Ефект на маховика на генератора и стабилност на системата за регулиране на турбината

Влияние на маховика на генератора и стабилност на системата за регулиране на турбинатаВлияние на маховика на генератора и стабилност на системата за регулиране на турбинатаВлияние на маховика на генератора и стабилност на системата за регулиране на турбината
Големите съвременни хидрогенератори имат по-малка инерционна константа и могат да се сблъскат с проблеми, свързани със стабилността на системата за управление на турбината. Това се дължи на поведението на водата в турбината, която поради своята инерция води до воден удар в напорните тръби, когато се задействат управляващите устройства. Това обикновено се характеризира с времевите константи на хидравличното ускорение. При изолирана работа, когато честотата на цялата система се определя от регулатора на турбината, водният удар влияе върху регулирането на скоростта и нестабилността се проявява като колебание или честотно колебание. При взаимосвързана работа с голяма система честотата по същество се поддържа постоянна от последната. След това водният удар влияе върху мощността, подавана към системата, и проблемът със стабилността възниква само когато мощността се контролира в затворен контур, т.е. в случай на онези хидрогенератори, които участват в регулирането на честотата.

Стабилността на зъбното колело на регулатора на турбината е силно повлияна от съотношението на времевата константа на механичното ускорение, дължащо се на времевата константа на хидравличното ускорение на водните маси, и от коефициента на усилване на регулатора. Намаляването на горното съотношение има дестабилизиращ ефект и налага намаляване на коефициента на усилване на регулатора, което влияе неблагоприятно върху стабилизирането на честотата. Съответно е необходим минимален ефект на маховика за въртящите се части на хидроагрегата, който обикновено може да се осигури само в генератора. Алтернативно, времевата константа на механичното ускорение може да бъде намалена чрез осигуряване на предпазен клапан или резервоар за изравняване и др., но това обикновено е много скъпо. Емпиричен критерий за способността за регулиране на скоростта на хидроагрегат може да се основава на повишаването на скоростта на агрегата, което може да се осъществи при отхвърляне на целия номинален товар на агрегата, работещ независимо. За енергийните блокове, работещи в големи взаимосвързани системи и които са необходими за регулиране на системната честота, се счита, че процентният индекс на повишаване на скоростта, както е изчислен по-горе, не надвишава 45 процента. За по-малки системи трябва да се осигури по-малко повишаване на скоростта (вижте Глава 4).

Надлъжен разрез от входа до електроцентралата Дехар
(Източник: Доклад от автора – 2-ри световен конгрес, Международна асоциация по водните ресурси, 1979 г.) За електроцентралата Дехар е показана хидравличната система за водоснабдяване под налягане, свързваща балансиращото хранилище с енергийния блок, състояща се от водоприемник, тунел под налягане, диференциален резервоар за изравняване и тръбопровод. Ограничавайки максималното повишаване на налягането в тръбопроводите до 35 процента, очакваното максимално повишаване на скоростта на блока при отказ на пълно натоварване е изчислено на около 45 процента със затворен регулатор.
време от 9,1 секунди при номинален напор от 282 м (925 фута) с нормалния маховиков ефект на въртящите се части на генератора (т.е. фиксиран само въз основа на съображения за повишаване на температурата). В първия етап на работа е установено, че повишаването на скоростта не е повече от 43 процента. Съответно е счетено, че нормалният маховиков ефект е достатъчен за регулиране на честотата на системата.

Параметри на генератора и електрическа стабилност
Параметрите на генератора, които имат влияние върху стабилността, са ефектът на маховика, преходното реактивно съпротивление и коефициентът на късо съединение. В началния етап на разработване на 420 kV EHV система, каквато е в Дехар, проблемите със стабилността могат да бъдат критични поради слабата система, по-ниското ниво на късо съединение, работата с водещ фактор на мощността и необходимостта от икономии при осигуряване на преносни изводи и определяне на размера и параметрите на генераторните блокове. Предварителните проучвания на преходната стабилност върху мрежов анализатор (използващ постоянно напрежение зад преходното реактивно съпротивление) за Dehar EHV система също показват, че ще се получи само пределна стабилност. В ранния етап на проектиране на електроцентралата Дехар се е считало, че е необходимо да се специфицират генератори с нормално напрежение...
характеристиките и постигането на изискванията за стабилност чрез оптимизиране на параметрите на други фактори, особено тези на възбуждащата система, биха били икономически по-евтина алтернатива. В проучване на британската система също беше показано, че промяната на параметрите на генератора има сравнително много по-малък ефект върху границите на стабилност. Съответно, за генератора бяха зададени нормални параметри на генератора, както е посочено в приложението. Проведените подробни изследвания за стабилност са представени.

Капацитет на зареждане от мрежата и стабилност на напрежението
При отдалечено разположени хидрогенератори, използвани за зареждане на дълги ненатоварени линии с високо напрежение (EHV), чието зарядно kVA е по-голямо от капацитета за зареждане на машината, машината може да се самовъзбуди и напрежението да се повиши неконтролируемо. Условието за самовъзбуждане е xc < xd, където xc е реактивното съпротивление на капацитивния товар, а xd е реактивното съпротивление на синхронната директна ос. Капацитетът, необходим за зареждане на една единична ненатоварена линия 420 kV E2/xc до Панипат (приемащ край), е около 150 MVAR при номинално напрежение. Във втория етап, когато е инсталирана втора линия 420 kV с еквивалентна дължина, капацитетът за зареждане на линията, необходим за едновременно зареждане на двете ненатоварени линии при номинално напрежение, би бил около 300 MVAR.

Капацитетът на зареждане на линията, наличен при номинално напрежение от генератора Dehar, както е посочено от доставчиците на оборудването, е следният:
(i) 70 процента номинална MVA, т.е. 121,8 MVAR линейно зареждане е възможно с минимално положително възбуждане от 10 процента.
(ii) До 87 процента от номиналната MVA, т.е. капацитет за зареждане на линията 139 MVAR, е възможен с минимално положително възбуждане от 1 процент.
(iii) До 100 процента от номиналния MVAR, т.е. 173,8 капацитет за зареждане на линията, може да се получи с приблизително 5 процента отрицателно възбуждане, а максималният капацитет за зареждане на линията, който може да се получи с отрицателно възбуждане от 10 процента, е 110 процента от номиналния MVA (191 MVAR) съгласно BSS.
(iv) По-нататъшно увеличаване на капацитета за зареждане на линията е възможно само чрез увеличаване на размера на машината. В случая на (ii) и (iii) ръчното управление на възбуждането не е възможно и трябва да се разчита изцяло на непрекъсната работа на бързодействащи автоматични регулатори на напрежение. Не е нито икономически осъществимо, нито желателно да се увеличава размерът на машината с цел увеличаване на капацитета за зареждане на линията. Съответно, като се вземат предвид условията на работа в първия етап на работа, беше решено да се осигури капацитет за зареждане на линията от 191 MVAR при номинално напрежение за генераторите, като се осигури отрицателно възбуждане на генераторите. Критично работно състояние, причиняващо нестабилност на напрежението, може да бъде причинено и от изключване на товара в приемащия край. Явлението възниква поради капацитивно натоварване на машината, което е допълнително неблагоприятно повлияно от повишаването на скоростта на генератора. Самовъзбуждане и нестабилност на напрежението могат да възникнат, ако...

Xc ≤ n² (Xq + XT)
Където Xc е капацитивното реактивно съпротивление на товара, Xq е синхронното съпротивление по квадратурната ос, а n е максималното относително превишаване на скоростта, възникващо при отхвърляне на товара. Предложено е това условие на генератора Dehar да се избегне чрез осигуряване на постоянно свързан 400 kV EHV шунтиращ реактор (75 MVA) в приемащия край на линията, съгласно проведените подробни проучвания.

Амортисьорна намотка
Основната функция на демпферната намотка е способността ѝ да предотвратява прекомерни пренапрежения в случай на междуфазни повреди с капацитивни товари, като по този начин намалява натоварването от пренапрежение върху оборудването. Като се вземат предвид отдалеченото местоположение и дългите свързващи електропроводи, бяха специфицирани напълно свързани демпферни намотки със съотношение на квадратурните и директните реактивни съпротивления Xnq/Xnd, ненадвишаващо 1,2.

Характеристика на генератора и система за възбуждане
След като бяха специфицирани генератори с нормални характеристики и предварителните проучвания показаха само гранична стабилност, беше решено да се използва високоскоростно статично възбуждащо оборудване, за да се подобрят границите на стабилност, така че да се постигне като цяло най-икономично разположение на оборудването. Бяха проведени подробни проучвания за определяне на оптималните характеристики на статичното възбуждащо оборудване и те бяха обсъдени в глава 10.

Сеизмични съображения
Електроцентралата Дехар попада в сеизмична зона. Следните разпоредби в проекта за хидрогенератор в Дехар бяха предложени след консултация с производителите на оборудване и като се вземат предвид сеизмичните и геоложките условия на обекта, както и докладът на Експертната комисия по земетресенията в Койна, създадена от правителството на Индия с помощта на ЮНЕСКО.

Механична якост
Генераторите Dehar трябва да бъдат проектирани да издържат безопасно на максималната сила на ускорение от земетресение, както във вертикална, така и в хоризонтална посока, очаквана при Dehar, действаща в центъра на машината.

Естествена честота
Собствената честота на машината трябва да се държи далеч (по-висока) от магнитната честота от 100 Hz (два пъти по-висока от честотата на генератора). Тази собствена честота ще бъде далеч от честотата на земетресението и ще се провери за адекватен запас спрямо преобладаващата честота на земетресението и критичната скорост на въртящата се система.

Опора на статора на генератора
Фундаментите на статора на генератора и долните аксиални и водещи лагери се състоят от редица опорни плочи. Опорните плочи са закрепени към фундамента странично, в допълнение към нормалната вертикална посока, чрез фундаментни болтове.

Дизайн на водещия лагер
Направляващите лагери да са от сегментен тип, а частите на направляващите лагери да бъдат подсилени, за да издържат на пълната сила на земетресението. Производителите допълнително препоръчват горната скоба да се закрепи странично към цевта (корпуса на генератора) посредством стоманени греди. Това би означавало също, че бетонната цев от своя страна ще трябва да бъде подсилена.

Откриване на вибрации на генератори
Препоръчително е да се монтират детектори за вибрации или измерватели на ексцентричност на турбините и генераторите, за да се инициира спиране и алармен сигнал в случай, че вибрациите, причинени от земетресение, надвишат предварително определена стойност. Това устройство може да се използва и за откриване на необичайни вибрации на агрегат, дължащи се на хидравлични условия, влияещи на турбината.

Контакти на Меркурий
Силното разклащане, причинено от земетресение, може да доведе до фалшиво изключване за иницииране на изключване на устройството, ако се използват живачни контакти. Това може да се избегне чрез задаване на живачни прекъсвачи с антивибрационно покритие или, ако е необходимо, чрез добавяне на релета за време.

Заключения
(1) Значителни икономии в разходите за оборудване и конструкции в електроцентралата Дехар бяха постигнати чрез приемане на големи блокове, като се има предвид размерът на мрежата и нейното влияние върху резервния капацитет на системата.
(2) Цената на генераторите беше намалена чрез приемане на конструкция тип „чадър“, която вече е възможна за големи високоскоростни хидрогенератори благодарение на разработването на високоякостна стомана за щанцоване на роторните венци.
(3) Закупуването на генератори с естествен висок коефициент на мощност след подробни проучвания доведе до допълнителни икономии на разходи.
(4) Нормалният маховиков ефект на въртящите се части на генератора в честотно-регулиращата станция в Дехар се счита за достатъчен за стабилност на системата за регулиране на турбината поради голямата взаимосвързана система.
(5) Специалните параметри на отдалечени генератори, захранващи мрежи с високо напрежение (EHV), за осигуряване на електрическа стабилност, могат да бъдат постигнати чрез бързодействащи системи за статично възбуждане.
(6) Бързодействащите системи за статично възбуждане могат да осигурят необходимите граници на стабилност. Такива системи обаче изискват стабилизиращи сигнали за обратна връзка за постигане на стабилност след повреда. Необходими са подробни проучвания.
(7) Самовъзбуждането и нестабилността на напрежението на отдалечени генератори, свързани помежду си с мрежата чрез дълги линии с високо напрежение (EHV), могат да бъдат предотвратени чрез увеличаване на капацитета на зареждане на машината чрез прибягване до отрицателно възбуждане и/или чрез използване на постоянно свързани EHV шунтиращи реактори.
(8) При проектирането на генераторите и техните основи могат да се предвидят предпазни мерки срещу сеизмични сили с малки разходи.

Основни параметри на генераторите Dehar
Коефициент на късо съединение = 1,06
Преходно реактивно съпротивление по директната ос = 0,2
Ефект на маховика = 39,5 x 106 lb ft²
Xnq/Xnd не по-голямо от = 1.2