.水力發電原理及水電站概況本課程主要內容為介紹水力發電的基本原理，以及概述性地介紹水電站各組成系統的設備的類型、作用。主要是讓讀者從總體上了解水電站是如何實現水能轉化為電能？實現這個過程需要哪些設備的支撐？這些設備的具體分工是如何的？由于本課程為總體性概述，因此對于具體設備的工作原理和內部結構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性書籍。一.水力發電基本原理及水電站在電力系統中的工作方式1.水力發電基本原理水力發電過程其實就是一個能量轉換的過程。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到低位置的水輪機，使水能轉變為旋轉機械能，帶動與水輪機同軸的發電機發電，從而實現從水能到電能的轉換。發電機發出的電再通過輸電線路送往用戶，形成整個水力發電到用電的過程。如圖1-1所示，高處水庫中的水體具有較大的勢能，當水體經由壓力管道流進安裝在水電站廠房內的水輪機而排至水電站的下游時，水流帶動水輪機的轉輪.旋轉，使得水動能轉變為旋轉的機械能，水輪機帶動同軸的發電機轉子切割磁力線，在發電機的定子繞組上產生感應電動勢，當定子繞組與外電路接通時，發電機就向外供電了。如此，水輪機的選擇機械能就通過發電機轉變為電能。2.水電站的出力和發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：gVHPtggQHgQHkW9.81()gt上式中的Q為水輪機的引用流量，Hg為水電站上、下游的高程差，稱為水電站的毛水頭。水電站的實際出力公式如下：P9.81Q(Hh)9.81QHKQH(kW)g上式中H稱為水輪機的工作水頭，△h為水頭損失；η為水輪發電機組的總效率；K=水電站的出力系數，對于大中型水電站，K值可取為8.0～8.5，對于小型水電站，K值一般取為6.5～8.0。3.水電站的運行特點目前，在我國的電力系統中，主要是火電廠與水電站以及少數的核電廠、風力發電廠、地熱能發電廠聯合工作。為了使得各類電廠合理分擔電力系統的負荷，各種類型的電廠在電力系統中承擔著不盡相同的作用。以下圖2-1為電力系統日曲線圖：.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中主要承擔基荷和腰荷的負荷，而結合水電機組的特點以及不同的季節，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。水電站的出力和發電量受到天然徑流來水量的影響，雖然水庫具有調節徑流的作用，但也只能是在一定程度上小幅度調節（水庫庫容越大，調節的作用就越明顯），導致水電站在枯水季節出力和發電量得不到保證，豐水季節又往往由于庫容不足棄水而導致水能難以利用。（2）水電站的運行費用與實際發出的電量多少無關。建成后的水電站，其發電量的多少主要與其來水徑流量的多少有關，而其運行費用卻基本不會因此而有所增減。因此，應當盡量使水電站多發電，而減少系統中火電廠的發電量，從而減低火電廠相應燃料的消耗，提高整個電力系統的經濟性。（3）水輪發電機組操作靈活，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。因此利用水庫調節，水電站適宜在電力系統中承擔調峰、調頻和事故備用等任務。（4）由于水資源及其水庫具有綜合利用的性質，水利系統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度方式必然會受到他們的制約。4.水電站在系統中工作方式的一般原則決定水電站在系統中的工作方式的原則是盡.量使得電力系統供電的可靠性和經濟型最大化。具體的基本原則有以下幾條：（1）為了充分利用水能，無調節水電站適宜全年擔負系統基荷工作，有調節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任豐水期的基荷工作。（2）為了節省煤耗或油耗，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，水電站還是應以全部裝機容量在基荷工作，此時火電廠應擔負峰荷，雖然單位煤耗有所增加，但可由于水電站減少棄水，從而在總體上節約了煤耗總量，使得電力系統的總成本下降。（3）應盡量使得各水電站機組在高效率區內運行，避免長時期在低水頭、低負荷下運行。（4）由于核電機組調節困難，若過于頻繁地大幅度調整負荷，核電機組的安全性將受到影響，所以應優先保證核電機組在基荷位置運行。根據水電站水庫的調節能力，水電站可分為無調節水電站、日調節水電站、年調節水電站以及多年調節水電站。水庫的調節能力不同，導致水電站在系統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節能力，應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節空間，應使水電站運行在峰荷或腰荷位置，以充分發揮水電機組調節能力強、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，一般不設專門的引水管道，水流直接從廠房上游進水口進入水輪機。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.壩內式水電站壩內式水電站是指將廠房布置在攔河壩體內部，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留出一定大小的空腔布置廠房。由于壩內式水電站的廠房布置在溢流壩內，壩體內部的空腔削弱了壩體強度，并使得壩體應力復雜化。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備選擇在尺寸上也受到相應的限制。另外壩內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，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，適宜擔任調峰、調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揮到極致。抽水蓄能電站不是為了開發水能資源向系統提供電能，而是以水體為貯能介質，對電力系統起到調節作用。抽水蓄能電站包括抽水蓄能和放水發電兩個過程，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。在系統負荷低谷時，利用系統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；當系統負荷高峰時，將上庫的水放下來推動水輪發電機組（水輪機+發電機）發電，以補充系統中電能的不足。由于抽水蓄能電站較之常規水電站可運行的工況更多，因此其在.對電力系統的調節功能上更為靈活。三.水電站建筑物簡介為了控制水流，實現水力發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電要求引進發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，輸送流量到水輪發電機組或將發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由于水電站負荷變化在引水或尾水系統中引起的流量及壓力的變化，保證水電站調節穩定的建筑物，如有壓引水式水電站的調壓塔或調壓井，無壓引水式水電站渠道末端的壓力前池。6.廠區樞紐建筑物水電站廠區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域內形成廠區。廠區是發電、變電、配電的中心，是電能生產的中樞。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、機械及電氣設備的綜合體，是水能轉變為電能的生產場所，也是運行人員進行生產和活動的場所。因此廠房內各種機電設備安裝布置是否合理，廠房內的環境是否良好對于是否于便生產人員開展工作，生產人員工作狀態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設備布置和運行要求的空間可劃分為以下幾大區域：（1）主廠房。用來安裝水輪發電機組及各種輔助設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備和檢修管理設備的房間，以及運行管理人員工作和生活的用房，統稱為副廠房。（3）主變壓器場。安裝升壓變壓器的地方成為主變壓器場。水電站發出的電能經變壓器升壓后，再經輸電線路送給用戶。（4）開關站。安裝高壓配電裝置的地方成為開關站。發電機側（低壓側）的配電裝置，通常裝設在廠房內，而其高壓側的配電裝置一般在戶外，稱為高壓開關站。開關站裝設高壓開關、高壓母線和保護裝置，高壓輸電線由此將電能送給電網和用戶。水電站主廠房、副廠房、主變壓器場和高壓開關站以及廠區交通等，組成水電站廠區樞紐建筑物，一般稱為廠區樞紐。廠區是完成發電、變電和配電的主體。2.水電廠廠房的布置根據大軸布置方向的不同，水輪發電機組可分為立式機組和臥式機組，一般大中型的水力發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）主廠房設備的布置水電廠主廠房是安裝水輪發電機組及其輔助設備的場所，根據設備布置的需要通常在高度方向上分為數層，如圖4-1所示。通常以發電機層樓板高程為界，.將主廠房分為上部結構和下部結構兩部分。上下部結構高度之和（即由尾水管基底至屋頂的高度）就是主廠房的總高度。水輪機軸中心的連線稱為主廠房的縱軸線，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。發電機層設備布置。發電機層為安放水輪發電機組及輔助設備和儀表盤柜的.場地，也是運行人員巡回檢查機組、監視儀表的場所。如圖4-2所示，發電機層樓板上一般布置有發電機上機架、調速器操作柜、油壓裝置、機旁盤、勵磁盤、橋式吊車等主要設備以及主閥孔、樓梯、吊物孔等廠內交通設施。水輪機層設備布置。水輪機層是指發電機層以下，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電機轉子和定子、水輪機頂蓋、調速器的接力器、水力機械輔助設備（如油、氣、水管路）、電氣設備（如發電機主引出線、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橋吊裝卸設備，所以安裝間一般.布置在主廠房有對外道路的一側。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，即發電機轉子帶軸、發電機上機架、水輪機轉輪、水輪機頂蓋。同時需要考慮橋吊主鉤的工作范圍，預留運輸通道和工作人員工作空間等其它相關因素。（二）副廠房設備的布置副廠房的位置應緊靠主廠房，基本上布置在主廠房的上游側、下游側或端面，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、低壓開關室、通信室及遠動裝置室、直流設備室、廠用電設備室、各種試驗室和車間、辦公室及生活用房等。.水電站主要機電設備系統簡介水電站完成將水勢能轉化為電能的過程，除了需要形成集中水頭、引導水流的水工建筑物外，還需要包括水輪機、發電機、變壓器在內機電設備的正常工作。水輪機、發電機和變壓器統稱為水電站的三大主設備，而為了保證主設備完成生產過程，需要對主設備進行冷卻、潤滑、操作、控制、監視等操作。因此，根據水電站機電設備的不同功能，可將它們劃分為不同的設備子系統，以便于理解和學習。但必須明確的是，各個設備子系統之間并不是完全分割的，它們之間存在著相互關聯、相互影響、相互配合的關系，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備系統主或要設備之間關系的簡圖。.下面我們將分系統介紹水電站的主要機電設備，以使得大家能從總體上了解水電站主要設備的組成，從而對水電站的生產過程能有一個大體性的認識。一.水輪機1.水輪機的類型和應用范圍（一）水輪機的基本類型.水輪機是將水能轉化為旋轉機械能的水力原動機，是水電站廠房中主要的動力設備之一，用來帶動發電機工作以獲取電能。由于河流的自然條件和水電站的開發方式不同，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。現在水輪機按水能轉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輪型式：（二）常見水輪機的特點及應用范圍常見水輪機的特點及應用范圍見下表：一般適應水轉輪型式特點頭（m）.結構簡單，運行可靠、效率高、應用水頭范圍廣，一般適用于中高水頭水電站。混流式25～4503～50結構簡單，但高效率區范圍較窄，適用于負荷及水頭邊幅較小的水電站。軸流定槳式結構較為復雜，由于導葉和槳頁能雙重調節，因此具有較大范圍的高效率區，適用于低水頭、大流量和負荷變化較大的水電站。軸流轉槳式2～88也可實現導葉和轉輪葉片雙重調節，具有較寬斜流式貫流式40～200的高效率區，但結構復雜，造價較高，一般用于大、中型水電站。一般具有較高的效率，適用于低水頭、大流量2～30的河床式水電站。水斗式斜擊式40～2000適用于高水頭、小流量的水電站。25～300一般適用于中小型水電站。結構簡單，制造方便，但效率低，一般適用于雙擊式5～150小型水電站。適用于抽水蓄能電站，兼有水輪機和水泵的特50～700點，可實現雙向旋轉使得水流方向相反，從而實現水輪機和水泵的功能。可逆混流式水泵水輪機（三）水輪機的工作參數、型號和公稱直徑水輪機的工作參數主要有水頭、流量、轉速、功率與效率。每一種參數根據.具體的應用概念的不同還可以細分為具體的參數。如水頭有工作水頭、設計水頭、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作解釋，有興趣的讀者可以參閱專業的書籍。為了統一水輪機的品種規格，以便提高質量、降低造價和便于選擇使用，我國對水輪機產品型號作為規范化規定。水輪機產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輪型號，水輪機型式用漢語拼音字母表示，轉輪型號用該水輪機的比轉速表示，用阿拉伯數字表示。水泵水輪機在型式代號后面加漢語拼音字母“B”。其代號規定如表1-1所示。第二部分代表主軸布置形式和結構特征，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構特征，其代號規定如表1-2所示。第三部分代表水輪機轉輪公稱直徑D1以及其他有關參數，用阿拉伯數字表示，單位為cm。水輪機型號示例如下：.1)HL180—LJ—550：表示混流式水輪機，轉輪型號為180，立軸，金屬蝸殼，轉輪公稱直徑為550cm。2)ZD760—LH—120（φ=+10°）：表示軸流定槳式水輪機，轉輪型號為760，立軸，混凝土蝸殼，轉輪公稱直徑120cm，轉輪葉片裝置（安裝）角為+10°。3)XLB200—LJ—300：表示斜流式水泵水輪機，轉輪型號為200，立軸，金屬蝸殼，轉輪公稱直徑為300cm。2.立式混流式水輪機構成部件的介紹在此僅對立式混流式水輪機的各主要構成部件進行簡介，若需了解其他型式的水輪機，請參閱水電專業書籍。（一）轉輪轉輪是水輪機將水流能量轉變為旋轉機械能的核心部件，要求轉輪具有良好的水力性能，足夠的強度和剛度。混流式水輪機轉輪一般有上冠3、葉片4、下環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）導水機構導水機構的主要組成部分包括頂蓋、底環、控制環、導葉、導葉套筒、導葉傳動機構（包括導葉臂、連桿、連接）板和接力器等部件。導水機構接力器的工作原理，如圖2-2所示。圖中示出兩個直缸式接力器的工作情況，圖示所在位置是導葉正處于中間開度，當接力器腔體內接受調速器系.統送來的壓力油后，便可控接力器的推拉桿，改變導葉的開度，達到調節水輪機流量的目的。1)導葉。導葉是導水機構的主要組成部件，均勻分布于轉輪的外圍、底環和頂蓋之間。導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。導葉一般由導葉體和導葉軸組成。另外還有導葉軸套和相應密封、以及傳動機構作為導葉的附件支撐導葉的正常工作。2)底環。是一個扁平的環形部件，位于導葉的下方，安裝在座環或基礎環上，它與頂蓋形成流道，并用來安裝導葉的下軸套。3)控制環。是傳遞接力器作用力，并通過傳動機構轉動導葉的環形部件。4)頂蓋。頂蓋是水輪機的主要部件，在頂蓋的導葉軸孔中裝有導葉套筒，頂蓋上平面的支持環支撐著控制環，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、座環和基礎環組成。1)金屬蝸殼。引水室是將水引入導水機構的通流部件。蝸殼是蝸狀的有壓引水室。混流式水輪機應用于中高水頭電站（一般H≥40m），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水機構，故水力損失小，結構緊湊。2)座環。座環位于引水部件（蝸殼）與導水機構之間，由上環、下環和中間若干流線形立柱（也稱固定導葉）組成。其作用是承受水輪發電機的部分重量、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。同時，座環也是水輪機的過流部件和水輪機的安裝基準件。3)基礎環。基礎環是連接底環和尾水管錐管，并在安裝、大修中用于承放轉輪的基礎部件，也是安裝時水輪機轉動部分的承重件，埋設于混凝土中，轉輪的下環在其內轉動。4)尾水管。尾水管是水輪機的泄水部件，其作用是將轉輪出口的水流平順地引向下游，回收轉輪出口處水流的動能并利用轉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，它的一端于發電機連接，另一端接水輪機轉輪。它的作用是將水輪機的旋轉機械能傳遞給發電機，從而帶動發電機轉子旋轉。此外，主軸還承受轉輪軸向水推力和轉動部件的重量。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)水輪機導軸承。導軸承是保持主軸中心位置，并承受徑向力的軸承。水輪機導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。導軸承在結構布置上應盡量靠近轉輪，以縮短轉輪至軸承距離，保證主軸和轉輪運行穩定性和可靠性。按潤滑介質不同，水輪機導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.發電機及其勵磁系統1.發電機的基本知識水電站中的發電機都為同步電機（以下發電機均指同步發電機），它把原動機的旋轉機械能轉變為電能，通過輸電線路等設備送往用戶。眾所周知，導線切割磁力線能產生感應電動勢，將導線連成閉合回路，就有電流流過，同步發電機就是利用電磁感應原理將機械能轉變為電能的。如圖2-1所示為同步發電機示意圖。導線放在空心圓筒形鐵芯槽里，鐵芯是固定不動的，稱為定子。磁力線由磁極產生，磁極是轉動的，稱為轉子。定子和轉子是構成發電機的最基本部分。為了得到三相交流電，沿定子鐵芯內圓，每相.隔120°分別安放著三相繞組A—X、B—Y、C—Z，轉子上有勵磁繞組（也稱轉子繞組）R—L。通過電刷和滑環的滑動接觸，將勵磁系統產生的直流電引入轉子勵磁繞組，產生恒穩的磁場。當轉子被原動機帶動旋轉后，定子繞組（也稱電樞繞組）不斷切割磁力線，就在其中感應出電動勢來。感應電動勢的方向由右手定則確定。由于導線有時切割N極，有時切割S極，因而感應出的是交流電動勢。交流電動勢的頻率f，決定于電機的極對數p和轉子轉速n，即：pnf(Hz)60上式中，n的單位為r/min。轉子不停地旋轉，A、B、C三相繞組先后切割轉子磁場的磁力線，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。當發電機帶上負荷后，三相定子繞組中的定子電流（電樞電流），將合成產生一個旋轉磁場。該磁場于轉子以同速度、同方向旋轉，這就叫“同步”。同步電機也由此而得名，它的特點是旋轉與頻率間有嚴格的關系，即：n60fp2.水輪發電機的類型及基本參數（一）水輪發電機的類型按照水輪發電機組布置方式，水輪發電機有立式裝置、臥式裝置和斜式裝置三種。其中絕大數水輪發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電機組。立式裝置的水輪發電機，按其推力軸承的裝設位置不同，分為懸式和傘式兩.大類。懸式水輪發電機的推力軸承位于上部機架上，在轉子上方，通過推力頭將機組整個旋轉部分的重量懸掛起來，由此而得名。傘式水輪發電機的推力軸承，裝在轉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。根據水輪發電機冷卻方式的不同，可分為空冷式、水冷式、水空冷式以及蒸發冷卻等方式。國產大、中型水輪發電機中絕大多數均為封閉自循環空冷方式。（二）水輪發電機的型號水輪發電機的型號，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----立式空冷水輪發電機；SFS----立式水內冷水輪發電機；SFW----臥式水輪發電機；SFD----水輪發電—電動機；SFG----貫式水輪發電機。（三）水輪發電機的基本參數水輪發電機的基本參數，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cosφn、額定轉速nn、飛逸轉速nf、轉動慣量J、效率η、電抗Xd以及短路比Kd等。以上基本參數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的專業書籍。3.水輪發電機的主要組成部件（一）定子定子是水輪發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→電能的最終轉換。（二）轉子轉子是水輪發電機的旋轉部件，位于定子里面，與定子之間保持一定的空氣間隙。轉子通過主軸與下面的水輪機連接。它的作用是產生磁場并通過與定子相互作用，將水輪機產生的機械能轉換為電能，由定子繞組輸出。它由主軸、轉子支架、磁軛和磁極等部分組成。磁極是顯露的（凸極結構）、首尾兩磁極與轉子引線相連接，轉子引線接至集電環，運行時由勵磁裝置向集電環供給直流電。1)主軸。主軸的主要作用是起到連接發電機與水輪機，將水輪機的旋轉機械能傳遞給發電機轉子，另外主軸還承受由于推力負荷引起的拉應力，以及承受單邊磁拉力和轉動部分的機械不平衡力。2)轉子支架。大、中型水輪發電機的轉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矩的作用3)磁軛。磁軛也叫輪環。它的作用是產生轉動慣量和固定磁極，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生發電機磁場，因此磁極是產生磁場的部件。（三）機架機架是水輪發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；按照機架的支臂結構型式可分為輻射型、井字型和橋型等。（四）推力軸承水輪發電機組的推力軸承是一種承受整個水輪發電機組轉動部分的重量以及水輪發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轉運動，會建立起厚度為0.1mm油膜，形成良好的潤滑條件，同時經推力軸承將這些力傳遞給水輪發電機的荷重機架。它是水輪發電機組最重要的組成部件之一，其工作性能的好壞，將直接關系到機組的安全和穩定運行。（五）導軸承水輪發電機導軸承的作用是承受機組轉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穩定運行。發電機導軸承根據安裝位置是在轉子上方還是下方可分為上導軸承和下導軸承，有的發電機具有兩個導軸承，有的發電機僅具有上導軸承或下導軸承之一。.（六）通風冷卻系統水輪發電機的冷卻，直接關系到機組的經濟技術指標、安全運行以及使用年限等問題。目前，國內外大、中型水輪發電機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、運行穩定可靠等優點。（七）制動器制動器一般位于轉子制動環的下方，中、小型機組一般直接安裝在下支架上，大型發電機制動器則有獨立的基礎，即在對應制動環的下部設若干支墩，每個支墩上放置1～2個制動器。制動器的作用有兩個，一是制動，二是頂轉子。機組在停機過程中，為了避免推力軸承因機組長期在低轉速下慣性轉動而導致油膜被破壞而是瓦面燒損，因此當機組停機過程中轉速下降到某個值時，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.水輪發電機的勵磁系統從前面介紹發電機發電基本原理時已知道，發電機是通過定子切割由轉子產生的恒穩旋轉磁場而產生感應電動勢的，而轉子之所以能產生恒穩的電磁場，則是由于勵磁系統向其磁極繞組供給了直流的勵磁電流。由此可知，勵磁系統是指向發電機轉子供給勵磁電流的一系列相關設備的統稱。勵磁系統主要包括勵磁變壓器（或者勵磁機）、勵磁開關、整流橋、勵磁調節器、滅磁開關、啟勵裝置、強勵裝置和欠勵限制器等裝置。勵磁系統通過調節供給轉子磁極繞組的勵磁電流的大小，可以達到實現對發電機無功功率調節的目的。當發電機處于過勵運行狀態時，發電機向電網輸出滯后無功功率（輸出電感性無功功率），當發電機處于欠勵運行狀態時，發電機向.電網吸收滯后無功功率（輸出電容性無功功率）。需要說明的是調節勵磁電流只能調節無功功率，不能改變有功功率。只有調節原動機的轉矩，也就是調節水輪機的進水量，才能調節發電機的有功功率。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，把一種交流電的電壓和電流，變為另一種或幾種頻率相同但數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降壓變壓器，將電壓降到用戶所需的數值，以供使用。變壓器型號表示方式如下：.變壓器的主要參數包括有：額定容量Sn、額定電壓Un、額定電流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的專業書籍。2.變壓器的分類按繞組數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、油浸強迫油循環變壓器、干式變壓器和充氣式變壓器。3.變壓器的基本結構目前，主變壓器大多數為油浸式變壓器，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。其基本結構組成部分如下：（一）鐵芯鐵芯是變壓器最基本的組成部分之一，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。為了減低鐵芯的發熱損耗，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生熱量，這些熱量依靠變壓器油不間斷的循環二散發出來。大型變壓器一般采用強迫油循環冷卻來達到散熱目的。強迫油循環冷卻包括風冷、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為淡紅色，此時必須更換或對其進行干燥。3)防爆管（安全通道）：防爆管安裝在電力變壓器的油箱蓋上，作為變壓器內部發生故障時，防止油箱內產生高壓力的釋放保護。（五）變壓器的調壓裝置電力系統正常運行時，必須控制電壓波動范圍，保證電能質量。電壓波動范圍一般規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的調壓方式。雙繞組變壓器只在高壓側裝設改變繞組有效匝數的.分接開關。三繞組變壓器在高、中壓側分別裝設改變繞組有效匝數的分接開關。按照調壓方式，變壓器調壓可分為無載調壓和有載調壓兩種。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備根據它們的作用，按照連接順序，用規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系。電氣主接線的設計是水電站電氣部分設計中的一個重要環節，它對系統運行、電氣設備的選擇和廠房、開關布置等都起到決定性的作用，并長期影響這運行安全和質量。在電氣主接線圖中，要標出發電機、變壓器、斷路器、電壓互感器、電流互感器和避雷器等設備及載流導體的型號、規范、數量。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。設計電氣主接線的任務，主要是選擇主變壓器、斷路器以及互感器和避雷器、載流導體等的型號、規格和數量，并確定其連接方式。（一）對電氣主接線的基本要求1)根據系統與用戶的要求，保證必要的供電可靠性和電能質量。特別是供電可靠性問題，始終是電氣主接線設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，并易于實現自動化。4)在滿足供電可靠性、靈活性及運行方便的基礎上，應盡量做到技術先進、經濟合理。5)在需要分期建設和分期投產時，主接線應能適應這個特點，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、出線就可設置母線。其優點是進、出線回路數可以增加，缺點是擴大了配電裝置的結構，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專業書籍。（一）單母線接線.接線方式如圖4-1所示：優點：簡單明顯，采用設備少，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：優點：具有單母線接線簡單清晰、方便經濟的優點，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)單元接線在水電站中，發電機與變壓器直接連成一個單元，稱為發電機----變壓器單元接線（簡稱單元接線），這種接線應用在將發電機發出的全部電能以升高電壓（35kV以上）輸入電網的水電廠中，由于采用的變壓器不同，單元接線又可分為.發電機----雙繞組變壓器單元接線和發電機----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：優點：接線簡單清晰，不設發電機電壓母線，發電機或主變壓器低壓側故障時短路電流減小，電氣設備減少，操作簡便和繼電保護簡化。缺點：對于發電機----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）發電機與一臺變壓器連接的接線稱為擴大單元接線，如圖4-4所示。優點：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的斷路器的數量，減少了高壓側連接回路數，從而簡化了高壓側接線。另外任一機組停機都不會影響自用電的供給。缺點：當變壓器發生故障或檢修時，該擴大單元的所有發電機的電能都不能送出。但實際運行經驗表明，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狀，是一種單環形接線，每一個回路都經兩個斷路器連接，實現了雙重連接的原則，在角數不多的情況下，具有較高的可靠性和靈活性。而且由于斷路器的數量較少，利用的也最有效，所以，多角形接線還具有較大的經濟型。優點：設備少，投資省；可靠性和靈活性比較好；占地面積小。缺點：斷路器數量不能多，即進出線回路數要受到限制，因為在環形接線中一臺斷路器檢修時，多角形接線就要開環運行，故降低了安全可靠性。3.主接線上常見的電氣設備簡介（一）高壓斷路器在發電廠和變電所中，高壓斷路器是指1000V以上電路中的主要設備。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。根據斷路器的裝設地點，可分為戶內和戶外兩種；根據斷路器使用的滅弧介質，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）隔離開關隔離開關室高壓開關設備的一種。在結構上，隔離開關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。隔離開關的主要作用包括：1)設備檢修時，用隔離開關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備的安全。2)