水力发电设备运行状态故障分析与检修

王轶

（中国华电集团四川华电杂谷脑水电开发有限责任公司，四川成都 610000）

0 引言

水力发电是一种清洁、可再生的能源，具有储能性和灵活性等优点，广泛应用于各个领域。随着能源需求的不断增长和环境保护意识的加强，水力发电在全球范围内得到了越来越广泛的应用。然而，水力发电设备的故障率较高，一旦发生故障，将会对电网稳定运行和电力供应产生不利影响。因此，研究水力发电设备的故障分析和检修方法，提高水力发电设备的可靠性和安全性，具有重要的现实意义。

1 水力发电设备的基本结构和工作原理

1.1 水力发电设备的基本结构

水力发电设备由水轮机、发电机、调速器、调压器、水利设备等组成。其中，水轮机是转化水能为机械能的装置；发电机是将水轮机输出的机械能转化为电能的装置；调速器和调压器是控制水轮机的转速和出水压力的装置；水利设备是供水、排水和防洪的设施。

1.2 水力发电设备的工作原理

水力发电设备的工作原理是将水的动能转化为机械能，再将机械能转化为电能。整个过程包括水的引水、水轮机的转动、发电机的发电和电能的输送4 个环节[1]。

（1）水的引水，水力发电设备的第一步是将水引入引水渠道或水轮机进口处。引水渠道一般包括水库、大坝、引水隧道和进水口，引水渠道的设计和建设对水力发电设备的发电量和稳定性有着至关重要的作用。水流进入引水渠道后，经过流量计和闸门等调节设备，控制水流量和水头，为水轮机提供足够的水源。

（2）水轮机的转动，当水流进入水轮机时，水轮机叶片将水流动能转化为机械能，使水轮机开始转动。水轮机的转速和发电机的额定转速一般不同，需要通过调速器来控制水轮机的转速，以满足发电机的电能需求。水轮机的转动一般有两种方式：一种是水平轴式水轮机，另一种是垂直轴式水轮机。

（3）发电机的发电，水轮机的转动产生机械能，通过联轴器和减速器传递到发电机转子上，使其旋转。发电机的转子中的磁场与定子中的绕组之间产生电磁感应，从而使得定子绕组中的电能转化为电能输出。发电机输出的电能一般是交流电，经过变压器升压后输送到变电站，进一步加工为适用于输送和使用的电能[2]。

（4）电能的输送，电能输送是指将发电机发出的电能从水力发电设备输送到用电地点的过程。输送电能需要通过变电站进行升压和输送，同时通过电力线路和变压器等设备输送到用电地点，满足电力用户的用电需求。

2 水力发电设备的故障分析和检修方法

2.1 水力发电设备常见故障类型及其产生原因

2.1.1 发动机的故障

（1）轴承故障，轴承是发动机中非常重要的部件之一，它主要的功能是支撑发动机中的转子和定子，以及减少它们之间的摩擦，使发动机能够正常运转。但是，轴承也容易发生故障，这可能会导致发动机失效或产生严重的损坏。轴承故障的主要原因之一是润滑不良。当轴承的润滑不足或润滑油污染时，会导致轴承过度磨损和热损伤，从而降低轴承的寿命。润滑不良可能是由于油泵故障、油路堵塞、油压过低、油温过高或油品质量不良等原因引起的。另一个导致轴承故障的原因是磨损过度。轴承在长时间的使用过程中，会因为受到高速旋转和负载的影响，导致轴承表面磨损。如果磨损过度，就会导致轴承松动，从而导致发动机产生振动和噪音。

（2）绝缘老化，绝缘材料在发动机中起着非常重要的作用，它主要用于隔离导体，保证发动机正常运行。然而，随着使用时间的增加，绝缘材料可能会出现老化现象，从而影响绝缘性能，导致发动机故障。绝缘老化的主要原因之一是高温。发动机在工作过程中会产生高温，而高温会导致绝缘材料中的树脂和添加剂分解，从而降低绝缘材料的强度和耐用性。此外，高温还会导致绝缘材料变形和开裂，从而降低绝缘材料的隔离性能[3]。另一个导致绝缘老化的原因是湿度。当发动机运行时，周围的湿度可能会对绝缘材料产生不良影响。湿度可能会导致绝缘材料中的水分分解，从而降低绝缘材料的强度和耐用性。此外，湿度还会促进绝缘材料中的化学反应，从而导致绝缘材料的老化和劣化。

（3）短路故障，短路故障是发动机中常见的故障之一，它会导致电路中的电流过大，可能会引起电路过载、损坏电子元件等问题。短路故障的主要原因包括绝缘老化、接线不良等。绝缘老化是导致短路故障的主要原因之一。在发动机中，许多电线和电缆被用于连接各种电子设备，这些电线和电缆包覆着绝缘材料以隔离电线和电缆之间的电流。然而，随着使用时间的增加，绝缘材料可能会老化和破裂，从而导致电线之间出现短路。另一个导致短路故障的原因是接线不良。在发动机中，许多电子设备都需要连接到电源和控制电路中，如果电线或电缆连接不牢固或接触不良，可能会导致电流无法流动或电路短路。

2.1.2 变压器的故障

（1）温度过高，温度过高是导致变压器损坏的常见原因之一。变压器在工作时会产生一定的热量，如果散热不良或过载等原因导致温度过高，会对变压器的绝缘和铁芯造成损害。变压器工作时需要不断地将热量散发出去，如果变压器的散热不良，热量就会在变压器内部积聚，导致温度过高。例如，如果变压器安装的位置不合适，或者散热器的设计不合理，都可能导致散热不良。当变压器输出功率超过额定功率时，就会导致变压器过载，从而产生过多的热量。如果过载时间过长，会导致变压器绕组和绝缘材料的老化和损坏，从而降低变压器的使用寿命。

（2）绕组短路，变压器绕组短路是指变压器中的两个或多个线圈之间出现短路现象。绕组短路是变压器中最常见的故障之一，其主要原因包括绝缘老化、电气过载等。变压器中的绕组通常由绝缘材料包裹，随着使用时间的增加，绝缘材料会因为环境因素（潮湿、高温）和电场作用而老化，绝缘材料的老化程度会逐渐加剧，最终会导致绝缘材料的击穿和短路。当变压器承受的负载超过其额定负载时，就会发生电气过载。由于负载过重，绕组的电流就会超过额定电流，导致绕组温度升高，这样就会使得绝缘材料变脆，最终导致绕组短路。

（3）绝缘老化，绝缘老化是变压器常见的故障之一，它是指绝缘材料随着使用时间的增加而失去绝缘性能的现象。绝缘材料在变压器中主要起到隔离和保护的作用，一旦绝缘老化，就会导致电器故障和事故，影响变压器的安全运行。

首先是高温，长时间高温环境下，绝缘材料会因为热量的影响而老化，温度越高，绝缘老化的速度也越快。其次是湿度，湿度过高会导致绝缘材料中的水分子被吸收，从而引起绝缘老化。此外，变压器本身的材料老化也是导致绝缘老化的原因之一。变压器中使用的绝缘材料有橡胶、绝缘纸等多种材料，长时间使用后，这些材料会因为各种因素而老化，导致绝缘性能下降。

2.2 水力发电设备故障的处理方法

2.2.1 变压器的检修方法

（1）温度过高，变压器温度过高时，需要检查变压器的散热系统是否正常工作，同时对变压器的绝缘性能进行检查。首先，检查散热系统，变压器散热系统是保证变压器正常运行的重要组成部分。如果散热不良，会导致变压器温度过高。因此，需要检查变压器的冷却风扇、散热器、冷却油等散热系统的工作情况是否正常。如果发现异常，需要及时进行修理或更换。其次，检查绝缘性能，变压器绝缘性能是保证变压器正常运行的另一个重要因素。绝缘老化、损坏等问题都可能导致变压器温度过高。因此，需要进行绝缘性能的检查。可以使用绝缘电阻测试仪来测试绝缘电阻是否达到规定标准。如果发现绝缘电阻不足，需要进行绝缘材料的更换或维修[4]。最后，检查变压器的电气连接，电气连接不良也可能导致变压器温度过高。因此，需要检查变压器的电气连接情况是否正常。如果发现电气连接不良，需要进行紧固或更换电气连接器。

（2）绕组短路，当变压器出现绕组短路故障时，需要进行以下步骤来解决问题：①安全措施。在进行检查和维修前，必须先断开电源并采取安全措施，以免发生意外事故。②检查线圈。首先需要检查变压器中的线圈，找出具体的短路点。这可以通过使用高电压电路测试仪或欧姆表等工具进行检查。如果有任何破损或者局部短路，则要将受影响的线圈更换或进行修复。③找出故障原因。除了检查线圈外，还需要检查引起故障的其他因素，例如可能的过载情况，绝缘材料的老化等等。这可以通过对变压器进行全面的检查和测试来进行确认。④维修和更换。一旦确定了故障原因，需要根据情况进行维修和更换。对于比较严重的绕组短路问题，可能需要更换整个变压器或者更换其中一个或多个线圈。⑤测试和检验。最后需要对修复后的变压器进行测试和检验，确保其工作正常。这可以通过使用高电压测试仪或其他专业测试设备来完成。

（3）绝缘老化，变压器绝缘老化是变压器运行中的一种常见故障，对于绝缘老化的处理，需要进行绝缘性能测试和及时修复。首先，变压器绝缘老化后，其绝缘性能将会下降，导致变压器的安全性和稳定性受到影响。因此，对于变压器绝缘老化的处理，需要首先进行绝缘性能测试，以确定变压器绝缘性能的实际情况。其次，对于绝缘老化导致的变压器故障，需要进行深入分析，找出故障的原因。一般来说，绝缘老化的原因有很多，包括高温、湿度、电场应力等因素。需要对变压器的使用环境进行分析，查看是否存在高温、潮湿等不利因素，是否存在电场应力集中等问题。同时，还需要检查变压器绕组、接线等部件，确定是否存在机械损伤等问题。最后，针对绝缘老化导致的变压器故障，需要进行及时的修复，同时，需要注意保护变压器的其他部件，避免二次损伤。

2.2.2 发动机的检修方法

（1）轴承故障，发动机轴承是支撑转子和定子的关键部件之一，如果轴承损坏或磨损过度，会导致发动机产生振动或噪音，甚至停机。因此，在发现轴承故障时，必须及时进行检查和测试，以找出故障原因并进行修复。首先，进行轴承的检查和测试。检查时可以使用裸眼或显微镜等工具观察轴承表面是否有磨损或划痕等情况，检查轴承是否松动或变形。测试时可以使用振动分析仪等设备进行振动测试，以确定轴承的运行状况。其次，需要注意轴承的润滑情况。润滑不良是导致轴承故障的常见原因之一。因此，对轴承的润滑进行维护非常重要。润滑方式包括油润滑和脂润滑两种。油润滑一般适用于高速轴承，脂润滑适用于低速高承载的轴承。需要根据轴承的工作条件选择合适的润滑方式，并定期进行润滑维护。

（2）绝缘老化，发动机绝缘老化是指发动机中的绝缘材料随着使用时间的增加，会出现老化现象，从而影响绝缘性能。发动机绝缘老化的主要原因包括高温、湿度等环境因素，以及发动机本身的材料老化等。当发动机绝缘老化时，会降低绝缘性能，导致电气故障，甚至可能引起安全事故。因此，需要对发动机的绝缘性能进行测试，找出故障原因并及时修复。常用的绝缘性能测试包括绝缘电阻测试和介质损耗测试。绝缘电阻测试是指对发动机绕组和绝缘层之间的绝缘电阻进行测试，判断绝缘状态是否良好。介质损耗测试是指对发动机的介质损耗进行测试，判断介质是否老化，影响绝缘性能。进行绝缘性能测试时，要先将发动机停机，并断开电源，保证安全。然后对发动机的绕组和绝缘层进行清洁，避免测试结果的误差。接着进行绝缘电阻测试和介质损耗测试，根据测试结果判断绝缘状态是否良好。

（3）短路故障，发动机中的短路故障是指电路中的两个或多个导体之间出现短路现象，可能导致发动机无法正常工作甚至引发火灾等严重后果。因此，在发动机出现短路故障时，需要及时进行检查和维修。首先，需要对发动机电路进行仔细的检查。通过检查电路中的各种连接器、插头和线束等，找出是否有明显的接线不良、接触不良或者短路等问题。同时，要使用万用表等测试工具对电路进行测试，测量电路中各点之间的电阻、电压和电流等参数，以判断是否存在短路故障。其次，需要注意发动机接线的维护[5]。在使用过程中，电线和连接器等易受损部位会逐渐老化或磨损，导致接线不良，甚至发生短路故障。因此，需要及时对电线和连接器等部位进行检查和维护，保持其良好的状态。

3 结语

本文通过对水力发电设备的基本结构和工作原理、故障分析和检修方法、实例分析等方面的研究，总结了水力发电设备故障诊断和处理的方法和技术，并提出了一些改进和完善的建议。随着水力发电技术的不断发展和进步，对水力发电设备的故障诊断和处理方法也将不断进行改进和完善，以提高水力发电设备的安全性和稳定性，为社会经济发展做出贡献。