水电站成套机电设备基础讲座

1、目目 录录 1.水力发电基本知识水力发电基本知识2.水电站成套发电设备的组成水电站成套发电设备的组成3.水轮机、调速器和进口阀水轮机、调速器和进口阀 4.水轮发电机和励磁系统水轮发电机和励磁系统5.水电站辅助机械设备水电站辅助机械设备6.水电站辅助电气设备水电站辅助电气设备7.主变压器主变压器8.升压站高压开关设备升压站高压开关设备9.我国主要水电设备制造厂我国主要水电设备制造厂. .水力发电基本知识水力发电基本知识1.1中国水力资源中国水力资源1.2 水力发电原理和装机容量水力发电原理和装机容量1.3 水电站装机容量和利用小时数水电站装机容量和利用小时数1.4 水电站保证出力和最大工作容量水

2、电站保证出力和最大工作容量1.5水电站类型水电站类型1.6抽水蓄能电站工作原理抽水蓄能电站工作原理全国江河水力资源技术可开发量排序前三位为：长江流域全国江河水力资源技术可开发量排序前三位为：长江流域256273万千瓦，雅鲁藏布江流域万千瓦，雅鲁藏布江流域6785万千瓦，黄河流域万千瓦，黄河流域37343万千瓦，万千瓦，分别占全国技术可开发量的分别占全国技术可开发量的47、13和和7 1.2 1.2 水力发电原理和装机容量水力发电原理和装机容量* 水从上游高水位经过水轮机水从上游高水位经过水轮机 流向下游水位时，以所具有的流向下游水位时，以所具有的 流量和落差做功，推动水轮机流量和落差做功，推动

3、水轮机 旋转，带动发电机发出电力。旋转，带动发电机发出电力。 利用水流的流量利用水流的流量Q和落差和落差H发电。发电。*发电功率计算公式：发电功率计算公式： P = 9.81HQ ( 1.0 ) 式中：式中：P水轮发电机发出的功率水轮发电机发出的功率 kW； H上下游水位的落差，即水头上下游水位的落差，即水头 m； Q流过水轮机的流量流过水轮机的流量 m3/s； 引水系统、水轮机和发电机的总效率。引水系统、水轮机和发电机的总效率。* 发电量计算公式：发电量计算公式： E = P h式中：式中： E水电站年发电量水电站年发电量 kWh； P水电站装机容量水电站装机容量 kW； h水电站的年利用小

4、时数水电站的年利用小时数 (通常为通常为3000-5000h) 水电站装机容量是水轮发电机组额定功率的总和。通常水电站装机容量是水轮发电机组额定功率的总和。通常就是水电站能够发出的最大出力。水电站装机容量的大就是水电站能够发出的最大出力。水电站装机容量的大小决定于电力系统的负荷特性、水电站的能量指标、水小决定于电力系统的负荷特性、水电站的能量指标、水库的调节性能、水电站在系统中的地位及作用以及水电库的调节性能、水电站在系统中的地位及作用以及水电站本身的经济技术指标等。站本身的经济技术指标等。水电站年利用小时数：年利用小时数视水能资源情况、水电站年利用小时数：年利用小时数视水能资源情况、在电力系

5、统中的地位和任务、装机容量的大小等来确定；在电力系统中的地位和任务、装机容量的大小等来确定；各国水电站的年利用小时数相差很大，通常范围为各国水电站的年利用小时数相差很大，通常范围为2,0007,000h，正常在，正常在3,5005,500h之间。之间。 例如，长江葛洲坝水电站装机容量例如，长江葛洲坝水电站装机容量271.5万千瓦，多年平万千瓦，多年平均年发电量均年发电量140.9亿度，年利用小时为亿度，年利用小时为5190h。 三峡水电站装机容量为三峡水电站装机容量为1820万千瓦，年平均发电量万千瓦，年平均发电量847亿亿kWh，年利用小时约，年利用小时约4650h（不包括左岸地下厂房内的装

6、机容量）。1.3 1.3 水电站装机容量和利用小时数水电站装机容量和利用小时数水电站保证出力和最大工作容量水电站保证出力和最大工作容量水电站保证出力：水电站在枯水期保证发出相应于水电站保证出力：水电站在枯水期保证发出相应于设计保证率的平均出力（功率）。它是确定水电站设计保证率的平均出力（功率）。它是确定水电站装机容量的最主要依据之一。装机容量的最主要依据之一。设计保证率根据电力系统中水电容量所占的比重来设计保证率根据电力系统中水电容量所占的比重来估算，通常为估算，通常为80 98%（水电比重越大，要求设（水电比重越大，要求设计保证率越高）。计保证率越高）。装机容量总是数倍于水电站保证出力，其倍

7、数约为装机容量总是数倍于水电站保证出力，其倍数约为1.54倍。例如，长江葛洲坝水电站装机容量为倍。例如，长江葛洲坝水电站装机容量为271.5万千瓦，保证出力为万千瓦，保证出力为76.8万千瓦，则其倍数为万千瓦，则其倍数为 3.5倍。倍。 水电站最大工作容量：根据保证出力以及水电站在水电站最大工作容量：根据保证出力以及水电站在负荷图上的工作位置来确定。水电站最大工作容量负荷图上的工作位置来确定。水电站最大工作容量是水电站系统最大负荷时所能承担的最大出力。是水电站系统最大负荷时所能承担的最大出力。1.51.5 水电站类型水电站类型按利用能源种类分为：按利用能源种类分为： * 常规水电站常规水电站

8、* 抽水蓄能电站抽水蓄能电站 * 潮汐电站潮汐电站 * 波浪能电站等。波浪能电站等。常规水电站：常规水电站：* 按水头集中方式：坝式水电站、引水式水电按水头集中方式：坝式水电站、引水式水电 站和混合式水电站站和混合式水电站 * 按水库调节性能：多年调节、年调节、季调按水库调节性能：多年调节、年调节、季调节、周调节、日调节（径流调节）、不调节的节、周调节、日调节（径流调节）、不调节的径流式等径流式等 * 按单站装机容量大小：按单站装机容量大小：250MW及以上为大及以上为大型，型，250MW以下至以下至25MW为中型，小于为中型，小于25MW为小型为小型1.6 1.6 抽水蓄能电站工作原理抽水蓄

9、能电站工作原理原理：利用电力系统低谷负荷时的剩余电力抽水到高处蓄原理：利用电力系统低谷负荷时的剩余电力抽水到高处蓄存，机组以水泵存，机组以水泵/ /电动机工况运行；在高峰负荷时放水发电动机工况运行；在高峰负荷时放水发电，机组以水轮机电，机组以水轮机/ /发电机工况运行的电站。发电机工况运行的电站。为电力系统提供调峰容量。为电力系统提供调峰容量。调节性能：日、周、年；调节性能：日、周、年；电站综合效率：发电量电站综合效率：发电量与抽水的耗电量之比，一般与抽水的耗电量之比，一般为为0.7 0.75；运行时间：按电力系统要求；运行时间：按电力系统要求；例如：每日发电例如：每日发电4小时，小时， 抽水

10、抽水6小时。小时。抽水发电日运行过程负荷24h02. 2. 水电站成套发电设备的组成水电站成套发电设备的组成 2. 2. 水电站成套发电设备的组成水电站成套发电设备的组成 1. 水轮机、调速器和进口阀；水轮机、调速器和进口阀；2. 发电机和励磁系统；发电机和励磁系统；3. 主变压器；主变压器；4. 电站辅助机械设备；电站辅助机械设备；5. 电站辅助电气设备；电站辅助电气设备；6. 升压站高压开关设备；升压站高压开关设备；7. 大坝和进水口辅助设备；大坝和进水口辅助设备；8. 尾水闸门及其起重设备等。尾水闸门及其起重设备等。为了保证水轮发电机组安全、稳定、可靠运行，为了保证水轮发电机组安全、稳定

11、、可靠运行，一座水电站通常包括下列主要机械和电气设备，一座水电站通常包括下列主要机械和电气设备，组成一个完整成套发电设备和系统，投入电网运组成一个完整成套发电设备和系统，投入电网运行。行。2.12.1成套设备组成成套设备组成2.2 2.2 机电设备布置机电设备布置1.主厂房主厂房发电机层：发电机机旁盘、调速器和油压装置、进口阀、桥发电机层：发电机机旁盘、调速器和油压装置、进口阀、桥式起重机（厂房顶部）。式起重机（厂房顶部）。母线层：发电机、发电机引出线、发电机中性点设备、励磁母线层：发电机、发电机引出线、发电机中性点设备、励磁变、发电机消防设备、电缆等。变、发电机消防设备、电缆等。水轮机层：水

12、轮机、冷却供水系统、电缆。水轮机层：水轮机、冷却供水系统、电缆。尾水管层：尾水管、进人门、排水系统水泵室。尾水管层：尾水管、进人门、排水系统水泵室。2. 安装场安装场组装机组主要部件，如：定子、转子、机架、转轮等。组装机组主要部件，如：定子、转子、机架、转轮等。安装场下层通常布置压气机室、透平油库等。安装场下层通常布置压气机室、透平油库等。3. 3. 副厂房副厂房 通常布置中央控制室、交流和直流供电系统、通信室、通常布置中央控制室、交流和直流供电系统、通信室、通风和空调室、厂用变压器等。通风和空调室、厂用变压器等。 4. 4. 变压器场和开关站变压器场和开关站 通常布置主变、高压电气设备（断路

13、器、隔离开关和接通常布置主变、高压电气设备（断路器、隔离开关和接地开关、电流和电压互感器、避雷器等）、高压母线、母线地开关、电流和电压互感器、避雷器等）、高压母线、母线构架、导线绝缘子、出线铁塔等。构架、导线绝缘子、出线铁塔等。 国外国外2x110MW水电站图例水电站图例-厂房横剖面图厂房横剖面图 国外国外2x110MW水电站图例水电站图例-厂房纵剖面图厂房纵剖面图国外国外2x110MW水电站图例水电站图例-厂房平面图厂房平面图国外国外2x110MW水电站图例水电站图例-220kV开关站平面布置图开关站平面布置图3.3.水轮机、调速器和进口阀水轮机、调速器和进口阀 3.1 水轮机水轮机 1.

14、工作原理工作原理 水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械 。 上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。动发电机发电。 水轮机输出功率的计算公式如下：水轮机输出功率的计算公式如下：P = 9.81HQ 其中： P水轮发电机发出的功率 kW；H上下游水位的落差，即水头 m；Q流过水轮机的流量 m3/s；水轮机的效率 水头水头H越高、流量越高、流量Q越大，水轮机的效率越大，水轮机的效率越高，输出功率也就越越高，输出功率也就越大。大。 2. 水轮机的分类和适用水头

15、水轮机的分类和适用水头水轮机分类水轮机分类 反击式水轮机：混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机反击式水轮机：混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机 冲击式水轮机：水斗式、斜击式和双击式水轮机和冲击式水轮机冲击式水轮机：水斗式、斜击式和双击式水轮机和冲击式水轮机 立式混流式 立式轴流式斜流式 灯泡贯流式 卧式混流式 轴伸贯流式 水斗式 双击式 适用水头适用水头 反击式水轮机：反击式水轮机： 混流式水轮机混流式水轮机 20700m 轴流式水轮机轴流式水轮机 380m 斜流式水轮机斜流式水轮机 25200m 贯流式水轮机贯流式水轮机 125m 冲击式水轮机：冲击式水轮机： 水斗式水轮机水斗式水轮机 3

16、001700m（大型），（大型）， 40250m（小型）（小型） 斜击式水轮机斜击式水轮机 20300m 双击式水轮机双击式水轮机 5100m （小型）（小型）根据工作水头、比转速根据工作水头、比转速ns等来选择水轮机的型式。等来选择水轮机的型式。3. 水轮机的基本工作参数水轮机的基本工作参数主要有水头主要有水头H、流量、流量Q、出力、出力P、效率、效率、转速、转速n。 特征水头特征水头H： 最大水头Hmax： 允许水轮机运行的最大净水头。 最小水头Hmin： 水轮机安全、稳定运行的最小净水头。 加权平均水头Ha：水轮机所有水头的加权平均值。 额定水头Hr： 水轮机发出额定出力时所需要的最小净

17、 水头。 流量流量Q：单位时间内通过水轮机某一既定过流断面的水流体 积，常用的单位为m3/s。 转速转速n： 水轮机转轮在单位时间内的旋转的次数，常用单位 为r/min。 出力出力P：水轮机轴端输出的功率，常用单位kW。 效率效率：水轮机的输入功率和输出功率之比称为水轮机的效 率。4. 水轮机的特性曲线水轮机的特性曲线 常用的水轮机特性曲线：常用的水轮机特性曲线： 水轮机模型综合特性曲线；水轮机模型综合特性曲线； 水轮机运转特性曲线；水轮机运转特性曲线； 水轮机飞逸特性曲线等。水轮机飞逸特性曲线等。混流式水轮机模型特性曲线 水轮机运转特性曲线 混流式水轮机模型特性曲线实例混流式水轮机模型特性曲

18、线实例300 400 500 600 700 800 900 1000110012001300140045 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100105110Q11(l/s)n11(r/min)图7、 JF3001D-35模型综合特性曲线74%74%74%74%76%76%76%78%78%80%80%80%82%84%85%86%87%88%89%90%91%92%93%93.6% 94.09%0.10.10.090.090.080.070.066%5%4%3%2%等空化系数线等压力脉动线a0=10a0=12a0=14a0=16a0=18a0=20a0=22a0=

19、24a0=26a0=28a0=30a0=31300 400 500 600 700 800 900 100011001200105110115120125130135140a0=26a0=24a0=22a0=20a0=18a0=16a0=14图8、 JF3001D-35飞逸特性曲线Q11(l/s)n11(r/min)a0=12a0=10a0=31a0=30a0=28水轮机飞逸特性曲线示例水轮机飞逸特性曲线示例混流式水轮机运转特性曲线实例混流式水轮机运转特性曲线实例 目前，国内和国际上也通行分别以流量Q和水头H作为纵、横坐标来表示水轮机运转特性曲线 水轮机运转特性曲线 纵坐标为流量Q 横坐标为水

20、头H 流流量量Q水头水头H5. 水轮机的主要结构水轮机的主要结构 反击式水轮机的反击式水轮机的主要结构部件：主要结构部件：蜗壳、蜗壳、 座环、座环、 导水机构、导水机构、 顶盖、顶盖、 转轮、转轮、 主轴、主轴、 导轴承、导轴承、 底环、底环、 尾水管等。尾水管等。三峡电站水轮发电机组模型照片三峡电站水轮发电机组模型照片混流式水轮机剖面图混流式水轮机剖面图 示例示例Spiral CasingMain ShaftTurbine Guide BearingGate Operating Mechanism Stay Ring Turbine Runner Draft Tube 水轮机主要结构部件图水

21、轮机主要结构部件图 6. 水轮机的工厂试验水轮机的工厂试验 包括包括:：水轮机模型试验和验收，水轮机工厂试验检查和出厂验收等：水轮机模型试验和验收，水轮机工厂试验检查和出厂验收等. （1）水轮机模型试验和验收）水轮机模型试验和验收 水轮机模型验收试验，应按水轮机模型验收试验，应按IEC601931999水轮机模型验收水轮机模型验收试验国际规程试验国际规程或或GB/T156131995水轮机模型验收试验规水轮机模型验收试验规程程进行。进行。模型试验的主要项目有：模型试验的主要项目有：1）水轮机效率试验）水轮机效率试验2）水轮机空蚀限制试验）水轮机空蚀限制试验3）压力脉动试验）压力脉动试验4）飞逸

22、转速试验）飞逸转速试验5）压力脉动试验）压力脉动试验6）蜗壳差压测流试验（）蜗壳差压测流试验（Winter/Kennedy Test）7）模型尺寸检查）模型尺寸检查 模型验收试验的主要目的是对厂家提出的模型试验报告进行检模型验收试验的主要目的是对厂家提出的模型试验报告进行检查和验证查和验证 。 将模型试验结果换算成相应原型工况的数值，如其结果满足合将模型试验结果换算成相应原型工况的数值，如其结果满足合同规定的效率、压力脉动等保证值，则通过验收。同规定的效率、压力脉动等保证值，则通过验收。 如果模型验收试验结果转换成原型特性不满足效率、压力脉动如果模型验收试验结果转换成原型特性不满足效率、压力脉

23、动等保证值，厂家应修改模型，并重新进行试验；也可以按照合同等保证值，厂家应修改模型，并重新进行试验；也可以按照合同规定进行违约罚款规定进行违约罚款(SREPOK 3: 每每0.1%,USD 180000)。 对于小型水轮机也可考虑采用完全相似的、已验收并在电站成对于小型水轮机也可考虑采用完全相似的、已验收并在电站成功运行的模型水轮机作为验收依据，代替模型试验验收，这样可功运行的模型水轮机作为验收依据，代替模型试验验收，这样可以节省工期和费用。以节省工期和费用。自动生成的试验图表 （2）水轮机模型试验台）水轮机模型试验台 在中国主要有：在中国主要有： 中国水利水电科学研究院水力机械试验室，可进行

24、国际验收试中国水利水电科学研究院水力机械试验室，可进行国际验收试验和仲裁试验（如：三峡转轮模型试验）验和仲裁试验（如：三峡转轮模型试验） 哈尔滨电机厂有限责任公司水轮机试验室；哈尔滨电机厂有限责任公司水轮机试验室； 东方电机股份有限公司水轮机试验室。东方电机股份有限公司水轮机试验室。高水头模型试验台 （2）水轮机工厂试验）水轮机工厂试验 对主要部件如：蜗壳、转轮、主轴、接力器、导轴承、顶盖等对主要部件如：蜗壳、转轮、主轴、接力器、导轴承、顶盖等应进行检查、操作和试验。应进行检查、操作和试验。主要检查和试验项目：主要检查和试验项目：1）材料检验；）材料检验；2）焊接检查；）焊接检查；3）无损探伤

25、；）无损探伤；4）压力试验；）压力试验；5）尺寸检查）尺寸检查6）工厂组装；）工厂组装；7）动作试验；）动作试验；8）转轮静平衡试验等。）转轮静平衡试验等。7. 水轮机现场试验水轮机现场试验 （1）安装过程中的试验和检查：）安装过程中的试验和检查： 按照中国规程按照中国规程GB 8564-1988 水轮发电机组安装技术规程水轮发电机组安装技术规程及合同规定进行试验和检查。及合同规定进行试验和检查。 主要有：主要有：管路压力试验；管路压力试验；主轴盘车检查等。主轴盘车检查等。（2）机组试运行）机组试运行 按照中国标准按照中国标准DL/T507-2002水轮发电机组起动试验规程水轮发电机组起动试验

26、规程 进行。进行。 主要项目：主要项目： 启动试验运行前的检查；启动试验运行前的检查； 机组充水试验；机组充水试验； 机组空载试验；机组空载试验； 机组并列及负载试验；机组并列及负载试验； 机组机组72小时带负荷连续运行试验；小时带负荷连续运行试验； 机组机组30天考核试运行试验。天考核试运行试验。 试验合格机组可正式投入电网进行商业运行。试验合格机组可正式投入电网进行商业运行。8. 水轮机的性能保证水轮机的性能保证 水轮机性能保证项目主要有：水轮机性能保证项目主要有：（1）运行水头范围保证；）运行水头范围保证；（2）水轮机输出功率保证；）水轮机输出功率保证；（3）水轮机效率保证；）水轮机效率

27、保证；（4）空蚀保证；）空蚀保证；（5）尾水管压力脉动值；）尾水管压力脉动值；（6）调节保证值；）调节保证值；（7）机组振动；）机组振动；（8）噪声保证；）噪声保证；（9）飞逸转速试验；）飞逸转速试验；（10）可靠性指标。）可靠性指标。9. 水轮机常用技术标准水轮机常用技术标准中国标准：中国标准： GB/T 156131995 水轮机模型验收试验规程水轮机模型验收试验规程 GB/T 154691995 反击式水轮机空蚀评定反击式水轮机空蚀评定 GB/T 109691996 水轮机通流部件技术条件水轮机通流部件技术条件 GB/T 154681995 水轮机基本技术条件水轮机基本技术条件 GB 8

28、564-2003 水轮发电机组安装技术规范水轮发电机组安装技术规范 DL/T 4431991 水轮发电机组设备出厂检验一般规定水轮发电机组设备出厂检验一般规定 DL/T 507-2002 水轮发电机组启动试验规程水轮发电机组启动试验规程 GB/T 21718-2008 小型水轮机基本技术条件小型水轮机基本技术条件 SL 397-2007 整装微型水轮发电机组整装微型水轮发电机组 GB/T 22140-2008 小型水轮机现场验收试验规程小型水轮机现场验收试验规程IEC标准：标准： IEC 601931999水轮机、蓄能泵、水泵水轮机模水轮机、蓄能泵、水泵水轮机模型验收试验国际规程型验收试验国际

29、规程 IEC 60041-1963水轮机现场验收试验国际规程水轮机现场验收试验国际规程 IEC 600545-1976水轮机验收、运行和维护导则水轮机验收、运行和维护导则 IEC 448（1987）水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收试验国际规程（草力性能现场验收试验国际规程（草案）案） IEC6091978水轮机、蓄能泵和水泵水轮机空水轮机、蓄能泵和水泵水轮机空蚀损坏评定标准蚀损坏评定标准2.2 调速系统调速系统1. 概述概述 （1）调速系统的任务）调速系统的任务 不断地调节水轮发电机组的输出功率，维持机组的转速（频率）在额定转速（频率）的规定范围内。（2）

30、调速器工作原理）调速器工作原理 以机组转速偏差为依据，调节导叶开度，达到改变出力、保持转速稳定的目的。（3）常用的调速器类型）常用的调速器类型 主要有：手动调速器 、自动调速器（电气液压型调速器） 、微机调速器 2. 调速器组成调速器组成 调速器主要有调速柜、油压设备、接力器等设备组成。 中小型水轮机调速器将这三部分组合成一个整体，称为组合式，运行方便。 大中型中小型3. 典型的液压系统图典型的液压系统图 GSLT-3000调速器液压系统图（调速功为3000kgm，12MPa高油压数字阀）用于15MW 混流式水轮发电机组的调速器4. 调速器常用技术标准调速器常用技术标准 中国标准：中国标准：G

31、B 9652.1-1997水轮机调速器与油压装置技术条件水轮机调速器与油压装置技术条件GB 9652.2-1997水轮机调速器与油压装置试验验收规程水轮机调速器与油压装置试验验收规程GB 8564-1998 水轮发电机组安装技术规程水轮发电机组安装技术规程IEC标准：标准： IEC 60308水轮机调速系统试验国际规程水轮机调速系统试验国际规程 （International code for speed governing system for hydraulic turbines）2.3 进口阀进口阀1 . 概述概述 为了防止事故扩大、检修或较长时间停机在水轮机前为了防止事故扩大、检修或较长

32、时间停机在水轮机前需设置阀门需设置阀门 。 当一根钢管分叉向几台机组供水或压力引水管很长时，当一根钢管分叉向几台机组供水或压力引水管很长时，一般也需在水轮机前设置阀门。一般也需在水轮机前设置阀门。2. 作用作用 （1）在水轮机检查、大修时阻断水流；）在水轮机检查、大修时阻断水流； （2）水轮机停机时减少机组漏水量；）水轮机停机时减少机组漏水量； （3）当导水叶失灵时，关闭进口阀防止机组飞逸。）当导水叶失灵时，关闭进口阀防止机组飞逸。 主要包括：闸阀、蝴蝶阀、球阀主要包括：闸阀、蝴蝶阀、球阀 3. 主要类型主要类型重锤式液压型卧轴蝶阀 闸阀一般用于小型机组闸阀一般用于小型机组 ；重锤式蝴蝶阀比较

33、通用；重锤式蝴蝶阀比较通用；球阀通常用于高水头机组球阀通常用于高水头机组 。 操作方式有：操作方式有： 手动、电动、油压和水压等手动、电动、油压和水压等4种。种。 重锤式蝴蝶阀和球阀，开启重锤式蝴蝶阀和球阀，开启时采用油压或水压，关闭时依时采用油压或水压，关闭时依靠重锤自行关闭，动作可靠，靠重锤自行关闭，动作可靠，关闭时间可调，目前广泛采用。关闭时间可调，目前广泛采用。 D2300 1.6MPa Hydraulic Controlled Butterfly Valve 4.水轮发电机和励磁系统水轮发电机和励磁系统 4.1 水轮发电机水轮发电机 1. 工作原理工作原理 水轮发电机是用水轮机驱动，

34、将机械能转化为电能的交流水轮发电机是用水轮机驱动，将机械能转化为电能的交流同步发电机。它利用电磁感应原理将机械能转换为电能。同步发电机。它利用电磁感应原理将机械能转换为电能。2. 水轮发电机的分类水轮发电机的分类 （1）按转轴的布置型式：立式布置和卧式布置 （2）立式水轮发电机： 分为悬式和伞式 （3）悬式水轮发电机： 普通伞式上、下导轴承分别位于上、下机架 中。半伞式只有上导轴承，无下导轴承。全伞式只有下导轴承，无上导轴承。a)悬挂式发电机 b)普通伞式发电机 c)半伞式发电机 d)全伞式发电机3. 水轮发电机的主要参数水轮发电机的主要参数 发电机的主要参数如下：（1）额定容量；（2）有功功

35、率；（3） 定子电压U和定子电流；（4）发电机额定功率因数；（5）发电机效率；（6）短路比；（7）发电机转动惯量（8）同步电抗；（9）励磁电压和励磁电流等。河龙水库电站水轮发电机组4. 水轮发电机的主要结构水轮发电机的主要结构 水轮发电机由定子、转子、轴承、机架等主要部件及励磁、冷却、制动、测量、灭火等辅助装置组成。 定子：由定子机座、铁芯、绕组和空气冷却器等组成。 转子：由大轴、转子支架、磁轭、磁极和制动环等组成。 轴承：有推力轴承和导轴承。 机架：上机架和下机架；用于安置推力轴承、导轴承和其他 部件。SF15-16 / 4250型立式水轮发电机外形尺寸图定子 Stator转子 RotorS

36、F15-16/4250型水轮发电机上机架、推力轴承和导轴承 Upper Bracket & Thrust and Guide Bearing下机架和下导轴承 Lower Bracket & Lower Guide Bearing5. 水轮发电机的冷却水轮发电机的冷却 通常采用空气作为冷却介质对定子、转子绕组以及定子铁芯进行冷却。 大部分水轮发电机采用空气冷却器冷却的密闭自循环冷却方式；小型水轮发电机也有采用开启式或管道式通风方式。 SF15-16/4250 发电机空冷器布置Layout of Air Coolers for SF15-16/4250 Generator6. 水轮

37、发电机的工厂试验水轮发电机的工厂试验 主要检查和试验项目有：（1）材料检验；（2）焊接检查；（3）尺寸检查；（4）耐压试验；（5）工厂组装检查；（6）硅钢片的磁化特性和损耗试验；（7）定子线圈试验；（8）转子磁极试验等。雇主（或买方）有权派出其代表参加某些工厂试验检查项目，并进行见证试验 。7. 水轮发电机的现场试验水轮发电机的现场试验 按照中国标准GB 8564-1988 水轮发电机组安装技术规程、DL/T 507-2002水轮发电机组起动试验规程及合同规定，在安装过程中或安装完成后对发电机应进行现场试验和检查，包括试运行试验等。主要项目有： （1）机组高程检查以及机组轴线校正试验； （2）

38、空气冷却器、油冷却器、管路等的耐压试验； （3）定子、转子的电气试验； （4）发电机制动系统的检查； （5）发电机冷却水系统检查； （6）短路特性试验； （7）空载特性试验； （8）轴电压试验； （9）相序试验； （10）过速试验； （11）轴承温度测定； （12）振动、摆度测定； （13）甩负荷（25%、50%、75%、100%额定负荷）试验； （14）带负荷试验； （15）72小时连续带负荷运行试验； （16）30d考核性运行试验。经过上述试验合格后，机组可交接验收，正式投入电网进行商业运行。8. 水轮发电机的性能保证水轮发电机的性能保证 发电机性能保证项目主要有：发电机性能保证项目主要有

39、： （1）出力保证；）出力保证；（2）效率保证；）效率保证；（3）温升；）温升；（4）温升；）温升；（5）振动；）振动；（6）噪声；）噪声；（7）其他保证等。）其他保证等。9. 发电机常用技术标准发电机常用技术标准 中国标准：中国标准： GB/T 7894-2001水轮发电机基本技术条件水轮发电机基本技术条件 GB 8564-1998水轮发电机组安装技术规程水轮发电机组安装技术规程 DL/T 4431991水轮发电机组设备出厂检验一般规水轮发电机组设备出厂检验一般规定定 DL/T 507-2002水轮发电机组启动试验规程水轮发电机组启动试验规程IEC标准：标准： IEC 60034-2A用量热

40、法测定损耗用量热法测定损耗 IEC 60034-1 to 10旋转电机旋转电机4.2 励磁系统励磁系统 1. 励磁系统的功能励磁系统的功能 励磁系统的主要功能是给水轮发电机转子绕组提供电流励磁系统的主要功能是给水轮发电机转子绕组提供电流以建立磁场。通常均采用直流电流建立磁场。以建立磁场。通常均采用直流电流建立磁场。 励磁系统的主要作用是：励磁系统的主要作用是： （1）供给同步发电机励磁电流，调整励磁电流。）供给同步发电机励磁电流，调整励磁电流。 （2）提供强行励磁，提高电力系统稳定性。）提供强行励磁，提高电力系统稳定性。 （3）对发电机进行强制减磁，限制过电压。）对发电机进行强制减磁，限制过电

41、压。 （4）发生短路时，进行灭磁。）发生短路时，进行灭磁。 （5）对多台机组运行时，分配发电机无功功率。）对多台机组运行时，分配发电机无功功率。2. 主要励磁参数主要励磁参数 主要的励磁参数包括：主要的励磁参数包括： （1）励磁装置额定容量；）励磁装置额定容量；（2）励磁装置额定电压；）励磁装置额定电压；（3）励磁装置顶值电压；）励磁装置顶值电压；（4）发电机空载励磁电压；）发电机空载励磁电压；（5）发电机满载励磁电压；）发电机满载励磁电压；（6）发电机空载励磁电流；）发电机空载励磁电流；（7）发电机满载励磁电流；）发电机满载励磁电流；（8）励磁装置电压响应时间等。）励磁装置电压响应时间等。1

42、0MW以下发电机组用励磁设备10-100MW机组用励磁设备3. 常用技术标准常用技术标准 中国标准：中国标准： GB/T7409.3-1997大、中型同步发电机励磁系统技术要求大、中型同步发电机励磁系统技术要求 DL/T370-2000 进口水轮发电机进口水轮发电机(发电发电/电动机电动机)设备技术规范设备技术规范 DL/T583-1995 大中型水轮发电机静止可控硅励磁系统及装置大中型水轮发电机静止可控硅励磁系统及装置 技术条件技术条件IEC标准：标准： IEC60034-16-1(1991) Excitation system for synchronous machines, Chapt

43、er 1 Definitions IEC60034-16-2(1991)Excitation system for synchronous machines, Chapter 2 Models for power system studies IEC60034-16-3(1991)Excitation system for synchronous machines, Chapter 3 Dynamic performances5.水电站辅助机械设备水电站辅助机械设备5.1 冷却供水系统冷却供水系统 1. 用途用途 冷却供水系统用于发电机空气冷却器、机组导轴承和推冷却供水系统用于发电机空气冷却器

44、、机组导轴承和推力轴承的油冷却器、油压装置回油箱冷却器、空气压缩机水冷力轴承的油冷却器、油压装置回油箱冷却器、空气压缩机水冷却器、变压器的水冷却设备等。却器、变压器的水冷却设备等。 2. 供水方式及布置型式供水方式及布置型式 供水方式主要有：供水方式主要有：（1）自流供水方式。适用于）自流供水方式。适用于1580m水头的水电站。水头的水电站。（2）水泵供水方式。适用于水头大于）水泵供水方式。适用于水头大于100m或小于或小于15m的水的水电站。电站。（3）混合式供水方式。适用于水头变幅较大的水电站。）混合式供水方式。适用于水头变幅较大的水电站。 供水系统布置型式，主要有：供水系统布置型式，主要

45、有：（1）单元供水系统）单元供水系统（2）集中供水系统。）集中供水系统。主要设备有：水泵、滤水器、阀门、管道、以及控制仪表等。主要设备有：水泵、滤水器、阀门、管道、以及控制仪表等。单元自流供水系统示意图 4.2 机组检修排水和电站渗漏排水系统机组检修排水和电站渗漏排水系统 （1）机组检修排水系统）机组检修排水系统 （Dewatering system） 水轮机检修时排出排出尾水管、转轮室、蜗壳、压力水轮机检修时排出排出尾水管、转轮室、蜗壳、压力管道等处在尾水管以下部位的积水和来自快速闸门、进口管道等处在尾水管以下部位的积水和来自快速闸门、进口阀、尾水闸门的漏水。阀、尾水闸门的漏水。（2）电站渗

46、漏排水系统）电站渗漏排水系统 （Drainage system） 排除厂房渗漏水，主要包括厂房水工建筑物的渗水、排除厂房渗漏水，主要包括厂房水工建筑物的渗水、厂内各种设备弃水和漏水。厂内各种设备弃水和漏水。 上述排水系统采用的主要设备为水泵和水位控制仪表上述排水系统采用的主要设备为水泵和水位控制仪表等，如：卧式离心泵、深井排水泵、潜水泵等。等，如：卧式离心泵、深井排水泵、潜水泵等。 排水系统示意图 4.3 压缩空气系统压缩空气系统 （1）用途）用途 主要为电站设备提供运行所需压缩空气，由压缩空气主要为电站设备提供运行所需压缩空气，由压缩空气机、储气罐、供气管道、测量及控制元件、用气设备等组机、

47、储气罐、供气管道、测量及控制元件、用气设备等组成。成。 一般分为低压压缩空气系统和高压压缩空气系统。一般分为低压压缩空气系统和高压压缩空气系统。（2）电站主要用气项目）电站主要用气项目 - 水轮发电机制动用气；水轮发电机制动用气； - 机组调相充气压水及补气；机组调相充气压水及补气； - 维护检修用气；维护检修用气； - 水轮机主轴检修密封及进口阀空气围带用气；水轮机主轴检修密封及进口阀空气围带用气； - 水轮机强迫补气等。水轮机强迫补气等。低压压缩空气系统的压力通常为低压压缩空气系统的压力通常为0.50.8MPa。高压压缩空气系统的压力通常为高压压缩空气系统的压力通常为2.5MPa、4MPa

48、、6MPa等。等。 (3)电站压缩空气系统图电站压缩空气系统图 主要设备：压气机、储气罐、控制柜等。主要设备：压气机、储气罐、控制柜等。典型的水电站压缩空气系统示意图典型的水电站压缩空气系统示意图Compressed air for generating units Compressed air for governor pressure system4.4 电站油处理和储存系统电站油处理和储存系统 （1）油系统的作用）油系统的作用 水电站油系统主要是为了满足水电站机电设备的用油、水电站油系统主要是为了满足水电站机电设备的用油、排油要求。一般水电站油系统具有透平油系统、绝缘油系排油要求。一般水

49、电站油系统具有透平油系统、绝缘油系统和油化验等统和油化验等3个部分。对于小型水电站通常只设透平油系个部分。对于小型水电站通常只设透平油系统。统。（2）透平油系统）透平油系统 主要为水轮发电机组的各轴承提供润滑油，为水轮机主要为水轮发电机组的各轴承提供润滑油，为水轮机调速器、进口阀的油压装置提供操作用油。调速器、进口阀的油压装置提供操作用油。 透平油系统的设备主要有：滤油机、油罐、油泵及管透平油系统的设备主要有：滤油机、油罐、油泵及管路系统等。路系统等。（3）典型的油系统示意图）典型的油系统示意图典型的油系统示意图5. 水力监测系统水力监测系统 水电站水力监测系统，主要包括：水电站水力监测系统，

50、主要包括：（1）上、下游水位及电站毛水头；）上、下游水位及电站毛水头；（2）水轮机的净水头；）水轮机的净水头；（3）拦污栅前后水位差；）拦污栅前后水位差；（4）水轮机流量测定；）水轮机流量测定；（5）顶盖压力；）顶盖压力；（6）水库水温及机组冷却水温等）水库水温及机组冷却水温等。 水位测量主要采用遥测水位计、压差传感器等。水水位测量主要采用遥测水位计、压差传感器等。水轮机流量采用蜗壳差压计、超声波流量计等测定。轮机流量采用蜗壳差压计、超声波流量计等测定。 某水电站水力测量系统原理图6. 厂房起重设备厂房起重设备 （1） 用途用途 用于安装和检修机组及其辅助设备。用于安装和检修机组及其辅助设备。

51、常用桥式起重机，其工作参数主要包括：常用桥式起重机，其工作参数主要包括： 额定起重量、跨度、运行机构运行速度、起升机构起额定起重量、跨度、运行机构运行速度、起升机构起 升速度、工作制等。升速度、工作制等。 （2） 桥式吊车的选择桥式吊车的选择 主要参数：最大起重量和跨度。主要参数：最大起重量和跨度。 - 最大起重量：发电机转子带轴、水轮机转轮带轴、主最大起重量：发电机转子带轴、水轮机转轮带轴、主变压器变压器(主变需要在厂内检修主变需要在厂内检修)。 - 跨度：应满足下部块体结构中的设备布置和发电机层跨度：应满足下部块体结构中的设备布置和发电机层内设备起吊的要求。内设备起吊的要求。6.水电站辅助

52、电气设备水电站辅助电气设备5.1 发电机电压配电装置发电机电压配电装置 发电机电压配电装置为发电机主引出线至主变低压侧及发电发电机电压配电装置为发电机主引出线至主变低压侧及发电机中性点引出线的全部发电机电压设备。主要包括：发电机电压机中性点引出线的全部发电机电压设备。主要包括：发电机电压引出线、发电机电压开关柜、发电机出口和中性点设备、厂用变引出线、发电机电压开关柜、发电机出口和中性点设备、厂用变压器等发电机电压设备。压器等发电机电压设备。 （1） 发电机引出线发电机引出线 可采用高压电缆、电缆封闭母线（可采用高压电缆、电缆封闭母线（Cable enclosed bus duct）、共箱封闭母

53、线（）、共箱封闭母线（Non-segregated phase enclosed bus duct）、隔箱封闭母线（）、隔箱封闭母线（Segregated phase enclosed bus duct）和离相封闭母线（）和离相封闭母线（Isolated phase enclosed bus duct）等。）等。 对于小型水电站，隔箱封闭母线和共箱封闭母线使用比较对于小型水电站，隔箱封闭母线和共箱封闭母线使用比较广泛。广泛。 （2） 发电机出口开关设备发电机出口开关设备 水轮发电机机端输出电压通常采用水轮发电机机端输出电压通常采用6.3kV、10.5kV、13.8kV、15.75、18kV。对

54、于小型水轮发电机一般选用。对于小型水轮发电机一般选用6.3kV、10.5kV。 根据发电机输出端接线要求设置发电机电压开关柜。根据发电机输出端接线要求设置发电机电压开关柜。 设置发电机出口对提高运行可靠性、操作灵活性有利；同时设置发电机出口对提高运行可靠性、操作灵活性有利；同时也方便机组检修和调试。但初期费用加大。也方便机组检修和调试。但初期费用加大。 图示为一座装机容量为图示为一座装机容量为35MW，装设，装设2台台17MW+1台台1MW水水轮发电机组的水电站主接线图。发电机输出电压为轮发电机组的水电站主接线图。发电机输出电压为10.5kV，每台，每台发电机出口均装设发电机出口均装设KYN2

55、8A-12中置式高压开关柜。中置式高压开关柜。3 -12kV开关柜真空断路器SREPOK 3 主接线图主接线图17MWx2+1MW三台机组水电站主接线图5.2 厂用变压器厂用变压器 目前生产的厂用变压器有油浸式和干目前生产的厂用变压器有油浸式和干式两种式两种 ；由于干式变没有爆炸和火灾漫；由于干式变没有爆炸和火灾漫延的危险，布置灵活、维护方便，目前得延的危险，布置灵活、维护方便，目前得到广泛应用。到广泛应用。 5.3 厂用交流和直流设备厂用交流和直流设备 （1）厂用交流供电电源）厂用交流供电电源 向水轮发电机组和主变压器的附属设备、全厂生产向水轮发电机组和主变压器的附属设备、全厂生产辅助设备、

56、厂坝区公用设施以及空调通风和照明负荷供辅助设备、厂坝区公用设施以及空调通风和照明负荷供电的电源。电的电源。 通常采用由发电机主引出线引接厂用电源变压器的通常采用由发电机主引出线引接厂用电源变压器的方式。方式。 厂用电源的供电电压一般为交流厂用电源的供电电压一般为交流400/230V。 作为全厂控制、保护、操作、自动装置、逆变电源装置作为全厂控制、保护、操作、自动装置、逆变电源装置的电源，在事故情况下，确保电厂安全运行。的电源，在事故情况下，确保电厂安全运行。 厂用直流电源主要来自蓄电池组。直流控制电源的额定厂用直流电源主要来自蓄电池组。直流控制电源的额定电压一般采用电压一般采用220V、110

57、V。小型水电站通常采用。小型水电站通常采用110V。 一般采用铅酸蓄电池和碱性蓄电池。一般采用铅酸蓄电池和碱性蓄电池。 （2）厂用直流供电电源）厂用直流供电电源 5.4 电站计算机控制系统电站计算机控制系统（1）概述）概述 利用计算机对水电站生产过程进行自动监测和控制。利用计算机对水电站生产过程进行自动监测和控制。 计算机系统通过输入计算机系统通过输入/输出（输出（I/O）过程通道，取得电气）过程通道，取得电气量、非电量和状态量等的实时数据，经运算分析，实现对水量、非电量和状态量等的实时数据，经运算分析，实现对水电站主要设备的调节和控制。电站主要设备的调节和控制。 也可实现和电网调度中心的数据

58、交换也可实现和电网调度中心的数据交换 以及实现人机对话以及实现人机对话等。等。 计算机监控系统进一步提高了水电站的安全运行性能、计算机监控系统进一步提高了水电站的安全运行性能、发送电能的质量和运行经济效益。发送电能的质量和运行经济效益。 （2） 计算机监控系统配置原则和结构计算机监控系统配置原则和结构 目前，在中国水电站监控系统按目前，在中国水电站监控系统按“无人值班（少人值守）无人值班（少人值守）”的要求以全计算机监控方式进行总体配置，不再重复配置常规的要求以全计算机监控方式进行总体配置，不再重复配置常规设备。设备。 水电站计算机监控系统结水电站计算机监控系统结构通常有两种模式，即集中式构通

59、常有两种模式，即集中式与分层分布式。目前通常采用与分层分布式。目前通常采用分层分布式结构。分层分布式结构。 分布式结构系统一般分为分布式结构系统一般分为两部分，即中央控制层（或称两部分，即中央控制层（或称电站层）和单元控制层（或称电站层）和单元控制层（或称现地控制层）。现地控制层）。17MWx2+1MW三台机组水电站监控系统结构图 该水电站装机容量为该水电站装机容量为35MW，并为梯级开发的一级电站，主厂房，并为梯级开发的一级电站，主厂房内装有内装有2台台17MW混流式水轮发电机组（称为混流式水轮发电机组（称为“大机组大机组”）和）和1台台1MW卧式水轮发电机组（称为卧式水轮发电机组（称为“小

60、机组小机组”）。）。 该水电站监控系统是一套以光纤以太网为基础的分层分布式开放该水电站监控系统是一套以光纤以太网为基础的分层分布式开放系统。系统设备总体上分为电站层和现地控制层。系统。系统设备总体上分为电站层和现地控制层。 电站层由主工作站电站层由主工作站1套、备用工作站套、备用工作站1套及通信工作站套及通信工作站1套等组成。套等组成。 现地控制层由机组现地控制层由机组LCU 3套、公用设备套、公用设备LCU 1套、网络设备套、网络设备5套套以及软件等组成。对以及软件等组成。对3台水轮发电机组、台水轮发电机组、2台主变压器、台主变压器、4回回110kV出出线、线、2台厂变、台厂变、2台坝区变、台坝区变、1台近