论文部分内容阅读
【摘 要】近年来，国家对发电厂的改革导致大容量机组在电网中占据了主导地位，相应地，对水轮发电机故障的诊断也变得越来越重要。本文结合水轮发电机的设备特性和运行特点，对水轮发电机的常见故障进行诊断分析并提出改善措施。
【关键词】水轮发电机；故障诊断
中图分类号： TB857 文献标识码： A
一、前言
水轮发电机是发电厂的核心设备，由于运行环境与结构的复杂性，所以其发生故障的几率较大。伴随而来的问题就是利用人工来对机组运行进行故障的诊断已经无法满足现状，所以，人们开始通过先进的技术对机组运行的状态参数进行监控与分析，通过分析来判断设备是否存在故障与异常以及发生故障的趋势，以最快的速度对突发的事件进行分析处理，确定检修的事件和方案，从而减少故障造成的损失，提高设备的可靠性、可用性、可维修性与安全性。
二、发电机故障诊断的发展
发达国家从七十年代开始进行水轮发电机振动故障技术的研究，随之推出了众多的故障检测的系统。具有代表性的研发机构有：美国电力研究院（EPRT)、西屋公司、Bentley公司、CSI公司等等。我国的诊断技术的研究与开发开始于二十世纪七十年代。通过不断的技术革新和自主研发，逐渐形成了具有我国特点的故障诊断理论。我国的研发单位有西安交通大学、华中理工大学、清华大学、哈尔滨工业大学、上海发电设备成套设计研究所、西安热工研究所等等。
三、发电机故障诊断技术的意义
水轮发电机作为发电环节最重要的部件，在生产环节有着无法比拟的重要地位，诊断技术也有着多种意义：
一是预防事故的发生，保证发电厂设备安全与操作人员的人身安全；二是推动了水轮发电机设备维修制度的革新，由对故障进行修理转化为对故障的预警与避免，实现对故障的预防；三是发展水轮发电机故障诊断技术延长了发电设备的寿命，提高了经济效益。
四、发电机故障诊断的应用
此处以阿海水电厂水轮发电机为例。其参数如下：
型号：SF400－68/16250
额定容量/额定功率：444.5(MVA)/400(MW)
发电机冷却方式：密闭循环无风扇空气冷却
额定电压：20(kV) 额定电流：12831.6A
额定效率：98.7(%) 额定转速：88.2r/min
频率：50Hz 额定功率因数：cosφ=0.9
额定励磁电压：173.5V 额定励磁电流：2855.2A
阿海水电厂水轮发电机的主体具有两个导轴承的立轴半伞式结构，而它的推力轴承则布置在下机架上。发电机采用了密闭、自循环无风扇、双路径向通风方式，以维持系统的故障时运行。为了使机组轴线摆动在规定的范围内，阿海水轮发电机设有上导轴承，独立装设于上机架上，机架与基础相连，导轴承承受机组部分径向机械不平衡力和电磁不平衡力。同时推力轴承装设于下机架上，下机架与下机架基础相连，机组转动部分的全部重量及水轮机的轴向水推力通过推力轴承、下机架传递至基础。
发电机的定子由定子机座、定子铁芯、定子绕组、测温装置等组成，其重量达到了550吨。发电机的定子铁芯采用 0.5mm 厚的磁导率高、单位损耗低、无取向、优质的进口冷轧硅钢片冲制的扇形片叠成。铁芯两端采用硅钢片粘结剂粘结，防止齿部弹开松动，降低了故障发生的几率。为了有效防止发电机长时间运行后铁芯松动，铁芯采用穿心绝缘拉紧螺杆和碟形弹簧的压紧结构，并用液压拉伸器最终拉紧。定子绕组采用条形线棒叠绕组，Y 形联接。同时为保证槽楔在运行中不产生松动，绕组在槽部用槽楔压紧，并且在槽楔与线棒之间布置弹性波纹垫条，以消除线棒的径向移动，并能够精确地调整线棒紧度。
发电机磁极由磁极铁芯、磁极线圈、阻尼绕组等组成。为防止因振动和热位移而引起的故障，阻尼绕组包括纵向的阻尼条、横向的阻尼环。阻尼环之间采用防松動柔性连接，便于分接和拆卸。磁轭则采用3mm高强度磁性合金钢板叠压而成，同时磁轭叠片采用往返循环错片方式叠出较宽的磁轭径向通风沟，以减少轴向温升梯度。
五、水轮发电机常见故障诊断及改善
(一) 电气方面
发电机的电气部分会产生干扰机组运行的电磁力，从而引起电磁振动，包括转频振动和极频振动。转频振动是机组振动的主要振源之一。是因转子磁极圆度问题，使其与定子之间产生不平衡磁拉力，转子的旋转会引起空气的周期性变化，不平衡力在沿着圆做周期性运动，使得转子与定子间的形成转频激扰力，导致振动的产生。
因电气方面造成的机械故障，首先要严格按照厂家规定处理，改善上要以定期维护、检修为主，监控发电机运行时状态，及时发现并解决问题处理。对因系统、雷电引起的电气原因而出现的故障，要做好防雷和系统维护工作。
(二)机械方面
一般在水轮发电机的机械方面较易出现故障，如转子平衡偏差、轴系对称偏差、主轴太细等为问题。水轮发电机的转子若出现平衡偏差，将产生一个离心力，造成的水轮发电机机组出现振动，从而导致发电机机组出现故障；而轴系的对称偏差，一般是轴承安装在发电机机组的两端后，表现出轴线对称偏差，从而造成水轮发电机机组的振动，过大的振幅会出现发电机工作故障；若水轮发电机组的主轴太细，则会造成水轮发电机因主轴刚度不足而出现绕度振动，由此造成的故障问题多发生在超负荷运行时。同时，主轴若稳定性差，还会因油膜振荡出现发电机故障。
机械上的改善，要以动平衡调整进行转子、轴线的平衡度，对二者与其他零件之间的间隙微调，实现高精密和同心度，严格按照相关技术要求，调整轴系平衡，对主轴平衡和质量要严格把关。
(三)水力方面
由水力因素引起的振动，包括转轮叶片蜗壳的设计缺陷造成水力不均，或尾水管压力脉动引起水流低频频繁，还有一部分原因是水轮发电机组的安装与运行，与预期不一致，导致一部分能量转化为水力振动，造成故障。卡门涡会引发共振而出现发电机故障。同时，水轮发电机组中存在一些杂质如碎石、垃圾等，会卡在水轮发电机的叶片间，堵塞转轮造成故障。
因水利因素而出现的发电机故障，改善措施上可适当调整止漏环间隙至匀称，增加补气孔的面积，防止机组出现振动而出现故障；可在尾水管入口处安装导流翼板和导流板或使用补气，来防止气蚀的出现；对卡门涡所引发的故障，可改变卡门涡的频率或削薄叶片，避免共振。
五、结语
现实生活中，通过故障分析的理论与实际有机结合，并且将常规诊断方法、工程师的经验及计算机技术相结合，形成了专家诊断系统。这种方法有着专业性、可靠性、准确性等优点，为故障检测提供了更多的帮助。
参考文献
[1]周青龙.故障诊断与监控[J].消费电子，1992:134-135
[2]梅启智.系统可靠性过程基础[J].消费电子，1987:46-49
作者简介：
莫杨斌，男，生于1988年10月。毕业于华北电力大学。现从事水电厂电气设备检修维护工作。
【关键词】水轮发电机；故障诊断
中图分类号： TB857 文献标识码： A
一、前言
水轮发电机是发电厂的核心设备，由于运行环境与结构的复杂性，所以其发生故障的几率较大。伴随而来的问题就是利用人工来对机组运行进行故障的诊断已经无法满足现状，所以，人们开始通过先进的技术对机组运行的状态参数进行监控与分析，通过分析来判断设备是否存在故障与异常以及发生故障的趋势，以最快的速度对突发的事件进行分析处理，确定检修的事件和方案，从而减少故障造成的损失，提高设备的可靠性、可用性、可维修性与安全性。
二、发电机故障诊断的发展
发达国家从七十年代开始进行水轮发电机振动故障技术的研究，随之推出了众多的故障检测的系统。具有代表性的研发机构有：美国电力研究院（EPRT)、西屋公司、Bentley公司、CSI公司等等。我国的诊断技术的研究与开发开始于二十世纪七十年代。通过不断的技术革新和自主研发，逐渐形成了具有我国特点的故障诊断理论。我国的研发单位有西安交通大学、华中理工大学、清华大学、哈尔滨工业大学、上海发电设备成套设计研究所、西安热工研究所等等。
三、发电机故障诊断技术的意义
水轮发电机作为发电环节最重要的部件，在生产环节有着无法比拟的重要地位，诊断技术也有着多种意义：
一是预防事故的发生，保证发电厂设备安全与操作人员的人身安全；二是推动了水轮发电机设备维修制度的革新，由对故障进行修理转化为对故障的预警与避免，实现对故障的预防；三是发展水轮发电机故障诊断技术延长了发电设备的寿命，提高了经济效益。
四、发电机故障诊断的应用
此处以阿海水电厂水轮发电机为例。其参数如下：
型号：SF400－68/16250
额定容量/额定功率：444.5(MVA)/400(MW)
发电机冷却方式：密闭循环无风扇空气冷却
额定电压：20(kV) 额定电流：12831.6A
额定效率：98.7(%) 额定转速：88.2r/min
频率：50Hz 额定功率因数：cosφ=0.9
额定励磁电压：173.5V 额定励磁电流：2855.2A
阿海水电厂水轮发电机的主体具有两个导轴承的立轴半伞式结构，而它的推力轴承则布置在下机架上。发电机采用了密闭、自循环无风扇、双路径向通风方式，以维持系统的故障时运行。为了使机组轴线摆动在规定的范围内，阿海水轮发电机设有上导轴承，独立装设于上机架上，机架与基础相连，导轴承承受机组部分径向机械不平衡力和电磁不平衡力。同时推力轴承装设于下机架上，下机架与下机架基础相连，机组转动部分的全部重量及水轮机的轴向水推力通过推力轴承、下机架传递至基础。
发电机的定子由定子机座、定子铁芯、定子绕组、测温装置等组成，其重量达到了550吨。发电机的定子铁芯采用 0.5mm 厚的磁导率高、单位损耗低、无取向、优质的进口冷轧硅钢片冲制的扇形片叠成。铁芯两端采用硅钢片粘结剂粘结，防止齿部弹开松动，降低了故障发生的几率。为了有效防止发电机长时间运行后铁芯松动，铁芯采用穿心绝缘拉紧螺杆和碟形弹簧的压紧结构，并用液压拉伸器最终拉紧。定子绕组采用条形线棒叠绕组，Y 形联接。同时为保证槽楔在运行中不产生松动，绕组在槽部用槽楔压紧，并且在槽楔与线棒之间布置弹性波纹垫条，以消除线棒的径向移动，并能够精确地调整线棒紧度。
发电机磁极由磁极铁芯、磁极线圈、阻尼绕组等组成。为防止因振动和热位移而引起的故障，阻尼绕组包括纵向的阻尼条、横向的阻尼环。阻尼环之间采用防松動柔性连接，便于分接和拆卸。磁轭则采用3mm高强度磁性合金钢板叠压而成，同时磁轭叠片采用往返循环错片方式叠出较宽的磁轭径向通风沟，以减少轴向温升梯度。
五、水轮发电机常见故障诊断及改善
(一) 电气方面
发电机的电气部分会产生干扰机组运行的电磁力，从而引起电磁振动，包括转频振动和极频振动。转频振动是机组振动的主要振源之一。是因转子磁极圆度问题，使其与定子之间产生不平衡磁拉力，转子的旋转会引起空气的周期性变化，不平衡力在沿着圆做周期性运动，使得转子与定子间的形成转频激扰力，导致振动的产生。
因电气方面造成的机械故障，首先要严格按照厂家规定处理，改善上要以定期维护、检修为主，监控发电机运行时状态，及时发现并解决问题处理。对因系统、雷电引起的电气原因而出现的故障，要做好防雷和系统维护工作。
(二)机械方面
一般在水轮发电机的机械方面较易出现故障，如转子平衡偏差、轴系对称偏差、主轴太细等为问题。水轮发电机的转子若出现平衡偏差，将产生一个离心力，造成的水轮发电机机组出现振动，从而导致发电机机组出现故障；而轴系的对称偏差，一般是轴承安装在发电机机组的两端后，表现出轴线对称偏差，从而造成水轮发电机机组的振动，过大的振幅会出现发电机工作故障；若水轮发电机组的主轴太细，则会造成水轮发电机因主轴刚度不足而出现绕度振动，由此造成的故障问题多发生在超负荷运行时。同时，主轴若稳定性差，还会因油膜振荡出现发电机故障。
机械上的改善，要以动平衡调整进行转子、轴线的平衡度，对二者与其他零件之间的间隙微调，实现高精密和同心度，严格按照相关技术要求，调整轴系平衡，对主轴平衡和质量要严格把关。
(三)水力方面
由水力因素引起的振动，包括转轮叶片蜗壳的设计缺陷造成水力不均，或尾水管压力脉动引起水流低频频繁，还有一部分原因是水轮发电机组的安装与运行，与预期不一致，导致一部分能量转化为水力振动，造成故障。卡门涡会引发共振而出现发电机故障。同时，水轮发电机组中存在一些杂质如碎石、垃圾等，会卡在水轮发电机的叶片间，堵塞转轮造成故障。
因水利因素而出现的发电机故障，改善措施上可适当调整止漏环间隙至匀称，增加补气孔的面积，防止机组出现振动而出现故障；可在尾水管入口处安装导流翼板和导流板或使用补气，来防止气蚀的出现；对卡门涡所引发的故障，可改变卡门涡的频率或削薄叶片，避免共振。
五、结语
现实生活中，通过故障分析的理论与实际有机结合，并且将常规诊断方法、工程师的经验及计算机技术相结合，形成了专家诊断系统。这种方法有着专业性、可靠性、准确性等优点，为故障检测提供了更多的帮助。
参考文献
[1]周青龙.故障诊断与监控[J].消费电子，1992:134-135
[2]梅启智.系统可靠性过程基础[J].消费电子，1987:46-49
作者简介：
莫杨斌，男，生于1988年10月。毕业于华北电力大学。现从事水电厂电气设备检修维护工作。