斷，使故障導葉脫離控制，其他導葉仍可正常轉動，有效保護水輪機及其導水機構。剪斷銷剪斷后主要有以下特征及現象：

1)在發電機組正常運行中，水輪機剪斷銷剪斷后，由于各活動導葉之間的開度不一致，且被剪斷的導葉可能由于脫離導水機構的控制而失控，水輪機受到的水流沖擊不均衡，使得水輪機葉片受到的不平衡力、水流紊亂造成空蝕作用加劇；

2)水輪機擺度、振動及壓力脈動嚴重超標[7]，水輪發電機組導軸承及承重軸承也因此受到很大影響，造成軸承嚴重摩擦，損傷瓦面，軸承溫度可能短時間內迅速上升，甚至燒瓦；

3)對于水頭較高的水電站或者導葉摩擦裝置[8]失效時，失去控制的導葉可能擺動，進而進入水輪機的流量也會隨之發生變化，因此可能會造成機組有功波動；

4)剪斷銷剪斷的數量越多，損害程度越大，對機組安全穩定運行的威脅也越大。

2 剪斷銷被剪斷的原因分析

剪斷銷剪斷的原因較多，在導水機構的各個環節均可能導致剪斷銷剪斷故障，有些是誤報、拒報，有些與產品設計和質量有關，有些與設備運行工況有關，還有些與設備的安裝和維護保養有關。結合國內某些大型水電站的運維工作，研究分析了其中的原因[9-10]。

2.1 信號誤報

剪斷銷信號器用于水輪機導葉的剪斷銷剪斷時的發信號元件，為剪斷銷信號裝置提供信號報警，一般采用陶瓷材料、或脆型聚苯己烯材料制成，常閉型居多，一般內阻小于0.02 Ω，環境溫度要求0～45℃、環境濕度不大于80%，裝置各部分的允許溫升不超過60K陶器瓷材料，使用時一般將每個導葉剪斷銷剪斷信號線送至剪斷銷信號裝置。

由于信號器安裝在水車室內，環境潮濕，極易使信號器連接處受潮，接觸電阻變大，當以上回路電阻大于剪斷銷信號裝置整定的上限值時發出報警信號造成誤報。剪斷銷信號線由于安裝及運行過程中破損等原因造成接地或者絕緣降低等缺陷也會造成誤報。

根據不完全調查，由于信號誤報在剪斷銷報警故障中約占90%。因此加強剪斷銷信號器及信號回路維護保養工作是防止誤報的重要基礎。

2.2 剪斷銷本身質量缺陷

由于剪斷銷在運行過程中需要承受拐臂與導葉軸之間的較大傳遞力矩。機組在頻繁調整負荷或者一次調頻頻繁動作時，會導致剪斷銷疲勞損傷。機組停機時，為了防止導葉間漏水和導葉誤動，當接力器全關導葉之后，還要繼續關閉一段行程，使導葉關閉后有2～3 mm的壓緊量，即導葉壓緊行程，導致剪斷銷一直受力。

當剪斷銷本身質量有缺陷或者設計強度不夠時，可能會由于疲勞損傷而剪斷。隨著材料科學的不斷進步，剪斷銷裝置質量問題已經基本解決，但各電站在調試時應將壓緊行程調整好。

2.3 設計安裝原因

在水輪發電機組從設計到安裝調試[11]，再到最后的投入商業運營過程中，其安裝是重要的環節，也是容易發生先期隱患的重要時期。對于剪斷銷，安裝階段容易造成剪斷銷問題的因素主要包括：

1)導葉連桿安裝時傾斜度較大，造成持續受力。如果導葉的3個軸套與導葉軸頸間存在超標的間隙，導葉受力后會發生傾斜，致使導葉大頭下端與底環的間隙變小，由此產生不同程度的拉傷、卡死現象。

2)調速器控制環安裝不水平，造成抗磨環磨損。控制環的圓周運動由4～8 組抗磨塊進行限位，每組分別由側面限位導向抗磨塊和底部支撐抗磨塊各一塊組成，抗磨塊為金屬自潤滑材料。側抗磨塊與配合滑動副間隙超標時，控制環在轉動過程中會出現水平竄動現象，導致剪斷銷受力不均，出現剪斷。

3)導葉上下端面間隙不合格及上、中、下軸套軸線調整不到位，產生憋勁或卡澀。頂蓋、底環同鏜導葉孔時同心度超差，導葉中軸頸和下軸頸加工時同軸度超差以及圓跳動超差，都會導致導葉中軸頸和下軸頸出現偏心。使得機組運行中導葉受力產生非水平分力，導致剪斷銷憋勁；此外，由于偏心超差，部分導葉與軸套局部位置間隙有所減小，增加了導葉轉動時的摩擦力矩，使得剪斷銷頻繁剪斷。

4)接力器水平值超差。電站安裝時，由于安裝偏差，兩接力器后端蓋法蘭傾斜，水平超差，使得控制環大耳孔受力不水平，運行時控制環容易產生跳動。剪斷銷會在控制環動作時由于受力不均勻、不水平而被剪斷。

5)導葉端面間隙調整不合格(上端間隙與下端間隙相差過大)。導葉的端面間隙值，無論是在廠內預裝和工地安裝時，都是一項重要工作。如果端面間隙調整得好，導葉容易打開、關閉，并且漏水量少；反之，如果導葉端面間隙過小，導葉端面容易在與頂蓋、底環過流面處產生摩擦、拉傷，致使機組運行中導葉出現卡阻和摩阻，從而加大剪斷銷所受的剪切力，導致剪斷銷剪斷。

6)對使用尼龍軸承套的導葉，在運行中因尼龍軸套吸水膨脹與導葉軸頸“抱死”；水輪機導水機構機械設計不合理等情況，都可能最終導致剪斷銷剪斷。

隨著國內水電站運行經驗的不斷積累以及設計水平的不斷提高，水輪機及導水機構結構設計水平已比較成熟，安裝調試技術水平也有了很大的提高。新投運水電站一般不再存在這種問題，但對于比較老的電站和小水電依然存在相關問題。

2.4 剪斷銷過力矩剪斷

當電站進水口裝設的攔污柵不滿足相關設計要求或存在破損等情況時，可能造成較大的漂浮物進入蝸殼及導葉之間卡住。當調速器需要調整導葉開度時就很可能造成剪短銷過力矩而剪斷。據調查這種情況出現的概率僅為2%，但一旦發生其后果將很嚴重。

當水電站所在流域泥沙含量較大或者發生泥石流等地質災害等情況時，雖然進水口設置有攔污柵，但大量小雜質仍會源源不斷進入引水隧洞，最終進入水輪機內，當大量雜質聚積在水輪機蝸殼內導水機構的上下端軸時，就會造成導葉卡澀，給機組的開停機帶來較大的安全隱患，甚至使剪斷銷剪斷。

除此之外，機組運行工況影響、缺乏維護保養等都是剪斷銷剪斷的重要原因，甚至有些時候可能發生剪斷銷實際剪斷，但剪斷銷報警器信號拒報。

總體而言，導致導水機構剪斷銷剪斷的原因有設計、制造方面的，也有安裝調試方面的。但總的說來，為防止機組導水機構剪斷銷經常剪斷，在制造、電站安裝過程中加強質量監督，保證制造、安裝質量是問題的關鍵。

3 剪斷銷剪斷時應急處置分析

3.1 剪斷銷報警時無其他異常報警

當監控系統發出水輪機剪斷銷剪斷信號時，監控系統無振動、擺度報警，且現場檢查機組聲音、尾水管內水力狀況無明顯異常，其原因應該系信號回路或剪斷銷信號器元件損壞導致。

此時應固定機組負荷(將調速器控制方式切至現地/手動方式，并退出該機組一次調頻功能)，通知檢修人員逐個檢查剪斷銷信號器及信號回路，查出故障點并將其修復或者更換。處理完成后，若有備用機組，可申請調度機構倒換機組，將機組停機后全面檢查處理。

3.2 剪斷銷報警時振動擺度有明顯異常

若現場檢查發現機組各部振動、擺度等指標有所上升，但不危及機組安全運行時，這種情況說明剪斷銷確已剪斷，且各導葉之間的開度不一致，但水流狀況不是很惡劣。此時應現場調整導葉開度使各導葉開度一致(確保可以取出被剪斷的剪斷銷裝置)，并使水輪機不在振動區后保持當前開度不變。通知檢修人員現場更換被剪斷的剪斷銷裝置。更換剪斷銷裝置后可適當調整機組負荷，若調整正常，則擇機申請調度停機，對導水機構進行全面檢查處理。若更換剪斷銷裝置后，動作導葉時剪斷銷再次剪斷則應盡快申請停機處理。

3.3 剪斷銷報警時振動擺度嚴重超標

當現場檢查機組振動和擺度嚴重超標時需緊急事故停機，防止事故擴大。此時由于導葉剪斷銷剪斷后，調速器無法控制被剪斷的導葉，導葉無法全關，因此安全穩定的將機組停機，其過程中的操作風險和技術分析也較復雜，運行人員在緊急停機過程中稍有不慎，很容易造成發電機組轉動部件損壞甚至壓力管道變形[12]。

若電站設置進水口快速閘門，且壓力鋼管對排水速度沒有特別要求，可采取直接快速落進水口閘門，同時密切監視機組有功處理，在機組出力接近零時，將機組解列。機組解列后啟動機組空轉至停機流程，將機組停機。

若電站設置進水口快速閘門，但壓力鋼管對排水速度有明確要求[13]。應全關調速器接力器后，根據導葉間漏水情況再做處理。若在全關接力器過程中，機組有功接近零，應立即將機組解列。解列后緩慢關閉進水口閘門，使進水口進水量與導葉間漏水量之差剛好滿足壓力鋼管排水速率要求時停止關閉進水口閘門，隨著壓力鋼管內積水減少后再逐步關閉進水口閘門，最終實現安全停機。若全關導葉后機組有功仍然大于零時，則在緩慢關閉進水口閘門過程中擇機將機組解列，防止機組過速。此種情況絕對不能直接快速關閉進水口閘門至全關，這樣壓力鋼管有可能出現拉空而導致混泥土塌方嚴重事故。

若電站不僅設置進水口閘門，座環與活動導葉之間還安裝有圓筒閥，且圓筒閥具備動水關閉的功能時，可直接啟動緊急關閉圓筒閥，并啟動緊急停機流程，將機組停機，大大縮短事故處置時間。若圓筒閥不具備事故關閉的功能，僅作為機組停機時減少導葉間漏水而設置時，可參考前面所述未安裝圓筒閥的處置方法。

4 結論及建議

在大型水輪發電機組投產前，需要確保水輪機導水機構設計科學合理，便于維護。若發現問題應及時與設計單位溝通，更改設計。安裝階段應確保安裝質量，特別是控制環、拐臂、連接板、導葉摩擦裝置、導葉限位塊等必須滿足相關要求。在調試階段要嚴格按照相關規程規范，實驗數據必須合格。盡量避免由于設計安裝及調試原因造成剪斷銷剪斷。

確保水輪機及其輔助設備的日常檢修維護工作質量，及時消除水輪機剪斷銷信號回路等缺陷，避免誤報。做好進水口攔污柵定期維護及清理等工作，將剪斷銷剪斷的可能性降到最低。同時結合所在電站的引水發電系統的特殊性，做好在遇到多根剪斷銷剪斷突發事故處置時的運行及操作風險分析，定期進行事故預想和現場實戰演練[14]。當事故發生時要做到判斷準確和操作得當，特別是對壓力鋼管排水速度或筒閥事故關閉有特殊要求者要特別注意，防止事故擴大。

目前，國內多數大型水電站正在推進“無人值班、少人值守”值班模式[15]。但大多數水電站未針對剪斷銷剪斷事故而設置專門的事故停機流程。隨著自動化元件可靠性和監控系統信號處理能力的不斷提高，建議有條件的電站可以考慮當2個及以上剪斷銷剪斷且機組振動擺度嚴重超標時，啟動適合該電站引水系統要求的特定的緊急停機流程。這樣不僅可以防止無人值班電站事故處理不及時，還可以避免事故時運行人員手動參與機組停機時操作不當而導致事故擴大。