Efecto del volante del generador y estabilidad del sistema de regulación de la turbinaEfecto del volante del generador y estabilidad del sistema de regulación de la turbinaEfecto del volante del generador y estabilidad del sistema de regulación de la turbinaEfecto del volante del generador y estabilidad del sistema de regulación de la turbina
Los grandes generadores hidroeléctricos modernos tienen una constante de inercia menor y pueden presentar problemas de estabilidad en el sistema de regulación 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 al accionar los dispositivos de control. Este fenómeno se caracteriza generalmente por las constantes de tiempo de aceleración hidráulica. En operación aislada, cuando la frecuencia de todo el sistema está determinada por el regulador de la turbina, el golpe de ariete afecta la regulación de velocidad y la inestabilidad se manifiesta como oscilaciones o fluctuaciones de frecuencia. En operación interconectada con un sistema grande, la frecuencia se mantiene prácticamente constante. 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 lazo cerrado, es decir, en el caso de aquellos generadores hidroeléctricos que participan en la regulación de frecuencia.
La estabilidad del mecanismo de regulación de la turbina se ve muy afectada 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 por la ganancia del regulador. Una reducción de dicha 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, es necesario un efecto de volante mínimo para las partes giratorias de una unidad hidroeléctrica, que normalmente solo se puede proporcionar en el generador. Como alternativa, la constante de tiempo de aceleración mecánica podría reducirse mediante la instalación de una válvula de alivio de presión o un tanque de compensación, etc., pero esto suele ser 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 la carga nominal total 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 de aumento de velocidad porcentual calculado anteriormente no debía superar el 45 por ciento. Para sistemas más pequeños, se debe proporcionar un aumento de velocidad menor (véase el Capítulo 4).
Sección longitudinal desde la toma de agua hasta la central hidroeléctrica de Dehar.
(Fuente: Documento del autor – 2.º Congreso Mundial, Asociación Internacional de Recursos Hídricos, 1979) Para la central hidroeléctrica de Dehar, se muestra el sistema hidráulico de presión de agua que conecta el depósito de compensación con la unidad de potencia, que consta de toma de agua, túnel de presión, tanque de compensación diferencial y tubería forzada. Limitando el aumento máximo de presión en las tuberías forzadas al 35 por ciento, el aumento máximo estimado de velocidad de la unidad al rechazar la carga completa resultó ser de aproximadamente el 45 por ciento con un regulador de cierre
Tiempo de 9,1 segundos a una altura nominal de 282 m (925 pies) con el efecto de volante normal de las partes giratorias del generador (es decir, considerando únicamente el aumento de temperatura). En la primera etapa de operación, se observó que el aumento de velocidad no superaba el 43 por ciento. Por consiguiente, se consideró que el efecto de volante 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 del desarrollo del sistema de extra alta tensión (EHV) de 420 kV en Dehar, los problemas de estabilidad pueden ser críticos debido a la debilidad del sistema, el menor nivel de cortocircuito, la operación con factor de potencia adelantado y la necesidad de economía al proporcionar salidas de transmisión y fijar el tamaño y los parámetros de las unidades generadoras. Los estudios preliminares de estabilidad transitoria en un analizador de redes (utilizando voltaje constante detrás de la reactancia transitoria) para el sistema EHV de Dehar también indicaron que solo se obtendría una estabilidad marginal. En la etapa inicial del diseño de la central eléctrica de Dehar se consideró que especificar generadores con normal
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 barata. En un estudio del sistema británico también se demostró que cambiar los parámetros del generador tiene un efecto comparativamente mucho menor en los márgenes de estabilidad. En consecuencia, se especificaron los parámetros normales del generador, como se indica en el apéndice. Los estudios de estabilidad detallados realizados se proporcionan a continuación.
Capacidad de carga de línea y estabilidad de voltaje
Los generadores hidroeléctricos ubicados remotamente que se utilizan para cargar líneas EHV largas sin carga, cuya potencia aparente de carga (kVA) es mayor que la capacidad de carga de la máquina, pueden autoexcitarse y provocar un aumento de voltaje incontrolable. 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 sin carga de 420 kV E2/xc hasta Panipat (extremo receptor) era de aproximadamente 150 MVAR a voltaje nominal. En una segunda etapa, cuando se instala una segunda línea de 420 kV de longitud equivalente, la capacidad de carga requerida para cargar ambas líneas sin carga simultáneamente a voltaje nominal sería de aproximadamente 300 MVAR.
La capacidad de carga de línea disponible a la tensión nominal del generador Dehar, según lo indicado por los proveedores del equipo, era la siguiente:
(i) Es posible una carga de línea de 121,8 MVAR con una excitación positiva mínima del 10 por ciento, es decir, el 70 por ciento de la potencia nominal en MVA.
(ii) Hasta el 87 por ciento de la capacidad de carga de línea MVA nominal, es decir, 139 MVAR, es posible con una excitación positiva mínima del 1 por ciento.
(iii) Hasta el 100 por ciento de la MVAR nominal, es decir, 173,8 capacidad de carga de línea se puede obtener con aproximadamente un 5 por ciento de excitación negativa y la capacidad máxima de carga de línea que se puede obtener con una excitación negativa del 10 por ciento es el 110 por ciento de la MVA nominal (191 MVAR) según BSS.
(iv) Un mayor aumento en las capacidades de carga de línea solo es posible aumentando el tamaño de la máquina. En el caso de (ii) y (iii), el control manual de la excitación no es posible y se debe confiar plenamente en el funcionamiento continuo de los reguladores automáticos de voltaje de acción rápida. No es económicamente factible ni deseable aumentar el tamaño de la máquina con el propósito de aumentar las capacidades de carga de línea. En consecuencia, 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 voltaje nominal para los generadores mediante la aplicación 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 ocurre debido a la carga capacitiva en la máquina, que se ve aún más 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 de cuadratura y n es la sobrevelocidad relativa máxima que se produce al rechazar la carga. Se propuso solucionar esta condición en el generador Dehar mediante la instalación de un reactor de derivación de muy alta tensión (75 MVA) de 400 kV conectado permanentemente en el extremo receptor de la línea, según los estudios detallados realizados.
Bobinado amortiguador
La función principal de un devanado amortiguador es su capacidad para prevenir sobretensiones excesivas en caso de fallas entre líneas con cargas capacitivas, reduciendo así la tensión de sobretensión en el equipo. Teniendo en cuenta la ubicación remota y las largas líneas de transmisión interconectadas, se especificó un devanado amortiguador totalmente conectado con una relación de reactancias de eje en cuadratura y eje directo Xnq/Xnd que no exceda 1,2.
Características del generador y sistema de excitación
Tras especificar generadores con características normales y dado que los estudios preliminares indicaban una estabilidad marginal, se decidió utilizar equipos de excitación estática de alta velocidad para mejorar los márgenes de estabilidad y lograr así la configuración más económica del equipo. Se realizaron estudios detallados para determinar las características óptimas de los equipos de excitación estática, los cuales se describen en el capítulo 10.
Consideraciones sísmicas
La central hidroeléctrica 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 teniendo en cuenta las condiciones sísmicas y geológicas del lugar, 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 sísmica prevista tanto en dirección vertical como horizontal en Dehar, que actúa en el centro de la máquina.
Frecuencia natural
La frecuencia natural de la máquina debe mantenerse alejada (más alta) de la frecuencia magnética de 100 Hz (el doble de la frecuencia del generador). Esta frecuencia natural estará muy alejada de la frecuencia sísmica y se verificará que exista un margen adecuado con respecto a la frecuencia predominante del sismo y la velocidad crítica del sistema de rotación.
Soporte del estator del generador
Las bases del estator del generador y de los cojinetes de empuje y guía inferiores constan de varias placas base. Estas placas base se fijan a la base lateralmente, además de en la dirección vertical habitual, mediante pernos de fijación.
Diseño de cojinetes guía
Los cojinetes guía deben ser de tipo segmentado y sus componentes deben reforzarse para soportar la fuerza total de un sismo. Los fabricantes recomiendan además fijar el soporte superior lateralmente al cilindro (carcasa del generador) mediante vigas de acero. Esto implicaría, a su vez, reforzar el cilindro de hormigón.
Detección de vibraciones en generadores
Se recomendó la instalación de detectores de vibración o medidores de excentricidad en turbinas y generadores para activar la parada y la alarma en caso de que las vibraciones sísmicas superen un valor predeterminado. Este dispositivo también puede utilizarse para detectar vibraciones inusuales en una unidad debido a condiciones hidráulicas que afecten a la turbina.
Contactos de mercurio
Las fuertes sacudidas provocadas por un terremoto pueden causar disparos intempestivos que activen la parada de la unidad si se utilizan contactos de mercurio. Esto se puede evitar especificando interruptores de mercurio antivibratorios o, si fuera necesario, añadiendo relés temporizadores.
Conclusiones
(1) Se obtuvieron economías sustanciales en el costo de los equipos y la estructura en la central eléctrica de Dehar al adoptar un tamaño de unidad grande teniendo en cuenta el tamaño de la red y su influencia en la capacidad de reserva del sistema.
(2) El costo de los generadores se redujo mediante la adopción de un diseño de construcción tipo paraguas que ahora es posible para grandes generadores hidroeléctricos de alta velocidad debido al desarrollo de acero de alta resistencia para los punzonados del borde del rotor.
(3) La adquisición de generadores naturales de alto factor de potencia después de estudios detallados resultó en ahorros adicionales en el costo.
(4) Se consideró que el efecto normal del volante de las partes giratorias del generador en la estación reguladora de frecuencia en Dehar era 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 de muy alta tensión 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, dichos 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 a la red por líneas de muy alta tensión largas se pueden prevenir aumentando la capacidad de carga de línea de la máquina recurriendo a la excitación negativa y/o empleando reactores de derivación de muy alta tensión conectados permanentemente.
(8) En el diseño de los generadores y sus cimientos se pueden hacer disposiciones para proporcionar salvaguardas contra las fuerzas sísmicas a bajo costo.
Parámetros principales de los generadores Dehar
Relación de cortocircuito = 1,06
Reactancia transitoria en el eje directo = 0,2
Efecto volante = 39,5 x 106 lb ft²
Xnq/Xnd no mayor que = 1.2
Fecha de publicación: 11 de mayo de 2021
