精选水电厂设备的组成、结构和基本原理

水电厂设备的组成、结构和基本原理

2017目录/Contents01020304水机设备组成及用途电气设备组成及基本原理辅助设备组成及作用水电站基本类型01水电站基本类型河床式水电站水电站基本类型河床式水电站的引用流量一般较大，属于低水头大流量型水电站。其特点是：厂房与坝一起建在河床上，厂房本身承受上游水压力，并成为挡水建筑物的一局部，一般不设专门的引水管道，水流直接从厂房上游进水口进入水轮机。坝后式水电站水电站基本类型坝后式水电站一般修建在河流中上游的山区峡谷地段，受水库淹没限制相对较小，所以坝可建得较高，水头也较大。由于水头较高，厂房不能承受上游过大水压力而建在坝后〔坝下游〕。其特点是：水电站厂房布置在坝后，厂坝之间常用缝分开，上游水压力全部由坝承担。坝内式水电站水电站基本类型坝内式水电站是指将厂房布置在拦河坝体内部，采用如此布置主要是由于河谷狭窄缺乏以布置坝后式厂房，而坝高足够允许在坝内留出一定大小的空腔布置厂房。由于坝内式水电站的厂房布置在溢流坝内，坝体内部的空腔削弱了坝体强度，并使得坝体应力复杂化。由于厂房尺寸受到坝体尺寸的限制，因此此类水电站的机电设备选择在尺寸上也受到相应的限制。引水式水电站水电站基本类型发电用水来自较长的引水道，厂房远离挡水和进水建筑物，厂房上游不承受水压力，厂房布置在引水系统末端的的河岸上。由于厂房布置在地面的河岸上，因此称为引水河岸式水电站。抽水蓄能电站水电站基本类型抽水蓄能电站可认为是一种特殊类型的水电站。水电机组具备启停迅速、运行灵活，适宜担任调峰、调频和事故备用负荷等特点，而抽水蓄能机组可将水电机组上述特点发挥到极致。抽水蓄能电站不是为了开发水能资源向系统提供电能，而是以水体为贮能介质，对电力系统起到调节作用。抽水蓄能电站包括抽水蓄能和放水发电两个过程，它有上下两个水库，一般用压力管道相连，蓄能电站厂房建在离下水库不远的地下山体内。在系统负荷低谷时，利用系统多余的电能带动泵站机组〔电动机+水泵〕将下库的水抽到上库，以水的势能形式储存起来；当系统负荷顶峰时，将上库的水放下来推动水轮发电机组〔水轮机+发电机〕发电，以补充系统中电能的缺乏。由于抽水蓄能电站较之常规水电站可运行的工况更多，因此其在对电力系统的调节功能上更为灵活。02水机设备组成及用途水机设备组成及用途水轮机调速器水机设备组成主阀水轮机的类型和应用范围1水轮机水轮机的基本类型、常见水轮机的特点和应用范围、水轮机参数和型号立式混流式水轮机构成部件的介绍转轮、导水机构、引水机构、泄水部件及其他部件水机设备组成及用途

水轮机按工作原理分为两大类，即还击式水轮机和冲击式水轮机。1〕还击式水轮机。转轮利用水流的压力能和动能做功的水轮机称为还击式水轮机。2〕冲击式水轮机。转轮只利用水流的动能作功的水轮机称为冲击式水轮机。水机机的基本类型常见水轮机的特点及应用范围转轮型式一般适应水头〔m〕特点混流式25～450结构简单，运行可靠、效率高、应用水头范围广，一般适用于中高水头水电站。轴流定桨式3～50结构简单，但高效率区范围较窄，适用于负荷及水头边幅较小的水电站。轴流转桨式2～88结构较为复杂，由于导叶和桨页能双重调节，因此具有较大范围的高效率区，适用于低水头、大流量和负荷变化较大的水电站。斜流式40～200也可实现导叶和转轮叶片双重调节，具有较宽的高效率区，但结构复杂，造价较高，一般用于大、中型水电站。贯流式2～30一般具有较高的效率，适用于低水头、大流量的河床式水电站。水斗式40～2000适用于高水头、小流量的水电站。斜击式25～300一般适用于中小型水电站。双击式5～150结构简单，制造方便，但效率低，一般适用于小型水电站。可逆混流式水泵水轮机50～700适用于抽水蓄能电站，兼有水轮机和水泵的特点，可实现双向旋转使得水流方向相反，从而实现水轮机和水泵的功能。

水轮机产品型号由三局部组成，各局部用一短线分开。水轮机型号排列顺序如下：水轮机的型号的含义例：HL180—LJ—550：表示混流式水轮机，转轮型号为180，立轴，金属蜗壳，转轮公称直径为550cm。

转轮是水轮机将水流能量转变为旋转机械能的核心部件，要求转轮具有良好的水力性能，足够的强度和刚度。混流式水轮机转轮一般有上冠3、叶片4、下环7、止漏装置2和6、泄水锥5和减压装置1组成。立式混流式水轮机构成部件——转轮

导水机构的主要组成局部包括顶盖、底环、控制环、导叶、导叶套筒、导叶传动机构〔包括导叶臂、连杆、连接板〕和接力器等部件。立式混流式水轮机构成部件——导水机构控制环导叶连杆活动导叶导叶套筒顶盖底环作用：调节通过机组过流系统的水的流量，到达控制机组转速的目的。

混流式水轮机的引水部件主要由金属蜗壳、座环和基础环组成。水轮机的泄水部件主要由尾水管、泄水锥组成。立式混流式水轮机构成部件——引水部件及泄水部件引水部件作用：以较小的水力损失把水流均匀地、对称地引入导水部件，并在进入导叶前形成一定的环量。泄水部件作用：引导水流进入下游，尾水管同时还在转轮后形成真空，利用转轮出口到下游尾水之间的位能，恢复转轮出口处的局部动能损失，以提高效率。

主轴。主轴是水轮机的主要部件之一，它的一端于发电机连接，另一端接水轮机转轮。它的作用是将水轮机的旋转机械能传递给发电机，从而带动发电机转子旋转。立式混流式水轮机构成部件——其他部件主轴密封。主轴密封是用以减少主轴与固定部件之间漏水的装置，是水轮机正常工作的重要保护装置。水轮机导轴承。导轴承是保持主轴中心位置，并承受径向力的轴承。水轮机导轴承的主要作用是承受机组运行中主轴传来的径向力和振摆力，约束主轴轴线位置。转子连接法兰推力轴承配合面水导轴承配合面缸体连接法兰另外水轮机还具有补气装置和真空破坏阀等部件。水轮机的进水蝶阀系统2进水阀系统的构成、用途与特点、主要组成局部说明液压系统液压系统的构成、局部元器件原理水机设备组成及用途水轮机进水蝶阀系统——系统的构成

当机组甩负荷又恰逢调速器发生故障不能动作时，进水阀可以在动水情况下关闭，切断水流，防止机组过速的时间超过允许值，防止事故扩大。检修水轮机时，用以截断水流。当机组长时间停机时，关闭进水阀，可大幅度减少导叶漏水量。当机组暂时停运时，不需关闭引水管进水闸门，只需关闭进水阀，以便引水管保持充水，使机组能快速启动。当电站由一根总引水管引水，同时供给几台机组发电时，如果其中一台机组需要检修，这时只需关闭该机的进水阀，而不会影响其他机组的正常运行。水轮机进水蝶阀系统——用途与特点用途特点阀门在全关位置设有液压锁锭装置和机械锁锭装置，防止检修水轮机时因误操作阀门发生意外事故；阀门全开到位后主接力器采用保压措施，保压电磁球阀动作提供液压持住力保证蝶阀处在全开位置。控制系统以PLC〔可编程控制器〕为核心。可就地操作进水阀、旁通阀的开和关，也可由中控室对整个进水阀系统进行自动控制。水轮机进水蝶阀系统——主要组成局部说明进水阀主体水轮机进水蝶阀系统——主要组成局部说明旁通阀在主阀开启前，上游压力水通过旁通管路向蜗壳充水平压。正常工作时，检修阀处于常开状态，当旁通系统检修时，检修阀处于关闭状态。排气阀当开启或关闭主阀时，空气阀自动对管路进行排气或补气。正常工作时，检修阀处于常开状态，检修空气阀时，检修阀处于关闭状态。平压检测装置当阀门开启时，差压控制器用来检测上下游的压力差，将其开关量信号传至控制柜，并入阀门的开关程序中。水轮机进水蝶阀系统——工作程序水轮机进水蝶阀液压系统——构成水轮机进水蝶阀液压系统——蓄能器工作原理：囊内装氮气，囊外充液压油。当油泵将液压油压入蓄能器壳体4内时皮囊就受压变形，气体体积随压力增加而减少。液压油被逐渐储存。假设液压系统工作需要液压油时，则蓄能器将液压油排出。充气步骤：蓄能器上面孔充氮气，先翻开上盖1，然后把充氮工具的出口接头装在充气阀2上，把充氮工具的进口接头装在氮气瓶上，翻开氮气瓶上的截止阀，氮气就进入蓄能器皮囊3内，充氮压力8~9MPa，用充氮工具或充氮小车充入，蓄能器下面孔进液压油。水轮机调速器系统3调速器系统的构成、用途与特点、主要组成局部说明油压装置系统液压系统的构成、局部元器件原理水机设备组成及用途水轮机调速器系统——调速器水轮机调节的定义：随着电力系统负荷变化，水轮机相应地改变导叶开度，使水轮机组转速维持在某一预定值，或按某一预定的规律变化，这一过程称为水轮机调节调节实质：调节转速水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器。水轮机+导水机构+调速器——水轮机自动调节系统调节流量Q的途径：还击式：通过改变导叶开度，同时改变桨叶片转角。冲击式：通过改变喷嘴开度。水轮机调节的作用：能自动调节水轮发电机组的转速，使其保持在额定转速允许偏差内运转，以满足电网对频率质量的要求。能使水轮发电机组自动或手动快速启动，适应电网负荷的增减，正常停机或紧急停机的需要。当水轮发电机组在电力系统中并列运行时，调速器能自动承担预定的负荷分配，使各机组能实现经济运行。水轮机调速器系统——调速器基本组成1〕测量元件。在调速器中主要是测量机组转速。微调中以硬、软件结合进行数字测频。2〕综合元件。将测频元件、反响元件送来的信号加以综合，并将综合后的信号作为调节信号送给放大元件。微调中是由软件来控制。3〕

放大元件。将综合元件送来的调节信号加以放大，以操作执行元件。微调中由电路与液压局部联合完成。4〕执行元件。根据放大后的调节信号，操作导水机构，改变导叶开度。执行元件一般均指水轮机接力器。5〕

反响元件。用于保证调节的适度性和稳定性。微调中均采用位移传感器完成信号反响。水轮机调速器系统——调速器压油装置03电气设备组成及基本原理电气设备水轮发电机主变压器配电装置厂用电系统电气设备组成及基本原理1发电机发电机基本原理发电机主要部件及原理水机设备组成及用途水轮发电机——工作原理水轮发电机是指以水轮机为原动机将水能转化为电能的发电机。水流经过水轮机时，将水能转换成机械能，水轮机的转轴又带动发电机的转子，将机械能转换成电能而输出。是水电站生产电能的主要动力设备。通过电刷和滑环的滑动接触，将励磁系统产生的直流电引入转子励磁绕组，产生恒稳的磁场。当转子被原动机带动旋转后，定子绕组〔也称电枢绕组〕不断切割磁力线，就在其中感应出电动势来。感应电动势的方向由右手定则确定。由于导线有时切割N极，有时切割S极，因而感应出的是交流电动势。转子不停地旋转，A、B、C三相绕组先后切割转子磁场的磁力线，所以在三相绕组中电动势的相位是不同的，依次差120°，相序为A、B、C。当发电机带上负荷后，三相定子绕组中的定子电流〔电枢电流〕，将合成产生一个旋转磁场。该磁场于转子以同速度、同方向旋转，这就叫同步发电机。水电站中的发电机都是同步发电机。发电机原理水轮发电机——主要组成部件定子定子铁芯定子绕组引出线定子机座空冷器定子是水轮发电机的固定部件之一。它主要由机座、铁芯、绕组以及引出线等其它部件组成。1〕定子机座。主要作用是固定定子以及承重。2〕定子铁芯。定子铁芯是水轮发电机磁路的主要通道。由于定子铁芯中存在交变磁通，才在定子绕组上感应出交变电流。因此，把定子铁芯称为磁电交换元件，并在铁芯齿槽中固定定子绕组。3〕定子绕组。定子绕组的作用是，当交变磁场切割绕组时，便在绕组中产生交变电动势和交变电流，从而完成水能→机械能→电能的最终转换。水轮发电机——主要组成部件转子转子支架磁轭磁极装配顶轴集电环组件转子引线1〕主轴。主轴的主要作用是起到连接发电机与水轮机，将水轮机的旋转机械能传递给发电机转子，另外主轴还承受由于推力负荷引起的拉应力，以及承受单边磁拉力和转动局部的机械不平衡力。2〕转子支架。大、中型水轮发电机的转子支架式连接主轴和磁轭的中间部件，并起到固定磁轭和传递转矩的作用3〕磁轭。磁轭也叫轮环。它的作用是产生转动惯量和固定磁极，同时也是磁路的一局部。4〕磁极。当直流励磁电流通入磁极线圈后就产生发电机磁场，因此磁极是产生磁场的部件。水轮发电机——主要组成部件机架机架是水轮发电机不可缺少的重要部件之一。按照机架所安放的位置不同，一般分为装在发电机定子上部的上机架和装在定子下部的下机架水轮发电机组的推力轴承是一种承受整个水轮发电机组转动局部的重量以及水轮发电机的轴向水推力的滑动轴承，按液体润滑理论，在镜板和推力瓦之间由于镜板的旋转运动，会建立起厚度为0.1mm左右的油膜，形成良好的润滑条件，同时经推力轴承将这些力传递给水轮发电机的荷重机架。它是水轮发电机组最重要的组成部件之一，其工作性能的好坏，将直接关系到机组的安全和稳定运行。推力轴承水轮发电机导轴承的作用是承受机组转动局部的径向机械不平衡力和电磁不平衡力，维持机组主轴在轴承间隙范围内稳定运行。发电机导轴承根据安装位置是在转子上方还是下方可分为上导轴承和下导轴承制动器一般位于转子制动环的下方，中、小型机组一般直接安装在下支架上，大型发电机制动器则有独立的基础，即在对应制动环的下部设假设干支墩，每个支墩上放置1～2个制动器。制动器的作用有两个，一是制动，二是顶转子。导轴承制动器水轮发电机——轴流式基础尾水管泄水锥轮叶转轮体转轮室底环蜗壳座环导叶支持盖顶盖导叶操作机构受油器永磁机上机架上挡风板定子转子下挡风板推力轴承下风罩推力支架柱段推力支架锥段空冷器水轮发电机——灯泡贯流式2主变压器主变压器基本原理主变压器主要部件及原理水机设备组成及用途主变压器——工作原理

变压器是一种静止的电器，借电磁感应，把一种交流电的电压和电流，变为另一种或几种频率相同但数值不同的电压和电流。①升压变压器。要将一定大功率的电能输送到远方用户去，如果用较低的电压，则电流将很大，而线路的功率损耗与电流的平方成正比，这将造成巨大的能量损失。另一方面，大电流在线路上引起很大的电压损失，使得用户无法应用合格的电压，故必须采取升高电压减小电流的措施。②降压变压器。电能送到受端时，输电线的高电压必须经降压变压器，将电压降到用户所需的数值，以供使用。③隔离变压器。隔离变压器通常是电压1：1的变压器，变压器不起变压作用，在电路中只有磁的联系，没有电的直接联系，起到隔离作用。隔离变压器的主要用途和作用有：1〕抗干扰作用：如通过Y/△接线的隔离变压器后，能够阻止一局部谐波的传输；2〕阻抗变换作用：增加系统阻抗，使保护装置等容易配合；3〕稳定系统电压的作用：如启动大负荷设备时，减少对系统电压的影响；4〕防止系统接地的作用：当隔离变压器负荷侧发生单相接地时，不会造成整个系统〔隔离变压器以上局部〕单相接地；5〕降低短路电流：当负荷侧发生短路事故时，限制系统的短路电流；变压器作用主变压器——参数参数及型号

变压器的主要参数包括有：额定容量Sn、额定电压Un、额定电流In、阻抗电压Ud、短路损耗△Pd、空载损耗△P0、空载电流I0、温升、接线组别例：六三五电站主变型号为：SF9-20000/110主变压器——主要组成部件主要组成部件主变压器——主要组成部件铁芯铁芯是变压器最基本的组成局部之一，变压器的一、二次绕组都绕在铁芯上。铁芯是磁力线的通道，使得通有交变电流的一、二次绕组能相互作电磁感应。为了减低铁芯的发热损耗，大型的变压器的铁芯基本都采用了薄硅钢片叠装而成。电力变压器的绕组是电流的通道，一般采用同心圆筒形绕组，高压绕组在外层，低压绕组在内层，这主要是从对绝缘要求容易满足和便于引出高压分接开关来考虑的。绕组变压器运行时，电流通过绕组以及铁芯中的涡流和磁滞损耗都要产生热量，这些热量依靠变压器油不间断的循环二散发出来。大型变压器一般采用强迫油循环冷却来到达散热目的。强迫油循环冷却包括风冷、水冷两种。冷却装置调压装置电力系统正常运行时，必须控制电压波动范围，保证电能质量。通常采用改变变压器的绕组匝数的调压方式。双绕组变压器只在高压侧装设改变绕组有效匝数的分接开关。三绕组变压器在高、中压侧分别装设改变绕组有效匝数的分接开关。按照调压方式，变压器调压可分为无载调压和有载调压两种。主变压器——主要组成部件安全保护装置1〕油枕：容纳因变压器温度升高二膨胀增加的变压器油，同时限制油与空气的接触面，减少油受潮和氧化的程度〔油枕上安装吸湿器与空气连通〕。

2〕吸湿器：吸湿器又称为呼吸器，内部充有吸附剂如硅胶式活性氧化铝，吸附剂枯燥时为蓝色，当吸收水分后会逐渐变为淡红色，此时必须更换或对其进行枯燥。3〕瓦斯继电器〔又称气体继电器〕是变压器所用的一种保护装置，装在变压器的油枕和油箱之间的管道内，利用变压器内部故障而使油分解产生气体或造成油流涌动时，使气体继电器的接点动作，接通指定的控制回路，并及时发出信号告警〔轻瓦斯〕或启动保护元件自动切除变压器〔重瓦斯〕。4〕压力释放阀：当油浸式变压器在运行中出现故障时，由于线圈过热，使一局部变压器油汽化，变压器油箱中压力迅速增加，这时压力释放阀在2ms内迅速动作，保护油箱不致变形或爆裂。油箱内的压力再升高而到达开启压力时，压力释放阀就再次动作，直到油箱内的压力降到正常值。由于压力释放阀动作后能可靠关闭，油箱外的水和空气不能进入油箱，变压器内部不会受大气污染。3配电装置配电装置概念配电装置作用水机设备组成及用途配电装置概念概念操作配电装置是接受电力和分配电力的电气设备。它包括开关柜、断路器、隔离开关、互感器、电缆、母线、过电压保护装置、瓷瓶套管等。a〕停电操作：应先断开断路器〔远方或就地〕，再拉开负荷侧隔离开关，最后拉开电源侧隔离开关，做好安全措施；b〕送电操作：撤除安全措施后，先合上电源侧隔离开关，再合上负荷侧隔离开关，最后合上断路器〔远方或就地〕。配电装置简介断路器在发电厂和变电所中，高压断路器是指1000V以上电路中的主要设备。在正常运行时，用来接通或断开电路的负荷电流；故障时，用来迅速断开短路电流，切除故障电路。根据断路器的装设地点，可分为户内和户外两种；根据断路器使用的灭弧介质，可分为油断路器、空气断路器、六氟化硫〔SF6〕断路器、真空断路器。隔离开关是高压开关设备的一种。在结构上，隔离开关不具有断路器所拥有的灭弧装置，因此不能用来拉合负荷电流和短路电流。隔离开关的主要作用包括：1〕设备检修时，用隔离开关来隔离有电和无电局部，形成明显的断开点，以保证工作人员和设备的安全。2〕隔离开关和断路器相配合，进行倒闸操作，以改变运行方式。可用来断开小电流电路和旁路电流。隔离开关禁止用隔离开关进行以下操作：——断路器在合闸位置带负荷拉、合隔离开关；——无并列断路器的情况下，带电倒母线或给另一母线充电；——接有消弧线圈的变压器中性点，当系统接地时，拉合消弧线圈刀闸。5.3.3.5允许用刀闸进行的操作：——拉、合无故障的电压互感器、避雷器；——拉、合无故障的各级空载母线及直接连接在母线上的设备的电容电流；——拉、合变压器中性点接地刀闸，但电网系统有接地故障时禁止操作；——与开关并联的刀闸，当开关合上时，可以拉、合开关的旁路电流〔必须先切断开关的操作电源〕；——拉、合励磁电流不超过2安的无负荷变压器和电容电流不超过5A的空载线路；——接通或断开电压为10kV、容量为320kVA及以下的空载变压器。配电装置简介互感器过压保护和接地保护装置互感器包括电流互感器和电压互感器，是一次设备和二次设备间的联络元件，将一次回路中的大电流、高电压变为二次回路中的小电流和低电压，分别向测量仪表、继电器的电流线圈和电压线圈供电，从而正确反映电气设备的正常运行参数和故障情况的电气设备。避雷器是水电站防雷击过电压保护措施之一。它的主要作用是当雷击冲击波沿着线路传入水电站超过避雷器保护水平时，避雷器首先被击穿放电，将雷电压幅值限制在被保护设备雷电冲击水平以下，使电气设备受到保护。过压保护和接地保护装置运行中的本卷须知：1避雷器上的在线监测仪，当打雷、下雨或系统过电压时，应及时检查其动作情况，并做好记录。2避雷器每年测试一次，防雷设备的接地电阻每两年测试一次，接地电阻应符合规程要求，并分别检测设备外壳和构架接地引下线的接地电阻，以便判断有无锈蚀、断裂现象。3雷雨时不得接近防雷设备，可在10米外观察避雷针的摆动情况。4避雷针接地装置如接地电阻过大，通过雷电流时，接地线电位将升的很高，假设作用在电气设备上，可能损坏其绝缘。因此避雷针的接地电阻不应超过规定值〔主接地网不超过0.5欧，避雷针不超过10欧〕，避雷针与电气设备的距离不得过近，以防雷电还击。5雷雨天气，值班员巡视室外高压设备应穿绝缘靴，并不得靠近避雷针和避雷器。6所有电气设备及设施的金属外壳，均应可靠接地。主变的金属外壳、断路器及传动机构的金属底座外壳、电流互感器的二次线圈、配电盘及控制盘的外壳和电压在36V以上的电开工具的金属外壳等。04辅助设备组成及作用辅助设备油系统水系统气系统辅助设备组成及基本原理1油系统辅助设备组成及用途在水电站中，机组调节系统工作时，能量的传递和机组转动局部的润滑与散热，一般都是用油作为介质来完成的。油系统是为水电厂用油设备效劳的。油系统由一整套设备