灯泡贯流式水轮发电机运行与维护的几点注意事项

2017-04-08李敏

水电站机电技术 2017年3期

关键词：贯流式油位停机

李敏

（湖南潇湘水电站，湖南永州 425000）

灯泡贯流式水轮发电机运行与维护的几点注意事项

李敏

（湖南潇湘水电站，湖南永州 425000）

针对目前灯泡贯流式水轮发电机频繁出现故障的现象，通过加强对机组润滑油系统、冷却系统的维护，加强对发电机绝缘监视、温度监视、油污监视等手段可以大大减少发电机故障的发生，延长发电机的大修周期，确保发电机安全、长周期地运行。

水轮发电机；润滑油系统；绝缘监视；温度监视；短路

1 前言

目前我国低水头径流式水电站的装机容量在不断的增加，自20世纪90年代以来，灯泡贯流式水轮发电机组由于效率高、投资少，建设工期短，特别适宜低水头电站的开发而得到迅速发展，特别是近10年以来，灯泡贯流式水电站的装机容量在不断的增加。由于该机组是一种新型机组，在对发电机组的运行与维护方面目前还未有一套完整的标准，均是参照运行与维护经验较成熟的混流式水轮发电机组相关的规程进行运行与维护。但由于贯流式机组的特殊结构，给运行与维护带来了许多不便之处，特别是对机组进行大修与其他类型的机组相比工作量大得多，检修很不方便。因此，如何加强贯流式水轮发电机的运行与维护，确保机组长周期可靠、安全运行就显得十分重要，笔者通过多年的实践经验总结了以下几点注意事项，能够确保机组安全、可靠运行。

2 加强机组润滑油系统维护

由于贯流式水轮机的特殊结构，与混流式等常见机组的结构有很大的不同，混流式机组的润滑油无需循环，而贯流式机组轴承及推力瓦用油均需进行循环冷却供油，供油正常（正常的流量和油温）是确保水轮机及发电机轴承正常的必要条件。由于贯流式机组在20世纪90年代才在国内逐步应用，运行和设计经验仍在不断的积累过程中，在贯流式水电站中烧毁机组轴承轴瓦成为了很常见的事故，这类事故维修工期一般均在2个月以上，造成的直接和间接经济损失均很大。而造成这类事故绝大部原因是润滑油系统故障引发的。因此加强润滑油系统的维护显得十分重要。为确保机组润滑油系统可靠工作，应注意以下几方面。

2.1 设计、配置可靠的润滑油中断回路

自动化回路的可靠性直接影响润滑油系统的正常工作。对于润滑油系统自动化回路，一般主要配置高位油箱用于启备用油泵的“油位偏低”和用于报警的“油位过低”的液位开关，低位油箱设计用于报警的“油位过高”和“油位过低”的液位开关，对于正推、反推、水导、电导轴承一般各设计1个流量开关监视其油的流量是否正常。在总润滑回油管路设计1个流量开关监视总的回油流量，并根据总的回油流量中断判据执行事故停机流程。这种通常设计表面上是正确的，但却存在很大的安全隐患，由于目前的流量开关均是热导式流量开关，其动作可靠性受到油温及油质的影响很大，经常出现拒动现象，如果在润滑油中断时而流量开关拒动将会使轴承轴瓦烧毁。同时，由于贯流机组各轴承、轴瓦供油量均较大，即使流量开关可靠动作，如在回油中断时再事故停机，各轴承、轴瓦的温度已迅速上升，在停机过程中也会使轴承、轴瓦烧毁。因此，判断润滑油中断事故停机的最好的主判据应是“高位油箱油位”，即在高位油箱设置“事故停机油位”液位开关，当高位油箱油位下降至即将耗尽油量的位置时动作，机组LCU执行事故停机程序。这样确保机组在停机过程仍能供油。同时应将电导、水导供油中断及总回油流量中断作为事故停机的判据，这相当于是“高位油箱事故低油位”的后备保护，当事故低油位拒动时，也能将机组安全停下。

2.2 配置可靠的润滑油泵控制程序和控制电路

一个完善的润滑油泵控制程序和控制电路对机组润滑油系统的可靠工作起到重要作用。贯流式机组只要运转，润滑油就不能中断，润滑油泵就得连续工作，因此，机组LCU控制程序应达到如下功能：在机组非停机状态下，始终要保持1台油泵在运行状态，无论在什么情况下正在运行的油泵退出运行，应有语音故障信号提醒值班人员，同时应无条件启动另1台油泵，当两台油泵同时停止时，应有语音事故信号，提醒值班人员进行紧急处理。同时程序应实时对高位油箱的油位进行监视，当收到“油位过低”的信号时应启动备用润滑油泵，同时发出语音故障信号提醒值班人员，将油补充至正常油位时退出备用油泵。只有这样才可确保其可靠工作。

3 加强发电机定子绝缘的监视

发电机定子主绝缘是同时在电场作用下和机械（振动）作用下工作的，这使其抗电强度大大降低，主绝缘击穿后将会使发电机定子绕组烧毁，且其击穿具有不可逆性，因此平时加强发电机的绝缘监视意义十分重大。而发电机主绝缘击穿最常见的有电击穿、热击穿和电化学击穿。

发电机投运后，需要趁机会不定期的对发电机绝缘进行监视，由于灯泡贯流式发电机定子采用卧式结构，整个机组在水里，机组的振动较大，环境潮湿，散热条件不好，这些都会加剧绝缘的老化，特别是很容易受潮。因此在丰水季节趁发电机停机时，应及时测量发电机的绝缘，而停机时间较长时，在开机前还要测量其绝缘。因为定子在水里，发电机长周期运行其定子及铁心的温度可达100℃左右，而定子外壁、流道内水温一般在20℃左右。这样当机组停机后，定子内外温差很大，定子线圈的冷却速度很快，从而在定子主绝缘表面凝结水露，使主绝缘表面受潮，笔者曾对单机容量为13 MW的灯泡贯流式发电机做过试验，在机组刚停机时（线圈温度为80℃）测得定子的吸收比为800/60，而停机48 h后，测得定子的吸收比为40/20，在2 d之后绝缘下降许多，其主要原因是定子线圈外表结水受潮所致。当绝缘降低后，电导将大大增加，如果绝缘降低到允许值以下，当发电机在起励建压或是并网操作出现操作过电压时，就有可能使机组线圈的绝缘击穿而烧毁机组。特别是针对有先天缺陷（如三相绝缘不平衡、三相泄漏电流不平衡等）的发电机更要注意加强其绝缘的监视，如果检查到其绝缘下降到相关注意值时，在开机前应对其进行干燥处理，让绝缘恢复至允许范围，再对其进行建压，防止绝缘的击穿，这一点对贯流式机组要特别注意，加强防范。

4 加强发电机的温度监视

根据固体介质的击穿理论可知，固体介质的热击穿电压与环境温度、电压作用时间、电压频率、介质的散热条件以及绝缘本身的导热系数等因素有关，而环境温度是引起绝缘老化最主要的因素之一。贯流式机组采用全密封式结构，散热条件不好，主要用强迫风循环散热，发电机内部的温度是随着定子、转子电流的增加而增加，根据发热公式W=I2Rt可知，运行中的发电机温度与电流的平方及时间成正比，电流增加时，发热量成平方的增加，如果散热效果不好会导致温度进一步升高，使绝缘老化，当介质中有局部缺陷特别是贯通性缺陷时，介质中就有电流流过，加之发电机本身温度高，很有可能击穿，因此，发电机在运行时要控制其温度在规定的范围内，在日常维护时要注意以下几点：

（1）发电机温度较高时，要加强监视，加强冷却效果，如果发电机温度较高，宁愿采取降低负荷运行方式，减小电流的热效应，确保机组的安全运行，特别在环境较高的夏天，更应注意此项。

（2）日常维护检修中，加强对发电机冷却系统的维护，定期检查冷却风机的风量是否正常，其电机性能是否良好，确保机组运行时冷却风机可靠运行。同时定期检查冷却水系统的流量及压力，发现异常时应趁机进行处理，并且应定期对空气冷却器进行清洗，确保冷却器的冷却效果。

（3）加强对发电机测温系统的维护，定期对相关的温控仪、温度巡检仪及测温电阻进行试验检查，使其能准确、实时的反映各测温点温度的实际值。

而针对绝缘存在先天性缺陷或是在运行中发现发电机的绝缘有局部缺陷时，更应注重温度的监视与维护，一般发电机在运行时定子温度较高，而在停机后，由于电流的热效应失去，发电机定子温度迅速降低，特别温差较大的春天，如果机组停机时，发电机的温度会很快从工作温度下降到环境温度，所用的时间约1.5 h左右，这样快的降温速度，导致发电机绝缘表面与芯线的温度变化很大，使之在表面凝结水珠，导致绝缘表面受潮，同时温度的急剧变化会使绝缘开裂，甚至碎化。

因此，在停机时应立即关闭发电机的冷却系统，同时应立刻投入加热器，控制发电机机堂内温度，避免机组受潮，而当机组停机几个小时后绝缘表面已受潮再投入加热器时，作用已不大，因为发电机设计加热器是防潮，而不是起到干燥作用。

5 防止发电机出口端短路

电流除了有热效应，还有电动力的作用，根据公式：F＝0.2Kx侏1侏2/a可知，电动力的大小与电流成正比，电流越大，电动力的作用越大。正常情况下（带额定负荷）发电机的定子电流的电动力作用不会使线圈变形，但强大的冲击电流有可能导致线圈变形、主绝缘起壳、弯曲变形，甚至开裂，进而发生绝缘击穿事故，而发电机在其出口端短路时，短路冲击电流最大，对发电机的危害也最大，因此在发电机出口端应严格防止短路事故的发生。某电站刚投运时发电机绝缘良好，但投运两年的时间里3台发电机先后经历过两次升压变压器低压侧三相短路事故，导致后来3台机组各有一相绝缘较其他两相低，直流泄漏电流也偏大，这和短路电流使主绝缘局部受损有很大的关系。

同时，由于贯流式水电站的水头较低，一般离城市较近，发电机与系统联接较紧密（联络阻抗小），如果该发电机在系统出现故障时（如接地、相间短路），对发电机的冲击也较大，笔者曾观察到变比为10/110 kV的水电站，当系统中35 kV系统发生故障时，发电机的冲击电流可达1.5倍的额定电流，为此要防止发电机出口端短路，就要加强对发电机相关配电设备的巡视与维护，并定期进行试验，及时发现主设备的缺陷，同时提高配电设备继电保护和自动装置的可靠性，当被保护设备出现故障时迅速、可靠切除故障，减少短路电流对发电机线圈及主绝缘的冲击。而针对与系统联接紧密的发电机，当系统对机组影响较大时，应考虑装设限制发电机短路电流的装置（如电抗器等）。

6 加强发电机粉尘及油污的监视

灯泡贯流式水轮发电机的特殊结构，特别是转桨式的水轮发电机组，其受油器设计安装在发电机侧，加之发电机机堂内的径向轴承，使发电机有可能受到油雾及油污的影响，如果受油器漏油，将直接污染到定子、转子及集电环，当油漏在定子线圈表面时，由集电环产生的碳粉会粘附在其表面，长期在高温的作用下，对主绝缘将会产生电化学腐蚀作用，从而使绝缘局部受损。同时油污及碳粉粘附在滑环表面时，会使转子绝缘降低，甚至会出现因油污及碳粉形成的接地故障。为此，应定期对发电机进行检查，利用停机的机会进入发电机机膛内及时发现并清理油污，确保发电机的清洁，而对集电环更应定期清理其碳粉及油污。