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1、自然界的河床高程总是沿程下降的，河床高程下降的程度可用河床的坡降表示。有的河床在沿程几千米到几万米范围内，坡降可达几十米甚至几百米，河床中的水流每时每刻都在从高处流向低处释放能量，将水能消耗在流动的路程上。水力发电的任务是采用筑坝或引水等最经济安全的方法，将本来消耗在河床路程上的水能收集储存在水库中，推动水电厂厂房内的水轮机转动，由水轮机将水能转换成旋转机械能，再出水轮机带动发电机转支，由发电机将旋转机械能转换成电能。最后经主变压器升压后由高压配电装置送上电网，送往工矿企业和千家万户。水力发电是人类改造大自然、利用大自然最成功的一个典范，是取之不尽、用之不竭的理想绿色再生能源。水电站由挡水建筑

2、物、引水建筑物、发电厂建筑物和泄洪建筑物等组成，水电厂是水电站众多建筑物中的很小一部分，水电厂厂房内的机组发电还必需有建造在厂房外工程浩大的大坝和引水工程等水工建筑物。水电站的挡水建筑物就是大坝用来形成水库，产生水电站的上下游水位差，引水建筑物包括引水明渠，隧洞和压力管路，负责将水库的水流引入水电厂厂房内。泄洪建筑物用来保证库区发生洪水时，及时有效地向下游排泄水库中的洪水，防止库水溢坝造成溃坝等灾难性事故的发生。3 水电厂机电设备的组成水电站的大坝和引水建筑物将具有足够压力和流量的水流引到水电厂厂房，水电厂是将水能转换成电能的能量转换工厂，能量转换过程所需要的机电设备分电气设备和动力设备两大部

3、分。3.1水电厂动力设备水电厂动力设备又称水电厂机械设备，由水轮机、调速器、主阀和油气水系统组成。（1）水轮机：水轮机将水能转换成旋转机械能，再由发电机转换成电能。水轮机和发电机组成水轮发电机组，称水电厂的主机或机组，则其他机械设备称水电厂的辅机或辅助设备。水轮机主要由引水部件，导水部件、工作部件和泄水部件四大过流部件组成。引水部件的作用：以最小的水流损失，将水流均匀轴对称地引向工作部件。最常见的形式是金属蜗壳引水室。导水部件的作用：根据负荷调节进入工作部件的水流量及开机、停机。由推拉杆、控制环、连杆、拐臂、导叶、顶盖、底环、套筒、煎断销九个零件组成。工作部件的作用：水轮机工作部件就是转轮，是

4、水轮机的核心部件，用来将水能转换成旋转机械能。泄水部件的作用：水轮机泄水部件就是尾水管，负责将水流平稳地引向下游及回收水流能量。（2）调速器：调速器通过操作水轮机导水机构，自动调节水轮发电机组的转速，使发电机输出的交流电的频率符合国家规定要求（大电网500.2Hz，小电网500.5Hz）。现代水电厂大多采用微机调速器。（3）主阀：位于压力钢管末端和蜗壳引水室进口之间的阀门称水轮机主阀，其主要作用是在机组发生甩负荷事故同时又遇到导水机构拒动，机组由甩负荷事故转为飞逸事故时，紧急关闭主阀切断水轮机的水流，使机组停下来，防止事故扩大。（4）油、气、水系统：水电厂的油、气、水系统设备用来向机组提供润滑

5、油、冷却水和机组制动用力等技术服务，保证机组的正常安全运行。3.2水电厂电气设备水电厂电气设备由电气一次设备、电气二次设备和厂用电三大部分组成。（1）电气一次设备凡是直接进行电能生产、输送 、升压、分配的设备，称为电气一次设备。电气一次设备按功能不同分为发电机、主变压器和高压配电装置三部分。电气一次设备的电压等级在6.3千伏以上，属于水电厂最重要和最危险的设备。发电机：将水轮机送来的旋转机械能转换成电能。中小型水电厂的发电机出线电压大多数为6.3千伏。主变压器：电网输送电能时的网损与电流平方成正比，为了减少网损，降低电能输送成本，由主变压器将发电机输出的6.3千伏电压升高到35千伏或110千伏

6、电压，使发电机输出的低电压大电流电能转换成高电压小电流电能。高压配电装置：从发电机生产出来的电能到送上电网，需要进行一系列电能输送的分配、切换、隔离等倒闸操作，这些设备的总称为高压配电装置。位于主变压器低压侧与发电机之间的高压配电装置的电压等级为6.3千伏，位于主变压器高压侧与电网之间的高压配电装置的电压等级为35千伏或110千伏。现代水电厂的高压配电装置主要由以下设备组成：断路器：正常运行时作为能自动断合的一般开关，事故状态时可以用来切断或接通负荷电流，当发生短路时还可以切断强大的短路电流。传统水电厂采用油断路器（简称油开关）现代水电厂采用真空断路器和六氟化硫断路器。一般真空断路器安装在主变

7、低压侧的高压开关室内，六氟化硫短路器安装在主变高压侧的室外升压站。隔离刀闸：断开时有一个可见的、明显的电气断开点，以保证检修设备和检修人员的安全。户外隔离开关为转动式，位于户外升压站。户内式隔离开关为投掷式，位于高压开关室。高压熔断器：当通过熔断器的电流大于规定值时，熔断器自动熔断切断电流回路，从而保护电源或设备不被过电流烧毁。有户内、户外两种形式。避雷器：当线路或户外电气设备遭到雷击时，将雷击电流引入大地，保护电气设备和运行人员的安全。电压互感器：利用变压器的变压原理，将高电压置换成0100伏的低电压，供测量、显示、保护、控制和同期用。原方线圈在电气一次回路中，付方线圈在电气二次回路中。电流

8、互感器：利用变压器的变流原理， 将大电流转换成05安的小电流，供测量、显示、保护和控制用。原线圈在电气一次回路中，副线圈在电气二次回路中。（2）电气二次设备（回路）凡是对电气一次设备、动力设备和厂用电系统进行监测、显示、保护、控制和同期的设备称电气二次设备。在传统控制中，电气二次设备功能的实现主要靠有专门功能的继电器、接触器等电气元器件和有一定逻辑的电气回路来实现的，因此又称电气二次回路。现代水电厂将电气二次回路中许多继电器和逻辑功能用可编程控制器（PLC）或微机来实现，使得二次回路大大简化。二次设备根据功能不同又分为继电保护和自动装置两部分。1 继电保护：对电气一次设备发电机、主变压器和线路

9、进行电气保护。发电机常见的保护有差动保护，过电流保护，过负荷保护、过电压保护、失磁保护和转子接地保护等。主变压器常见的保护有瓦斯保护、差动保护、过电流保护、过负荷保护和零序电流保护等。线路常见的保护有电流闭锁限时电压速断保护、定时限过电流保护、相间距离保护和零序电流保护等。现代水电厂大多采用发电机微机保护、主变压器微机保护、线路微机保护。2 自动装置：广义地讲，水电厂自动装置应包括除继电保护以外的所有能对机电设备自动进行监测、显示、控制和同期的装置。一般讲的自动装置主要包括自动准同期装置、自动重合闸装置、机组自动化和辅助设备自动化。同期装置：如果断路器两端是两个高有联系的独立电源，现在需要在断

10、路器合闸连接成一个电源，则断路器合闸之前必须调节其中一个电源，使得断路器两端电压相等、频率一致、相位相同， 否则强大的冲击电流将设备烧毁，进行这种操作称同期操作。同期操作有手动准同期和自动准同期两种方法。手动准同期是由支行人员观看同时反映两电源的电压差、频率差和相位差的整步表，手动发指令合断路器。自动准同期是由自动准同期装置自动调整两电源的电压差、频率差和相位差小于规定值，自动发指令合断路器。现代水电厂大多采用微机自动准同期装置。自动重合闸装置：当输电 线路发生故障，线路保护动作断路器甩负荷跳闸后，能自动迅速将断路器重新合闸的装置称自动重合闸装置。水电厂的断路器甩负荷跳闸大多数是由于线路故障引

11、起的，而线路事故中大多数是短时间的、会立即消失的，成功的自动重合闸使得机组不必停机，可继续发电，这对水电厂、电网和用户都是有利的。当然，如果线路发生的是永久性事故，则自动重合闸不成功，机经且自动转为事故停机。机组自动化：需要开机时，运行人员只需发出一个开机指令，机组自动化就能按预先设定的程序，自动将机组从停机状态转为空载额定转速，等候运行人员发布并网同期命令。需要停机时，运行人员首先将负荷卸到零，然后跳闸退出电网，再由运行人员发出一个停机指令，机组自动化就能按预先设定的程序，自动将机组从空载额定转速转为停机状态。现代水电厂大多采用以PLC为主体的机组现地控制单元（ 机组LCU）控制属于本机机组

12、的发电机、水轮机和主阀等所有设备的控制。（3） 生产用电凡是为发电厂生产电能所需要的电源称生产用电。水电厂生产用电包括交流厂用电、直流厂用电和发电机转子励磁用电三大块。交流厂用电：交流厂用电包括厂房的工作照明用电、空调电扇用电，油压装置的油泵电动机、空压机的气泵电动机、集水井的水泵电动机等所有异步电动机的用电。同时还作为直流厂用电的交流电源。为了保证交流厂用电的供电可靠性，交流厂用电采取两路独立的电源供电。一路从6.3千伏母线上引出经工作厂用变压器降压成0.4千伏作为工作厂用交流电电源，另一路从电厂附近10千伏农用或民用输电线路引来经备用厂用变压器降压或0.4千伏作为备用厂用交流电电源。两个电

13、源同时只能一个投入，所以必须设机械或电气闭锁装置加以保证。只有工作厂用交流电源消失后才能手动或自动投入备用厂用交流电源。厂用交流电源短时间消失不会影响机经且正常运行，因此，实际水电厂常采用手动切换。直流厂用电：产生直流厂用电的装置称直流装置，由于直流装置内有蓄电池组，使得直流装置的供电可靠性相当高，在交流电源消失几小时内仍能正常供电，因此，对供电可靠性要求相当高的二次回路中的控制回路、合闸回路都采用直流装置供电。直流装置采用三相二极管整流，将从交流厂用电送来的三相交流电转换成直流电。正常运行时，整流器一边向二次回路中的控制回路、合闸回路提供直流中，一边向蓄电池组充电。当交流厂用电消失时，由蓄电

14、池组向二次回路中的控制回路、合闸回路提供直流电，同时投入用直流电的事故照明。现代水电厂大多采用微机控制直流系统。发电机转子励磁用电：发电机转子的磁场是由通电线圈产生的，通电线圈的电流称励磁电流，励磁电流要求是能20-160%大范围调节的直流电，只有可控硅整流能满足这个要求，因此，发电机转子励磁用电采用三相可控硅整流，将发电机机端的6.3千伏三相交流电经励磁变压器降压成200伏左右的三相交流电，再由三相可控硅整流成直流电，然后通过发电机上的碳刷滑环送入正在转动的转子线圈。现代水电厂大多采用微机励磁调节器。4 水电厂的计算机监控无论传统控制还是计算机监控，都必须有自动化元件对被控对象进行信号采集作

15、为自动控制系统的输入信号，还必须有自动化元件来执行自动控制的输出意图。作为输入的自动化元件有电压互感器、电流互感器采集高电压、大电流的交流电信号。温度信号器采集机组轴承温度、发电机铁心和线圈温度、主变压器油温等温度信号。作为输出的自动化元件有继电器、接触器、电磁阀、电磁配压阀、电磁空气阀、接力器、电动机等。现有的水电站计算机监控系统的结构主要有两种：集中式监控系统和分层分布式监控系统。分层分布式监控系统应用比较广泛，它一般由现地工控机、PLC、现场总线、微机调速器、温度巡检、微机保护装置、微机同期装置、智能电参数测量仪以及其他智能设备组成。现地控制单元的PLC和工控机完成机组的顺序控制、监视和

16、调节功能，可以完成数据的采集及数据预处理。PLC与电站主控层的工控机脱离联系时，能通过一体化工控机的人机接口或操作开关而独立工作。升压站及公用设备控制单元的PLC和现地工控机主要负责主变、线路和厂内公用设备（如高/低压气机、球阀油泵、集水井排水泵、厂用电系统）等设备的控制和监视，并完成数据的采集及数据预处理功能。图1为某水电站计算机监控系统的分层分布式监控系统工程结构详图。图1 分层分布式监控系统工程结构详图由于现地控制单元的自动化装置种类繁多，在工程上一般把这些装置集中放置在柜子中，称为LCU屏。从图中可以看出，该电站有两台机组，每台机组有两个LCU屏（A柜和B柜），外加公用设备有两个LCU

17、屏（A柜和B柜），共六个LCU屏。在机组LCU屏（A柜）中放置了微机同期装置和智能电参数测量仪；在机组LCU屏（B柜）中放置了剪断销信号器、温度巡检装置、手动同期装置、变送器和双供电源等设备；有些不能放置在柜子中的装置如微机调速器、励磁装置、微机测速装置以及微机保护装置等，其数据通过现场总线与现地工控机进行连接，并与上位机进行通信。公用LCU（A柜）放置了微机同期装置和智能电参数测量仪等；公用LCU（B柜）放置了手动同期装置、变送器和双供电源等；有些不能放置在柜子中的公用智能化设备如变压器保护装置和线路保护装置等，其数据通过现场总线与现地工控机进行连接，并与上位机进行通信。5 电压系统的组成电

18、力系统又称电网，电网是由架空高压输电线组成的边接水电厂、火电厂、核电厂、风力发电场等所有发电厂和连接位于各地电源或负荷中心的所有变电所的发、送、配、供电系统。发电厂出口主变压器将发电机6.3千伏或10.5千伏的机端电压端电压升压成3 5千伏或110千伏，电源中心的变电所将各发电厂送来的电能进行分配或升压到220千伏、500千伏等更高的电压等级。负荷中心的变电所将电网送来的电能进行分配并将高电压降低成6.3千伏或10.5千伏的低电压，进入负荷 群后由各地的小变压器再次降压成230/400伏的民用和工业用电。每一个电网都有一个电力中心调度所，负责整个电网的发电、送电、配电和供电的调度和协调，浙江位

19、于我国的华东大电网中。6 电气部分实训题（1）对照电气一次主接线图，在升压站现场说出每一个设备的名称、布置位置和作用，认识各电气一次设备的外形，记住各设备相互之间的位置。面向电能送出的方向，说出从穿墙套管开始到送上电网一次电流流通的路径。（2）对照电气一次主接线图，在发电机现场说出发电机机坑内每一个设备的名称、布置位置和作用，发电机出线电缆的去向。（3）对照电气一次主接线图，在高压开关室现场说出每一只屏柜的名称，每一个屏柜内布置的设备名称和作用，记住各屏柜相互之间的位置。在高压开关室现场指出有电缆进出的屏柜的电缆来自何方？去向何方？在发电机和主变压器不带电的条件下打开屏柜门，认识屏柜内各设备外

20、形。（4）在中央控制室说出厂用电系统每一只屏柜的名称和作用，打开屏柜门认识各设备的外形并说出名称，记住各屏柜相互之间的位置。列举馈电屏送往哪些用户？对照电气一次主接线图找出厂用电受电屏内布置设备的名称和作用。受电屏的受电电缆来自何方？受电屏两路电源的隔离刀闸和低压断路器是否能同时合上？为什么？（5）在中央控制室说出直流电系统每一只屏柜的名称和作用，记住各屏柜相互之间的位置。列举直流有哪些用户？进行整流的交流电电缆来自何方？（6）对照电气一次主接线图，在励磁变室现场说出每一个设备的名称、布置位置和作用，认识各设备的外形。在励磁变室现场指出励磁变高压侧电缆来自何方？低压侧电缆去向何方？认识励磁变低

21、压侧电流互感器的外形并说出作用。（7）在发电机旁说出励磁屏整流的交流电电缆来自何方？输出直流电缆去向何方？打开励磁屏柜门，找出可控硅布置在什么位置？灭磁开关布置布在什么位置？找出测量励磁电流的元件并说出测量方法，此方法测量存在什么缺点？其他还有什么测量方法？为什么不用电流互感器测量？（8）说出直流系统整流与励磁系统整流的相同和不同之处。（9）在中央控制室说出继电保护及二次回路屏柜的名称、布置和作用，记住各屏柜相互之间的位置。（10）中央控制室操作台上应该有几只工作站，各自的名称和任务？（11）记录发电机、主变压器、厂用变压器、励磁变压器、水轮机、调速器和主阀的参数，并解释各参数表示的意义。（1

22、2）同期条件是什么？对照电气一次主接线图，说出那几个断路器是同期点？那几个断路器不是同期点？说出主变压器低压侧断路器的作用。（13）根据电气一次主线图逐个说出每一只电压互感器布置在什么位置及副方绕组的作用，逐个说出每一只电流互感器布置在什么位置及副方绕组的作用。它们的原方线圈在什么回路？副方线圈在什么回路？（14）该电厂的计算机监控采用集中式监控系统还是分层分布式监控系统？（15）该电厂的计算机监控主要由哪些设备构成？（16）通过学习，你对电网的概念是什么？7 参考资料：陈蔡水电站：陈蔡水库电站是我校校外实习基地。陈蔡水库位于浙江省钱塘江上游的西施故里诸几市，是钱塘江主要支流浦阳江实施“上蓄、

23、中分、下泄”治理方针的重要蓄水工程。水库集雨面积187平方公里，总库容1.164亿立方米，建成于1984年，是一座以防洪为主，结合灌溉、供水、发电、养鱼等综合利用的水利工程。水库防洪面积23万亩，保护人口20万人，灌溉面积15.1万亩，年供水1.3立方米，年发电785万度。陈蔡水库的建成，大大减轻了钱塘江主要支流浦阳江及萧绍平原的防洪压力，为浙赣铁路的正常安全运行提供了保障，有力地促进了下游两岸经济社会的发展。自1993年以来，陈蔡水库充分利用水库场地、房屋、水、电优势，积极吸引库外投资者到水库管理区内开办企业，盘活水库存量资产。水库投入185万元，建立了库区电力自发自供网，为引进企业办厂提供

24、了电力保障。8年多来，吸引库外投资资金2000多万元，在水库管理区开办了中亚永磁公司、重质碳酸钙厂、纯净水厂、电容器厂、汽配厂、制衣总厂等企业，水库每年新增收益100多万元。水库加大对生态环境的投入，积极开发旅游资源，对管理区内空余的职工宿舍进行了改造，作为旅游休闲房，水库成了周边地区休假旅游胜地，水库旅游收入逐年增加。诸暨陈蔡水库电站建于1980年，装机为21600千瓦，多年平均发电量784.5万千瓦时。至2002年4月改造完成，总投资218万元，其中设备投资143.2万元（包括计算机系统，直流系统，励磁、调速器以及转轮更换）。改造前控制保护都是继电器逻辑控制系统。改造后，计算机监控系统采用

25、分层分布式结构，分上位机和现地控制单元（LCU），监控系统按控制层次和控制对象设置，为多微机系统。电站的数据管理及各设备的控制、测量、保护、视频监视等功能均由独立的计算机监控系统装置完成，能实现“五遥”功能。监控系统投入运行后，目前仅为12人。陈蔡电站原来的运行人员为20人，目前为10人（包括后勤、辅助人员）。东阳横锦水电站：横锦电站坐落于浙江省东阳市横锦村的村东，是一座以发电、灌溉、防洪、供水等综合效益为一体的大型水利水电枢纽工程。水库始建于1958年9月，1962年第1台3 000kW的发电机投入运行，工程在1964年全部完工，总装机容量为23 000kW；1977年8月进行大坝加高工程，

26、于1984年结束。施工后大坝加高至575m，坝顶长300m，坝宽7m。水库按百年一遇洪水设计，总库容为2808 5亿m3。1992年增加1台500kW的发电机组。1995年对电站的2台机组进行增容改造，装机容量升至24 000kW，于1996年完工并网发电。2003年为了适应对东阳和义乌城区供水需要增加了1台1 250kW的发电机组，1、2号机组水轮机型号HLA551-LJ-132，发电机型号SF4000-163250；3号机组水轮机型号HL240-WJ-50A，发电机型号SFW500-6850；4号机组水轮机型号HLN276-WJ-80，发电机型号SFW1250-102150。浙宝电气：浙宝

27、电气（杭州）集团有限公司创建于1993年，前身在为杭州电器开关厂。2005年9月6日，组建为一家集研究、开发、生产和销售于一体的高新技术企业。下辖：杭州电器开关有限公司、浙宝电器（杭州）有限公司、杭州浙宝电气成套设备有限公司、浙宝开关（杭州）有限公司、浙宝镭射科技（杭州）有限公司、杭州浙宝微电脑技术有限公司、杭州浙宝智能电气有限公司、杭州欧赛消毒设备有限公司。公司是杭州市开关制造行业最大企业之一和最具有影响力的大中型高低压成套开关设备生产企业，是原国家机械工业部、电力工业部高低压成套开关设备定点生产骨干企业，是国家经贸委全国城乡电网建设与改造设备及生产企业推荐目录的首批入围企业、中国电器工业协

28、会电控配电设备分会常务理事、浙江省机械工业联合会副会长单位，浙江省高低压电气行业协会成套会会长单位。公司座落于中国最具经济活力“长三角洲”的杭州市天堂经济开发区，现占地面积60亩，建筑面积35000多平方米。便捷的交通、悠久的文化和良好的经济环境造就了公司优秀的企业文化和广阔发展前景。公司现拥有杭州市级技术中心和研发中心，中、高级技术开发人员180余人，中、高级技能人员200多人，科研力量雄厚，生产工艺先进，管理严谨，设备精良，具有独立的核心技术和很强的自主研发、生产能力。并与西门子公司在产品和技术方面进行了战略性的合作。公司从日本小松和村田公司引进具有国际先进水平的数控剪床、数控多工位冲床、

29、数控折弯设备及静电喷塑生产线，拥有国内先进完善的高低压成套开关设备生产线及检测设备。2004年公司再次通过ISO9001质量管理体系认证和ISO14001环境管理体系认证；2003年至2004年有6个产品通过“CCC”认证，先后获得国家颁发的高低压开关设备生产供给和产品质量整顿合格证书、电控配电设备质量监督检测合格证书和第三届国际新技术名优产品证书；2004年底，公司计量检测体系通过评审达到二级水平；2005年获省级计量检测体系合格证书。2005年所有高压产品通过“CQC”认证。 公司具有独立的自主研发能力，在新产品的开发及技术创新方面，一直走在同行前列。2004年，公司投入近500万元用于公司的技术改造项目。同年，公司被列为浙江省重点发展的民营科技企业。大路发电设备有限公司：杭州大路发电设备有限公司是杭州大路实业有限公司的全资子公司，是我校的校外实习基地。它位于钱塘江畔，距杭州市区27公里、国际机场6公里，占地面积115000多平方米。公司拥有资产2亿余元，现有高素质员工600余人，其中工程技术人员200余人。公司具备设计、生产200MW发电机的能力。图1 40万发电机基座 图2 30万机主抽水蓄能蜗壳图3 6.5米贯流机组管型座 图4 30万千万抽水蓄能底环执笔人：张仁贡2010年4月机电系电力教研室