Efecto del volante del generador y estabilidad del sistema de regulación de la turbina

Efecto del volante del generador y estabilidad del sistema regulador de la turbina. Efecto del volante del generador y estabilidad del sistema regulador de la turbina. Efecto del volante del generador y estabilidad del sistema regulador de la turbina. Efecto del volante del generador y estabilidad del sistema regulador de la turbina.
Los grandes generadores hidroeléctricos modernos tienen una constante de inercia menor y pueden enfrentar problemas relacionados con la estabilidad del sistema de control de la turbina. Esto se debe al comportamiento del agua de la turbina, que debido a su inercia genera golpes de ariete en las tuberías de presión cuando se operan los dispositivos de control. Esto se caracteriza, en general, por las constantes de tiempo de aceleración hidráulica. En operación aislada, cuando la frecuencia de todo el sistema es determinada por el regulador de la turbina, el golpe de ariete afecta el control de velocidad y la inestabilidad se presenta como oscilación de frecuencia. Para la operación interconectada con un sistema grande, la frecuencia se mantiene esencialmente constante por este último. El golpe de ariete afecta entonces la potencia suministrada al sistema y el problema de estabilidad solo surge cuando la potencia se controla en un bucle cerrado, es decir, en el caso de aquellos generadores hidroeléctricos que participan en la regulación de frecuencia.

La estabilidad del engranaje del regulador de la turbina se ve afectada en gran medida por la relación entre la constante de tiempo de aceleración mecánica (debida a la constante de tiempo de aceleración hidráulica de las masas de agua) y la ganancia del regulador. Una reducción de esta relación tiene un efecto desestabilizador y requiere una reducción de la ganancia del regulador, lo que afecta negativamente a la estabilización de la frecuencia. Por consiguiente, se requiere un efecto de volante mínimo para las piezas giratorias de una unidad hidroeléctrica, que normalmente solo puede proporcionarse en el generador. Alternativamente, la constante de tiempo de aceleración mecánica podría reducirse mediante una válvula de alivio de presión o un tanque de compensación, etc., pero generalmente resulta muy costoso. Un criterio empírico para la capacidad de regulación de velocidad de una unidad hidroeléctrica podría basarse en el aumento de velocidad de la unidad, que puede producirse al rechazar toda la carga nominal de la unidad operando de forma independiente. Para las unidades de potencia que operan en grandes sistemas interconectados y que deben regular la frecuencia del sistema, se consideró que el índice porcentual de aumento de velocidad calculado anteriormente no debe superar el 45 %. Para sistemas más pequeños, se debe proporcionar un aumento de velocidad menor (véase el capítulo 4).

Sección longitudinal desde la entrada a la central eléctrica de Dehar
(Fuente: Ponencia del autor – 2.º Congreso Mundial, Asociación Internacional de Recursos Hídricos, 1979) En la central eléctrica de Dehar, se muestra el sistema hidráulico de agua a presión que conecta el depósito de compensación con la unidad de potencia, que consta de una toma de agua, un túnel de presión, un tanque de compensación diferencial y una tubería forzada. Al limitar el aumento máximo de presión en las tuberías forzadas al 35 %, el aumento máximo estimado de velocidad de la unidad al rechazar la carga completa resultó ser de aproximadamente el 45 % con el cierre del regulador.
Tiempo de 9,1 segundos a una altura nominal de 282 m (925 pies) con el efecto de volante de inercia normal de las piezas giratorias del generador (es decir, basado únicamente en el aumento de temperatura). En la primera etapa de operación, el aumento de velocidad no superó el 43 %. Por consiguiente, se consideró que el efecto de volante de inercia normal es suficiente para regular la frecuencia del sistema.

Parámetros del generador y estabilidad eléctrica
Los parámetros del generador que influyen en la estabilidad son el efecto volante, la reactancia transitoria y la relación de cortocircuito. En la etapa inicial de desarrollo de un sistema de ALT de 420 kV como el de Dehar, los problemas de estabilidad pueden ser críticos debido a la debilidad del sistema, el bajo nivel de cortocircuito, la operación con factor de potencia en adelanto y la necesidad de optimizar las salidas de transmisión y de determinar el tamaño y los parámetros de las unidades generadoras. Los estudios preliminares de estabilidad transitoria realizados con un analizador de red (utilizando voltaje constante tras la reactancia transitoria) para el sistema de ALT de Dehar también indicaron que solo se obtendría una estabilidad marginal. En la etapa inicial de diseño de la central eléctrica de Dehar, se consideró la especificación de generadores con...
Las características y el logro de los requisitos de estabilidad mediante la optimización de los parámetros de otros factores involucrados, especialmente los del sistema de excitación, serían una alternativa económicamente más económica. Un estudio del sistema británico también demostró que la modificación de los parámetros del generador tiene un efecto comparativamente mucho menor en los márgenes de estabilidad. Por consiguiente, se especificaron los parámetros normales del generador, tal como se indica en el apéndice. Se presentan los estudios detallados de estabilidad realizados.

Capacidad de carga de la línea y estabilidad del voltaje
Los generadores hidroeléctricos remotos, utilizados para cargar líneas largas de MAT sin carga, cuyos kVA de carga superan la capacidad de carga de la máquina, pueden autoexcitarse y provocar un aumento de tensión sin control. La condición para la autoexcitación es que xc < xd, donde xc es la reactancia de carga capacitiva y xd la reactancia del eje directo síncrono. La capacidad requerida para cargar una sola línea de 420 kV sin carga E2/xc hasta Panipat (extremo receptor) era de aproximadamente 150 MVAR a la tensión nominal. En una segunda etapa, al instalar una segunda línea de 420 kV de longitud equivalente, la capacidad de carga de línea necesaria para cargar ambas líneas sin carga simultáneamente a la tensión nominal sería de aproximadamente 300 MVAR.

La capacidad de carga de línea disponible al voltaje nominal del generador Dehar según lo informado por los proveedores del equipo fue la siguiente:
(i) La carga de línea nominal del 70 por ciento de MVA, es decir, 121,8 MVAR, es posible con una excitación positiva mínima del 10 por ciento.
(ii)Es posible cargar hasta un 87 por ciento de la capacidad nominal de MVA, es decir, 139 MVAR, con una excitación positiva mínima del 1 por ciento.
(iii)Hasta el 100 por ciento del MVAR nominal, es decir, 173,8 de capacidad de carga de línea, se puede obtener con aproximadamente un 5 por ciento de excitación negativa y la capacidad de carga de línea máxima que se puede obtener con una excitación negativa del 10 por ciento es el 110 por ciento del MVA nominal (191 MVAR) según BSS.
(iv) Un mayor aumento en las capacidades de carga de la línea solo es posible mediante el aumento del tamaño de la máquina. En los casos (ii) y (iii), el control manual de la excitación no es posible y se debe confiar plenamente en el funcionamiento continuo de reguladores automáticos de voltaje de acción rápida. No es ni económicamente viable ni deseable aumentar el tamaño de la máquina para aumentar las capacidades de carga de la línea. Por consiguiente, teniendo en cuenta las condiciones de operación en la primera etapa de operación, se decidió proporcionar una capacidad de carga de línea de 191 MVAR a la tensión nominal para los generadores mediante el suministro de excitación negativa en los generadores. La condición crítica de operación que causa inestabilidad de voltaje también puede ser causada por la desconexión de la carga en el extremo receptor. El fenómeno se produce debido a la carga capacitiva en la máquina, que se ve afectada negativamente por el aumento de velocidad del generador. La autoexcitación y la inestabilidad de voltaje pueden ocurrir si...

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
Donde Xc es la reactancia de carga capacitiva, Xq es la reactancia síncrona del eje en cuadratura y n es la sobrevelocidad relativa máxima que se produce al rechazar la carga. Se propuso evitar esta condición en el generador Dehar mediante la instalación de un reactor shunt de 400 kV EHV (75 MVA) conectado permanentemente en el extremo receptor de la línea, según estudios detallados realizados.

Bobinado del amortiguador
La función principal de un devanado amortiguador es prevenir sobretensiones excesivas en caso de fallas línea a línea con cargas capacitivas, reduciendo así la tensión excesiva en el equipo. Considerando la ubicación remota y las largas líneas de transmisión interconectadas, se especificaron devanados amortiguadores completamente conectados con una relación de reactancias en cuadratura y eje directo Xnq/Xnd no superior a 1,2.

Característica del generador y sistema de excitación
Tras especificar generadores con características normales y tras indicar estudios preliminares una estabilidad marginal, se decidió utilizar equipos de excitación estática de alta velocidad para mejorar los márgenes de estabilidad y lograr la configuración más económica del equipo. Se realizaron estudios detallados para determinar las características óptimas del equipo de excitación estática, que se analizan en el capítulo 10.

Consideraciones sísmicas
La central eléctrica de Dehar se encuentra en una zona sísmica. Las siguientes disposiciones para el diseño del generador hidroeléctrico de Dehar se propusieron en consulta con los fabricantes de equipos y considerando las condiciones sísmicas y geológicas del sitio, así como el informe del Comité de Expertos en Terremotos de Koyna, constituido por el Gobierno de la India con la ayuda de la UNESCO.

Resistencia mecánica
Los generadores Dehar deben diseñarse para soportar de forma segura la fuerza máxima de aceleración del terremoto, tanto en dirección vertical como horizontal, esperada en Dehar actuando en el centro de la máquina.

Frecuencia natural
La frecuencia natural de la máquina debe mantenerse bastante alejada (por encima) de la frecuencia magnética de 100 Hz (el doble de la frecuencia del generador). Esta frecuencia natural debe estar muy alejada de la frecuencia sísmica y debe verificarse para garantizar un margen adecuado respecto a la frecuencia predominante del sismo y la velocidad crítica del sistema de rotación.

Soporte del estator del generador
El estator del generador y las cimentaciones de los cojinetes de empuje y guía inferiores están compuestas por varias placas de apoyo. Estas placas se fijan a la cimentación lateralmente, además de la dirección vertical normal, mediante pernos de cimentación.

Diseño de cojinetes guía
Los cojinetes guía deben ser de tipo segmentario y sus componentes deben estar reforzados para soportar la fuerza sísmica total. Los fabricantes también recomiendan sujetar lateralmente el soporte superior al barril (carcasa del generador) mediante vigas de acero. Esto también implicaría reforzar el barril de hormigón.

Detección de vibraciones en generadores
Se recomendó la instalación de detectores de vibraciones o medidores de excentricidad en turbinas y generadores para iniciar el apagado y la alarma en caso de que las vibraciones causadas por un sismo excedan un valor predeterminado. Este dispositivo también puede utilizarse para detectar vibraciones inusuales en una unidad debido a las condiciones hidráulicas que afectan a la turbina.

Contactos de mercurio
Las sacudidas fuertes causadas por un terremoto pueden provocar una falsa activación para iniciar el apagado de una unidad si se utilizan contactos de mercurio. Esto puede evitarse especificando interruptores de mercurio antivibratorios o, si es necesario, añadiendo relés temporizadores.

Conclusiones
(1) Se obtuvieron economías sustanciales en el costo de equipos y estructuras en la planta de energía de Dehar al adoptar unidades de gran tamaño teniendo en cuenta el tamaño de la red y su influencia en la capacidad disponible del sistema.
(2) El costo de los generadores se redujo gracias a la adopción de un diseño de construcción tipo paraguas, lo cual ahora es posible para grandes generadores hidroeléctricos de alta velocidad debido al desarrollo de acero de alta resistencia para las perforaciones de los bordes del rotor.
(3) La adquisición de generadores naturales de alto factor de potencia después de estudios detallados dio como resultado ahorros adicionales en el costo.
(4) El efecto normal del volante de inercia de las partes giratorias del generador en la estación reguladora de frecuencia en Dehar se consideró suficiente para la estabilidad del sistema de regulación de la turbina debido al gran sistema interconectado.
(5) Los parámetros especiales de los generadores remotos que alimentan redes EHV para garantizar la estabilidad eléctrica pueden cumplirse mediante sistemas de excitación estática de respuesta rápida.
(6) Los sistemas de excitación estática de acción rápida pueden proporcionar los márgenes de estabilidad necesarios. Sin embargo, estos sistemas requieren señales de retroalimentación estabilizadoras para lograr la estabilidad posterior a la falla. Se deben realizar estudios detallados.
(7) La autoexcitación y la inestabilidad de voltaje de los generadores remotos interconectados con la red mediante largas líneas EHV se pueden prevenir aumentando la capacidad de carga de la línea de la máquina recurriendo a la excitación negativa y/o empleando reactores de derivación EHV conectados permanentemente.
(8) En el diseño de los generadores y sus cimientos se pueden incluir previsiones para proporcionar protección contra fuerzas sísmicas a bajo costo.

Parámetros principales de los generadores Dehar
Relación de cortocircuito = 1,06
Reactancia transitoria Eje directo = 0,2
Efecto del volante = 39,5 x 106 lb ft2
Xnq/Xnd no mayor que = 1,2