由水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組合而成的發(fā)電動(dòng)力裝置。設(shè)置在水電站中，執(zhí)行把水能轉(zhuǎn)換成電能的功能。機(jī)組中水輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，它利用水的能量運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。常用的水輪機(jī)有沖擊式、反擊式、貫流式和可逆式。發(fā)電機(jī)則均采用同步發(fā)電機(jī)。

由于水電站的自然條件和工況各異，水輪發(fā)電機(jī)組的容量和轉(zhuǎn)速變化范圍很大?？砂雌涑叽绱笮『徒Y(jié)構(gòu)特征劃分其容量和轉(zhuǎn)速（見表）。

特點(diǎn)

水輪發(fā)電機(jī)與其他發(fā)電機(jī)相比有一些不同的特點(diǎn)：

（1）它需有較大的飛輪力矩。因此，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑及整機(jī)的外形尺寸都比較大。

（2）水電站一般離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，需通過長距高壓輸電線路向負(fù)荷供電。因此，要求水輪發(fā)電機(jī)有較高的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定特性。

（3）水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑大，選用的材料要求又不及汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)的高。所以，雖然其轉(zhuǎn)速不及后兩者，但仍需考慮萬一達(dá)到飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)對材料強(qiáng)度的要求，以保證其可靠性。

基本數(shù)據(jù)

水輪發(fā)電機(jī)組的基本數(shù)據(jù)包括額定容量、額定電壓、額定功率因數(shù)、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(jì)。水電站選擇機(jī)組容量和臺數(shù)需考慮樞紐布置，電力系統(tǒng)運(yùn)行的要求，機(jī)組在系統(tǒng)中調(diào)度的靈活性，設(shè)備制造、運(yùn)輸、安裝、造價(jià)等多種因素。在保證電力系統(tǒng)運(yùn)行安全、靈活的條件下，采用單機(jī)容量較大、臺數(shù)較少的方案有利機(jī)組的高效率，并可簡化水電站的樞紐布置，加快施工進(jìn)度和總投資。但通常不少于兩臺。

額定電壓

它的選取要從額定容量、電磁負(fù)荷、電站的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及電力系統(tǒng)輸配電設(shè)備等方面綜合考慮。一般來說，在合理范圍內(nèi)，電壓取低值，電機(jī)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要好一些。

額定功率因數(shù)

對它的選擇既要考慮發(fā)電機(jī)的造價(jià)、對水電站設(shè)備和電力系統(tǒng)無功補(bǔ)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(shí)，還要計(jì)及它超過設(shè)計(jì)水頭運(yùn)行多發(fā)電的效益，特別是在建站初期，只有一、兩臺機(jī)組投運(yùn)(其余機(jī)組未裝完)以及可能發(fā)生棄水的情況下，更應(yīng)考慮這種運(yùn)行性的可能性與合理性。大型水電站多處深山狹谷，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，功率因數(shù)可適當(dāng)提高。通常情況下，功率因數(shù)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(X_d)指機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)直軸呈現(xiàn)的電抗。其值為發(fā)電機(jī)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(tǒng)輸送功率的極限，但須增加電機(jī)尺寸和造價(jià)。超瞬變電抗(X廐)指發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)突變(如突然短路或自同步合閘時(shí))的暫態(tài)過程的起始瞬間，對應(yīng)電樞反應(yīng)磁通磁路的磁阻最大、電抗最小。瞬變電抗(X媁)則是在暫態(tài)過程中，超瞬變電抗在過程的初始一段時(shí)間內(nèi)迅速增大到某一值。這之后，電抗緩慢增大到同步電抗。X媁的變化對電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定有重大影響，減小X媁可以提高靜態(tài)穩(wěn)定的儲備系數(shù)，但X媁的變化對動(dòng)態(tài)穩(wěn)定影響有限。X廐是計(jì)算短路電流的重要數(shù)據(jù)，對選擇水電站的電工設(shè)備有直接影響。

飛輪力矩

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障，水輪發(fā)電機(jī)突然和系統(tǒng)解列時(shí)，由于水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉需要一定時(shí)間，這一時(shí)間內(nèi)，機(jī)組轉(zhuǎn)速將升高。為控制轉(zhuǎn)速上升值，要求水輪發(fā)電機(jī)具有一定的飛輪力矩(GD²)。 它是指發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(tǒng)受到大干擾時(shí)所需極限切除時(shí)間，對電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程和動(dòng)穩(wěn)定有很大影響。在一定極限切除時(shí)間內(nèi)，GD²越大可以提高輸送功率。同時(shí)GD²大，機(jī)組甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)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(fā)電機(jī)重量和造價(jià)。

輔助設(shè)備

水輪發(fā)電機(jī)組的輔助設(shè)備主要包括冷卻裝置、制動(dòng)裝置、調(diào)速裝置等。

冷卻裝置

水輪發(fā)電機(jī)的冷卻主要采用空氣冷卻，以通風(fēng)系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子以及鐵心表面進(jìn)行冷卻。但隨著單機(jī)容量的增長，定、轉(zhuǎn)子的熱負(fù)荷不斷提高，為了在一定轉(zhuǎn)速下提高發(fā)電機(jī)單位體積的輸出功率，大容量水輪發(fā)電機(jī)采用了定、轉(zhuǎn)子繞組直接水冷的方式；或者定子繞組用水冷，而轉(zhuǎn)子用強(qiáng)風(fēng)冷卻。

制動(dòng)裝置

額定容量超過一定值的水輪發(fā)電機(jī)均設(shè)有制動(dòng)裝置。其作用是在發(fā)電機(jī)停機(jī)過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低到額定轉(zhuǎn)速的30～40％時(shí)，對轉(zhuǎn)子實(shí)施連續(xù)制動(dòng)，以避免推力軸承因低轉(zhuǎn)速下油膜被破壞而燒損軸瓦。制動(dòng)裝置的另一作用是在安裝、檢修和起動(dòng)前，用高壓油頂起發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件。裝置采用壓縮空氣制動(dòng)。

調(diào)速裝置

包括調(diào)速器和油壓裝置。調(diào)速器的作用是調(diào)節(jié)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，以保證輸出電能的頻率符合供電要求，并實(shí)現(xiàn)機(jī)組操作(開機(jī)、停機(jī)、變速、增、減負(fù)荷)、安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。為此，調(diào)速器的性能應(yīng)滿足快速操作，反應(yīng)靈敏，迅速穩(wěn)定，運(yùn)行、維修方便等要求，它還需要可靠的手動(dòng)操作及事故停機(jī)裝置。

調(diào)速器分機(jī)械液壓調(diào)速器和電液壓調(diào)速器兩種。前者的主要部件為機(jī)械液壓元件。后者包括測速環(huán)節(jié)、小功率信號的綜合、變換和放大及反饋環(huán)節(jié)，其信號電源為永磁發(fā)電機(jī)。當(dāng)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷改變時(shí)，調(diào)速器迅速調(diào)節(jié)水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，使水輪機(jī)的流量和流速發(fā)生變化，以使機(jī)組轉(zhuǎn)速符合電能質(zhì)量要求。

機(jī)型選擇

不同型的水輪機(jī)適用于不同的水頭，因而對不同的電站，需選用恰當(dāng)?shù)乃啓C(jī)與發(fā)電機(jī)組合。

沖擊式水輪機(jī)

它依水流沖擊轉(zhuǎn)輪的方向和部位可分為切擊式、斜擊式和雙擊式。前者是唯一用于大型機(jī)組的沖擊式水輪機(jī)，水頭超過300米時(shí)，應(yīng)選用切擊式水輪機(jī)。到80年代，最高水頭的切擊式機(jī)組的水頭達(dá)1763.5米，轉(zhuǎn)速為750轉(zhuǎn)／分，單機(jī)功率為22.8兆瓦，安裝于奧地利賴瑟克山水電站。后兩者只適用小型機(jī)組，斜擊式的適用水頭為30～350米，功率為10～500千瓦，比轉(zhuǎn)速為18～45。雙擊式的適用水頭在60米以下，功率出力小于150千瓦，比轉(zhuǎn)速為25～70。這兩種機(jī)組適用于農(nóng)村小水電。

反擊式水輪機(jī)

依加速方式可分為混流式、軸流式和斜流式三種?；炝魇绞菓?yīng)用最廣泛的一種型式，它結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，造價(jià)低，滿負(fù)荷時(shí)效率高，比轉(zhuǎn)速為50～300，使用水頭為30～700米。到80年代，單機(jī)容量最大的混流式機(jī)組為700兆瓦，轉(zhuǎn)輪直徑9.23米，水頭變化范圍為67～108米，裝于美國大古力水電站。軸流式又可分為轉(zhuǎn)槳式、定槳式。轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的平均效率較混流式高，它的比轉(zhuǎn)速高達(dá)200～850、機(jī)組尺寸小、重量輕，適用于低水頭(3～80米)和負(fù)荷變化大的水電站。但在使用水頭提高時(shí)，其過流能力易受到限制，且汽蝕系數(shù)大。到80年代；世界上尺寸最大的軸流式轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)的直徑達(dá)11.3米，設(shè)計(jì)水頭18.6米，功率為170兆瓦。定槳式過流能力比轉(zhuǎn)槳式高，汽蝕性能也有所改善，但不能適應(yīng)水頭和負(fù)荷變化大的電站。它的比轉(zhuǎn)速范圍為250～700，使用水頭為3～50米。世界上較大的機(jī)組為美國羅基里水電站機(jī)組，容量125兆瓦。設(shè)計(jì)水頭為26.3米，轉(zhuǎn)輪直徑7.2米。斜流式水輪機(jī)的汽蝕系數(shù)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(jī)械。世界上最大的斜流式機(jī)組在蘇聯(lián)杰維水電站，單機(jī)容量215兆瓦，設(shè)計(jì)水頭78.5米，轉(zhuǎn)輪直徑6米。

貫流式水輪機(jī)

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(jié)構(gòu)緊湊。但轉(zhuǎn)輪的外線速度大，葉片強(qiáng)度要求高，密封也復(fù)雜，比轉(zhuǎn)速高（為600～1000），使用水頭一般小于20米，可應(yīng)用于大型潮汐電站。后者又分為燈泡式和豎井式。燈泡式水輪機(jī)可與發(fā)電機(jī)直接連接，裝設(shè)在同一個(gè)燈泡形殼體內(nèi)，故名。燈泡式又分為直連式和行星齒輪式。直連式的使用水頭范圍6～15米， 容量范圍5000千瓦；行星齒輪式使用水頭范圍在6米以下，容量范圍2500千瓦。直連式在水頭較低時(shí)轉(zhuǎn)速很低，發(fā)電機(jī)效率會降低。行星齒輪式可使轉(zhuǎn)速增加3～10倍，齒輪傳動(dòng)效率可達(dá)0.98～0.99。這種水輪發(fā)電機(jī)組尺寸小、重量輕，可大大提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。80年代世界最大燈泡式水輪發(fā)電機(jī)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，容量范圍相同。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(jī)

又稱水泵水輪機(jī)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)。它既可作水輪機(jī)運(yùn)行，又可作水泵運(yùn)行，主要用于抽水蓄能電站?？赡媸剿啓C(jī)也分為混流式、斜流式和軸流式3種。其中以混流式應(yīng)用最廣，因?yàn)樗膽?yīng)用水頭范圍廣（30～600米）。 世界上最高水頭的混流式可逆水輪機(jī)裝于南斯拉夫巴伊納巴什塔電站，水頭為600.3米，水泵揚(yáng)程為623.1米，單機(jī)功率為315兆瓦。

特殊運(yùn)行

由于水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行調(diào)度較靈活，在電力系統(tǒng)中可用作調(diào)相運(yùn)行和進(jìn)相運(yùn)行。

調(diào)相運(yùn)行

水輪發(fā)電機(jī)作調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí)向電力系統(tǒng)輸送感性無功功率，以改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。這時(shí)，它從系統(tǒng)中吸取一部分有功功率以補(bǔ)充其銅耗、鐵耗和風(fēng)摩損耗。通常采用壓水調(diào)相（見水電站）。一般調(diào)相容量為(0.6～0.75)S_x（千乏）。S_x為發(fā)電機(jī)額定容量。

進(jìn)相運(yùn)行

電力系統(tǒng)中大容量高壓長距離輸電系統(tǒng)輕載時(shí)，線路的容性電流會使受端電壓升高。這時(shí)，系統(tǒng)要求水輪機(jī)作進(jìn)相運(yùn)行，即發(fā)電機(jī)在欠勵(lì)狀態(tài)下，向系統(tǒng)輸送容性無功功率和部分有功功率。水輪發(fā)電機(jī)作進(jìn)相運(yùn)行時(shí)具如下特點(diǎn)：

（1）定子端部附近各金屬件溫升較高，最高溫度一般發(fā)生在鐵心兩端的齒部。

（2）它的進(jìn)相運(yùn)行能力比汽輪機(jī)高。

（3）進(jìn)相運(yùn)行時(shí)要注意靜態(tài)穩(wěn)定是否滿足運(yùn)行要求。發(fā)電機(jī)投入空載高壓長距離輸電系統(tǒng)的運(yùn)行稱為充電運(yùn)行，這也是進(jìn)相運(yùn)行的一種。