水轮发电机组运行稳定性检测与故障探究

李多龙

（云南华电金沙江中游水电开发有限公司梨园发电分公司，云南 昆明 650228）

水轮发电机组是水电厂重要设备，它的稳定性不仅直接关系到电厂设备的经济性，还会直接影响电网的稳定性和电网效益。随着水轮发电机组的增多，质量也开始出现问题，因为设计、制造、安装、运行等方面不合格造成设备运行频率不适当，引发水轮发电机组局部出现共振和摆振。所以研究水轮发电机组稳定性具有重要的实际价值。笔者总结水轮发电机稳定性存在问题，分析其中原因，针对水轮发电机组运行特点和故障特点针对性提出诊断策略。

1 影响水轮发电机组稳定的基本因素

1.1 设计方面

一些电厂为了追求过高的能量指标，过度提高水轮机和机组的效率，选择不恰当的设计方案。一个原因是选择水轮发电机组同步转速时没有进行深入分析，让发电机最高和最低水头比例不恰当，超过正常范围；另一原因是发电机组补气措施过于薄弱，导致水轮发电机组不稳定范围增加，超过正常范围35%以上，部分发电机组甚至超过75%。导致水轮发电机在运行时会时间处于漩涡运动中，强大压力脉动和空腔脱流容易出现强力振动，情况严重时还会导致水锤脱落。

1.2 电网电源

因为水轮发电组长期承担调峰填谷、调频、调相、事故备用的任务，所以水轮发电机经常会偏离额定范围运行。在复杂情况下水轮发电机轮转进出口出现异常，高负荷冲击干扰区、低负荷振动区和补气区情况时有发生，导致机组轴系运行状态不佳，轴承系统、支撑结构功能逐渐失效，机组性能不稳定加剧。

1.3 上下游水位和运行水头变化

在水电站计划和投产时期，上下游水位、运行水头经常发生变化，使得水轮发电机无法保持在最佳状态，这是影响水轮发电机组稳定性的重要原因。因为水轮机只能在固定范围运行，所以在低水头低负荷、高水头负荷情况下会发生撞击、脱流，出现强烈冲击振动，严重情况还会出现穿透性裂纹。

2 造成水轮发电机组不稳定的原因

水轮发电机组不稳定原因归结起来可以分成三个方面：水轮发电机组的水利干扰、机械干扰、电磁干扰。

2.1 水利干扰

水力稳定性会直接影响到水轮发电机组的稳定性，这是水电机组的特征之一。从水轮发电机组运行状态分析包括：不均匀的水力随机振动、卡门涡列引起的水轮机转轮叶片涡振、上下迷宫环不规则振动、高水头低负荷尾水管涡带造成的低频振动等。这些振动特征会反应在水轮发电机组轴系、轴承系统、支撑部件、水轮机及其过流部件的压力钢管、迷宫环、顶盖等设备上，严重时会影响厂房基础，造成水轮发电机整体结构振动。

2.2 机械干扰

水轮发电机组是低转速机械设备，如果其结构、制造、安装等方面存在问题会造成机组运行过程中时轴不对中、曲折、倾斜、间隙过大、支撑部件受力不均匀、固定机架刚度不够和机械径向力增大的周期性振动、非周期性振动或者强烈共振。这些变化信号会集中在机组轴承、转子轴系等设备上反应，进一步影响水轮发电机组整体结构。

2.3 电磁干扰

电磁干扰也是影响水轮发电机组稳定的因素之一，根据情况可分为两类：转频振动和极频振动，这种两种振动形成电磁振动。

其中转频振动是因为转子外圆和定子内腔不圆、转子静定无法平衡引起的定转子间气隙不均匀而导致，这种强烈的转频激扰力是导致机组的主要震源之一。极频震动是由于水轮发电机长期工作而产生，机器内部受热膨胀，这种变化会造成各个部位内应力变化不一致，导致定子铁芯整体结构变化，钢片松动。

并且，定子铁芯的径向、组合缝超过临界切向应力，造成机器组合缝叠片不稳定，当机组空载运行、冷态运行时还会出现猛烈的定子振动。这些电磁振动会反应在机组轴承、转子轴系、固定部件的上下机架等设备上影响水轮发电组整体结构稳定性。

3 水轮发电机组故障诊断

3.1 状态监测

水轮发电机组稳定性是评价其性能的三大指标之一，有三个参数：机组摆渡、机组振动、机组的水力特征参数，检测和诊断机组运行除了这三个参数外还需要考虑发电机电磁振动相关系数、推力轴承相关参数，全方位检测机组。考虑到水轮发电机组的故障原因和信号特点，可以从机组转子轴系、机组过流部件、推力轴承、机组噪音等在机组运动中的表现来确定。

（1）机组导轴承和转子轴系。这一项主要检测转子轴系运行和轴承运行状态两方面，在机组三部导轴承上根据上导处、下导处、水导处设置六个监测点，分析机组摆度的时域、相位、轴系运行轨迹等信息；可以选择轴承油盆进出口油温、油位、导轴承瓦的瓦温、冷却器水进出口的水压、水温等信息分析附设系统对导轴承、转子轴系稳定性的影响效果，从而进一步分析影响因素。

（2）发电机电磁振动。检测发电机组电磁振动是检测机组运行过程中电气参数、定转子结构状态的重要依据。发电机组转频振动检测项目有发电机气隙、转子动不平衡、定转子整体温度等；发电机极频振动检测是检查定子铁芯是否松动、组合缝是否稳定。根据发电机定转子结构特点和具体尺寸，在定子槽选择4～8 个监测点，通过分析得出定转子具体状态、气隙变化和其他变化信号，从而分析水轮发电机组运行时的状态和变化趋势。

（3）机组噪音。水轮发电机组在运行过程中会出现噪音，一方面会对环境造成影响，另一方面也是分析机组振动稳定的重要数据。要根据水轮发电机组结构和尺寸在水轮机和尾水管等部分进行噪音检测，根据数据分析发电机组运行状态。

3.2 信号分析

水轮发电机组设备信号可以分为三类：周期信号、非周期信号、随机信号。水轮发电机运行过程中会出现集中低频随机信号，根据这一特点可以分析出机组运行的周期，这种分析方式比较特殊也具有一定难度。还可以采集机组振动、摆度、压力等信息，多方面检测信号，提高检测结果准确性。在处理信号时尤其要重视低频随机信号，可以借助低频滤波、混合滤波等技术。

依据机组运动设备稳定性信号检测机组运动状态是目前常用的检测方式，因为水轮机组属于旋转机械，具有自身独特性，所以在进行信号分析时要对时域、频域、时差域等信号做分析。还要分析水轮发电机组自身的独特信号，包括幅值域、轴心轨迹、轴线运动轨迹等、极坐标等信息。利用机械信号分析功能和水轮发电机组的独特信号可以全面分析机组整体稳定性，建立信号分析模块，对水轮发电机导轴承、转子轴系、过流部件、固定部件等部位分析，可以得出机组稳定实际情况和故障特征。

3.3 故障诊断专家系统

利用水轮发电机组运行稳定性信号可以及时找出机组特征信号和故障特征，这是分析机稳定性故障的基础，然后借助专家系统完成故障诊断和机组运行趋势分析。

检测机组设备故障的方式很多，例如：专家系统的诊断、模糊理论的诊断、灰色理论的诊断、神经系统网络诊断，这些诊断方式都有自身特点，适用不同情况。现在多数发电机厂会选择专家系统系统，这种诊断方式虽然有一定欠缺，但是在知识表示和获取、推理机制、控制策略等方面具有较为丰富的理论知识，这让专家系统诊断具有可靠性。

因为水轮发电机组比较复杂、层次多、各部件藕联性强，导致机组运行中各个部分信号会相互干扰和作用，诊断结果不确定。检测要重视时效性，尽量得出单一性结果，所以给检测带来很大压力。所以，其他故障检测方法要适当融合到诊断专家系统中，形成子系统得出诊断意见，然后融合成综合诊断结果，得出状态检修结果。

4 结语

水轮发电机组是国内外水力发电厂中经常使用的设备，其稳定性直接影响到整个机组的经济价值和安全性。水力不稳定是导致水轮发电组稳定性不足的最常见因素，因为水力原因造成过流部件变化。可以根据检测信号集中反应部分进行划分，从导轴承和转子轴系、机组过流部件、机组固定部件等项目进行检测，根据水轮发电机组特征选择和布置测点进行信号检测和处理。分析水轮发电机组稳定性故障特征和特有的复杂性，应该根据地域特点选择和水电厂机组运行相适应的诊断方式，如诊断专家系统，提高检测的效率。