大型水轮发电机剪断销剪断及处置措施研究

刘江红，王东泽，夏远洋，王 奎，梅沈锋

(雅砻江流域水电开发有限公司锦屏水力发电厂，四川 西昌 615000)

水轮机剪断销作为水机导水机构的保护常发生剪断，导致主机缺陷和故障，减少机组可利用小时数，直接影响机组正常运行。水轮机剪断销剪断的频繁发生，对机组安全稳定运行构成了威胁。

1996-07-23日，福建谟武水电厂[1]2号机组(15 MW)在增负荷时，机组、厂房剧烈振动，同时负荷在2～10 MW之间波动，造成2号机组全部16根剪断销剪断；全部导叶开、关限位装置均被打断，导叶拐臂嵌入座环后锥体端面；导叶进、出水边由于导叶间相互碰撞均有不同程度的变形等严重后果。

1997-01-14日，江西界牌水电厂1号机在机组带100%负荷甩负荷时，突然导水机构上半部的剪断销已全部断裂，连杆及导叶拐臂杂乱无章地摆动，导致无法进行正常的停机操作, 机组在紧急停机过程中共剧烈振动了大约6 min。

2006-01-20日及3月7日，云南熊家沟电站[2]2号机组(9 MW)运行2个月及1号机组(9 MW)运行半年后，均出现剪断销的非正常剪断现象，经检查发现导叶端面间隙过小，部分导叶下端面间隙为0。

2006年2月，贵州乌江渡发电厂2号机(250 MW)在运行中水导瓦瓦温异常升高，机组不能持续高负荷运行，测量机组水导振摆度较大；检查2号机导叶立面间隙时发现14～15号导叶、15～16号导叶立面间隙与其他导叶相比偏差较大。经检查发现14、15、16号导叶的剪断销已被剪断，但由于导叶的剪断销信号器未安装到位，因此“剪断销剪断信号”并未发出。同年6月6日2号机运行中有几块水导瓦温异常升高，且都在同一侧。检查发现2号机9、21号导叶剪断销均已被剪断，遂对9、21号导叶剪断销进行更换。更换后2号机水导瓦温恢复正常。自2007年至2008年2年间贵州乌江渡发电厂3台机组共发生水轮机剪断销剪断19次，其中开机剪断9次、运行中剪断10次, 且无一次为导叶被异物卡住而剪断[3]。

2008-10-03日，辽宁汤河电厂1号机组(3.2 MW)开机试验。当投入发电机的控制回路和直流回路保护时，控制台上出现了水轮机事故信号，同时剪断销信号报出，使得机组不能开机并网。

2012年6～9月，四川深溪沟水电站4台机组(165 MW)部分水轮机导叶剪断销均呈现不同程度的上爬现象[4]，上爬高度达10 mm左右，上爬剪断销主要集中在调速器推拉杆与控制环连接处附近。

2014-07-12日至2014-12-20日，1、2号贵州沙阡水电站水轮发电机组(25 MW)剪断销在开停机过程中共剪断14次，其中1号机剪断6次，2号机剪断8次。

随着水轮机组容量的不断提升，机组的安全稳定运行显得越来越重要。大型水轮机剪断销剪断是水电厂较为严重的故障之一，其设计目的是当导叶间有异物卡住时保护导水机构及水轮机[5]。当剪断销被剪断后，需压力钢管及尾水管排水后进入水轮机内部进行处理，这将花费大量的时间和人力，造成严重的经济损失。因此，分析大型水轮发电机的剪断销剪断的真实原因及事故应急处置显得尤为重要。

1 剪断销的作用

1.1 剪断销的作用

随着中国水电事业的不断发展，大型水电站已成为水电发展的趋势[6]。而大型水轮机的结构也日趋完善，作为保护装置的剪断销，其作用不言而喻。

大型水轮机的导水机构是水轮机的核心组成部分，包含顶盖、底环、导叶、导叶臂、连杆、控制环和接力器等部件组成。导水机构常用的安全装置是剪断销。剪断销作为水轮机的主要保护之一，是水轮机安全稳定运行的重要保证措施。

目前常用的导叶传动机构主要分为：连接板式传动机构、叉头传动机构和耳柄传动机构。为阐述剪断销工作原理，选取一种进行说明。

剪断销保护装置通常由剪断销及其信号器组成。剪断销的结构示意图如图1所示。其中部做成薄弱的断面。正常情况下，导叶在动作过程中，剪断销有足够强度带动导叶转动。当关小(或闭)导叶时，若有异物卡在导叶之间，导叶轴和导叶臂将无法转动，所需操作力矩急剧增加，当操作力增大到正常应力的1.5倍时，剪断销被剪断，被卡住的导叶失去控制，而其他导叶继续向关闭方向运动，以起到避免事故扩大的作用。剪断销的中心孔内装有信号装置，当剪断销被剪断时，该装置将通过监控系统发出信号。

图1 一种剪断销的结构示意图

剪断销的作用类似于电气回路中“保险”。如导叶出现问题无法开启或关闭时，为避免对接力器造成进一步的伤害，“保险”剪断销会因受到过大剪切力被“剪断”。同时剪断销剪断后，使剪断销信号器的常开触点闭合，发出报警信号以便运行人员现场检查并处置。

1.2 剪断销剪断后的现象特征

水轮机剪断销在运行中发生剪断，是为了防止因导叶被异物卡住等原因造成导水机构无法关闭而损坏，通过剪断销的剪断，使故障导叶脱离控制，其他导叶仍可正常转动，有效保护水轮机及其导水机构。剪断销剪断后主要有以下特征及现象：

1)在发电机组正常运行中，水轮机剪断销剪断后，由于各活动导叶之间的开度不一致，且被剪断的导叶可能由于脱离导水机构的控制而失控，水轮机受到的水流冲击不均衡，使得水轮机叶片受到的不平衡力、水流紊乱造成空蚀作用加剧；

2)水轮机摆度、振动及压力脉动严重超标[7]，水轮发电机组导轴承及承重轴承也因此受到很大影响，造成轴承严重摩擦，损伤瓦面，轴承温度可能短时间内迅速上升，甚至烧瓦；

3)对于水头较高的水电站或者导叶摩擦装置[8]失效时，失去控制的导叶可能摆动，进而进入水轮机的流量也会随之发生变化，因此可能会造成机组有功波动；

4)剪断销剪断的数量越多，损害程度越大，对机组安全稳定运行的威胁也越大。

2 剪断销被剪断的原因分析

剪断销剪断的原因较多，在导水机构的各个环节均可能导致剪断销剪断故障，有些是误报、拒报，有些与产品设计和质量有关，有些与设备运行工况有关，还有些与设备的安装和维护保养有关。结合国内某些大型水电站的运维工作，研究分析了其中的原因[9-10]。

2.1 信号误报

剪断销信号器用于水轮机导叶的剪断销剪断时的发信号元件，为剪断销信号装置提供信号报警，一般采用陶瓷材料、或脆型聚苯己烯材料制成，常闭型居多，一般内阻小于0.02 Ω，环境温度要求0～45℃、环境湿度不大于80%，装置各部分的允许温升不超过60K陶器瓷材料，使用时一般将每个导叶剪断销剪断信号线送至剪断销信号装置。

由于信号器安装在水车室内，环境潮湿，极易使信号器连接处受潮，接触电阻变大，当以上回路电阻大于剪断销信号装置整定的上限值时发出报警信号造成误报。剪断销信号线由于安装及运行过程中破损等原因造成接地或者绝缘降低等缺陷也会造成误报。

根据不完全调查，由于信号误报在剪断销报警故障中约占90%。因此加强剪断销信号器及信号回路维护保养工作是防止误报的重要基础。

2.2 剪断销本身质量缺陷

由于剪断销在运行过程中需要承受拐臂与导叶轴之间的较大传递力矩。机组在频繁调整负荷或者一次调频频繁动作时，会导致剪断销疲劳损伤。机组停机时，为了防止导叶间漏水和导叶误动，当接力器全关导叶之后，还要继续关闭一段行程，使导叶关闭后有2～3 mm的压紧量，即导叶压紧行程，导致剪断销一直受力。

当剪断销本身质量有缺陷或者设计强度不够时，可能会由于疲劳损伤而剪断。随着材料科学的不断进步，剪断销装置质量问题已经基本解决，但各电站在调试时应将压紧行程调整好。

2.3 设计安装原因

在水轮发电机组从设计到安装调试[11]，再到最后的投入商业运营过程中，其安装是重要的环节，也是容易发生先期隐患的重要时期。对于剪断销，安装阶段容易造成剪断销问题的因素主要包括：

1)导叶连杆安装时倾斜度较大，造成持续受力。如果导叶的3个轴套与导叶轴颈间存在超标的间隙，导叶受力后会发生倾斜，致使导叶大头下端与底环的间隙变小，由此产生不同程度的拉伤、卡死现象。

2)调速器控制环安装不水平，造成抗磨环磨损。控制环的圆周运动由4～8 组抗磨块进行限位，每组分别由侧面限位导向抗磨块和底部支撑抗磨块各一块组成，抗磨块为金属自润滑材料。侧抗磨块与配合滑动副间隙超标时，控制环在转动过程中会出现水平窜动现象，导致剪断销受力不均，出现剪断。

3)导叶上下端面间隙不合格及上、中、下轴套轴线调整不到位，产生憋劲或卡涩。顶盖、底环同镗导叶孔时同心度超差，导叶中轴颈和下轴颈加工时同轴度超差以及圆跳动超差，都会导致导叶中轴颈和下轴颈出现偏心。使得机组运行中导叶受力产生非水平分力，导致剪断销憋劲；此外，由于偏心超差，部分导叶与轴套局部位置间隙有所减小，增加了导叶转动时的摩擦力矩，使得剪断销频繁剪断。

4)接力器水平值超差。电站安装时，由于安装偏差，两接力器后端盖法兰倾斜，水平超差，使得控制环大耳孔受力不水平，运行时控制环容易产生跳动。剪断销会在控制环动作时由于受力不均匀、不水平而被剪断。

5)导叶端面间隙调整不合格(上端间隙与下端间隙相差过大)。导叶的端面间隙值，无论是在厂内预装和工地安装时，都是一项重要工作。如果端面间隙调整得好，导叶容易打开、关闭，并且漏水量少；反之，如果导叶端面间隙过小，导叶端面容易在与顶盖、底环过流面处产生摩擦、拉伤，致使机组运行中导叶出现卡阻和摩阻，从而加大剪断销所受的剪切力，导致剪断销剪断。

6)对使用尼龙轴承套的导叶，在运行中因尼龙轴套吸水膨胀与导叶轴颈“抱死”；水轮机导水机构机械设计不合理等情况，都可能最终导致剪断销剪断。

随着国内水电站运行经验的不断积累以及设计水平的不断提高，水轮机及导水机构结构设计水平已比较成熟，安装调试技术水平也有了很大的提高。新投运水电站一般不再存在这种问题，但对于比较老的电站和小水电依然存在相关问题。

2.4 剪断销过力矩剪断

当电站进水口装设的拦污栅不满足相关设计要求或存在破损等情况时，可能造成较大的漂浮物进入蜗壳及导叶之间卡住。当调速器需要调整导叶开度时就很可能造成剪短销过力矩而剪断。据调查这种情况出现的概率仅为2%，但一旦发生其后果将很严重。

当水电站所在流域泥沙含量较大或者发生泥石流等地质灾害等情况时，虽然进水口设置有拦污栅，但大量小杂质仍会源源不断进入引水隧洞，最终进入水轮机内，当大量杂质聚积在水轮机蜗壳内导水机构的上下端轴时，就会造成导叶卡涩，给机组的开停机带来较大的安全隐患，甚至使剪断销剪断。

除此之外，机组运行工况影响、缺乏维护保养等都是剪断销剪断的重要原因，甚至有些时候可能发生剪断销实际剪断，但剪断销报警器信号拒报。

总体而言，导致导水机构剪断销剪断的原因有设计、制造方面的，也有安装调试方面的。但总的说来，为防止机组导水机构剪断销经常剪断，在制造、电站安装过程中加强质量监督，保证制造、安装质量是问题的关键。

3 剪断销剪断时应急处置分析

3.1 剪断销报警时无其他异常报警

当监控系统发出水轮机剪断销剪断信号时，监控系统无振动、摆度报警，且现场检查机组声音、尾水管内水力状况无明显异常，其原因应该系信号回路或剪断销信号器元件损坏导致。

此时应固定机组负荷(将调速器控制方式切至现地/手动方式，并退出该机组一次调频功能)，通知检修人员逐个检查剪断销信号器及信号回路，查出故障点并将其修复或者更换。处理完成后，若有备用机组，可申请调度机构倒换机组，将机组停机后全面检查处理。

3.2 剪断销报警时振动摆度有明显异常

若现场检查发现机组各部振动、摆度等指标有所上升，但不危及机组安全运行时，这种情况说明剪断销确已剪断，且各导叶之间的开度不一致，但水流状况不是很恶劣。此时应现场调整导叶开度使各导叶开度一致(确保可以取出被剪断的剪断销装置)，并使水轮机不在振动区后保持当前开度不变。通知检修人员现场更换被剪断的剪断销装置。更换剪断销装置后可适当调整机组负荷，若调整正常，则择机申请调度停机，对导水机构进行全面检查处理。若更换剪断销装置后，动作导叶时剪断销再次剪断则应尽快申请停机处理。

3.3 剪断销报警时振动摆度严重超标

当现场检查机组振动和摆度严重超标时需紧急事故停机，防止事故扩大。此时由于导叶剪断销剪断后，调速器无法控制被剪断的导叶，导叶无法全关，因此安全稳定的将机组停机，其过程中的操作风险和技术分析也较复杂，运行人员在紧急停机过程中稍有不慎，很容易造成发电机组转动部件损坏甚至压力管道变形[12]。

若电站设置进水口快速闸门，且压力钢管对排水速度没有特别要求，可采取直接快速落进水口闸门，同时密切监视机组有功处理，在机组出力接近零时，将机组解列。机组解列后启动机组空转至停机流程，将机组停机。

若电站设置进水口快速闸门，但压力钢管对排水速度有明确要求[13]。应全关调速器接力器后，根据导叶间漏水情况再做处理。若在全关接力器过程中，机组有功接近零，应立即将机组解列。解列后缓慢关闭进水口闸门，使进水口进水量与导叶间漏水量之差刚好满足压力钢管排水速率要求时停止关闭进水口闸门，随着压力钢管内积水减少后再逐步关闭进水口闸门，最终实现安全停机。若全关导叶后机组有功仍然大于零时，则在缓慢关闭进水口闸门过程中择机将机组解列，防止机组过速。此种情况绝对不能直接快速关闭进水口闸门至全关，这样压力钢管有可能出现拉空而导致混泥土塌方严重事故。

若电站不仅设置进水口闸门，座环与活动导叶之间还安装有圆筒阀，且圆筒阀具备动水关闭的功能时，可直接启动紧急关闭圆筒阀，并启动紧急停机流程，将机组停机，大大缩短事故处置时间。若圆筒阀不具备事故关闭的功能，仅作为机组停机时减少导叶间漏水而设置时，可参考前面所述未安装圆筒阀的处置方法。

4 结论及建议

在大型水轮发电机组投产前，需要确保水轮机导水机构设计科学合理，便于维护。若发现问题应及时与设计单位沟通，更改设计。安装阶段应确保安装质量，特别是控制环、拐臂、连接板、导叶摩擦装置、导叶限位块等必须满足相关要求。在调试阶段要严格按照相关规程规范，实验数据必须合格。尽量避免由于设计安装及调试原因造成剪断销剪断。

确保水轮机及其辅助设备的日常检修维护工作质量，及时消除水轮机剪断销信号回路等缺陷，避免误报。做好进水口拦污栅定期维护及清理等工作，将剪断销剪断的可能性降到最低。同时结合所在电站的引水发电系统的特殊性，做好在遇到多根剪断销剪断突发事故处置时的运行及操作风险分析，定期进行事故预想和现场实战演练[14]。当事故发生时要做到判断准确和操作得当，特别是对压力钢管排水速度或筒阀事故关闭有特殊要求者要特别注意，防止事故扩大。

目前，国内多数大型水电站正在推进“无人值班、少人值守”值班模式[15]。但大多数水电站未针对剪断销剪断事故而设置专门的事故停机流程。随着自动化元件可靠性和监控系统信号处理能力的不断提高，建议有条件的电站可以考虑当2个及以上剪断销剪断且机组振动摆度严重超标时，启动适合该电站引水系统要求的特定的紧急停机流程。这样不仅可以防止无人值班电站事故处理不及时，还可以避免事故时运行人员手动参与机组停机时操作不当而导致事故扩大。