小型水電站電氣設(shè)備常見故障與排除

李 強(qiáng)，周 鵬，張慶杰

（1.萊蕪市喬店水庫管理處，山東 萊蕪 271100；2.萊蕪市水利與漁業(yè)局，山東 萊蕪 271100）

雪野水庫壩后式水電站始建于1972年1月，于1976年10月投產(chǎn)運(yùn)行，電站裝機(jī)容量2臺(tái),分別為800kW和250kW,單機(jī)設(shè)計(jì)流量分別為9.8m3/s和2.5m3/s。電站自使用以來在為灌區(qū)群眾用電提供便利的同時(shí)，也為水庫管理處創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益。但在電站運(yùn)行中，電器設(shè)備故障隨時(shí)都會(huì)發(fā)生，且故障多種多樣，涉及到電氣系統(tǒng)的各個(gè)部位。要想排除設(shè)備故障點(diǎn)，就要求技術(shù)人員必須掌握一定的專業(yè)技術(shù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并熟練、可靠地將其排除。根據(jù)電站的維修、改進(jìn)情況以及筆者多年從事此項(xiàng)技術(shù)工作所積累的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)對(duì)小水電電氣設(shè)備常遇到的電器故障與處理方法闡述如下。

1 電抗器引發(fā)故障的處理

電站為了減少主變溫升，增加出力，往往將主變低壓側(cè)中心點(diǎn)經(jīng)電抗器接地，而發(fā)電機(jī)中心點(diǎn)直接接地，就會(huì)引起發(fā)電機(jī)中線電流不平衡、準(zhǔn)同期裝置失靈及電抗器、主變與線路的諧振。

1.1 中心線電流變化及其處理

對(duì)于幾臺(tái)發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行，中心線電流隨所帶負(fù)荷不平衡而發(fā)生巨大變化；且并列運(yùn)行時(shí)，某臺(tái)發(fā)電機(jī)所帶負(fù)荷相對(duì)其它機(jī)組越大，則該機(jī)中心線的電流就越大。這是因?yàn)槠渌l(fā)電機(jī)三次諧波電流與該機(jī)形成環(huán)流，造成該機(jī)中心線電流大大增加。此時(shí)會(huì)導(dǎo)致中線過熱，甚至熔化。因此，要求并列運(yùn)行時(shí)盡量調(diào)整各臺(tái)發(fā)電機(jī)所帶負(fù)荷的平衡。

1.2 準(zhǔn)同期并網(wǎng)裝置失靈及其處理

發(fā)電機(jī)中心線直接接地，系統(tǒng)側(cè)的“零點(diǎn)”（主變中心點(diǎn)）是經(jīng)電抗器而接地，對(duì)交流電來說，經(jīng)電抗器后電流就滯后電壓90度。因此，對(duì)于直接取用機(jī)端電壓（220V）進(jìn)行并網(wǎng)的同期裝置，兩個(gè)零點(diǎn)之間就存在著22V左右的電壓差，造成同期裝置失靈。

在實(shí)際操作中，只要用一根1.5mm2導(dǎo)線將主變中心點(diǎn)接地，同時(shí)引一根地線到同期裝置并適當(dāng)調(diào)大并網(wǎng)角度，即可解決此類問題。

1.3 線路主與變及電抗器間的諧振

某電站3臺(tái)250kW機(jī)組，兩臺(tái)175kW機(jī)組，1號(hào)主變?nèi)萘繛?000kWA，2號(hào)主變?nèi)萘繛?00kWA。開機(jī)并網(wǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)同期裝置失靈，同期轉(zhuǎn)向燈不正常，白燈、紅燈同時(shí)熄滅。測(cè)同期裝置引入電源電壓分別為210V、340V,測(cè)母線三相對(duì)地電壓分別為 170V、230V、340V，短路電抗器三相對(duì)地電壓均在220V左右，同期裝置及轉(zhuǎn)向燈也恢復(fù)正常，以此現(xiàn)象判定為諧振。

處理方法有三種：其一，先投入2號(hào)主變并上一臺(tái)175kW機(jī)組，破壞諧振點(diǎn)，再并250kW機(jī)組；其二，采用1個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)，250kW機(jī)組并一臺(tái)前，先將電抗器短接，并上機(jī)組后再切除短接；其三，有條件的地方采取補(bǔ)償電容，一方面可以破壞諧振，另一方面又可以補(bǔ)償機(jī)組無功，這是最恰當(dāng)?shù)摹?/p>

2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電壓不平衡現(xiàn)象

2.1 電壓互感器熔斷器熔斷

電壓互感器熔斷器熔斷有高壓熔斷器熔斷和低壓熔斷器熔斷之分，出現(xiàn)的現(xiàn)象也是完全不一樣的。

2.1.1 高壓熔斷器熔斷

1）單相高壓熔斷器熔斷。由于PT有一定的感應(yīng)電壓，故障相電壓降低，且不為零，非故障相電壓正常，向量角為1200，同時(shí)由于熔斷器熔斷使一次側(cè)電壓不平衡，造成開口三角形有電壓，即有零序電壓。如圖1，A相高壓熔斷器熔斷，矢量合成結(jié)果零序電壓3U0，數(shù)值等于相電壓 Ux（下同），電壓表指示約為 33V左右，故能起動(dòng)接地裝置，發(fā)出接地信號(hào)。若機(jī)組運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)這種情況，由于高壓熔斷器熔斷等于保護(hù)退出，故要求電站值班人員向調(diào)度申請(qǐng)停機(jī)，通知檢修更換高壓熔斷器。

2)兩相高壓熔斷器熔斷。同樣由于PT感應(yīng)效應(yīng)，故障相電壓降低，不為零，非故障相電壓正常，同時(shí)一次側(cè)電壓也不平衡，開口三角形也有電壓，例如，A相、B相高壓熔斷器熔斷，矢量合成結(jié)果（見圖2），只有一相 C相，零序電壓3u0，數(shù)值也等于相電壓 uX，約為33V左右，故能起動(dòng)接地裝置，發(fā)出接地信號(hào)，處理方式同一相熔斷器熔斷一樣。

2.1.2 低壓熔斷器熔斷

單相低壓熔斷器熔斷時(shí)，由于是一次側(cè)熔斷器熔斷，一次側(cè)電壓正常，所以故障相電壓為零，非故障相電壓正常，其向量角為120°。開口三角形處沒有零序電壓，不能起動(dòng)接地裝置，不發(fā)出接地信號(hào)。出現(xiàn)這種情況，只要電站運(yùn)行人員及時(shí)自行更換低壓熔斷器就可以了。兩相低壓熔斷器熔斷，也是故障相電壓為零，非故障相電壓正常，A處理方法和單相熔斷一樣。

2.2 單相接地

單相接地，可分金屬性接地和非金屬性接地。若A相接地，其電壓向量圖見圖3、圖4。若用K表示單相接地系數(shù)，則 K=u0d/uX(0≤K≤1.0，K=0為不接地，K=1為金屬性接地)

由圖3和圖4可知各相對(duì)地電壓的特點(diǎn)：

1)相對(duì)地電壓 uAd。K=0 時(shí)，uAd=uX；K=1 時(shí)，uAd=0；當(dāng)K在0～1.0之間變化時(shí)，uAd在uX～0之間變化，故接地相對(duì)電壓uAd降低，但不為零。

2)非接地相對(duì)地電壓 uBd。 K=0時(shí)，uBd=uX；K=1時(shí)，uBd=3uX；即上升為線電壓，K值在0～1.0之間變化時(shí)，uBd相量的始端沿著圖的半圓OdA變動(dòng)。可見，在一定范圍內(nèi)單相(A相)非金屬性接地，非接地相(B相)對(duì)地電壓是降低而不是升高的。在這個(gè)范圍內(nèi)接地相(A相)對(duì)地電壓也不是最低的。故不能用對(duì)地電壓最低作為判斷接地相的依據(jù)。當(dāng)不在這個(gè)范圍內(nèi)，B相對(duì)地電壓會(huì)升高，且不超過線電壓。

3)非接地相對(duì)地電壓 uCd。 K=0時(shí)，uCd=uX；K=1時(shí)，uCd=3uX；即上升為線電壓；當(dāng)K在 0～1.0之間變化時(shí)，uCd相量的始端沿著圖的半圓OdA變動(dòng)?？梢?，uCd總是升高的，在一定范圍內(nèi)單相(A相)非金屬性接地，非接地相(C相)對(duì)地電壓最高可超過線電壓。

4)點(diǎn)對(duì)地電壓 uOd。 K=0 時(shí)，uOd=0；K=1 時(shí)，uOd=uX；K在0～1.0之間變化時(shí)，uOd在0～uX。當(dāng)然對(duì)這個(gè)電壓電壓表是沒有辦法顯示出來的，但對(duì)它有一定的了解，對(duì)分析電網(wǎng)的問題很有幫助。

總之，在0

3 發(fā)電機(jī)電壓達(dá)不到額定電壓

雪野水庫小型水電站發(fā)電運(yùn)行時(shí)，一次發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)發(fā)點(diǎn)電壓達(dá)不到額定值。在發(fā)電機(jī)剛檢修完好的情況下，起動(dòng)發(fā)電機(jī)到額定轉(zhuǎn)速后，在升壓時(shí)，減少勵(lì)磁機(jī)磁電阻勵(lì)磁電壓和發(fā)電機(jī)定子電壓都升不上來。這樣維修人員必須查明故障原因。勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電壓的建立，起先是由剩磁所引起的，所以當(dāng)勵(lì)磁機(jī)失去剩磁時(shí)，勵(lì)磁電壓便建立不起來，檢修過的發(fā)電機(jī)剩磁很容易消失。

如果在解體檢修勵(lì)磁機(jī)時(shí)，由于接線錯(cuò)誤把勵(lì)磁線圈正負(fù)極接反，這樣再次起動(dòng)運(yùn)行，則勵(lì)磁機(jī)、勵(lì)磁線圈中流過的電流產(chǎn)生的磁通與鐵芯原有剩磁方向相反，使剩磁削弱或者完全消失，所以電壓建立不起來。

在查明原因后，再對(duì)故障進(jìn)行排除，處理方法是，這時(shí)應(yīng)檢查勵(lì)磁回路（包括勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部）有無斷線，電刷位置是否正確，電刷接觸是否良好，如果檢查結(jié)果正常，而勵(lì)磁電壓表又有很小的指示值，表示勵(lì)磁線圈接錯(cuò)方向，應(yīng)把勵(lì)磁線圈正負(fù)極性對(duì)換一下。如果勵(lì)磁電壓表沒有指示，應(yīng)在勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁線圈上加直流電源（一般用蓄電池）進(jìn)行充磁。充磁時(shí)直流電源正負(fù)兩極應(yīng)和勵(lì)磁線圈正負(fù)兩端對(duì)應(yīng)接觸一下即可。在進(jìn)行外加直流電源充磁時(shí)，最好把勵(lì)磁開關(guān)切斷、勵(lì)磁電阻加到最大，防止發(fā)生高電壓。

4 發(fā)電機(jī)內(nèi)部絕緣故障

在運(yùn)行中發(fā)電機(jī)斷路器和勵(lì)磁開關(guān)突然自動(dòng)跳閘，發(fā)電機(jī)回路中的指示表針全指零，檢查繼電器動(dòng)作情況時(shí)發(fā)現(xiàn)差動(dòng)繼電器動(dòng)作。有時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)內(nèi)部或風(fēng)道中冒煙或冒火星，并有絕緣燒焦臭味，這種現(xiàn)象說明發(fā)電機(jī)內(nèi)部有絕緣故障。這是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)線圈絕緣損壞或鐵芯短路引起的。故障情況一般是由單相接地或是匝間短路而擴(kuò)大成為相應(yīng)短路使繼電保護(hù)動(dòng)作。

發(fā)生接地故障的原因有以下幾種：

1）過電壓引起。在發(fā)電機(jī)電壓網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生單相接地時(shí)，其他兩相電壓會(huì)升高，最高達(dá)倍。更為嚴(yán)重的過電壓是發(fā)生在單相弧光接地時(shí)，可能使未故障相對(duì)地電壓升高3～3.5倍。在發(fā)電機(jī)電壓引出線路上，發(fā)生A相弧光接地時(shí)，若發(fā)電機(jī)定子線圈BC兩相中有一相絕緣不良，則絕緣不良的一相就會(huì)被電壓擊穿，從而發(fā)生兩點(diǎn)接地故障。此外，在直配線系統(tǒng)中，由于防雷設(shè)施不恰當(dāng)，發(fā)電機(jī)也容易遭受到雷電波的襲擊，而打穿線圈絕緣。

2）溫度過高引起。如果長時(shí)間的線圈溫度過高或鐵芯短路發(fā)熱，其結(jié)果使線圈絕緣惡化，即絕緣強(qiáng)度降低，這就更容易使絕緣擊穿。

3）在檢修時(shí)因不注意而把工具零件丟在發(fā)電機(jī)里；或是在運(yùn)行中轉(zhuǎn)子上的零件，如綁線式轉(zhuǎn)子的綁線甩開，搭在絕緣線圈上，造成絕緣損壞。

4)由于定子線圈端部接頭焊接不良，在運(yùn)行中過熱，使接頭開焊而引起電弧將絕緣燒壞。

當(dāng)差動(dòng)繼電器動(dòng)作時(shí)，除去發(fā)電機(jī)本體故障外，在繼電器保護(hù)范圍里其他地方短路都能發(fā)生動(dòng)作，特別是電纜最易發(fā)生故障，所以還要檢查發(fā)電機(jī)電纜以及差動(dòng)繼電器保護(hù)范圍里的其他設(shè)備有沒有絕緣打穿痕跡。

預(yù)防發(fā)電機(jī)線圈內(nèi)部絕緣故障主要是按規(guī)定定期進(jìn)行發(fā)電機(jī)絕緣的耐壓試驗(yàn)，用以判斷絕緣是否劣化。如發(fā)現(xiàn)上述情況，值班人員應(yīng)把勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁變阻器調(diào)到最大值，將發(fā)電機(jī)斷路器及勵(lì)磁開關(guān)的遠(yuǎn)方控制開關(guān)打到斷開位置，應(yīng)停止運(yùn)行檢查。如發(fā)生火災(zāi)應(yīng)按發(fā)電機(jī)火災(zāi)事故處理，然后再根據(jù)情況逐步進(jìn)行檢查檢修。

5 結(jié) 語

上面四種情況是小型電站最常碰到的。電站運(yùn)行人員對(duì)這方面的故障應(yīng)有清楚的認(rèn)識(shí)，以便能“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”的處理類似的故障。其中第二種故障中第二種情況，是整個(gè)電網(wǎng)的故障時(shí)，需要電詢調(diào)度，具體處理由調(diào)度決定。

由上述幾種情況分析看出，電站運(yùn)行人員首先必須了解電氣設(shè)備運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)各種電氣設(shè)備的型號(hào)、規(guī)格、銘牌、參數(shù)要熟練掌握。掌握設(shè)備的工作性能、工作原理及控制特點(diǎn)，是發(fā)現(xiàn)與排除故障的前提條件，熟悉各電器元件在設(shè)備的具體位置及線路的布局，充分掌握電氣原理與實(shí)際配線的一一對(duì)應(yīng)，是排除故障、提高設(shè)備性能的基礎(chǔ)。這樣在設(shè)備運(yùn)行過程中，才能合理分析各種故障情況，做到分析判斷準(zhǔn)確，處理及時(shí)，以確保設(shè)備的安全運(yùn)行。