探析水轮发电机组稳定性的影响因素及其措施

李平+杨鹤

（1江西洪屏抽水蓄能有限公司；2国网江西省宜春市上高县供电公司 江西上高 336400）

摘 要：水轮发电机组是水电厂的重要组成部分，其稳定性关系着整个水电厂安全，并且在一定的程度上影响到整个电网的稳定性及经济效益。基于此，本文阐述了水轮发电机组稳定性的影响因素及其危害，对影响水力发电机组稳定性的原因对策进行了探讨，并提出了加强水轮发电机组稳定性的措施，旨在保障水轮发电机组的安全运行。

关键词：水轮发电机组；稳定性；影响因素；危害；原因对策；措施

水轮发电机组的稳定性是电气、机械、流体等多种原因引起的，因此为了保障水轮发电机组的稳定性，必须要对影响其稳定性的原因对策进行分析，从而保障水电站的安全运行。

一、水轮发电机组稳定性的影响因素

水轮发电机组稳定性的影响因素。（1）水力因素。水力不平衡引起的振动。卡门涡列引起的振动。尾水管涡带引起的振动。尾水管中空腔压力脉动。轴流式水轮机叶片振动，导叶开度的变化，当开度减小到一定程度，叶片表面脱流或空化引起叶片振动和机组振动，实际运行中须考虑这一问题。导叶数和转轮叶片数不匹配引起的压力脉动。（2）电磁因素。发电机组气隙不均匀；负序电流引起的反转磁势；定子不圆，机座合缝不好；定子铁芯铁片松动；转子匝间短路。（3）机械因素。机组轴线不正或对中不良；转动部件质量不平衡；导轴承缺陷；主轴密封调整不当；静板不平或推力瓦不水平；推力头松动；导轴瓦间隙调整不当；转子振摆。

二、水轮发电机组缺乏稳定的主要危害

水轮发电机组不稳定的危害主要有：（1）使机组各部位紧固连接部件松动，导致这些紧固连接部件本身的断裂，加剧被连接部分的振动，促使它们迅速损坏。（2）引起机组零部件金属焊缝中疲劳破坏区的形成和扩大，以至断裂损坏而报废。（3）加速机组转动部件的磨损，如大轴的剧烈的摆动，使轴与轴瓦的温度升高，使轴承或轴瓦烧毁；转子振动过大，增加滑环与碳刷的磨损，使碳刷跳火花。（4）尾水管中水流脉动压力可使尾水管壁产生裂缝，嚴重的可使整块钢板剥落。（5）共振引起的后果更严重。如机组设备和厂房产生共振时可使整个设备和厂房毁坏；卡门涡列引起叶片的周期振动，当卡门涡列的振动频率与叶片固有频率接近时就会发生共振，将产生严重的噪音，使叶片产生疲劳断裂。

三、影响水力发电机组稳定性的原因对策

影响水力发电机组稳定性的原因主要有：空载带励、空载无励以及空载或带负荷等方面，其主要表现为：

1、空载带励原因。空载带励主要表现为振动强度随励磁电流增加而增大；逐渐降低定子端电压，振动强度也随之减小；在转子回路中自动灭磁，振动突然消失。其原因主要有：（1）转子线圈短路；（2）定子与转子的气隙有很大不对称或定子变形；（3）转子中心与主轴中心偏心。针对以上原因，可以采取以下对策：（1）用示波器测出线圈短路位置并进行处理；（2）停机调整气隙间隙。气隙的最大值或最小值与平均值之差不应超过10%；（3）如偏心很大时，需用调整定子与转子中心的方法予以消除等手段予以处理。

2、空载无励原因。主要表现为振动强度随转速增高而增大；在低速时也有振动，其可能原因主要有以下几方面：（1）发电机转子或水轮机转轮动不平衡；（2）轴线不直；中心不对；推力轴承轴瓦调整不当；主轴联接法兰连接不紧；（3）与发电机同轴的励磁机转子中心未调好；（4）水斗式水轮机喷咀射流与水斗的组合关系不当；（5）转轮叶片数与导叶数组合不当。针对以上原因，应该采取以下对策：（1）动平衡试验，加平衡块，消除不平衡；（2）调整轴线和中心，调整推力轴瓦；（3）调整励磁机转子中心；（4）改善组合关系；（5）改善组合关系。

3、空载或带负荷原因。其表现为主轴摆度或振动与转速无关，当负荷增加后，摆度或振动有所降低。这主要是由于机组主轴轴线不正；推力轴承轴瓦不平整，处理方式是调整轴线；校正轴瓦。此外是振动强度随转速和负荷增加成正比增大，其原因往往是多方面的，如转轮轮缘上突出部件布置不对称。可以采取以下对策：（1）刮去突出部件或用盖板遮盖，使其平滑过渡；（2）清除堵塞物；（3）调整修理止漏环；（4）加固支承结构等等。最后还有一种振动特征是在所有工况下主轴摆度都大，这通常是由于瓦隙过大，或主轴折曲，或机架松动，可以采取在开停机过程中越过此振动区；改变结构的固有振动频率。

四、提高水轮发电机组稳定性的措施

1、做好水轮机的选型工作。机组能否稳定运行主要决定于水轮机的水力设计，在电站设计阶段应合理地选择各种水头，这是水轮机稳定运行所做工作的第一步。水轮机转轮的设计以及选型都是为了确保在设计水头处有较为宽裕的稳定运行区，减少裂纹和震动对水轮机的危害，因此都要求水轮机水头的变幅不能过大；对比转速进行合理选择，必须根据水头变幅、水质状况以及负荷调节范围以及机组台数等进行综合性选择。

2、不断改进水轮机的水力设计。水轮机空化和空蚀的主要类型是翼型的空化和空蚀，而翼型的空化和空蚀与很多因素有关，诸如翼型本身的参数、组成转轮翼栅的参数等等。就翼型设计而言，要设计和试验空化性能良好的转轮。一般考虑两个途径：一种是使叶片背面压力的最低值分布在叶片出口边，从而使汽泡的溃灭发生在叶片以外的区域，可避免叶片发生空化和空蚀破坏。若改变转轮的叶型设计，就可使汽泡溃灭和水流连续性的恢复发生在叶片尾部之后，这样就可避免对叶片的严重破坏。实践证明，叶型设计得比较合理时，可避免或减轻空化和空蚀。因此在水轮机选型设计时，要合理确定水轮机的吸出高度，水轮机的比转速，空化系数。比转速越高，空化系数越大，要求转轮埋置越深，选型经验表明，这三个参数应最优配合选择。对于在多泥砂水流中工作的水轮机，选择较低比转速的转轮有利于减轻空蚀和磨损。

3、改善运行条件。翼型设计时只能保证在设计工况附近不发生严重空化，在这种情况下，通常不会发生严重的空蚀现象。但在偏离设计工况较多时，翼型的绕流条件、转轮的出流条件等将发生较大的改变，并在不同程度上加剧翼型空化和空腔空化。因此，合理拟定水电厂的运行方式，要尽量保持机组在最优工况区运行，以避免发生空化和空蚀。对于空化严重的运行工况区域应尽量避开，以保证水轮机的稳定运行。在非设计工况下运行时，可采用在转轮下部补气的方法，对破坏空腔空化空蚀，减轻空化空蚀振动有一定作用。

4、加强运行管理。良好的运维管理工作也是保证水轮机运行稳定性的重要措施。水电站必须要委派专门的人员负责水轮机的维护和管理，提高机组的使用寿命以及工作效率。首先，要确保水轮机在规定的运行范围内运行；其次，运行过程中要尽量避开振动区，保持在稳定区运行，使各台机组都运行在最优工况。

结束语

为了保障水电站的经济效益，必须保证水轮机组运行的稳定，必须使水轮机组符合水电站安全运行的规范标准，因此对水轮发电机组稳定性的影响因素及其措施进行分析具有重要意义。

参考文献：

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[2]王海.对水轮发电机组状态的检修[M].北京：中国电力出版社，2010.

[3]龚芹炬.水轮机稳定性影响因素分析与优化措施研究[J].河南科技，2013

[4]张锴.关于水轮机稳定性问题探讨[J].中国新技术新产品，2013