Efeito do volante do gerador e estabilidade do sistema regulador da turbinaEfeito do volante do gerador e estabilidade do sistema regulador da turbinaEfeito do volante do gerador e estabilidade do sistema regulador da turbinaEfeito do volante do gerador e estabilidade do sistema regulador da turbina
Grandes geradores hidrelétricos modernos têm constante de inércia menor e podem enfrentar problemas relacionados à estabilidade do sistema de controle da turbina. Isso se deve ao comportamento da água da turbina, que, devido à sua inércia, dá origem ao golpe de aríete nas tubulações de pressão quando os dispositivos de controle são operados. Isso é geralmente caracterizado pelas constantes de tempo de aceleração hidráulica. Em operação isolada, quando a frequência de todo o sistema é determinada pelo regulador da turbina, o golpe de aríete afeta o regulador de velocidade e a instabilidade aparece como oscilação ou oscilação de frequência. Para operação interconectada com um sistema grande, a frequência é essencialmente mantida constante por este último. O golpe de aríete então afeta a potência alimentada ao sistema e o problema de estabilidade só surge quando a potência é controlada em um circuito fechado, ou seja, no caso dos geradores hidrelétricos que participam da regulação de frequência.
A estabilidade do regulador de velocidade da turbina é significativamente afetada pela relação entre a constante de tempo de aceleração mecânica, devido à constante de tempo de aceleração hidráulica das massas de água, e o ganho do regulador. Uma redução dessa relação tem um efeito desestabilizador e requer uma redução do ganho do regulador, o que afeta negativamente a estabilização da frequência. Consequentemente, é necessário um efeito de volante mínimo para as partes rotativas de uma unidade hidrelétrica, o que normalmente só pode ser fornecido no gerador. Alternativamente, a constante de tempo de aceleração mecânica pode ser reduzida com a instalação de uma válvula de alívio de pressão ou um tanque de compensação, etc., mas geralmente é muito dispendiosa. Um critério empírico para a capacidade de regulação de velocidade de uma unidade de geração hidrelétrica pode ser baseado no aumento de velocidade da unidade, que pode ocorrer com a rejeição de toda a carga nominal da unidade operando de forma independente. Para as unidades de energia que operam em grandes sistemas interconectados e que são necessárias para regular a frequência do sistema, o índice de aumento de velocidade percentual, conforme calculado acima, foi considerado não superior a 45%. Para sistemas menores, um aumento de velocidade menor deve ser fornecido (consulte o Capítulo 4).
Seção longitudinal da entrada até a Usina de Dehar
(Fonte: Artigo do autor – 2º Congresso Mundial, Associação Internacional de Recursos Hídricos, 1979) Para a Usina de Dehar, é mostrado o sistema hidráulico de água pressurizada que conecta o armazenamento de balanceamento à unidade de energia, composto por entrada de água, túnel de pressão, tanque de compensação diferencial e conduto forçado. Limitando o aumento máximo de pressão nos condutos forçados a 35%, o aumento máximo estimado da velocidade da unidade após a rejeição da carga total foi de cerca de 45% com um regulador de fechamento.
Tempo de 9,1 segundos a uma altura nominal de 282 m (925 pés) com o efeito volante normal das partes rotativas do gerador (ou seja, considerando apenas o aumento de temperatura). No primeiro estágio de operação, o aumento de velocidade não foi superior a 43%. Portanto, considerou-se que o efeito volante normal é adequado para regular a frequência do sistema.
Parâmetros do gerador e estabilidade elétrica
Os parâmetros do gerador que influenciam a estabilidade são o efeito volante, a reatância transitória e a relação de curto-circuito. No estágio inicial de desenvolvimento de um sistema de 420 kV EHV, como em Dehar, os problemas de estabilidade podem ser críticos devido à fragilidade do sistema, ao baixo nível de curto-circuito, à operação com fator de potência avançado e à necessidade de economia no fornecimento de saídas de transmissão e na fixação do tamanho e dos parâmetros das unidades geradoras. Estudos preliminares de estabilidade transitória com analisador de rede (usando tensão constante por reatância transitória) para o sistema de 420 kV EHV de Dehar também indicaram que apenas uma estabilidade marginal seria obtida. No estágio inicial do projeto da Usina de Dehar, considerou-se que a especificação de geradores com
Desenvolver características e atender aos requisitos de estabilidade por meio da otimização dos parâmetros de outros fatores envolvidos, especialmente os do sistema de excitação, seria uma alternativa economicamente mais barata. Em um estudo do Sistema Britânico, também foi demonstrado que a alteração dos parâmetros do gerador tem um efeito comparativamente muito menor nas margens de estabilidade. Consequentemente, os parâmetros normais do gerador, conforme apresentados no apêndice, foram especificados para o gerador. Os estudos detalhados de estabilidade realizados são apresentados.
Capacidade de carga da linha e estabilidade de tensão
Em geradores hidrelétricos remotos usados para carregar longas linhas de energia elétrica (EHV) descarregadas, cuja carga em kVA é maior que a capacidade de carga da máquina, a máquina pode se autoexcitar e a tensão subir além do controle. A condição para autoexcitação é que xc < xd, onde xc é a reatância de carga capacitiva e xd a reatância do eixo direto síncrono. A capacidade necessária para carregar uma única linha descarregada de 420 kV E2 /xc até Panipat (extremidade receptora) era de cerca de 150 MVARs na tensão nominal. No segundo estágio, quando uma segunda linha de 420 kV de comprimento equivalente é instalada, a capacidade de carga da linha necessária para carregar ambas as linhas descarregadas simultaneamente na tensão nominal seria de cerca de 300 MVARs.
A capacidade de carga de linha disponível na tensão nominal do gerador Dehar, conforme informado pelos fornecedores do equipamento, foi a seguinte:
(i)70 por cento de MVA nominal, ou seja, 121,8 MVAR de carga de linha é possível com uma excitação positiva mínima de 10 por cento.
(ii)Até 87 por cento da MVA nominal, ou seja, capacidade de carga de linha de 139 MVAR é possível com uma excitação positiva mínima de 1 por cento.
(iii)Até 100 por cento do MVAR nominal, ou seja, 173,8 de capacidade de carga de linha pode ser obtida com aproximadamente 5 por cento de excitação negativa e a capacidade máxima de carga de linha que pode ser obtida com excitação negativa de 10 por cento é 110 por cento do MVA nominal (191 MVAR) de acordo com BSS.
(iv) Um aumento adicional nas capacidades de carga da linha só é possível aumentando o tamanho da máquina. No caso de (ii) e (iii), o controle manual da excitação não é possível e a confiança total deve ser colocada na operação contínua de reguladores automáticos de tensão de ação rápida. Não é economicamente viável nem desejável aumentar o tamanho da máquina com o propósito de aumentar as capacidades de carga da linha. Consequentemente, levando em consideração as condições de operação no primeiro estágio da operação, foi decidido fornecer uma capacidade de carga da linha de 191 MVARs na tensão nominal para os geradores, fornecendo excitação negativa nos geradores. Condição crítica de operação causando instabilidade de tensão também pode ser causada pela desconexão da carga na extremidade receptora. O fenômeno ocorre devido à carga capacitiva na máquina, que é ainda mais afetada negativamente pelo aumento de velocidade do gerador. Autoexcitação e instabilidade de tensão podem ocorrer se.
Xc ≤ n2 (Xq + XT)
Onde, Xc é a reatância de carga capacitiva, Xq é a reatância síncrona do eixo de quadratura e n é a sobrevelocidade relativa máxima que ocorre na rejeição de carga. Propôs-se que essa condição no gerador Dehar fosse evitada com a instalação de um reator de derivação EHV de 400 kV permanentemente conectado (75 MVA) na extremidade receptora da linha, conforme estudos detalhados realizados.
Enrolamento do amortecedor
A principal função de um enrolamento amortecedor é evitar sobretensões excessivas em caso de faltas entre linhas com cargas capacitivas, reduzindo assim o estresse por sobretensão no equipamento. Considerando a localização remota e as longas linhas de transmissão interconectadas, foram especificados enrolamentos amortecedores totalmente conectados com uma relação de reatâncias em quadratura e de eixo direto Xnq/Xnd não superior a 1,2.
Característica do Gerador e Sistema de Excitação
Tendo sido especificados geradores com características normais e tendo estudos preliminares indicado apenas estabilidade marginal, decidiu-se utilizar equipamentos de excitação estática de alta velocidade para melhorar as margens de estabilidade, a fim de alcançar o arranjo mais econômico possível. Estudos detalhados foram realizados para determinar as características ideais do equipamento de excitação estática, discutidos no Capítulo 10.
Considerações sísmicas
A Usina Hidrelétrica de Dehar está localizada em zona sísmica. As seguintes disposições no projeto do gerador hidrelétrico em Dehar foram propostas em consulta com os fabricantes do equipamento e levando em consideração as condições sísmicas e geológicas do local, bem como o relatório do Comitê de Peritos em Terremotos de Koyna, constituído pelo Governo da Índia com o apoio da UNESCO.
Resistência mecânica
Os geradores Dehar devem ser projetados para suportar com segurança a força máxima de aceleração do terremoto, tanto na direção vertical quanto na horizontal, esperada no Dehar atuando no centro da máquina.
Frequência Natural
A frequência natural da máquina deve ser mantida bem distante (mais alta) da frequência magnética de 100 Hz (o dobro da frequência do gerador). Essa frequência natural deve ser bem distante da frequência sísmica e deve ser verificada para garantir uma margem adequada em relação à frequência predominante de terremotos e à velocidade crítica do sistema rotativo.
Suporte do estator do gerador
As fundações do estator do gerador e dos mancais de empuxo e guia inferiores são compostas por diversas placas de base. As placas de base são fixadas à fundação lateralmente, além da direção vertical normal, por meio de parafusos de fundação.
Projeto de rolamento guia
Os mancais-guia devem ser do tipo segmentado e as peças dos mancais-guia devem ser reforçadas para suportar a força total do terremoto. Os fabricantes também recomendaram a fixação lateral do suporte superior ao cilindro (invólucro do gerador) por meio de vigas de aço. Isso também significaria que o cilindro de concreto, por sua vez, teria que ser reforçado.
Detecção de vibração de geradores
Recomenda-se a instalação de detectores de vibração ou medidores de excentricidade em turbinas e geradores para iniciar o desligamento e o alarme caso as vibrações causadas por terremotos excedam um valor predeterminado. Este dispositivo também pode ser usado para detectar quaisquer vibrações incomuns de uma unidade devido a condições hidráulicas que afetam a turbina.
Contatos de Mercúrio
Tremores severos devido a terremotos podem resultar em disparos falsos para iniciar o desligamento de uma unidade se forem utilizados contatos de mercúrio. Isso pode ser evitado especificando-se interruptores de mercúrio do tipo antivibração ou, se necessário, adicionando relés de temporização.
Conclusões
(1) Economias substanciais no custo de equipamentos e estrutura na Usina Elétrica de Dehar foram obtidas pela adoção de unidades de grande porte, levando em consideração o tamanho da rede e sua influência na capacidade excedente do sistema.
(2) O custo dos geradores foi reduzido pela adoção do projeto de construção guarda-chuva, o que agora é possível para grandes geradores hidrelétricos de alta velocidade devido ao desenvolvimento de aço de alta resistência para punções de aro do rotor.
(3) A aquisição de geradores naturais de alto fator de potência após estudos detalhados resultou em maiores economias de custo.
(4) O efeito de volante normal das partes rotativas do gerador na estação reguladora de frequência em Dehar foi considerado suficiente para a estabilidade do sistema regulador da turbina devido ao grande sistema interconectado.
(5) Parâmetros especiais de geradores remotos que alimentam redes EHV para garantir estabilidade elétrica podem ser atendidos por sistemas de excitação estática de resposta rápida.
(6) Sistemas de excitação estática de ação rápida podem fornecer as margens de estabilidade necessárias. Tais sistemas, no entanto, requerem sinais de feedback estabilizadores para alcançar a estabilidade pós-falha. Estudos detalhados devem ser realizados.
(7) A autoexcitação e a instabilidade de tensão de geradores remotos interligados à rede por longas linhas EHV podem ser evitadas aumentando a capacidade de carga da linha da máquina recorrendo à excitação negativa e/ou empregando reatores de derivação EHV permanentemente conectados.
(8) Podem ser tomadas disposições no projeto de geradores e suas fundações para fornecer salvaguardas contra forças sísmicas a custos reduzidos.
Parâmetros principais dos geradores Dehar
Razão de curto-circuito = 1,06
Reatância transitória Eixo direto = 0,2
Efeito do volante = 39,5 x 106 lb ft2
Xnq/Xnd não maior que = 1,2
Data de publicação: 11 de maio de 2021
