जनरेटर फ्लाईव्हील प्रभाव और टरबाइन गवर्नर प्रणाली की स्थिरता

जनरेटर फ्लाईव्हील प्रभाव और टरबाइन गवर्नर सिस्टम की स्थिरता
आधुनिक बड़े हाइड्रो जनरेटरों का जड़त्व स्थिरांक कम होता है और टरबाइन नियंत्रण प्रणाली की स्थिरता में समस्याएँ आ सकती हैं। इसका कारण टरबाइन के पानी का व्यवहार है, जो अपने जड़त्व के कारण नियंत्रण उपकरणों के संचालन के दौरान दबाव पाइपों में जल हथौड़ा उत्पन्न करता है। इसे सामान्यतः हाइड्रोलिक त्वरण समय स्थिरांक द्वारा दर्शाया जाता है। पृथक संचालन में, जब संपूर्ण प्रणाली की आवृत्ति टरबाइन गवर्नर द्वारा निर्धारित की जाती है, तो जल हथौड़ा गति नियंत्रण को प्रभावित करता है और अस्थिरता आवृत्ति में उतार-चढ़ाव के रूप में प्रकट होती है। एक बड़ी प्रणाली के साथ परस्पर जुड़े संचालन में, आवृत्ति को टरबाइन गवर्नर द्वारा स्थिर रखा जाता है। तब जल हथौड़ा प्रणाली को दी जाने वाली शक्ति को प्रभावित करता है और स्थिरता की समस्या केवल तभी उत्पन्न होती है जब शक्ति को एक बंद लूप में नियंत्रित किया जाता है, यानी उन हाइड्रो जनरेटरों के मामले में जो आवृत्ति विनियमन में भाग लेते हैं।

टरबाइन गवर्नर गियर की स्थिरता, जल द्रव्यमानों के हाइड्रोलिक त्वरण समय स्थिरांक के कारण यांत्रिक त्वरण समय स्थिरांक के अनुपात और गवर्नर के लाभ से बहुत प्रभावित होती है। उपरोक्त अनुपात में कमी अस्थिरता उत्पन्न करती है और गवर्नर लाभ को कम करना आवश्यक बनाती है, जिससे आवृत्ति स्थिरीकरण पर प्रतिकूल प्रभाव पड़ता है। इसलिए, एक हाइड्रो यूनिट के घूर्णनशील भागों के लिए न्यूनतम फ्लाईव्हील प्रभाव आवश्यक है, जो सामान्यतः केवल जनरेटर में ही प्रदान किया जा सकता है। वैकल्पिक रूप से, दबाव राहत वाल्व या सर्ज टैंक आदि के प्रावधान द्वारा यांत्रिक त्वरण समय स्थिरांक को कम किया जा सकता है, लेकिन यह आमतौर पर बहुत महंगा होता है। एक हाइड्रो जनरेटिंग यूनिट की गति विनियमन क्षमता के लिए एक अनुभवजन्य मानदंड यूनिट की गति वृद्धि पर आधारित हो सकता है, जो यूनिट के स्वतंत्र रूप से संचालित होने पर उसके संपूर्ण रेटेड लोड को अस्वीकार करने पर हो सकती है। बड़े अंतर्संबंधित प्रणालियों में संचालित होने वाली और सिस्टम आवृत्ति को विनियमित करने के लिए आवश्यक विद्युत इकाइयों के लिए, ऊपर गणना किए गए प्रतिशत गति वृद्धि सूचकांक को 45 प्रतिशत से अधिक नहीं माना गया। छोटी प्रणालियों के लिए कम गति वृद्धि प्रदान की जानी चाहिए (अध्याय 4 देखें)।

इंटेक से देहर पावर प्लांट तक का अनुदैर्ध्य खंड
(स्रोत: लेखक का शोधपत्र – द्वितीय विश्व कांग्रेस, अंतर्राष्ट्रीय जल संसाधन संघ 1979) देहर पावर प्लांट के लिए, बैलेंसिंग स्टोरेज को पावर यूनिट से जोड़ने वाली हाइड्रोलिक प्रेशर वॉटर सिस्टम को दर्शाया गया है, जिसमें वॉटर इंटेक, प्रेशर टनल, डिफरेंशियल सर्ज टैंक और पेनस्टॉक शामिल हैं। पेनस्टॉक में अधिकतम दबाव वृद्धि को 35 प्रतिशत तक सीमित करने पर, पूर्ण भार के अस्वीकरण पर यूनिट की अनुमानित अधिकतम गति वृद्धि लगभग 45 प्रतिशत पाई गई, जिसमें गवर्नर क्लोजिंग भी शामिल है।
जनरेटर के घूर्णनशील भागों के सामान्य फ्लाईव्हील प्रभाव (अर्थात, केवल तापमान वृद्धि संबंधी विचारों पर आधारित) के साथ 282 मीटर (925 फीट) के रेटेड हेड पर 9.1 सेकंड का समय प्राप्त हुआ। संचालन के पहले चरण में गति वृद्धि 43 प्रतिशत से अधिक नहीं पाई गई। इसलिए यह माना गया कि सिस्टम की आवृत्ति को नियंत्रित करने के लिए सामान्य फ्लाईव्हील प्रभाव पर्याप्त है।

जनरेटर पैरामीटर और विद्युत स्थिरता
स्थिरता को प्रभावित करने वाले जनरेटर पैरामीटर फ्लाईव्हील प्रभाव, क्षणिक प्रतिघात और शॉर्ट सर्किट अनुपात हैं। देहर में 420 kV ईएचवी प्रणाली के विकास के प्रारंभिक चरण में, कमजोर प्रणाली, निम्न शॉर्ट सर्किट स्तर, अग्रणी पावर फैक्टर पर संचालन और ट्रांसमिशन आउटलेट प्रदान करने तथा जनरेटिंग इकाइयों के आकार और पैरामीटर निर्धारित करने में मितव्ययिता की आवश्यकता के कारण स्थिरता की समस्याएं गंभीर हो सकती हैं। देहर ईएचवी प्रणाली के लिए नेटवर्क विश्लेषक (क्षणिक प्रतिघात के पीछे स्थिर वोल्टेज का उपयोग करते हुए) पर किए गए प्रारंभिक क्षणिक स्थिरता अध्ययनों से भी संकेत मिला कि केवल मामूली स्थिरता ही प्राप्त होगी। देहर पावर प्लांट के डिजाइन के प्रारंभिक चरण में, सामान्य जनरेटर निर्दिष्ट करने पर विचार किया गया था।
अन्य कारकों, विशेष रूप से उत्तेजना प्रणाली के मापदंडों को अनुकूलित करके स्थिरता की आवश्यकताओं को पूरा करना आर्थिक रूप से सस्ता विकल्प होगा। ब्रिटिश प्रणाली के एक अध्ययन में भी यह दिखाया गया कि जनरेटर मापदंडों में परिवर्तन का स्थिरता मार्जिन पर अपेक्षाकृत बहुत कम प्रभाव पड़ता है। तदनुसार, परिशिष्ट में दिए गए सामान्य जनरेटर मापदंडों को जनरेटर के लिए निर्दिष्ट किया गया था। किए गए विस्तृत स्थिरता अध्ययन नीचे दिए गए हैं।

लाइन चार्जिंग क्षमता और वोल्टेज स्थिरता
दूरस्थ स्थानों पर स्थित हाइड्रो जनरेटरों का उपयोग लंबी, अनलोडेड ईएचवी लाइनों को चार्ज करने के लिए किया जाता है, जिनकी चार्जिंग kVA मशीन की लाइन चार्जिंग क्षमता से अधिक होती है। ऐसे में मशीन स्वतः उत्तेजित हो सकती है और वोल्टेज अनियंत्रित रूप से बढ़ सकता है। स्वतः उत्तेजना की स्थिति यह है कि xc < xd, जहाँ xc कैपेसिटिव लोड रिएक्टेंस है और xd सिंक्रोनस डायरेक्ट एक्सिस रिएक्टेंस है। पानीपत (प्राप्तकर्ता छोर) तक एक 420 kV अनलोडेड लाइन को चार्ज करने के लिए आवश्यक क्षमता E2/xc रेटेड वोल्टेज पर लगभग 150 MVAR थी। दूसरे चरण में, जब समान लंबाई की दूसरी 420 kV लाइन स्थापित की जाती है, तो रेटेड वोल्टेज पर दोनों अनलोडेड लाइनों को एक साथ चार्ज करने के लिए आवश्यक लाइन चार्जिंग क्षमता लगभग 300 MVAR होगी।

उपकरण के आपूर्तिकर्ताओं द्वारा दी गई जानकारी के अनुसार, देहर जनरेटर से रेटेड वोल्टेज पर उपलब्ध लाइन चार्जिंग क्षमता इस प्रकार थी:
(i) 70 प्रतिशत रेटेड एम.वी.ए., यानी 121.8 एम.वी.ए.आर. लाइन चार्जिंग न्यूनतम 10 प्रतिशत सकारात्मक उत्तेजना के साथ संभव है।
(ii) रेटेड एम.वी.ए. के 87 प्रतिशत तक, यानी 139 एम.वी.ए.आर. लाइन चार्जिंग क्षमता न्यूनतम 1 प्रतिशत के सकारात्मक उत्तेजना के साथ संभव है।
(iii) रेटेड एमवीएआर के 100 प्रतिशत तक, यानी 173.8 लाइन चार्जिंग क्षमता लगभग 5 प्रतिशत नकारात्मक उत्तेजना के साथ प्राप्त की जा सकती है और बीएसएस के अनुसार 10 प्रतिशत नकारात्मक उत्तेजना के साथ प्राप्त की जा सकने वाली अधिकतम लाइन चार्जिंग क्षमता रेटेड एमवीए (191 एमवीएआर) का 110 प्रतिशत है।
(iv) लाइन चार्जिंग क्षमता में और वृद्धि केवल मशीन के आकार को बढ़ाकर ही संभव है। (ii) और (iii) के मामले में उत्तेजना का हाथ से नियंत्रण संभव नहीं है और त्वरित क्रियाशील स्वचालित वोल्टेज नियामकों के निरंतर संचालन पर पूरी तरह से निर्भर रहना पड़ता है। लाइन चार्जिंग क्षमता बढ़ाने के उद्देश्य से मशीन का आकार बढ़ाना न तो आर्थिक रूप से व्यवहार्य है और न ही वांछनीय। तदनुसार, संचालन के पहले चरण में परिचालन स्थितियों को ध्यान में रखते हुए, जनरेटरों पर नकारात्मक उत्तेजना प्रदान करके रेटेड वोल्टेज पर 191 MVAR की लाइन चार्जिंग क्षमता प्रदान करने का निर्णय लिया गया। प्राप्त छोर पर लोड के डिस्कनेक्शन के कारण भी वोल्टेज अस्थिरता उत्पन्न करने वाली गंभीर परिचालन स्थिति हो सकती है। यह घटना मशीन पर कैपेसिटिव लोडिंग के कारण होती है, जो जनरेटर की गति में वृद्धि से और भी प्रतिकूल रूप से प्रभावित होती है। यदि स्व-उत्तेजना और वोल्टेज अस्थिरता उत्पन्न हो सकती है।

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
यहां, Xc कैपेसिटिव लोड रिएक्टेंस है, Xq क्वाड्रैचर एक्सिस सिंक्रोनस रिएक्टेंस है और n लोड रिजेक्शन पर होने वाली अधिकतम सापेक्षिक ओवरस्पीड है। विस्तृत अध्ययनों के अनुसार, देहर जनरेटर पर इस स्थिति को लाइन के प्राप्तकर्ता छोर पर स्थायी रूप से जुड़े 400 kV EHV शंट रिएक्टर (75 MVA) द्वारा दूर करने का प्रस्ताव किया गया था।

डैम्पर वाइंडिंग
डैम्पर वाइंडिंग का मुख्य कार्य कैपेसिटिव लोड के साथ लाइन-टू-लाइन फॉल्ट की स्थिति में अत्यधिक ओवर-वोल्टेज को रोकना है, जिससे उपकरण पर ओवर-वोल्टेज का दबाव कम हो जाता है। दूरस्थ स्थान और लंबी इंटरकनेक्टिंग ट्रांसमिशन लाइनों को ध्यान में रखते हुए, क्वाड्रैचर और डायरेक्ट एक्सिस रिएक्टेंस Xnq/Xnd के अनुपात को 1.2 से अधिक न रखते हुए, पूरी तरह से कनेक्टेड डैम्पर वाइंडिंग निर्दिष्ट की गई थी।

जनरेटर विशेषता और उत्तेजना प्रणाली
सामान्य विशेषताओं वाले जनरेटरों का चयन किया गया था और प्रारंभिक अध्ययनों से केवल मामूली स्थिरता का संकेत मिला था। इसलिए, स्थिरता को बेहतर बनाने और उपकरणों की समग्र रूप से सबसे किफायती व्यवस्था प्राप्त करने के लिए उच्च गति वाले स्थैतिक उत्तेजना उपकरणों का उपयोग करने का निर्णय लिया गया। स्थैतिक उत्तेजना उपकरणों की इष्टतम विशेषताओं को निर्धारित करने के लिए विस्तृत अध्ययन किए गए और अध्याय 10 में उनकी चर्चा की गई है।

भूकंपीय विचार
देहर विद्युत संयंत्र भूकंपीय क्षेत्र में स्थित है। उपकरण निर्माताओं के परामर्श से और स्थल की भूकंपीय और भूवैज्ञानिक स्थितियों तथा भारत सरकार द्वारा यूनेस्को की सहायता से गठित कोयना भूकंप विशेषज्ञ समिति की रिपोर्ट को ध्यान में रखते हुए, देहर में जलविद्युत जनरेटर के डिजाइन में निम्नलिखित प्रावधान प्रस्तावित किए गए थे।

यांत्रिक शक्ति
देहर जनरेटरों को इस प्रकार डिजाइन किया जाना चाहिए कि वे मशीन के केंद्र में कार्य करने वाले देहर में अपेक्षित अधिकतम भूकंपीय त्वरण बल को ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज दोनों दिशाओं में सुरक्षित रूप से सहन कर सकें।

प्राकृतिक आवृत्ति
मशीन की प्राकृतिक आवृत्ति को 100 हर्ट्ज़ (जनरेटर की आवृत्ति से दोगुनी) की चुंबकीय आवृत्ति से काफी दूर (अधिक) रखा जाना चाहिए। यह प्राकृतिक आवृत्ति भूकंप की आवृत्ति से काफी दूर होगी और भूकंप की प्रमुख आवृत्ति और घूर्णन प्रणाली की क्रांतिक गति के लिए पर्याप्त मार्जिन की जाँच की जानी चाहिए।

जनरेटर स्टेटर समर्थन
जनरेटर स्टेटर और निचले थ्रस्ट और गाइड बेयरिंग फाउंडेशन में कई सोल प्लेटें शामिल होती हैं। इन सोल प्लेटों को फाउंडेशन बोल्टों द्वारा सामान्य ऊर्ध्वाधर दिशा के अलावा पार्श्व रूप से भी फाउंडेशन से जोड़ा जाता है।

गाइड बेयरिंग डिजाइन
गाइड बियरिंग खंडीय प्रकार की होनी चाहिए और गाइड बियरिंग के पुर्जों को भूकंप के पूरे बल को सहन करने के लिए मजबूत किया जाना चाहिए। निर्माताओं ने आगे सुझाव दिया कि शीर्ष ब्रैकेट को स्टील गर्डरों की सहायता से बैरल (जनरेटर आवरण) से पार्श्व रूप से जोड़ा जाए। इसका अर्थ यह भी होगा कि कंक्रीट बैरल को भी मजबूत करना होगा।

जनरेटरों में कंपन का पता लगाना
भूकंप के कारण कंपन एक पूर्व निर्धारित मान से अधिक हो जाने पर शटडाउन और अलार्म शुरू करने के लिए टरबाइन और जनरेटर पर कंपन डिटेक्टर या विलक्षणता मीटर लगाने की अनुशंसा की गई थी। इस उपकरण का उपयोग टरबाइन को प्रभावित करने वाली हाइड्रोलिक स्थितियों के कारण इकाई के किसी भी असामान्य कंपन का पता लगाने में भी किया जा सकता है।

पारा संपर्क
भूकंप के कारण होने वाले तीव्र कंपन से, यदि पारे के संपर्कों का उपयोग किया जा रहा है, तो यूनिट को बंद करने के लिए गलत ट्रिपिंग हो सकती है। इससे बचने के लिए या तो कंपन-रोधी प्रकार के पारे के स्विच का उपयोग किया जा सकता है या आवश्यकता पड़ने पर टाइमिंग रिले जोड़े जा सकते हैं।

निष्कर्ष
(1) ग्रिड के आकार और सिस्टम की अतिरिक्त क्षमता पर इसके प्रभाव को ध्यान में रखते हुए बड़ी इकाई का आकार अपनाकर देहर पावर प्लांट में उपकरण और संरचना की लागत में पर्याप्त बचत प्राप्त की गई।
(2) जनरेटर की लागत को निर्माण के छाता डिजाइन को अपनाकर कम किया गया है जो अब रोटर रिम पंचिंग के लिए उच्च तन्यता वाले स्टील के विकास के कारण बड़े उच्च गति वाले हाइड्रो जनरेटर के लिए संभव है।
(3) विस्तृत अध्ययन के बाद प्राकृतिक उच्च शक्ति कारक जनरेटर की खरीद से लागत में और बचत हुई।
(4) देहर में आवृत्ति विनियमन स्टेशन पर जनरेटर के घूर्णन भागों के सामान्य फ्लाईव्हील प्रभाव को बड़े अंतर्संबद्ध प्रणाली के कारण टरबाइन गवर्नर प्रणाली की स्थिरता के लिए पर्याप्त माना गया।
(5) विद्युत स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए ईएचवी नेटवर्क को फीड करने वाले रिमोट जनरेटर के विशेष मापदंडों को तीव्र प्रतिक्रिया स्थिर उत्तेजना प्रणालियों द्वारा पूरा किया जा सकता है।
(6) तीव्र अभिक्रियाशील स्थैतिक उत्तेजना प्रणालियाँ आवश्यक स्थिरता मार्जिन प्रदान कर सकती हैं। हालाँकि, ऐसी प्रणालियों को दोष के बाद स्थिरता प्राप्त करने के लिए स्थिरकारी फीडबैक संकेतों की आवश्यकता होती है। विस्तृत अध्ययन किए जाने चाहिए।
(7) लंबी ईएचवी लाइनों द्वारा ग्रिड से जुड़े दूरस्थ जनरेटरों की स्व-उत्तेजना और वोल्टेज अस्थिरता को नकारात्मक उत्तेजना का सहारा लेकर और/या स्थायी रूप से जुड़े ईएचवी शंट रिएक्टरों को नियोजित करके मशीन की लाइन चार्जिंग क्षमता बढ़ाकर रोका जा सकता है।
(8) जनरेटर और उसकी नींव के डिजाइन में भूकंपीय बलों के खिलाफ सुरक्षा प्रदान करने के लिए कम लागत पर प्रावधान किए जा सकते हैं।

डिहर जनरेटर के मुख्य पैरामीटर
शॉर्ट सर्किट अनुपात = 1.06
क्षणिक प्रतिघात प्रत्यक्ष अक्ष = 0.2
फ्लाईव्हील प्रभाव = 39.5 x 106 पाउंड फुट2
Xnq/Xnd 1.2 से अधिक नहीं होना चाहिए