水电站及水电机组的控制

发电站分类及及简介
水电站设备介绍
监控系统与各设备关联水电站机组控制
其他水电站介绍
发电厂的分类1.1 按电厂在电网中承担的任务分类： 基荷电厂
（年工作时间：5000小时以上）
腰荷电厂
（年工作时间：2000 ~5000小时） 峰荷电厂
（年工作时间：2000小时以下）
按电厂的能量来源和工作方式分类： 以煤为燃料的火力发电厂
燃气发电厂
燃油发电厂
水力发电厂
抽水蓄能电厂
空气压缩蓄能电厂
其他能源电厂（原子能、太阳能、风能、地热、潮汐等）
1.3 水力发电厂分类
1.3.1根据工作水头分类：
高水头（水头：≥250m）
中水头（水头：50m〜250m） 低水头（水头：≤50m）
1.3.2根据水工建筑：
河谷蓄能坝式水电站
（需建筑大坝）
径流式水电站
（各季水流变化很小、低坝、库容小） 引水式水电站
（河床坡度陡峭、落差大、低坝）
抽水蓄能电站
（合适的天然水库、近负荷中心）
水轮机的分类
水轮发电机组整体效果图
将水能转变为旋转机械能的水力原动机叫做水轮机
水轮机分成两种主要类型：
冲击式水轮机
反击式水轮机
冲击式水轮机
利用水流的动能做功的水轮机为冲击式水轮机。

以水斗式水轮机为代表，主要应用在高水头小容量电站。

反击式水轮机
利用水流的势能与动能做功的水轮机为反击式水轮机。

分为混流式、轴流式、轴流转浆式、斜流式水轮机，按其结构还可分为定桨式和转桨式
水斗式水轮机
恒压水轮机
高水头，水头变幅300m~1800m
三大基本组成部件：喷嘴、转轮、机壳
斜击式水轮机混流式
水轮机蜗壳轴流式水轮机转轮 反击式水轮机
分为混流式、轴流式、轴流转浆式、斜流式
水轮机
混流式水轮机转轮
混流式水轮机
在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮。

使用最广泛，适用的水头范围宽，单机容量大，多为立式布置。

基本组成部件：蜗壳、座环、导叶、转轮、尾水管。

轴流式水轮机
轴流式水轮机
—水流为轴向流动的反击式型水轮机。

在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮。

应用于低水头电站。

斜流式水轮机
斜流式水轮机
—流道与轴线斜交，转轮叶片能够转动的水轮机。

造价高，结构复杂，应用较少。

贯流式水轮机
贯流式水轮机
—贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。

贯流式水轮机有多种结构，使用最多的是灯泡式水轮机，特别适用于水头为3～20米的低水头电站。

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卧式混流式水轮机
三峡电厂发电机转子起吊
2、水电站介绍
水工建筑物
（大坝、引水隧道、调压井、压力钢管、尾水渠） 主机
（水轮机、发电机）
主要辅助设备
（励磁、调速器、保护、监控、辅机等）
送变电设备
（母线、断路器、隔离刀闸、变压器、GIS等）
2.1水工建筑物
2.1.1大坝
土石坝，又可分为土坝和堆石坝 混凝土重力坝或砌石重力坝
混凝土拱坝
混凝土支墩坝
溢流坝
引水隧道
有压隧道（圆形）
无压隧道（马蹄型）
2.1.3调压井（调压池）
引水隧道较长，机组快速停机产生严重的水锤效应，通过调压井释放压力
2.1.4压力钢管
水轮机主阀门前至调压井或隧洞或水库的金属管道
2.1.4尾水系统
椎管、肘管、扩散段
水电站的主机
2.2.1水轮机
（1）组成
水轮机包括以下部件：
转轮（转轮叶片）
窝壳（导水机构）
座环（导叶的固定装置）
导叶（活动导叶、固定导叶，控制流量设备） 顶盖（水轮机室基础密封）
轴承（水导、下导、上导、推力，支撑设备） 密封（工作密封、检修密封）
其他（底环、控制环、接力器等）
2）设计参数
额定转速：
N=（频率*120）/磁极数
飞逸转速：
飞逸转速是指水力机组突然甩负荷而调速机构失效时所达到的转速，飞逸转速的数值为水斗式水轮机——1.85N
混流式水轮机——1.65N~1.8N
轴流转桨式水轮机——1.9N~2.2N
水轮机效率
工作水头
吸出高程、拐点
水工计算，主机厂家提供。

2.2.2发电机
1）组成
水轮发电机为三相交流同步发电机，包括以下部件：
定子——安装枢绕组
转子——安装磁极，直流电流励磁
轴承——推力轴承、导轴承。

立式混流式水轮机推力导轴承的安装位置： 1个推力轴承，一般安装在发电机转子下部，有时在水轮机蜗壳以上或转子上部
2个推力轴承，一般一个安装在发电机轴顶部，另一个在水轮机轴顶部
推力轴承是机组转子、大轴、转轮在运行状态下的垂直受力部件，在检修时一般用风闸将转子顶住。

（3）冷却和润滑
轴承的正常冷却，由加压循环水来完成；
轴承的润滑有两种方法：一种为转速在额定转速的10%之内时，高压油顶起转子0.05~0.07mm，形成油膜；另一种为启动之前，用制动闸将转子顶起6mm约3min，形成油膜。

发电机的冷却——消除定子、转子内铜损、铁损的所产生的热量，一般采用密封循环的空气冷却系统或水冷却系统来完成。

3）设计参数
额定频率
额定电压
额定功率因数（功角） 额定电流
短路电抗
绝缘等级
出线方式
铜损、铁损
2.3辅助设备
2.3.1励磁系统
(1)组成部分
励磁变（电源点）
功率柜（调节器）
灭磁柜（灭磁开关、灭磁电阻）
(2)作用
通过可控硅控制励磁电流大小来控制无功功率（电压）
通过逆变灭磁或直接跳灭磁开关来切断励磁电流
调速系统
(1)组成部分
电控制柜
机控制柜
油压装置
(2)作用
并网前：通过控制接力器行程来控制导叶（浆叶）开度从而控制机组过水流量来改变机组出力，控制机组的转速（频率）跟踪网频或标准50HZ
并网后：改变导叶开度在保证频率的基础上来控制有功功率
保护设备
(1)分类
发电机保护、变压器保护、发变组保护、母线保护、线路保护、厂用电保护、电抗器保护等
(2)作用
迅速切除故障点，保证无故障设备的稳定运行。

电力系统对保护设备的要求：快速性、选择性、灵敏性、可靠性。

(1)组成部分
上位机系统（主机、操作员站、工程师站、通讯服务器、WEB服务器、交换机、GPS设备等 下位机（LCU)
配电柜、UPS（逆变电源）
(2)作用
提供各设备状态监视和控制界面，完成机组各种工况之间的自动转换，自动声光报警、报表、历史曲线、事故追忆、WEB浏览、操作指导、通讯等功能
(1)组成部分
油系统（各种油泵及控制回路，油罐、油管路） 水系统（技术、消防、检修，水泵及控制回路） 气系统（高压或中压气系统、低压气系统）(2)作用
为主机正常运行提供安全保证：冷却、润滑、
操作压力、检修时排水，渗漏排水、消防用水等。

(1)组成部分
直流屏（整流柜、馈电柜、充电机、绝缘监察） 蓄电池组（蓄电池按极性串联成组）
直流环网（直流开关、电缆）
(2)作用
提供厂内各种电磁阀、励磁系统、逆变电源、
还有部分其他电气设备的工作电源。

蝶阀（球阀）系统
(1)组成部分
主阀门（关闭机组进水）
旁通阀（为主阀两侧平压）
油压装置（提供操作压力）
附件（重锤、锁锭等）
(2)作用
在需要检修导叶或窝壳、停机时导叶漏水、紧急停机、或机组大修时需要关闭蝶阀或球阀。

有些电站使用快速平板门代替。

蝶阀开启和关闭事件比较长，一般停机时不需要关闭。

厂用电系统
(1)组成部分
厂用变压器（正常工作时电源）
分段母线及开关（多电源点供电方便切换） 柴油发电机（备用电源）
备自投（厂用电快速恢复、切换）
(2)作用
为全厂各辅助设备提供可靠的工作电源，一般厂用电电源点有机端、近区变、柴油发电机。

闸门系统
(1)组成部分
闸门（平板门或弧形门）
启闭机（卷扬式或液压式）
闸门电源系统（提供闸门系统所有设备用电） 闸门控制系统（自动完成人工开、关门指令）(2)按所在位置分类
进水口闸门
尾水闸门
大坝闸门（泄洪闸、冲沙闸、溢流闸）
检修闸门（泄洪闸、冲沙闸有检修闸门）
4)按闸门形状分类
平板闸门（操作机构为卷扬式启闭机） 弧形闸门（操作机构为液压启闭机）(5)闸门的用途：
调节具有自由水面的水流
2.4输配电设备
2.4.1 变压器
一般机组的发电电压为6KV~20KV，但在远距离传输中，为尽量减少线路损耗，传输电压可达到500KV以上。

所以需用变压器将发电机的输出电压升高到输送电压，水电站的主变压器一般多为升压变。

通过油泵或风扇来降低变压器油的温度，有时在油箱内设水管，冷却水循环散热。

一般大型变压器都有独立的多套冷却器。

2.4.2开关设备
（1）断路器
断路器的工作特性：断开时必须采用绝缘油或SF6气体或真空来熄灭断路器触点产生的电弧。

断路器根据灭弧介质分类：多油断路器、少油断路器、空气灭弧断路器、SF6断路器
多油断路器
——灭弧油、绝缘油油量很多
少油断路器
——陶瓷断流器，减少了绝缘油
空气灭弧断路器
——采用高压气体，吹掉电离介质 SF6灭弧断路器
——通过SF6气体灭弧
（2）隔离开关
隔离
后系统处于无电流状态才可进行操作。

隔离开关
不存在切断或接通电源的能力。

（3）接地开关
接地开关的作用是检修断路器、母线、变压器、线路、隔离开关等高压设备时确保人生安全。

地刀在合闸位置时与之有关联的断路器和隔离开关禁止一切操作
其他设备
变电站的设备组成：
输入线
输出线
母线
避雷器
继电器、测量仪表、电流电压互感器、熔断器、接地系统
载波通讯
2.4.4GIS设备简介
GIS中文全称：SF6金属全封闭组合电器
以SF6气体为绝缘及灭弧介质，将各开关、母线、CT、PT、全部封闭在一套金属管内，一般分为多个间隔，每个间隔对应有独立的气压监测、汇控柜装置，其最大的优点是：运行可靠，很少需要维护、占地面积小。

水电厂典型主接线图（洪家渡电站）
220KV Ⅲ段
3B
2133
0233
3F 220KV Ⅱ段
2B
2123
0223
2F
220KV Ⅰ段
1B
2113
021
1F
0213
02119
2119
0219
211
2111
2081
208
2083
21139
21119
2514YH
021YH4
021YH3
2519 2529
2539
20819
20839
2089
208YH
022
023
02219
02319
022YH3
023YH3
022YH4
023YH4
0229
0239
2129
2139
212
213
2121
2131
21239
21339
21219
21319
210
2202101
2102
2202
2203
209
221
2091
2211
2093
2213
209YH
221YH
20919
20939
2099
22119
22139
2219
洪站1
洪站2
备用
21019
21029
2524YH
22029
22039
2534YH
21202110
2130
返回
3、监控系统与各设备关联 综述：电站各设备的运行状态在监控系统中都能够监视到，主要的设备的工况转换在监控系统中都能够实现远方控制。

而且监控系统还要完成如历史数据保存、自动发电控制(AGC)、自动电压控制(AVC)、与省调（地调、梯调）数据交换等高级功能。

监控系统与各机电设备的关系如大脑和手脚的关系。

监控系统的目的是：让机组稳定运行、按要求转换工况及调节负荷、给电站运行维护人员提供各类故障信息以方便他们分析问题。

3.1 监控系统与主机及附件的关联
3.1.1机组密封部分
(1)检修密封（空气围带）：检修密封多采用橡胶密封止水，在投入（充气）状态时橡胶和大轴之间有挤压力，此时绝对不允许机组转动。

因此：在开机前必需退出检修密封，在停机后要确保机组转速为0时才能投入围带。

(2)工作密封（主轴密封水）：
工作密封的作用是在机组旋转时保证水轮机腔内水不外泄至水轮机室，而顶盖水位是反应泄水量和排水量之间是否平衡的数据
因此：主轴密封水中断延时判断＆顶盖水位过高将可能导致水轮机室进水，此时应启动事故停机流程
3.1.2接力器锁锭
作用：停机时防止控制环和活动导叶发生漂移或者调速器本身故障导致导叶漏水引起机组蠕动。

因此：在开机前必需退出接力器锁锭，在停机后要确保机组导叶全关后投入锁锭。

3.1.3制动闸
作用：机组在低转速运行时各轴承油流容易中断，不利于油膜的形成，长时间低速运行可能导致瓦温过高甚至烧瓦。

转速过高投入风闸对风闸片伤害过大。

因此：一般电站在机组转速15-35%之间才允许投入制动闸，在机组转动前要撤除制动闸。

某些电站要求在机组发生蠕动时投入制动闸，此时应主意机组蠕动信号要闭锁开停机过程。

.1.4技术供水
作用：与轴承油盘里面的油进行热交换，保护瓦温。

由于冷却水并不是直接作用于瓦，所以
冷却水中断对于瓦温的效果不是立即体
现出来，现代瓦制造工艺的提高使得瓦
在脱离冷却水的基础上可以运行分钟甚
至十分钟级别时间，所以冷却水中断启
动事故流程可以有较长时间延时，具体
可根据设计院提供的主机数据。

.1.5剪断销装置
剪断销是控制环和活动导叶端部之间连接的受力装置，剪断销剪断表明所在位置的导叶失去控制。

在机组正常运行时或开机过程中剪断销剪断不会影响机组，而在停机过程中剪断销剪断则会导致转速下降缓慢甚至无法停机，此时应立即关闭蝶阀（球阀、快速门）。

3.2调速系统
监控系统控制调速器的内容有：增减有功、投退事故电磁阀、开停机令、分段关闭。

3.2.1并网前及并网过程中
现代调速器在断路器分闸位置时自动跟踪网频，如网频消失则自动跟踪标准50Hz，所以在同期过程中一般对于监控系统所增减速令调速器不会执行，但这并不影响同期效果。