水輪發電機組
正文
由水輪機和發電機組合而成的發電動力裝置。設定在水電站中，執行把水能轉換成電能的功能。機組中水輪機作為原動機，它利用水的能量運轉，驅動發電機發電。常用的水輪機有衝擊式、反擊式、貫流式和可逆式。發電機則均採用同步發電機。由於水電站的自然條件和工況各異，水輪發電機組的容量和轉速變化範圍很大。可按其尺寸大小和結構特徵劃分其容量和轉速（見表）。
水輪發電機組基本數據 水輪發電機組的基本數據包括額定容量、額定電壓、額定功率因數、電抗與短路比、飛逸速度、飛輪力矩等。
額定容量 通常以兆伏安或千伏安計。水電站選擇機組容量和台數需考慮樞紐布置，電力系統運行的要求，機組在系統中調度的靈活性，設備製造、運輸、安裝、造價等多種因素。在保證電力系統運行安全、靈活的條件下，採用單機容量較大、台數較少的方案有利機組的高效率，並可簡化水電站的樞紐布置，加快施工進度和總投資。但通常不少於兩台。
額定電壓 它的選取要從額定容量、電磁負荷、電站的技術經濟指標及電力系統輸配電設備等方面綜合考慮。一般來說，在合理範圍內，電壓取低值，電機的經濟指標要好一些。
額定功率因數 對它的選擇既要考慮發電機的造價、對水電站設備和電力系統無功補償裝置的影響和投資，又要考慮由電站輸送無功功率造成的功率損失,同時,還要計及它超過設計水頭運行多發電的效益，特別是在建站初期，只有一、兩台機組投運(其餘機組未裝完)以及可能發生棄水的情況下，更應考慮這種運行性的可能性與合理性。大型水電站多處深山狹谷,遠離負荷中心,功率因數可適當提高。通常情況下,功率因數取值為0.8～0.9。
電抗 包括直軸同步電抗、直軸瞬變電抗和超瞬變電抗。直軸同步電抗(Xd)指機組正常穩定運行時，發電機直軸呈現的電抗。其值為發電機額定相電壓和額定相電流之比。減少同步電抗可提高電力系統輸送功率的極限，但須增加電機尺寸和造價。超瞬變電抗(X廐)指發電機運行狀態突變(如突然短路或自同步合閘時)的暫態過程的起始瞬間，對應電樞反應磁通磁路的磁阻最大、電抗最小。瞬變電抗(X媁)則是在暫態過程中，超瞬變電抗在過程的初始一段時間內迅速增大到某一值。這之後，電抗緩慢增大到同步電抗。X媁的變化對電力系統的靜態穩定有重大影響，減小X媁可以提高靜態穩定的儲備係數,但X媁的變化對動態穩定影響有限。X廐是計算短路電流的重要數據，對選擇水電站的電工設備有直接影響。
飛輪力矩 當電力系統發生故障，水輪發電機突然和系統解列時，由於水輪機導水機構關閉需要一定時間，這一時間內，機組轉速將升高。為控制轉速上升值，要求水輪發電機具有一定的飛輪力矩(GD2)。 它是指發電機轉動部分的重量和慣性直徑D 的平方的乘積。它直接影響電力系統受到大幹擾時所需極限切除時間，對電力系統的暫態過程和動穩定有很大影響。在一定極限切除時間內，GD2越大可以提高輸送功率。同時GD2大,機組甩負荷後轉速上升率較低，這可以減小引水鋼管的直徑，或增加鋼管長度。但GD2加大會增加發電機重量和造價。
輔助設備 水輪發電機組的輔助設備主要包括冷卻裝置、制動裝置、調速裝置等。
冷卻裝置 水輪發電機的冷卻主要採用空氣冷卻，以通風系統向發電機定、轉子以及鐵心表面進行冷卻。但隨著單機容量的增長,定、轉子的熱負荷不斷提高,為了在一定轉速下提高發電機單位體積的輸出功率，大容量水輪發電機採用了定、轉子繞組直接水冷的方式；或者定子繞組用水冷，而轉子用強風冷卻。
制動裝置 額定容量超過一定值的水輪發電機均設有制動裝置。其作用是在發電機停機過程中，當轉速降低到額定轉速的30～40％時，對轉子實施連續制動，以避免推力軸承因低轉速下油膜被破壞而燒損軸瓦。制動裝置的另一作用是在安裝、檢修和起動前，用高壓油頂起發電機的鏇轉部件。裝置採用壓縮空氣制動。
調速裝置 包括調速器和油壓裝置。調速器的作用是調節水輪機轉速，以保證輸出電能的頻率符合供電要求，並實現機組操作(開機、停機、變速、增、減負荷)、安全經濟運行。為此,調速器的性能應滿足快速操作,反應靈敏，迅速穩定，運行、維修方便等要求，它還需要可靠的手動操作及事故停機裝置。
調速器分機械液壓調速器和電液壓調速器兩種。前者的主要部件為機械液壓元件。後者包括測速環節、小功率信號的綜合、變換和放大及反饋環節，其信號電源為永磁發電機。當發電機組負荷改變時，調速器迅速調節水輪機導水機構,使水輪機的流量和流速發生變化,以使機組轉速符合電能質量要求。
機型選擇 不同型的水輪機適用於不同的水頭，因而對不同的電站，需選用恰當的水輪機與發電機組合。
衝擊式水輪機 它依水流衝擊轉輪的方向和部位可分為切擊式、斜擊式和雙擊式。前者是唯一用於大型機組的衝擊式水輪機,水頭超過300米時，應選用切擊式水輪機。到80年代,最高水頭的切擊式機組的水頭達1763.5米,轉速為750轉／分，單機功率為22.8兆瓦，安裝於奧地利賴瑟克山水電站。後兩者只適用小型機組，斜擊式的適用水頭為30～350米，功率為10～500千瓦，比轉速為18～45。雙擊式的適用水頭在60米以下，功率出力小於150千瓦,比轉速為25～70。這兩種機組適用於農村小水電。
反擊式水輪機 依加速方式可分為混流式、軸流式和斜流式三種。混流式是套用最廣泛的一種型式，它結構簡單，尺寸小，造價低，滿負荷時效率高，比轉速為50～300，使用水頭為30～700米。到80年代，單機容量最大的混流式機組為700兆瓦，轉輪直徑9.23米,水頭變化範圍為67～108米,裝於美國大古力水電站。軸流式又可分為轉槳式、定槳式。轉槳式水輪機的平均效率較混流式高，它的比轉速高達200～850、機組尺寸小、重量輕,適用於低水頭(3～80米)和負荷變化大的水電站。但在使用水頭提高時，其過流能力易受到限制，且汽蝕係數大。到80年代；世界上尺寸最大的軸流式轉槳水輪機的直徑達11.3米,設計水頭18.6米，功率為170兆瓦。定槳式過流能力比轉槳式高,汽蝕性能也有所改善,但不能適應水頭和負荷變化大的電站。它的比轉速範圍為250～700，使用水頭為3～50米。世界上較大的機組為美國羅基里水電站機組，容量125兆瓦。設計水頭為26.3米,轉輪直徑7.2米。斜流式水輪機的汽蝕係數小，效率高,葉片形狀簡單。其使用水頭一般為40～200米,常做為可逆式水力機械。世界上最大的斜流式機組在蘇聯傑維水電站，單機容量215兆瓦，設計水頭78.5米，轉輪直徑6米。
貫流式水輪機 可分為全貫流式和半貫流式。前者水力損失小，過流能力大，效率高，結構緊湊。但轉輪的外線速度大，葉片強度要求高，密封也複雜，比轉速高（為600～1000）,使用水頭一般小於20米，可套用於大型潮汐電站。後者又分為燈泡式和豎井式。燈泡式水輪機可與發電機直接連線，裝設在同一個燈泡形殼體內，故名。燈泡式又分為直連式和行星齒輪式。直連式的使用水頭範圍6～15米， 容量範圍5000千瓦；行星齒輪式使用水頭範圍在6米以下,容量範圍2500千瓦。直連式在水頭較低時轉速很低，發電機效率會降低。行星齒輪式可使轉速增加3～10倍,齒輪傳動效率可達0.98～0.99。這種水輪發電機組尺寸小、重量輕，可大大提高發電機轉速。80年代世界最大燈泡式水輪發電機容量為65.8兆瓦。豎井式也有直連式和行星齒輪式，它們的使用水頭較燈泡式稍高，容量範圍相同。它們的水力損失大，但密封、防潮性能好、安裝、檢修比燈泡式容易。
可逆式水輪機 又稱水泵水輪機、發電電動機。它既可作水輪機運行，又可作水泵運行，主要用於抽水蓄能電站。可逆式水輪機也分為混流式、斜流式和軸流式3種。其中以混流式套用最廣,因為它的套用水頭範圍廣（30～600米）。 世界上最高水頭的混流式可逆水輪機裝於南斯拉夫巴伊納巴什塔電站,水頭為600.3米，水泵揚程為623.1米，單機功率為315兆瓦。
特殊運行 由於水輪發電機運行調度較靈活，在電力系統中可用作調相運行和進相運行。
調相運行 水輪發電機作調相機運行時向電力系統輸送感性無功功率，以改善系統的功率因數。這時，它從系統中吸取一部分有功功率以補充其銅耗、鐵耗和風摩損耗。通常採用壓水調相（見水電站）。一般調相容量為(0.6～0.75)Sx（千乏）。Sx為發電機額定容量。
進相運行 電力系統中大容量高壓長距離輸電系統輕載時，線路的容性電流會使受端電壓升高。這時，系統要求水輪機作進相運行，即發電機在欠勵狀態下，向系統輸送容性無功功率和部分有功功率。水輪發電機作進相運行時具如下特點：①定子端部附近各金屬件溫升較高，最高溫度一般發生在鐵心兩端的齒部。②它的進相運行能力比汽輪機高。③進相運行時要注意靜態穩定是否滿足運行要求。發電機投入空載高壓長距離輸電系統的運行稱為充電運行，這也是進相運行的一種。
參考書目
河南大學、武漢水利電力學院編：《水輪機》（第二版），水利電力出版社，北京，1986。
程良駿主編：《水輪機》，機械工業出版社，北京，1981。
