Generatoriaus smagračio efektas ir turbinos reguliatoriaus sistemos stabilumas

Generatoriaus smagračio efektas ir turbinos reguliatoriaus sistemos stabilumasGeneratoriaus smagračio efektas ir turbinos reguliatoriaus sistemos stabilumasGeneratoriaus smagračio efektas ir turbinos reguliatoriaus sistemos stabilumasGeneratoriaus smagračio efektas ir turbinos reguliatoriaus sistemos stabilumas
Dideli šiuolaikiniai hidrogeneratoriai turi mažesnę inercijos konstantą ir gali susidurti su problemomis dėl turbinos valdymo sistemos stabilumo. Taip yra dėl turbinos vandens elgsenos, kuri dėl savo inercijos sukelia hidraulinį smūgį slėgio vamzdžiuose, kai veikia valdymo įtaisai. Tai paprastai apibūdinama hidraulinio pagreičio laiko konstantomis. Izoliuoto veikimo metu, kai visos sistemos dažnį nustato turbinos reguliatorius, hidraulinis smūgis veikia greičio reguliavimą, o nestabilumas pasireiškia kaip vibracija arba dažnio svyravimas. Sujungtoje didelėje sistemoje dažnis iš esmės palaikomas pastovaus pastarojo. Hidraulinis smūgis tada veikia sistemai tiekiamą galią, o stabilumo problema kyla tik tada, kai galia valdoma uždaroje kilpoje, t. y. tų hidrogeneratorių atveju, kurie dalyvauja dažnio reguliavime.

Turbinos reguliatoriaus pavaros stabilumui didelę įtaką daro mechaninio pagreičio laiko konstantos, atsirandančios dėl vandens masių hidraulinio pagreičio laiko konstantos, ir reguliatoriaus stiprinimo koeficiento santykis. Šio santykio sumažinimas turi destabilizuojantį poveikį ir reikalauja sumažinti reguliatoriaus stiprinimą, o tai neigiamai veikia dažnio stabilizavimą. Todėl būtinas minimalus smagračio efektas besisukančioms hidroagregato dalims, kurį paprastai galima užtikrinti tik generatoriuje. Arba mechaninio pagreičio laiko konstantą galima sumažinti įrengiant slėgio mažinimo vožtuvą, išsiplėtimo baką ir pan., tačiau tai paprastai yra labai brangu. Empirinis hidrogeneracinio agregato greičio reguliavimo gebėjimo kriterijus galėtų būti pagrįstas agregato greičio padidėjimu, kuris gali įvykti atmetus visą nepriklausomai veikiančio agregato vardinę apkrovą. Didelėse tarpusavyje sujungtose sistemose veikiantiems energijos agregatams, kuriems reikia reguliuoti sistemos dažnį, apskaičiuotas procentinis greičio padidėjimo indeksas neviršija 45 procentų. Mažesnėms sistemoms turi būti numatytas mažesnis greičio padidėjimas (žr. 4 skyrių).

Išilginis pjūvis nuo įsiurbimo angos iki Deharo elektrinės
(Šaltinis: Autoriaus straipsnis – II pasaulinis kongresas, Tarptautinė vandens išteklių asociacija, 1979 m.) Deharo elektrinėje pavaizduota hidraulinė vandens slėgio sistema, jungianti balansavimo saugyklą su energijos bloku, kurią sudaro vandens įleidimo anga, slėgio tunelis, diferencialinio lygio rezervuaras ir slėgio mažinimo bakas. Apribojus maksimalų slėgio padidėjimą slėgio mažinimo bakuose iki 35 procentų, apskaičiuotas maksimalus įrenginio greičio padidėjimas, nutraukus pilną apkrovą, siekia apie 45 procentus, kai reguliatorius užsidaro.
9,1 sekundės laikas esant 282 m (925 pėdų) vardiniam slėgiui, kai generatoriaus besisukančių dalių smagračio efektas yra normalus (t. y. nustatytas tik atsižvelgiant į temperatūros kilimą). Pirmajame veikimo etape nustatyta, kad greičio padidėjimas neviršija 43 procentų. Todėl buvo nuspręsta, kad normalaus smagračio efekto pakanka sistemos dažniui reguliuoti.

Generatoriaus parametrai ir elektrinis stabilumas
Generatoriaus parametrai, turintys įtakos stabilumui, yra smagračio efektas, trumpalaikė reaktyvioji varža ir trumpojo jungimo santykis. Pradiniame 420 kV EHV sistemos, kaip Dehare, kūrimo etape stabilumo problemos gali būti kritinės dėl silpnos sistemos, mažesnio trumpojo jungimo lygio, veikimo esant pagrindiniam galios koeficientui ir ekonomiškumo poreikio įrengiant perdavimo lizdus bei nustatant generatorių dydį ir parametrus. Preliminarūs trumpalaikio stabilumo tyrimai tinklo analizatoriumi (naudojant pastovią įtampą už trumpalaikės reaktyviosios varžos) Deharo EHV sistemai taip pat parodė, kad bus pasiektas tik ribinis stabilumas. Ankstyvajame Deharo elektrinės projektavimo etape buvo manoma, kad generatorių su normaliu
Ekonomiškai pigesnė alternatyva būtų pagerinti charakteristikas ir pasiekti stabilumo reikalavimus optimizuojant kitų susijusių veiksnių, ypač sužadinimo sistemos, parametrus. Britų sistemos tyrime taip pat buvo parodyta, kad generatoriaus parametrų keitimas turi palyginti daug mažesnę įtaką stabilumo riboms. Atitinkamai generatoriui buvo nustatyti įprasti generatoriaus parametrai, kaip nurodyta priede. Pateikiami atlikti išsamūs stabilumo tyrimai.

Linijos įkrovimo talpa ir įtampos stabilumas
Nuotoliniu būdu išdėstyti hidrogeneratoriai, naudojami ilgoms neapkrautoms itin aukštos įtampos linijoms, kurių įkrovimo kVA viršija mašinos linijos įkrovimo galią, įkrauti, gali sukelti mašinos savaiminį sužadinimą ir įtampos padidėjimą nekontroliuojamai. Savaiminio sužadinimo sąlyga yra tokia: xc < xd, kur xc yra talpinė apkrovos reaktyvioji varža, o xd – sinchroninė tiesioginės ašies reaktyvioji varža. Vienos 420 kV neapkrautos linijos E2/xc įkrovimui iki Panipato (priėmimo galo) reikalinga galia esant vardinei įtampai buvo apie 150 MVAR. Antrajame etape, įrengus antrą tokio pat ilgio 420 kV liniją, abiejų neapkrautų linijų vienu metu įkrovimui esant vardinei įtampai reikalinga linijos įkrovimo galia esant vardinei įtampai būtų apie 300 MVAR.

Įrangos tiekėjų nurodyta „Dehar“ generatoriaus vardinės įtampos linijos įkrovimo galia buvo tokia:
(i) 70 procentų vardinė MVA, t. y. 121,8 MVAR linijos įkrovimas yra įmanomas esant mažiausiai 10 procentų teigiamam sužadinimui.
(ii) Iki 87 procentų vardinės MVA, t. y. 139 MVAR linijos įkrovimo pajėgumas yra įmanomas esant mažiausiai 1 procento teigiamam sužadinimui.
(iii) Pagal BSS, esant maždaug 5 procentų neigiamam sužadinimui, galima pasiekti iki 100 procentų vardinės MVAR vertės, t. y. 173,8 linijos įkrovimo pajėgumo, o maksimali linijos įkrovimo pajėgumo, kurį galima pasiekti esant 10 procentų neigiamam sužadinimui, vertė yra 110 procentų vardinės MVA vertės (191 MVAR).
(iv) Tolesnis linijos įkrovimo pajėgumų didinimas galimas tik padidinus mašinos dydį. (ii) ir (iii) atvejais sužadinimo rankiniu būdu valdyti neįmanoma ir reikia visiškai pasikliauti nuolatiniu greito veikimo automatinių įtampos reguliatorių veikimu. Ekonomiškai neįmanoma ir nepageidautina didinti mašinos dydžio siekiant padidinti linijos įkrovimo pajėgumus. Todėl, atsižvelgiant į eksploatavimo sąlygas pirmajame eksploatavimo etape, buvo nuspręsta užtikrinti 191 MVAR linijos įkrovimo pajėgumą esant vardinei generatorių įtampai, užtikrinant neigiamą generatorių sužadinimą. Kritinę eksploatavimo sąlygą, sukeliančią įtampos nestabilumą, taip pat gali sukelti apkrovos atjungimas priimančiame gale. Šis reiškinys atsiranda dėl talpinės mašinos apkrovos, kurią dar labiau neigiamai veikia generatoriaus greičio padidėjimas. Savaiminis sužadinimas ir įtampos nestabilumas gali atsirasti, jei...

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
Kur Xc yra talpinė apkrovos reaktyvioji varža, Xq yra kvadratūrinės ašies sinchroninė reaktyvioji varža, o n yra didžiausias santykinis viršsūkio greitis, atsirandantis atmetus apkrovą. Remiantis atliktais išsamiais tyrimais, šią Deharo generatoriaus sąlygą buvo siūloma išvengti įrengiant nuolat prijungtą 400 kV EHV šuntinį reaktorių (75 MVA) priimamajame linijos gale.

Sklendės apvija
Pagrindinė slopintuvo apvijos funkcija yra jos gebėjimas išvengti per didelių viršįtampių linijų tarpusavio gedimų atveju esant talpinėms apkrovoms, taip sumažinant įrangos viršįtampių apkrovą. Atsižvelgiant į atokias vietas ir ilgas jungiamąsias perdavimo linijas, buvo nustatytos visiškai sujungtos slopintuvo apvijos, kurių kvadratūrinės ir tiesioginės ašies reaktyvumo santykis Xnq/Xnd neturi viršyti 1,2.

Generatoriaus charakteristika ir sužadinimo sistema
Apibrėžus generatorius su normaliomis charakteristikomis ir preliminarius tyrimus, kurie parodė tik ribinį stabilumą, buvo nuspręsta naudoti didelio greičio statinio sužadinimo įrangą, siekiant pagerinti stabilumo ribas ir pasiekti ekonomiškiausią įrangos išdėstymą. Buvo atlikti išsamūs tyrimai, siekiant nustatyti optimalias statinio sužadinimo įrangos charakteristikas, ir aptarti 10 skyriuje.

Seisminiai aspektai
Deharo elektrinė yra seisminėje zonoje. Šios Deharo hidrogeneratoriaus projektavimo nuostatos buvo pasiūlytos konsultuojantis su įrangos gamintojais ir atsižvelgiant į seismines bei geologines sąlygas objekte bei Indijos vyriausybės, padedant UNESCO, sudaryto Koyna žemės drebėjimų ekspertų komiteto ataskaitą.

Mechaninis stiprumas
„Dehar“ generatoriai turi būti suprojektuoti taip, kad saugiai atlaikytų didžiausią žemės drebėjimo pagreičio jėgą tiek vertikalia, tiek horizontalia kryptimi, numatomą „Dehar“ generatoriuje, veikiančiame mašinos centre.

Natūralus dažnis
Mašinos natūralusis dažnis turi būti gerokai nutolęs (aukštesnis) nuo 100 Hz magnetinio dažnio (dvigubai didesnio už generatoriaus dažnį). Šis natūralusis dažnis turi būti gerokai nutolęs nuo žemės drebėjimo dažnio ir patikrintas, ar nėra pakankamos atsargos, atsižvelgiant į vyraujantį žemės drebėjimo dažnį ir besisukančios sistemos kritinį greitį.

Generatoriaus statoriaus atrama
Generatoriaus statoriaus ir apatinių atraminių bei kreipiamųjų guolių pamatai sudaryti iš kelių atraminių plokščių. Atraminės plokštės prie pamato yra pritvirtintos ne tik įprasta vertikalia kryptimi, bet ir šoniniu būdu pamato varžtais.

Kreipiamojo guolio konstrukcija
Kreipiamosios atramos turi būti segmentinio tipo, o jų dalys turi būti sustiprintos, kad atlaikytų visą žemės drebėjimo jėgą. Gamintojai taip pat rekomenduoja viršutinę laikiklį šone surišti su statine (generatoriaus korpusu) plieninėmis sijomis. Tai taip pat reikštų, kad betoninę statinę reikėtų sustiprinti.

Generatorių vibracijos aptikimas
Rekomenduojama turbinose ir generatoriuose įrengti vibracijos detektorius arba ekscentriciteto matuoklius, kurie inicijuotų išjungimą ir signalizavimą, jei žemės drebėjimo sukelta vibracija viršija iš anksto nustatytą vertę. Šis prietaisas taip pat gali būti naudojamas aptikti bet kokias neįprastas įrenginio vibracijas, kurias sukelia turbiną veikiančios hidraulinės sąlygos.

Merkurijaus kontaktai
Dėl žemės drebėjimo atsirandantis stiprus drebėjimas gali sukelti klaidingą įrenginio išsijungimą, jei naudojami gyvsidabrio kontaktai. To galima išvengti naudojant vibraciją slopinančius gyvsidabrio jungiklius arba, jei reikia, įrengiant laiko reles.

Išvados
(1) Deharo elektrinės įrangos ir konstrukcijos sąnaudų srityje buvo pasiekta didelė ekonomija, nes buvo pasirinktas didelis įrenginių dydis, atsižvelgiant į tinklo dydį ir jo įtaką sistemos laisvai galiai.
(2) Generatorių kaina buvo sumažinta pritaikius skėčio formos konstrukciją, kuri dabar įmanoma dideliems didelės spartos hidrogeneratoriams dėl didelio tempiamojo plieno, skirto rotoriaus krašto perforavimui, sukūrimo.
(3) Atlikus išsamius tyrimus, įsigijus natūralių didelės galios koeficiento generatorių, išlaidos dar labiau sumažėjo.
(4) Dėl didelės tarpusavyje sujungtos sistemos turbinos reguliatoriaus sistemos stabilumui užtikrinti buvo laikomas normalus Deharo dažnio reguliavimo stoties generatoriaus besisukančių dalių smagračio efektas.
(5) Specialius nuotolinių generatorių, maitinančių itin aukštos įtampos tinklus, parametrus, skirtus užtikrinti elektrinį stabilumą, gali atitikti greito reagavimo statinio sužadinimo sistemos.
(6) Greitai veikiančios statinio sužadinimo sistemos gali užtikrinti reikiamas stabilumo ribas. Tačiau tokioms sistemoms reikalingi stabilizuojantys grįžtamojo ryšio signalai, kad būtų pasiektas stabilumas po gedimo. Reikėtų atlikti išsamius tyrimus.
(7) Nuotolinių generatorių, sujungtų su tinklu ilgomis itin aukštos įtampos linijomis, savaiminio sužadinimo ir įtampos nestabilumo galima išvengti padidinant mašinos linijos įkrovimo galią naudojant neigiamą sužadinimą ir (arba) naudojant nuolat prijungtus itin aukštos įtampos šuntavimo reaktorius.
(8) Projektuojant generatorius ir jų pamatus, galima numatyti apsaugos nuo seisminių jėgų priemones nedidelėmis sąnaudomis.

Pagrindiniai Dehar generatorių parametrai
Trumpojo jungimo santykis = 1,06
Trumpalaikė reaktyvioji tiesioginė ašis = 0,2
Smagračio efektas = 39,5 x 106 lb ft2
Xnq/Xnd ne didesnis kaip = 1,2