Generaattorin vauhtipyörän vaikutus ja turbiinin säätöjärjestelmän stabiiliusGeneraattorin vauhtipyörän vaikutus ja turbiinin säätöjärjestelmän stabiiliusGeneraattorin vauhtipyörän vaikutus ja turbiinin säätöjärjestelmän stabiiliusGeneraattorin vauhtipyörän vaikutus ja turbiinin säätöjärjestelmän stabiilius
Suurilla nykyaikaisilla vesigeneraattoreilla on pienempi inertiakerroin, ja niillä voi olla ongelmia turbiinin ohjausjärjestelmän vakauden kanssa. Tämä johtuu turbiinin veden käyttäytymisestä, joka inertiansa vuoksi aiheuttaa vesivasaroita paineputkissa, kun säätölaitteita käytetään. Tälle on yleisesti ominaista hydraulisen kiihtyvyyden aikavakiot. Eristyneessä käytössä, kun koko järjestelmän taajuus määräytyy turbiinin säätimen mukaan, vesivasara vaikuttaa nopeuden säätöön ja epävakaus ilmenee heilahteluna tai taajuuden vaihteluna. Yhteenliitetyssä toiminnassa suuressa järjestelmässä taajuus pidetään olennaisesti vakiona jälkimmäisen toimesta. Vesivasara vaikuttaa sitten järjestelmään syötettyyn tehoon, ja vakausongelmia ilmenee vain silloin, kun tehoa ohjataan suljetussa silmukassa, eli sellaisten vesigeneraattoreiden tapauksessa, jotka osallistuvat taajuuden säätöön.
Turbiinin säätimen vaihteiston vakauteen vaikuttaa suuresti vesimassojen hydraulisen kiihtyvyysaikavakion suhde mekaaniseen kiihtyvyysaikavakioon ja säätimen vahvistus. Edellä mainitun suhteen pienentäminen aiheuttaa epävakautta ja edellyttää säätimen vahvistuksen pienentämistä, mikä vaikuttaa haitallisesti taajuuden vakauttamiseen. Näin ollen vesivoimalaitoksen pyöriville osille tarvitaan mahdollisimman pieni vauhtipyörävaikutus, joka voidaan normaalisti saavuttaa vain generaattorissa. Vaihtoehtoisesti mekaanista kiihtyvyysaikavakiota voitaisiin pienentää asentamalla paineenalennusventtiili tai paineentasaussäiliö jne., mutta se on yleensä erittäin kallista. Vesivoimalaitoslaitoksen nopeuden säätökyvyn empiirinen kriteeri voisi perustua yksikön nopeuden nousuun, joka voi tapahtua, kun yksikön koko nimelliskuorma poistuu itsenäisesti toimiessaan. Suurissa yhteenliitetyissä järjestelmissä toimiville voimalaitoksille, joiden on säädettävä järjestelmän taajuutta, edellä lasketun prosentuaalisen nopeuden nousuindeksin katsottiin olevan enintään 45 prosenttia. Pienemmille järjestelmille on järjestettävä pienempi nopeuden nousu (katso luku 4).
Pituusleikkaus imuaukosta Deharin voimalaitokselle
(Lähde: Kirjoittajan artikkeli – 2. maailmankongressi, International Water Resources Association 1979) Deharin voimalaitoksessa on esitetty tasapainottavan vesivaraajan ja voimayksikön yhdistävä hydraulinen painevesijärjestelmä, joka koostuu vedenotosta, painetunnelista, paineentasaussäiliöstä ja paineenalennussäiliöstä. Kun paineenalennussäiliöiden suurin paineennousu rajoitetaan 35 prosenttiin, yksikön arvioitu suurin nopeudennousu täyden kuormituksen estämisen jälkeen on noin 45 prosenttia, kun säädin sulkeutuu.
9,1 sekunnin aika nimellisnostokorkeudella 282 m (925 ft) generaattorin pyörivien osien normaalilla vauhtipyörävaikutuksella (eli vain lämpötilan nousun huomioon ottaen). Ensimmäisessä käyttövaiheessa nopeuden nousun havaittiin olevan enintään 43 prosenttia. Näin ollen katsottiin, että normaali vauhtipyörävaikutus riittää järjestelmän taajuuden säätämiseen.
Generaattorin parametrit ja sähköinen stabiilius
Generaattorin stabiilisuuteen vaikuttavia parametreja ovat vauhtipyörävaikutus, transienttireaktanssi ja oikosulkusuhde. Deharin kaltaisen 420 kV:n EHV-järjestelmän alkuvaiheessa stabiiliusongelmat ovat todennäköisesti kriittisiä heikon järjestelmän, alhaisen oikosulkutason, johtavan tehokertoimen käytön ja siirtopistorasioiden sekä generaattoriyksiköiden koon ja parametrien taloudellisuuden tarpeen vuoksi. Deharin EHV-järjestelmän alustavat transienttistabiilisuustutkimukset verkkoanalysaattorilla (käyttäen vakiojännitettä transienttireaktanssin takana) osoittivat myös, että saavutettaisiin vain marginaalinen stabiilius. Deharin voimalaitoksen suunnittelun alkuvaiheessa katsottiin, että generaattoreiden, joilla on normaali...
ominaisuudet ja vakausvaatimusten saavuttaminen optimoimalla muiden asiaankuuluvien tekijöiden, erityisesti magnetointijärjestelmän, parametreja olisi taloudellisesti halvempi vaihtoehto. Myös brittiläisen järjestelmän tutkimuksessa osoitettiin, että generaattorin parametrien muuttamisella on suhteellisesti paljon pienempi vaikutus vakausmarginaaleihin. Näin ollen generaattorille määritettiin liitteessä esitetyt normaalit generaattoriparametrit. Suoritetut yksityiskohtaiset vakaustutkimukset on esitetty
Linjan latauskapasiteetti ja jännitteen vakaus
Etäsijaitsevissa vesivoimageneraattoreissa, joita käytetään pitkien kuormittamattomien EHV-linjojen lataamiseen, joiden lataus-kVA on suurempi kuin koneen linjan latauskapasiteetti, kone voi virittäytyä itsestään ja jännite nousta hallitsemattomasti. Itsevirittymisen ehto on, että xc < xd, jossa xc on kapasitiivinen kuormareaktanssi ja xd synkroninen suoraakselireaktanssi. Yhden 420 kV:n kuormittamattoman linjan E2 /xc lataamiseen tarvittava kapasiteetti Panipatiin (vastaanottopää) asti oli noin 150 MVAR nimellisjännitteellä. Toisessa vaiheessa, kun asennetaan toinen vastaavan pituinen 420 kV:n linja, molempien kuormittamattomien linjojen samanaikaiseen lataamiseen tarvittava linjan latauskapasiteetti nimellisjännitteellä olisi noin 300 MVAR.
Laitteiden toimittajien ilmoittama Dehar-generaattorin nimellisjännitteellä käytettävissä oleva linjan latauskapasiteetti oli seuraava:
(i) 70 prosentin nimellisarvoinen MVA eli 121,8 MVAR:n linjan lataus on mahdollista vähintään 10 prosentin positiivisella magnetoinnilla.
(ii) Jopa 87 prosenttia nimellistehosta (MVA) eli 139 MVAR on mahdollinen vähintään 1 prosentin positiivisella herätteellä.
(iii) BSS:n mukaan jopa 100 prosenttia nimellisestä MVAR:sta eli 173,8 linjan latauskapasiteettia voidaan saavuttaa noin 5 prosentin negatiivisella herätteellä, ja suurin linjan latauskapasiteetti, joka voidaan saavuttaa 10 prosentin negatiivisella herätteellä, on 110 prosenttia nimellisestä MVA:sta (191 MVAR).
(iv) Linjan latauskapasiteettia voidaan lisätä vain kasvattamalla koneen kokoa. Kohdissa (ii) ja (iii) magnetoinnin käsiohjaus ei ole mahdollista, ja on luotettava täysin nopeasti toimivien automaattisten jännitteensäätimien jatkuvaan toimintaan. Koneen koon kasvattaminen linjan latauskapasiteetin lisäämiseksi ei ole taloudellisesti kannattavaa eikä toivottavaa. Ottaen huomioon käyttöolosuhteet ensimmäisessä käyttövaiheessa päätettiin tarjota generaattoreille 191 MVAR:n linjan latauskapasiteetti nimellisjännitteellä tarjoamalla generaattoreille negatiivinen magnetointi. Kriittinen käyttötilanne, joka aiheuttaa jännitteen epävakautta, voi johtua myös kuorman irtikytkentä vastaanottopäässä. Ilmiö johtuu koneen kapasitiivisesta kuormituksesta, johon generaattorin nopeuden nousu vaikuttaa edelleen haitallisesti. Itseheräte ja jännitteen epävakaus voivat ilmetä, jos...
Xc ≤ n2 (Xq + XT)
Jossa Xc on kapasitiivinen kuormareaktanssi, Xq on kvadratuuriakselin synkroninen reaktanssi ja n on kuormituksen hylkäyksessä esiintyvä suurin suhteellinen ylinopeus. Tätä Dehar-generaattorin tilannetta ehdotettiin vältettäväksi asentamalla pysyvästi kytketty 400 kV:n EHV-shunttireaktori (75 MVA) linjan vastaanottopäähän tehtyjen yksityiskohtaisten tutkimusten mukaisesti.
Pellin käämitys
Vaimenninkäämin päätehtävänä on estää liiallisia ylijännitteitä kapasitiivisten kuormien yhteydessä tapahtuvissa linjavioissa, mikä vähentää laitteiston ylijännitekuormitusta. Ottaen huomioon syrjäisen sijainnin ja pitkät yhteenliitettävät siirtolinjat, määriteltiin täysin kytketyt vaimenninkäämit, joiden kvadratuuri- ja suorareaktanssien suhde Xnq/Xnd ei ylitä 1,2:ta.
Generaattorin ominaiskäyrä ja herätejärjestelmä
Koska generaattorit olivat normaaliominaisuuksiltaan määriteltyjä ja alustavat tutkimukset olivat osoittaneet vain marginaalista vakautta, päätettiin käyttää suurnopeuksisia staattisia magnetointilaitteita vakausmarginaalien parantamiseksi ja siten laitteiden kokonaisuudessaan taloudellisimman mahdollisen järjestelyn saavuttamiseksi. Yksityiskohtaisia tutkimuksia tehtiin staattisten magnetointilaitteiden optimaalisten ominaisuuksien määrittämiseksi, ja niitä käsitellään luvussa 10.
Seismiset näkökohdat
Deharin voimalaitos sijaitsee maanjäristysalueella. Seuraavat Deharin vesivoimalaitoksen suunnitteluun liittyvät ehdotukset tehtiin laitevalmistajien kanssa neuvotellen, ottaen huomioon laitoksen seismiset ja geologiset olosuhteet sekä Intian hallituksen ja UNESCOn avustuksella perustaman Koynan maanjäristysasiantuntijakomitean raportin.
Mekaaninen lujuus
Dehar-generaattorit on suunniteltava kestämään turvallisesti Deharin keskellä odotettavan maanjäristyksen suurin kiihtyvyysvoima sekä pystysuorassa että vaakasuunnassa.
Luonnollinen taajuus
Koneen ominaistaajuus on pidettävä kaukana (korkeampana) 100 Hz:n magneettitaajuudesta (kaksinkertainen generaattorin taajuus). Tämä ominaistaajuus on kaukana maanjäristystaajuudesta ja sitä on tarkistettava riittävän marginaalin varmistamiseksi maanjäristyksen vallitsevaan taajuuteen ja pyörivän järjestelmän kriittiseen nopeuteen nähden.
Generaattorin staattorin tuki
Generaattorin staattorin ja alemman työntö- ja ohjauslaakerin perustukset koostuvat useista pohjalevyistä. Pohjalevyt on kiinnitetty perustukseen sivusuunnassa normaalin pystysuuntaisen suunnan lisäksi perustuspulteilla.
Ohjauslaakerin suunnittelu
Ohjauslaakerien tulee olla segmenttityyppisiä ja ohjauslaakeriosat vahvistetaan kestämään täysi maanjäristysvoima. Valmistajat suosittelivat lisäksi yläkiinnikkeen sitomista sivusuunnassa tynnyriin (generaattorin koteloon) teräspalkeilla. Tämä tarkoittaisi myös sitä, että betonitynnyriä olisi vahvistettava.
Generaattoreiden tärinän havaitseminen
Turbiineihin ja generaattoreihin suositeltiin asentaa tärinäilmaisimia tai epäkeskisyysmittareita sammutuksen ja hälytyksen käynnistämiseksi, jos maanjäristyksen aiheuttamat tärinät ylittävät ennalta määrätyn arvon. Tätä laitetta voidaan käyttää myös havaitsemaan yksikön epätavallisia tärinöitä, jotka johtuvat turbiiniin vaikuttavista hydraulisista olosuhteista.
Merkuriuskontaktit
Maanjäristyksen aiheuttama voimakas tärinä voi johtaa virheelliseen laukaisun, joka käynnistää yksikön sammutuksen, jos käytetään elohopeakontakteja. Tämä voidaan välttää joko käyttämällä tärinänvaimennustyyppisiä elohopeakytkimiä tai tarvittaessa lisäämällä aikareleitä.
Johtopäätökset
(1) Deharin voimalaitoksen laitteisto- ja rakennekustannuksissa saavutettiin huomattavia säästöjä ottamalla käyttöön suuri yksikkökoko ottaen huomioon sähköverkon koon ja sen vaikutuksen järjestelmän varakapasiteettiin.
(2) Generaattoreiden kustannuksia alennettiin ottamalla käyttöön sateenvarjomainen rakenne, joka on nyt mahdollista suurille ja nopeille vesivoimageneraattoreille roottorin reunojen lävistyksiä varten kehitetyn korkean vetolujuuden omaavan teräksen ansiosta.
(3) Luonnollisten, suuritehoisten generaattoreiden hankinta yksityiskohtaisten tutkimusten jälkeen johti lisäkustannussäästöihin.
(4) Deharin taajuudensäätöaseman generaattorin pyörivien osien normaalia vauhtipyörävaikutusta pidettiin riittävänä turbiinin säätöjärjestelmän vakaudelle suuren yhteenliitetyn järjestelmän vuoksi.
(5) EHV-verkkoja syöttävien kaukogeneraattoreiden erityisparametrit sähköisen vakauden varmistamiseksi voidaan täyttää nopeasti reagoivilla staattisilla magnetointijärjestelmillä.
(6) Nopeasti vaikuttavat staattiset herätejärjestelmät voivat tarjota tarvittavat stabiiliusmarginaalit. Tällaiset järjestelmät kuitenkin vaativat vakauttavia takaisinkytkentäsignaaleja vianjälkeisen stabiilisuuden saavuttamiseksi. Yksityiskohtaiset tutkimukset olisi suoritettava.
(7) Pitkillä EHV-linjoilla verkkoon kytkettyjen erillisten generaattoreiden itseheräte ja jännitteen epävakaus voidaan estää lisäämällä koneen linjan latauskapasiteettia negatiivisen magnetoinnin avulla ja/tai käyttämällä pysyvästi kytkettyjä EHV-shunttireaktoreita.
(8) Generaattoreiden ja niiden perustusten suunnittelussa voidaan tehdä varauksia maanjäristyksiä vastaan pienin kustannuksin.
Dehar-generaattoreiden pääparametrit
Oikosulkusuhde = 1,06
Ohimenevä reaktanssi Suora akseli = 0,2
Vauhtipyörän vaikutus = 39,5 x 106 lb ft2
Xnq/Xnd ei ole suurempi kuin = 1,2
Julkaisun aika: 11.5.2021
