जनरेटर फ्लायव्हील इफेक्ट आणि टर्बाइन गव्हर्नर सिस्टमची स्थिरता

जनरेटर फ्लायव्हील परिणाम आणि टर्बाइन गव्हर्नर प्रणालीची स्थिरता
मोठ्या आधुनिक जलविद्युत जनित्रांमध्ये जडत्व स्थिरांक कमी असतो आणि त्यांना टर्बाइन नियंत्रण प्रणालीच्या स्थिरतेसंबंधी समस्यांना सामोरे जावे लागू शकते. हे टर्बाइनमधील पाण्याच्या गुणधर्मामुळे होते, जे त्याच्या जडत्वामुळे, नियंत्रण उपकरणे चालू असताना दाब नळ्यांमध्ये वॉटर हॅमर निर्माण करते. हे सामान्यतः हायड्रॉलिक प्रवेग काल स्थिरांकांद्वारे दर्शविले जाते. स्वतंत्र कार्यान्वयनामध्ये, जेव्हा संपूर्ण प्रणालीची वारंवारता टर्बाइन गव्हर्नरद्वारे निर्धारित केली जाते, तेव्हा वॉटर हॅमर वेग नियंत्रणावर परिणाम करतो आणि अस्थिरता 'हंटिंग' किंवा वारंवारतेतील चढ-उतार म्हणून दिसून येते. मोठ्या प्रणालीसह आंतरजोडणी कार्यान्वयनामध्ये, वारंवारता मूलतः स्थिर ठेवली जाते. तेव्हा वॉटर हॅमर प्रणालीला पुरवल्या जाणाऱ्या शक्तीवर परिणाम करतो आणि स्थिरतेची समस्या तेव्हाच उद्भवते जेव्हा शक्ती बंद लूपमध्ये नियंत्रित केली जाते, म्हणजेच, अशा जलविद्युत जनित्रांच्या बाबतीत जे वारंवारता नियमनात भाग घेतात.

टर्बाइन गव्हर्नर गिअरची स्थिरता ही पाण्याच्या वस्तुमानाच्या हायड्रॉलिक प्रवेग काल स्थिरांकाच्या तुलनेत यांत्रिक प्रवेग काल स्थिरांकाच्या गुणोत्तरावर आणि गव्हर्नरच्या गेनवर मोठ्या प्रमाणात अवलंबून असते. वरील गुणोत्तरात घट झाल्यास अस्थिरता निर्माण होते आणि गव्हर्नर गेन कमी करणे आवश्यक ठरते, ज्यामुळे वारंवारता स्थिरीकरणावर प्रतिकूल परिणाम होतो. त्यानुसार, हायड्रो युनिटच्या फिरणाऱ्या भागांसाठी किमान फ्लायव्हील इफेक्ट आवश्यक असतो, जो सामान्यतः फक्त जनरेटरमध्येच प्रदान केला जाऊ शकतो. पर्यायाने, प्रेशर रिलीफ व्हॉल्व्ह किंवा सर्ज टँक इत्यादींच्या तरतुदीद्वारे यांत्रिक प्रवेग काल स्थिरांक कमी केला जाऊ शकतो, परंतु ते सामान्यतः खूप महाग असते. हायड्रो जनरेटिंग युनिटच्या वेग नियमन क्षमतेसाठी एक अनुभवजन्य निकष, युनिट स्वतंत्रपणे कार्यरत असताना त्याचा संपूर्ण रेटेड लोड नाकारल्यावर होणाऱ्या वेगवाढीवर आधारित असू शकतो. मोठ्या आंतरजोडणी प्रणालींमध्ये कार्यरत असलेल्या आणि ज्यांना प्रणालीची वारंवारता नियंत्रित करणे आवश्यक आहे अशा पॉवर युनिट्ससाठी, वर गणना केल्यानुसार टक्केवारी वेगवाढ निर्देशांक ४५ टक्क्यांपेक्षा जास्त नसावा असे मानले गेले. लहान प्रणालींसाठी कमी वेगवाढ प्रदान केली जावी (प्रकरण ४ पहा).

इंटेकपासून देहर पॉवर प्लांटपर्यंतचा रेखांशाचा छेद
(स्रोत: लेखकाचा शोधनिबंध – दुसरी जागतिक परिषद, आंतरराष्ट्रीय जल संसाधन संघटना १९७९) देहर पॉवर प्लांटसाठी, बॅलन्सिंग स्टोरेजला पॉवर युनिटशी जोडणारी हायड्रॉलिक प्रेशर वॉटर सिस्टीम दर्शविली आहे, ज्यात वॉटर इनटेक, प्रेशर टनेल, डिफरेंशियल सर्ज टँक आणि पेनस्टॉक यांचा समावेश आहे. पेनस्टॉकमधील कमाल दाबवाढ ३५ टक्क्यांपर्यंत मर्यादित ठेवल्यास, गव्हर्नर बंद केल्यावर पूर्ण भार नाकारल्यावर युनिटच्या अंदाजित कमाल वेगात सुमारे ४५ टक्के वाढ होते.
जनरेटरच्या फिरणाऱ्या भागांच्या सामान्य फ्लायव्हील परिणामासह (म्हणजे, केवळ तापमान वाढीचा विचार करून निश्चित केलेले), २८२ मीटर (९२५ फूट) च्या रेटेड हेडवर ९.१ सेकंदांचा वेळ लागला. कार्यान्वयनाच्या पहिल्या टप्प्यात वेगातील वाढ ४३ टक्क्यांपेक्षा जास्त नसल्याचे आढळले. त्यानुसार, प्रणालीची वारंवारता नियंत्रित करण्यासाठी सामान्य फ्लायव्हील परिणाम पुरेसा आहे असे मानले गेले.

जनरेटर पॅरामीटर्स आणि विद्युत स्थिरता
स्थिरतेवर परिणाम करणारे जनरेटरचे पॅरामीटर्स म्हणजे फ्लायव्हील इफेक्ट, ट्रान्झिएंट रिॲक्टन्स आणि शॉर्ट सर्किट रेशो. देहर येथील ४२० केव्ही ईएचव्ही प्रणालीच्या विकासाच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात, कमकुवत प्रणाली, कमी शॉर्ट सर्किट पातळी, लीडिंग पॉवर फॅक्टरवर कार्य करणे, आणि ट्रान्समिशन आउटलेट्स प्रदान करण्यात तसेच जनरेटिंग युनिट्सचा आकार व पॅरामीटर्स निश्चित करण्यात काटकसर करण्याची गरज यांमुळे स्थिरतेच्या समस्या गंभीर होण्याची शक्यता आहे. देहर ईएचव्ही प्रणालीसाठी नेटवर्क ॲनालायझरवर (ट्रान्झिएंट रिॲक्टन्सच्या मागे स्थिर व्होल्टेज वापरून) केलेल्या प्राथमिक ट्रान्झिएंट स्थिरता अभ्यासातून असेही दिसून आले की केवळ मर्यादित स्थिरता प्राप्त होईल. देहर पॉवर प्लांटच्या डिझाइनच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात, सामान्य जनरेटर निर्दिष्ट करण्याचा विचार केला गेला होता.
वैशिष्ट्ये आणि इतर संबंधित घटकांचे, विशेषतः उत्तेजन प्रणालीचे (excitation system) पॅरामीटर्स अनुकूलित करून स्थिरतेच्या आवश्यकता पूर्ण करणे हा आर्थिकदृष्ट्या स्वस्त पर्याय असेल. ब्रिटिश प्रणालीच्या अभ्यासात असेही दिसून आले की जनरेटरचे पॅरामीटर्स बदलण्याचा स्थिरतेच्या सीमांवर तुलनेने खूपच कमी परिणाम होतो. त्यानुसार, जनरेटरसाठी परिशिष्टात दिलेले सामान्य जनरेटर पॅरामीटर्स निर्दिष्ट करण्यात आले. केलेल्या स्थिरतेच्या अभ्यासाचा तपशील दिला आहे.

लाइन चार्जिंग क्षमता आणि व्होल्टेज स्थिरता
दूरवर स्थापित केलेले हायड्रो जनरेटर, जे लांब, भाररहित EHV लाईन्स चार्ज करण्यासाठी वापरले जातात, आणि ज्यांची चार्जिंग kVA मशीनच्या लाईन चार्जिंग क्षमतेपेक्षा जास्त असते, तेव्हा मशीन स्व-उत्तेजित (self excited) होऊ शकते आणि व्होल्टेज नियंत्रणाबाहेर वाढू शकते. स्व-उत्तेजनासाठी अट अशी आहे की xc < xd, जिथे xc हा कपॅसिटिव्ह लोड रिॲक्टन्स आहे आणि xd हा सिंक्रोनस डायरेक्ट ॲक्सिस रिॲक्टन्स आहे. पानिपत (प्राप्तकर्ता टोक) पर्यंत एकच ४२० kV भाररहित लाईन E2 /xc चार्ज करण्यासाठी आवश्यक क्षमता रेटेड व्होल्टेजवर सुमारे १५० MVARs होती. दुसऱ्या टप्प्यात जेव्हा समतुल्य लांबीची दुसरी ४२० kV लाईन स्थापित केली जाते, तेव्हा दोन्ही भाररहित लाईन्स एकाच वेळी रेटेड व्होल्टेजवर चार्ज करण्यासाठी आवश्यक लाईन चार्जिंग क्षमता सुमारे ३०० MVARs असेल.

उपकरणांच्या पुरवठादारांनी कळवल्यानुसार, देहर जनरेटरमधून रेटेड व्होल्टेजवर उपलब्ध असलेली लाइन चार्जिंग क्षमता खालीलप्रमाणे होती:
(i) किमान 10 टक्के पॉझिटिव्ह एक्साइटेशनसह 70 टक्के रेटेड MVA, म्हणजेच 121.8 MVAR लाइन चार्जिंग शक्य आहे.
(ii) किमान 1 टक्का पॉझिटिव्ह एक्साइटेशनसह, रेटेड MVA च्या 87 टक्क्यांपर्यंत, म्हणजेच 139 MVAR लाइन चार्जिंग क्षमता शक्य आहे.
(iii) BSS नुसार, अंदाजे 5 टक्के नकारात्मक उत्तेजनासह 100 टक्के रेटेड MVAR पर्यंत, म्हणजेच 173.8 लाइन चार्जिंग क्षमता मिळवता येते आणि 10 टक्के नकारात्मक उत्तेजनासह मिळवता येणारी कमाल लाइन चार्जिंग क्षमता रेटेड MVA च्या 110 टक्के (191 MVAR) आहे.
(iv) मशीनचा आकार वाढवूनच लाइन चार्जिंग क्षमतेत आणखी वाढ करणे शक्य आहे. (ii) आणि (iii) च्या बाबतीत, एक्सायटेशनचे हाताने नियंत्रण शक्य नाही आणि जलद कार्य करणाऱ्या स्वयंचलित व्होल्टेज रेग्युलेटरच्या सतत कार्यावर पूर्णपणे अवलंबून राहावे लागते. लाइन चार्जिंग क्षमता वाढवण्याच्या उद्देशाने मशीनचा आकार वाढवणे आर्थिकदृष्ट्या व्यवहार्य नाही आणि इष्टही नाही. त्यानुसार, कार्यान्वयनाच्या पहिल्या टप्प्यातील ऑपरेटिंग परिस्थिती विचारात घेऊन, जनरेटरवर निगेटिव्ह एक्सायटेशन देऊन जनरेटरसाठी रेटेड व्होल्टेजवर 191 MVARs ची लाइन चार्जिंग क्षमता प्रदान करण्याचा निर्णय घेण्यात आला. रिसिव्हिंग एंडवरील लोड डिस्कनेक्ट झाल्यामुळे व्होल्टेज अस्थिरतेस कारणीभूत ठरणारी गंभीर ऑपरेटिंग परिस्थिती देखील निर्माण होऊ शकते. ही घटना मशीनवरील कपॅसिटिव्ह लोडिंगमुळे घडते, ज्यावर जनरेटरच्या गती वाढीमुळे आणखी प्रतिकूल परिणाम होतो. जर... तर सेल्फ एक्सायटेशन आणि व्होल्टेज अस्थिरता येऊ शकते.

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
येथे, Xc म्हणजे कपॅसिटिव्ह लोड रिॲक्टन्स, Xq म्हणजे क्वाड्रॅचर ॲक्सिस सिंक्रोनस रिॲक्टन्स आणि n म्हणजे लोड रिजेक्शनवर उद्भवणारा कमाल सापेक्ष ओव्हरस्पीड. केलेल्या सविस्तर अभ्यासानुसार, लाईनच्या रिसिव्हिंग एंडला कायमस्वरूपी जोडलेला ४०० kV EHV शंट रिॲक्टर (७५ MVA) देऊन देहर जनरेटरवरील ही स्थिती टाळण्याचा प्रस्ताव होता.

डॅम्पर वाइंडिंग
डॅम्पर वाइंडिंगचे मुख्य कार्य म्हणजे कपॅसिटिव्ह लोडसह लाइन-टू-लाइन फॉल्ट झाल्यास अत्याधिक ओव्हर-व्होल्टेजला प्रतिबंध करणे, ज्यामुळे उपकरणांवरील ओव्हर-व्होल्टेजचा ताण कमी होतो. दुर्गम ठिकाणे आणि लांब आंतरजोडणी ट्रान्समिशन लाईन्स लक्षात घेऊन, क्वाड्रॅचर आणि डायरेक्ट ॲक्सिस रिॲक्टन्सचे गुणोत्तर Xnq/Xnd 1.2 पेक्षा जास्त नसलेल्या पूर्णपणे जोडलेल्या डॅम्पर वाइंडिंग्ज निर्दिष्ट करण्यात आल्या.

जनरेटरची वैशिष्ट्ये आणि उत्तेजन प्रणाली
सामान्य वैशिष्ट्ये असलेले जनरेटर निर्दिष्ट केले गेल्याने आणि प्राथमिक अभ्यासातून केवळ मर्यादित स्थिरता दिसून आल्याने, स्थिरतेची मर्यादा सुधारण्यासाठी उच्च-गती स्थिर उत्तेजन उपकरण वापरण्याचा निर्णय घेण्यात आला, जेणेकरून उपकरणांची एकूण सर्वात किफायतशीर मांडणी साधता येईल. स्थिर उत्तेजन उपकरणाची इष्टतम वैशिष्ट्ये निश्चित करण्यासाठी सविस्तर अभ्यास करण्यात आला आणि त्याची चर्चा प्रकरण १० मध्ये केली आहे.

भूकंपीय विचार
देहर वीज प्रकल्प भूकंपप्रवण क्षेत्रात येतो. उपकरणांच्या उत्पादकांशी सल्लामसलत करून, जागेवरील भूकंपीय आणि भूवैज्ञानिक परिस्थिती तसेच भारत सरकारने युनेस्कोच्या मदतीने गठीत केलेल्या कोयना भूकंप तज्ज्ञ समितीचा अहवाल विचारात घेऊन, देहर येथील जलविद्युत जनित्राच्या रचनेत खालील तरतुदी प्रस्तावित करण्यात आल्या.

यांत्रिक शक्ती
देहर जनरेटरची रचना अशा प्रकारे केली पाहिजे की ते देहरमध्ये अपेक्षित असलेल्या आणि यंत्राच्या मध्यभागी उभ्या व आडव्या दोन्ही दिशांनी कार्य करणाऱ्या कमाल भूकंप प्रवेग बलाचा सुरक्षितपणे सामना करू शकतील.

नैसर्गिक वारंवारता
यंत्राची नैसर्गिक वारंवारता १०० हर्ट्झच्या (जनरेटरच्या वारंवारतेच्या दुप्पट) चुंबकीय वारंवारतेपासून बरीच दूर (जास्त) ठेवली पाहिजे. ही नैसर्गिक वारंवारता भूकंपाच्या वारंवारतेपासून खूप दूर असेल आणि भूकंपाची प्रमुख वारंवारता व फिरणाऱ्या प्रणालीचा क्रांतिक वेग यांच्या विरुद्ध पुरेशा सुरक्षित अंतरासाठी तिची तपासणी केली जाईल.

जनरेटर स्टेटर सपोर्ट
जनरेटर स्टेटर आणि खालच्या थ्रस्ट व गाइड बेअरिंगच्या पायामध्ये अनेक सोल प्लेट्सचा समावेश असतो. या सोल प्लेट्स सामान्य उभ्या दिशेव्यतिरिक्त, फाउंडेशन बोल्ट्सद्वारे पायाला आडव्या दिशेनेही जोडलेल्या असतात.

गाईड बेअरिंग डिझाइन
गाईड बेअरिंग्ज सेगमेंटल प्रकारची असावीत आणि भूकंपाची संपूर्ण शक्ती सहन करण्यासाठी गाईड बेअरिंगचे भाग अधिक मजबूत केले जावेत. उत्पादकांनी पुढे अशी शिफारस केली आहे की, स्टीलच्या गर्डर्सच्या साहाय्याने टॉप ब्रॅकेटला बॅरल (जनरेटरचे आवरण) सोबत बाजूने जोडावे. याचा अर्थ असा होईल की, काँक्रीटच्या बॅरललाही अधिक मजबूत करावे लागेल.

जनरेटरचे कंपन ओळखणे
भूकंपामुळे होणारी कंपने पूर्वनिर्धारित मर्यादेपेक्षा जास्त झाल्यास शटडाउन सुरू करण्यासाठी आणि अलार्म देण्यासाठी टर्बाइन आणि जनरेटरवर कंपन शोधक किंवा विकेंद्रता मापक बसवण्याची शिफारस करण्यात आली होती. टर्बाइनवर परिणाम करणाऱ्या जल-अभियांत्रिकी परिस्थितीमुळे युनिटमध्ये होणारी कोणतीही असामान्य कंपने शोधण्यासाठी देखील या उपकरणाचा वापर केला जाऊ शकतो.

मर्क्युरी कॉन्टॅक्ट्स
जर मर्क्युरी कॉन्टॅक्ट्स वापरले असतील, तर भूकंपाच्या तीव्र धक्क्यांमुळे युनिट बंद करण्याची प्रक्रिया सुरू होण्यासाठी चुकीचे ट्रिपिंग होण्याची शक्यता असते. अँटी-व्हायब्रेशन प्रकारचे मर्क्युरी स्विचेस वापरून किंवा आवश्यक वाटल्यास टायमिंग रिले जोडून हे टाळता येते.

निष्कर्ष
(1) ग्रिडचा आकार आणि सिस्टमच्या अतिरिक्त क्षमतेवरील त्याचा प्रभाव लक्षात घेऊन मोठ्या युनिट आकाराचा अवलंब केल्यामुळे देहर पॉवर प्लांटमधील उपकरणे आणि संरचनेच्या खर्चात लक्षणीय बचत झाली.
(2) रोटर रिम पंचिंगसाठी उच्च तन्यता स्टीलच्या विकासामुळे आता मोठ्या उच्च गती हायड्रो जनरेटरसाठी शक्य झालेल्या अम्ब्रेला डिझाइन बांधकामाचा अवलंब करून जनरेटरची किंमत कमी करण्यात आली.
(3) सखोल अभ्यासानंतर नैसर्गिक उच्च पॉवर फॅक्टर जनरेटर खरेदी केल्यामुळे खर्चात आणखी बचत झाली.
(4) मोठ्या आंतरजोडणी प्रणालीमुळे, देहर येथील वारंवारता नियमन केंद्रावर जनरेटरच्या फिरणाऱ्या भागांचा सामान्य फ्लायव्हील प्रभाव टर्बाइन गव्हर्नर प्रणालीच्या स्थिरतेसाठी पुरेसा मानला गेला.
(5) विद्युत स्थिरता सुनिश्चित करण्यासाठी EHV नेटवर्कला वीज पुरवठा करणाऱ्या दूरस्थ जनरेटरचे विशेष मापदंड जलद प्रतिसाद स्थिर उत्तेजन प्रणालीद्वारे पूर्ण केले जाऊ शकतात.
(6) जलद कार्य करणाऱ्या स्थिर उत्तेजन प्रणाली आवश्यक स्थिरतेची मर्यादा प्रदान करू शकतात. तथापि, अशा प्रणालींना दोषानंतरची स्थिरता प्राप्त करण्यासाठी स्थिर करणाऱ्या फीडबॅक सिग्नलची आवश्यकता असते. सविस्तर अभ्यास केला पाहिजे.
(7) नकारात्मक उत्तेजनाचा अवलंब करून मशीनची लाइन चार्जिंग क्षमता वाढवून आणि/किंवा कायमस्वरूपी जोडलेले EHV शंट रिअॅक्टर वापरून लांब EHV लाईन्सद्वारे ग्रीडशी जोडलेल्या दूरस्थ जनरेटरचे स्व-उत्तेजन आणि व्होल्टेज अस्थिरता टाळता येते.
(8) कमी खर्चात भूकंपाच्या शक्तींपासून संरक्षण देण्यासाठी जनरेटर आणि त्याच्या पायांच्या डिझाइनमध्ये तरतूद केली जाऊ शकते.

देहर जनरेटरचे मुख्य मापदंड
शॉर्ट सर्किट गुणोत्तर = १.०६
क्षणिक प्रतिबाधा थेट अक्ष = ०.२
फ्लायव्हील इफेक्ट = ३९.५ x १०६ पौंड फूट²
Xnq/Xnd हा 1.2 पेक्षा मोठा नाही