Efecto do volante do xerador e estabilidade do sistema regulador da turbina

Efecto do volante do xerador e estabilidade do sistema gobernador da turbina Efecto do volante do xerador e estabilidade do sistema gobernador da turbina Efecto do volante do xerador e estabilidade do sistema gobernador da turbina Efecto do volante do xerador e estabilidade do sistema gobernador da turbina
Os grandes xeradores hidroeléctricos modernos teñen unha constante de inercia menor e poden ter problemas de estabilidade no sistema de goberno da turbina. Isto débese ao comportamento da auga da turbina, que debido á súa inercia dá lugar a golpes de ariete nas tubaxes de presión cando se operan os dispositivos de control. Isto caracterízase en xeral polas constantes de tempo de aceleración hidráulica. No funcionamento illado, cando a frecuencia de todo o sistema está determinada polo regulador da turbina, o golpe de ariete afecta ao goberno da velocidade e a inestabilidade aparece como unha oscilación de frecuencia ou de salto de frecuencia. Para o funcionamento interconectado cun sistema grande, a frecuencia mantense esencialmente constante por este último. O golpe de ariete afecta entón á potencia subministrada ao sistema e o problema de estabilidade só xorde cando a potencia se controla nun circuíto pechado, é dicir, no caso dos xeradores hidroeléctricos que participan na regulación da frecuencia.

A estabilidade do engrenaxe do regulador da turbina vese moi afectada pola relación entre a constante de tempo de aceleración mecánica debido á constante de tempo de aceleración hidráulica das masas de auga e pola ganancia do regulador. Unha redución da relación anterior ten un efecto desestabilizador e require unha redución da ganancia do regulador, o que afecta negativamente á estabilización da frecuencia. En consecuencia, é necesario un efecto de volante mínimo para as partes rotatorias dunha unidade hidroeléctrica, que normalmente só se pode proporcionar no xerador. Alternativamente, a constante de tempo de aceleración mecánica podería reducirse mediante a provisión dunha válvula de alivio de presión ou un tanque de compensación, etc., pero xeralmente é moi custoso. Un criterio empírico para a capacidade de regulación da velocidade dunha unidade de xeración hidroeléctrica podería basearse no aumento de velocidade da unidade que pode ter lugar ao rexeitar toda a carga nominal da unidade que funciona de forma independente. Para as unidades de potencia que funcionan en grandes sistemas interconectados e que se requiren para regular a frecuencia do sistema, considerouse que o índice de aumento de velocidade porcentual calculado anteriormente non superaba o 45 por cento. Para sistemas máis pequenos, debe proporcionarse un aumento de velocidade menor (consulte o capítulo 4).

Sección lonxitudinal desde a toma ata a central eléctrica de Dehar
(Fonte: Artigo do autor – 2.º Congreso mundial, Asociación Internacional de Recursos Hídricos 1979) Para a central eléctrica de Dehar, móstrase o sistema de auga a presión hidráulica que conecta o almacenamento de equilibrio coa unidade de potencia, que consiste na toma de auga, o túnel de presión, o tanque de compensación diferencial e a conduta forzada. Limitando o aumento máximo de presión nas condutas forzadas ao 35 por cento, o aumento máximo estimado da velocidade da unidade ao rexeitar a plena carga calculouse en aproximadamente o 45 por cento cun regulador que se pecha.
tempo de 9,1 segundos a unha altura nominal de 282 m (925 pés) co efecto normal do volante de inercia das partes rotatorias do xerador (é dicir, fixado unicamente en consideracións de aumento de temperatura). Na primeira fase de funcionamento, comprobouse que o aumento de velocidade non era superior ao 43 por cento. En consecuencia, considerouse que o efecto normal do volante de inercia é axeitado para regular a frecuencia do sistema.

Parámetros do xerador e estabilidade eléctrica
Os parámetros do xerador que inflúen na estabilidade son o efecto do volante de inercia, a reactancia transitoria e a relación de curtocircuíto. Na fase inicial de desenvolvemento do sistema EHV de 420 kV, como en Dehar, os problemas de estabilidade poden ser críticos debido á debilidade do sistema, ao menor nivel de curtocircuíto, ao funcionamento co factor de potencia principal e á necesidade de economía á hora de proporcionar saídas de transmisión e fixar o tamaño e os parámetros das unidades de xeración. Os estudos preliminares de estabilidade transitoria no analizador de rede (usando unha tensión constante detrás da reactancia transitoria) para o sistema EHV de Dehar tamén indicaron que só se obtería unha estabilidade marxinal. Na fase inicial de deseño da central eléctrica de Dehar considerouse que especificar xeradores con normalidade...
As características e o cumprimento dos requisitos de estabilidade optimizando os parámetros doutros factores implicados, especialmente os do sistema de excitación, serían unha alternativa economicamente máis barata. Nun estudo do sistema británico, tamén se demostrou que cambiar os parámetros do xerador ten un efecto comparativamente moito menor nas marxes de estabilidade. En consecuencia, especificáronse os parámetros normais do xerador, tal e como se indica no apéndice. Os estudos detallados de estabilidade realizados danse.

Capacidade de carga de liña e estabilidade de tensión
Os xeradores hidroeléctricos situados remotamente utilízanse para cargar liñas longas de alta tensión sen carga cuxos kVA de carga é superior á capacidade de carga da liña da máquina, o que fai que a máquina se autoexcite e a tensión aumente sen control. A condición para a autoexcitación é que xc < xd, onde xc é a reactancia de carga capacitiva e xd a reactancia síncrona do eixe directo. A capacidade necesaria para cargar unha única liña descargada de 420 kV E2/xc ata Panipat (extremo receptor) era duns 150 MVAR á tensión nominal. Na segunda fase, cando se instala unha segunda liña de 420 kV de lonxitude equivalente, a capacidade de carga da liña necesaria para cargar ambas as liñas descargadas simultaneamente á tensión nominal sería duns 300 MVAR.

A capacidade de carga de liña dispoñible á tensión nominal do xerador Dehar, segundo indicaron os provedores do equipo, foi a seguinte:
(i) É posible un 70 por cento de MVA nominal, é dicir, unha carga de liña de 121,8 MVAR cunha excitación positiva mínima do 10 por cento.
(ii) É posible ata o 87 por cento da MVA nominal, é dicir, unha capacidade de carga de liña de 139 MVAR cunha excitación positiva mínima do 1 por cento.
(iii) Pódese obter ata o 100 % do MVAR nominal, é dicir, 173,8 MVAR de capacidade de carga de liña cunha excitación negativa de aproximadamente o 5 %, e a capacidade máxima de carga de liña que se pode obter cunha excitación negativa do 10 % é do 110 % do MVA nominal (191 MVAR) segundo as BSS.
(iv) Un aumento adicional das capacidades de carga da liña só é posible aumentando o tamaño da máquina. No caso de (ii) e (iii), o control manual da excitación non é posible e débese confiar plenamente no funcionamento continuo de reguladores de tensión automáticos de acción rápida. Non é economicamente viable nin desexable aumentar o tamaño da máquina co fin de aumentar as capacidades de carga da liña. En consecuencia, tendo en conta as condicións de funcionamento na primeira fase de funcionamento, decidiuse proporcionar unha capacidade de carga de liña de 191 MVAR á tensión nominal para os xeradores proporcionando excitación negativa nos xeradores. As condicións de funcionamento críticas que causan inestabilidade da tensión tamén poden estar causadas pola desconexión da carga no extremo receptor. O fenómeno ocorre debido á carga capacitiva na máquina, que se ve afectada negativamente polo aumento de velocidade do xerador. Pode producirse autoexcitación e inestabilidade da tensión se...

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
Onde Xc é a reactancia da carga capacitiva, Xq é a reactancia síncrona do eixe de cuadratura e n é a sobrevelocidade relativa máxima que se produce ao rexeitar a carga. Propúxose evitar esta condición no xerador Dehar proporcionando un reactor shunt de 400 kV (75 MVA) conectado permanentemente no extremo receptor da liña segundo os estudos detallados realizados.

Enrolamento do amortecedor
A función principal dun enrolamento amortecedor é a súa capacidade para evitar sobretensións excesivas en caso de fallos de liña a liña con cargas capacitivas, reducindo así a tensión de sobretensión no equipo. Tendo en conta a localización remota e as longas liñas de transmisión interconectadas, especificáronse enrolamentos amortecedores totalmente conectados cunha relación de reactancias en cuadratura e eixe directo Xnq/Xnd que non exceda de 1,2.

Características do xerador e sistema de excitación
Despois de especificar xeradores con características normais e de que os estudos preliminares indicasen só unha estabilidade marxinal, decidiuse que se empregasen equipos de excitación estática de alta velocidade para mellorar as marxes de estabilidade e así lograr a disposición xeral máis económica dos equipos. Realizáronse estudos detallados para determinar as características óptimas dos equipos de excitación estática, que se tratan no capítulo 10.

Consideracións sísmicas
A central eléctrica de Dehar atópase nunha zona sísmica. As seguintes disposicións no deseño do xerador hidroeléctrico en Dehar foron propostas en consulta cos fabricantes de equipos e tendo en conta as condicións sísmicas e xeolóxicas do lugar e o informe do Comité de Expertos en Terremotos de Koyna constituído polo Goberno da India coa axuda da UNESCO.

Resistencia mecánica
Os xeradores Dehar deben deseñarse para soportar con seguridade a forza máxima de aceleración dun terremoto, tanto na dirección vertical como horizontal, esperada no Dehar actuando no centro da máquina.

Frecuencia natural
A frecuencia natural da máquina manterase lonxe (máis alta) da frecuencia magnética de 100 Hz (o dobre da frecuencia do xerador). Esta frecuencia natural estará moi afastada da frecuencia dos terremotos e comprobarase para comprobar se ten unha marxe adecuada fronte á frecuencia predominante do terremoto e á velocidade crítica do sistema de rotación.

Soporte do estator do xerador
As bases do estator do xerador e dos rodamentos de empuxe e guía inferiores constan dunha serie de placas de base. As placas de base poden estar unidas á base lateralmente, ademais da dirección vertical normal, mediante parafusos de cimentación.

Deseño de rolamentos guía
Os rolamentos guía deben ser de tipo segmentario e as pezas dos rolamentos guía deben reforzarse para soportar a forza total dos terremotos. Os fabricantes recomendan ademais amarrar o soporte superior lateralmente co barril (caixa do xerador) mediante vigas de aceiro. Isto tamén significaría que o barril de formigón tería que reforzarse.

Detección de vibracións de xeradores
Recomendouse a instalación de detectores de vibracións ou medidores de excentricidade en turbinas e xeradores para iniciar a parada e a alarma no caso de que as vibracións debidas a terremotos superen un valor predeterminado. Este dispositivo tamén se pode empregar para detectar calquera vibración inusual dunha unidade debido a condicións hidráulicas que afecten á turbina.

Contactos de Mercury
Unha trepidación forte debido a un terremoto pode provocar un disparo falso para iniciar a parada dunha unidade se se usan contactos de mercurio. Isto pódese evitar especificando interruptores de mercurio de tipo antivibración ou, se é necesario, engadindo relés temporizadores.

Conclusións
(1) Obtivéronse economías substanciais no custo do equipamento e da estrutura na central eléctrica de Dehar adoptando unidades de gran tamaño tendo en conta o tamaño da rede e a súa influencia na capacidade dispoñible do sistema.
(2) Reduciuse o custo dos xeradores adoptando un deseño de construción global que agora é posible para xeradores hidroeléctricos de alta velocidade debido ao desenvolvemento de aceiro de alta resistencia para os perforadores das axilas do rotor.
(3) A adquisición de xeradores naturais de alto factor de potencia tras estudos detallados permitiu un maior aforro de custos.
(4) O efecto normal do volante de inercia das pezas rotatorias do xerador na estación de regulación de frecuencia de Dehar considerouse suficiente para a estabilidade do sistema do regulador da turbina debido ao gran sistema interconectado.
(5) Os sistemas de excitación estática de resposta rápida poden cumprir os parámetros especiais dos xeradores remotos que alimentan redes de alta tensión para garantir a estabilidade eléctrica.
(6) Os sistemas de excitación estática de acción rápida poden proporcionar as marxes de estabilidade necesarias. Non obstante, estes sistemas requiren sinais de retroalimentación estabilizadores para lograr a estabilidade posterior á falla. Deberíanse realizar estudos detallados.
(7) A autoexcitación e a inestabilidade da tensión dos xeradores remotos interconectados coa rede mediante liñas longas de EHV pódense evitar aumentando a capacidade de carga da liña da máquina recorrendo á excitación negativa e/ou empregando reactores shunt de EHV conectados permanentemente.
(8) Pódense tomar medidas no deseño dos xeradores e os seus alicerces para proporcionar protección contra as forzas sísmicas a custos reducidos.

Parámetros principais dos xeradores de Dehar
Relación de curtocircuíto = 1,06
Reactancia transitoria Eixe directo = 0,2
Efecto do volante de inercia = 39,5 x 106 lb ft²
Xnq/Xnd non maior que = 1,2