水轮发电机组

[拼音]：shuilun fadianjizu

[外文]：water-wheel generator set

由水轮机和发电机组合而成的发电动力装置。设置在水电站中，执行把水能转换成电能的功能。机组中水轮机作为原动机，它利用水的能量运转，驱动发电机发电。常用的水轮机有冲击式、反击式、贯流式和可逆式。发电机则均采用同步发电机。

由于水电站的自然条件和工况各异，水轮发电机组的容量和转速变化范围很大。可按其尺寸大小和结构特征划分其容量和转速（见表）。

特点

水轮发电机与其他发电机相比有一些不同的特点：

（1）它需有较大的飞轮力矩。因此，发电机的转子直径及整机的外形尺寸都比较大。

（2）水电站一般离负荷中心较远，需通过长距高压输电线路向负荷供电。因此，要求水轮发电机有较高的动态稳定和静态稳定特性。

（3）水轮发电机的转子直径大，选用的材料要求又不及汽轮机、燃汽轮机的高。所以，虽然其转速不及后两者，但仍需考虑万一达到飞逸转速时对材料强度的要求，以保证其可靠性。

基本数据

水轮发电机组的基本数据包括额定容量、额定电压、额定功率因数、电抗与短路比、飞逸速度、飞轮力矩等。

额定容量

通常以兆伏安或千伏安计。水电站选择机组容量和台数需考虑枢纽布置，电力系统运行的要求，机组在系统中调度的灵活性，设备制造、运输、安装、造价等多种因素。在保证电力系统运行安全、灵活的条件下，采用单机容量较大、台数较少的方案有利机组的高效率，并可简化水电站的枢纽布置，加快施工进度和总投资。但通常不少于两台。

额定电压

它的选取要从额定容量、电磁负荷、电站的技术经济指标及电力系统输配电设备等方面综合考虑。一般来说，在合理范围内，电压取低值，电机的经济指标要好一些。

额定功率因数

对它的选择既要考虑发电机的造价、对水电站设备和电力系统无功补偿装置的影响和投资，又要考虑由电站输送无功功率造成的功率损失，同时，还要计及它超过设计水头运行多发电的效益，特别是在建站初期，只有一、两台机组投运(其余机组未装完)以及可能发生弃水的情况下，更应考虑这种运行性的可能性与合理性。大型水电站多处深山狭谷，远离负荷中心，功率因数可适当提高。通常情况下，功率因数取值为0.8～0.9。

电抗

包括直轴同步电抗、直轴瞬变电抗和超瞬变电抗。直轴同步电抗(X_d)指机组正常稳定运行时，发电机直轴呈现的电抗。其值为发电机额定相电压和额定相电流之比。减少同步电抗可提高电力系统输送功率的极限，但须增加电机尺寸和造价。超瞬变电抗(X廐)指发电机运行状态突变(如突然短路或自同步合闸时)的暂态过程的起始瞬间，对应电枢反应磁通磁路的磁阻最大、电抗最小。瞬变电抗(X媁)则是在暂态过程中，超瞬变电抗在过程的初始一段时间内迅速增大到某一值。这之后，电抗缓慢增大到同步电抗。X媁的变化对电力系统的静态稳定有重大影响，减小X媁可以提高静态稳定的储备系数，但X媁的变化对动态稳定影响有限。X廐是计算短路电流的重要数据，对选择水电站的电工设备有直接影响。

飞轮力矩

当电力系统发生故障，水轮发电机突然和系统解列时，由于水轮机导水机构关闭需要一定时间，这一时间内，机组转速将升高。为控制转速上升值，要求水轮发电机具有一定的飞轮力矩(GD²)。 它是指发电机转动部分的重量和惯性直径D 的平方的乘积。它直接影响电力系统受到大干扰时所需极限切除时间，对电力系统的暂态过程和动稳定有很大影响。在一定极限切除时间内，GD²越大可以提高输送功率。同时GD²大，机组甩负荷后转速上升率较低，这可以减小引水钢管的直径，或增加钢管长度。但GD²加大会增加发电机重量和造价。

辅助设备

水轮发电机组的辅助设备主要包括冷却装置、制动装置、调速装置等。

冷却装置

水轮发电机的冷却主要采用空气冷却，以通风系统向发电机定、转子以及铁心表面进行冷却。但随着单机容量的增长，定、转子的热负荷不断提高，为了在一定转速下提高发电机单位体积的输出功率，大容量水轮发电机采用了定、转子绕组直接水冷的方式；或者定子绕组用水冷，而转子用强风冷却。

制动装置

额定容量超过一定值的水轮发电机均设有制动装置。其作用是在发电机停机过程中，当转速降低到额定转速的30～40％时，对转子实施连续制动，以避免推力轴承因低转速下油膜被破坏而烧损轴瓦。制动装置的另一作用是在安装、检修和起动前，用高压油顶起发电机的旋转部件。装置采用压缩空气制动。

调速装置

包括调速器和油压装置。调速器的作用是调节水轮机转速，以保证输出电能的频率符合供电要求，并实现机组操作(开机、停机、变速、增、减负荷)、安全经济运行。为此，调速器的性能应满足快速操作，反应灵敏，迅速稳定，运行、维修方便等要求，它还需要可靠的手动操作及事故停机装置。

调速器分机械液压调速器和电液压调速器两种。前者的主要部件为机械液压元件。后者包括测速环节、小功率信号的综合、变换和放大及反馈环节，其信号电源为永磁发电机。当发电机组负荷改变时，调速器迅速调节水轮机导水机构，使水轮机的流量和流速发生变化，以使机组转速符合电能质量要求。

机型选择

不同型的水轮机适用于不同的水头，因而对不同的电站，需选用恰当的水轮机与发电机组合。

冲击式水轮机

它依水流冲击转轮的方向和部位可分为切击式、斜击式和双击式。前者是唯一用于大型机组的冲击式水轮机，水头超过300米时，应选用切击式水轮机。到80年代，最高水头的切击式机组的水头达1763.5米，转速为750转／分，单机功率为22.8兆瓦，安装于奥地利赖瑟克山水电站。后两者只适用小型机组，斜击式的适用水头为30～350米，功率为10～500千瓦，比转速为18～45。双击式的适用水头在60米以下，功率出力小于150千瓦，比转速为25～70。这两种机组适用于农村小水电。

反击式水轮机

依加速方式可分为混流式、轴流式和斜流式三种。混流式是应用最广泛的一种型式，它结构简单，尺寸小，造价低，满负荷时效率高，比转速为50～300，使用水头为30～700米。到80年代，单机容量最大的混流式机组为700兆瓦，转轮直径9.23米，水头变化范围为67～108米，装于美国大古力水电站。轴流式又可分为转桨式、定桨式。转桨式水轮机的平均效率较混流式高，它的比转速高达200～850、机组尺寸小、重量轻，适用于低水头(3～80米)和负荷变化大的水电站。但在使用水头提高时，其过流能力易受到限制，且汽蚀系数大。到80年代；世界上尺寸最大的轴流式转桨水轮机的直径达11.3米，设计水头18.6米，功率为170兆瓦。定桨式过流能力比转桨式高，汽蚀性能也有所改善，但不能适应水头和负荷变化大的电站。它的比转速范围为250～700，使用水头为3～50米。世界上较大的机组为美国罗基里水电站机组，容量125兆瓦。设计水头为26.3米，转轮直径7.2米。斜流式水轮机的汽蚀系数小，效率高，叶片形状简单。其使用水头一般为40～200米，常做为可逆式水力机械。世界上最大的斜流式机组在苏联杰维水电站，单机容量215兆瓦，设计水头78.5米，转轮直径6米。

贯流式水轮机

可分为全贯流式和半贯流式。前者水力损失小，过流能力大，效率高，结构紧凑。但转轮的外线速度大，叶片强度要求高，密封也复杂，比转速高（为600～1000），使用水头一般小于20米，可应用于大型潮汐电站。后者又分为灯泡式和竖井式。灯泡式水轮机可与发电机直接连接，装设在同一个灯泡形壳体内，故名。灯泡式又分为直连式和行星齿轮式。直连式的使用水头范围6～15米， 容量范围5000千瓦；行星齿轮式使用水头范围在6米以下，容量范围2500千瓦。直连式在水头较低时转速很低，发电机效率会降低。行星齿轮式可使转速增加3～10倍，齿轮传动效率可达0.98～0.99。这种水轮发电机组尺寸小、重量轻，可大大提高发电机转速。80年代世界最大灯泡式水轮发电机容量为65.8兆瓦。竖井式也有直连式和行星齿轮式，它们的使用水头较灯泡式稍高，容量范围相同。它们的水力损失大，但密封、防潮性能好、安装、检修比灯泡式容易。

可逆式水轮机

又称水泵水轮机、发电电动机。它既可作水轮机运行，又可作水泵运行，主要用于抽水蓄能电站。可逆式水轮机也分为混流式、斜流式和轴流式3种。其中以混流式应用最广，因为它的应用水头范围广（30～600米）。 世界上最高水头的混流式可逆水轮机装于南斯拉夫巴伊纳巴什塔电站，水头为600.3米，水泵扬程为623.1米，单机功率为315兆瓦。

特殊运行

由于水轮发电机运行调度较灵活，在电力系统中可用作调相运行和进相运行。

调相运行

水轮发电机作调相机运行时向电力系统输送感性无功功率，以改善系统的功率因数。这时，它从系统中吸取一部分有功功率以补充其铜耗、铁耗和风摩损耗。通常采用压水调相（见水电站）。一般调相容量为(0.6～0.75)S_x（千乏）。S_x为发电机额定容量。

进相运行

电力系统中大容量高压长距离输电系统轻载时，线路的容性电流会使受端电压升高。这时，系统要求水轮机作进相运行，即发电机在欠励状态下，向系统输送容性无功功率和部分有功功率。水轮发电机作进相运行时具如下特点：

（1）定子端部附近各金属件温升较高，最高温度一般发生在铁心两端的齿部。

（2）它的进相运行能力比汽轮机高。

（3）进相运行时要注意静态稳定是否满足运行要求。发电机投入空载高压长距离输电系统的运行称为充电运行，这也是进相运行的一种。

参考书目

1. 河南大学、武汉水利电力学院编：《水轮机》（第二版），水利电力出版社，北京，1986。
2. 程良骏主编：《水轮机》，机械工业出版社，北京，1981。

参考文章

• 灯泡贯流式水轮发电机组主轴吊入前的准备?电气技术
• 水轮发电机组启动试运行前电气操作回路的检查?电气技术
• 灯泡贯流式水轮发电机组导叶插入及拐臂的安装?电气技术
• 水轮发电机组启动试运行前电气一次设备的检查?电气技术

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