水力發(fā)電原理及水電站設(shè)備簡介

1、水力發(fā)電原理及水電站概況本課程主要容為介紹水力發(fā)電的基本原理， 以及概述性地介紹水電站各組成 系統(tǒng)的設(shè)備的類型、 作用。主要是讓讀者從總體上了解水電站是如何實(shí)現(xiàn)水能轉(zhuǎn) 化為電能？實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程需要哪些設(shè)備的支撐？這些設(shè)備的具體分工是如何 的？由于本課程為總體性概述， 因此對(duì)于具體設(shè)備的工作原理和部結(jié)構(gòu)則不作具 體性的闡述，若讀者對(duì)這些問題感興趣，可以參考其他水力專業(yè)性書籍。一. 水力發(fā)電基本原理及水電站在電力系統(tǒng)中的工作方式1. 水力發(fā)電基本原理水力發(fā)電過程其實(shí)就是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過程。 通過在天然的河流上， 修建水 工建筑物， 集中水頭，然后通過引水道將高位的水引導(dǎo)到低位置的水輪機(jī)， 使水 能轉(zhuǎn)

2、變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能， 帶動(dòng)與水輪機(jī)同軸的發(fā)電機(jī)發(fā)電， 從而實(shí)現(xiàn)從水能到電能 的轉(zhuǎn)換。發(fā)電機(jī)發(fā)出的電再通過輸電線路送往用戶， 形成整個(gè)水力發(fā)電到用電的 過程。如圖 1-1 所示，高處 水庫中的水體具有較大的 勢能，當(dāng)水體經(jīng)由壓力管 道流進(jìn)安裝在水電站廠房 的水輪機(jī)而排至水電站的 下游時(shí)，水流帶動(dòng)水輪機(jī) 的轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，使得水動(dòng)能 轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)的機(jī)械能，水 輪機(jī)帶動(dòng)同軸的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn) 子切割磁力線，在發(fā)電機(jī) 的定子繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢， 當(dāng)定子繞組與外電路接通時(shí)， 發(fā)電機(jī)就向外供電 了。如此，水輪機(jī)的選擇機(jī)械能就通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?. 水電站的出力和發(fā)電量的計(jì)算水電站在某時(shí)刻輸出的功率， 稱為水電站在該時(shí)刻

3、的出力。 水電站的理論出 力公式如下：PtgVHgtgQHg9. 81QHg( kW)以下圖 2-1 為電力系統(tǒng)日上式中的 Q 為水輪機(jī)的引用流量， Hg 為水電站上、下游的高程差，稱為水電站 的毛水頭。水電站的實(shí)際出力公式如下：P 9. 81Q( Hg h) 9. 81QH KQH( kW)上式中 H稱為水輪機(jī)的工作水頭， h為水頭損失；為水輪發(fā)電機(jī)組的總效率； K=水電站的出力系數(shù)，對(duì)于大中型水電站， K 值可取為 8.08.5，對(duì)于小型水電 站， K值一般取為 6.58.0。3. 水電站的運(yùn)行特點(diǎn)目前，在我國的電力系統(tǒng)中， 主要是火電廠與水電站以及少數(shù)的核電廠、 風(fēng) 力發(fā)電廠、地?zé)崮馨l(fā)電

4、廠聯(lián)合工作。 為了使得各類電廠合理分擔(dān)電力系統(tǒng)的負(fù)荷， 各種類型的電廠在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著不盡相同的作用 負(fù)荷曲線圖：一般來說， 由于火電和核電機(jī)組在機(jī)組性能上 的特點(diǎn)，它們一般在電力系統(tǒng)中主要承擔(dān)基荷和腰 荷的負(fù)荷，而結(jié)合水電機(jī)組的特點(diǎn)以及不同的季 節(jié)，水電機(jī)組在承擔(dān)電力負(fù)荷上選擇性更為靈活。 下面我們先了解一下水電站的運(yùn)行特點(diǎn)：(1) 水電站的工作情況隨河川徑流的多變 而變化。水電站的出力和發(fā)電量受到天然徑流來水 量的影響， 雖然水庫具有調(diào)節(jié)徑流的作用， 但也只 能是在一定程度上小幅度調(diào)節(jié) (水庫庫容越大， 調(diào) 節(jié)的作用就越明顯) ，導(dǎo)致水電站在枯水季節(jié)出力 和發(fā)電量得不到保證，豐水季節(jié)又往

5、往由于庫容不足棄水而導(dǎo)致水能難以利用。（ 2） 水電站的運(yùn)行費(fèi)用與實(shí)際發(fā)出的電量多少無關(guān)。 建成后的水電站， 其 發(fā)電量的多少主要與其來水徑流量的多少有關(guān)， 而其運(yùn)行費(fèi)用卻基本不會(huì)因此而 有所增減。因此，應(yīng)當(dāng)盡量使水電站多發(fā)電，而減少系統(tǒng)中火電廠的發(fā)電量，從 而減低火電廠相應(yīng)燃料的消耗，提高整個(gè)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。（3） 水輪發(fā)電機(jī)組操作靈活， 啟停迅速， 通常只需要幾分鐘就可以啟動(dòng)或 停機(jī)，增減負(fù)荷十分方便。 因此利用水庫調(diào)節(jié)， 水電站適宜在電力系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào) 峰、調(diào)頻和事故備用等任務(wù)。（4） 由于水資源及其水庫具有綜合利用的性質(zhì)， 水利系統(tǒng)各部門對(duì)水電站 及其水庫會(huì)提出各種綜合利用要求， 因而

6、水電站及其水庫的運(yùn)行調(diào)度方式必然會(huì) 受到他們的制約。4. 水電站在系統(tǒng)中工作方式的一般原則決定水電站在系統(tǒng)中的工作方式的原則是盡量使得電力系統(tǒng)供電的可靠性 和經(jīng)濟(jì)型最大化。具體的基本原則有以下幾條：（1） 為了充分利用水能， 無調(diào)節(jié)水電站適宜全年擔(dān)負(fù)系統(tǒng)基荷工作， 有調(diào) 節(jié)水電站在枯水期宜在峰荷工作， 隨著來水增多， 可從峰荷逐步過渡到擔(dān)任豐水 期的基荷工作。（2）為了節(jié)省煤耗或油耗， 火電廠宜擔(dān)負(fù)較為均勻的負(fù)荷， 所以最好在基 荷工作。但在豐水期， 水電站還是應(yīng)以全部裝機(jī)容量在基荷工作， 此時(shí)火電廠應(yīng) 擔(dān)負(fù)峰荷， 雖然單位煤耗有所增加， 但可由于水電站減少棄水， 從而在總體上節(jié) 約了煤耗總量

7、，使得電力系統(tǒng)的總成本下降。（3）應(yīng)盡量使得各水電站機(jī)組在高效率區(qū)運(yùn)行， 避免長時(shí)期在低水頭、 低 負(fù)荷下運(yùn)行。（4）由于核電機(jī)組調(diào)節(jié)困難， 若過于頻繁地大幅度調(diào)整負(fù)荷， 核電機(jī)組的 安全性將受到影響，所以應(yīng)優(yōu)先保證核電機(jī)組在基荷位置運(yùn)行。根據(jù)水電站水庫的調(diào)節(jié)能力，水電站可分為無調(diào)節(jié)水電站、日調(diào)節(jié)水電站、 年調(diào)節(jié)水電站以及多年調(diào)節(jié)水電站。 水庫的調(diào)節(jié)能力不同， 導(dǎo)致水電站在系統(tǒng)中 的工作方式也不一樣， 但總體原則是盡量減少水庫不必要的棄水， 若水庫庫容不 具備調(diào)節(jié)能力， 應(yīng)使水電站運(yùn)行在基荷位置， 充分利用水資源； 若水庫庫容尚具 備調(diào)節(jié)空間， 應(yīng)使水電站運(yùn)行在峰荷或腰荷位置， 以充分發(fā)揮水電

8、機(jī)組調(diào)節(jié)能力 強(qiáng)、運(yùn)行靈活的特點(diǎn)。二. 水電站的基本類型1. 河床式水電站一般修建在河流中下游河道縱坡平緩的河段上， 為了避免大量淹沒， 壩建得 較低，故水頭較小。 河床式水電站的引用流量一般較大， 屬于低水頭大流量型水 電站。其特點(diǎn)是：廠房與壩一起建在河床上，廠房本身承受上游水壓力，并成為 擋水建筑物的一部分， 一般不設(shè)專門的引水管道， 水流直接從廠房上游進(jìn)水口進(jìn) 入水輪機(jī)。2. 壩后式水電站壩后式水電站一般修建在河流中上游的山區(qū)峽谷地段， 受水庫淹沒限制相對(duì)較小，所以壩可建得較高，水頭也較大。由于水頭較高，廠房不能承受上游過大 水壓力而建在壩后（壩下游） 。其特點(diǎn)是：水電站廠房布置在壩后，

9、廠壩之間常 用縫分開，上游水壓力全部由壩承擔(dān)。3. 壩式水電站壩式水電站是指將廠房布置在攔河壩體部， 采用如此布置主要是由于河谷狹 窄不足以布置壩后式廠房，而壩高足夠允許在壩留出一定大小的空腔布置廠房。 由于壩式水電站的廠房布置在溢流壩， 壩體部的空腔削弱了壩體強(qiáng)度， 并使得壩 體應(yīng)力復(fù)雜化。 由于廠房尺寸受到壩體尺寸的限制， 因此此類水電站的機(jī)電設(shè)備 選擇在尺寸上也受到相應(yīng)的限制。 另外壩式水電站要特別注意防滲、 防潮、通風(fēng)、 照明等問題。4. 引水式水電站發(fā)電用水來自較長的引水道， 廠房遠(yuǎn)離擋水和進(jìn)水建筑物， 廠房上游不承受水壓力，廠房布置在引水系統(tǒng)末端的的河岸上。由于廠房布置在地面的河岸

10、上， 因此稱為引水河岸式水電站。當(dāng)由于河谷狹窄，岸坡陡峻，或者其它原因，布置地面廠房有困難時(shí)，將廠房建在地下的山體，則此類可稱為引水地下式廠房。5. 抽水蓄能電站抽水蓄能電站可認(rèn)為是一種特殊類型的水電站。 水電機(jī)組具備啟停迅速、 運(yùn) 行靈活， 適宜擔(dān)任調(diào)峰、 調(diào)頻和事故備用負(fù)荷等特點(diǎn)， 而抽水蓄能機(jī)組可將水電 機(jī)組上述特點(diǎn)發(fā)揮到極致。抽水蓄能電站不是為了開發(fā)水能資源向系統(tǒng)提供電 能，而是以水體為貯能介質(zhì)， 對(duì)電力系統(tǒng)起到調(diào)節(jié)作用。 抽水蓄能電站包括抽水 蓄能和放水發(fā)電兩個(gè)過程， 它有上下兩個(gè)水庫， 一般用壓力管道相連， 蓄能電站 廠房建在離下水庫不遠(yuǎn)的地下山 體。在系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)，利用系 統(tǒng)多

11、余的電能帶動(dòng)泵站機(jī)組（電 動(dòng)機(jī) +水泵）將下庫的水抽到上 庫，以水的勢能形式儲(chǔ)存起來； 當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷高峰時(shí)，將上庫的水 放下來推動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組（水輪 機(jī)+發(fā)電機(jī)）發(fā)電，以補(bǔ)充系統(tǒng)中 電能的不足。由于抽水蓄能電站 較之常規(guī)水電站可運(yùn)行的工況更 多，因此其在對(duì)電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié) 功能上更為靈活。三. 水電站建筑物簡介為了控制水流， 實(shí)現(xiàn)水力發(fā)電而修建的一系列水工建筑物， 稱為水電站建筑 物。水電站樞紐一般由以下建筑物組成。1. 擋水建筑物用以攔截河流， 集中落差， 形成水庫的攔河壩、 閘或河床式水電站的廠房等 水工建筑物，如混凝土重力壩、拱壩、土石壩、堆石壩及攔河閘等。2. 泄水建筑物用以宣泄洪水，供下

12、游用水，放空水庫的建筑物，如開敞式河岸溢洪道、溢 流壩、溢洪洞及放水底孔等。3. 進(jìn)水建筑物用以從河道或水庫按發(fā)電要求引進(jìn)發(fā)電流量的引水道首部建筑物，如有壓、 無壓進(jìn)水口等。4. 引水建筑物用以集中水頭，輸送流量到水輪發(fā)電機(jī)組或?qū)l(fā)電后的水排往下游河道的建 筑物，如渠道、隧洞、壓力管道、尾水渠等。5. 平水建筑物用以平穩(wěn)由于水電站負(fù)荷變化在引水或尾水系統(tǒng)中引起的流量及壓力的變 化，保證水電站調(diào)節(jié)穩(wěn)定的建筑物， 如有壓引水式水電站的調(diào)壓塔或調(diào)壓井， 無 壓引水式水電站渠道末端的壓力前池。6. 廠區(qū)樞紐建筑物水電站廠區(qū)樞紐建筑物主要是指水電站的主廠房、 副廠房、變壓器場、 高壓 開關(guān)站、交通道路及

13、尾水渠等建筑物。 這些建筑物一般集中布置在同一局部區(qū)域 形成廠區(qū)。廠區(qū)是發(fā)電、變電、配電的中心，是電能生產(chǎn)的中樞。7. 過壩建筑物用以通船、過木及過魚等的建筑物，如船閘、魚道等。四. 水電站廠房的組成及布置水電站廠房是水工建筑物、 機(jī)械及電氣設(shè)備的綜合體， 是水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿?生產(chǎn)場所， 也是運(yùn)行人員進(jìn)行生產(chǎn)和活動(dòng)的場所。 因此廠房各種機(jī)電設(shè)備安裝布 置是否合理， 廠房的環(huán)境是否良好對(duì)于是否便于生產(chǎn)人員開展工作， 生產(chǎn)人員工 作狀態(tài)是否良好影響是非常大的。1. 水電站廠房的組成水電站廠房根據(jù)設(shè)備布置和運(yùn)行要求的空間可劃分為以下幾大區(qū)域：（ 1） 主廠房。用來安裝水輪發(fā)電機(jī)組及各種輔助設(shè)備的房間

14、成為主廠房， 是水電站廠房的主要組成部分。（2）副廠房。布置各種運(yùn)行控制設(shè)備和檢修管理設(shè)備的房間， 以及運(yùn)行管 理人員工作和生活的用房，統(tǒng)稱為副廠房。（3）主變壓器場。 安裝升壓變壓器的地方成為主變壓器場。 水電站發(fā)出的 電能經(jīng)變壓器升壓后，再經(jīng)輸電線路送給用戶。（4）開關(guān)站。安裝高壓配電裝置的地方成為開關(guān)站。發(fā)電機(jī)側(cè)（低壓側(cè)） 的配電裝置，通常裝設(shè)在廠房， 而其高壓側(cè)的配電裝置一般在戶外， 稱為高壓開 關(guān)站。開關(guān)站裝設(shè)高壓開關(guān)、 高壓母線和保護(hù)裝置， 高壓輸電線由此將電能送給 電網(wǎng)和用戶。水電站主廠房、 副廠房、 主變壓器場和高壓開關(guān)站以及廠區(qū)交通等， 組成水 電站廠區(qū)樞紐建筑物， 一般稱為

15、廠區(qū)樞紐。 廠區(qū)是完成發(fā)電、 變電和配電的主體。2. 水電廠廠房的布置根據(jù)大軸布置方向的不同， 水輪發(fā)電機(jī)組可分為立式機(jī)組和臥式機(jī)組， 一般 大中型的水力發(fā)電機(jī)組所采用的都為立式機(jī)組， 下面所討論的水電廠廠房布置均 指立式機(jī)組的廠房布置。（一） 主廠房設(shè)備的布置水電廠主廠房是安裝水輪發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備的場所， 根據(jù)設(shè)備布置的需 要通常在高度方向上分為數(shù)層，如圖 4-1 所示。通常以發(fā)電機(jī)層樓板高程為界，將主廠房分為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)兩部分。 上下部結(jié)構(gòu)高度之和 （即由尾水管基 底至屋頂?shù)母叨龋?就是主廠房的總高度。 水輪機(jī)軸中心的連線稱為主廠房的縱軸 線，與之垂直的機(jī)組中心線稱為橫軸線。 每

16、臺(tái)機(jī)組在縱軸線上所占的圍為一個(gè)機(jī) 組段，各機(jī)組段和安裝間長度的總和， 就是主廠房的總長度， 廠房在橫軸型上所 占的圍，就是主廠房的寬度。發(fā)電機(jī)層設(shè)備布置。發(fā)電機(jī)層為安放水輪發(fā)電機(jī)組及輔助設(shè)備和儀表盤柜的 場地，也是運(yùn)行人員巡回檢查機(jī)組、監(jiān)視儀表的場所。如圖 4-2 所示，發(fā)電機(jī)層樓板上一般布置有發(fā)電機(jī)上機(jī)架、調(diào)速器操作柜、油壓裝置、機(jī)旁盤、勵(lì)磁盤、 橋式吊車等主要設(shè)備以及主閥孔、樓梯、吊物孔等廠交通設(shè)施。水輪機(jī)層設(shè)備布置。 水輪機(jī)層是指發(fā)電機(jī)層以下， 蝸殼大塊混凝土以上的這 部分空間。如圖 4-3 所示，在水輪機(jī)層一般布置有發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子、水輪機(jī)頂 蓋、調(diào)速器的接力器、水力機(jī)械輔助設(shè)備（如油

17、、氣、水管路） 、電氣設(shè)備（如 發(fā)電機(jī)主引出線、中性點(diǎn)接線、接地、滅磁裝置等） 、廠用電的配電設(shè)備等。蝸殼尾水管層的布置。如圖 4-4 所示，蝸殼尾水管層除了過流部分外，大多為大體積混凝土， 布置相對(duì)簡單。 一般布置有進(jìn)水主閥、 蝸殼、供水泵、排水泵、 空氣壓縮機(jī)等設(shè)備。安裝間的布置。 由于大中型水電站的機(jī)電部件大而重， 因此一般要求對(duì)外公路運(yùn)輸通道能直達(dá)安裝間，以便于利用主廠房橋吊裝 卸設(shè)備，所以安裝間一般布 置在主廠房有對(duì)外道路的 一側(cè)。如圖 4-5 所示，安裝 間的面積可按一臺(tái)機(jī)組擴(kuò) 大性檢修的需要確定， 一般 考慮放置四大部件， 即發(fā)電 機(jī)轉(zhuǎn)子帶軸、發(fā)電機(jī)上機(jī) 架、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、 水輪機(jī)

18、頂蓋。同時(shí)需要考慮橋吊主鉤的工作圍， 預(yù)留運(yùn)輸通道和工作人員工作空間等其它 相關(guān)因素。（二） 副廠房設(shè)備的布置副廠房的位置應(yīng)緊靠主廠房， 基本上布置在主廠房的上游側(cè)、 下游側(cè)或端面， 可集中一處，也可分為兩處布置。副廠房的各樓層一般布置有中央控制室、 集纜室、繼電保護(hù)室、 低壓開關(guān)室、 通信室及遠(yuǎn)動(dòng)裝置室、 直流設(shè)備室、 廠用電設(shè)備室、 母線室、各種試驗(yàn)室和車間、 辦公室及生活用房等。水電站主要機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)簡介水電站完成將水勢能轉(zhuǎn)化為電能的過程， 除了需要形成集中水頭、 引導(dǎo)水流 的水工建筑物外，還需要包括水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器在機(jī)電設(shè)備的正常工作。 水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器統(tǒng)稱為水電站的三大主

19、設(shè)備， 而為了保證主設(shè)備完成生 產(chǎn)過程，需要對(duì)主設(shè)備進(jìn)行冷卻、潤滑、操作、控制、監(jiān)視等操作。因此，根據(jù) 水電站機(jī)電設(shè)備的不同功能， 可將它們劃分為不同的設(shè)備子系統(tǒng)， 以便于理解和 學(xué)習(xí)。但必須明確的是， 各個(gè)設(shè)備子系統(tǒng)之間并不是完全分割的， 它們之間存在 著相互關(guān)聯(lián)、相互影響、相互配合的關(guān)系，共同支撐起整個(gè)電站的正常運(yùn)行。下 圖是一個(gè)水電站廠房各設(shè)備系統(tǒng)或主要設(shè)備之間關(guān)系的簡圖。下面我們將分系統(tǒng)介紹水電站的主要機(jī)電設(shè)備， 以使得大家能從總體上了解水電站主要設(shè)備的組成，從而對(duì)水電站的生產(chǎn)過程能有一個(gè)大體性的認(rèn)識(shí)。一. 水輪機(jī)1. 水輪機(jī)的類型和應(yīng)用圍（一）水輪機(jī)的基本類型水輪機(jī)是將水能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)

20、機(jī)械能的水力原動(dòng)機(jī)， 是水電站廠房中主要的動(dòng) 力設(shè)備之一， 用來帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作以獲取電能。 由于河流的自然條件和水電站的 開發(fā)方式不同，水電站的水頭、 和功率差別很大，因此需要有多種型式和種類 的水輪機(jī)與之相適應(yīng)。 現(xiàn)在水輪機(jī)按水能轉(zhuǎn)換的特征分為兩大類， 即反擊式水輪 機(jī)和沖擊式水輪機(jī)。1）反擊式水輪機(jī)。轉(zhuǎn)輪利用水流的壓力能和動(dòng)能做功的水輪機(jī)稱為反擊式 水輪機(jī)。2）沖擊式水輪機(jī)。 轉(zhuǎn)輪只利用水流的動(dòng)能作功的水輪機(jī)稱為沖擊式水輪機(jī)。 上述兩大類的水輪機(jī)還可細(xì)分為以下具體的轉(zhuǎn)輪型式：二）常見水輪機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用圍常見水輪機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用圍見下表：轉(zhuǎn)輪型式一般適應(yīng)水 頭（m）特點(diǎn)混流式25450結(jié)構(gòu)簡單

21、，運(yùn)行可靠、效率高、應(yīng)用水頭圍廣， 一般適用于中高水頭水電站。軸流定槳式350結(jié)構(gòu)簡單，但高效率區(qū)圍較窄，適用于負(fù)荷及 水頭邊幅較小的水電站。軸流轉(zhuǎn)槳式288結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由于導(dǎo)葉和槳頁能雙重調(diào)節(jié)， 因此具有較大圍的高效率區(qū)，適用于低水頭、 大流量和負(fù)荷變化較大的水電站。斜流式40200也可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片雙重調(diào)節(jié)，具有較寬 的高效率區(qū)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高，一般用 于大、中型水電站。貫流式230一般具有較高的效率，適用于低水頭、大流量的河床式水電站。水斗式402000適用于高水頭、小流量的水電站。斜擊式25300一般適用于中小型水電站。雙擊式5150結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，但效率低，一般適用于

22、 小型水電站。可逆混流式水 泵水輪機(jī)50700適用于抽水蓄能電站，兼有水輪機(jī)和水泵的特 點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)使得水流方向相反，從而 實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)和水泵的功能。三）水輪機(jī)的工作參數(shù)、型號(hào)和公稱直徑水輪機(jī)的工作參數(shù)主要有水頭、流量、轉(zhuǎn)速、功率與效率。每一種參數(shù)根據(jù)具體的應(yīng)用概念的不同還可以細(xì)分為具體的參數(shù)。 如水頭有工作水頭、 設(shè)計(jì)水頭、 額定水頭等；流量有額定流量、 空載流量等，在此就不再對(duì)各種具體參數(shù)作解釋， 有興趣的讀者可以參閱專業(yè)的書籍。為了統(tǒng)一水輪機(jī)的品種規(guī)格， 以便提高質(zhì)量、 降低造價(jià)和便于選擇使用， 我 國對(duì)水輪機(jī)產(chǎn)品型號(hào)作為規(guī)化規(guī)定。 水輪機(jī)產(chǎn)品型號(hào)由三部分組成， 各部分用一 短線分開

23、。水輪機(jī)型號(hào)排列順序如下：第一部分代表水輪機(jī)的型式和轉(zhuǎn)輪型號(hào)，水輪機(jī)型式用漢語拼音字母表示， 轉(zhuǎn)輪型號(hào)用該水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速表示， 用阿拉伯?dāng)?shù)字表示。 水泵水輪機(jī)在型式代號(hào) 后面加漢語拼音字母“ B”。其代號(hào)規(guī)定如表 1-1 所示。第二部分代表主軸布置形式和結(jié)構(gòu)特征， 有兩個(gè)漢語拼音字母組成， 前者表 示水輪機(jī)主軸的布置型式，后者表示引水室的結(jié)構(gòu)特征，其代號(hào)規(guī)定如表 1-2 所 示。第三部分代表水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪公稱直徑 D1 以及其他有關(guān)參數(shù)，用阿拉伯?dāng)?shù)字表 示，單位為 cm。水輪機(jī)型號(hào)示例如下：1）HL180LJ550：表示混流式水輪機(jī)， 轉(zhuǎn)輪型號(hào)為 180，立軸，金屬蝸殼， 轉(zhuǎn)輪公稱直徑為 550c

24、m。2）ZD760LH120（ =+10）：表示軸流定槳式水輪機(jī)， 轉(zhuǎn)輪型號(hào)為 760， 立軸，混凝土蝸殼，轉(zhuǎn)輪公稱直徑 120cm，轉(zhuǎn)輪葉片裝置（安裝）角為 +10。3）XLB200LJ300：表示斜流式水泵水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪型號(hào)為 200，立軸，金 屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪公稱直徑為 300cm。2. 立式混流式水輪機(jī)構(gòu)成部件的介紹在此僅對(duì)立式混流式水輪機(jī)的各主要構(gòu)成部件進(jìn)行簡介， 若需了解其他型式 的水輪機(jī)，請(qǐng)參閱水電專業(yè)書籍。（一）轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)將水流能量轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能的核心部件， 要求轉(zhuǎn)輪具有良好的水力性能，足夠的強(qiáng)度和剛度。混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪一般有上冠3、葉片 4、下環(huán) 7、止漏裝置 2和 6、泄

25、水錐 5 和減壓裝置 1組成。如圖 1-1所示（二）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的主要組成部分包括頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)、導(dǎo)葉、導(dǎo)葉套筒、 導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（包括導(dǎo)葉臂、連桿、連 接板）和接力器等部件。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)接力器的工作原理，如圖2-2 所示。圖中示出兩個(gè)直缸式接力器的 工作情況， 圖示所在位置是導(dǎo)葉正處于中間開度， 當(dāng)接力器腔體接受調(diào)速器系統(tǒng) 送來的壓力油后， 便可控接力器的推拉桿， 改變導(dǎo)葉的開度， 達(dá)到調(diào)節(jié)水輪機(jī)流 量的目的1）導(dǎo)葉。導(dǎo)葉是 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的主要組成 部件，均勻分布于轉(zhuǎn)輪 的外圍、底環(huán)和頂蓋之 間。導(dǎo)葉的斷面形狀為 翼型，首端較厚，尾端 較薄，這樣既可以保證 強(qiáng)度又可以減少水力 損失。導(dǎo)葉一般由

26、導(dǎo)葉 體和導(dǎo)葉軸組成。 另外 還有導(dǎo)葉軸套和相應(yīng)密封、以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為導(dǎo)葉的附件支撐導(dǎo)葉的正常工作2）底環(huán)。是一個(gè)扁平的環(huán)形部件，位于導(dǎo)葉的下方，安裝在座環(huán)或基礎(chǔ)環(huán) 上，它與頂蓋形成流道，并用來安裝導(dǎo)葉的下軸套。3）控制環(huán)。是傳遞接力器作用力，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)葉的環(huán)形部件。4）頂蓋。頂蓋是水輪機(jī)的主要部件，在頂蓋的導(dǎo)葉軸孔中裝有導(dǎo)葉套筒， 頂蓋上平面的支持環(huán)支撐著控制環(huán)， 是水輪機(jī)的主要受力部件， 要求有足夠的強(qiáng) 度和剛度。三） 引水部件及泄水部件混流式水輪機(jī)的引水部件主要由金屬蝸殼、座環(huán)和基礎(chǔ)環(huán)組成1) 金屬蝸殼。引水室是將水引入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的通流部件。蝸殼是蝸狀的有壓引水室。混流式水輪機(jī)應(yīng)

27、用于中高水頭電站(一般H40m)，其引水室多采用金屬蝸殼， 斷面形狀由圓形過渡到橢圓形。 蝸殼引導(dǎo)水流一方面作圓周運(yùn)動(dòng)， 另 一方面作徑向運(yùn)動(dòng)， 使得水流均勻軸對(duì)稱地進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)， 故水力損失小， 結(jié)構(gòu) 緊湊。2) 座環(huán)。座環(huán)位于引水部件(蝸殼)與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)之間，由上環(huán)、下環(huán)和中間若干流線形立柱(也稱固定導(dǎo)葉) 組成。其作用是承受水輪發(fā)電機(jī)的部分重量、水輪機(jī)的軸線水推力、 頂蓋的重量級(jí)部分混凝土重量， 并將其荷載通過立柱傳給 下部基礎(chǔ)。同時(shí)，座環(huán)也是水輪機(jī)的過流部件和水輪機(jī)的安裝基準(zhǔn)件。3) 基礎(chǔ)環(huán)?；A(chǔ)環(huán)是連接底環(huán)和尾水管錐管，并在安裝、大修中用于承放 轉(zhuǎn)輪的基礎(chǔ)部件， 也是安裝時(shí)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部

28、分的承重件， 埋設(shè)于混凝土中， 轉(zhuǎn)輪 的下環(huán)在其轉(zhuǎn)動(dòng)。4) 尾水管。尾水管是水輪機(jī)的泄水部件，其作用是將轉(zhuǎn)輪出口的水流平順 地引向下游， 回收轉(zhuǎn)輪出口處水流的動(dòng)能并利用轉(zhuǎn)輪高出下游水位的位能。 常見 的尾水管型式為彎肘形，其由直錐管、彎肘段和水平擴(kuò)散段三部分組成。四) 水輪機(jī)其他部件1) 主軸。主軸是水輪機(jī)的主要部件之一，它的一端于發(fā)電機(jī)連接，另一端 接水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。 它的作用是將水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī)， 從而帶動(dòng)發(fā)電 機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。此外，主軸還承受轉(zhuǎn)輪軸向水推力和轉(zhuǎn)動(dòng)部件的重量。2) 主軸密封。主軸密封是用以減少主軸與固定部件之間漏水的裝置，是水 輪機(jī)正常工作的重要保護(hù)裝置。3) 水輪機(jī)

29、導(dǎo)軸承。導(dǎo)軸承是保持主軸中心位置，并承受徑向力的軸承。水輪機(jī)導(dǎo)軸承的主要作用是承受機(jī)組運(yùn)行中主軸傳來的徑向力和振擺力， 約束主軸 軸線位置。 導(dǎo)軸承在結(jié)構(gòu)布置上應(yīng)盡量靠近轉(zhuǎn)輪， 以縮短轉(zhuǎn)輪至軸承距離， 保證 主軸和轉(zhuǎn)輪運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。 按潤滑介質(zhì)不同， 水輪機(jī)導(dǎo)軸承可分為水潤滑 和油潤滑兩種。另外水輪機(jī)還具有補(bǔ)氣裝置和真空破壞閥等部件，在此不再一一闡述其作 用。二 . 發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)1. 發(fā)電機(jī)的基本知識(shí)水電站中的發(fā)電機(jī)都為同步電機(jī)（以下發(fā)電機(jī)均指同步發(fā)電機(jī)） ，它把原動(dòng) 機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ㄟ^輸電線路等設(shè)備送往用戶。眾所周知， 導(dǎo)線切割磁力線能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢， 將導(dǎo)線連成閉合

30、回路， 就有 電流流過，同步發(fā)電機(jī)就是利用電磁 感應(yīng)原理將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿摹Ｈ鐖D 2-1 所示為同步發(fā)電機(jī)示意 圖。導(dǎo)線放在空心圓筒形鐵芯槽里， 鐵芯是固定不動(dòng)的，稱為定子。磁力 線由磁極產(chǎn)生，磁極是轉(zhuǎn)動(dòng)的，稱為 轉(zhuǎn)子。定子和轉(zhuǎn)子是構(gòu)成發(fā)電機(jī)的最 基本部分。為了得到三相交流電，沿 定子鐵芯圓，每相隔 120分別安放著三相繞組 AX、BY、CZ，轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁繞組（也稱轉(zhuǎn)子繞組） RL。通過 電刷和滑環(huán)的滑動(dòng)接觸， 將勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電引入轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組， 產(chǎn)生恒穩(wěn) 的磁場。當(dāng)轉(zhuǎn)子被原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)后，定子繞組（也稱電樞繞組）不斷切割磁力 線，就在其中感應(yīng)出電動(dòng)勢來。感應(yīng)電動(dòng)勢的方向由右手定則確定

31、。由于導(dǎo)線有時(shí)切割 N 極，有時(shí)切割 S 極，因而感應(yīng)出的是交流電動(dòng)勢。交流電動(dòng)勢的頻率 f，決定于電機(jī)的極對(duì)數(shù) p 和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n，即：pnf 6p0n(Hz)上式中， n 的單位為 r/min 。轉(zhuǎn)子不停地旋轉(zhuǎn)， A、B、C 三相繞組先后切割轉(zhuǎn)子磁場的磁力線，所以在三 相繞組中電動(dòng)勢的相位是不同的，依次差 120，相序?yàn)?A、B、C。當(dāng)發(fā)電機(jī)帶上負(fù)荷后，三相定子繞組中的定子電流（電樞電流） ，將合成產(chǎn) 生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場。該磁場于轉(zhuǎn)子以同速度、同方向旋轉(zhuǎn)，這就叫“同步” 。同步 電機(jī)也由此而得名，它的特點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)與頻率間有嚴(yán)格的關(guān)系，即：2. 水輪發(fā)電機(jī)的類型及基本參數(shù)（一）水輪發(fā)電機(jī)的類型按照

32、水輪發(fā)電機(jī)組布置方式， 水輪發(fā)電機(jī)有立式裝置、 臥式裝置和斜式裝置 三種。其中絕大數(shù)水輪發(fā)電機(jī)組采用的是立式（豎軸）裝置。以下所討論如無特 制均指立式水輪發(fā)電機(jī)組。立式裝置的水輪發(fā)電機(jī)， 按其推力軸承的裝設(shè)位置不同， 分為懸式和傘式兩 大類。懸式水輪發(fā)電機(jī)的推力軸承位于上部機(jī)架上， 在轉(zhuǎn)子上方， 通過推力頭將 機(jī)組整個(gè)旋轉(zhuǎn)部分的重量懸掛起來，由此而得名。傘式水輪發(fā)電機(jī)的推力軸承， 裝在轉(zhuǎn)子下方的下部機(jī)架上或者裝在位于水輪機(jī)頂蓋上推力支架上。根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)冷卻方式的不同， 可分為空冷式、 水冷式、 水空冷式以及蒸 發(fā)冷卻等方式。國產(chǎn)大、中型水輪發(fā)電機(jī)中絕大多數(shù)均為封閉自循環(huán)空冷方式。（二）水輪發(fā)

33、電機(jī)的型號(hào)水輪發(fā)電機(jī)的型號(hào)，是其類型和特點(diǎn)的簡明標(biāo)志其表示法為：我國水輪發(fā)電機(jī)型號(hào)部分由漢語拼音組成，表示符號(hào)為：SF立式空冷水輪發(fā)電機(jī)；SFS-立- 式水冷水輪發(fā)電機(jī)；SFW臥式水輪發(fā)電機(jī)；SFD-水- 輪發(fā)電 電動(dòng)機(jī)；SFG-貫- 式水輪發(fā)電機(jī)。（三）水輪發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)水輪發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)，通常有額定電流 In、額定電壓 Un、額定容量 Sn 或 Pn、額定功率因數(shù) cosn、額定轉(zhuǎn)速 nn、飛逸轉(zhuǎn)速 nf、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J、效率、電 抗 Xd以及短路比 Kd 等。以上基本參數(shù)的定義概念在此不再予以解釋，需要了解 的讀者可以參閱相關(guān)的專業(yè)書籍。3. 水輪發(fā)電機(jī)的主要組成部件（一）定子定子是水

34、輪發(fā)電機(jī)的固定部件之一。 它主要由機(jī)座、 鐵芯、繞組以及引出線 等其它部件組成。1）定子機(jī)座。主要作用是固定定子以及承重。2）定子鐵芯。定子鐵芯是水輪發(fā)電機(jī)磁路的主要通道。由于定子鐵芯中存 在交變磁通， 才在定子繞組上感應(yīng)出交變電流。 因此， 把定子鐵芯稱為磁電交換 元件，并在鐵芯齒槽中固定定子繞組。3）定子繞組。定子繞組的作用是，當(dāng)交變磁場切割繞組時(shí)，便在繞組中產(chǎn) 生交變電動(dòng)勢和交變電流，從而完成水能機(jī)械能電能的最終轉(zhuǎn)換。（二）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是水輪發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件， 位于定子里面， 與定子之間保持一定的空氣 間隙。轉(zhuǎn)子通過主軸與下面的水輪機(jī)連接。 它的作用是產(chǎn)生磁場并通過與定子相 互作用，將水輪機(jī)

35、產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，由定子繞組輸出。它由主軸、轉(zhuǎn)子 支架、磁軛和磁極等部分組成。磁極是顯露的（凸極結(jié)構(gòu)） 、首尾兩磁極與轉(zhuǎn)子 引線相連接，轉(zhuǎn)子引線接至集電環(huán)，運(yùn)行時(shí)由勵(lì)磁裝置向集電環(huán)供給直流電。1）主軸。主軸的主要作用是起到連接發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)，將水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī) 械能傳遞給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子， 另外主軸還承受由于推力負(fù)荷引起的拉應(yīng)力， 以及承受 單邊磁拉力和轉(zhuǎn)動(dòng)部分的機(jī)械不平衡力。2）轉(zhuǎn)子支架。大、中型水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子支架式連接主軸和磁軛的中間部 件，并起到固定磁軛和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用3）磁軛。磁軛也叫輪環(huán)。它的作用是產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和固定磁極，同時(shí)也是 磁路的一部分。4）磁極。當(dāng)直流勵(lì)磁電流通入磁極線圈后

36、就產(chǎn)生發(fā)電機(jī)磁場，因此磁極是 產(chǎn)生磁場的部件。（三）機(jī)架 機(jī)架是水輪發(fā)電機(jī)不可缺少的重要部件之一。按照機(jī)架所安放的位置不同， 一般分為裝在發(fā)電機(jī)定子上部的上機(jī)架和裝在定子下部的下機(jī)架； 按照機(jī)架的承 載情況，可分為負(fù)荷機(jī)架和非負(fù)荷機(jī)架； 按照機(jī)架的支臂結(jié)構(gòu)型式可分為輻射型、 井字型和橋型等。（四）推力軸承 水輪發(fā)電機(jī)組的推力軸承是一種承受整個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量以 及水輪發(fā)電機(jī)的軸向水推力的滑動(dòng)軸承， 按液體潤滑理論， 在鏡板和推力瓦之間 由于鏡板的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，會(huì)建立起厚度為 0.1mm 左右的油膜，形成良好的潤滑條 件，同時(shí)經(jīng)推力軸承將這些力傳遞給水輪發(fā)電機(jī)的荷重機(jī)架。 它是水輪發(fā)電機(jī)組

37、 最重要的組成部件之一， 其工作性能的好壞， 將直接關(guān)系到機(jī)組的安全和穩(wěn)定運(yùn) 行。（五）導(dǎo)軸承 水輪發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承的作用是承受機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的徑向機(jī)械不平衡力和電磁 不平衡力， 維持機(jī)組主軸在軸承間隙圍穩(wěn)定運(yùn)行。 發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承根據(jù)安裝位置是 在轉(zhuǎn)子上方還是下方可分為上導(dǎo)軸承和下導(dǎo)軸承，有的發(fā)電機(jī)具有兩個(gè)導(dǎo)軸承， 有的發(fā)電機(jī)僅具有上導(dǎo)軸承或下導(dǎo)軸承之一。（六）通風(fēng)冷卻系統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)的冷卻， 直接關(guān)系到機(jī)組的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、 安全運(yùn)行以及使用年 限等問題。目前，國外大、中型水輪發(fā)電機(jī)多采用全空冷方式冷卻。采用全空冷 方式冷卻，具有制作工藝簡單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。（七）制動(dòng)器制動(dòng)器一般位于轉(zhuǎn)子制動(dòng)環(huán)的下

38、方， 中、小型機(jī)組一般直接安裝在下支架上， 大型發(fā)電機(jī)制動(dòng)器則有獨(dú)立的基礎(chǔ)， 即在對(duì)應(yīng)制動(dòng)環(huán)的下部設(shè)若干支墩， 每個(gè)支 墩上放置 12 個(gè)制動(dòng)器。制動(dòng)器的作用有兩個(gè)，一是制動(dòng)，二是頂轉(zhuǎn)子。機(jī)組 在停機(jī)過程中，為了避免推力軸承因機(jī)組長期在低轉(zhuǎn)速下慣性轉(zhuǎn)動(dòng)而導(dǎo)致油膜被 破壞而是瓦面燒損， 因此當(dāng)機(jī)組停機(jī)過程中轉(zhuǎn)速下降到某個(gè)值時(shí)， 投入制動(dòng)器強(qiáng) 制機(jī)組較快停下來，從而保護(hù)了推力軸承瓦面。4. 水輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)從前面介紹發(fā)電機(jī)發(fā)電基本原理時(shí)已知道， 發(fā)電機(jī)是通過定子切割由轉(zhuǎn)子產(chǎn) 生的恒穩(wěn)旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的， 而轉(zhuǎn)子之所以能產(chǎn)生恒穩(wěn)的電磁場， 則 是由于勵(lì)磁系統(tǒng)向其磁極繞組供給了直流的勵(lì)磁電

39、流。 由此可知， 勵(lì)磁系統(tǒng)是指 向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子供給勵(lì)磁電流的一系列相關(guān)設(shè)備的統(tǒng)稱。 勵(lì)磁系統(tǒng)主要包括勵(lì)磁變 壓器（或者勵(lì)磁機(jī)）、勵(lì)磁開關(guān)、整流橋、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、滅磁開關(guān)、啟勵(lì)裝置、 強(qiáng)勵(lì)裝置和欠勵(lì)限制器等裝置。勵(lì)磁系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)供給轉(zhuǎn)子磁極繞組的勵(lì)磁電流的大小， 可以達(dá)到實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā) 電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)的目的。 當(dāng)發(fā)電機(jī)處于過勵(lì)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)， 發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸出滯 后無功功率（輸出電感性無功功率） ，當(dāng)發(fā)電機(jī)處于欠勵(lì)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)向 電網(wǎng)吸收滯后無功功率（輸出電容性無功功率） 。需要說明的是調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流只能調(diào)節(jié)無功功率， 不能改變有功功率。 只有調(diào) 節(jié)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，也就是調(diào)節(jié)水輪機(jī)的進(jìn)水量，才能調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)

40、的有功功率. 主變壓器1. 變壓器基本知識(shí)變壓器是一種靜止的電器， 借電磁感應(yīng)， 把一種交流電的電壓和電流， 變?yōu)?另一種或幾種頻率相同但數(shù)值不同的電壓和電流。要將一定大功率的電能輸送到遠(yuǎn)方用戶去， 如果用較低的電壓， 則電流將很 大，而線路的功率損耗與電流的平方成正比， 這將造成巨大的能量損失。 另一方 面，大電流在線路上引起很大的電壓損失， 使得用戶無法應(yīng)用合格的電壓， 故必 須采取升高電壓減小電流的措施。 電能送到受端時(shí)， 輸電線的高電壓必須經(jīng)降壓 變壓器，將電壓降到用戶所需的數(shù)值，以供使用。變壓器型號(hào)表示方式如下：變壓器的主要參數(shù)包括有：額定容量 Sn、額定電壓 Un、額定電流 In、

41、阻抗 電壓 Ud、短路損耗 Pd、空載損耗 P0、空載電流 I0、溫升、接線組別。以上基 本參數(shù)的定義概念在此不再予以解釋，需要了解的讀者可以參閱相關(guān)的專業(yè)書 籍。2. 變壓器的分類按繞組數(shù)目分可分為自耦變壓器、 雙繞組變壓器、 三繞組變壓器和多繞組變按相數(shù)分類可分為單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器。按冷卻方式分類可分為油浸自冷變壓器、 油浸風(fēng)冷卻變壓器、 油浸強(qiáng)迫油循 環(huán)變壓器、干式變壓器和充氣式變壓器。3. 變壓器的基本結(jié)構(gòu)目前，主變壓器大多數(shù)為油浸式變壓器，它主要由鐵芯、繞組、油箱、絕緣套管出線裝置、冷卻裝置和保護(hù)裝置等部分組成。其基本結(jié)構(gòu)組成部分如下：（一）鐵芯鐵芯是變壓器最基本的組

42、成部分之一， 變壓器的一、二次繞組都繞在鐵芯上。 鐵芯是磁力線的通道， 使得通有交變電流的一、 二次繞組能相互作電磁感應(yīng)。 為 了減低鐵芯的發(fā)熱損耗，大型的變壓器的鐵芯基本都采用了薄硅鋼片疊裝而成。（二）繞組電力變壓器的繞組是電流的通道， 一般采用同心圓筒形繞組， 高壓繞組在外 層，低壓繞組在層， 這主要是從對(duì)絕緣要求容易滿足和便于引出高壓分接開關(guān)來 考慮的。（三）變壓器的冷卻 變壓器運(yùn)行時(shí)，電流通過繞組以及鐵芯中的渦流和磁滯損耗都要產(chǎn)生熱量，這些熱量依靠變壓器油不間斷的循環(huán)二散發(fā)出來。 大型變壓器一般采用強(qiáng)迫油循 環(huán)冷卻來達(dá)到散熱目的。強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻包括風(fēng)冷、水冷兩種。（四）安全保護(hù)裝置1）

43、油枕：容納因變壓器溫度升高二膨脹增加的變壓器油，同時(shí)限制油與空 氣的接觸面，減少油受潮和氧化的程度（油枕上安裝吸濕器與空氣連通） 。2）吸濕器：吸濕器又稱為呼吸器，部充有吸附劑如硅膠式活性氧化鋁，吸 附劑干燥時(shí)為藍(lán)色， 當(dāng)吸收水分后會(huì)逐漸變?yōu)榈t色， 此時(shí)必須更換或?qū)ζ溥M(jìn)行 干燥。3）防爆管（安全通道）：防爆管安裝在電力變壓器的油箱蓋上， 作為變壓器 部發(fā)生故障時(shí)，防止油箱產(chǎn)生高壓力的釋放保護(hù)。（五）變壓器的調(diào)壓裝置電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)， 必須控制電壓波動(dòng)圍， 保證電能質(zhì)量。 電壓波動(dòng)圍一 般規(guī)定不得超過額定電壓值的 5%。為了保證這一要求，通常采用改變變壓器 的繞組匝數(shù)的調(diào)壓方式。 雙繞組變壓

44、器只在高壓側(cè)裝設(shè)改變繞組有效匝數(shù)的分接 開關(guān)。三繞組變壓器在高、 中壓側(cè)分別裝設(shè)改變繞組有效匝數(shù)的分接開關(guān)。 按照 調(diào)壓方式，變壓器調(diào)壓可分為無載調(diào)壓和有載調(diào)壓兩種。四 . 水電站的電氣主接線1. 電氣主接線概述在水電站中，由各種一次電氣設(shè)備及其連接線所組成的輸送和分配電能的電 路，稱為水電站的電氣一次回路。電氣一次回路中各電氣設(shè)備根據(jù)它們的作用， 按照連接順序， 用規(guī)定的文字和符號(hào)繪成的圖形稱為電氣主接線圖， 它能說明電 能輸送和分配的關(guān)系。 電氣主接線的設(shè)計(jì)是水電站電氣部分設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán) 節(jié)，它對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行、電氣設(shè)備的選擇和廠房、開關(guān)布置等都起到?jīng)Q定性的作用， 并長期影響這運(yùn)行安全和質(zhì)量

45、。在電氣主接線圖中，要標(biāo)出發(fā)電機(jī)、變壓器、斷路器、電壓互感器、電流互 感器和避雷器等設(shè)備及載流導(dǎo)體的型號(hào)、規(guī)、數(shù)量。繪圖時(shí)為了清晰和方便，一 般將三相電路繪成單線圖，必要時(shí)局部用三線表示。設(shè)計(jì)電氣主接線的任務(wù)，主要是選擇主變壓器、 斷路器以及互感器和避雷器、 載流導(dǎo)體等的型號(hào)、規(guī)格和數(shù)量，并確定其連接方式。（一） 對(duì)電氣主接線的基本要求1) 根據(jù)系統(tǒng)與用戶的要求，保證必要的供電可靠性和電能質(zhì)量。特別是供 電可靠性問題，始終是電氣主接線設(shè)計(jì)和運(yùn)行好壞的重要指標(biāo)。2) 具有一定的靈活性。3) 盡可能簡單明顯、運(yùn)行方便，是設(shè)備切換所需的操作步驟最少，減少可 能因誤操作而造成的損失，并易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

46、4) 在滿足供電可靠性、 靈活性及運(yùn)行方便的基礎(chǔ)上， 應(yīng)盡量做到技術(shù)先進(jìn)、 經(jīng)濟(jì)合理。5) 在需要分期建設(shè)和分期投產(chǎn)時(shí)，主接線應(yīng)能適應(yīng)這個(gè)特點(diǎn)，采取過渡接 線。(二) 電氣主接線形式在水電廠中， 常用主接線形式可分為有母線和無母線兩大類。 具有母線的主 接線有：單母線、雙母線、分段的單、雙母線及附加旁路母線的單、雙母線等。無母線的主接線有：單元接線、橋形接線和多角形接線等。具有母線的主接線：一般具有四回以上進(jìn)、 出線就可設(shè)置母線。其優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)、出線回路數(shù)可 以增加，缺點(diǎn)是擴(kuò)大了配電裝置的結(jié)構(gòu)，并增加 了故障幾率。無母線的主接線：特點(diǎn)是接線簡單、清晰明 顯，運(yùn)行和操作方便，但進(jìn)、出線回路數(shù)受到限

47、制。2. 常用主接線的類型特點(diǎn)及其適用圍在此僅對(duì)單母線接線、 單母線分段接線、 單元及擴(kuò)大單元接線、 多角形接線 這幾種接線方式進(jìn)行介紹， 其余未介紹的主接線類型請(qǐng)讀者自行參閱相關(guān)專業(yè)書 籍。(一) 單母線接線接線方式如圖 4-1 所示： 優(yōu)點(diǎn)：簡單明顯，采用設(shè)備少，操作方便，便于擴(kuò)建，造價(jià)低。缺點(diǎn)：供電可靠性低， 母線及母線隔離開關(guān)等任一元件故障或檢修時(shí)， 均需使整個(gè)配電裝置停電適用圍：一般只在變電所建設(shè)初期無重要 用戶或出線回路不多的單電源、小容量的廠 （所）中使用。（二） 單母線分段接線 接線方式如圖 4-2 所示： 優(yōu)點(diǎn)：具有單母線接線簡單清晰、方便經(jīng) 濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)， 又在一定程度上提高了

48、供電可靠性。缺點(diǎn)：當(dāng)一段母線隔離開關(guān)故障或檢修時(shí)， 該母線上的所有回路都要長時(shí)間停電。（三）單元及擴(kuò)大單元接線1）單元接線在水電站中，發(fā)電機(jī)與變壓器直接連成一個(gè)單元，稱為發(fā)電機(jī) 變壓器單 元接線（簡稱單元接線） ，這種接線應(yīng)用在將發(fā)電機(jī)發(fā)出的全部電能以升高電壓（ 35kV 以上）輸入電網(wǎng)的水電廠中，由于采用的變壓器不同，單元接線又可分為發(fā)電機(jī) 雙繞組變壓器單元接線和發(fā)電機(jī) 三繞組（或自耦）變壓器單元接 線兩種接線方式如圖 4-3 所示：優(yōu)點(diǎn)：接線簡單清晰，不設(shè)發(fā)電機(jī)電壓母線， 發(fā)電機(jī)或主變壓器低壓側(cè)故障時(shí)短路電流減小，電 氣設(shè)備減少，操作簡便和繼電保護(hù)簡化。缺點(diǎn)：對(duì)于發(fā)電機(jī) 變壓器單元接線，當(dāng)

49、一組單元中某個(gè)元件故障或檢修時(shí)，整個(gè)單元將停止 運(yùn)行。2）擴(kuò)大單元接線采用兩臺(tái)（或三臺(tái)）發(fā)電機(jī)與一臺(tái)變壓器連 接的接線稱為擴(kuò)大單元接線，如圖 4-4 所示。優(yōu)點(diǎn)：與單元接線相比，擴(kuò)大單元接線減少 了主變壓器和主變壓器高壓側(cè)的斷路器的數(shù)量，減少了高壓側(cè)連接回路數(shù)， 從而 簡化了高壓側(cè)接線。另外任一機(jī) 組停機(jī)都不會(huì)影響自用電的供缺點(diǎn)：當(dāng)變壓器發(fā)生故障或 檢修時(shí)，該擴(kuò)大單元的所有發(fā)電 機(jī)的電能都不能送出。 但實(shí)際運(yùn) 行經(jīng)驗(yàn)表明，主變壓器的事故率 是很少的，因此，目前運(yùn)行的水 電廠中，廣泛采用擴(kuò)大單元接 線。（四）多角形接線如圖 4-5 所示：多角形接線的各種斷路器互相連接而成閉合的環(huán)狀， 是一種單環(huán)

50、形接線， 每 一個(gè)回路都經(jīng)兩個(gè)斷路器連接，實(shí)現(xiàn)了雙重連接的原則，在角數(shù)不多的情況下， 具有較高的可靠性和靈活性。 而且由于斷路器的數(shù)量較少， 利用的也最有效， 所 以，多角形接線還具有較大的經(jīng)濟(jì)型。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備少，投資??；可靠性和靈活性比較好；占地面積小。 缺點(diǎn)：斷路器數(shù)量不能多， 即進(jìn)出線回路數(shù)要受到限制， 因?yàn)樵诃h(huán)形接線中 一臺(tái)斷路器檢修時(shí)，多角形接線就要開環(huán)運(yùn)行，故降低了安全可靠性。3. 主接線上常見的電氣設(shè)備簡介 （一） 高壓斷路器在發(fā)電廠和變電所中， 高壓斷路器是指 1000V 以上電路中的主要設(shè)備。 在正 常運(yùn)行時(shí)，用來接通或斷開電路的負(fù)荷電流；故障時(shí)，用來迅速斷開短路電流， 切除故

51、障電路。 根據(jù)斷路器的裝設(shè)地點(diǎn)， 可分為戶和戶外兩種； 根據(jù)斷路器使用 的滅弧介質(zhì)，可分為油斷路器、空氣斷路器、六氟化硫（ SF6）斷路器、真空斷 路器。（二） 隔離開關(guān) 隔離開關(guān)室高壓開關(guān)設(shè)備的一種。 在結(jié)構(gòu)上， 隔離開關(guān)不具有斷路器所擁有 的滅弧裝置，因此不能用來拉合負(fù)荷電流和短路電流。隔離開關(guān)的主要作用包括：1）設(shè)備檢修時(shí)，用隔離開關(guān)來隔離有電和無電部分，形成明顯的斷開點(diǎn)， 以保證工作人員和設(shè)備的安全。2）隔離開關(guān)和斷路器相配合，進(jìn)行倒閘操作，以改變運(yùn)行方式。3）可用來斷開小電流電路和旁路電流。（三）互感器 互感器包括電流互感器和電壓互感器，是一次設(shè)備和二次設(shè)備間的聯(lián)絡(luò)元 件，將一次回路

52、中的大電流、 高電壓變?yōu)槎位芈分械男‰娏骱偷碗妷海?分別向 測量儀表、 繼電器的電流線圈和電壓線圈供電， 從而正確反映電氣設(shè)備的正常運(yùn) 行參數(shù)和故障情況的電氣設(shè)備。 互感器工作的基本原理與電力變壓器相似， 但又 有其特殊性，在此就不再贅述。（四）避雷器 避雷器是水電站防雷擊過電壓保護(hù)措施之一。 它的主要作用是當(dāng)雷擊沖擊波 沿著線路傳入水電站超過避雷器保護(hù)水平時(shí)， 避雷器首先被擊穿放電， 將雷電壓 幅值限制在被保護(hù)設(shè)備雷電沖擊水平以下，使電氣設(shè)備受到保護(hù)。五. 技術(shù)供水系統(tǒng)1. 技術(shù)供水系統(tǒng)的對(duì)象及其作用水電站的供水系統(tǒng)包括技術(shù)供水、 消防供水和生活供水。 本節(jié)僅對(duì)技術(shù)供水 系統(tǒng)進(jìn)行介紹。 技

53、術(shù)供水系統(tǒng)是水電站輔助設(shè)備中最基本的系統(tǒng)之一， 各用水設(shè) 備對(duì)供水主要有以下四個(gè)方面的要求：水量、水溫、水壓、水質(zhì)。其主要作用是 對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行冷卻，有時(shí)也用來進(jìn)行潤滑及水壓操作。技術(shù)供水系統(tǒng)的主要供水對(duì)象包括： 發(fā)電機(jī)空氣冷卻器；發(fā)電機(jī)推力軸承及導(dǎo)軸承的油冷卻器；水冷式變壓器； 水冷式空氣壓縮機(jī)； 水輪機(jī)導(dǎo)軸承的潤滑和冷卻； 水輪機(jī)主軸密封用水； 壓油裝置集油槽油冷卻器； 其他用水設(shè)備 （如一些高水頭水電站的進(jìn)水閥操作用水等）2. 技術(shù)供水的水源、供水方式及設(shè)備配置方式技術(shù)供水系統(tǒng)的水源有上游水庫、 下游尾水和地下水源， 其中上游水庫有壓 力鋼管或蝸殼取水，壩前取水兩種方式。供水的方式有自流

54、供水、水泵供水、混合供水、其他供水方式。其中，自流 供水適用于平均水頭在 20120m、水溫和水質(zhì)負(fù)荷要求的水電廠，但水頭高于 40m 二采用自流供水方式時(shí)要減壓供水。 水泵供水適用于高于 120m 或低于 12m 的水電廠，當(dāng)水頭較高時(shí)，宜采用自流供水，當(dāng)水頭不足時(shí)，宜采用水泵供水。技術(shù)供水系統(tǒng)的設(shè)備配置方式，根據(jù)機(jī)組的單機(jī)容量和電站的裝機(jī)臺(tái)數(shù)確 定，一般有以下幾種類型：1）集中供水。全電站的所有機(jī)組的用水設(shè)備，都用一個(gè)或幾個(gè)公共取水設(shè) 備取水，通過全電站公共的供水干管供給各機(jī)組用水。 這種設(shè)備配置集中， 運(yùn)行、 維護(hù)比較方便，適用于中、小型水電站。2) 單元供水。全電站沒有公共的供水干管，

55、每臺(tái)機(jī)組各自設(shè)置獨(dú)立的取、 供水設(shè)備。 這種設(shè)備配置方式適用于大型機(jī)組。 特別對(duì)于水泵供水的大中型水電 站，每臺(tái)機(jī)組各自設(shè)一臺(tái)(套)工作水泵，其特點(diǎn)是：雖然水泵臺(tái)數(shù)可能多些， 但機(jī)組之間互不干擾，可靠性高，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，便于運(yùn)行與維護(hù)。3) 分組供水。機(jī)組臺(tái)數(shù)過多時(shí)，采用集中供水，管道過長可能造成供水不 勻；或管道直徑過大給設(shè)備布置帶來困難。采用單元供水，設(shè)備數(shù)量又過多。此 時(shí)，可以將機(jī)組分成若干組，每組構(gòu)成一個(gè)完整的供水系統(tǒng)。其特點(diǎn)是：既減少 了設(shè)備，又方便了運(yùn)行。3. 技術(shù)供水系統(tǒng)圖系統(tǒng)圖是把主機(jī)與輔機(jī)或輔機(jī)與輔機(jī)之間的關(guān)系及其連接管道和元件， 用規(guī) 定的符號(hào)繪制的示意圖。 系統(tǒng)圖只表示

56、設(shè)備、 官網(wǎng)之間的關(guān)系， 不表示管網(wǎng)和設(shè) 備的尺寸和高程。六 . 排水系統(tǒng)排水系統(tǒng)是水電站輔助設(shè)備中最基本的系統(tǒng)之一。 在水電站， 排水系統(tǒng)是比 較容易發(fā)生事故的部位， 若排水系統(tǒng)不可靠， 就會(huì)引起水淹廠房的重大事故， 嚴(yán) 重威脅水電站的安全和運(yùn)行。排水系統(tǒng)的作用及排水方式水電站排水系統(tǒng)的作用是： 防止廠房部積水和潮濕， 保證機(jī)組過水部件和廠 房水下部分的檢修。水電站的排水包括：生產(chǎn)用水的排水、檢修排水、滲漏排水和廠區(qū)排水。1) 生產(chǎn)用水排水。主要是指技術(shù)供水的排水，特點(diǎn)是流量大，設(shè)備位置較 高，一般都不設(shè)置排水泵，而是靠自流的形式排至下游河道或尾水管。2) 檢修排水。當(dāng)檢修機(jī)組或廠房水下部分的引水建筑物時(shí)，必須將水輪機(jī) 蝸殼、尾水管、引水管道的積水排除。 檢修排水的特點(diǎn)是： 排水量大、 位置較低， 只能采用水泵排水。3) 滲漏排水。機(jī)械設(shè)備的漏水、水輪機(jī)頂蓋與主軸密封的漏水、下部設(shè)備的生產(chǎn)排水、 廠房下部生活用水的排水、 廠房水工建筑物的排水一般采用滲漏排 水。特