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內(nèi)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現(xiàn)水能轉(zhuǎn)化為電能？實現(xiàn)這個過程需要哪些設(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，因此對于具體設(shè)備的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)則不作具體性的闡述，若讀者對這些問題感興趣，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)電過程其實就是一個能量轉(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，使水能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機械能，帶動與

2、水輪機同軸的發(fā)電機發(fā)電，從而實現(xiàn)從水能到電能的轉(zhuǎn)換。發(fā)電機發(fā)出的電再通過輸電線路送往用戶，形成整個水力發(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，當水體經(jīng)由壓力管道流進安裝在水電站廠房內(nèi)的水輪機而排至水電站的下游時，水流帶動水輪機的轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，使得水動能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)的機械能，水輪機帶動同軸的發(fā)電機轉(zhuǎn)子切割磁力線，在發(fā)電機的定子繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當定子繞組與外電路接通時，發(fā)電機就向外供電了。如此，水輪機的選擇機械能就通過發(fā)電機轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?. 水電站的出力和發(fā)電量的計算水電站在某時刻輸出的功率，稱為水電站在該時刻的出力。水電站的理論出力公式如下：上式中的Q為水輪機的引用流量

3、，Hg為水電站上、下游的高程差，稱為水電站的毛水頭。水電站的實際出力公式如下：上式中H稱為水輪機的工作水頭，h為水頭損失；為水輪發(fā)電機組的總效率；K=水電站的出力系數(shù)，對于大中型水電站，K值可取為8.08.5，對于小型水電站，K值一般取為6.58.0。3. 水電站的運行特點目前，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、風力發(fā)電廠、地熱能發(fā)電廠聯(lián)合工作。為了使得各類電廠合理分擔電力系統(tǒng)的負荷，各種類型的電廠在電力系統(tǒng)中承擔著不盡相同的作用。以下圖2-1為電力系統(tǒng)日負荷曲線圖：一般來說，由于火電和核電機組在機組性能上的特點，它們一般在電力系統(tǒng)中主要承擔基荷和腰荷的負荷，而結(jié)合水電

4、機組的特點以及不同的季節(jié)，水電機組在承擔電力負荷上選擇性更為靈活。下面我們先了解一下水電站的運行特點：（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） 水電站的運行費用與實際發(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)，而其運行費用卻基本不會因此而有所增減。因此，應(yīng)當盡量使水電站多發(fā)電，而減少系統(tǒng)中火電廠的發(fā)電量，從而減

5、低火電廠相應(yīng)燃料的消耗，提高整個電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性。（3） 水輪發(fā)電機組操作靈活，啟停迅速，通常只需要幾分鐘就可以啟動或停機，增減負荷十分方便。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)各部門對水電站及其水庫會提出各種綜合利用要求，因而水電站及其水庫的運行調(diào)度方式必然會受到他們的制約。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)水電站適宜全年擔負系統(tǒng)基荷工作，有調(diào)節(jié)水電站在枯水期宜在

6、峰荷工作，隨著來水增多，可從峰荷逐步過渡到擔任豐水期的基荷工作。（2） 為了節(jié)省煤耗或油耗，火電廠宜擔負較為均勻的負荷，所以最好在基荷工作。但在豐水期，水電站還是應(yīng)以全部裝機容量在基荷工作，此時火電廠應(yīng)擔負峰荷，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，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組在高效率區(qū)內(nèi)運行，避免長時期在低水頭、低負荷下運行。（4） 由于核電機組調(diào)節(jié)困難，若過于頻繁地大幅度調(diào)整負荷，核電機組的安全性將受到影響，所以應(yīng)優(yōu)先保證核電機組在基荷位置運行。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

7、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)使水電站運行在峰荷或腰荷位置，以充分發(fā)揮水電機組調(diào)節(jié)能力強、運行靈活的特點。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水口進

8、入水輪機。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）。其特點是：水電站廠房布置在壩后，廠壩之間常用縫分開，上游水壓力全部由壩承擔。3. 壩內(nèi)式水電站壩內(nèi)式水電站是指將廠房布置在攔河壩體內(nèi)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內(nèi)留出一定大小的空腔布置廠房。由于壩內(nèi)式水電站的廠房布置在溢流壩內(nèi)，壩體內(nèi)部的空腔削弱了壩體強度，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電設(shè)備選擇在尺寸上也受到相應(yīng)的限

9、制。另外壩內(nèi)式水電站要特別注意防滲、防潮、通風、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，廠房遠離擋水和進水建筑物，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上，因此稱為引水河岸式水電站。當由于河谷狹窄，岸坡陡峻，或者其它原因，布置地面廠房有困難時，將廠房建在地下的山體內(nèi)，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為是一種特殊類型的水電站。水電機組具備啟停迅速、運行靈活，適宜擔任調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用負荷等特點，而抽水蓄能機組可將水電機組上述特點發(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)

10、，對電力系統(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)電兩個過程，它有上下兩個水庫，一般用壓力管道相連，蓄能電站廠房建在離下水庫不遠的地下山體內(nèi)。在系統(tǒng)負荷低谷時，利用系統(tǒng)多余的電能帶動泵站機組（電動機+水泵）將下庫的水抽到上庫，以水的勢能形式儲存起來；當系統(tǒng)負荷高峰時，將上庫的水放下來推動水輪發(fā)電機組（水輪機+發(fā)電機）發(fā)電，以補充系統(tǒng)中電能的不足。由于抽水蓄能電站較之常規(guī)水電站可運行的工況更多，因此其在對電力系統(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

11、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. 進水建筑物用以從河道或水庫按發(fā)電要求引進發(fā)電流量的引水道首部建筑物，如有壓、無壓進水口等。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

12、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)域內(nèi)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、機械及電氣設(shè)備的綜合體，是水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿纳a(chǎn)場所，也是運行人員進行生產(chǎn)和活動的場所。因此廠房內(nèi)各種機電設(shè)備安裝布置是否合理，廠房內(nèi)的環(huán)境是否良好對于是否便于生產(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

13、根據(jù)設(shè)備布置和運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)電機組及各種輔助設(shè)備的房間成為主廠房，是水電站廠房的主要組成部分。（2） 副廠房。布置各種運行控制設(shè)備和檢修管理設(shè)備的房間，以及運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)電機側(cè)（低壓側(cè)）的配電裝置，通常裝設(shè)在廠房內(nèi)，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

14、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)電機組可分為立式機組和臥式機組，一般大中型的水力發(fā)電機組所采用的都為立式機組，下面所討論的水電廠廠房布置均指立式機組的廠房布置。（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┚褪侵鲝S房的總高度。水輪機軸中心的連線稱為主廠房的

15、縱軸線，與之垂直的機組中心線稱為橫軸線。每臺機組在縱軸線上所占的范圍為一個機組段，各機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范圍，就是主廠房的寬度。發(fā)電機層設(shè)備布置。發(fā)電機層為安放水輪發(fā)電機組及輔助設(shè)備和儀表盤柜的場地，也是運行人員巡回檢查機組、監(jiān)視儀表的場所。如圖4-2所示，發(fā)電機層樓板上一般布置有發(fā)電機上機架、調(diào)速器操作柜、油壓裝置、機旁盤、勵磁盤、橋式吊車等主要設(shè)備以及主閥孔、樓梯、吊物孔等廠內(nèi)交通設(shè)施。水輪機層設(shè)備布置。水輪機層是指發(fā)電機層以下，蝸殼大塊混凝土以上的這部分空間。如圖4-3所示，在水輪機層一般布置有發(fā)電機轉(zhuǎn)子和定子、水輪機頂蓋、調(diào)速器的接力器、水

16、力機械輔助設(shè)備（如油、氣、水管路）、電氣設(shè)備（如發(fā)電機主引出線、中性點接線、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，布置相對簡單。一般布置有進水主閥、蝸殼、供水泵、排水泵、空氣壓縮機等設(shè)備。安裝間的布置。由于大中型水電站的機電部件大而重，因此一般要求對外公路運輸通道能直達安裝間，以便于利用主廠房內(nèi)橋吊裝卸設(shè)備，所以安裝間一般布置在主廠房有對外道路的一側(cè)。如圖4-5所示，安裝間的面積可按一臺機組擴大性檢修的需要確定，一般考慮放置四大部件，即發(fā)電機轉(zhuǎn)子帶軸、發(fā)電機上機架、水輪機轉(zhuǎn)輪、水輪機頂蓋。同時需要考慮橋吊主鉤

17、的工作范圍，預(yù)留運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、繼電保護室、低壓開關(guān)室、通信室及遠動裝置室、直流設(shè)備室、廠用電設(shè)備室、母線室、各種試驗室和車間、辦公室及生活用房等。水電站主要機電設(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、發(fā)電機、變壓器在內(nèi)機電設(shè)備的正常工作。水輪機、發(fā)電機和變壓器統(tǒng)稱為水電站的三大主設(shè)備，而為了保證主設(shè)備完成生產(chǎn)過程，需要對主設(shè)備進行冷

18、卻、潤滑、操作、控制、監(jiān)視等操作。因此，根據(jù)水電站機電設(shè)備的不同功能，可將它們劃分為不同的設(shè)備子系統(tǒng)，以便于理解和學習。但必須明確的是，各個設(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，共同支撐起整個電站的正常運行。下圖是一個水電站廠房各設(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，從而對水電站的生產(chǎn)過程能有一個大體性的認識。一. 水輪機1. 水輪機的類型和應(yīng)用范圍（一） 水輪機的基本類型水輪機是將水能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機械能的水力原動機，是水電站廠房中主要的動力設(shè)備之一，用來帶動發(fā)電機工作

19、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與之相適應(yīng)?，F(xiàn)在水輪機按水能轉(zhuǎn)換的特征分為兩大類，即反擊式水輪機和沖擊式水輪機。1) 反擊式水輪機。轉(zhuǎn)輪利用水流的壓力能和動能做功的水輪機稱為反擊式水輪機。2) 沖擊式水輪機。轉(zhuǎn)輪只利用水流的動能作功的水輪機稱為沖擊式水輪機。上述兩大類的水輪機還可細分為以下具體的轉(zhuǎn)輪型式：（二） 常見水輪機的特點及應(yīng)用范圍常見水輪機的特點及應(yīng)用范圍見下表：轉(zhuǎn)輪型式一般適應(yīng)水頭（m）特點混流式25450結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠、效率高、應(yīng)用水頭范圍廣，一般適用于中高水頭水電站。軸流定槳式350結(jié)構(gòu)簡單

20、，但高效率區(qū)范圍較窄，適用于負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)，因此具有較大范圍的高效率區(qū)，適用于低水頭、大流量和負荷變化較大的水電站。斜流式40200也可實現(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，一般適用于小型水電站。可逆混流式水泵水輪機50700適用于抽水蓄能電站，兼有水輪機和水泵的特點，可實現(xiàn)

21、雙向旋轉(zhuǎn)使得水流方向相反，從而實現(xiàn)水輪機和水泵的功能。（三） 水輪機的工作參數(shù)、型號和公稱直徑水輪機的工作參數(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分為具體的參數(shù)。如水頭有工作水頭、設(shè)計水頭、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)一水輪機的品種規(guī)格，以便提高質(zhì)量、降低造價和便于選擇使用，我國對水輪機產(chǎn)品型號作為規(guī)范化規(guī)定。水輪機產(chǎn)品型號由三部分組成，各部分用一短線分開。水輪機型號排列順序如下：第一部分代表水輪機的型式和轉(zhuǎn)輪型號，水輪機型式用漢語拼音字母表示，轉(zhuǎn)輪型號用該水輪機的比轉(zhuǎn)速

22、表示，用阿拉伯數(shù)字表示。水泵水輪機在型式代號后面加漢語拼音字母“B”。其代號規(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，有兩個漢語拼音字母組成，前者表示水輪機主軸的布置型式，后者表示引水室的結(jié)構(gòu)特征，其代號規(guī)定如表1-2所示。第三部分代表水輪機轉(zhuǎn)輪公稱直徑D1以及其他有關(guān)參數(shù)，用阿拉伯數(shù)字表示，單位為cm。水輪機型號示例如下：1) HL180LJ550：表示混流式水輪機，轉(zhuǎn)輪型號為180，立軸，金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪公稱直徑為550cm。2) ZD760LH120（=+10°）：表示軸流定槳式水輪機，轉(zhuǎn)輪型號為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）

23、角為+10°。3) XLB200LJ300：表示斜流式水泵水輪機，轉(zhuǎn)輪型號為200，立軸，金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪公稱直徑為300cm。2. 立式混流式水輪機構(gòu)成部件的介紹在此僅對立式混流式水輪機的各主要構(gòu)成部件進行簡介，若需了解其他型式的水輪機，請參閱水電專業(yè)書籍。（一） 轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪是水輪機將水流能量轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機械能的核心部件，要求轉(zhuǎn)輪具有良好的水力性能，足夠的強度和剛度。混流式水輪機轉(zhuǎn)輪一般有上冠3、葉片4、下環(huán)7、止漏裝置2和6、泄水錐5和減壓裝置1組成。如圖1-1所示。（二） 導(dǎo)水機構(gòu)導(dǎo)水機構(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)葉傳動機構(gòu)（包括導(dǎo)葉臂、連桿、連接板）和

24、接力器等部件。導(dǎo)水機構(gòu)接力器的工作原理，如圖2-2所示。圖中示出兩個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，當接力器腔體內(nèi)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，達到調(diào)節(jié)水輪機流量的目的。1) 導(dǎo)葉。導(dǎo)葉是導(dǎo)水機構(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，這樣既可以保證強度又可以減少水力損失。導(dǎo)葉一般由導(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、以及傳動機構(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)

25、葉的下軸套。3) 控制環(huán)。是傳遞接力器作用力，并通過傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)動導(dǎo)葉的環(huán)形部件。4) 頂蓋。頂蓋是水輪機的主要部件，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)，是水輪機的主要受力部件，要求有足夠的強度和剛度。（三） 引水部件及泄水部件混流式水輪機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)水機構(gòu)的通流部件。蝸殼是蝸狀的有壓引水室。混流式水輪機應(yīng)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動，另一方面作徑向運動，使得水流均勻軸對稱地進入導(dǎo)水機構(gòu)，故水力損失小，結(jié)構(gòu)緊湊。2)

26、座環(huán)。座環(huán)位于引水部件（蝸殼）與導(dǎo)水機構(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)電機的部分重量、水輪機的軸線水推力、頂蓋的重量級部分混凝土重量，并將其荷載通過立柱傳給下部基礎(chǔ)。同時，座環(huán)也是水輪機的過流部件和水輪機的安裝基準件。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，也是安裝時水輪機轉(zhuǎn)動部分的承重件，埋設(shè)于混凝土中，轉(zhuǎn)輪的下環(huán)在其內(nèi)轉(zhuǎn)動。4) 尾水管。尾水管是水輪機的泄水部件，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

27、和水平擴散段三部分組成。（四） 水輪機其他部件1) 主軸。主軸是水輪機的主要部件之一，它的一端于發(fā)電機連接，另一端接水輪機轉(zhuǎn)輪。它的作用是將水輪機的旋轉(zhuǎn)機械能傳遞給發(fā)電機，從而帶動發(fā)電機轉(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，是水輪機正常工作的重要保護裝置。3) 水輪機導(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。水輪機導(dǎo)軸承的主要作用是承受機組運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)輪運行穩(wěn)定性和可靠性。按潤滑介質(zhì)不同，水輪機

28、導(dǎo)軸承可分為水潤滑和油潤滑兩種。另外水輪機還具有補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)電機及其勵磁系統(tǒng)1. 發(fā)電機的基本知識水電站中的發(fā)電機都為同步電機（以下發(fā)電機均指同步發(fā)電機），它把原動機的旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，通過輸電線路等設(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)電動勢，將導(dǎo)線連成閉合回路，就有電流流過，同步發(fā)電機就是利用電磁感應(yīng)原理將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿?。如圖2-1所示為同步發(fā)電機示意圖。導(dǎo)線放在空心圓筒形鐵芯槽里，鐵芯是固定不動的，稱為定子。磁力線由磁極產(chǎn)生，磁極是轉(zhuǎn)動的，稱為轉(zhuǎn)子。定子和轉(zhuǎn)子是構(gòu)成發(fā)電機的最基本部分。為了得到三相交流電，沿定子鐵芯內(nèi)圓，每

29、相隔120°分別安放著三相繞組AX、BY、CZ，轉(zhuǎn)子上有勵磁繞組（也稱轉(zhuǎn)子繞組）RL。通過電刷和滑環(huán)的滑動接觸，將勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電引入轉(zhuǎn)子勵磁繞組，產(chǎn)生恒穩(wěn)的磁場。當轉(zhuǎn)子被原動機帶動旋轉(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)出電動勢來。感應(yīng)電動勢的方向由右手定則確定。由于導(dǎo)線有時切割N極，有時切割S極，因而感應(yīng)出的是交流電動勢。交流電動勢的頻率f，決定于電機的極對數(shù)p和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n，即：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勢的相位是不同的，依次差120°，相序為A、B、C。當發(fā)電機

30、帶上負荷后，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”。同步電機也由此而得名，它的特點是旋轉(zhuǎn)與頻率間有嚴格的關(guān)系，即：2. 水輪發(fā)電機的類型及基本參數(shù)（一） 水輪發(fā)電機的類型按照水輪發(fā)電機組布置方式，水輪發(fā)電機有立式裝置、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)電機組。立式裝置的水輪發(fā)電機，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)電機的推力軸承位于上部機架上，在轉(zhuǎn)子上方，通過推力頭將機組整個旋轉(zhuǎn)部分的重量懸掛起來，由此而得名。傘式水輪發(fā)電機的推

31、力軸承，裝在轉(zhuǎn)子下方的下部機架上或者裝在位于水輪機頂蓋上推力支架上。根據(jù)水輪發(fā)電機冷卻方式的不同，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)電機中絕大多數(shù)均為封閉自循環(huán)空冷方式。（二） 水輪發(fā)電機的型號水輪發(fā)電機的型號，是其類型和特點的簡明標志。其表示法為：我國水輪發(fā)電機型號部分由漢語拼音組成，表示符號為：SF-立式空冷水輪發(fā)電機；SFS-立式水內(nèi)冷水輪發(fā)電機；SFW-臥式水輪發(fā)電機；SFD-水輪發(fā)電電動機；SFG-貫式水輪發(fā)電機。（三） 水輪發(fā)電機的基本參數(shù)水輪發(fā)電機的基本參數(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

32、、飛逸轉(zhuǎn)速nf、轉(zhuǎn)動慣量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)電機的主要組成部件（一） 定子定子是水輪發(fā)電機的固定部件之一。它主要由機座、鐵芯、繞組以及引出線等其它部件組成。1) 定子機座。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，當交變磁場切割繞組時，便在繞組中產(chǎn)生交變電動勢和交變電流，從而完成水能機械能電能的最終轉(zhuǎn)

33、換。（二） 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是水輪發(fā)電機的旋轉(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，將水輪機產(chǎn)生的機械能轉(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)，運行時由勵磁裝置向集電環(huán)供給直流電。1) 主軸。主軸的主要作用是起到連接發(fā)電機與水輪機，將水輪機的旋轉(zhuǎn)機械能傳遞給發(fā)電機轉(zhuǎn)子，另外主軸還承受由于推力負荷引起的拉應(yīng)力，以及承受單邊磁拉力和轉(zhuǎn)動部分的機械不平衡力。2) 轉(zhuǎn)子支架。大、中型水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子支架式連接主軸和磁軛的中間

34、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)動慣量和固定磁極，同時也是磁路的一部分。4) 磁極。當直流勵磁電流通入磁極線圈后就產(chǎn)生發(fā)電機磁場，因此磁極是產(chǎn)生磁場的部件。（三） 機架機架是水輪發(fā)電機不可缺少的重要部件之一。按照機架所安放的位置不同，一般分為裝在發(fā)電機定子上部的上機架和裝在定子下部的下機架；按照機架的承載情況，可分為負荷機架和非負荷機架；按照機架的支臂結(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)電機組的推力軸承是一種承受整個水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)動部分的重量以及水輪發(fā)電機的軸向水推力的滑動軸承，按液體潤滑理論，在鏡板和推力瓦之間由于鏡板的旋

35、轉(zhuǎn)運動，會建立起厚度為0.1mm左右的油膜，形成良好的潤滑條件，同時經(jīng)推力軸承將這些力傳遞給水輪發(fā)電機的荷重機架。它是水輪發(fā)電機組最重要的組成部件之一，其工作性能的好壞，將直接關(guān)系到機組的安全和穩(wěn)定運行。（五） 導(dǎo)軸承水輪發(fā)電機導(dǎo)軸承的作用是承受機組轉(zhuǎn)動部分的徑向機械不平衡力和電磁不平衡力，維持機組主軸在軸承間隙范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。發(fā)電機導(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)電機具有兩個導(dǎo)軸承，有的發(fā)電機僅具有上導(dǎo)軸承或下導(dǎo)軸承之一。（六） 通風冷卻系統(tǒng)水輪發(fā)電機的冷卻，直接關(guān)系到機組的經(jīng)濟技術(shù)指標、安全運行以及使用年限等問題。目前，國內(nèi)外大、中型水輪發(fā)電機多采用全

36、空冷方式冷卻。采用全空冷方式冷卻，具有制作工藝簡單、運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。（七） 制動器制動器一般位于轉(zhuǎn)子制動環(huán)的下方，中、小型機組一般直接安裝在下支架上，大型發(fā)電機制動器則有獨立的基礎(chǔ)，即在對應(yīng)制動環(huán)的下部設(shè)若干支墩，每個支墩上放置12個制動器。制動器的作用有兩個，一是制動，二是頂轉(zhuǎn)子。機組在停機過程中，為了避免推力軸承因機組長期在低轉(zhuǎn)速下慣性轉(zhuǎn)動而導(dǎo)致油膜被破壞而是瓦面燒損，因此當機組停機過程中轉(zhuǎn)速下降到某個值時，投入制動器強制機組較快停下來，從而保護了推力軸承瓦面。4. 水輪發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)從前面介紹發(fā)電機發(fā)電基本原理時已知道，發(fā)電機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)電動勢的

37、，而轉(zhuǎn)子之所以能產(chǎn)生恒穩(wěn)的電磁場，則是由于勵磁系統(tǒng)向其磁極繞組供給了直流的勵磁電流。由此可知，勵磁系統(tǒng)是指向發(fā)電機轉(zhuǎn)子供給勵磁電流的一系列相關(guān)設(shè)備的統(tǒng)稱。勵磁系統(tǒng)主要包括勵磁變壓器（或者勵磁機）、勵磁開關(guān)、整流橋、勵磁調(diào)節(jié)器、滅磁開關(guān)、啟勵裝置、強勵裝置和欠勵限制器等裝置。勵磁系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)供給轉(zhuǎn)子磁極繞組的勵磁電流的大小，可以達到實現(xiàn)對發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)的目的。當發(fā)電機處于過勵運行狀態(tài)時，發(fā)電機向電網(wǎng)輸出滯后無功功率（輸出電感性無功功率），當發(fā)電機處于欠勵運行狀態(tài)時，發(fā)電機向電網(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)原動機的

38、轉(zhuǎn)矩，也就是調(diào)節(jié)水輪機的進水量，才能調(diào)節(jié)發(fā)電機的有功功率。三. 主變壓器1. 變壓器基本知識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)榱硪环N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，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

39、定電流In、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壓器。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、油浸風冷卻變壓器、油浸強迫油循環(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成部

40、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，低壓繞組在內(nèi)層，這主要是從對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行時，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迫油循環(huán)冷卻來達到散熱目的。強迫油循環(huán)冷卻包括風冷、水冷兩種。（四） 安全保護裝置1) 油枕：容納因變壓器溫度

41、升高二膨脹增加的變壓器油，同時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，內(nèi)部充有吸附劑如硅膠式活性氧化鋁，吸附劑干燥時為藍色，當吸收水分后會逐漸變?yōu)榈t色，此時必須更換或?qū)ζ溥M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，作為變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時，防止油箱內(nèi)產(chǎn)生高壓力的釋放保護。（五） 變壓器的調(diào)壓裝置電力系統(tǒng)正常運行時，必須控制電壓波動范圍，保證電能質(zhì)量。電壓波動范圍一般規(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。雙繞組變壓器只在高壓側(cè)裝設(shè)改變繞組

42、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)計是水電站電氣部分設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)，它對系統(tǒng)運行、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，并長期影響這運行安全和質(zhì)量。在電氣主接線圖中，要標出發(fā)電機、變壓器、斷路器、

43、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、規(guī)范、數(shù)量。繪圖時為了清晰和方便，一般將三相電路繪成單線圖，必要時局部用三線表示。設(shè)計電氣主接線的任務(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、規(guī)格和數(shù)量，并確定其連接方式。（一） 對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)計和運行好壞的重要指標。2) 具有一定的靈活性。3) 盡可能簡單明顯、運行方便，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，并易于實現(xiàn)自動化。4) 在滿足供電可靠性、靈活性及運行方便的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量做到

44、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理。5) 在需要分期建設(shè)和分期投產(chǎn)時，主接線應(yīng)能適應(yīng)這個特點，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、出線就可設(shè)置母線。其優(yōu)點是進、出線回路數(shù)可以增加，缺點是擴大了配電裝置的結(jié)構(gòu)，并增加了故障幾率。無母線的主接線：特點是接線簡單、清晰明顯，運行和操作方便，但進、出線回路數(shù)受到限制。2. 常用主接線的類型特點及其適用范圍在此僅對單母線接線、單母線分段接線、單元及

45、擴大單元接線、多角形接線這幾種接線方式進行介紹，其余未介紹的主接線類型請讀者自行參閱相關(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：簡單明顯，采用設(shè)備少，操作方便，便于擴建，造價低。缺點：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，均需使整個配電裝置停電。適用范圍：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：具有單母線接線簡單清晰、方便經(jīng)濟的優(yōu)點，又在一定程度上提高了供電可靠性。缺點：當一段母線隔離開關(guān)故障或檢修時，該母線上的所有回路都要長時間停電。（三） 單元及擴大單元接線1)

46、單元接線在水電站中，發(fā)電機與變壓器直接連成一個單元，稱為發(fā)電機-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-雙繞組變壓器單元接線和發(fā)電機-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：接線簡單清晰，不設(shè)發(fā)電機電壓母線，發(fā)電機或主變壓器低壓側(cè)故障時短路電流減小，電氣設(shè)備減少，操作簡便和繼電保護簡化。缺點：對于發(fā)電機-變壓器單元接線，當一組單元中某個元件故障或檢修時，整個單元將停止運行。2) 擴大單元接線采用兩臺（或三臺）發(fā)電機與一臺變壓器連接的接線稱為擴大單元接

47、線，如圖4-4所示。優(yōu)點：與單元接線相比，擴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。另外任一機組停機都不會影響自用電的供給。缺點：當變壓器發(fā)生故障或檢修時，該擴大單元的所有發(fā)電機的電能都不能送出。但實際運行經(jīng)驗表明，主變壓器的事故率是很少的，因此，目前運行的水電廠中，廣泛采用擴大單元接線。（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)形接線，每一個回路都經(jīng)兩個斷路器連接，實現(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

48、形接線還具有較大的經(jīng)濟型。優(yōu)點：設(shè)備少，投資??；可靠性和靈活性比較好；占地面積小。缺點：斷路器數(shù)量不能多，即進出線回路數(shù)要受到限制，因為在環(huán)形接線中一臺斷路器檢修時，多角形接線就要開環(huán)運行，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。在正常運行時，用來接通或斷開電路的負荷電流；故障時，用來迅速斷開短路電流，切除故障電路。根據(jù)斷路器的裝設(shè)地點，可分為戶內(nèi)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)

49、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，用隔離開關(guān)來隔離有電和無電部分，形成明顯的斷開點，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，進行倒閘操作，以改變運行方式。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，將一次回路中的大電流、高電壓變?yōu)槎位芈分械男‰娏骱偷碗妷?，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

50、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措施之一。它的主要作用是當雷擊沖擊波沿著線路傳入水電站超過避雷器保護水平時，避雷器首先被擊穿放電，將雷電壓幅值限制在被保護設(shè)備雷電沖擊水平以下，使電氣設(shè)備受到保護。五. 技術(shù)供水系統(tǒng)1. 技術(shù)供水系統(tǒng)的對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)僅對技術(shù)供水系統(tǒng)進行介紹。技術(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)備對供水主要有以下四個方面的要求：水量、水溫、水壓、水質(zhì)。其主要作用是對運行設(shè)備進行冷卻，有時也用來進行潤滑及水壓操作。技術(shù)供水系統(tǒng)的主要供水對象包括：發(fā)電機空氣冷卻器；發(fā)電機推力軸承及導(dǎo)軸承

51、的油冷卻器；水冷式變壓器；水冷式空氣壓縮機；水輪機導(dǎo)軸承的潤滑和冷卻；水輪機主軸密封用水；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)負荷要求的水電廠，但水頭高于40m二采用自流供水方式時要減壓供水。水泵供水適用于高于120m或低于12m的水電廠，當水頭較高時，宜采用自流供水，當水頭不足時，宜采用水泵供水。技

52、術(shù)供水系統(tǒng)的設(shè)備配置方式，根據(jù)機組的單機容量和電站的裝機臺數(shù)確定，一般有以下幾種類型：1) 集中供水。全電站的所有機組的用水設(shè)備，都用一個或幾個公共取水設(shè)備取水，通過全電站公共的供水干管供給各機組用水。這種設(shè)備配置集中，運行、維護比較方便，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，每臺機組各自設(shè)置獨立的取、供水設(shè)備。這種設(shè)備配置方式適用于大型機組。特別對于水泵供水的大中型水電站，每臺機組各自設(shè)一臺（套）工作水泵，其特點是：雖然水泵臺數(shù)可能多些，但機組之間互不干擾，可靠性高，容易實現(xiàn)自動化，便于運行與維護。3) 分組供水。機組臺數(shù)過多時，采用集中供水，管道過長可能造成供水不

53、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，可以將機組分成若干組，每組構(gòu)成一個完整的供水系統(tǒng)。其特點是：既減少了設(shè)備，又方便了運行。3. 技術(shù)供水系統(tǒng)圖系統(tǒng)圖是把主機與輔機或輔機與輔機之間的關(guān)系及其連接管道和元件，用規(guī)定的符號繪制的示意圖。系統(tǒng)圖只表示設(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，就會引起水淹廠房的重大事故，嚴重威脅水電站的安全和運行。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：防止廠房內(nèi)部積水和潮濕，保證機組過水部件和

54、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內(nèi)。2) 檢修排水。當檢修機組或廠房水下部分的引水建筑物時，必須將水輪機蝸殼、尾水管、引水管道內(nèi)的積水排除。檢修排水的特點是：排水量大、位置較低，只能采用水泵排水。3) 滲漏排水。機械設(shè)備的漏水、水輪機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。特點是來水零星且量小，位置較低，一般采用集水井收集，再用水泵排水。水電廠的排水泵一

55、般都采用離心泵、深井泵和潛水泵，高水頭水電廠也有采用射流泵排水的。七. 油系統(tǒng)在水電站中，機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作時，能量的傳遞和機組轉(zhuǎn)動部分的潤滑與散熱，一般都是用油作為介質(zhì)來完成的。油系統(tǒng)是為水電廠用油設(shè)備服務(wù)的。油系統(tǒng)由一整套設(shè)備組成它用來完成用油設(shè)備的給油、排油、添油及凈化處理等工作。水電站的用油大體可分為潤滑油和絕緣油兩大類。其中潤滑油主要種類有透平油、空氣壓縮機油、機械油和潤滑脂等，這當中又以透平油的應(yīng)用最多，其主要作用是潤滑、散熱和對設(shè)備進行操作控制以傳遞能量。絕緣油分為變壓器油、電纜油和開關(guān)油，主要作用是絕緣、散熱和消弧。油系統(tǒng)的用油用戶主要包括推力軸承、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承和

56、調(diào)速器壓油系統(tǒng)，還可能包括機組進水口油壓啟閉機、主閥操作壓力油。八. 壓縮空氣系統(tǒng)1. 壓縮空氣的用途空氣具有極好的可壓縮性，是存儲壓力能的良好介質(zhì)，同時壓縮空氣使用方便，安全可靠，易于儲送，因此在水電站中得到廣泛應(yīng)用。壓縮空氣系統(tǒng)的主要作用如下：1) 供液壓操作油壓裝置壓力油罐用氣；2) 機組停機過程中的制動用氣；3) 水輪發(fā)電機組調(diào)相運行時轉(zhuǎn)輪室壓水用氣；4) 機組、設(shè)備在安裝、檢修中的風動工具及設(shè)備吹掃清污用氣；5) 水輪機主軸檢修圍帶密封充氣、發(fā)電機封閉母線微正壓用氣；6) 蝴蝶閥止水圍帶充氣；7) 前池或壓力管道進口攔污柵處防凍吹冰用氣；8) 大中型機組水輪機強迫補氣；9) 氣動配電

57、裝置中空氣斷路器及氣動隔離開關(guān)操作和滅弧用氣。 水電站的廠內(nèi)壓縮空氣系統(tǒng)，一般設(shè)置兩個氣壓等級，其中，高壓氣系統(tǒng)一般2.5MPa，供壓油裝置等用氣；低壓氣系統(tǒng)一般為0.7MPa，供檢修密封圍帶、制動風閘、調(diào)相壓水和風動工具的用氣。2. 壓縮空氣系統(tǒng)的任務(wù)和組成水電站壓縮空氣系統(tǒng)的任務(wù)，就是及時、可靠地供給用氣設(shè)備所需的氣量，同時滿足用氣設(shè)備對氣壓、清潔和干燥的要求。壓縮空氣系統(tǒng)由四個部分組成：1) 空氣壓縮裝置。包括空氣壓縮機、電動機、儲氣罐和氣水分離器；2) 供氣管網(wǎng)；由干管、支管和管件組成，管網(wǎng)將氣源和用氣設(shè)備聯(lián)系起來，輸送和分配壓縮空氣。3) 測量和控制元件。包括各類型的自動化元件，如壓力繼電器、溫度信號器、電磁閥等。其主要作用是監(jiān)測、控制，保證壓縮空氣氣系統(tǒng)的正常運行。4) 用氣設(shè)備。如壓油裝置的壓力油罐、制動閘、風動工具等。九. 水輪機進水閥1. 進水閥的作用在水電站引水壓力管道末端，水輪機蝸殼之前所設(shè)置的閥門稱為水輪機進水閥。進水閥只有全開和全關(guān)兩種工作位置，不調(diào)節(jié)流量。其作用是：1) 為機