陆浑水电站高水头运行发生振动和接地问题的分析和处理

孙九顺 孙孝亮

(1.河南省陆浑水电站，河南 洛阳 471412；2.武汉国测科技股份有限公司，湖北 武汉 430233)

陆浑水电站高水头运行发生振动和接地问题的分析和处理

孙九顺1孙孝亮2

(1.河南省陆浑水电站，河南 洛阳 471412；2.武汉国测科技股份有限公司，湖北 武汉 430233)

通过对水轮机在超出最高运行水头下运行引起振动的现象进行研究，分析可能引起振动的因素，重点对引起共振的原因进行阐述，找到避开共振区的办法和理论依据。同时论述了电站发生的一起转子接地故障，通过让电流经过接地点，查找准确故障点的具体办法和措施。

高水头；振动；接地；处理

1 灌溉洞电站2号机高水头运行突发振动问题的分析与处理

灌溉洞电站2号机水轮机型号HL-240-LJ180，设计水头20.4 m(相当于库水位316 m)，设计出力3 200 kW，当库水位升至319.5 m时，超设计额定水头3.5 m，超最高运行水头1.5 m，机组振动突然明显增加，当负荷降至1 900 kW时振动才明显减轻至允许范围内。水轮机的振动可能由多方面原因引起：机组镜板底平面与机组轴线不垂直，造成机组总轴线产生一个不平衡力，随着转子的转动，产生一个偏心力距，将引起径向振动导致瓦温升高，翻阅了近一年的运行记录，瓦温并未有明显的异常，排除了这方面的原因。经过分析我们认为，水轮机在非设计允许水头下运行，特别是在超设计最大水头下运行，转轮叶片进口，水流冲角发生改变，偏离最佳区域，水流紊乱形成漩涡，再加上整个转轮出口的旋转水流，在尾水进口形成一个大的漩涡(尾水涡带)，尾水涡带稍有偏心就形成脉动压力，使转轮形成旋转径向推力引起主轴和机组承重机架的振动。

综合以上分析，机组振动可能由各种因素综合造成，2号机的振动是当水位升高到319.5 m附近时，振动突然增加，很有可能在超过最高设计水头时主要由尾水涡带引起，并且和各种引起振动的因素组合在一起，在一定的条件下形成某一振动频率，如果刚好和机组固有的频率一致，就会发生共振从而使振动突然增加。如何改变机组的运行条件躲过共振区，通过观察发现，灌溉洞尾水渠退水闸有两孔闸门，虽然我们不能降低库水位，但可通过抬高尾水，降低落差，使机组进入设计允许范围内，这样不但能改变转轮的水流冲角，而且随着尾水位的升高对尾水涡带也有一定的稳定作用，减轻了脉动的影响，关闭退水闸东孔闸门后，尾水位由1.8 m升至2.7 m，调整导叶开度负荷由1 900 kW升至3 000 kW，不但机组振动基本消除，而且比没有关闭退水闸东孔闸门前，在负荷1 900 kW时运行还要稳定。

水轮发电机振动处理的一般原则：机组振动是由多种因素引起，它们相互增加或削弱，在一定条件下形成共振。如果机组出现振动，首先就要分析引起振动的原因，确定振动的性质。假如振动主要是由共振引起，只要运行条件稍有改变振动就会明显减弱；假如是机组本身的原因，不能立即进行处理，在消除振动之前应进行跟踪监测观察，振动是扩大还是稳定在某一允许的水平，防止状态恶化造成事故；若振动是因超出设计最大允许运行水头引起，可根据实际情况，通过提高尾水位，相当于降低运行水头的办法来解决，电站多年来在实际运行过程中，通过提高尾水位的办法，有效地解决了机组的振动问题，并取得了良好的经济效益。

2 灌溉洞电站2号机转子一点接地问题的查找与处理

故障现象：2010年4月份开机时，集控台发出转子一点接地信号，按下复归按钮，无法复位，证明故障确实存在，为了检测接地情况，用100 mA的电流表串入转子一点接地回路，接地电流27 mA，按规程规定接地电流最大不能超过10 mA说明发生了严重的接地故障。

故障分析及查找办法和处理过程：我们首先取掉集电环碳刷，让转子和集电环断开，这时接地信号消失接地电流为0，这证明接地确实为转子内部接地引起。电站以前曾经发生过多次接地故障，大多数情况下为转子受潮，经常采用的办法是：开机升压至5 kV，通过励磁线圈的发热和内部循环风对转子进行烘干，一般经过3～4 h，接地信号都能消失，接地点电流就能减少到允许范围内。可这次经过3 h的运行，检测接地电流不但没有减少反而增加到31 mA，由此基本可以确定，接地非受潮引起，而是实际存在金属性接地，我们和厂家联系并咨询了有关方面的专业人士，建议吊芯逐个磁极查找故障点，如果这样，不但2号机不能发电，在检修过程中灌溉洞要停水，3号机也不能发电，影响水库整个年度调度计划，造成水资源的浪费和近百万的经济损失，我们翻阅了大量书籍，用尽了我们能够使用的办法，都无法准确找到故障点。经过认真的分析研究，根据欧姆定律在电压一定的情况下抗阻越小电流越大，为了让接地点和非接地点的电流有明显的变化，决定电源采用交流电，让电流通过接地点的方法查找故障，具体做法是：首先用4 mm2的铜线将发动机转子和定子铁芯短接，防止电流通过轴瓦造成烧蚀，用2 kVA的自耦调压器，调节一个2 kVA、36 V的行灯变压器，在二次侧串接15 A、5 Ω的可调电阻，可防止短路烧坏设备，实验前先将2根实验线N1和N2短接，通过调节调压器和可调电阻，使电流达到10 A，然后断开电源，N2接在发电机转子磁轭上，最后合上电源，用N1分别去连接32个磁极的进线端记录下电流的数值，如表1所示。

从表中实验数据结果来看，30号磁极电流和N1和N2直接短路电流仅仅相差1 A，而两边29号磁极和31号磁极又明显减小，说明理论接地点就在30号磁极上，为了更准确地找到故障点，断开电源，把接地线真接在30号磁极的磁轭上，为避免电流过大，重新短接N1和N2，通过调压器和滑线电阻配合，使短路电流降至5 A，然后去接触逐匝线圈，找到最大电流的那匝线圈，接着在这匝线圈上逐点去找，相对最大电流点就是故障点，确定理论故障点后，进入转子内部，松开磁极固定螺丝，推动磁极线圈向定子铁芯方向移动，这样线圈进线端和转子之间就留有5 mm的间隙。重新把实验线接到30号磁极线圈上，合上电源，用绝缘棒撬动线圈时，电流有明显的波动，说明这是因线圈移动时接地电阻的变化而因起，为准确找到故障点，断开电源，进入转子内部检查发现，第二匝线圈底部和磁极根部绝缘垫有明显的碳化痕迹，距离理论故障点不到1 cm，更换绝缘垫对线圈底部进行处理后，问题很快得到解决。

表1 磁极编号与电流对应表

3 发生接地故障原因分析及预防措施

接地点发生在磁极底部有以下原因造成：发电机运行时转子温度高达100 ℃以上，而且2号机冷却方式为水环空冷，机组停后，发电机内部湿度大，转子铁芯凝结有水珠，当水珠滑落到底部时该处绝缘受潮，为发生接地故障埋下伏笔。在实际运行过程中，又由于转子线圈为感性，线圈电流不能突变，在停机过程中，断开灭磁开关的瞬间在转子内产生高压，长期多次的积累最终造成绝缘的损坏。

在今后实际工作中，为尽可能避免转子接地故障的发生，停机时，应把励磁电流降到最小，再跳灭磁开关，避免转子线圈高压的产生，停机后，应及时关闭发电机的冷却水，降低发电机内部的湿度，避免上述原因造成的转子一点接地故障。

4 结语

笔者在实际工作中，通过调节尾水闸门，提高尾水位降低净水头的方法解决了水轮发电机组在超设计水位引起的振动问题，在其他电站具有一定的借鉴意义。

让较大电流通过接地点，判断接地电流的大小来确定故障点，这样的方法不但适用于发动机转子接地的查找，而且可排除其他电气设备难以查找的隐性故障。但是，运用此方法有一定的风险，应根据情况准确选择电压等级及串接电阻、接地电流的大小，电流过大容易造成火灾或者对设备的彻底损坏，电流太小又不便于分析判断，运用适当则可快速准确地查找到故障点。

2014-10-24

孙九顺(1965—)，男，河南洛阳人，工程师，研究方向：电气自动化、电气设备试验与检修。