水电站水轮发电机组常见故障及处理措施探讨

王 宇 李 强

（1.国家能源集团青海公司 2.哈尔滨优盛电站设备有限公司）

0 引言

水轮发电机组作为水电站的核心发电设备，对水电站的电力供给具有直接的影响作用，是电网系统安全稳定运行的重要环节［1］。而在具体的实践当中，水电站水轮发电机组的运行具有稳定性不足的特征，各种故障频发，对水电站的经济效益及电网系统的运行都造成了较大的负面影响。鉴于此，有必要充分了解水轮发电机组的结构与工作原理，分析其常见的故障种类及产生原因，以此制定相应的处理措施。

1 水电站水轮发电机组的结构与工作原理

水轮发电机组主要由水轮机和发电机两部分组成。其中，水轮机主要由导水机构、蜗壳、推力轴承、主轴、受油器等组成，而发电机则主要由转子、定子、冷却器等组成。在运行过程中，水轮机受到水流的作用，可以驱动涡轮或水轮，使其高速旋转。而涡轮或水轮的旋转又将驱动发电机组进行旋转，发电机组通过电磁感应原理将机械能转变为电能。此外，水轮发电机的转速将决定发出的交流电的频率，为保证频率的稳定，就必须稳定转子的转速。而通过交流电的频率信号采样，将其反馈到控制水轮机导叶开合角度的控制系统中，去控制水轮机的输出功率，通过反馈控制原理，就可以让发电机的转速稳定了。总的来说，水轮发电机组的工作原理是利用水流驱动水轮机，然后通过水轮机驱动发电机进行旋转发电。

2 常见故障分析

2.1 过负荷故障

水轮发电机过负荷故障指的是水轮发电机组在运行过程中承受的负荷超过其额定值，导致电机过载，引发一系列不良后果。水轮发电机过负荷故障可能由多种原因引起，包括负载过大、电机故障、电源电压不稳定等。具体来说，负载过大可能是由于负载设备出现故障或发电机本身已发生故障；电机故障可能包括电机短路、接地、匝间短路等；电源电压不稳定可能导致电机需要消耗更多电流以保持同样的输出功率，从而造成电机过载。当水轮发电机处于过负荷状态下时，其定子电流会超过额定值，同时其有功、无功及转子电流也会超出额定值。如果定子电流超出额定值的1.1 倍，过负荷保护会发出动作，出现过负荷报警信号。此外，还可能出现电机声音异常、电机振动加剧、温度升高、端电压下降等问题。

2.2 转子一点接地故障

水电站水轮发电机转子一点接地故障是指发电机转子与大地之间的绝缘层被破坏，导致电流能够直接流到大地而形成回路。当发电机发生转子一点接地故障时，虽然表计指示无异常，但转子一点接地信号、计算机报警信号以及警铃均会发出报警。这种故障是由多种原因引起的，包括制造缺陷、安装与检修留下的缺陷、长期运行使绝缘老化、水滴或湿气侵入、过电压等。转子一点接地故障是水电站水轮发电机组常见的故障形式之一，发生一点接地故障时，励磁绕组与地间尚未形成电气回路，影响较小。但如果未能及时排查故障，导致发电机转子两点接地或多点接地故障时，会破坏定、转子间气隙磁场，导致力矩不平衡，引起机组震动，严重时会烧损转子绕组、定子铁芯，甚至可能造成事故或危害人身安全［2］。

2.3 转子两点接地故障

水轮发电机在正常的运行工作中，其转子不但要承受着电场的电压，而且还要承受电磁力和机械力。若是不能够及时有效的处理发电机转子一点接地故障问题，任由发电机组设备的转子正负极翻转的情况发展，就会导致其转变为转子两点接地故障。而一旦发生转子两点接地故障，计算机会发出报警信号，转子的电压降低而电流上升，无功功率表计指示会降低，由于磁场失衡，导致发电机组振动剧烈，产生较大的异响，使设备停止运行。

2.4 定子一点接地故障

发电机定子一点接地故障是指发电机定子线圈与地之间发生短路。这种故障可能是由多种原因引起的，包括线圈绝缘损坏、水滴或湿气侵入、过电压、鼠害、机械损伤等［3］。接地故障可能发生在发电机内部或外部，通常分为真接地和假接地两种情况。真接地是指发电机定子线圈内部发生接地故障，导致电流直接流入大地而形成回路。此时，接地相对地电压为零或降低，而非接地相对地电压升高，线电压保持平衡。真接地故障通常比较危险，因为如果接地电阻很小，大电流可能会导致设备烧毁或熔断器熔断。假接地是指接地故障发生在发电机外部，例如电压互感器二次侧熔丝熔断或高压侧线路故障等。这种情况下，接地相对地电压不会降低，非接地相对地电压也不会升高，线电压不平衡。假接地故障通常不危险，但可能会影响设备的正常运行。

2.5 温度过高故障

在水轮发电机组正常运行的过程中，由于存在涡流现象，使得水轮发电机组的转子、定子、铁芯等部件都产生电流。在这些电流的作用下，各部件的温度就会逐渐升高，使得整个发电机组处于高温运行状态［4］。同时，水轮发电机组内部的导轴承、转子与定子的摩擦、线圈的电磁感应、润滑油的化学反应等也会产生热量，从而导致发电机出现温度过高故障。此外，通风不良、机械摩擦、接触电阻过大等也是造成发电机组温度过高的重要原因。例如，通风不良可能导致发电机组内部的热量无法及时散失，机械摩擦会产生更多的热量，接触电阻过大则可能直接导致电流的损耗和热量的产生。水电站水轮发电机组温度过高会对其正常运行产生严重影响。首先，温度过高可能导致发电机组的效率下降，影响其发电能力。其次，长期处于高温运行状态可能导致发电机组的零件融化，从而引发安全事故。此外，集电环和碳刷过热还可能产生火花，严重时甚至可能烧损集电环和碳刷，甚至烧毁发电机励磁系统等，引发更大的事故。一旦发电机出现温度过高故障，上位机当中会发出报警信号，同时，定子的铁芯、线圈的实际温度都会超过额定温度。

3 故障处理措施

3.1 过负荷故障处理

根据水轮发电机的过负荷故障产生原因及具体表现，采取以下处理措施：加大对频率、电压以及电流的实施监控力度，当发现电压或者频率超过额定值时，就应当要及时降低负荷，确保定子电流在额定范围内，如果通过调整未能改善状况，应当找出具体的原因，并采取相应的措施及时有效的消除过负荷。而当电压与频率都处于正常范围之内，应当要在保证母线电压值正常的情况下，采取降低励磁电流的方式，同时如实向上级领导报告情况。若是母线的电压值过小，而发电机仍出现过负荷故障，应当要采取限定负荷运行的措施处理故障问题。

3.2 转子一点接地故障处理

对于转子一点接地故障，主要采取以下处理措施：首先，详细检查一点接地的信号，若是能够复归，就确定为瞬时接地，而若是不能够复归，同时各项保护正常，就确定为永久接地。其次，测量转子的正、负对地电压，当其中某极对地电压为零，且另极电压为全电压时，就表示发生了一点接地故障。在这种情况下，详细检查励磁回路，明确发生接地的部件以及具体的性质。通常分为两种情况，即金属性接地与非金属性接地，若是为前者，则需要正式启动备用机机组，采取解列停机措施，而若是为后者，则需要及时采取相应的处理措施，准备停机。

3.3 转子两点接地故障处理

若是水电站水轮机组发生转子两点接地故障，会明显增加转子的电流，从而损坏回路当中的设备，而若是绕组内部发生两点接地故障，会致使内部出现过热现象，因此对于该故障，首先就必须要停机进行检查，明确电机失磁保护动作与否，确保FCB 以及GCB 跳闸，若是没有跳闸，则需要及时采取手动方式进行停机，将相应的情况和上级领导进行汇报。其次，在停机之后，应当要仔细检查电机转子的励磁系统和绕组，并对转子绝缘进行全面准确的测量，如为2MΩ 以上，则应清洗发电机大轴转子一点接地碳刷。需要注意的是，在处理水轮发电机转子两点接地故障时，应该先详细询问运行值班负责人，了解情况，根据故障情况进行分析和处理。如果无法自行处理，应立即寻求专业技术人员的帮助。同时，在平时的巡检和维修工作中，应该加强对发电机的维护保养工作，定期检查发电机各部件的运行状态，及时发现并处理潜在的故障问题，确保发电机的正常运行。

3.4 定子一点接地故障处理

当水电站睡了发电机组发生定子接地故障时，首先需要对发电机的A、B、C 三相对低电压进行全面的检测，若是定子电压表指示接地相对地电压为零或者下降，则判定其为真接地；若是非接地相对地电压增大，但线电压保持平衡，则判定其为假接地。其次，对发电机内部进行检查，若是出现冒烟、漏水、温度上升等状况，且发电机组没有自动跳闸停机，就需要及时采取手动解列停机措施。再次，通过现场检查，若是发现发电机内部出现定子一点接地故障，则需要将情况及时的上报至集控中心，在确保当天的具体负荷需求情况下，启动备用机组，将负荷进行有效的转移，及时将出现故障的机组进行解列；若是发电机外部出现接地故障，则需要先明确具体原因，根据集控中心的指示进行相应的处理。最后，在选择接地的过程当中，要对发电机的接地电压进行实时监控，一旦出现消弧线圈的状况，则必须立即采取停机处理。

3.5 温度过高故障处理

对于水电站水轮发电机组的温度过高故障，首先，需要将定子的有功负荷以及电流值调整至额定范围内。其次，通过检查若是发现故障主要是由于测温装置异常所导致，就需要退出故障测点，由专业的维护人员进行处理；若是因为发电机组冷却水压过低从而所导致的温度故障，则需要全面检查供水泵，并添加适当的备用水，确保水压在正常范围内；若是因为空冷器的进出阀门开度不够所导致的故障，则需要针对具体情况调整阀门；若是由于空冷器堵塞所引起的水路不畅，就需要采取加压供水的方式，或者倒换冷却水；若是空冷器阀芯脱落所导致的故障，就需要有效转移发电机组的负荷，降低发电机组的出力，并有效控制冷、热风的温度。最后，在确保水电站整体出力及发电机组正常的情况下，有效调整各机组的负荷分配。若是以上措施仍无法解决发电机组温度过高的问题，就必须要及时的联系调度，对发电机组采取停机维修方案。

4 结束语

水轮发电机组的正常运行是确保水电站安全生产的关键所在，对于水电站水轮发电机组修护人员而言，必须要充分了解发电机组在日常运行过程当中的常见故障，深入挖掘导致故障的根本原因，并采取针对性的有效措施，确保能够在故障发生时，及时的解决，将故障所带来的负面影响降到最低，最大程度保障水电站的安全生产及供电作用。