Pengaruh Roda Gila Generator dan Stabilitas Sistem Pengatur Turbin

Pengaruh Roda Gila Generator dan Stabilitas Sistem Pengatur TurbinPengaruh Roda Gila Generator dan Stabilitas Sistem Pengatur TurbinPengaruh Roda Gila Generator dan Stabilitas Sistem Pengatur TurbinPengaruh Roda Gila Generator dan Stabilitas Sistem Pengatur Turbin
Pembangkit listrik tenaga air modern berukuran besar memiliki konstanta inersia yang lebih kecil dan mungkin menghadapi masalah terkait stabilitas sistem pengaturan turbin. Hal ini disebabkan oleh perilaku air turbin, yang karena inersianya menimbulkan water hammer (hentakan air) di pipa tekanan ketika perangkat kontrol dioperasikan. Hal ini umumnya ditandai oleh konstanta waktu percepatan hidrolik. Dalam operasi terisolasi, ketika frekuensi seluruh sistem ditentukan oleh pengatur turbin, water hammer memengaruhi pengaturan kecepatan dan ketidakstabilan muncul sebagai osilasi atau ayunan frekuensi. Untuk operasi terhubung dengan sistem besar, frekuensi pada dasarnya dijaga konstan oleh sistem tersebut. Water hammer kemudian memengaruhi daya yang dialirkan ke sistem dan masalah stabilitas hanya muncul ketika daya dikontrol dalam loop tertutup, yaitu, dalam kasus pembangkit listrik tenaga air yang ikut serta dalam pengaturan frekuensi.

Stabilitas roda gigi pengatur turbin sangat dipengaruhi oleh rasio konstanta waktu percepatan mekanis akibat konstanta waktu percepatan hidraulik massa air dan oleh penguatan pengatur. Pengurangan rasio di atas memiliki efek destabilisasi dan memerlukan pengurangan penguatan pengatur, yang berdampak buruk pada stabilisasi frekuensi. Oleh karena itu, efek roda gila minimum untuk bagian yang berputar dari unit hidro diperlukan, yang biasanya hanya dapat disediakan di generator. Alternatifnya, konstanta waktu percepatan mekanis dapat dikurangi dengan penyediaan katup pelepas tekanan atau tangki penampung, dll., tetapi umumnya sangat mahal. Kriteria empiris untuk kemampuan pengaturan kecepatan unit pembangkit hidro dapat didasarkan pada kenaikan kecepatan unit yang mungkin terjadi pada penolakan seluruh beban nominal unit yang beroperasi secara independen. Untuk unit daya yang beroperasi dalam sistem interkoneksi besar dan yang diharuskan untuk mengatur frekuensi sistem, indeks kenaikan kecepatan persentase seperti yang dihitung di atas dianggap tidak melebihi 45 persen. Untuk sistem yang lebih kecil, kenaikan kecepatan yang lebih kecil harus disediakan (Lihat Bab 4).

Penampang memanjang dari saluran masuk hingga Pembangkit Listrik Dehar
(Sumber: Makalah oleh Penulis – Kongres Dunia ke-2, Asosiasi Sumber Daya Air Internasional 1979) Untuk Pembangkit Listrik Dehar, sistem air bertekanan hidrolik yang menghubungkan penyimpanan penyeimbang dengan unit pembangkit listrik yang terdiri dari saluran masuk air, terowongan tekanan, tangki penampung diferensial, dan pipa pesat ditunjukkan. Dengan membatasi kenaikan tekanan maksimum di pipa pesat hingga 35 persen, perkiraan kenaikan kecepatan maksimum unit saat pelepasan beban penuh adalah sekitar 45 persen dengan penutupan governor.
Waktu 9,1 detik pada head nominal 282 m (925 ft) dengan efek flywheel normal dari bagian-bagian berputar generator (yaitu, hanya mempertimbangkan kenaikan suhu). Pada tahap pertama operasi, kenaikan kecepatan ditemukan tidak lebih dari 43 persen. Oleh karena itu, dianggap bahwa efek flywheel normal sudah memadai untuk mengatur frekuensi sistem.

Parameter Generator dan Stabilitas Listrik
Parameter generator yang berpengaruh pada stabilitas adalah efek roda gila, reaktansi transien, dan rasio hubung singkat. Pada tahap awal pengembangan sistem EHV 420 kV di Dehar, masalah stabilitas cenderung kritis karena sistem yang lemah, tingkat hubung singkat yang rendah, operasi pada faktor daya mendahului, dan kebutuhan akan penghematan dalam penyediaan saluran transmisi dan penentuan ukuran serta parameter unit pembangkit. Studi stabilitas transien awal pada penganalisis jaringan (menggunakan tegangan konstan di belakang reaktansi transien) untuk sistem EHV Dehar juga menunjukkan bahwa hanya stabilitas marginal yang akan diperoleh. Pada tahap awal desain Pembangkit Listrik Dehar, dipertimbangkan bahwa spesifikasi generator dengan normal
Karakteristik dan pencapaian persyaratan stabilitas dengan mengoptimalkan parameter faktor lain yang terlibat, terutama sistem eksitasi, akan menjadi alternatif yang lebih ekonomis. Dalam sebuah studi tentang Sistem Inggris, juga ditunjukkan bahwa perubahan parameter generator memiliki efek yang relatif jauh lebih kecil pada margin stabilitas. Oleh karena itu, parameter generator normal seperti yang diberikan dalam lampiran ditentukan untuk generator tersebut. Studi stabilitas terperinci yang dilakukan diberikan di sini.

Kapasitas Pengisian Saluran dan Stabilitas Tegangan
Generator hidro yang terletak di lokasi terpencil digunakan untuk mengisi saluran EHV panjang tanpa beban yang kapasitas pengisiannya lebih besar dari kapasitas pengisian saluran mesin. Jika generator tersebut mengalami eksitasi sendiri, tegangan dapat meningkat di luar kendali. Kondisi untuk eksitasi sendiri adalah xc < xd, di mana xc adalah reaktansi beban kapasitif dan xd adalah reaktansi sumbu langsung sinkron. Kapasitas yang dibutuhkan untuk mengisi satu saluran tanpa beban 420 kV E2/xc hingga Panipat (ujung penerima) adalah sekitar 150 MVAR pada tegangan nominal. Pada tahap kedua, ketika saluran 420 kV kedua dengan panjang yang setara dipasang, kapasitas pengisian saluran yang dibutuhkan untuk mengisi kedua saluran tanpa beban secara bersamaan pada tegangan nominal akan menjadi sekitar 300 MVAR.

Kapasitas pengisian saluran yang tersedia pada tegangan nominal dari generator Dehar sebagaimana diberitahukan oleh pemasok peralatan adalah sebagai berikut:
(i)70 persen MVA terukur, yaitu, pengisian saluran 121,8 MVAR dimungkinkan dengan eksitasi positif minimum 10 persen.
(ii) Hingga 87 persen dari MVA nominal, yaitu kapasitas pengisian saluran 139 MVAR dimungkinkan dengan eksitasi positif minimum 1 persen.
(iii) Hingga 100 persen dari MVAR nominal, yaitu, kapasitas pengisian saluran 173,8 dapat diperoleh dengan eksitasi negatif sekitar 5 persen dan kapasitas pengisian saluran maksimum yang dapat diperoleh dengan eksitasi negatif 10 persen adalah 110 persen dari MVA nominal (191 MVAR) menurut BSS.
(iv) Peningkatan lebih lanjut pada kapasitas pengisian saluran hanya dimungkinkan dengan meningkatkan ukuran mesin. Dalam kasus (ii) dan (iii), kontrol eksitasi manual tidak memungkinkan dan ketergantungan penuh harus ditempatkan pada pengoperasian terus menerus regulator tegangan otomatis yang bekerja cepat. Meningkatkan ukuran mesin untuk tujuan meningkatkan kapasitas pengisian saluran tidaklah layak secara ekonomi maupun diinginkan. Oleh karena itu, dengan mempertimbangkan kondisi operasi pada tahap pertama pengoperasian, diputuskan untuk menyediakan kapasitas pengisian saluran sebesar 191 MVAR pada tegangan nominal untuk generator dengan memberikan eksitasi negatif pada generator. Kondisi operasi kritis yang menyebabkan ketidakstabilan tegangan juga dapat disebabkan oleh pemutusan beban di ujung penerima. Fenomena ini terjadi karena pembebanan kapasitif pada mesin yang selanjutnya dipengaruhi secara negatif oleh peningkatan kecepatan generator. Eksitasi sendiri dan ketidakstabilan tegangan dapat terjadi jika.

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
Di mana, Xc adalah reaktansi beban kapasitif, Xq adalah reaktansi sinkron sumbu kuadratur dan n adalah kecepatan lebih relatif maksimum yang terjadi pada penolakan beban. Kondisi ini pada generator Dehar diusulkan untuk diatasi dengan menyediakan reaktor shunt EHV 400 kV (75 MVA) yang terhubung secara permanen di ujung penerima saluran sesuai dengan studi rinci yang telah dilakukan.

Gulungan peredam
Fungsi utama dari belitan peredam adalah kemampuannya untuk mencegah tegangan lebih yang berlebihan jika terjadi gangguan antar saluran dengan beban kapasitif, sehingga mengurangi tekanan tegangan lebih pada peralatan. Dengan mempertimbangkan lokasi terpencil dan saluran transmisi penghubung yang panjang, belitan peredam yang terhubung penuh dengan rasio reaktansi kuadratur dan sumbu langsung Xnq/Xnd tidak melebihi 1,2 telah ditentukan.

Karakteristik Generator dan Sistem Eksitasi
Setelah menentukan generator dengan karakteristik normal dan studi pendahuluan menunjukkan stabilitas yang hanya marginal, diputuskan untuk menggunakan peralatan eksitasi statis kecepatan tinggi guna meningkatkan margin stabilitas sehingga tercapai pengaturan peralatan yang paling ekonomis secara keseluruhan. Studi terperinci dilakukan untuk menentukan karakteristik optimal dari peralatan eksitasi statis dan dibahas dalam bab 10.

Pertimbangan Seismik
Pembangkit Listrik Dehar terletak di zona seismik. Ketentuan-ketentuan berikut dalam desain generator hidro di Dehar diusulkan setelah berkonsultasi dengan produsen peralatan dan dengan mempertimbangkan kondisi seismik dan geologis di lokasi serta laporan Komite Pakar Gempa Koyna yang dibentuk oleh Pemerintah India dengan bantuan UNESCO.

Kekuatan Mekanik
Generator Dehar dirancang untuk menahan dengan aman gaya percepatan gempa maksimum baik dalam arah vertikal maupun horizontal yang diperkirakan terjadi di Dehar, yang bekerja di pusat mesin.

Frekuensi Alami
Frekuensi alami mesin harus dijaga agar jauh lebih tinggi dari frekuensi magnetik 100 Hz (dua kali frekuensi generator). Frekuensi alami ini akan jauh dari frekuensi gempa bumi dan diperiksa untuk memastikan margin yang memadai terhadap frekuensi dominan gempa bumi dan kecepatan kritis sistem yang berputar.

Penopang stator generator
Fondasi stator generator dan bantalan dorong serta pemandu bawah terdiri dari sejumlah pelat dasar. Pelat dasar tersebut diikat ke fondasi secara lateral selain arah vertikal normal dengan baut fondasi.

Desain Bantalan Pemandu
Bantalan pemandu harus bertipe segmental dan bagian-bagian bantalan pemandu harus diperkuat agar mampu menahan gaya gempa penuh. Produsen selanjutnya merekomendasikan untuk mengikat braket atas secara lateral dengan badan generator (penutup generator) menggunakan balok baja. Ini juga berarti bahwa badan generator beton tersebut juga harus diperkuat.

Deteksi Getaran pada Generator
Pemasangan detektor getaran atau meter eksentrisitas pada turbin dan generator direkomendasikan untuk dipasang guna memicu penghentian dan alarm jika getaran akibat gempa bumi melebihi nilai yang telah ditentukan. Perangkat ini juga dapat digunakan untuk mendeteksi getaran tidak biasa pada suatu unit akibat kondisi hidrolik yang memengaruhi turbin.

Kontak Merkuri
Guncangan hebat akibat gempa bumi dapat menyebabkan kesalahan pemutusan aliran listrik untuk memulai penghentian unit jika kontak merkuri digunakan. Hal ini dapat dihindari dengan menentukan sakelar merkuri tipe anti-getaran atau, jika diperlukan, dengan menambahkan relai pengatur waktu.

Kesimpulan
(1) Penghematan biaya peralatan dan struktur yang substansial di Pembangkit Listrik Dehar diperoleh dengan mengadopsi ukuran unit yang besar dengan mempertimbangkan ukuran jaringan dan pengaruhnya terhadap kapasitas cadangan sistem.
(2) Biaya generator dikurangi dengan mengadopsi desain konstruksi payung yang sekarang dimungkinkan untuk generator hidro berkecepatan tinggi besar karena pengembangan baja tarik tinggi untuk lubang tepi rotor.
(3) Pengadaan generator faktor daya tinggi alami setelah studi terperinci menghasilkan penghematan biaya lebih lanjut.
(4) Efek flywheel normal dari bagian-bagian berputar generator di stasiun pengatur frekuensi di Dehar dianggap cukup untuk stabilitas sistem governor turbin karena sistem interkoneksi yang besar.
(5) Parameter khusus generator jarak jauh yang memasok jaringan EHV untuk memastikan stabilitas listrik dapat dipenuhi oleh sistem eksitasi statis respons cepat.
(6) Sistem eksitasi statis yang bekerja cepat dapat memberikan margin stabilitas yang diperlukan. Namun, sistem seperti itu memerlukan sinyal umpan balik penstabil untuk mencapai stabilitas pasca-kesalahan. Studi terperinci harus dilakukan.
(7) Eksitasi diri dan ketidakstabilan tegangan generator jarak jauh yang terhubung dengan jaringan listrik melalui saluran EHV panjang dapat dicegah dengan meningkatkan kapasitas pengisian saluran mesin dengan menggunakan eksitasi negatif dan/atau dengan menggunakan reaktor shunt EHV yang terhubung secara permanen.
(8) Ketentuan dapat dibuat dalam desain generator dan fondasinya untuk memberikan perlindungan terhadap gaya seismik dengan biaya kecil.

Parameter Utama Generator Dehar
Rasio Hubungan Pendek = 1,06
Reaktansi Transien Sumbu Langsung = 0,2
Efek Roda Gila = 39,5 x 10⁶ lb ft²
Xnq/Xnd tidak lebih besar dari = 1,2