水电站机电设备

1. 水电站机电设备 制作：周建旭 2010年5月

2. 第七章 电气设备、主阀和起重设备 第一节 电气设备 一、发电机 1、水轮发电机的类型 水轮发电机按其轴线位置可分为立式布置和卧式布置两类。大中型机组一般采用立式布置，卧式布置通常用于中小型机组及贯流式机组。 立式布置的水轮发电机，按其推力轴承位置不同，可分为悬式和伞式两大类。悬式的推力轴承布置在转子上方的上机架上，伞式的推力轴承布置在转子下方的下机架上或水轮机顶盖上。

3. 半伞式 悬式 普通伞式

4. 根据发电机导轴承的设置情况，伞式水轮发电机又分为普通伞式、半伞式和全伞式三种。普通伞式水轮发电机有上导轴承及下导轴承；半伞式水轮发电机有上导轴承，无下导轴承；全伞式水轮发电机无上导轴承，有下导轴承。转速较高的机组多采用悬式，其优点是机组径向机械稳定性较好，推力轴承损耗小，装配方便，运行稳定性好，其缺点是机组高度较高，消耗钢材多；而伞式发电机适用于转速在150r/min以下的机组，其优点是机组高度低，可降低厂房高度，节省钢材，缺点是推力轴承损耗大，安装、抢修和维护不方便。根据发电机导轴承的设置情况，伞式水轮发电机又分为普通伞式、半伞式和全伞式三种。普通伞式水轮发电机有上导轴承及下导轴承；半伞式水轮发电机有上导轴承，无下导轴承；全伞式水轮发电机无上导轴承，有下导轴承。转速较高的机组多采用悬式，其优点是机组径向机械稳定性较好，推力轴承损耗小，装配方便，运行稳定性好，其缺点是机组高度较高，消耗钢材多；而伞式发电机适用于转速在150r/min以下的机组，其优点是机组高度低，可降低厂房高度，节省钢材，缺点是推力轴承损耗大，安装、抢修和维护不方便。

5. 按照发电机冷却方式的不同，水轮发电机可分为空冷式和水冷式等几种。国产大、中型水轮发电机绝大多数均为封闭自循环空气冷却。按照发电机冷却方式的不同，水轮发电机可分为空冷式和水冷式等几种。国产大、中型水轮发电机绝大多数均为封闭自循环空气冷却。 2、水轮发电机的构造 水轮发电机由转子、定子、机架、轴承、冷却器和制动器等主要部件组成。 • 转子是水轮发电机的旋转部件，也是全厂起吊重量最大的部件。水轮发电机的转子为凸极式转子，主要由磁极、磁轭、转子支架和主轴等组成。

6. 定子主要由定子铁芯、绕组、定子机座等部件组成。定子主要由定子铁芯、绕组、定子机座等部件组成。 • 发电机机架分为上机架和下机架两种，上机架位于转子的上方，下机架位于转子的下方。根据发电机的型式不同，又可分为荷重机架和非荷重机架。例如悬式发电机的上机架就是荷重机架，下机架则为非荷重机架。机架的中部装上轴承，两者共同支撑整个转子。通常将机架做成辐射型，井字型或桥型结构。 • 发电机轴承有推力轴承和导轴承两种，它是保证发电机正常、安全运行的重要部件。发电机导轴承分上导轴承和下导轴承两种。上导轴承布置在发电机转子的上方，下导轴承布置在转子的下方。

7. 制动装置基本上可分为两大类：机械制动和电气制动。制动装置基本上可分为两大类：机械制动和电气制动。 新建大型水电厂往往采用联合制动的方式。即在关闭水轮机导水叶后，当机组转速降低到额定转速的60％左右时投入电气制动，当转速下降到额定转速15％左右时投入机械制动，同时退出电气制动。 水轮发电机上附有一铭牌，注明了该电机的型号和额定值。我国水轮发电机的型号用汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，汉语拼音一般情况下，T表示同步，S表示水轮发电机，L表示立轴，W表示卧轴，G表示贯流式。 铭牌的额定值有：额定容量或额定功率、 额定电压、额定电流、额定功率因数、额定效率，此外，铭牌上还给出额定频率、额定转速、额定励磁电流、和额定励磁电压等。

8. 3、励磁系统 励磁系统是同步发电机的重要组成部分，对发电机运行可靠性、稳定性和技术经济指标有直接的影响，它的主要作用有: （1）电压控制；（2）无功功率的分配；（3）提供同步发电机并列运行的稳定性。

9. 4、水轮发电机外形尺寸估算 估算定子铁芯内径及长度 定子铁芯内径和长度是发电机的主要尺寸，这两个尺寸确定后，其余部分的尺寸可相应确定。在估算时主要考虑： （1）转子磁轭的机械应力与所选材料相适应； （2）机组总体布置合理； （3）最大部件的尺寸应满足运输要求。 通常，我们先根据每极容量算出极距值，校核发电机在飞逸状态下，转子的飞逸线速度是否在转子材料的允许范围；然后根据容量查出电机常数，由公式计算铁芯长度。

10. （1）极距和飞逸线速度的计算 极距与每极的容量关系： 式中 ――发电机额定容量（KVA）； ――磁极对数； ――系数， ＝9.0～12.5（中容量）或8.3～10.7（大容量，高速的取上限）。 当频率为50HZ时，极距在数值上等于额定线速度。 飞逸线速度与额定线速度满足： 式中 ――飞逸系数，与水轮机型式有关或按机组的飞逸转速与额定转速的比值确定。 ――飞逸线速度。 ――转子额定线速度。

11. 2．定子铁芯内径的确定 3．定子铁芯长度的确定 式中 ――额定转速； ――发电机利用系数，具体资料可查设计手册； ――定子内径（cm）。 对于特大容量的水轮发电机，由于受到转子材料和机械应力的限制，定子铁芯内径不能过大，只能增加定子铁芯长度，但也要考虑到发电机的通风和运输条件的限制。

12. 外形尺寸估算

17. 水轮发电机重量估算 式中 Gf——发电机总重量（t）； Sf——发电机额定容量（kVA）； ne——额定转速（rpm）； K1——系数，对悬式发电机取8～10；对伞式发电机取7 ～9；对水内冷式发电机取6～7。 发电机转子重量一般可按发电机总重量的1/2估算。

18. 发电机飞轮力矩GD2 式中 Di——定子铁芯内径（m）； lt——定子铁芯长度（m）； K2——经验系数。 估算GD2的经验系数K2

19. 二、变压器 水电站往往远离用电区域，这就必须向上千公里之外甚至更遥远的距离输进送电力。远距离输电的线路损失很大。为减少线路损失，势必要提高电压，就是利用电力变压器提高电压值。高压输电线的电压随其长度的增加而提高。 输电线的电压值及其输电容量

20. 为了使水电站与距离不一的各用电区域相连接，势必要架设不同电压的输电线路，因而在水电站即应安装相应类型的变压器。水电站所发电力一部分供厂用电消耗。厂用电使用低压供电。为了使水电站与距离不一的各用电区域相连接，势必要架设不同电压的输电线路，因而在水电站即应安装相应类型的变压器。水电站所发电力一部分供厂用电消耗。厂用电使用低压供电。 变压器由油箱1（内充绝缘油）、磁导体和绕组、引出线3、空气冷却器系统的外挂散热器4、强制空气冷却用风扇6等组成。为使油箱1内保持固定的压力，变压器装备有油枕5和油位指示器7。磁导体和绕组系变压器的心脏部分，固定于变压器上盖的内侧。引线（引入线和引出线）与相位数同，用于使变压器与外线连接。

22. 视变压器容量的不同可以采用各种不同的冷却方法。变压器的电能损失（磁化损失等）是由绕组释放热量方式形成的，会导致变压器绝缘性能受损。浸泡绕组的绝缘油在自然循环中受热后，再经变压器壳体将热量扩散至周围的空气介质。外挂散热器可以显著扩大冷却面积。对于容量更大的变压器，则应增加散热风扇，以强制加大散热器表面的空气流通量，提高散热效果。或采用专门的油泵以加快变压器内绝缘油的循环速度。这两种冷却方法亦可并用：散热器同风扇单独安装在专门的支承结构上，而油泵则加强油系统的循环过程。在有些情况下可以采用水冷却器排热（便如变压器安装在室内或地下室内时）。视变压器容量的不同可以采用各种不同的冷却方法。变压器的电能损失（磁化损失等）是由绕组释放热量方式形成的，会导致变压器绝缘性能受损。浸泡绕组的绝缘油在自然循环中受热后，再经变压器壳体将热量扩散至周围的空气介质。外挂散热器可以显著扩大冷却面积。对于容量更大的变压器，则应增加散热风扇，以强制加大散热器表面的空气流通量，提高散热效果。或采用专门的油泵以加快变压器内绝缘油的循环速度。这两种冷却方法亦可并用：散热器同风扇单独安装在专门的支承结构上，而油泵则加强油系统的循环过程。在有些情况下可以采用水冷却器排热（便如变压器安装在室内或地下室内时）。

23. 各种类型变压器均利用轨道移动，须安装专门的承重滚轮。承重滚轮的数量视变压器的体积而定。小容量变压器装有四人滚轮，中型和大型变压器则装备专门的多轮台车，每辆台车装有四个滚轮。为使变压器能纵向或横向沿轨道自由移动，其滚轮和台车应制成可以自由转向的。调转承重滚轮方向时要用液压千斤顶先将变压器油箱升起。然后转动承重滚轮的方向。纵向移动变压器时的轨距宽度为1524毫米，横向轨距视变压器尺寸的不同分别为1524、2000和3000毫米。用于移动超大型变压器时，应敷设双路轨道，轨距各为1524毫米。各种类型变压器均利用轨道移动，须安装专门的承重滚轮。承重滚轮的数量视变压器的体积而定。小容量变压器装有四人滚轮，中型和大型变压器则装备专门的多轮台车，每辆台车装有四个滚轮。为使变压器能纵向或横向沿轨道自由移动，其滚轮和台车应制成可以自由转向的。调转承重滚轮方向时要用液压千斤顶先将变压器油箱升起。然后转动承重滚轮的方向。纵向移动变压器时的轨距宽度为1524毫米，横向轨距视变压器尺寸的不同分别为1524、2000和3000毫米。用于移动超大型变压器时，应敷设双路轨道，轨距各为1524毫米。

24. 根据绕组的数量及其接线方式，变压器可区分为双绕组和三绕组式；而根据相位的不同，又可区分为单相和三相式。三绕组变压器宜在连接不同电压的输电线路时采用（如水电站需向几个距离不同的用电区供电）。根据绕组的数量及其接线方式，变压器可区分为双绕组和三绕组式；而根据相位的不同，又可区分为单相和三相式。三绕组变压器宜在连接不同电压的输电线路时采用（如水电站需向几个距离不同的用电区供电）。 根据相位数量和冷却方法的不同，各种类型的变压器均编有不同的型号。 三相变压器或单相变压器的容量取决于所连接的发电机的出力。 在选择变压器时应考虑到允许短时过负荷运行的因素。

25. 为便于初步计算变压器的尺寸，可参考下图。图中实线为变压器的总重量，虚线为心脏部分重量。变压器的重量也可大致按每1000千伏安容量合1000公斤的比例进行估算。为便于初步计算变压器的尺寸，可参考下图。图中实线为变压器的总重量，虚线为心脏部分重量。变压器的重量也可大致按每1000千伏安容量合1000公斤的比例进行估算。

26. 三、主接线 水电站必须采用专门的电气装置及接线系统，以便不论在正常运行条件下，或当一台机组甚至几台机组发生事故时，均能保证向电站所负担珠所有用户供应电力。该系统的构成取决于电气主接线图。可假定将接线图划分高压和低压两部分。低压部分用于供给水电站的厂用电。视水电站容量、安装机组数量和用电户特点等的不同，可以采用各种不同的电气接线方式。

27. I为单元接线图，每台机组与各自的升压变压器和输电线路相连接。这种接线方式仅限于在小型水电站内，且用电户同时尚有其他供电电源的情况下方可采用。此时，电站应安装专门的开关，以便进行检修时切断输电线路。 各种简化的高压电气接线图

28. 高压线路安全运行规则要求，应能切实断开带电侧的电路，为此需在接线图的组成中包括专门的断路器，以便在必要时将电路断开。只有当开关先行切断电路后，断路器方可断开电路。两台机组连接一条输电线路时，可采用Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ接线方式，但其在运行可靠性、变压器参数和造价等方面不尽相同。高压线路安全运行规则要求，应能切实断开带电侧的电路，为此需在接线图的组成中包括专门的断路器，以便在必要时将电路断开。只有当开关先行切断电路后，断路器方可断开电路。两台机组连接一条输电线路时，可采用Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ接线方式，但其在运行可靠性、变压器参数和造价等方面不尽相同。 （1）接线图Ⅱ采用两台三相变压器，容量与机组容量相等。（2）接线图Ⅲ采用一台三相变压器，容量约为2N机组。 （3）图Ⅳ为一台三相变压器（装有发电压分流线圈），它有利于提高输电可靠性和在一定程度上降低备用变压器的造价。

29. 图Ⅲ和Ⅳ 的缺点都是在检修变压器时两台机组不得不被迫同时停机（变压器发生事故极为罕见）。 （4）图Ⅴ所示为二次分流线圈方式。 （5）图Ⅵ则是一台机组使用两台三相变压器的情况。如因运输或布置条件不允许采用三相变压器时，则可改向单向变压器。

30. 一、主接线的定义 指发电厂或变电站中的一次设备按照设计要求连接起来，表示生产、汇集和分配电能的电路。电气主接线中的设备用标准的图形符号和文符号字符号表示的电路图称为电气主接线图。 二、基本要求： ⒈必须保证发供电的安全可靠性 ⑴涵义：连续不中断、安全和符合电能质量要求。 ⑵负荷（用户）的分类：一、二、三级 ⑶具体衡量要求 全厂QF、设备、线路等检修时停电范围、时间以及保证对一、二级负荷供电的情况。

31. ⒉应具有一定的灵活性 ⑴涵义：适应各种运行方式（正常、检修、事故及处理、特殊、投切设备、增减负荷等）的变化。 ⑵具体衡量要求 变化过程短、影响范围小并保证人员安全。 ⒊操作尽可能简单、方便。简单性 接线简单清晰（回路数少、电压级、开关少）； 操作步骤少。 ⒋经济上应合理。 经济性 投资、年运行费用、占地少，经济效益高。 ⒌发展和扩建（分期过渡）的可能性 主接线是电气部分的主体，设计的主要环节，其方案的必须根据工程的地位、负荷的性质等条件，经技术经济比较确定。 可分为无母线和有母线两类。

32. 电气主接线的基本形式 主接线的总体分类 • 有母线类 一、单母线接线 母线起汇集和分配电能的作用。每一条进出线回路都组成一个接线单元，每个接线单元都与母线相连，可分为： ⒈不分段单母线 1)接线方法及工作要求，见右图

33. ⑴主母线的作用 ⑵开关电器的配置 线路有反馈电可能或为架空配电线应装设QS ⑶操作程序“先通后断”原则 合：QSB→QSL→QF ；分：QF→QSL→QSB。 2)特点 ⑴优点： 简单、经济。 ①接线简单（设备少）、清晰、明了； ②布置、安装简单，配电装置建造费用低； ③断路器与隔离开关间易实现可靠的防误闭锁， 操作安全、方便，母线故障的几率低； ④易扩建和采用成套式配电装置。 ⑵缺点：不够灵活可靠。 ①主母线、母隔故障或检修，全厂停电； ②任一回路断路器检修，该回路停电。

34. 3)适用范围 ⑴小型骨干水电站４台以下或非骨干水电站发电机电压母线的接线； ⑵６～10kV出线（含联络线）回路≯５回； ⑶35kV出线（含联络线）回路≯３回； ⑷110kV出线（含联络线）回路≯２回。 ⒉单母线分段接线 1)接线方法，见右图

35. 2)特点 ⑴优点 ①可供电给一级负荷，可靠性大为提高； ②母线、隔检修仅停一半，提高了灵活性。 ⑵缺点 ①主母线、母隔故障或检修，停电一半； ②任一回路断路器检修，该回路停电。 3)适用范围 单母线不分段接线不满足时采用。

36. 3、单母线带旁路母线的接线 1）接线方法及操作 2)分段接线及操作 3)旁路接线比较及适用范围 35kV及以上有重要联络线路或较多重要用户时采用，回路多采用专用旁母，否则采用简易接线。 二、双母线接线 1、不分段的双母线 1）接线方法及运行方式

37. 2)特点： ⑴可轮流检修母线而不影响正常供电 ⑵检修任一母线侧隔离开关时，只影响该回路供电。 ⑶工作母线发生故障后，所有回路短时停电并能迅速恢复供电。 ⑷可利用母联断路器代替引出线断路器工作 ⑸便于扩建 ⑹由于双母线接线的设备较多，配电装置复杂，运行中需要用隔离开关切换电路，容易引起误操作；同时投资和占地面积也较大。 2、双母线分段接线 3、双母线带旁路接线 4、一台半断路器接线

38. 无母线类接线 • 三、桥形接线 ㈠内桥接线 ⒈接线方法：桥断路器位于线路断路器内侧。 ⒉特点 ⑴优点 ①接线简单、经济（断路器最少）； ②布置简单占地小，可发展为单母线分段接线； ③线路投、切灵活，不影响其它电路的工作。 ⑵缺点 ①变压器投切操作复杂，故障检修影响其它回路； ②桥断路器故障检修全厂分列为两部分； ③出线断路器故障检修该回路停电。

39. ②和③可通过设外跨条提高灵活性。 ⒊适用范围 双线双变的水电站、变电所35～220kV侧： 线路较长（故障多），而主变年负荷利用小时数高（不经常切换）且无功率穿越的场合。 ㈡外桥接线 ⒈接线方法：桥断路器位于线路侧。 ⒉特点 与内桥接线相对应“变压器”→“线路” ⒊适用范围 双线双变的水电站、变电所35～220kV侧： 主变年负荷利用小时数低（经常切换），而线路较短（故障少）或有功率穿越的场合。

40. 四、单元接线 ㈠发电机—变压器单元接线 ⒈接线方法 发电机和变压器容量匹配；机组间无横 向联系；不装断路器；为方便试验和厂变由主变反馈电，出口装隔离开关。 ⒉特点 ⑴优点 ①接线简化，使用的电器最少，操作简便，降低 故障的可能性，提高了工作的可靠性； ②配电装置简单，投资少，占地小； ③发电机出口短路电流小； ④继电保护简单。 ⑵缺点: 任一元件故障或检修全停，检修时灵活性差。

41. ⒊适用范围 ①台数不多的大中型区域发电厂； ②分期投产或装机容量不等的无机压负荷的小型水电站。 ㈡发电机—变压器扩大单元接线. 1.特点 比单元接线少一台主变，更为简单经济，一机停电不影响厂用电，但主变故障或检修全停。低压侧加刀闸，厂用电供电较可靠和灵活。 2.适用范围 系统有备用容量时大中型水电厂有２～３台发电机的情况（但扩大单元容量还受制造限制）。 ㈢发电机—变压器—线路单元接线 ⒈接线方法 与发—变相比省线路断路器。 ⒉特点 简单经济但某一元件故障全停。 ⒊适用范围 一发一变一线。

42. ㈣变压器—线路单元接线 特点及适用范围同㈤。 ㈤变压器—线路扩大单元接线 ⒈接线方法 ⑴变—线扩大单元 ⑵Ｔ接线 ⑶变—母接线 ⒉特点 接线最简单，断路器少，任一障全停，变压器较可靠，高压侧配G线路配QF较好。 ⒊适用范围 小容量的不重要的小型水电站和变电所高压侧的接线。

43. 五、多角形接线 ⒈接线方法 常用４角，最多６角。 相当于把单母线用断路器按电源和引出线的数目分段，然后再连接成闭合的环形；每一回出线占有两台断路器，而平均每一回有一台断路器 ⒉特点 可靠性和灵活性较高，操作简便且易实现自动化，但开环运行时可靠性降低，设备选择难，保护复杂，不便于扩建。 ⒊适用范围 大中型水力发电厂发展可能性很小的110kV及以上母线的接线。

44. 第二节 主 阀 在水电站的引水系统和水轮机的过流系统中，不同位置应装设相应的闸门或阀门。如进水口的工作闸门和检修闸门，水轮机蜗壳前的阀门和尾水闸门等。装设在水轮机蜗壳前的阀门称为水轮机进水阀（又称主阀）。 一. 进水阀的作用 1.为机组检修提供工作条件。 2.减少停机机组的漏水量。 3.缩短机组的重新起动时间。 4.防止机组飞逸事故扩大。

45. 二. 进水阀的设置条件 进水阀价格昂贵，装设进水阀将增加土建投资和安装运行费用。因此，装设进水阀，一般应符合下列条件 1.当一根输水总管供几台机组用水时，应在每台水轮机前设置进水阀。 2.水头大于120m的单元输水管，可以考虑设置进水阀。因为水头高，压力钢管一般较长，导叶的漏水量也较大。 3.对于最大水头小于120m，长度较短的单元输水管，可不装设进水阀，在进水口设置快速闸门。

46. 三. 对进水阀的技术要求 1.操作简便，体积小，重量轻。 2.应该有严密的止水装置，减少漏水，以便对阀后部件进行检修。 3.阀门及其操作机构的结构和强度应满足运行的要求。发生事故时，进水阀能在一定的动水压力下迅速关闭。关闭时间应满足发电机飞逸转速允许延续的时间和压力管道允许的水锤压力值的要求，一般为1～3min。 进水阀通常只有全开和全关两种状态，不允许部分开启，不能作调节流量用，以免造成过大的水力损失，影响水流稳定。进水阀应动水关闭，静水开启，不允许在动水情况下开启，因为这需要很大的操作力矩。

47. 四、主阀的类型 在大中型水电站中，广泛采用的进水阀有蝴蝶阀和球阀两种；在小型水电站也有用闸阀作为进水阀。 1、蝴蝶阀 蝴蝶阀（又称蝶阀）是应用最广泛的水轮机进水阀。

48. 蝴蝶阀的主要部件有阀体、活门、阀轴、轴承、密封装置和锁锭装置等。蝴蝶阀的主要部件有阀体、活门、阀轴、轴承、密封装置和锁锭装置等。 与其它型式的阀门相比较，蝶阀的外形尺寸较小，重量较轻，造价便宜，构造简单，操作方便，能动水关闭，可作机组快速关闭的保护阀门用等优点。目前世界上已制成的蝶阀最大直径达9.75m，最高工作水头达300m。一般蝶阀适用水头在200m已下，更高水头时应和球阀作选型比较。

49. 2、球阀 随着水电站水头的日益提高，作用在进水阀上的水压力也越来越大。当水轮机工作水头超过150m时，若采用蝴蝶阀，其结构就会复杂笨重，漏水及水力损失会更加严重。因而在结构上采用球阀，以满足高水头的需要。 球阀在开启状态时，其过水断面的面积与压力管道的面积相等，因此水力损失很小，并且对消除球阀过流时的振动和提高水轮机的工作效率都是有利的。 根据止漏装置的不同，球阀在结构上可分为单面止水球阀和双面止水球阀。