水電廠設備的組成、結構和基本原理

2017目錄/Contents01020304水機設備組成及用途電氣設備組成及基本原理輔助設備組成及作用水電站基本類型01水電站基本類型河床式水電站水電站基本類型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。壩后式水電站水電站基本類型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。壩內式水電站水電站基本類型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。引水式水電站水電站基本類型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。抽水蓄能電站水電站基本類型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。02水機設備組成及用途水機設備組成及用途水輪機調速器水機設備組成主閥水輪機的類型和應用范圍1水輪機水輪機的基本類型、常見水輪機的特點和應用范圍、水輪機參數和型號立式混流式水輪機構成部件的介紹轉輪、導水機構、引水機構、泄水部件及其他部件水機設備組成及用途

水輪機按工作原理分為兩大類，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。水機機的基本類型常見水輪機的特點及應用范圍轉輪型式一般適應水頭（m）特點混流式25～450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。軸流定槳式3～50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。軸流轉槳式2～88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。斜流式40～200也可實現導葉和轉輪葉片雙重調節，具有較寬的高效率區，但結構復雜，造價較高，一般用于大、中型水電站。貫流式2～30一般具有較高的效率，適用于低水頭、大流量的河床式水電站。水斗式40～2000適用于高水頭、小流量的水電站。斜擊式25～300一般適用于中小型水電站。雙擊式5～150結構簡單，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50～700適用于抽水蓄能電站，兼有水輪機和水泵的特點，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。

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：水輪機的型號的含義例：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。

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。立式混流式水輪機構成部件——轉輪

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。立式混流式水輪機構成部件——導水機構控制環導葉連桿活動導葉導葉套筒頂蓋底環作用：調節通過機組過流系統的水的流量，達到控制機組轉速的目的。

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。水輪機的泄水部件主要由尾水管、泄水錐組成。立式混流式水輪機構成部件——引水部件及泄水部件引水部件作用：以較小的水力損失把水流均勻地、對稱地引入導水部件，并在進入導葉前形成一定的環量。泄水部件作用：引導水流進入下游，尾水管同時還在轉輪后形成真空，利用轉輪出口到下游尾水之間的位能，恢復轉輪出口處的部分動能損失，以提高效率。

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。立式混流式水輪機構成部件——其他部件主軸密封。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。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。轉子連接法蘭推力軸承配合面水導軸承配合面缸體連接法蘭另外水輪機還具有補氣裝置和真空破壞閥等部件。水輪機的進水蝶閥系統2進水閥系統的構成、用途與特點、主要組成部分說明液壓系統液壓系統的構成、部分元器件原理水機設備組成及用途水輪機進水蝶閥系統——系統的構成

當機組甩負荷又恰逢調速器發生故障不能動作時，進水閥可以在動水情況下關閉，切斷水流，防止機組過速的時間超過允許值，避免事故擴大。檢修水輪機時，用以截斷水流。當機組長時間停機時，關閉進水閥，可大幅度減少導葉漏水量。當機組暫時停運時，不需關閉引水管進水閘門，只需關閉進水閥，以便引水管保持充水，使機組能快速啟動。當電站由一根總引水管引水，同時供給幾臺機組發電時，如果其中一臺機組需要檢修，這時只需關閉該機的進水閥，而不會影響其他機組的正常運行。水輪機進水蝶閥系統——用途與特點用途特點

閥門在全關位置設有液壓鎖錠裝置和機械鎖錠裝置，防止檢修水輪機時因誤操作閥門發生意外事故；閥門全開到位后主接力器采用保壓措施，保壓電磁球閥動作提供液壓持住力保證蝶閥處在全開位置。

控制系統以PLC（可編程控制器）為核心。可就地操作進水閥、旁通閥的開和關，也可由中控室對整個進水閥系統進行自動控制。水輪機進水蝶閥系統——主要組成部分說明進水閥主體水輪機進水蝶閥系統——主要組成部分說明旁通閥在主閥開啟前，上游壓力水通過旁通管路向蝸殼充水平壓。正常工作時，檢修閥處于常開狀態，當旁通系統檢修時，檢修閥處于關閉狀態。排氣閥當開啟或關閉主閥時，空氣閥自動對管路進行排氣或補氣。正常工作時，檢修閥處于常開狀態，檢修空氣閥時，檢修閥處于關閉狀態。平壓檢測裝置當閥門開啟時，差壓控制器用來檢測上下游的壓力差，將其開關量信號傳至控制柜，并入閥門的開關程序中。水輪機進水蝶閥系統——工作程序水輪機進水蝶閥液壓系統——構成水輪機進水蝶閥液壓系統——蓄能器工作原理：囊內裝氮氣，囊外充液壓油。當油泵將液壓油壓入蓄能器殼體4內時皮囊就受壓變形，氣體體積隨壓力增加而減少。液壓油被逐漸儲存。若液壓系統工作需要液壓油時，則蓄能器將液壓油排出。充氣步驟：蓄能器上面孔充氮氣，先打開上蓋1，然后把充氮工具的出口接頭裝在充氣閥2上，把充氮工具的進口接頭裝在氮氣瓶上，打開氮氣瓶上的截止閥，氮氣就進入蓄能器皮囊3內，充氮壓力8~9MPa，用充氮工具或充氮小車充入，蓄能器下面孔進液壓油。水輪機調速器系統3調速器系統的構成、用途與特點、主要組成部分說明油壓裝置系統液壓系統的構成、部分元器件原理水機設備組成及用途水輪機調速器系統——調速器水輪機調節的定義：隨著電力系統負荷變化，水輪機相應地改變導葉開度，使水輪機組轉速維持在某一預定值，或按某一預定的規律變化，這一過程稱為水輪機調節調節實質：調節轉速水輪機調節所用的調節裝置稱為水輪機調速器。水輪機+導水機構+調速器——水輪機自動調節系統調節流量Q的途徑：反擊式：通過改變導葉開度，同時改變槳葉片轉角。沖擊式：通過改變噴嘴開度。水輪機調節的作用：能自動調節水輪發電機組的轉速，使其保持在額定轉速允許偏差內運轉，以滿足電網對頻率質量的要求。能使水輪發電機組自動或手動快速啟動，適應電網負荷的增減，正常停機或緊急停機的需要。當水輪發電機組在電力系統中并列運行時，調速器能自動承擔預定的負荷分配，使各機組能實現經濟運行。水輪機調速器系統——調速器基本組成1）測量元件。在調速器中主要是測量機組轉速。微調中以硬、軟件結合進行數字測頻。2)綜合元件。將測頻元件、反饋元件送來的信號加以綜合，并將綜合后的信號作為調節信號送給放大元件。微調中是由軟件來控制。3)

放大元件。將綜合元件送來的調節信號加以放大，以操作執行元件。微調中由電路與液壓部分聯合完成。4)執行元件。根據放大后的調節信號，操作導水機構，改變導葉開度。執行元件一般均指水輪機接力器。5)

反饋元件。用于保證調節的適度性和穩定性。微調中均采用位移傳感器完成信號反饋。水輪機調速器系統——調速器壓油裝置03電氣設備組成及基本原理電氣設備水輪發電機主變壓器配電裝置廠用電系統電氣設備組成及基本原理1發電機發電機基本原理發電機主要部件及原理水機設備組成及用途水輪發電機——工作原理

水輪發電機是指以水輪機為原動機將水能轉化為電能的發電機。水流經過水輪機時，將水能轉換成機械能，水輪機的轉軸又帶動發電機的轉子，將機械能轉換成電能而輸出。是水電站生產電能的主要動力設備。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。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，這就叫同步發電機。水電站中的發電機都是同步發電機。發電機原理水輪發電機——主要組成部件定子定子鐵芯定子繞組引出線定子機座空冷器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。水輪發電機——主要組成部件轉子轉子支架磁軛磁極裝配頂軸集電環組件轉子引線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。水輪發電機——主要組成部件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左右的油膜，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。推力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。導軸承制動器水輪發電機——軸流式基礎尾水管泄水錐輪葉轉輪體轉輪室底環蝸殼座環導葉支持蓋頂蓋導葉操作機構受油器永磁機上機架上擋風板定子轉子下擋風板推力軸承下風罩推力支架柱段推力支架錐段空冷器水輪發電機——燈泡貫流式2主變壓器主變壓器基本原理主變壓器主要部件及原理水機設備組成及用途主變壓器——工作原理

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。①升壓變壓器。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。②降壓變壓器。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。③隔離變壓器。隔離變壓器通常是電壓1：1的變壓器，變壓器不起變壓作用，在電路中只有磁的聯系，沒有電的直接聯系，起到隔離作用。隔離變壓器的主要用途和作用有：1）抗干擾作用：如通過Y/△接線的隔離變壓器后，能夠阻止一部分諧波的傳輸；2）阻抗變換作用：增加系統阻抗，使保護裝置等容易配合；3）穩定系統電壓的作用：如啟動大負荷設備時，減少對系統電壓的影響；4）防止系統接地的作用：當隔離變壓器負荷側發生單相接地時，不會造成整個系統（隔離變壓器以上部分）單相接地；5）降低短路電流：當負荷側發生短路事故時，限制系統的短路電流；變壓器作用主變壓器——參數參數及型號

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、接線組別例：六三五電站主變型號為：SF9-20000/110主變壓器——主要組成部件主要組成部件主變壓器——主要組成部件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。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。繞組變壓器運行時，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。冷卻裝置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。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。主變壓器——主要組成部件安全保護裝置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）瓦斯繼電器（又稱氣體繼電器）是變壓器所用的一種保護裝置，裝在變壓器的油枕和油箱之間的管道內，利用變壓器內部故障而使油分解產生氣體或造成油流涌動時，使氣體繼電器的接點動作，接通指定的控制回路，并及時發出信號告警（輕瓦斯）或啟動保護元件自動切除變壓器（重瓦斯）。4）壓力釋放閥：當油浸式變壓器在運行中出現故障時，由于線圈過熱，使一部分變壓器油汽化，變壓器油箱中壓力迅速增加，這時壓力釋放閥在2ms內迅速動作，保護油箱不致變形或爆裂。油箱內的壓力再升高而達到開啟壓力時，壓力釋放閥就再次動作，直到油箱內的壓力降到正常值。由于壓力釋放閥動作后能可靠關閉，油箱外的水和空氣不能進入油箱，變壓器內部不會受大氣污染。3配電裝置配電裝置概念配電裝置作用水機設備組成及用途配電裝置概念概念操作配電裝置是接受電力和分配電力的電氣設備。它包括開關柜、斷路器、隔離開關、互感器、電纜、母線、過電壓保護裝置、瓷瓶套管等。a）停電操作：應先斷開斷路器（遠方或就地），再拉開負荷側隔離開關，最后拉開電源側隔離開關，做好安全措施；b）送電操作：拆除安全措施后，先合上電源側隔離開關，再合上負荷側隔離開關，最后合上斷路器（遠方或就地）。配電裝置簡介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。隔離開關是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)隔離開關和斷路器相配合，進行倒閘操作，以改變運行方式。可用來斷開小電流電路和旁路電流。隔離開關禁止用隔離開關進行下列操作：——斷路器在合閘位置帶負荷拉、合隔離開關；——無并列斷路器的情況下，帶電倒母線或給另一母線充電；——接有消弧線圈的變壓器中性點，當系統接地時，拉合消弧線圈刀閘。5.3.3.5允許用刀閘進行的操作：——拉、合無故障的電壓互感器、避雷器；——拉、合無故障的各級空載母線及直接連接在母線上的設備的電容電流；——拉、合變壓器中性點接地刀閘，但電網系統有接地故障時禁止操作；——與開關并聯的刀閘，當開關合上時，可以拉、合開關的旁路電流（必須先切斷開關的操作電源）；——拉、合勵磁電流不超過2安的無負荷變壓器和電容電流不超過5A的空載線路；——接通或斷開電壓為10kV、容量為320kVA及以下的空載變壓器。配電裝置簡介互感器過壓保護和接地保護裝置互感器包括電流互感器和電壓互感器，是一次設備和二次設備間的聯絡元件，將一次回路中的大電流、高電壓變為二次回路中的小電流和低電壓，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備的正常運行參數和故障情況的電氣設備。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備雷電沖擊水平以下，使電氣設備受到保護。過壓保護和接地保護裝置運行中的注意事項：1避雷器上的在線監測儀，當打雷、下雨或系統過電壓時，應及時檢查其動作情況，并做好記錄。2避雷器每年測試一次，防雷設備的接地電阻每兩年測試一次，接地電阻應符合規程要求，并分別檢測設備外殼和構架接地引下線的接地電阻，以便判斷有無銹蝕、斷裂現象。3雷雨時不得接近防雷設備，可在10米外觀察避雷針的擺動情況。4避雷針接地裝置如接地電阻過大，通過雷電流時，接地線電位將升的很高，若作用在電氣設備上，可能損壞其絕緣。因此避雷針的接地電阻不應超過規定值（主接地網不超過0.5歐，避雷針不超過10歐），避雷針與電氣設備的距離不得過近，以防雷電反擊。5雷雨天氣，值班員巡視室外高壓設備應穿絕緣靴，并不得靠近避雷針和避雷器。6所有電氣設備及設施的金屬外殼，均應可靠接地。主變的金屬外殼、斷路器及傳動機構的金屬底座外殼、電流互感器的二次線圈、配電盤及控制盤的外殼和電壓在36V以上的電動工具的金屬外殼等。04輔助設備組成及作用輔助設備油系統水系統氣系統輔助設備組成及基本原理1油系統輔助設備組成及用途在水電站中，機組調節系統工作時，能量的傳遞和機組轉動部分的潤滑與散熱，一般都是用油作為介質來完成的。油系統是為水電廠用油設備服務的。油系統由一整套設