转速上升率水轮机转速选择

大型水轮机的转速问题一直是影响电网供电频率的主要问题之一，在大型水电站的建造过程中，要想制造低成本、高质量的电力，就需要控制好水轮机的转速，以此来保障电站和电网的用电安全。

随着科学技术的发展，水轮机的转速调节问题已经得到了长足的发展和进步，但转速的选择和控制是制约水轮机发展的瓶劲，现阶段已经有很多方法可以进行控制，如：自校正控制、滑模变结构控制等等。笔者从理论出发，对大型水轮机转速选择的作用进行论述，并详尽的分析了水轮机的工作特性和转速调节的常见故障。

转速上升率水轮机转速选择的主要作用

水轮机的转速选择对水电站的经济效益和供电的稳定性有着至关重要的作用，水轮机的转速在抽水蓄能电站设计中是关键的环节，而主要的选择参数是水轮机的比转速选择，比转速体现的是水轮机组的综合性指标，通过对转轮的过流能力、空蚀、使用效率的监控可以帮助水轮机选择合理的转速，以此提高电力的生产效率。对于大型的水轮机组来说，其转轮叶的形状是离心的，在抽水和发电运行中要把这两种状态考虑到转速选择中去，一般泵的转轮直径要高于常规的水轮机直径，直径大约是一般水轮机直径的1.7倍，其转速也比一般水轮机高很多，空蚀的性能也比水轮机的工况差，所以在比转速的选择上一定要结合泵的比转速来进行调节。在实际操作中，水头和功率的条件一定要进行确认和比对，这可以帮助水轮机提高机组的比转速，但也要把机组所受的强度和空蚀问题考虑到其中。

转速上升率水轮机的分类及特性

水轮机按其工作原理可分为冲击试水轮机和反击式水轮机。

2．1 冲击式水轮机

冲击式水轮机以是水流方向为切入点，通过水流的射流方来获得机械动力，这在水头变化相对较小且速度不大的电站是比较适合的。冲击式水轮机在工作流量不变的情况下，使用效率不变化，比较适应于负荷变化，在单位转速变化时，效率随着水头的变化而有所增强。冲击式水轮机的调节方式主要是以直联和协联的方式进行速度的调节，直联式是利用主控喷针进行调节，而协联式是利用折向器和喷针的同时动作来进行的。在直联系统中，折向器负责射流，但仅能作为一次过流保护，在平时不做动作，而协联系统是使折向器与喷嘴射流之间保持一种平衡的状态。

2．2 反击式水轮机

反击式水轮机的分类较多，主要有：混流式、斜流式、贯流式等。其工作原理主要是以水流进入导水机构，并通过轴向流出转轮，在反击式水流工作方式中，各分类水轮机的水流方式都不同，例如：水流方式可以分为定桨式和转桨式，这主要是指转轮叶片的工作方式不同，进水装置也分为大型、中型、小型，其中大中型立轴反击式水轮机的进步装置都是以蜗壳、固定导叶、活动导叶组成。另外反击式水轮都设有尾水管，这在转轮出口处可以帮助转轮回收动能，对于低水头大流量的水轮机，转轮的出口动能比较大，尾水管的回收性能对水轮机的效率有明显的影响。

转速上升率水轮机转速调节的常见故障

水轮机的转速调节故障可以为水力因素、电气因素、机械因素。一般的机械因素都是由于主机自身摆动引起的机械性故障，排除较为容易，水力因素则是由于引水系统水流的压力的增大，造成压力脉动，或是由于振动导致水轮机转速脉动。电气故障是由于水轮机发电转子与走子之间的间隙不均匀，引发电磁力不平衡，造成了电压振荡，使得飞摆电源信号产生误差。在故障的处理过程中，首先要考虑到水轮机转速的影响，然后在逐步进行细致的分析，找出故障点和解决办法，迅速的排除故障，以减少经济损失。同时，在故障问题处理后要对水轮机的转速进行相应的调整，以此来保障水轮机的正常运行。

转速上升率水轮机转速选择后的空载扰动和负荷扰动试验

水轮机的转速选择过程其实质就是一个调节适应的过程，在水轮机转速选择中也主要通过试验和测试来完成转速的合理选择，这对水电站今后的稳定运转具有非常积极的作用，同时也为水电的经济发展提供了重要的保障。在水轮机转速选择时主要通过空载扰动和负荷扰动试验来完成水轮机的转速的调整，通过试验还可以考察水轮机运转我稳定性。空载运行是水轮机必须要进行试验的一个重要程序，在机组启动后、并入电网之前，要求水轮机经过空载试验，以检测水轮机的稳定性，这里所选取的速度是以调速器进行调整进行各种速度的测试，一般水轮机在空载试验时稳定效果较差，这时需要进行空载扰动试验，一般外加的扰动量为8%左右，缓冲时间常数Td可在0-15s内调整；暂态转差系数bt可在0%-80%范围内调节，个别的可达0%-180%；一般来说，上述可调参数取较大值时，其稳定区域相应增大，但稳定性过高，调节时间Tp将增加，还会增大超调量和超调次数，调速器动作迟缓，降低调节品质；同时增大α值后，转速死区有所增加，因此，在调节调速器参数时，要在满足稳定性要求的前提下，力求调节过渡过程快速衰减。要兼顾动、静调节质量，一般由Td和bt值来保证稳定性，在不破坏调节系统稳定性的前提下，减小α和α1值。负荷扰动试验的目的是检查机组在并入电网后或单机运行中负荷突变时调速器的动作情况和调节品质，同时选择带负荷时的最佳运行参数，如接力器不动作时间、调节时间、超调量和超调次数等。

转速上升率是水轮机调节保证计算的重要内容，是发电机设计和满足电力系统稳定运行的重要参数之一，它反映调节过程中机械惯性的作用。在其他条件不变的情况下，水轮机导叶或针阀的关闭时间愈短，转速上升率愈小。

它是一个技术经济指标，早期水电工程将转速上升率限制在30%～40%，以后随着技术水平的提高和电力系统的扩大有所提高，目前中型机组达到的最高值为65%。在甩负荷过程中，如果调速系统失灵，机组可能进入飞逸状态。飞逸转速一般为其额定转速的1.7～2.6倍。工程中将飞逸转速作为事故条件，要求机组一旦失控时，在飞逸转速下应能连续旋转2～10 min不产生有害变形，发电机结构强度也以此作为设计计算基础。除小型机组外，必须根据机组容量及其在电力系统中的比重、重要性，在保证电力系统稳定运行的前提下妥善选定。

《机械工程名词 第五分册》第一版。

对于普通的异步电机转速测量，一般采用在电机的旋转部件上安装磁钢及光电式感应器或者编码器，当旋转部件上的反光贴纸通过光电传感器前时，光电传感器的输出就会跳变一次，将光信号转换成电信号输出，通过测出这个电信号的跳变频率f，就可知道电机的转速n。此种只适用旋转部件外露的电机转速测量，而对于电潜水泵、电潜油泵电机，由于其结构的特殊性：旋转部件不外露，工作时处于水中（潜水泵），无法安装反光贴纸、磁钢及光电式探头等，因此，其电机转速的测量一直是个难题，部分厂家可能采用检流计的方式，利用秒表进行定时测频，但是操作麻烦，准确性差。

《电气工程名词》第一版。 2100433B