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一、前言
根据国家有关统计资料表明，截至2000年全国水电装机达7000万千瓦，其中共建成中小水电站4.8万座，装机容量已超过3000万千瓦，占全国装机总容量的40％左右，年发电量近1000亿千瓦时，担负了全国的1／2国土、1／3的县、1／4的人口供电任务。可见中小水电站在当前电力事业中起着重要的作用，中小水电站已经成为城市、乡镇经济的重要支柱，地区财政的主要来源。
在中小水电设备中，有相当数量已运行20－30年以上，其中比较多建成于20世纪60－80年代。对于这些早期修建的电站，由于受当时历史条件、技术水平和制造能力的限制，加上运行时间长，电站的设备已开始出现老化，效率降低，稳定性、可靠性变差，运行范围窄，设计参数与运行工况偏离，轴承磨损漏油，定、转子和轴瓦温升高，承载能力降低，机组噪音增大，励磁系统已无法满足机组正常运行要求等现象。同时，由于环境条件和电站水头流量的变化，很多中小型电站的设备已远远不能满足现在和以后经济发展的要求。对这类电站的水轮发电机组进行改造，增加其容量和出力，即能发挥现在设备的能力，又能减少电站水能浪费，解决电力不足，这是一条发展地方电力的好途径。
电站增容改造的先决条件是电站有足够的增容水能，即过剩的水头和流量。在原有中小型水轮发电机组及其附属设备的基础上，对由于各种因素造成设计与运行工况不一致，影响设备正常运行和潜力的发挥，通过改变运行参数，改造部分设备，增加发电容量，并消除或减轻存在的各类缺陷及问题。要增容必须对设备进行改造，有些设备由于水能无法增加其进行改造不一定增容，只是消除某些问题，恢复其原有出力和能量。但对多数电站兼有增容和改造的双重目的。从现在我国已经掌握的水电技术，制造水平和几十年运行维修经验，完全可以对过去的设备出现的问题进行改造，清除或减轻存在的问题和弊端，达到安全、稳定和高效运行。因此，有条件的电站应尽快进行增容改造。
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根据国家有关统计资料表明，截至2000年全国水电装机达7000万千瓦，其中共建成中小水电站4.8万座，装机容量已超过3000万千瓦，占全国装机总容量的40％左右，年发电量近1000亿千瓦时，担负了全国的1／2国土、1／3的县、1／4的人口供电任务。可见中小水电站在当前电力事业中起着重要的作用，中小水电站已经成为城市、乡镇经济的重要支柱，地区财政的主要来源。
在中小水电设备中，有相当数量已运行20－30年以上，其中比较多建成于20世纪60－80年代。对于这些早期修建的电站，由于受当时历史条件、技术水平和制造能力的限制，加上运行时间长，电站的设备已开始出现老化，效率降低，稳定性、可靠性变差，运行范围窄，设计参数与运行工况偏离，轴承磨损漏油，定、转子和轴瓦温升高，承载能力降低，机组噪音增大，励磁系统已无法满足机组正常运行要求等现象。同时，由于环境条件和电站水头流量的变化，很多中小型电站的设备已远远不能满足现在和以后经济发展的要求。对这类电站的水轮发电机组进行改造，增加其容量和出力，即能发挥现在设备的能力，又能减少电站水能浪费，解决电力不足，这是一条发展地方电力的好途径。
电站增容改造的先决条件是电站有足够的增容水能，即过剩的水头和流量。在原有中小型水轮发电机组及其附属设备的基础上，对由于各种因素造成设计与运行工况不一致，影响设备正常运行和潜力的发挥，通过改变运行参数，改造部分设备，增加发电容量，并消除或减轻存在的各类缺陷及问题。要增容必须对设备进行改造，有些设备由于水能无法增加其进行改造不一定增容，只是消除某些问题，恢复其原有出力和能量。但对多数电站兼有增容和改造的双重目的。从现在我国已经掌握的水电技术，制造水平和几十年运行维修经验，完全可以对过去的设备出现的问题进行改造，清除或减轻存在的问题和弊端，达到安全、稳定和高效运行。因此，有条件的电站应尽快进行增容改造。
二、水轮发电机组增容改造的经济效益分析
由于我国早期建的一些电站运行时间长设备老化，已不能满足现在的运行要求。同时电站的增容改造有着投资少，工期短，见效快的特点。
很多有潜力的电站已着手增容改造工作，甚至部分电站已完成增容改造，并取得显著成效，例如我区的拉浪电站，前几年对原电站三台单机容量为17Mw发电机进行改造，现已增容到单机容量20Mw。该电站3台机组增容改造费用共投资394.16万元，而1991～1994年共增创产值1925万元，相当增容改造总投资的3.2倍。
又例如我区藤县交口电站把两台单机容量为2500Kw水轮发电机改造增容到3000Kw，两台机每年可增加电力720万度。如每度电价0.15元，则每年可创双108万元。还有桂平金田电站一台3200Kw发电机增容后为4500Kw，大新那岸电站四台单机容量3200Kw机组也增容为4000Kw，都取得很好的效果。而电站扣除少量的增容改造费用外，经济效益是非常可观的。
从另一方面看，要新建一个1000Kw的电站，按目前编制的概算，每千瓦单位投资约为6000～8000元，则要投入资金600～800万元。如果电站要进行增容改造，仅需新建电站的十分之一左右投资就足够了。
因此，电站的增容改造快则几个月，慢则一两年即可收回投资。水轮发电机组的增容改造其经济效益和社会效益是显而易见的。
由于我国早期建的一些电站运行时间长设备老化，已不能满足现在的运行要求。同时电站的增容改造有着投资少，工期短，见效快的特点。
很多有潜力的电站已着手增容改造工作，甚至部分电站已完成增容改造，并取得显著成效，例如我区的拉浪电站，前几年对原电站三台单机容量为17Mw发电机进行改造，现已增容到单机容量20Mw。该电站3台机组增容改造费用共投资394.16万元，而1991～1994年共增创产值1925万元，相当增容改造总投资的3.2倍。
又例如我区藤县交口电站把两台单机容量为2500Kw水轮发电机改造增容到3000Kw，两台机每年可增加电力720万度。如每度电价0.15元，则每年可创双108万元。还有桂平金田电站一台3200Kw发电机增容后为4500Kw，大新那岸电站四台单机容量3200Kw机组也增容为4000Kw，都取得很好的效果。而电站扣除少量的增容改造费用外，经济效益是非常可观的。
从另一方面看，要新建一个1000Kw的电站，按目前编制的概算，每千瓦单位投资约为6000～8000元，则要投入资金600～800万元。如果电站要进行增容改造，仅需新建电站的十分之一左右投资就足够了。
因此，电站的增容改造快则几个月，慢则一两年即可收回投资。水轮发电机组的增容改造其经济效益和社会效益是显而易见的。
三、水轮发电机组增容改造的可行性
1、水轮发电机组增容的先决条件是电站有足够的增容水能，也就是水头和流量过剩。我国以前是计划经济，建造电站是由国家一览子包到底。电站安装的机组大多以调拨方式配套供给，因此很多电站实际水头和流量与设计安装的机组容量不符。另外，由于自然环境和地理条件的变化，不少电站水头和流量过剩，这为水轮发电机的增容改造提供了有利条件。通过对现有的水轮发电机组进行改造，提高其发电能力，充分发挥和利用过剩的水力资源的作用，于国于民都有好处，而且电站也将由此获得丰厚的收益。
2、在电站有多余的水能供水轮发电机组增容的前提下，我们还要看水轮机是否有足够的出力和满足增容后的机械强度。有些电站水轮机转轮的运转已不适应增容的需要。而现在国内外采用现代的先进技术已研制不少效率高，性能好的优良转轮，在基本上不改变水轮机现在通流部件的前提下，可以保证水轮发电机组的增容改造能顺利进行。
3、新技术、新材料、新工艺的不断涌现，为水轮发电机组的增容改造提供更多的有利条件。随着时代的发展和科学技术的不断提高，各发电设备制造厂家在设计和生产中，采用大量的新技术、新材料、新工艺，使水轮发电机组的设计和制造日益完善。单位千伏安用料不断下降，而机组的效率不断提高。特别新型绝缘材料如F级桐马环氧粉云母带的推广使用，可以把发电机绝缘层厚度减薄，这样可以使发电机容量进一步增加。另外，优质硅钢片的使用，也将更有利于发电机电磁性能的改善。弹性金属塑料瓦的推广应用，大大提高机组的承载能力和机组运行可靠性。空气冷却器和油冷却器已改用新型冷却管，这也将增大发电机散热降温的能力。
4、电子计算机的广泛应用，为水轮发电机组的增容改造提供了先进的计算手段和精确的技术数据。更可以从众多的改造方案中优选出最佳的方案。过去我们对水轮发电机的设计依靠人工手段，凭经验调整各种参数。加上我们原来的电磁设计和结构设计都是沿用原苏联的老一套方法，公式陈旧，数据保守，手段落后，效率偏低。而现在采用CAD、CAM、有限元分析等现代化手段进行优化设计，在电磁计算、水力流道、机械设计、强度校核、通风计算和热路分析等方面均可取得准确而理想数据，这样我们对水轮发电机的增容改造提供了更为良好的条件。
1、水轮发电机组增容的先决条件是电站有足够的增容水能，也就是水头和流量过剩。我国以前是计划经济，建造电站是由国家一览子包到底。电站安装的机组大多以调拨方式配套供给，因此很多电站实际水头和流量与设计安装的机组容量不符。另外，由于自然环境和地理条件的变化，不少电站水头和流量过剩，这为水轮发电机的增容改造提供了有利条件。通过对现有的水轮发电机组进行改造，提高其发电能力，充分发挥和利用过剩的水力资源的作用，于国于民都有好处，而且电站也将由此获得丰厚的收益。
2、在电站有多余的水能供水轮发电机组增容的前提下，我们还要看水轮机是否有足够的出力和满足增容后的机械强度。有些电站水轮机转轮的运转已不适应增容的需要。而现在国内外采用现代的先进技术已研制不少效率高，性能好的优良转轮，在基本上不改变水轮机现在通流部件的前提下，可以保证水轮发电机组的增容改造能顺利进行。
3、新技术、新材料、新工艺的不断涌现，为水轮发电机组的增容改造提供更多的有利条件。随着时代的发展和科学技术的不断提高，各发电设备制造厂家在设计和生产中，采用大量的新技术、新材料、新工艺，使水轮发电机组的设计和制造日益完善。单位千伏安用料不断下降，而机组的效率不断提高。特别新型绝缘材料如F级桐马环氧粉云母带的推广使用，可以把发电机绝缘层厚度减薄，这样可以使发电机容量进一步增加。另外，优质硅钢片的使用，也将更有利于发电机电磁性能的改善。弹性金属塑料瓦的推广应用，大大提高机组的承载能力和机组运行可靠性。空气冷却器和油冷却器已改用新型冷却管，这也将增大发电机散热降温的能力。
4、电子计算机的广泛应用，为水轮发电机组的增容改造提供了先进的计算手段和精确的技术数据。更可以从众多的改造方案中优选出最佳的方案。过去我们对水轮发电机的设计依靠人工手段，凭经验调整各种参数。加上我们原来的电磁设计和结构设计都是沿用原苏联的老一套方法，公式陈旧，数据保守，手段落后，效率偏低。而现在采用CAD、CAM、有限元分析等现代化手段进行优化设计，在电磁计算、水力流道、机械设计、强度校核、通风计算和热路分析等方面均可取得准确而理想数据，这样我们对水轮发电机的增容改造提供了更为良好的条件。
四、水轮机的增容改造途径和措施
水轮机作为发电设备的一部分并起着龙头作用，备受人们的重视和提出越来越高的要求，它的改造成功与否直接影响其他发电设备改造方案和实施工作的进行。因此，电站的增容改造应先对水轮机作考核。
1、首先对电站原设计水力参数进行重新核算
中小型电站过去在进行水轮机选型时，只给出设计水头，无最大最小水头甚至给出的是毛水头还是静水头都含混不清，设计流量有偏大或偏小现象，水文水质负荷变化情况很难提供确切数据。受当时审批权限和资金限制，往往确定的装机容量或装机台数不尽合理，致使机组不能在高效稳定合理工况下运行。为此首先要确定正确的水头和流量。有了这些参数才能进行运行工况点的核算。
水头应包括：额定水头Hr、最大水头Hmax、最小水头Hmin。
按已有的发电机的额定转速n，应用公式（1）计算各种水头下的单位转速ni。
(1)
再按核定后的额定流量Qr，单机出现的最小流量Qmin和可能提供的最大流量Qmax以及增容确定的流量 Q，应用公式（2）分别计算出对应的单位流量Qi值。
（2）
将ni、Qi的个组值在综合特性曲线上确定模型效率ηm比较高，汽蚀系数б合适，压力脉动值A在允许范围内的各点和不适合运行的点。如果在综合特性曲线偏离合理范围或超出原来转轮的适用范围，就应该寻找替代的新转轮。
2、根据新的水头、流量等水力参数选用新转轮
按前面方法计算并在原来转轮的综合特性曲线已经出现偏离合理范围时，就应该寻找新转轮替代原来转轮。
新转轮应符合以下条件：
（1）选用的新转轮的水头使用范围应适合改造电站核实后的各种水头。
（2）以改造电站的原有型号发电机或新配型号发电机的额定转速n，换算出新的单位转速ni，其ni值应在选用的新转轮综合特性曲线合理范围内。
（3）单位流量Qi值，包刮增容的Qi不应超出力限制线和偏离最优区向左太多。 （4）按电站实际吸出高度
（3）
反推出电站装置汽蚀系数бz值，在新转轮的综合特性曲线上，由各组对应的ni、Qi值进行对照出汽蚀系数б值，б<бz才能满足要求。
（5）上述值核算并得到满意后，得出各组参数下的模型效率，按推荐公式求出真机效率ηt，依公式（4）和公式（5），在查出发电机效率ηg，就可计算出水轮机的输出功率Pt，发电机出力Pg。
（4）
（5）
计算后，分析是否达到增容改造要求。
（6）重视原来转轮与选用的新转轮过流通道的差异。
按(1)－(5)计算后，性能达到要求后，还必须进行原来转轮与选用新转轮过流通道的比较，才能得以真正实施。
3、确定导叶高度
（1）导叶高度b0的确定，新老转轮导叶高度应尽量一致，若出现不一致，b0值改变将涉及到固定导叶高度、座环、顶盖、底环、转轮进水边等一系列尺寸变动及结构问题。b0值变化大，还应该进行过流通道试验。我们曾几次遇到过老转轮导叶高是非标准的，如b0＝0.488D1，0391 D1，0.224 D1、0.221 D1、0.118 D1等。很难找到相应 的新转轮。
（2）锥角不一致、下环高度不一致、改变下环锥角将导致Qi、δ的变化；现在新转轮下环高度往往比老转轮高，若采用新转轮替代老转轮，将会出现叶片一部分露出下环外并伸出到尾水管进口处。有的科研单位对中比转速混流式某转轮在电站进行过对比试验，认为叶片伸出下环相对高度占下环高15－20％以下性能影响不大，但叶片强度应慎重处理。
（3）新老转轮配套的尾水管差异，尤其是轴流式和中高比转速混流式转轮影响更大，应慎重对待，并在过流能力和效率上予以考虑修正。
（4）若流量提高较多，应对管道水头损失和速度上升引起的压力升高进行核算，根据计算结果，向电站提出改造意见。
比较新老转轮单位飞逸转速niR，水推力系数K的不同。
单位飞逸转速niR，将应起飞逸转速变化，如新转轮飞逸转速增加太多，就必须核算转轮部分的强度，尤其是原来发电机转子磁极的强度。
水推力系数K不同，将引起轴向水推力变化，它直接影响推力轴承P值和温度变化。
上述工作完成后就可以进行具体结构修改设计和制造。
4、选用实用的先进转轮应考虑的几个问题
在考虑增容改造选用转轮时，在性能、过流通道上与现在颁布的"中小型轴流式混流式水轮机转轮系统型谱"，各大研究单位推出的优秀转轮，以及一些单位专门推荐增容改造转轮都存在或多或少的不同，并非简单只更换转轮就可以增容，其主要原因是：
（1）入选的新转轮替代老轮转的主要阐述，例如Qi，效率η可能满足要求，但有些参数并一定会合适，有时不得不在几个转轮中反复筛选，单位流量要完全合适几乎不可能，其中原因之一许多性能指标高的转轮并不是为中小型水轮机增容改造研究的，而是有其具体使用条件和特定要求。
（2）有些先进转轮在大中型水轮机采用完全合理，但在中小型水轮机上采用出现如出水边太薄，叶片流道太窄无法装焊，材料要求高等不利因素影响采用。
（3）有些水轮机的增容改造，不单纯更换转轮还涉及过流通道的改变，要进行试验费用太高，制作试验装置周期长，延长改造时间，不进行试验又需承担一定风险。
水轮机作为发电设备的一部分并起着龙头作用，备受人们的重视和提出越来越高的要求，它的改造成功与否直接影响其他发电设备改造方案和实施工作的进行。因此，电站的增容改造应先对水轮机作考核。
1、首先对电站原设计水力参数进行重新核算
中小型电站过去在进行水轮机选型时，只给出设计水头，无最大最小水头甚至给出的是毛水头还是静水头都含混不清，设计流量有偏大或偏小现象，水文水质负荷变化情况很难提供确切数据。受当时审批权限和资金限制，往往确定的装机容量或装机台数不尽合理，致使机组不能在高效稳定合理工况下运行。为此首先要确定正确的水头和流量。有了这些参数才能进行运行工况点的核算。
水头应包括：额定水头Hr、最大水头Hmax、最小水头Hmin。
按已有的发电机的额定转速n，应用公式（1）计算各种水头下的单位转速ni。
(1)
再按核定后的额定流量Qr，单机出现的最小流量Qmin和可能提供的最大流量Qmax以及增容确定的流量 Q，应用公式（2）分别计算出对应的单位流量Qi值。
（2）
将ni、Qi的个组值在综合特性曲线上确定模型效率ηm比较高，汽蚀系数б合适，压力脉动值A在允许范围内的各点和不适合运行的点。如果在综合特性曲线偏离合理范围或超出原来转轮的适用范围，就应该寻找替代的新转轮。
2、根据新的水头、流量等水力参数选用新转轮
按前面方法计算并在原来转轮的综合特性曲线已经出现偏离合理范围时，就应该寻找新转轮替代原来转轮。
新转轮应符合以下条件：
（1）选用的新转轮的水头使用范围应适合改造电站核实后的各种水头。
（2）以改造电站的原有型号发电机或新配型号发电机的额定转速n，换算出新的单位转速ni，其ni值应在选用的新转轮综合特性曲线合理范围内。
（3）单位流量Qi值，包刮增容的Qi不应超出力限制线和偏离最优区向左太多。 （4）按电站实际吸出高度
（3）
反推出电站装置汽蚀系数бz值，在新转轮的综合特性曲线上，由各组对应的ni、Qi值进行对照出汽蚀系数б值，б<бz才能满足要求。
（5）上述值核算并得到满意后，得出各组参数下的模型效率，按推荐公式求出真机效率ηt，依公式（4）和公式（5），在查出发电机效率ηg，就可计算出水轮机的输出功率Pt，发电机出力Pg。
（4）
（5）
计算后，分析是否达到增容改造要求。
（6）重视原来转轮与选用的新转轮过流通道的差异。
按(1)－(5)计算后，性能达到要求后，还必须进行原来转轮与选用新转轮过流通道的比较，才能得以真正实施。
3、确定导叶高度
（1）导叶高度b0的确定，新老转轮导叶高度应尽量一致，若出现不一致，b0值改变将涉及到固定导叶高度、座环、顶盖、底环、转轮进水边等一系列尺寸变动及结构问题。b0值变化大，还应该进行过流通道试验。我们曾几次遇到过老转轮导叶高是非标准的，如b0＝0.488D1，0391 D1，0.224 D1、0.221 D1、0.118 D1等。很难找到相应 的新转轮。
（2）锥角不一致、下环高度不一致、改变下环锥角将导致Qi、δ的变化；现在新转轮下环高度往往比老转轮高，若采用新转轮替代老转轮，将会出现叶片一部分露出下环外并伸出到尾水管进口处。有的科研单位对中比转速混流式某转轮在电站进行过对比试验，认为叶片伸出下环相对高度占下环高15－20％以下性能影响不大，但叶片强度应慎重处理。
（3）新老转轮配套的尾水管差异，尤其是轴流式和中高比转速混流式转轮影响更大，应慎重对待，并在过流能力和效率上予以考虑修正。
（4）若流量提高较多，应对管道水头损失和速度上升引起的压力升高进行核算，根据计算结果，向电站提出改造意见。
比较新老转轮单位飞逸转速niR，水推力系数K的不同。
单位飞逸转速niR，将应起飞逸转速变化，如新转轮飞逸转速增加太多，就必须核算转轮部分的强度，尤其是原来发电机转子磁极的强度。
水推力系数K不同，将引起轴向水推力变化，它直接影响推力轴承P值和温度变化。
上述工作完成后就可以进行具体结构修改设计和制造。
4、选用实用的先进转轮应考虑的几个问题
在考虑增容改造选用转轮时，在性能、过流通道上与现在颁布的"中小型轴流式混流式水轮机转轮系统型谱"，各大研究单位推出的优秀转轮，以及一些单位专门推荐增容改造转轮都存在或多或少的不同，并非简单只更换转轮就可以增容，其主要原因是：
（1）入选的新转轮替代老轮转的主要阐述，例如Qi，效率η可能满足要求，但有些参数并一定会合适，有时不得不在几个转轮中反复筛选，单位流量要完全合适几乎不可能，其中原因之一许多性能指标高的转轮并不是为中小型水轮机增容改造研究的，而是有其具体使用条件和特定要求。
（2）有些先进转轮在大中型水轮机采用完全合理，但在中小型水轮机上采用出现如出水边太薄，叶片流道太窄无法装焊，材料要求高等不利因素影响采用。
（3）有些水轮机的增容改造，不单纯更换转轮还涉及过流通道的改变，要进行试验费用太高，制作试验装置周期长，延长改造时间，不进行试验又需承担一定风险。
五、水轮发电机增容改造的方法和途径
水轮机改造方案定好后，即考虑发电机的增容改造，一般按下途径进行:
1、发电机定子的改造
我们知道水轮发电机的出力是从定子得到的。因此，要增加水轮发电机容量，首先要对定子的结构进行改造，重点先考虑定子绕组。
早期生产的高电压等级水轮发电机均以沥青片云母浸胶作为定子绕组的主绝缘。这种绝缘的耐热等级属A级，定子绝缘允许温升只有650C，而且绝缘层厚。不但散热能力差，还降低了定子槽的利用率。现在已普遍采用耐热等级为B级的环氧粉云母作为主绝缘，甚至采用F级桐马环氧粉云母绝缘。这种B级绝缘允许温升为800C，F级绝缘允许温升为1050C，绝缘厚度也大大减薄，从而可达到提高定子电负荷的目的。
从电机的设计公式中，我们知道发电机的额定功率PN与电负荷AS、气隙磁密Bδ、定子铁芯长度Lt和额定转速nN有关。此外，还与定子绕组的绝缘传导系数λi、单边绝缘厚度δi和导体截面积SCU有关。从电机的几何相似定律中，我们还可以知到，假定发电机的主要尺寸和额定转速不变时，则
这就是说提高发电机的容量主要取决于提高电负荷和导体截面积。在定子绕组绝缘厚度相同的条件下，由于沥青云母绝缘改为环氧粉云母绝缘，可使发电机容量提高20％。在相同电压等级下，采用环氧粉云母绝缘可比沥青云母绝缘厚度减薄约10％－20％。减薄的位置可以用来增加导线截面积，即可利于增加发电机容量，又便于定子绕组的散热。
此外，在水轮发电机增容改造中，必要时增加或更换定子铁心，或增加定子槽数，以便提高电负荷。例如桂平金田电站就是增加定子铁芯高度而大幅度增加机组容量的。在铁心尺寸不变的前提下，减薄铁心段厚度，将通风沟的高度降低，采用4×6或4×8的通风槽钢，这样更有利于定子通风散热。在此同时，可采用目前生产的高导磁低损耗的优质硅钢片，也是增容改造有效手段之一。
2、发电机转子的改造
在作完定子的改造以后，还要对转子励磁绕组作分析处理。水轮发电机在增容改造时，一般可不动转子结构和励磁绕组。但转子温升过高时，可作如下处理：
（1）如果定、转子间气隙过大，或不均匀时，可在磁极与磁轭间垫入垫片，调整合适间隙，以降低励磁电流，减少励磁绕组电密，降低转子温升。
（2）采用七边形铜线或散热匝的结构，增加磁极线圈的散热面积，都是降低转子温升行之有效的方法。
（3）在更换磁极线圈有困难时，可以提高发电机功率因素运行。
3、改善水轮发电机的通风冷却系统
（1）控制水轮发电机的适当通风量，可以减少通风损耗。在增容改造前，首先对水轮发电机的通风
量进行核算。我国目前运行的水轮发电机的总风量都偏大，国内厂家都以下列公式计算总风量：
∑P－通风所带走的总耗损（KW）
Ca－冷却介质的比热（J／kg. ）
Qa－冷却空气通过电机后的温升（ ）
我国一般把Qa取为15 ～20 ，国外已将此数值取为30 ～35 之间，狄莫纳工厂为云南鲁布革生产的150MW，18极发电机Qa取为34 。因此国外发电的通风量均偏小，一般为5 ／s／MW。而我国设计的发电机通风重量一般在10 ／s／MW 左右。显然我国设计的总风量过大，导致风损耗增大，使发电机的效率降低，影响发电机的出力，笔者建议发电机改造时，其总风量控制在6－7 ／s／MW为宜。
（2）改善发电机通风循环回路。一些水轮发电机可取消风扇或改变现在风扇安装位置。将目前典型的通风结构改为端部回风系统结构，减少风路中的涡流。由于取消风扇，总风量也相应减少。通风损耗也减少了，提高了发电机的效率，还降低了这部份损耗所产生的热量，也降低了电机的温升。此外，改变挡风板中位置和形状或增加挡风板，能把冷却气流导向定子和转子需要冷却散热的部位。使风路中循环空气分布更均匀更合理。对转子支架导风孔进行改进和选用新型材料作导风板，也可以增加定、转子的散热效果。
4、对水轮发电机的空气冷却器进行核算和更新
在水轮发电机增容改造时，应该核算空气冷却器是否满足增容发电机损耗所需要的热量交换，并留有一定裕度，如不满足时，需增加空气冷却器数量或换用容量更大的空气冷却器。最好改换新生产的高效冷却管的空气冷却器。目前国内已推广应用双金属翼片管作冷却管和一种具有内外热交换功能的针式铜管作冷却管的空气冷却器。这两种新型空气冷却器的传热系数K值高，热交换性能好，风阻小，抗震刚度强，其造价仅为老式绕簧空冷器的65％左右，而热交换能力比绕簧管式空冷器高20～30％左右。根据已在更换这种新型空冷器的电站测试的数据，水轮发电机定子的温升可降低8～15 左右，冷却效果良好。
以上是针对水轮发电机增容改造提出的一些方法和意见。在实际改造中，还要根据各电站不同机组，而采取不同的措施进行改造，以达到增加机组容量，增加电站经济效益和社会效益的目的。
水轮机改造方案定好后，即考虑发电机的增容改造，一般按下途径进行:
1、发电机定子的改造
我们知道水轮发电机的出力是从定子得到的。因此，要增加水轮发电机容量，首先要对定子的结构进行改造，重点先考虑定子绕组。
早期生产的高电压等级水轮发电机均以沥青片云母浸胶作为定子绕组的主绝缘。这种绝缘的耐热等级属A级，定子绝缘允许温升只有650C，而且绝缘层厚。不但散热能力差，还降低了定子槽的利用率。现在已普遍采用耐热等级为B级的环氧粉云母作为主绝缘，甚至采用F级桐马环氧粉云母绝缘。这种B级绝缘允许温升为800C，F级绝缘允许温升为1050C，绝缘厚度也大大减薄，从而可达到提高定子电负荷的目的。
从电机的设计公式中，我们知道发电机的额定功率PN与电负荷AS、气隙磁密Bδ、定子铁芯长度Lt和额定转速nN有关。此外，还与定子绕组的绝缘传导系数λi、单边绝缘厚度δi和导体截面积SCU有关。从电机的几何相似定律中，我们还可以知到，假定发电机的主要尺寸和额定转速不变时，则
这就是说提高发电机的容量主要取决于提高电负荷和导体截面积。在定子绕组绝缘厚度相同的条件下，由于沥青云母绝缘改为环氧粉云母绝缘，可使发电机容量提高20％。在相同电压等级下，采用环氧粉云母绝缘可比沥青云母绝缘厚度减薄约10％－20％。减薄的位置可以用来增加导线截面积，即可利于增加发电机容量，又便于定子绕组的散热。
此外，在水轮发电机增容改造中，必要时增加或更换定子铁心，或增加定子槽数，以便提高电负荷。例如桂平金田电站就是增加定子铁芯高度而大幅度增加机组容量的。在铁心尺寸不变的前提下，减薄铁心段厚度，将通风沟的高度降低，采用4×6或4×8的通风槽钢，这样更有利于定子通风散热。在此同时，可采用目前生产的高导磁低损耗的优质硅钢片，也是增容改造有效手段之一。
2、发电机转子的改造
在作完定子的改造以后，还要对转子励磁绕组作分析处理。水轮发电机在增容改造时，一般可不动转子结构和励磁绕组。但转子温升过高时，可作如下处理：
（1）如果定、转子间气隙过大，或不均匀时，可在磁极与磁轭间垫入垫片，调整合适间隙，以降低励磁电流，减少励磁绕组电密，降低转子温升。
（2）采用七边形铜线或散热匝的结构，增加磁极线圈的散热面积，都是降低转子温升行之有效的方法。
（3）在更换磁极线圈有困难时，可以提高发电机功率因素运行。
3、改善水轮发电机的通风冷却系统
（1）控制水轮发电机的适当通风量，可以减少通风损耗。在增容改造前，首先对水轮发电机的通风
量进行核算。我国目前运行的水轮发电机的总风量都偏大，国内厂家都以下列公式计算总风量：
∑P－通风所带走的总耗损（KW）
Ca－冷却介质的比热（J／kg. ）
Qa－冷却空气通过电机后的温升（ ）
我国一般把Qa取为15 ～20 ，国外已将此数值取为30 ～35 之间，狄莫纳工厂为云南鲁布革生产的150MW，18极发电机Qa取为34 。因此国外发电的通风量均偏小，一般为5 ／s／MW。而我国设计的发电机通风重量一般在10 ／s／MW 左右。显然我国设计的总风量过大，导致风损耗增大，使发电机的效率降低，影响发电机的出力，笔者建议发电机改造时，其总风量控制在6－7 ／s／MW为宜。
（2）改善发电机通风循环回路。一些水轮发电机可取消风扇或改变现在风扇安装位置。将目前典型的通风结构改为端部回风系统结构，减少风路中的涡流。由于取消风扇，总风量也相应减少。通风损耗也减少了，提高了发电机的效率，还降低了这部份损耗所产生的热量，也降低了电机的温升。此外，改变挡风板中位置和形状或增加挡风板，能把冷却气流导向定子和转子需要冷却散热的部位。使风路中循环空气分布更均匀更合理。对转子支架导风孔进行改进和选用新型材料作导风板，也可以增加定、转子的散热效果。
4、对水轮发电机的空气冷却器进行核算和更新
在水轮发电机增容改造时，应该核算空气冷却器是否满足增容发电机损耗所需要的热量交换，并留有一定裕度，如不满足时，需增加空气冷却器数量或换用容量更大的空气冷却器。最好改换新生产的高效冷却管的空气冷却器。目前国内已推广应用双金属翼片管作冷却管和一种具有内外热交换功能的针式铜管作冷却管的空气冷却器。这两种新型空气冷却器的传热系数K值高，热交换性能好，风阻小，抗震刚度强，其造价仅为老式绕簧空冷器的65％左右，而热交换能力比绕簧管式空冷器高20～30％左右。根据已在更换这种新型空冷器的电站测试的数据，水轮发电机定子的温升可降低8～15 左右，冷却效果良好。
以上是针对水轮发电机增容改造提出的一些方法和意见。在实际改造中，还要根据各电站不同机组，而采取不同的措施进行改造，以达到增加机组容量，增加电站经济效益和社会效益的目的。
六、增容改造应注意的一些问题
1、增容改造前，电站最好与水电、电力勘测设计院和生产改造机组厂家联合对机组进行调查、检测、核算，作出可行性实施方案，然后对比分析，从众多的改造方案中，选出投资最省，改造时间最短，增容效果最理想的方案，才投入对机组的增容改造，切不可盲目而行。国内也有一些电站改造而未成功的例子。
2、机组的增容改造必须以先进技术为依托，水轮机增容的核心是转轮，替代老转轮的新转轮除能量、气蚀、稳定性、力特性有较高的指标外，对中小型机组来讲还应重视水头适用范围宽、运行范围宽并有较高的平均效率，气蚀系数小一些，使多数水轮机吸出高度为正值、流道宽一些使较小转轮叶片能加工装焊。
3、水轮发电机组的增容改造，还要考虑水轮机的增容改造直接影响调速器的调速功是否够和开度行程变化是否允许；同样发电机的增容直接影响励磁装置参数的改变；此外，对自动化元件、自动化系统、监控系统提出新的要求，机组容量的改变又影响输电设备，有时还影响管道，水工建筑等设施，所以水电站水电设备的增容改造是一项综合系统工程，绝不能只考虑某一部分的增容改造，在制定方案、预算资金、确定改造周期等都必须从全局出发，千万不可漏项。
4、水轮发电机组进行增容改造后，由于机组容量增大，其电磁转矩势必增加。因此，必须对发电机的相关部件如转轴、转子支架、磁轭、磁极"T"尾、机座、定子铁芯等的强度进行重新核算。此外，由于容量的增加引起电气性能的变化，甚至影响到机组的稳定性。因此，也必要对发电机的电磁参数和电气性能进行调整和校核计算。
5、除了对水轮发电机进行重新核算外，对机组其他设备如水轮机转动部分强度，电站基础设施，机组辅助设备的能力进一步进行校核计算，不符合需要的也要进行更换改造，此外，对机组轴承部位也要进行全面检查和修理，卧式机组轴承漏水漏油及密封更要处理好，以满足水轮发电机增容后的技术要求和保证机组的安全运行。
6、彻底清洗水轮发电机其他零部件，是增容改造的必要工作。对定子铁芯中的尘埃应进行清理，对通风冷却大有好处。不需要更换的空气冷却器应对冷却管内外清理洗涤，以除去水垢，加强散热。清洗检查零部件的过程中发现裂纹和其他缺陷，应该修补或更换。并做好增容改造后的整机、部件的检查和试验工作。
7、水轮机增容改造，必须清楚原来设备的运行使用情况，出现过那些事故和不正常现象，尽量收集设备的原始技术资料及相关设备的连接尺寸，参数等，对电站提出的新的增容改造数据必须进行认真复查核算，上述工作对确定改造方案，具体修改设计，改造设备的制造安装以及最后验收或发生差错时进行分析处理十分重要。
1、增容改造前，电站最好与水电、电力勘测设计院和生产改造机组厂家联合对机组进行调查、检测、核算，作出可行性实施方案，然后对比分析，从众多的改造方案中，选出投资最省，改造时间最短，增容效果最理想的方案，才投入对机组的增容改造，切不可盲目而行。国内也有一些电站改造而未成功的例子。
2、机组的增容改造必须以先进技术为依托，水轮机增容的核心是转轮，替代老转轮的新转轮除能量、气蚀、稳定性、力特性有较高的指标外，对中小型机组来讲还应重视水头适用范围宽、运行范围宽并有较高的平均效率，气蚀系数小一些，使多数水轮机吸出高度为正值、流道宽一些使较小转轮叶片能加工装焊。
3、水轮发电机组的增容改造，还要考虑水轮机的增容改造直接影响调速器的调速功是否够和开度行程变化是否允许；同样发电机的增容直接影响励磁装置参数的改变；此外，对自动化元件、自动化系统、监控系统提出新的要求，机组容量的改变又影响输电设备，有时还影响管道，水工建筑等设施，所以水电站水电设备的增容改造是一项综合系统工程，绝不能只考虑某一部分的增容改造，在制定方案、预算资金、确定改造周期等都必须从全局出发，千万不可漏项。
4、水轮发电机组进行增容改造后，由于机组容量增大，其电磁转矩势必增加。因此，必须对发电机的相关部件如转轴、转子支架、磁轭、磁极"T"尾、机座、定子铁芯等的强度进行重新核算。此外，由于容量的增加引起电气性能的变化，甚至影响到机组的稳定性。因此，也必要对发电机的电磁参数和电气性能进行调整和校核计算。
5、除了对水轮发电机进行重新核算外，对机组其他设备如水轮机转动部分强度，电站基础设施，机组辅助设备的能力进一步进行校核计算，不符合需要的也要进行更换改造，此外，对机组轴承部位也要进行全面检查和修理，卧式机组轴承漏水漏油及密封更要处理好，以满足水轮发电机增容后的技术要求和保证机组的安全运行。
6、彻底清洗水轮发电机其他零部件，是增容改造的必要工作。对定子铁芯中的尘埃应进行清理，对通风冷却大有好处。不需要更换的空气冷却器应对冷却管内外清理洗涤，以除去水垢，加强散热。清洗检查零部件的过程中发现裂纹和其他缺陷，应该修补或更换。并做好增容改造后的整机、部件的检查和试验工作。
7、水轮机增容改造，必须清楚原来设备的运行使用情况，出现过那些事故和不正常现象，尽量收集设备的原始技术资料及相关设备的连接尺寸，参数等，对电站提出的新的增容改造数据必须进行认真复查核算，上述工作对确定改造方案，具体修改设计，改造设备的制造安装以及最后验收或发生差错时进行分析处理十分重要。
七、结束语
本文主要内容发表于《第十三次中国水电设备学术讨论会论文集》
水电站发电设备的增容改造在我国已经起步十几年，其可行性、实用性和明显的经济效益已被世人所公认。对老电站进行增容改造，不但可以部分缓和国家电力供应紧张的矛盾，而且也为改造的电站创造巨大的经济效益。对一些资金短缺一下子无法拿出大量资金修建新电站的地方，这不失为一良策。特别对那些早期建造的老电站，发电机定子绕组都是沥青云母绝缘，这种绝缘现已普遍老化，常常引起各种电气故障，以使机组不能安全满发。因此，对这类型的机组增容改造势在必行。而那些水能丰富的发电站。机组出力不能充分满足需要的水轮发电机组，也应及早改造，以提高机组出力，充分利用现有的水力资源，使电站发挥更大的效益，为国家创造更多的财富。
本文主要内容发表于《第十三次中国水电设备学术讨论会论文集》
水电站发电设备的增容改造在我国已经起步十几年，其可行性、实用性和明显的经济效益已被世人所公认。对老电站进行增容改造，不但可以部分缓和国家电力供应紧张的矛盾，而且也为改造的电站创造巨大的经济效益。对一些资金短缺一下子无法拿出大量资金修建新电站的地方，这不失为一良策。特别对那些早期建造的老电站，发电机定子绕组都是沥青云母绝缘，这种绝缘现已普遍老化，常常引起各种电气故障，以使机组不能安全满发。因此，对这类型的机组增容改造势在必行。而那些水能丰富的发电站。机组出力不能充分满足需要的水轮发电机组，也应及早改造，以提高机组出力，充分利用现有的水力资源，使电站发挥更大的效益，为国家创造更多的财富。