Efecte del volant d'inèrcia del generador i estabilitat del sistema de govern de la turbina

Efecte volant d'inèrcia del generador i estabilitat del sistema governador de la turbina Efecte volant d'inèrcia del generador i estabilitat del sistema governador de la turbina Efecte volant d'inèrcia del generador i estabilitat del sistema governador de la turbina Efecte volant d'inèrcia del generador i estabilitat del sistema governador de la turbina
Els grans generadors hidroelèctrics moderns tenen una constant d'inèrcia més petita i poden tenir problemes d'estabilitat del sistema de govern de la turbina. Això es deu al comportament de l'aigua de la turbina, que a causa de la seva inèrcia provoca cops d'ariet a les canonades de pressió quan s'accionen els dispositius de control. Això es caracteritza en general per les constants de temps d'acceleració hidràulica. En un funcionament aïllat, quan la freqüència de tot el sistema es determina mitjançant el regulador de la turbina, el cop d'ariet afecta el govern de la velocitat i la inestabilitat apareix com a oscil·lació de freqüència o oscil·lació de freqüència. Per a un funcionament interconnectat amb un sistema gran, la freqüència es manté essencialment constant per aquest últim. El cop d'ariet afecta llavors la potència subministrada al sistema i el problema d'estabilitat només sorgeix quan la potència es controla en un bucle tancat, és a dir, en el cas dels generadors hidroelèctrics que participen en la regulació de freqüència.

L'estabilitat de l'engranatge del regulador de la turbina es veu molt afectada per la relació entre la constant de temps d'acceleració mecànica a causa de la constant de temps d'acceleració hidràulica de les masses d'aigua i pel guany del regulador. Una reducció de la relació anterior té un efecte desestabilitzador i requereix una reducció del guany del regulador, cosa que afecta negativament l'estabilització de la freqüència. En conseqüència, cal un efecte de volant mínim per a les parts giratòries d'una unitat hidroelèctrica, que normalment només es pot proporcionar al generador. Alternativament, la constant de temps d'acceleració mecànica es podria reduir mitjançant la provisió d'una vàlvula d'alleujament de pressió o un dipòsit de compensació, etc., però generalment és molt costós. Un criteri empíric per a la capacitat de regulació de la velocitat d'una unitat de generació hidroelèctrica es podria basar en l'augment de velocitat de la unitat que pot tenir lloc en el rebuig de tota la càrrega nominal de la unitat que funciona de manera independent. Per a les unitats de potència que operen en grans sistemes interconnectats i que es requereixen per regular la freqüència del sistema, es va considerar que l'índex d'augment de velocitat percentual calculat anteriorment no superava el 45 per cent. Per a sistemes més petits, s'ha de proporcionar un augment de velocitat més petit (vegeu el capítol 4).

Secció longitudinal des de la presa fins a la central elèctrica de Dehar
(Font: Article de l'autor – 2n Congrés mundial, Associació Internacional de Recursos Hídrics 1979) Per a la central elèctrica de Dehar, es mostra el sistema d'aigua a pressió hidràulica que connecta l'emmagatzematge d'equilibri amb la unitat de potència, que consisteix en la presa d'aigua, el túnel de pressió, el tanc de compensació diferencial i la conducta forçada. Limitant l'augment màxim de pressió a les conductes forçades al 35 per cent, l'augment màxim estimat de la velocitat de la unitat en rebutjar la càrrega completa es va calcular en aproximadament el 45 per cent amb un regulador que es tancava.
temps de 9,1 segons a una alçada nominal de 282 m (925 peus) amb l'efecte normal del volant d'inèrcia de les parts giratòries del generador (és a dir, fixat només en consideracions d'augment de temperatura). En la primera etapa de funcionament, es va trobar que l'augment de velocitat no era superior al 43 per cent. En conseqüència, es va considerar que l'efecte normal del volant d'inèrcia és adequat per regular la freqüència del sistema.

Paràmetres del generador i estabilitat elèctrica
Els paràmetres del generador que influeixen en l'estabilitat són l'efecte volant d'inèrcia, la reactància transitòria i la relació de curtcircuit. En la fase inicial de desenvolupament del sistema EHV de 420 kV, com a Dehar, els problemes d'estabilitat poden ser crítics a causa de la debilitat del sistema, el nivell de curtcircuit més baix, el funcionament amb factor de potència líder i la necessitat d'economia en el subministrament de preses de transmissió i la fixació de la mida i els paràmetres de les unitats generadores. Els estudis preliminars d'estabilitat transitòria sobre l'analitzador de xarxa (utilitzant una tensió constant darrere de la reactància transitòria) per al sistema EHV de Dehar també van indicar que només s'obtindria una estabilitat marginal. En la fase inicial de disseny de la central elèctrica de Dehar es va considerar que especificar generadors amb normalitat...
Les característiques i l'assoliment dels requisits d'estabilitat optimitzant els paràmetres d'altres factors implicats, especialment els del sistema d'excitació, seria una alternativa econòmicament més econòmica. En un estudi del sistema britànic també es va demostrar que canviar els paràmetres del generador té un efecte comparativament molt menor sobre els marges d'estabilitat. En conseqüència, es van especificar els paràmetres normals del generador, tal com es mostren a l'apèndix. Els estudis detallats d'estabilitat realitzats es donen.

Capacitat de càrrega de línia i estabilitat de voltatge
Els generadors hidroelèctrics ubicats remotament s'utilitzen per carregar línies llargues de EHV sense càrrega, en kVA de càrrega de les quals és superior a la capacitat de càrrega de la línia de la màquina. La màquina es pot autoexcitar i la tensió augmentar sense control. La condició per a l'autoexcitació és que xc < xd, on xc és la reactància de càrrega capacitiva i xd la reactància d'eix directe síncrona. La capacitat necessària per carregar una sola línia descarregada de 420 kV E2/xc fins a Panipat (extrem receptor) era d'uns 150 MVAR a tensió nominal. En la segona fase, quan s'instal·la una segona línia de 420 kV de longitud equivalent, la capacitat de càrrega de la línia necessària per carregar les dues línies descarregades simultàniament a tensió nominal seria d'uns 300 MVAR.

La capacitat de càrrega de línia disponible a la tensió nominal del generador Dehar, tal com van indicar els proveïdors de l'equip, era la següent:
(i) És possible un 70% de MVA nominal, és a dir, una càrrega de línia de 121,8 MVAR amb una excitació positiva mínima del 10%.
(ii) Fins a un 87 per cent de la MVA nominal, és a dir, una capacitat de càrrega de línia de 139 MVAR, és possible amb una excitació positiva mínima de l'1 per cent.
(iii) Es pot obtenir fins a un 100% del MVAR nominal, és a dir, una capacitat de càrrega de línia de 173,8% amb una excitació negativa d'aproximadament un 5%, i la capacitat màxima de càrrega de línia que es pot obtenir amb una excitació negativa del 10% és del 110% del MVA nominal (191 MVAR) segons les BSS.
(iv) Un augment addicional de les capacitats de càrrega de línia només és possible augmentant la mida de la màquina. En el cas de (ii) i (iii), el control manual de l'excitació no és possible i s'ha de confiar plenament en el funcionament continu dels reguladors de tensió automàtics d'acció ràpida. No és econòmicament factible ni desitjable augmentar la mida de la màquina amb l'objectiu d'augmentar les capacitats de càrrega de línia. En conseqüència, tenint en compte les condicions de funcionament en la primera etapa de funcionament, es va decidir proporcionar una capacitat de càrrega de línia de 191 MVAR a tensió nominal per als generadors proporcionant excitació negativa als generadors. Una condició de funcionament crítica que causa inestabilitat de tensió també pot ser causada per la desconnexió de la càrrega a l'extrem receptor. El fenomen es produeix a causa de la càrrega capacitiva a la màquina, que es veu afectada negativament per l'augment de velocitat del generador. Es poden produir autoexcitació i inestabilitat de tensió si...

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
On Xc és la reactància de càrrega capacitiva, Xq és la reactància síncrona de l'eix en quadratura i n és la sobrevelocitat relativa màxima que es produeix en el rebuig de la càrrega. Es va proposar evitar aquesta condició al generador Dehar proporcionant un reactor shunt de 400 kV EHV (75 MVA) connectat permanentment a l'extrem receptor de la línia, segons els estudis detallats realitzats.

Enrotllament de l'amortidor
La funció principal d'un debanat d'amortidor és la seva capacitat per evitar sobretensions excessives en cas de fallades de línia a línia amb càrregues capacitives, reduint així l'estrès de sobretensió a l'equip. Tenint en compte la ubicació remota i les llargues línies de transmissió interconnectades, es van especificar debanats d'amortidor completament connectats amb una relació de reactàncies en quadratura i eix directe Xnq/Xnd que no superés 1,2.

Característica del generador i sistema d'excitació
Havent especificat generadors amb característiques normals i havent indicat estudis preliminars només una estabilitat marginal, es va decidir que s'utilitzés equips d'excitació estàtica d'alta velocitat per millorar els marges d'estabilitat per tal d'aconseguir la disposició més econòmica de l'equip. Es van dur a terme estudis detallats per determinar les característiques òptimes de l'equip d'excitació estàtica, que es discuteixen al capítol 10.

Consideracions sísmiques
La central elèctrica de Dehar es troba en zona sísmica. Es van proposar les següents disposicions en el disseny del generador hidroelèctric a Dehar en consulta amb els fabricants d'equips i tenint en compte les condicions sísmiques i geològiques del lloc i l'informe del Comitè d'Experts en Terratrèmols de Koyna constituït pel Govern de l'Índia amb l'ajuda de la UNESCO.

Resistència mecànica
Els generadors Dehar han de dissenyar-se per suportar amb seguretat la força màxima d'acceleració de terratrèmols, tant en direcció vertical com horitzontal, que s'espera que es produeixi al Dehar actuant al centre de la màquina.

Freqüència natural
La freqüència natural de la màquina s'ha de mantenir allunyada (més alta) de la freqüència magnètica de 100 Hz (el doble de la freqüència del generador). Aquesta freqüència natural estarà molt allunyada de la freqüència dels terratrèmols i s'ha de comprovar per obtenir un marge adequat contra la freqüència predominant del terratrèmol i la velocitat crítica del sistema de rotació.

Suport de l'estator del generador
Les fonamentacions de l'estator del generador i dels coixinets d'empenta i guia inferiors consten de diverses plaques de base. Les plaques de base es poden lligar a la fonamentació lateralment, a més de la direcció vertical normal, mitjançant cargols de fonamentació.

Disseny de rodaments guia
Els coixinets guia han de ser de tipus segmentari i les parts dels coixinets guia han de ser reforçades per suportar la força total dels terratrèmols. Els fabricants també han recomanat lligar el suport superior lateralment amb el canó (carcassa del generador) mitjançant bigues d'acer. Això també significaria que el canó de formigó al seu torn hauria de ser reforçat.

Detecció de vibracions de generadors
Es recomana la instal·lació de detectors de vibracions o mesuradors d'excentricitat en turbines i generadors per iniciar l'aturada i l'alarma en cas que les vibracions degudes a terratrèmols superin un valor predeterminat. Aquest dispositiu també es pot utilitzar per detectar vibracions inusuals d'una unitat a causa de condicions hidràuliques que afectin la turbina.

Contactes de mercuri
Una sacsejada forta a causa d'un terratrèmol pot provocar una fals disparament per iniciar l'apagada d'una unitat si s'utilitzen contactes de mercuri. Això es pot evitar especificant interruptors de mercuri de tipus antivibració o, si cal, afegint relés temporitzadors.

Conclusions
(1) Es van obtenir economies substancials en el cost dels equips i l'estructura a la central elèctrica de Dehar adoptant unitats de gran mida tenint en compte la mida de la xarxa i la seva influència en la capacitat disponible del sistema.
(2) El cost dels generadors es va reduir adoptant un disseny de construcció paraigua que ara és possible per a grans generadors hidroelèctrics d'alta velocitat gràcies al desenvolupament d'acer d'alta resistència per als punxonaments de les vores del rotor.
(3) L'adquisició de generadors naturals d'alt factor de potència després d'estudis detallats va permetre un major estalvi de costos.
(4) L'efecte normal del volant d'inèrcia de les parts giratòries del generador a l'estació de regulació de freqüència de Dehar es va considerar suficient per a l'estabilitat del sistema del regulador de la turbina a causa del gran sistema interconnectat.
(5) Els paràmetres especials dels generadors remots que alimenten xarxes de EHV per garantir l'estabilitat elèctrica es poden complir mitjançant sistemes d'excitació estàtica de resposta ràpida.
(6) Els sistemes d'excitació estàtica d'acció ràpida poden proporcionar els marges d'estabilitat necessaris. Tanmateix, aquests sistemes requereixen senyals de retroalimentació estabilitzadors per aconseguir l'estabilitat posterior a la falla. Caldria dur a terme estudis detallats.
(7) L'autoexcitació i la inestabilitat de tensió dels generadors remots interconnectats amb la xarxa mitjançant línies llargues de EHV es poden evitar augmentant la capacitat de càrrega de la línia de la màquina recorrent a l'excitació negativa i/o utilitzant reactors shunt de EHV connectats permanentment.
(8) En el disseny dels generadors i els seus fonaments es poden prendre mesures per proporcionar protecció contra les forces sísmiques a costos reduïts.

Paràmetres principals dels generadors de Dehar
Relació de curtcircuit = 1,06
Reactància transitòria Eix directe = 0,2
Efecte volant d'inèrcia = 39,5 x 106 lb ft²
Xnq/Xnd no superior a = 1,2