Generátor lendkerék hatása és a turbina szabályozó rendszer stabilitásaGenerátor lendkerék hatása és a turbina szabályozó rendszer stabilitásaGenerátor lendkerék hatása és a turbina szabályozó rendszer stabilitásaGenerátor lendkerék hatása és a turbina szabályozó rendszer stabilitása
A nagyméretű, modern vízerőművek kisebb tehetetlenségi állandóval rendelkeznek, és problémákba ütközhetnek a turbinaszabályozó rendszer stabilitásával kapcsolatban. Ez a turbinavíz viselkedésének köszönhető, amely tehetetlensége miatt vízütést okoz a nyomócsövekben, amikor a vezérlőberendezések működnek. Ezt általában a hidraulikus gyorsulás időállandói jellemzik. Izolált üzemben, amikor a teljes rendszer frekvenciáját a turbinaszabályozó határozza meg, a vízütés befolyásolja a sebességszabályozást, és az instabilitás lengésként vagy frekvenciaingadozásként jelenik meg. Nagyobb rendszerrel összekapcsolt üzem esetén a frekvenciát lényegében az utóbbi tartja állandó értéken. A vízütés ezután befolyásolja a rendszerbe betáplált teljesítményt, és a stabilitási probléma csak akkor merül fel, ha a teljesítményt zárt körben szabályozzák, azaz azoknál a vízerőműveknél, amelyek részt vesznek a frekvenciaszabályozásban.
A turbina szabályozó fogaskerekének stabilitását nagymértékben befolyásolja a víztömegek hidraulikus gyorsulási időállandója miatti mechanikai gyorsulási időállandó aránya, valamint a szabályozó erősítése. A fenti arány csökkentése destabilizáló hatású, és szükségessé teszi a szabályozó erősítésének csökkentését, ami hátrányosan befolyásolja a frekvenciastabilizálást. Ennek megfelelően a vízerőmű forgó alkatrészei esetében minimális lendkerékhatás szükséges, amelyet általában csak a generátorban lehet biztosítani. Alternatív megoldásként a mechanikai gyorsulási időállandó csökkenthető nyomáscsökkentő szelep vagy kiegyenlítő tartály stb. beépítésével, de ez általában nagyon költséges. A vízerőmű-egység sebességszabályozó képességének empirikus kritériuma az egység sebességnövekedésén alapulhat, amely az önállóan működő egység teljes névleges terhelésének elengedésekor következhet be. A nagy, összekapcsolt rendszerekben működő és a rendszerfrekvenciát szabályozni szükséges erőművek esetében a fent kiszámított százalékos sebességnövekedési indexet nem tekintjük 45 százaléknál nagyobbnak. Kisebb rendszerek esetén kisebb sebességnövekedést kell biztosítani (lásd a 4. fejezetet).
Hosszanti metszet a beömlőnyílástól a Dehar Erőműig
(Forrás: Szerző tanulmánya – 2. világkongresszus, Nemzetközi Vízkészlet Szövetség 1979) A Dehar Erőmű esetében a kiegyenlítő tárolót az erőművel összekötő hidraulikus nyomóvízrendszer látható, amely vízbeömlőből, nyomásalagútból, differenciál kiegyenlítő tartályból és nyomócsőből áll. A nyomócsövekben a maximális nyomásemelkedés 35 százalékra korlátozásával az egység becsült maximális sebességnövekedése a teljes terhelés leállításakor körülbelül 45 százalékra nőtt, szabályozó zárásával.
9,1 másodperces idő 282 m (925 láb) névleges szállítómagasságnál, a generátor forgó részeinek normál lendkerékhatásával (azaz csak a hőmérséklet-emelkedési szempontok alapján rögzítve). A működés első szakaszában a sebességnövekedés nem haladta meg a 43 százalékot. Ennek megfelelően úgy ítélték meg, hogy a normál lendkerékhatás elegendő a rendszer frekvenciájának szabályozásához.
Generátor paraméterei és elektromos stabilitás
A stabilitást befolyásoló generátorparaméterek a lendkerékhatás, a tranziens reaktancia és a rövidzárlati arány. A Deharhoz hasonló 420 kV-os EHV rendszer fejlesztésének kezdeti szakaszában a stabilitási problémák kritikusak lehetnek a gyenge rendszer, az alacsony rövidzárlati szint, a vezető teljesítménytényezőn való működés, valamint az átviteli csatlakozók biztosításának és a generátoregységek méretének és paramétereinek gazdaságos rögzítésének szükségessége miatt. A Dehar EHV rendszer hálózati analizátorán (állandó feszültséget használva a tranziens reaktancia mögött) végzett előzetes tranziens stabilitási vizsgálatok azt is mutatták, hogy csak marginális stabilitás érhető el. A Dehar Erőmű tervezésének korai szakaszában azt vették figyelembe, hogy a normál...
Gazdaságilag olcsóbb alternatíva lenne a jellemzők és a stabilitási követelmények elérése más tényezők, különösen a gerjesztőrendszer paramétereinek optimalizálásával. A brit rendszerrel végzett tanulmány azt is kimutatta, hogy a generátor paramétereinek változtatása viszonylag sokkal kisebb hatással van a stabilitási tartalékokra. Ennek megfelelően a függelékben megadott normál generátorparamétereket határozták meg a generátorhoz. Az elvégzett részletes stabilitási vizsgálatokat a következőkben ismertetjük.
Vonaltöltési kapacitás és feszültségstabilitás
A távoli helyen elhelyezett vízerőművek esetében, amelyeket hosszú, terheletlen, EHV vezetékek töltésére használnak, amelyek töltési kVA-ja nagyobb, mint a gép vonali töltési kapacitása, a gép öngerjesztetté válhat, és a feszültség kontrollálhatatlanul megemelkedhet. Az öngerjesztés feltétele, hogy xc < xd, ahol xc a kapacitív terhelési reaktancia, xd pedig a szinkron közvetlen tengelyreaktancia. Egyetlen 420 kV-os terheletlen vezeték E2 /xc töltéséhez szükséges kapacitás Panipatig (vételi vég) körülbelül 150 MVAR volt névleges feszültségen. A második szakaszban, amikor egy második, azonos hosszúságú 420 kV-os vezetéket telepítenek, a két terheletlen vezeték egyidejű töltéséhez szükséges vezetéki töltési kapacitás névleges feszültségen körülbelül 300 MVAR lenne.
A Dehar generátor névleges feszültségén elérhető vonali töltési kapacitás, a berendezés beszállítóinak közlése szerint, a következő volt:
(i) 70 százalékos névleges MVA, azaz 121,8 MVAR vezetéktöltés lehetséges legalább 10 százalékos pozitív gerjesztéssel.
(ii) A névleges MVA akár 87 százaléka, azaz 139 MVAR vonaltöltési kapacitása is lehetséges legalább 1 százalékos pozitív gerjesztéssel.
(iii) A BSS szerint a névleges MVAR akár 100 százaléka, azaz 173,8 vonaltöltési kapacitás érhető el körülbelül 5 százalékos negatív gerjesztéssel, és a 10 százalékos negatív gerjesztéssel elérhető maximális vonaltöltési kapacitás a névleges MVA 110 százaléka (191 MVAR).
(iv) A vonali töltési kapacitások további növelése csak a gép méretének növelésével lehetséges. Az (ii) és (iii) esetben a gerjesztés kézi vezérlése nem lehetséges, és teljes mértékben a gyors működésű automatikus feszültségszabályozók folyamatos működésére kell támaszkodni. A vonali töltési kapacitások növelése céljából a gép méretének növelése sem gazdaságilag nem megvalósítható, sem nem kívánatos. Ennek megfelelően, figyelembe véve az üzem első szakaszában uralkodó üzemi feltételeket, úgy döntöttek, hogy a generátorok névleges feszültségén 191 MVAR vonali töltési kapacitást biztosítanak a generátorokon lévő negatív gerjesztés biztosításával. A feszültség instabilitást okozó kritikus üzemi állapotot a terhelés lekapcsolása is okozhatja a vevőoldalon. A jelenség a gép kapacitív terhelése miatt következik be, amelyet a generátor fordulatszámának növekedése tovább károsít. Öngerjesztés és feszültség instabilitás léphet fel, ha...
Xc ≤ n² (Xq + XT)
Ahol Xc a kapacitív terhelési reaktancia, Xq a kvadratúra tengely szinkron reaktancia, n pedig a terhelés kizárásakor fellépő maximális relatív túlsebesség. A Dehar-generátor ezen állapotának kiküszöbölésére a vezeték fogadó végén egy állandóan csatlakoztatott 400 kV-os EHV söntreaktor (75 MVA) beépítését javasolták, a részletes tanulmányok alapján.
Csillapító tekercselés
A csillapító tekercs fő funkciója, hogy megakadályozza a túlzott túlfeszültségeket kapacitív terhelések esetén fellépő vezetékhibák esetén, ezáltal csökkentve a berendezés túlfeszültség-terhelését. Figyelembe véve a távoli elhelyezkedést és a hosszú összekötő távvezetékeket, teljesen összekapcsolt csillapító tekercseket határoztak meg, amelyek kvadratúra és egyenáramú reaktanciák Xnq/Xnd aránya nem haladja meg az 1,2-t.
Generátor karakterisztikája és gerjesztőrendszere
Miután a normál karakterisztikájú generátorokat specifikálták, és az előzetes vizsgálatok csak marginális stabilitást mutattak, úgy döntöttek, hogy nagysebességű statikus gerjesztőberendezést használnak a stabilitási tartalékok javítása érdekében, hogy a berendezés összességében a leggazdaságosabb elrendezést érjék el. Részletes vizsgálatokat végeztek a statikus gerjesztőberendezés optimális jellemzőinek meghatározására, amelyeket a 10. fejezetben tárgyalnak.
Szeizmikus megfontolások
A Dehar Erőmű szeizmikus zónába esik. A Dehar vízerőművének tervezésében a következő rendelkezéseket javasolták a berendezések gyártóival konzultálva, figyelembe véve a helyszín szeizmikus és geológiai viszonyait, valamint az indiai kormány által az UNESCO segítségével létrehozott Koyna Földrengés Szakértői Bizottság jelentését.
Mechanikai szilárdság
A Dehar generátorokat úgy kell megtervezni, hogy biztonságosan ellenálljanak a gép közepén ható Deharnál várható maximális földrengésgyorsulási erőnek mind függőleges, mind vízszintes irányban.
Természetes frekvencia
A gép természetes frekvenciáját a 100 Hz-es mágneses frekvenciától (a generátor frekvenciájának kétszeresétől) távol (magasabban) kell tartani. Ezt a természetes frekvenciát messze el kell távolítani a földrengés frekvenciájától, és ellenőrizni kell, hogy megfelelő-e a tartaléka a földrengés uralkodó frekvenciájához és a forgó rendszer kritikus sebességéhez képest.
Generátor állórész tartó
A generátor állórésze, valamint az alsó axiális és vezetőcsapágy alapjai számos talplemezből állnak. A talplemezeket a normál függőleges irány mellett oldalirányban is alapcsavarokkal rögzítik az alaphoz.
Vezetőcsapágy kialakítása
A vezetőcsapágyaknak szegmens típusúaknak kell lenniük, és a vezetőcsapágy-alkatrészeket meg kell erősíteni, hogy ellenálljanak a teljes földrengés erejének. A gyártók azt is javasolták, hogy a felső konzolt acélgerendákkal kell a hordóhoz (generátor burkolatához) oldalirányban rögzíteni. Ez azt is jelentené, hogy a betonhordót is meg kellene erősíteni.
Generátorok rezgésérzékelése
Ajánlott rezgésérzékelőket vagy excentricitásmérőket telepíteni a turbinákra és generátorokra, hogy leállítást és riasztást kezdeményezzenek, ha a földrengés okozta rezgések meghaladják az előre meghatározott értéket. Ez az eszköz a turbinát befolyásoló hidraulikai körülmények miatti szokatlan rezgések észlelésére is használható.
Merkúr kapcsolatok
A földrengés okozta erős rázkódás téves kioldást okozhat, ami a készülék leállítását indítja el, ha higanykontaktusokat használnak. Ez elkerülhető rezgéscsillapító típusú higanykapcsolók használatával, vagy szükség esetén időrelék hozzáadásával.
Következtetések
(1) A Dehar Erőmű berendezéseinek és szerkezetének költségeiben jelentős megtakarítást értek el a nagy egységméret alkalmazásával, figyelembe véve a hálózat méretét és annak a rendszer tartalék kapacitására gyakorolt hatását.
(2) A generátorok költségeit csökkentették az esernyő alakú konstrukció alkalmazásával, amely ma már nagy sebességű vízerőművek esetében is lehetséges a nagy szakítószilárdságú acél kifejlesztésének köszönhetően, amely a rotorkoszorú lyukasztásához használható.
(3) A részletes tanulmányokat követő természetes, nagy teljesítménytényezőjű generátorok beszerzése további költségmegtakarítást eredményezett.
(4) A Dehar frekvenciaszabályozó állomás generátorának forgó részeinek normál lendkerék-hatását elegendőnek tekintették a turbinaszabályozó rendszer stabilitásához a nagyméretű, összekapcsolt rendszer miatt.
(5) Az EHV hálózatokat tápláló távoli generátorok speciális paraméterei, amelyek biztosítják az elektromos stabilitást, gyors reagálású statikus gerjesztő rendszerekkel teljesíthetők.
(6) A gyors működésű statikus gerjesztőrendszerek biztosíthatják a szükséges stabilitási tartalékokat. Az ilyen rendszerek azonban stabilizáló visszacsatolási jeleket igényelnek a zárlat utáni stabilitás eléréséhez. Részletes vizsgálatokat kell végezni.
(7) A hálózathoz hosszú EHV vezetékekkel csatlakoztatott távoli generátorok öngerjesztése és feszültséginstabilitása megelőzhető a gép vezetéktöltési kapacitásának növelésével negatív gerjesztés és/vagy állandóan csatlakoztatott EHV söntreaktorok alkalmazásával.
(8) A generátorok és alapjaik tervezésénél intézkedéseket lehet tenni a szeizmikus erők elleni védelemre, kis költségek mellett.
A Dehar generátorok fő paraméterei
Rövidzárlati arány = 1,06
Tranziens reaktancia közvetlen tengely = 0,2
Lendkerékhatás = 39,5 x 106 lb ft2
Xnq/Xnd nem nagyobb, mint = 1,2
Közzététel ideje: 2021. május 11.
