巨型水电站水轮发电机运维管理创新

赵晓嘉，乔进国（华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南　大理 675702）

巨型水电站水轮发电机运维管理创新

赵晓嘉，乔进国
（华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南大理 675702）

小湾机组投运后，电厂通过全面掌握发电机真实性能，加强设计、制造、安装期间遗留问题攻关，排除设备隐患、消除设备缺陷，改善发电机运行环境，结合在线监测系统与动态分析系统、监视和分析水轮发电机健康状态，规范化、标准化日常运行维护工作，获得了一系列先进的巨型水轮发电机运维管理经验。

巨型水电站；水轮发电机；运行维护；管理；小湾水电站

1　工程概况

小湾水电站正常蓄水位1 240 m，水库总库容为149.14亿m3，有效库容为98.95亿 m3，水库具有不完全多年调节能力。电站地下厂房内安装6台单机容量为 700 MW的水轮发电机，装机总容量4 200 MW，电站多年平均发电量为189.9亿kW·h。

小湾水电站水轮发电机设计制作安装难度很大，是世界上该水头段单机容量最大的水轮发电机，在单机容量700 MW的机组中转速最高，由此一方面导致发电机定子线棒间距世界最小、线棒绝缘设计制作难度大，推力轴承单位面积受压大、制作难度系数属世界第一；另一方面因为转速高、各部位综合设计难度大，容易造成各部件的甩油，从而污染发电机定子线棒。机组运行条件苛刻，运行水头变幅达87 m，最大水头（251 m）与最小水头（164 m）比值为1.53，要求水轮机具有宽幅度的水头适应性、稳定性和高效性。发电机采用密闭自循环、双路径向、无风扇空气冷却系统，定子线圈上端部采用回风方式冷却，下端部采用旁路通风方式冷却，采用全水冷空气冷却器的冷却总容量达9 000 kW，属世界第一。

小湾水电站已于2010年全部投产，小湾电厂参照全国已投产的大型水电厂的运维管理经验，解决了设计、制造、安装期间遗留下来的重大遗留问题，在实际工作中逐步提炼出了一系列先进的巨型水轮发电机运维管理经验。

2　全面开展水轮发电机试验， 掌握小湾水轮发电机真实性能

为全面了解和掌握小湾水轮发电机组真实性能，除常规机组性能测试外，电厂在700 MW水轮发电机组上进行了全面的发电机性能试验，包括三相稳态短路试验、发电机空载试验、直轴同步电抗与短路比确定、电话谐波因数测试、电压波形正弦性畸变率测试、出力试验、通风试验、推力轴承试验、温升试验、噪声测定、零序电抗测试、负序电抗测试、交轴同步电抗Xq测定、飞轮力矩测试、效率及损耗试验、进相试验等。上述各试验检验了700 MW级水轮发电机的各项性能指标，掌握了真实的试验数据，对后续机组运行、维护管理工作打下了坚实的基础。

3　加强设计、 制造、安装期间遗留问题攻关，排除设备隐患、消除设备缺陷

3.1发电机电晕问题

由于小湾定子线棒间距较小，各台机组运行1～2年后，发电机定子线棒均出现不同程度的电晕现象。经分析，电晕原因为：小湾发电机定子绕组原绕线方式中，所有绕组的走线方向一致，造成相邻的不同相别的线棒之间的电势差从中性点端的0逐渐变大到出口端的18 kV，引起定子绕组局部电势差过高、电场分布不均，从而出现电晕。

电厂决定通过发电机定子绕组改接线方式减少电晕现象。原理为：改变一半支路（偶数号支路）的绕组的走线方向，如A相绕组各分支绕组的编号为U1、U2…U8，改变U2、U4、U6和U8这4个（3相共12个）分支绕组的走线方向，使相邻的不同相别绕组的走线方向相反，使得它们之间的电势差始终保持在10.4 kV（相电压）左右，降低绕组间的局部电势差、改善线棒间的电场分布，以减少电晕的发生。

通过在机组大修期间实施的2号发电机定子改接线效果来看，改接线后电晕大幅减少、电晕强度明显降低。2号机组修后运行至今，仅发现定子上端部452槽与453槽线棒之间靠近“r”拐角处的上斜边垫块处有一处轻微放电点，改善效果明显。

3.2发电机定子振动偏大问题

小湾水电站各机组在700 MW有功负荷下定子机架、定子铁心水平振动值均偏大，已超过 GB/ T8564—2003《水轮发电机组安装技术规范》及合同要求，部分振动值已超过小湾电厂振动一级报警定值（120 μm）。

根据历次机组振动试验、定子径向刚度分析得出，造成定子低频振动的原因为转子不圆及定转子偏心，因此要减少发电机定子振动情况，需改善转子圆度、减少转子偏心度。

小湾发电机磁极键采用斜向打紧固定，易造成磁极键虚打紧、产生松动；机组过速后，磁轭存在残余变形，冲片切向产生错牙，也易造成磁极键松动，上述现象也会导致机组运行时转子动态不圆度增大。

电厂结合机组检修期根据质量标准对1、2、6号发电机转子圆度进行了处理，以1号机组为例，处理后定子机架及铁心水平振动由最高107 μm降至最高80 μm，改善效果明显（1号机组检修前后发电机定子机架及铁心振动数据对比见图1）。计划在后续机组检修期间开展如下工作，以显著改善定子振动情况：提高发电机检修质量标准，将转子半径的最大值与最小值之差控制在0.8 mm以内，最大限度减小转子的不圆度，将上导、水导轴承盘车数据净摆度在一个方向上的最大差值控制在0.08 mm以内。在机组大修期间吊出转子，将磁轭键重新打紧到3 mm，重新挂装磁极，增加0.1 mm厚的超薄磁极键调整垫片，以确保打紧磁极键，消除离心力引起的磁极膨胀量防止出现虚打紧现象。

图1　1号机组检修前后发电机定子机架及铁心振动数据对比

3.3轴电流偏大问题

轴电流偏大是已投产的大型水轮发电机遇到的一大难题，轴电流偏大会造成各导轴承油膜破坏，严重时会造成烧瓦事故。针对小湾各发电机轴电流测值在4～10 A之间的问题，电厂组织进行技术攻关，最终确定由于大轴中心补气排水装置集水箱的动、静止漏环间长期受潮导致局部短路，形成了轴电流回路。现场对大轴中心补气排水装置的止漏环梳齿及其连接螺栓、垫片、绝缘套筒等部件整体喷涂绝缘漆处理。2号机组处理前600～650 MW运行时轴电流为4.4 A，处理后相同负荷下运行时轴电流为0.53 A，下降效果明显。

3.4发电机转子动态一点接地问题

小湾机组运行过程中也遇到发电机转子动态一点接地这一难题，2014年小湾多台机组在运行过程中监控频报“转子一点接地保护装置故障报警（复归）”、“转子一点接地保护报警（复归）”信号，停机后检查转子绝缘良好，属动态接地。经多次检查分析，发现个别发电机磁极调整垫片过长，与磁极绕组间有刮伤痕迹，经测量导通接地。切除过长的发电机磁极调整垫片并点焊固定，对磁极内侧红漆刮伤点进行补漆后开机试验，转子一点接地报警消失，机组运行正常。

3.5发电机空气冷却器防渗漏措施及渗漏在线报警装置加装

2014年不少大型水轮发电机出现因未及时发现空冷器漏水，造成定子线棒烧损的事故。小湾吸取相关电厂上述教训，在机组检修期间吊出所有发电机空气冷却器，用氩弧焊将高10 mm的不锈钢板点焊在各台空气冷却器对应的定子机座下环板上端面，并用乐泰5 699密封胶对未点焊部位进行封堵，在各台空气冷却器对应的定子机座外壁底部钻两个φ16的排水孔，将排水管引排至排水沟，并在管路出口加装渗漏报警装置。在发电机空气冷却器渗漏初期，报警装置监测到渗漏现象后发出报警信号，运行人员可以及时抵达现场处理，以防止事故扩大。该项目已取得国家实用新型专利。

3.6推力轴承镜板泵改造

由于推力镜板泵是第一次在700 MW机组上使用，机组长期运行后发现镜板泵瓦支架轴与轴孔间出现磨损，镜板泵瓦卡涩，如不及时处理有可能造成推力冷却容量不足、推力瓦温升高，甚至烧瓦事故。

为了保证推力镜板泵正常运行，小湾电厂开展了推力镜板泵问题技术攻关，将推力头与转子支架、镜板间加装了定位销，有效控制了镜板和推力头在机组运行中径向窜动的现象；并在推力镜板泵瓦支架轴增加抗磨衬套，泵瓦增加支撑，改造后运行情况良好。

3.7发电机中性点CT改造

由于小湾发电机中性点电流较大（分支引出导体电流达10 000 A以上），检查发现各台发电机中性点B相CT吊孔处，浇注绝缘层有不同程度的开裂现象。电厂开展了发电机中性点CT开裂问题技术攻关，最终确定原因为：当发电机带大负荷运行时，由于电流越大、导体距离CT越近，杂散磁场越强，且B相CT同时受A、C两相导体大电流产生的杂散磁场作用，该相CT铁心局部磁密严重饱和，铁心及屏蔽结构长期处于更热状态，再加其所处位置通风散热不利，因此B相CT运行温度高于A、C两相，在内外温差的作用下，导致B相CT出现开裂现象。

电厂决定对中性点CT进行改型，增大直径以提高散热能力，提高绝缘等级以提高抗杂散磁场能力及耐热能力，改型后运行情况良好。

4　发电机运行环境改善措施

发电机的运行环境事关发电机及其附属设备的健康与使用寿命，小湾水电站为改善与改进发电机运行环境，采取了如下措施。

4.1推力油槽甩油处理

推力轴承甩油会污染水轮发电机及其附属设备，小湾机组因转速高，也曾饱受甩油问题困扰。小湾推力轴承甩油由3方面原因造成：推力头与转子中心体把合螺栓爬油，推力油盆上密封盖爬油，以及推力油盆分瓣组合缝密封与下部环形密封的“T”型密封错位漏油。电厂在推力头与转子中心体把合面加工密封槽、安装了φ8耐油橡胶条，对转子中心体内销钉孔进行了封堵，将原推力油盆上盖板更换为带随动式密封条的接触式油槽盖板，在推力油盆分瓣组合缝的全接触面涂抹了密封胶，目前推力油槽甩油现象已得到有效解决。

4.2发电机风洞除湿改造

南方地区地下厂房的发电机风洞内管路结露，是一个常见又较难解决的问题，对发电机定、转子及其附属设备的绝缘有直接影响。小湾采取措施确保发电机风洞与外界可靠密封，对发电机风洞内全部水管路增加结露涂层，并将原有小功率除湿机改造为大功率全封闭式除湿机，停机后发电机风洞内的湿度可有效控制在60%以下，发电机空气冷却器及风洞内各水系统管路再未出现结露现象，有效防止了发电机定子铁心锈蚀、相关电气设备与元器件发潮现象，保障了发电机的正常运行。

4.3制动闸板改造

发电机制动过程中闸板产生粉尘是造成定转子污染的一个重大污染源，小湾水电站将原制动器闸板更换为非金属无石棉无尘闸板，目前发电机停机制动过程中已无明显粉尘，改善效果明显。

5　结合在线监测系统与动态分析系统， 监视和分析水轮发电机健康状态

5.1发电机局放在线监测系统

小湾水电站结合机组检修加装了发电机局放在线监测系统，通过发电机局放在线监测系统及环境在线监测系统，能在线实时观察发电机、封闭母线等设备的相关运行数据，并根据该数据进行趋势分析，掌握设备健康状况，及时发现设备存在的隐患和问题。

通过状态监测系统，可以实时监测机组各部位振动摆度、发电机定转子气隙运行数据、轴系状态、定转子圆度、磁极形貌及相关波形频谱等（见图2），也可以选择任意时间段的历史数据进行分析。该系统的长期应用，有助于现场人员及时掌握机组运行情况，便于开展发电机运行趋势分析，并及时调整不利运行工况。

图2　小湾机组状态监测系统

5.2数据动态分析平台

运行人员可根据各机组的特点，结合设备大量的实际运行数据统计情况，对数据动态分析平台（见图3）中各项设备运行参数的预警值进行设置，运行参数超过预警值后将在系统中报警。由于计算机监控系统中各运行参数的种类及数据量较大，机组运行过程中该平台可起到辅助监盘的作用，在大幅降低运行监盘人员的技术门槛的同时，还有助于及时发现设备运行中出现的问题。

通过该系统，现场人员还可以随时对全厂设备的生产运行数据进行查询、分析和对比，掌握设备健康状况变化趋势，对发现的设备隐患和薄弱环节，制定有针对性的预防控制措施或运行特维措施，保障设备安全稳定运行。

图3　小湾数据动态分析平台

6　规范化、 标准化日常运行维护

6.1运行维护巡检标准化

根据小湾电厂发电设备巡回检查管理标准及运行规程，运行维护巡检分为以下几种：

（1）每天3次的运行交接班巡检，以及每值1次的运行值班巡检，对开关站、控制楼配电室、发电机机旁盘、厂用电系统、封闭母线、高厂变、励磁变、主变、水轮机室、中低压气系统、机组技术供水等设备进行重点巡检。

（2）运行On-call巡检根据设备安装部位分为4个区域中，1、2、3号区域每日1次，4号区域每周1次，巡检项目共计3 172项，包括大电流部件的红外测温等工作。

（3）运行班每半个月会对所有机组各进行一次停机后发电机风洞内的定子机座、定子上端线棒、空冷器、制动系统、下挡风板、推力油盆、下导油盆、高压油顶起装置、上导油盆下油挡、转子中心体内部、大轴中心补气及排水管路、消防管路、粉尘吸收装置管路、油雾吸收装置管路、除湿机、排水沟、各电缆桥架等部位的设备进行全面检查。

（4）维护班、计算机监控班每月对发电机进行专业巡检及趋势分析，专业巡检项目共计4 762项。

上述巡检发现了发电机空冷器软连接损坏、空冷器固定压板螺栓松脱、中性点CT开裂、集电环碳刷打火等重大缺陷，防止了缺陷的扩大。

6.2推行可视化运行、维护、检修

小湾电厂结合运行、维护、检修工作，颁布了可视化巡回检查标准、可视化检修作业指导书、可视化设备维护管理标准等一系列规程、标准，推出可视化运行操作、巡检、维护、检修视频教学，其中含有可视化巡回检查项目651项、可视化检修作业指导书52份、可视化维护工单1 643项。通过视频、图片的应用，已显著提高初学人员的技能学习和掌握速度，并降低人员操作失误的几率。

6.3其他方面

小湾电厂为确保水轮发电机的安全稳定运行，积极探索并采取了如下措施：增加发电机转子励磁系统刷握与碳刷，定期检查并更换磨损量较大的碳刷，消除集电环碳刷打火现象，在集电环内增加测温装置，对集电环内温度进行实时监视；对高压油顶起装置程序进行优化，增加双电源切换装置；加装了HDJ交流窜入直流监测装置，具备交流窜直流故障记忆和报警功能，便于故障点查找及故障消除；所有连接螺栓均涂抹了螺栓紧固剂，重要螺栓加装了止动垫片等防松动措施并做好防松标记，便于巡检人员对螺栓松动情况进行检查；每次检修均用工业内窥镜对发电机转子极间支撑螺栓、螺母进行检查；发电机风洞入口装有金属探测器，防止物品未经登记便带入风洞；在机组运行中噪音较大的区域进口加装了噪音检测系统，出现噪音异常立即在监控系统报警；并计划2015年在发电机风洞内加装红外线摄像头，对水轮发电机运行中外围设备的发热情况进行在线观测，并实现越限报警。

7　结语

小湾水电厂在先进的运维管理理念的指导下，充分结合现场实际，各台机组均实现投产后180 d内无非计划停运，投产多年无非计划

划停运，积累了丰富的700 MW级水轮发电机的运维经验。小湾电厂将持续推进运行、维护及检修管理的规范化、标准化、流程化、信息化，不断更新700 MW级水轮发电机的运维新成绩。

［1］哈动国家水力发电设备工程技术研究中心有限公司.巨型水轮发电机定子振动评估及技术解决方案［R］.哈尔滨：哈动国家水力发电设备工程技术研究中心有限公司，2014.

［2］杜灿勋，皮跃银.小湾水轮发电机通风方式选择［J］.水电站机电技术，2007（2）：22-24.

［3］陈家恒，王超，李燕云.小湾水电站典型电气事故隐患分析与解决方案［J］.水力发电，2011（9）：65-68.

［4］梁朝弼.小湾电厂发电机电晕处理方法［J］.云南水力发电，2012 （4）：124-127.

［5］赵七美.大型水轮发电机定子定位筋安装技术［J］.水电站机电技术，2009（5）：41-44.

（责任编辑高瑜）

Innovation on Operation and Maintenance Management of Hydro-Generators in Giant Hydropower Station

ZHAO Xiaojia，QIAO Jinguo
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

A series of advanced operation and maintenance management experiences of giant hydro-generators are achieved through a full grasping of generator's real performance，strengthening researches on the remaining issues of design，manufacture and installation of unit，removing hidden trouble and eliminating defects of equipments，improving operating environment of generators，monitoring and analyzing the health state of generators based on online monitoring system and dynamic analysis system，and implementing standardized routine operation and maintenance.

giant hydropower station；hydro-generator；operation and maintenance；management；Xiaowan Hydropower Station

TM312（274）

A

0559-9342（2015）10-0025-04

2015-07-28

赵晓嘉（1987—），男，河南灵宝人，工程师，主要从事水电站生产技术管理工作.