微水利发电.docx

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微水利发电

微水利发电

当前，我国农村经济迅速发展，农民生活水平不断提高，对电的需求十分迫切。

为实现党中央通电到户，全面实现小康目标；使施工人员对微型水力发电站有较清晰的了解，多建电站、管好、用好电站;同时普及电工知识。

本教材共分八章，旨在对水力发电知识给以初步介绍，重点讲解微型水力发电站的兴建相关知识。

同时，对发电机组的选型、安装、保养、维修、工器具及安全用电知识进行了介绍。

希望通过本教材的学习，能使学员对微型水力发电站有一个较为全面地了解，对今后的工作有较大地帮助。

第一章水力发电的基本知识1

一、水力发电概述1

二、水电站的组成1

三、地形测量3

四、水文测验4

五、选定站址的一般条件5

第二章微型水力发电站基本知识6

一、微型水力发电概述6

二、微型水轮机的构造6

三、冲击式水轮机的构造7

四、斜击式水轮机8

五、双击式水轮机8

六、反击式水轮机的构造9

七、发电机的构造11

第三章微型水力发电站的修建知识14

一、水式部份14

二、微型水电站的水式建筑物16

第四章微型水轮发电机的选择27

一、选机组27

二、调速的概念和稳压器28

第五章输电线路的选择31

一、线路的选择31

二、送电距离超过经济送电距离的送电方法32

三、电站的防雷32

第六章蓄水法微型水电站的设计33

一、蓄水池的设计33

第七章电工基本知识35

一、基本概念35

二、直流电和交流电37

三、常用工具39

第八章微型水力发电机组的运行管理与维修41

一、微型水力发电机组的试运行41

二、开机操作42

三、停机操作43

四、运行注意事项及日常维护工作43

五、故障处理44

六、微型水力发电机组安装验收要求47

第一章水力发电的基本知识

一、水力发电概述

水力发电就是将天然河流的水能转变为电能，来供给人们应用。

发电所利用的能量来源是多种多样的，如：

太阳能、江河的水力、空气流动所产生的风力都可以发电。

利用水能的水力发电成本便宜，建设水电站还可以和其他水利事业结合起来进行。

我国的水力资源非常丰富，条件也很优越，水力发电在国民经济建设中起着重要的作用。

一条河流的上游水位比其下游水位高，因为河流水位高低的差别，就产生了水能，这种能量称为位能或势能。

河流水面高低的差别称为落差，也叫水位差或水头。

这个落差是构成水力的一个基本条件。

此外，水力的大小还取决于河流中水流量的大小，这是和落差同样重要的另一个基本条件。

落差和流量都直接影响水力的大小；落差的水量愈大，水力也就愈大；如果落差和水量都比较小，水电站的出力也就较小。

落差一般是用米来表示。

水面比降是落差和距离的比数，可以表示落差集中的程度。

落差比较集中，水力利用就比较方便。

一个水电站所利用的落差，就是这个水电站的上游水面和通过水轮机后的下游水面之差。

（图1）

流量是河流中单位时间内流过的水量，它以一秒钟内流过多少立方米来表示。

一立方米的水量是一吨。

一条河流的流量是随时随地变化着的，所以我们谈流量时一定要说明它流过的具体地点和时间，流量在时间上的变化非常显著。

我国的河流一般在夏季秋季雨季流量较大，冬季春季比较小，各月各天的流量不同，各年的流量也不同。

一般河流的流量在上游比较小；因为各支流汇入，下游流量逐渐增大。

所以上游的落差虽集中，但是流量较小；下游流量虽大，但是落差比较分散。

因此，往往在河流的中游段利用水力最为经济。

知道了一个水电站所利用的落差和流量，就可以用下列公式计算它的出力：

N=GQH

式中N--出力，单位为千瓦，也可称功率；

Q--流量，以每秒立方米计；

H--落差，以米计；

G=9.8,为重力加速度,单位:

牛顿/千克按上述公式算得的是理论功率，没有扣除任何损失。

实际上，在水力发电过程中，水轮机、传动设备、发电机等都有不可避免的功率损失。

所以，理论功率要打一个折扣，也就是要乘上效率系数（符号：

K才是我们所能利用的实际功

率。

水电站中发电机设计的功率叫额定功率,实际发出的功率叫做实际功率。

在能量的转变过程中，不免要损失一部分的能量。

水力发电过程中主要有水轮机、发电机的损耗（管道也有损失）。

农村微型水电站中各种损失总共约占全部理论功率的40〜50%所以水电站出力实际上只能利用理论功率的50〜60%也就是

效率约为0.50〜0.60（其中水轮机效率0.70〜0.85，发电机效率0.85〜0.90,管道、传动设备效率0.80〜0.85）。

因此，水电站实际功率（出力）可按下式计算：

K--水电站的效率，微型水电站粗略计算时采用（0.5〜0.6）；上式换入这个

数值，可简化为：

N=（0.5〜0.6）QHG实际功率二效率X流量X落差X9.8

利用水力发电就是利用水力推动一种机械，这种机械叫做水轮机，如我国古老的水车，就是极简单的水轮机。

现在应用的各种水轮机，就是适应各种具体的水力条件，使它更有效地转动起来，将水能变为机械能。

在水轮机上再连接另一种机械--发电机，使得发电机的转子跟着水轮机转动起来，就可以发出电来。

发电机可分作两部分：

与水轮机连接在一起转动的部分及发电机的固定部分。

与水轮机连接在一起转动的部分叫做发电机的转子，转子四周设有许多磁极；在转子外围的一圈是发电机的固定部分，叫做发电机的定子，定子裹绕了许多铜线圈。

当转子的许多磁极在定子铜线圈中间转动的时候，铜线上就会产生电流，发电机就是把机械能转变为电能。

发电站所发出的电能，由各种用电设备转变为机械能（电动机或称马达）、光能（电灯）、热能（电炉）等等。

二、水电站的组成

水电站的组成包括：

水工建筑物、机械设备、电气设备。

（一）水工建筑物

它有堰（坝），进水闸，渠道（或隧洞），压力前池（或调节池），压力管道，厂房和尾水渠等。

在河道中筑一座堰（坝）来拦阻河水，使水面抬高，形成一个水库。

这样，从堰（坝）上水库的水面到坝下河流的水面之间就形成了集中的落差，再通过用输水管或隧道，把水引入水力发电站。

在比较陡的河道上，利用引水渠道也可以形成落差。

如：

一般天然河流每公里的落差有10米，如果在这段河道的上端开一渠道引进河水，渠道沿着河道开挖，渠道的坡降开得平些，假如使渠道中的落差每公里只下降1米，这样水在渠道中流了5公里，水面只降落5米，而水在天然河道走了5公里后却降落了50米。

这时，再用输水管或隧洞把渠道的水引回到河边的发电厂房里，就有45米的集中落差可以利用来发电了。

图2

利用引水渠道、隧洞或水管（如塑料管、钢管、混凝土管等）来形成集中落差的水电站，叫做引水道式水电站，它是一种典型的水力发电站布置形式。

（二）、机械电器设备

水力发电站除了上述的水工（堰、渠道、前池、压力管道、厂房）外，还

需有下述设备：

（1）机械设备

有水轮机、调速器、闸阀、传动设备和非发电设备等。

（2）电器设备

有发电机、配电控制盘、变压器及输电线等。

但不是所有的小型水电站都有上述的水工建筑物和机、电设备。

如果水头在6米以下的低水头水电站，一般采用导水槽和明槽引水室方式，就没有压力前池和压力水管。

供电范围不大输电距离短的发电站，采用直接输电，不需要变压器。

有水库的水电站就无需再筑坝。

采用深式进水口，坝内涵管（或隧洞）和溢洪道而无需用堰、进水闸、渠道和压力前池等水工建筑物。

建设水电站，首先要进行周密的勘测设计工作。

在设计工作中有初步设计、技术设计、施工详图三个设计阶段。

要做好设计工作，首先必须进行周密的勘测工作，也就是充分了解当地的自然和经济条件--即地形、地质、水文、资金等情况。

只有掌握了这些情况并加以分析研究以后，才可能保证设计的正确性和可靠性。

小型水电站的组成部分随水电站型式不同而有多种多样的形式。

三、地形测量地形测量工作的好坏，对工程布置和工程量的估计有较大影响。

地质勘探（地质情况了解）除须对流域地质和沿河地质作一般的了解研究外，还必须对机房基础是否坚固进行了解，它直接影响电站本身的安全。

一定水库容积的拦河坝一旦毁坏，不仅损害了水电站本身，还将引起下游生命和财产的巨大损失，因此对前池的地质选择一般都放在首要位置。

四、水文测验对水电站来说，最重要的水文资料是河流的水位、流量、含沙量、结冰情况等记载及气象方面的资料和洪水调查资料。

河流流量的大小，影响水电站溢洪道的布置，对洪水的严重情况估计不足，会引起堤坝的毁坏；河流挟带的泥沙在最严重的情况下可以很快将水库淤满。

如：

流入渠道会引起渠道淤塞，粗粒泥沙通过水轮机并能引起水轮机的磨损。

因此，建设水电站必须掌握充分的水文资料。

所以在决定修建一个水电站之前，首先要调查研究供电区内经济发展的方向与用电的未来需求量。

同时，估计发展区域内其它电源的情况。

只有研究分析了以上情况之后，才能决定水电站是否需要修建并决定建设的规模应该多大。

总的说来，水电勘测工作的目的是为了供给水电站设计和施工所必须的

准确而可靠的基本资料

五、选定站址的一般条件

选定站址的一般条件，可从下面四方面来说明：

（一）所选定的站址要能够最经济地利用水能，要能符合节省费用的原则，也就是在电站建成后，所花的钱最少而发出的电能为最多。

通常可用估算每年发电的收入和建站的投资来衡量，看看所投入的资金在多少时间内才可以收回。

但是，各地的水文、地形条件并不一样，需要电力的情况也不相同，因而其造价和投资不应当受某些数值的限制。

（二）所选定的站址处，地形、地质与水文条件都应当比较优越，而且在设计和施工上也要有可行性。

修建小型水电站在建筑材料的取用方面，应当尽量符合“就地取材”的原则。

（三）所选定的站址要求尽量靠近供电和加工区域，以减少输电设备的投资和电力的损失。

（四）选定站址时，应尽量利用已有的水工建筑物。

例如在灌溉渠道中即可利用跌水来建立水电站，或在灌溉水库旁建立水电站利用灌溉流量发电等等。

因为这些水电站能够符合有水就发电的原则，所以它的经济意义更为明显。

第二章微型水力发电站基本知识

一、微型水力发电概述目前未能通电地区大都是远离电网且经济相对落后的地区。

未能通电的村寨大都远离电网，特别是贫困地区居住几户和几十户的较为分散的用户的自然村，距离电网10公里以上输电线路造价就要几十万。

10KV输电线路造价每公里3-6万元。

送电距离不宜超过20公里。

这些地区如按传统的大电网覆盖方式解决用电问题，有时是很不经济也不现实的。

但这些地区如果有微小水源的情况下，利用微型水电来解决问题，效果会很经济。

大家知道，在山区分布着无数的溪流，细水沟，小瀑布。

这些由高处流向低处的水比起江河湖海的水要显得十分的微小。

我们同样可利用这些微小的水力资源来发电，省去了大量的输电线路费用，解决居住分散山区的农户用电问题。

微型水力发电站的发电原理与大型水力发电站相同。

均是由水工部分、机械部分的水轮机带动发电机而发电。

微型水轮发电机组一般指装机容量在30千瓦以下（国际标准是100KW以下）。

适合具有微小水力资源的农村安装使用的简易水力发电机组。

其主要特点是：

（1）容量小它适于分散建造和使用，尤其适合山区和半山区的农户使用。

（2）投资省一次性投入总额不大，便于群众自筹资金，自建自管和自用。

（3）周期短它可以在较短的时间内建成投资。

（4）技术简单适用它易修易建，便于普及。

目前，由于广大农村的迫切需要，全国有多家工厂研制生产微型水轮发

电机组，有各种规格的机型可以选用。

农村微型水力发电是当前全国农村能源建设的一个热点，也是实现国家计划通电到户的好方法。

二、微型水轮机的构造

水轮机是水电站的重要设备之一。

它是利用水的能量来做功的。

水流经过引水建筑物进入水轮机，推动水轮机的转轮转动，再带动发电机产生电能。

根据水流进入转轮后的流向和水轮机的结构特点，又可分为多种型式。

微型水力发电机主要分为冲击式、反击式两大类型：

冲斗式、斜击式、双击式属于冲击式类型。

轴流式和混流式属于反击

式类型水轮机。

我们主要介绍农村微型水轮发电机中目前常用的几种机型。

冲击式水轮机主要是利用喷嘴将高压水管引入的水形成一股坚实的射流，冲

击转轮上的斗叶，使转轮转动做功的。

反击式水轮机主要是利用水流在轮叶间流过时，在轮叶正反面所产生的压力差，使转轮转动做功的。

农村微型水电站的建造过程中，水轮机是一个重要的环节，要求合理地选择水轮机，正确地安装和管理、维护水轮机，更好地发挥微水电的作用。

三、冲击式水轮机的构造

冲斗式水轮机主要由喷嘴、转轮、支撑部分及折向器部分组成。

（一）转轮

微型水轮机的转轮是由转盘和斗叶两部分组成。

有整体铸造的，也有用螺栓或焊接连接的。

斗的套体形状（图3）像两只半勺形，中间有一部分水刃，使射在斗上的水流沿水斗内表面向两后侧散开，取得较好的水力效果。

水斗尖端

有一缺口，缺口的形状和尺寸，要保证水斗能够有效利用射流能量以前，让射流

穿过此缺口。

图3

（二）喷嘴

喷嘴由嘴体和喷针两部分组成，其主要作用有两个方面：

1将高压水管

中的水流形成坚实的射流，并以最优的方向射向水斗；2用喷针来调节流量，改

变出力。

实际上就是起导水机构的作用。

喷嘴体一般用球墨铸铁或铸钢浇铸。

在磨损较大的管嘴头部，有用不锈钢组成可更换的喷嘴衬套。

喷针头部做成流线型锥体，或是不锈钢做的。

喷嘴体的连接管内有导向架，用以消除水流因转弯而产生的旋涡，并用以支承带有导向轴的喷针杆。

要定期检查，防止稻草和木片等杂物阻塞导向架和喷嘴，影响水轮机出力，甚至造成飞车（转速过高）事故。

喷嘴一般只用一个，流量较大时，可增加喷嘴数量冲斗式水轮机用于高水头小流量的电站。

四、斜击式水轮机

斜击式水轮机的主要组成部分是由喷嘴、转轮、支撑部分机座组成。

它与冲斗式水轮机不同的地方是：

（一）喷嘴与转轮不在同一平面内，而是某一角度（斜射角）。

射流斜向冲击转轮，水流从水斗的一侧进，从另一侧出，所以叫做斜击式水轮机。

喷嘴与转轮回转平面而成的角度一般为22.5。

，这样效率较高。

（二）转轮（图4）由外轮环，内轮环和斗叶组成。

外轮环主要是用来增加转轮的强度和减少风阻力。

斗叶形状为单曲面形状。

輛击式水力肃电耕船口童阍

图4

斜击式水轮机结构简单，造价较低，效率较高。

用于中高水头的水电站五、双击式水轮机

双击式水轮机（图5）也是由喷嘴、转轮和机壳等部分组成。

工作时，水流由喷嘴冲到转轮叶片流向中心，将大部分水能转化为机械能，然后穿过转轮中心,重新进入下面叶轮再一次冲击叶轮，弃水从尾水渠流出。

因为水流两次冲击转轮,所以叫做“双击式”水轮机。

图5

双击式水轮机转速低大多采用皮带轮转动，转速可以通过皮带轮调节，适用

于中低水头

六、反击式水轮机的构造

（一）混流式水轮机

混流式水轮机的构造如（图6）。

它的特点是水流从辐向（半径方向）进入转轮，轴向离开转轮的，所以有时也叫做“辐向轴流式（简称辐轴流式）水轮机”这种水轮机有立轴和卧轴两种，在微型水电站中常用的是立轴的。

混流式水轮机适用于中、低水头和中、小流量的水电站。

这种水轮机主要由水轮机室（引水室）、转轮、导水机构、尾水管等组成。

下面分别介绍它们的作用和结构。

引水室

引水室常用的有金属蜗壳和金属罐两种。

其主要作用是使水流均匀地、对称地流入导水机构，减少水头损失，并保证转轮四周受力均匀和工作稳定。

金属蜗壳的形状很像蜗牛，所以叫做“蜗壳”。

由于它的断面是向末端逐渐减小，这样可以保证向导水机构均匀对称供水并形成一定的旋转，减少水头损失，结构尺寸

较小，所以是引水室的较好形式。

金属罐的优点是构造简单，成本低廉。

但因其不符合水流情况，水头损失较大，所以一般仅用于小型水轮机中。

转轮

转轮（图7）是水轮机的心脏，水的能量是通过它而转化为机械能的，一般所指水轮机的型式，实质上是指该水轮机转轮的型式。

混流式水轮机的转轮由扭

曲的叶片、轮毂和轮环等部分组成。

依靠扭曲的叶片使水流由辐向转成轴向。

叶图7

转轮的轮毂一端与主轴相连，另一端连泄水锥，有些轮毂法兰盘上开有几个均压孔，使转轮两面的水连成通路，减少轴向水推力，为了减小漏水损失，一般在轮环上装有止漏环。

轮毂、叶片及轮环可以整体铸造，也可以分件浇铸或焊接。

导水机构

导水机构的作用是：

1、引导水流按有利方向流入转轮；

2、调节流入转轮的流量，使水轮机的出力适应外界负荷变化的要求；

3、用以开机或停机。

（二）轴流式水轮机

轴流式水轮机水流是从轴向流进转轮，又从轴向流出，所以叫做“轴流式”水轮机（图8）这种水轮机是在混流式水轮机基础上发展起来的，以适应低水头

图8

轴流式水轮机与混流式水轮机一样，也是由引水室、转轮、导水机构及尾水管等几个部分组成。

其中除转轮有较大的区别外，其它部件大同小异。

下面仅介绍它的特点。

转轮

轴流式转轮为了适应大流量的条件，要求转轮的过流量（即单位时间内通过转轮的流量）大，所以转轮的叶片不多（一般为3〜8片）像螺旋桨一样。

小型转轮的叶片大都是固定的，叫做定桨式转轮（图9甲）。

叶片与水平成一定的角度，通常把叶片翼弦与水平所成的角度叫做“叶片的倾角”用a表示（图

10）。

不同的叶片倾角是不一样的。

为统一起见，通常规定在设计工况（水轮机

效率最高时）下的叶片倾角a0为基准，即规定这时的叶片装置角co为零（3=0o）

图9甲图9乙图10

从图中可以看出叶片装置角3与倾角a的关系为3=a-ao,当装置角o=0°时，水轮机效率最高；装置角3为正值时，水轮机的过流量加大；装置角3为负值时，则过流量减小。

装置角通常在-15°〜20。

之间。

在制造时，根据用户提供的水力资料来确定。

小型转轮的叶片和锥体是整体浇铸的，这样结构简单，制造方便，但工作性能较差。

当水头和负荷发生变化时，进入叶片的水流方向随之发生变化，叶片无法适应新的水流情况，就可能产生冲击，脱流、旋涡等现象，增大水头损失，而使效率急剧下降。

因此，这种定桨式转轮，仅适用于低水头大流量，及水头流量变化不大的小型水电站中。

如水电站的水头和流量发生季节性变化，为了提高效率和改善工作条件，往往采用叶片可调节的转轮（图9乙），有的也采用交换转轮（即用同一直径不同叶片装置角3的两只转轮）的方法，

去适应水头、流量的季节变化。

七、发电机的构造

发电机是农村微型水电站的主要设备之一，它是由水轮机带动转子而发电

的。

农村微型水电站使用的发电机有两大类，即：

同步发电机和异步发电机。

现在绝大部分是用同步发电机，只有极少数小容量的是用异步发电机发电的。

本节只重点介绍同步发电机。

同步发电机又有两类，一类是转子有励磁绕组转轴，滑环、励磁装置的传统的同步发电机；另一类是转子采用永磁材料的永磁同步发电机。

发电机还又分为单相发电机或三相发电机。

单相发电机只需二根导线送电，送电方便但只适用于小容量的发电机，现在一般是15KW以下的发电机。

三相发电机效率高，大容量的发电机都是采用三相发电机。

（一）同步发电机的构造

励磁装置同步发电机的外形见（图11）。

其主要组成部分见（图12）它有：

1.定子，包括定子铁芯，定子绕组，机座，接线盒等；2.转子，包括转子

铁心，磁极，励磁绕组，转轴，滑环、碳刷，风叶等；3.端盖，包括前后端盖，

同步发电机的外张图

图11图12

从图中可看发电机由定子和转子两大部分组成，定子包括定子铁芯，定子线圈和机座几部分，定子铁芯固定在机座上。

三相发电机定子线圈有A，B,C三相，彼此相距120°电角度，每相线圈有二个端头，三相共有六个端头，一般A相端头用符号D1、D4表示，B相端头用符号D2、D5表示，C相端头用符号D3D6表示。

小型发电机一般采用星形结线，D1D2D3为ABC三相出线，D4D5D6

连接一根中性线，即成为三相四线制供电。

转子包括转子铁芯，励磁线圈和穿过铁芯的轴等部分，在轴的一端有滑环和电刷，由励磁电源来的直流电能通过碳刷及滑环进入磁极线圈产生磁场。

这种发电机由于有滑环、碳刷磨擦部件，需要经常维护保养，励磁装置的整流器元件也容易损坏，平时要准备好配件。

有的小型自励恒压同步发电机的磁极线圈是装在机座上不旋转的，产生一相交流电的线圈为旋转的，称为旋转电枢式的同步发电机，这种结构的发电机容量较小。

（二）永磁同步发电机

永磁同步发电机结构上同上述的同步发电机原理基本上一样，最大的不

同点是它的转子上只有永磁磁钢没有磁极线圈、滑环、励磁装置，结构同电动机一样，只是转子是永磁的（图13）。

减少了很多发生故障情况的可能。

可靠性很高。

过去由于受永磁材料的限制发电机只能做到一千瓦以下。

目前国内稀土永

磁材料的发展，采用稀土永磁材料发电机已能做到30千瓦以上。

这种发电机的成本高于普通的同步发电机，但其可靠性大大地增加。

这对技术落后的边远地区用户使用是非常有利和重要的，因为边远地区用户维修成本很高，很小的一个元件损坏都会产生很大的维修成本。

因此，建议边远地区用户选用永磁发电机。

东越发申机站构图

图13

第三章微型水力发电站的修建知识

一、水工部份

（一）选水源

微型水力发电要具备二个基本要素；一是要有水，二是要有一定的落差（也就是水从高处流下来，也称为水头）。

高处的水冲动装在低处的水轮而使其转动后，同时带动发电机转动而发出电来，供人们利用。

1、找水源要选有天然坡度较陡的河沟，小溪，山箐，山泉。

要选择长流水，要搞清楚枯水季节有多少水量，洪水季节有多少水量；作为发电的用水量参考。

2、有了水还要看有没有落差，有天然的落差，就省工省钱了；可就地修一座水池，装上发电用的输水管是最理想的。

若没有，看能否沿山坡开一条水沟，将水引到下游一处能形成落差的地方，在此修一座前池，供发电储水能之用。

找到了水，看好电站厂址，就要进行流量，落差的量化测量。

（二）落差测量

其测量的方法有很多，这里只介绍一种简单、适用的方法。

其工具简单，操作方便，易学易懂，人人可掌握操作的方法，即《水压测高仪》测高法。

《水压测高仪》是由压力表，20米透明塑料管两部份组成的。

重量轻，便携带。

原理：

利用压力表能测压的功能，透明塑料管能装水的特性，当塑料透明管装满水，再形成一定的高差，压力表上就会表示压力的数值。

此压力表是使用国际

单位的基本单位，采用（兆帕）MPa为计量单位。

为方便使用，现换算成M。

列表如下：

表上数据

MPa兆帕）

0.04

0.08

0.12

0.16

「咼差数据

（米）

|4

8

12

16

工具：

水压测高仪，皮尺，木桩，记录本，笔和砍刀

操作：

视地形从水源地，可修前池处为起点，装水轮发电机处为终点。

分成若干段，用木桩标明，量明尺寸，记录在册，供作输水管数据。

两人分别掌握水压测高仪的两端，将塑料透明管充满水，从上段测起，持管口人站高处（第一桩位），持表人站低处（第二桩位），管中水位形成压差，表针工作。

表针所指数据为高差数，（换算成米的单位），记录下来。

如此重复，将所分段