Effetto volano del generatore e stabilità del sistema di regolazione della turbina

Effetto volano del generatore e stabilità del sistema di regolazione della turbinaEffetto volano del generatore e stabilità del sistema di regolazione della turbinaEffetto volano del generatore e stabilità del sistema di regolazione della turbinaEffetto volano del generatore e stabilità del sistema di regolazione della turbina
I grandi generatori idroelettrici moderni hanno una costante d'inerzia inferiore e possono presentare problemi di stabilità del sistema di regolazione della turbina. Ciò è dovuto al comportamento dell'acqua della turbina che, a causa della sua inerzia, genera colpi d'ariete nelle tubazioni in pressione quando i dispositivi di controllo vengono azionati. Questo fenomeno è generalmente caratterizzato dalle costanti di tempo di accelerazione idraulica. In caso di funzionamento isolato, quando la frequenza dell'intero sistema è determinata dal regolatore della turbina, il colpo d'ariete influenza la regolazione della velocità e l'instabilità si manifesta come oscillazioni o fluttuazioni di frequenza. In caso di funzionamento interconnesso con un sistema di grandi dimensioni, la frequenza viene sostanzialmente mantenuta costante da quest'ultimo. Il colpo d'ariete influisce quindi sulla potenza immessa nel sistema e il problema di stabilità si presenta solo quando la potenza è controllata in un circuito chiuso, ovvero nel caso di quei generatori idroelettrici che partecipano alla regolazione della frequenza.

La stabilità del riduttore della turbina è fortemente influenzata dal rapporto tra la costante di tempo dell'accelerazione meccanica dovuta alla costante di tempo dell'accelerazione idraulica delle masse d'acqua e dal guadagno del riduttore. Una riduzione di tale rapporto ha un effetto destabilizzante e richiede una riduzione del guadagno del riduttore, con conseguenti ripercussioni negative sulla stabilizzazione della frequenza. Pertanto, è necessario un effetto volano minimo per le parti rotanti di un'unità idroelettrica, che normalmente può essere fornito solo dal generatore. In alternativa, la costante di tempo dell'accelerazione meccanica potrebbe essere ridotta mediante l'installazione di una valvola di sicurezza o di un serbatoio di compensazione, ecc., ma si tratta generalmente di soluzioni molto costose. Un criterio empirico per la capacità di regolazione della velocità di un'unità idroelettrica potrebbe basarsi sull'aumento di velocità che si verifica quando l'unità, operando in modo indipendente, non è in grado di gestire l'intero carico nominale. Per le unità di potenza che operano in grandi sistemi interconnessi e che devono regolare la frequenza di sistema, si è ritenuto che l'indice percentuale di aumento di velocità, calcolato come sopra, non superasse il 45%. Per sistemi più piccoli, si può prevedere un aumento di velocità inferiore (vedere Capitolo 4).

Sezione longitudinale dalla presa d'acqua alla centrale elettrica di Dehar
(Fonte: Articolo dell'autore - 2° Congresso mondiale, International Water Resources Association 1979) Per la centrale idroelettrica di Dehar, viene mostrato il sistema idraulico di pressione che collega il serbatoio di compensazione con l'unità di potenza, costituito da presa d'acqua, tunnel di pressione, serbatoio di compensazione differenziale e condotta forzata. Limitando l'aumento massimo di pressione nelle condotte forzate al 35%, l'aumento massimo stimato della velocità dell'unità in caso di interruzione del carico massimo è risultato essere di circa il 45% con un regolatore che chiude
tempo di 9,1 secondi a una prevalenza nominale di 282 m (925 piedi) con il normale effetto volano delle parti rotanti del generatore (ovvero, fissato solo in base alle considerazioni sull'aumento di temperatura). Nella prima fase di funzionamento, l'aumento di velocità è risultato non superiore al 43%. Si è pertanto ritenuto che il normale effetto volano fosse adeguato per la regolazione della frequenza del sistema.

Parametri del generatore e stabilità elettrica
I parametri del generatore che hanno un impatto sulla stabilità sono l'effetto volano, la reattanza transitoria e il rapporto di cortocircuito. Nella fase iniziale di sviluppo del sistema EHV a 420 kV come a Dehar i problemi di stabilità potrebbero essere critici a causa del sistema debole, del livello di cortocircuito inferiore, del funzionamento con fattore di potenza in anticipo e della necessità di risparmio nella fornitura di prese di trasmissione e nella definizione delle dimensioni e dei parametri delle unità di generazione. Studi preliminari sulla stabilità transitoria su analizzatore di rete (utilizzando tensione costante dietro la reattanza transitoria) per il sistema EHV di Dehar hanno anche indicato che si sarebbe ottenuta solo una stabilità marginale. Nella fase iniziale della progettazione della centrale elettrica di Dehar si è considerato che specificando generatori con normale
le caratteristiche e il raggiungimento dei requisiti di stabilità ottimizzando i parametri di altri fattori coinvolti, in particolare quelli del sistema di eccitazione, rappresenterebbero un'alternativa economicamente più vantaggiosa. Anche in uno studio sul sistema britannico è stato dimostrato che la modifica dei parametri del generatore ha un effetto relativamente minore sui margini di stabilità. Di conseguenza, per il generatore sono stati specificati i parametri normali del generatore riportati nell'appendice. Gli studi di stabilità dettagliati condotti sono forniti

Capacità di carica della linea e stabilità della tensione
Nei generatori idroelettrici remoti utilizzati per caricare lunghe linee ad altissima tensione non caricate, la cui potenza di carica in kVA è superiore alla capacità di carica della macchina, quest'ultima può auto-eccitarsi e provocare un aumento di tensione incontrollato. La condizione per l'auto-eccitazione è che xc < xd, dove xc è la reattanza capacitiva di carico e xd la reattanza sincrona sull'asse diretto. La capacità richiesta per caricare una singola linea non caricata da 420 kV E2/xc fino a Panipat (punto di ricezione) era di circa 150 MVAR alla tensione nominale. In una seconda fase, quando viene installata una seconda linea da 420 kV di lunghezza equivalente, la capacità di carica necessaria per caricare simultaneamente entrambe le linee non caricate alla tensione nominale sarebbe di circa 300 MVAR.

La capacità di carica della linea disponibile alla tensione nominale dal generatore di Dehar, come comunicato dai fornitori delle apparecchiature, era la seguente:
(i) È possibile caricare una linea con potenza nominale del 70%, ovvero 121,8 MVAR, con un'eccitazione positiva minima del 10%.
(ii) È possibile raggiungere fino all'87% della potenza nominale MVA, ovvero una capacità di carica della linea di 139 MVAR, con un'eccitazione positiva minima dell'1%.
(iii) Fino al 100% della MVAR nominale, ovvero 173,8, la capacità di carica della linea può essere ottenuta con circa il 5% di eccitazione negativa e la massima capacità di carica della linea che può essere ottenuta con un'eccitazione negativa del 10% è il 110% della MVA nominale (191 MVAR) secondo BSS.
(iv) Un ulteriore aumento delle capacità di carica della linea è possibile solo aumentando le dimensioni della macchina. Nel caso di (ii) e (iii) il controllo manuale dell'eccitazione non è possibile e ci si deve affidare completamente al funzionamento continuo di regolatori automatici di tensione ad azione rapida. Non è né economicamente fattibile né auspicabile aumentare le dimensioni della macchina allo scopo di aumentare le capacità di carica della linea. Di conseguenza, tenendo conto delle condizioni operative nella prima fase di funzionamento, si è deciso di prevedere una capacità di carica della linea di 191 MVAR alla tensione nominale per i generatori fornendo un'eccitazione negativa sui generatori. Condizioni operative critiche che causano instabilità di tensione possono anche essere causate dalla disconnessione del carico all'estremità ricevente. Il fenomeno si verifica a causa del carico capacitivo sulla macchina che è ulteriormente influenzato negativamente dall'aumento di velocità del generatore. Autoeccitazione e instabilità di tensione possono verificarsi se.

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
Dove Xc è la reattanza di carico capacitiva, Xq è la reattanza sincrona in quadratura e n è la massima sovravelocità relativa che si verifica durante la disconnessione del carico. Si è proposto di ovviare a questa condizione sul generatore di Dehar fornendo un reattore di shunt EHV da 400 kV (75 MVA) permanentemente collegato all'estremità ricevente della linea, secondo studi dettagliati condotti.

Avvolgimento smorzatore
La funzione principale di un avvolgimento di smorzamento è la sua capacità di prevenire sovratensioni eccessive in caso di guasti linea-linea con carichi capacitivi, riducendo così lo stress da sovratensione sulle apparecchiature. Considerando la posizione remota e le lunghe linee di trasmissione di interconnessione, sono stati specificati avvolgimenti di smorzamento completamente collegati con un rapporto tra reattanze in quadratura e in asse diretto Xnq/Xnd non superiore a 1,2.

Caratteristiche del generatore e sistema di eccitazione
Essendo stati specificati generatori con caratteristiche normali e avendo gli studi preliminari indicato solo una stabilità marginale, si è deciso di utilizzare apparecchiature di eccitazione statica ad alta velocità per migliorare i margini di stabilità e ottenere così la configurazione complessiva più economica delle apparecchiature. Sono stati condotti studi dettagliati per determinare le caratteristiche ottimali delle apparecchiature di eccitazione statica, i cui risultati sono discussi nel capitolo 10.

Considerazioni sismiche
La centrale idroelettrica di Dehar si trova in una zona sismica. Le seguenti disposizioni sono state proposte nella progettazione del generatore idroelettrico di Dehar, in consultazione con i produttori delle apparecchiature e tenendo conto delle condizioni sismiche e geologiche del sito, nonché della relazione del Comitato di esperti sul terremoto di Koyna, istituito dal governo indiano con l'aiuto dell'UNESCO.

Conto meccanico
I generatori Dehar devono essere progettati per resistere in sicurezza alla massima forza di accelerazione sismica, sia in direzione verticale che orizzontale, prevista a Dehar e agente al centro della macchina.

Frequenza naturale
La frequenza naturale della macchina deve essere mantenuta ben distante (superiore) dalla frequenza magnetica di 100 Hz (il doppio della frequenza del generatore). Questa frequenza naturale sarà ben lontana dalla frequenza sismica e dovrà essere verificata per garantire un margine adeguato rispetto alla frequenza predominante del terremoto e alla velocità critica del sistema rotante.

supporto statore generatore
Lo statore del generatore e le basi dei cuscinetti reggispinta e di guida inferiori comprendono una serie di piastre di base. Le piastre di base sono fissate alla base lateralmente, oltre che in direzione verticale, mediante bulloni di fissaggio.

Progettazione del cuscinetto guida
I cuscinetti di guida devono essere di tipo segmentato e le loro parti rinforzate per resistere alla piena forza del terremoto. I produttori raccomandano inoltre di collegare lateralmente la staffa superiore al cilindro (involucro del generatore) mediante travi in ​​acciaio. Ciò implicherebbe a sua volta la necessità di rinforzare il cilindro in cemento.

Rilevamento delle vibrazioni dei generatori
Si raccomanda l'installazione di rilevatori di vibrazioni o misuratori di eccentricità su turbine e generatori, al fine di attivare l'arresto e l'allarme qualora le vibrazioni dovute a un terremoto superino un valore predeterminato. Questo dispositivo può essere utilizzato anche per rilevare eventuali vibrazioni anomale di un'unità dovute a condizioni idrauliche che interessano la turbina.

Contatti al mercurio
Forti scosse sismiche possono provocare falsi allarmi e l'attivazione dell'arresto di un'unità se vengono utilizzati contatti a mercurio. Questo inconveniente può essere evitato specificando interruttori a mercurio antivibrazione o, se necessario, aggiungendo relè temporizzati.

Conclusioni
(1) Presso la centrale elettrica di Dehar sono stati ottenuti notevoli risparmi sui costi delle apparecchiature e della struttura, adottando unità di grandi dimensioni tenendo conto delle dimensioni della rete e della sua influenza sulla capacità di riserva del sistema.
(2) Il costo dei generatori è stato ridotto adottando un design di costruzione a ombrello, ora possibile per i grandi generatori idroelettrici ad alta velocità grazie allo sviluppo dell'acciaio ad alta resistenza per le punzonature del bordo del rotore.
(3) L'approvvigionamento di generatori naturali ad alto fattore di potenza dopo studi dettagliati ha comportato ulteriori risparmi sui costi.
(4) Il normale effetto volano delle parti rotanti del generatore presso la stazione di regolazione della frequenza di Dehar è stato considerato sufficiente per la stabilità del sistema di regolazione della turbina a causa del grande sistema interconnesso.
(5) I parametri speciali dei generatori remoti che alimentano le reti EHV per garantire la stabilità elettrica possono essere soddisfatti da sistemi di eccitazione statica a risposta rapida.
(6) I sistemi di eccitazione statica ad azione rapida possono fornire i margini di stabilità necessari. Tali sistemi, tuttavia, richiedono segnali di feedback stabilizzanti per raggiungere la stabilità post-guasto. Dovrebbero essere effettuati studi dettagliati.
(7) L'autoeccitazione e l'instabilità di tensione dei generatori remoti interconnessi alla rete tramite lunghe linee EHV possono essere evitate aumentando la capacità di carica della linea della macchina ricorrendo all'eccitazione negativa e/o impiegando reattori di shunt EHV permanentemente collegati.
(8) Nella progettazione dei generatori e delle loro fondamenta si possono prevedere misure per fornire salvaguardie contro le forze sismiche a costi contenuti.

Parametri principali dei generatori Dehar
Rapporto di cortocircuito = 1,06
Reattanza transitoria asse diretto = 0,2
Effetto volano = 39,5 x 106 lb ft2
Xnq/Xnd non maggiore di = 1,2