水力发电原理及水电站设备简介.docx

水力发电原理及水电站概况

本课程主要内容为介绍水力发电的基本原理，以及概述性地介绍水电站各组成系统的设备的类型、作用。主要是让读者从总体上了解水电站是如何实现水能转化为电能？实现这个过程需要哪些设备的支撑？这些设备的具体分工是如何的？由于本课程为总体性概述，因此对于具体设备的工作原理和内部结构则不作具体性的阐述，若读者对这些问题感兴趣，可以参考其他水力专业性书籍。
一. 水力发电基本原理及水电站在电力系统中的工作方式
1. 水力发电基本原理
水力发电过程其实就是一个能量转换的过程。通过在天然的河流上，修建水工建筑物，集中水头，然后通过引水道将高位的水引导到低位置的水轮机，使水能转变为旋转机械能，带动与水轮机同轴的发电机发电，从而实现从水能到电能的转换。发电机发出的电再通过输电线路送往用户，形成整个水力发电到用电的过程。
如图1-1所示，高处水库中的水体具有较大的势能，当水体经由压力管道流进安装在水电站厂房内的水轮机而排至水电站的下游时，水流带动水轮机的转轮旋转，使得水动能转变为旋转的机械能，水轮机带动同轴的发电机转子切割磁力线，在发电机的定子绕组上产生感应电动势，当定子绕组与外电路接通时，发电机就向外供电了。如此，水轮机的选择机械能就通过发电机转变为电能。

2. 水电站的出力和发电量的计算
水电站在某时刻输出的功率，称为水电站在该时刻的出力。水电站的理论出力公式如下：

上式中的Q为水轮机的引用流量，Hg为水电站上、下游的高程差，称为水电站的毛水头。
水电站的实际出力公式如下：

上式中H称为水轮机的工作水头，△h为水头损失；η为水轮发电机组的总效率；K=水电站的出力系数，对于大中型水电站，K值可取为8.0～8.5，对于小型水电站，K值一般取为6.5～8.0。
3. 水电站的运行特点
目前，在我国的电力系统中，主要是火电厂与水电站以及少数的核电厂、风力发电厂、地热能发电厂联合工作。为了使得各类电厂合理分担电力系统的负荷，各种类型的电厂在电力系统中承担着不尽相同的作用。以下图2-1为电力系统日负荷曲线图：
一般来说，由于火电和核电机组在机组性能上的特点，它们一般在电力系统中主要承担基荷和腰荷的负荷，而结合水电机组的特点以及不同的季节，水电机组在承担电力负荷上选择性更为灵活。下面我们先了解一下水电站的运行特点：
（1） 水电站的工作情况随河川径流的多变而变化。水电站的出力和发电量受到天然径流来水量的影响，虽然水库具有调节径流的作用，但也只能是在一定程度上小幅度调节（水库库容越大，调节的作用就越明显），导致水电站在枯水季节出力和发电量得不到保证，丰水季节又往往由于库容不足弃水而导致水能难以利用。
（2） 水电站的运行费用与实际发出的电量多少无关。建成后的水电站，其发电量的多少主要与其来水径流量的多少有关，而其运行费用却基本不会因此而有所增减。因此，应当尽量使水电站多发电，而减少系统中火电厂的发电量，从而减低火电厂相应燃料的消耗，提高整个电力系统的经济性。
（3） 水轮发电机组操作灵活，启停迅速，通常只需要几分钟就可以启动或停机，增减负荷十分方便。因此利用水库调节，水电站适宜在电力系统中承担调峰、调频和事故备用等任务。
（4） 由于水资源及其水库具有综合利用的性质，水利系统各部门对水电站及其水库会提出各种综合利用要求，因而水电站及其水库的运行调度方式必然会受到他们的制约。
4. 水电站在系统中工作方式的一般原则
决定水电站在系统中的工作方式的原则是尽量使得电力系统供电的可靠性和经济型最大化。具体的基本原则有以下几条：
（1） 为了充分利用水能，无调节水电站适宜全年担负系统基荷工作，有调节水电站在枯水期宜在峰荷工作，随着来水增多，可从峰荷逐步过渡到担任丰水期的基荷工作。
（2） 为了节省煤耗或油耗，火电厂宜担负较为均匀的负荷，所以最好在基荷工作。但在丰水期，水电站还是应以全部装机容量在基荷工作，此时火电厂应担负峰荷，虽然单位煤耗有所增加，但可由于水电站减少弃水，从而在总体上节约了煤耗总量，使得电力系统的总成本下降。
（3） 应尽量使得各水电站机组在高效率区内运行，避免长时期在低水头、低负荷下运行。
（4） 由于核电机组调节困难，若过于频繁地大幅度调整负荷，核电机组的安全性将受到影响，所以应优先保证核电机组在基荷位置运行。
根据水电站水库的调节能力，水电站可分为无调节水电站、日调节水电站、年调节水电站以及多年调节水电站。水库的调节能力不同，导致水电站在系统中的工作方式也不一样，但总体原则是尽量减少水库不必要的弃水，若水库库容不具备调节能力，应使水电站运行在基荷位置，充分利用水资源；若水库库容尚具备调节空间，应使水电站运行在峰荷或腰荷位置，以充分发挥水电机组调节能力强、运行灵活的特点。
二. 水电站的基本类型
1. 河床式水电站
一般修建在河流中下游河道纵坡平缓的河段上，为了避免大量淹没，坝建得较低，故水头较小。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部分，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。

2. 坝后式水电站
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。

3. 坝内式水电站
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不足以布置坝后式厂房，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。另外坝内式水电站要特别注意防渗、防潮、通风、照明等问题。

4. 引水式水电站
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。当由于河谷狭窄，岸坡陡峻，或者其它原因，布置地面厂房有困难时，将厂房建在地下的山体内，则此类可称为引水地下式厂房。

5. 抽水蓄能电站
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；当系统负荷高峰时，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不足。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。
三. 水电站建筑物简介
为了控制水流，实现水力发电而修建的一系列水工建筑物，称为水电站建筑物。水电站枢纽一般由以下建筑物组成。
1. 挡水建筑物
用以拦截河流，集中落差，形成水库的拦河坝、闸或河床式水电站的厂房等水工建筑物，如混凝土重力坝、拱坝、土石坝、堆石坝及拦河闸等。
2. 泄水建筑物
用以宣泄洪水，供下游用水，放空水库的建筑物，如开敞式河岸溢洪道、溢流坝、溢洪洞及放水底孔等。
3. 进水建筑物
用以从河道或水库按发电要求引进发电流量的引水道首部建筑物，如有压、无压进水口等。
4. 引水建筑物
用以集中水头，输送流量到水轮发电机组或将发电后的水排往下游河道的建筑物，如渠道、隧洞、压力管道、尾水渠等。
5. 平水建筑物
用以平稳由于水电站负荷变化在引水或尾水系统中引起的流量及压力的变化，保证水电站调节稳定的建筑物，如有压引水式水电站的调压塔或调压井，无压引水式水电站渠道末端的压力前池。
6. 厂区枢纽建筑物
水电站厂区枢纽建筑物主要是指水电站的主厂房、副厂房、变压器场、高压开关站、交通道路及尾水渠等建筑物。这些建筑物一般集中布置在同一局部区域内形成厂区。厂区是发电、变电、配电的中心，是电能生产的中枢。
7. 过坝建筑物
用以通船、过木及过鱼等的建筑物，如船闸、鱼道等。
四. 水电站厂房的组成及布置
水电站厂房是水工建筑物、机械及电气设备的综合体，是水能转变为电能的生产场所，也是运行人员进行生产和活动的场所。因此厂房内各种机电设备安装布置是否合理，厂房内的环境是否良好对于是否便于生产人员开展工作，生产人员工作状态是否良好影响是非常大的。
1. 水电站厂房的组成
水电站厂房根据设备布置和运行要求的空间可划分为以下几大区域：
（1） 主厂房。用来安装水轮发电机组及各种辅助设备的房间成为主厂房，是水电站厂房的主要组成部分。
（2） 副厂房。布置各种运行控制设备和检修管理设备的房间，以及运行管理人员工作和生活的用房，统称为副厂房。
（3） 主变压器场。安装升压变压器的地方成为主变压器场。水电站发出的电能经变压器升压后，再经输电线路送给用户。
（4） 开关站。安装高压配电装置的地方成为开关站。发电机侧（低压侧）的配电装置，通常装设在厂房内，而其高压侧的配电装置一般在户外，称为高压开关站。开关站装设高压开关、高压母线和保护装置，高压输电线由此将电能送给电网和用户。
水电站主厂房、副厂房、主变压器场和高压开关站以及厂区交通等，组成水电站厂区枢纽建筑物，一般称为厂区枢纽。厂区是完成发电、变电和配电的主体。
2. 水电厂厂房的布置
根据大轴布置方向的不同，水轮发电机组可分为立式机组和卧式机组，一般大中型的水力发电机组所采用的都为立式机组，下面所讨论的水电厂厂房布置均指立式机组的厂房布置。
（一） 主厂房设备的布置
水电厂主厂房是安装水轮发电机组及其辅助设备的场所，根据设备布置的需要通常在高度方向上分为数层，如图4-1所示。通常以发电机层楼板高程为界，将主厂房分为上部结构和下部结构两部分。上下部结构高度之和（即由尾水管基底至屋顶的高度）就是主厂房的总高度。水轮机轴中心的连线称为主厂房的纵轴线，与之垂直的机组中心线称为横轴线。每台机组在纵轴线上所占的范围为一个机组段，各机组段和安装间长度的总和，就是主厂房的总长度，厂房在横轴型上所占的范围，就是主厂房的宽度。
发电机层设备布置。发电机层为安放水轮发电机组及辅助设备和仪表盘柜的场地，也是运行人员巡回检查机组、监视仪表的场所。如图4-2所示，发电机层楼板上一般布置有发电机上机架、调速器操作柜、油压装置、机旁盘、励磁盘、桥式吊车等主要设备以及主阀孔、楼梯、吊物孔等厂内交通设施。

水轮机层设备布置。水轮机层是指发电机层以下，蜗壳大块混凝土以上的这部分空间。如图4-3所示，在水轮机层一般布置有发电机转子和定子、水轮机顶盖、调速器的接力器、水力机械辅助设备（如油、气、水管路）、电气设备（如发电机主引出线、中性点接线、接地、灭磁装置等）、厂用电的配电设备等。

蜗壳尾水管层的布置。如图4-4所示，蜗壳尾水管层除了过流部分外，大多为大体积混凝土，布置相对简单。一般布置有进水主阀、蜗壳、供水泵、排水泵、空气压缩机等设备。

安装间的布置。由于大中型水电站的机电部件大而重，因此一般要求对外公路运输通道能直达安装间，以便于利用主厂房内桥吊装卸设备，所以安装间一般布置在主厂房有对外道路的一侧。如图4-5所示，安装间的面积可按一台机组扩大性检修的需要确定，一般考虑放置四大部件，即发电机转子带轴、发电机上机架、水轮机转轮、水轮机顶盖。同时需要考虑桥吊主钩的工作范围，预留运输通道和工作人员工作空间等其它相关因素。
（二） 副厂房设备的布置
副厂房的位置应紧靠主厂房，基本上布置在主厂房的上游侧、下游侧或端面，可集中一处，也可分为两处布置。
副厂房的各楼层一般布置有中央控制室、集缆室、继电保护室、低压开关室、通信室及远动装置室、直流设备室、厂用电设备室、母线室、各种试验室和车间、办公室及生活用房等。

水电站主要机电设备系统简介

水电站完成将水势能转化为电能的过程，除了需要形成集中水头、引导水流的水工建筑物外，还需要包括水轮机、发电机、变压器在内机电设备的正常工作。水轮机、发电机和变压器统称为水电站的三大主设备，而为了保证主设备完成生产过程，需要对主设备进行冷却、润滑、操作、控制、监视等操作。因此，根据水电站机电设备的不同功能，可将它们划分为不同的设备子系统，以便于理解和学习。但必须明确的是，各个设备子系统之间并不是完全分割的，它们之间存在着相互关联、相互影响、相互配合的关系，共同支撑起整个电站的正常运行。下图是一个水电站厂房各设备系统或主要设备之间关系的简图。

下面我们将分系统介绍水电站的主要机电设备，以使得大家能从总体上了解水电站主要设备的组成，从而对水电站的生产过程能有一个大体性的认识。
一. 水轮机
1. 水轮机的类型和应用范围
（一） 水轮机的基本类型
水轮机是将水能转化为旋转机械能的水力原动机，是水电站厂房中主要的动力设备之一，用来带动发电机工作以获取电能。由于河流的自然条件和水电站的开发方式不同，水电站的水头、 和功率差别很大，因此需要有多种型式和种类的水轮机与之相适应。现在水轮机按水能转换的特征分为两大类，即反击式水轮机和冲击式水轮机。
1) 反击式水轮机。转轮利用水流的压力能和动能做功的水轮机称为反击式水轮机。
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。
上述两大类的水轮机还可细分为以下具体的转轮型式：

（二） 常见水轮机的特点及应用范围
常见水轮机的特点及应用范围见下表：
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。

（三） 水轮机的工作参数、型号和公称直径
水轮机的工作参数主要有水头、流量、转速、功率与效率。每一种参数根据具体的应用概念的不同还可以细分为具体的参数。如水头有工作水头、设计水头、额定水头等；流量有额定流量、空载流量等，在此就不再对各种具体参数作解释，有兴趣的读者可以参阅专业的书籍。
为了统一水轮机的品种规格，以便提高质量、降低造价和便于选择使用，我国对水轮机产品型号作为规范化规定。水轮机产品型号由三部分组成，各部分用一短线分开。水轮机型号排列顺序如下：

第一部分代表水轮机的型式和转轮型号，水轮机型式用汉语拼音字母表示，转轮型号用该水轮机的比转速表示，用阿拉伯数字表示。水泵水轮机在型式代号后面加汉语拼音字母“B”。其代号规定如表1-1所示。
第二部分代表主轴布置形式和结构特征，有两个汉语拼音字母组成，前者表示水轮机主轴的布置型式，后者表示引水室的结构特征，其代号规定如表1-2所示。

第三部分代表水轮机转轮公称直径D1以及其他有关参数，用阿拉伯数字表示，单位为cm。
水轮机型号示例如下：
1) 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。
2) ZD760—LH—120（φ=+10°）：表示轴流定桨式水轮机，转轮型号为760，立轴，混凝土蜗壳，转轮公称直径120cm，转轮叶片装置（安装）角为+10°。
3) XLB200—LJ—300：表示斜流式水泵水轮机，转轮型号为200，立轴，金属蜗壳，转轮公称直径为300cm。
2. 立式混流式水轮机构成部件的介绍
在此仅对立式混流式水轮机的各主要构成部件进行简介，若需了解其他型式的水轮机，请参阅水电专业书籍。
（一） 转轮
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。如图1-1所示。
（二） 导水机构
导水机构的主要组成部分包括顶盖、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。
导水机构接力器的工作原理，如图2-2所示。图中示出两个直缸式接力器的工作情况，图示所在位置是导叶正处于中间开度，当接力器腔体内接受调速器系统送来的压力油后，便可控接力器的推拉杆，改变导叶的开度，达到调节水轮机流量的目的。
1) 导叶。导叶是导水机构的主要组成部件，均匀分布于转轮的外围、底环和顶盖之间。导叶的断面形状为翼型，首端较厚，尾端较薄，这样既可以保证强度又可以减少水力损失。导叶一般由导叶体和导叶轴组成。另外还有导叶轴套和相应密封、以及传动机构作为导叶的附件支撑导叶的正常工作。
2) 底环。是一个扁平的环形部件，位于导叶的下方，安装在座环或基础环上，它与顶盖形成流道，并用来安装导叶的下轴套。
3) 控制环。是传递接力器作用力，并通过传动机构转动导叶的环形部件。
4) 顶盖。顶盖是水轮机的主要部件，在顶盖的导叶轴孔中装有导叶套筒，顶盖上平面的支持环支撑着控制环，是水轮机的主要受力部件，要求有足够的强度和刚度。
（三） 引水部件及泄水部件
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。
1) 金属蜗壳。引水室是将水引入导水机构的通流部件。蜗壳是蜗状的有压引水室。混流式水轮机应用于中高水头电站（一般H≥40m），其引水室多采用金属蜗壳，断面形状由圆形过渡到椭圆形。蜗壳引导水流一方面作圆周运动，另一方面作径向运动，使得水流均匀轴对称地进入导水机构，故水力损失小，结构紧凑。
2) 座环。座环位于引水部件（蜗壳）与导水机构之间，由上环、下环和中间若干流线形立柱（也称固定导叶）组成。其作用是承受水轮发电机的部分重量、水轮机的轴线水推力、顶盖的重量级部分混凝土重量，并将其荷载通过立柱传给下部基础。同时，座环也是水轮机的过流部件和水轮机的安装基准件。

3) 基础环。基础环是连接底环和尾水管锥管，并在安装、大修中用于承放转轮的基础部件，也是安装时水轮机转动部分的承重件，埋设于混凝土中，转轮的下环在其内转动。
4) 尾水管。尾水管是水轮机的泄水部件，其作用是将转轮出口的水流平顺地引向下游，回收转轮出口处水流的动能并利用转轮高出下游水位的位能。常见的尾水管型式为弯肘形，其由直锥管、弯肘段和水平扩散段三部分组成。
（四） 水轮机其他部件
1) 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。此外，主轴还承受转轮轴向水推力和转动部件的重量。
2) 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。
3) 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。导轴承在结构布置上应尽量靠近转轮，以缩短转轮至轴承距离，保证主轴和转轮运行稳定性和可靠性。按润滑介质不同，水轮机导轴承可分为水润滑和油润滑两种。
另外水轮机还具有补气装置和真空破坏阀等部件，在此不再一一阐述其作用。
二. 发电机及其励磁系统
1. 发电机的基本知识
水电站中的发电机都为同步电机（以下发电机均指同步发电机），它把原动机的旋转机械能转变为电能，通过输电线路等设备送往用户。
众所周知，导线切割磁力线能产生感应电动势，将导线连成闭合回路，就有电流流过，同步发电机就是利用电磁感应原理将机械能转变为电能的。
如图2-1所示为同步发电机示意图。导线放在空心圆筒形铁芯槽里，铁芯是固定不动的，称为定子。磁力线由磁极产生，磁极是转动的，称为转子。定子和转子是构成发电机的最基本部分。为了得到三相交流电，沿定子铁芯内圆，每相隔120°分别安放着三相绕组A—X、B—Y、C—Z，转子上有励磁绕组（也称转子绕组）R—L。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。
交流电动势的频率f，决定于电机的极对数p和转子转速n，即：

上式中，n的单位为r/min。
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”。同步电机也由此而得名，它的特点是旋转与频率间有严格的关系，即：

2. 水轮发电机的类型及基本参数
（一） 水轮发电机的类型
按照水轮发电机组布置方式，水轮发电机有立式装置、卧式装置和斜式装置三种。其中绝大数水轮发电机组采用的是立式（竖轴）装置。以下所讨论如无特制均指立式水轮发电机组。
立式装置的水轮发电机，按其推力轴承的装设位置不同，分为悬式和伞式两大类。悬式水轮发电机的推力轴承位于上部机架上，在转子上方，通过推力头将机组整个旋转部分的重量悬挂起来，由此而得名。伞式水轮发电机的推力轴承，装在转子下方的下部机架上或者装在位于水轮机顶盖上推力支架上。
根据水轮发电机冷却方式的不同，可分为空冷式、水冷式、水空冷式以及蒸发冷却等方式。国产大、中型水轮发电机中绝大多数均为封闭自循环空冷方式。
（二） 水轮发电机的型号
水轮发电机的型号，是其类型和特点的简明标志。
其表示法为：

我国水轮发电机型号部分由汉语拼音组成，表示符号为：
SF----立式空冷水轮发电机；
SFS----立式水内冷水轮发电机；
SFW----卧式水轮发电机；
SFD----水轮发电—电动机；
SFG----贯式水轮发电机。
（三） 水轮发电机的基本参数
水轮发电机的基本参数，通常有额定电流In、额定电压Un、额定容量Sn或Pn、额定功率因数cosφn、额定转速nn、飞逸转速nf、转动惯量J、效率η、电抗Xd以及短路比Kd等。以上基本参数的定义概念在此不再予以解释，需要了解的读者可以参阅相关的专业书籍。
3. 水轮发电机的主要组成部件
（一） 定子
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。
（二） 转子
转子是水轮发电机的旋转部件，位于定子里面，与定子之间保持一定的空气间隙。转子通过主轴与下面的水轮机连接。它的作用是产生磁场并通过与定子相互作用，将水轮机产生的机械能转换为电能，由定子绕组输出。它由主轴、转子支架、磁轭和磁极等部分组成。磁极是显露的（凸极结构）、首尾两磁极与转子引线相连接，转子引线接至集电环，运行时由励磁装置向集电环供给直流电。
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部分的机械不平衡力。
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，同时也是磁路的一部分。
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。
（三） 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；按照机架的承载情况，可分为负荷机架和非负荷机架；按照机架的支臂结构型式可分为辐射型、井字型和桥型等。
（四） 推力轴承
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部分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。
（五） 导轴承
水轮发电机导轴承的作用是承受机组转动部分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，有的发电机具有两个导轴承，有的发电机仅具有上导轴承或下导轴承之一。
（六） 通风冷却系统
水轮发电机的冷却，直接关系到机组的经济技术指标、安全运行以及使用年限等问题。目前，国内外大、中型水轮发电机多采用全空冷方式冷却。采用全空冷方式冷却，具有制作工艺简单、运行稳定可靠等优点。
（七） 制动器
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若干支墩，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。机组在停机过程中，为了避免推力轴承因机组长期在低转速下惯性转动而导致油膜被破坏而是瓦面烧损，因此当机组停机过程中转速下降到某个值时，投入制动器强制机组较快停下来，从而保护了推力轴承瓦面。
4. 水轮发电机的励磁系统
从前面介绍发电机发电基本原理时已知道，发电机是通过定子切割由转子产生的恒稳旋转磁场而产生感应电动势的，而转子之所以能产生恒稳的电磁场，则是由于励磁系统向其磁极绕组供给了直流的励磁电流。由此可知，励磁系统是指向发电机转子供给励磁电流的一系列相关设备的统称。励磁系统主要包括励磁变压器（或者励磁机）、励磁开关、整流桥、励磁调节器、灭磁开关、启励装置、强励装置和欠励限制器等装置。
励磁系统通过调节供给转子磁极绕组的励磁电流的大小，可以达到实现对发电机无功功率调节的目的。当发电机处于过励运行状态时，发电机向电网输出滞后无功功率（输出电感性无功功率），当发电机处于欠励运行状态时，发电机向电网吸收滞后无功功率（输出电容性无功功率）。
需要说明的是调节励磁电流只能调节无功功率，不能改变有功功率。只有调节原动机的转矩，也就是调节水轮机的进水量，才能调节发电机的有功功率。
三. 主变压器
1. 变压器基本知识
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。
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。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。
变压器型号表示方式如下：

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。以上基本参数的定义概念在此不再予以解释，需要了解的读者可以参阅相关的专业书籍。
2. 变压器的分类
按绕组数目分可分为自耦变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。
按相数分类可分为单相变压器、三相变压器和多相变压器。
按冷却方式分类可分为油浸自冷变压器、油浸风冷却变压器、油浸强迫油循环变压器、干式变压器和充气式变压器。
3. 变压器的基本结构
目前，主变压器大多数为油浸式变压器，它主要由铁芯、绕组、油箱、绝缘套管出线装置、冷却装置和保护装置等部分组成。其基本结构组成部分如下：

（一） 铁芯
铁芯是变压器最基本的组成部分之一，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。
（二） 绕组
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。
（三） 变压器的冷却
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达到散热目的。强迫油循环冷却包括风冷、水冷两种。
（四） 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，吸附剂干燥时为蓝色，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干燥。
3) 防爆管（安全通道）：防爆管安装在电力变压器的油箱盖上，作为变压器内部发生故障时，防止油箱内产生高压力的释放保护。
（五） 变压器的调压装置
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。电压波动范围一般规定不得超过额定电压值的±5%。为了保证这一要求，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。
四. 水电站的电气主接线
1. 电气主接线概述
在水电站中，由各种一次电气设备及其连接线所组成的输送和分配电能的电路，称为水电站的电气一次回路。电气一次回路中各电气设备根据它们的作用，按照连接顺序，用规定的文字和符号绘成的图形称为电气主接线图，它能说明电能输送和分配的关系。电气主接线的设计是水电站电气部分设计中的一个重要环节，它对系统运行、电气设备的选择和厂房、开关布置等都起到决定性的作用，并长期影响这运行安全和质量。
在电气主接线图中，要标出发电机、变压器、断路器、电压互感器、电流互感器和避雷器等设备及载流导体的型号、规范、数量。绘图时为了清晰和方便，一般将三相电路绘成单线图，必要时局部用三线表示。
设计电气主接线的任务，主要是选择主变压器、断路器以及互感器和避雷器、载流导体等的型号、规格和数量，并确定其连接方式。
（一） 对电气主接线的基本要求
1) 根据系统与用户的要求，保证必要的供电可靠性和电能质量。特别是供电可靠性问题，始终是电气主接线设计和运行好坏的重要指标。
2) 具有一定的灵活性。
3) 尽可能简单明显、运行方便，是设备切换所需的操作步骤最少，减少可能因误操作而造成的损失，并易于实现自动化。
4) 在满足供电可靠性、灵活性及运行方便的基础上，应尽量做到技术先进、经济合理。
5) 在需要分期建设和分期投产时，主接线应能适应这个特点，采取过渡接线。
（二） 电气主接线形式
在水电厂中，常用主接线形式可分为有母线和无母线两大类。具有母线的主接线有：单母线、双母线、分段的单、双母线及附加旁路母线的单、双母线等。无母线的主接线有：单元接线、桥形接线和多角形接线等。
具有母线的主接线：一般具有四回以上进、出线就可设置母线。其优点是进、出线回路数可以增加，缺点是扩大了配电装置的结构，并增加了故障几率。
无母线的主接线：特点是接线简单、清晰明显，运行和操作方便，但进、出线回路数受到限制。
2. 常用主接线的类型特点及其适用范围
在此仅对单母线接线、单母线分段接线、单元及扩大单元接线、多角形接线这几种接线方式进行介绍，其余未介绍的主接线类型请读者自行参阅相关专业书籍。
（一） 单母线接线
接线方式如图4-1所示：
优点：简单明显，采用设备少，操作方便，便于扩建，造价低。
缺点：供电可靠性低，母线及母线隔离开关等任一元件故障或检修时，均需使整个配电装置停电。
适用范围：一般只在变电所建设初期无重要用户或出线回路不多的单电源、小容量的厂（所）中使用。
（二） 单母线分段接线
接线方式如图4-2所示：
优点：具有单母线接线简单清晰、方便经济的优点，又在一定程度上提高了供电可靠性。
缺点：当一段母线隔离开关故障或检修时，该母线上的所有回路都要长时间停电。
（三） 单元及扩大单元接线
1) 单元接线
在水电站中，发电机与变压器直接连成一个单元，称为发电机----变压器单元接线（简称单元接线），这种接线应用在将发电机发出的全部电能以升高电压（35kV以上）输入电网的水电厂中，由于采用的变压器不同，单元接线又可分为发电机----双绕组变压器单元接线和发电机----三绕组（或自耦）变压器单元接线两种。
接线方式如图4-3所示：
优点：接线简单清晰，不设发电机电压母线，发电机或主变压器低压侧故障时短路电流减小，电气设备减少，操作简便和继电保护简化。
缺点：对于发电机----变压器单元接线，当一组单元中某个元件故障或检修时，整个单元将停止运行。
2) 扩大单元接线
采用两台（或三台）发电机与一台变压器连接的接线称为扩大单元接线，如图4-4所示。
优点：与单元接线相比，扩大单元接线减少了主变压器和主变压器高压侧的断路器的数量，减少了高压侧连接回路数，从而简化了高压侧接线。另外任一机组停机都不会影响自用电的供给。
缺点：当变压器发生故障或检修时，该扩大单元的所有发电机的电能都不能送出。但实际运行经验表明，主变压器的事故率是很少的，因此，目前运行的水电厂中，广泛采用扩大单元接线。
（四） 多角形接线
如图4-5所示：

多角形接线的各种断路器互相连接而成闭合的环状，是一种单环形接线，每一个回路都经两个断路器连接，实现了双重连接的原则，在角数不多的情况下，具有较高的可靠性和灵活性。而且由于断路器的数量较少，利用的也最有效，所以，多角形接线还具有较大的经济型。
优点：设备少，投资省；可靠性和灵活性比较好；占地面积小。
缺点：断路器数量不能多，即进出线回路数要受到限制，因为在环形接线中一台断路器检修时，多角形接线就要开环运行，故降低了安全可靠性。
3. 主接线上常见的电气设备简介
（一） 高压断路器
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。
（二）