Efeito do volante do gerador e estabilidade do sistema regulador da turbina
Grandes geradores hidrelétricos modernos possuem constante de inércia menor e podem apresentar problemas relacionados à estabilidade do sistema de controle da turbina. Isso se deve ao comportamento da água na turbina, que, por causa de sua inércia, gera golpe de aríete nas tubulações de pressão quando os dispositivos de controle são acionados. Esse fenômeno é geralmente caracterizado pelas constantes de tempo da aceleração hidráulica. Em operação isolada, quando a frequência de todo o sistema é determinada pelo regulador da turbina, o golpe de aríete afeta o controle da velocidade e a instabilidade se manifesta como oscilações ou variações de frequência. Para operação interligada a um sistema de grande porte, a frequência é essencialmente mantida constante por este último. O golpe de aríete, então, afeta a potência fornecida ao sistema e o problema de estabilidade surge apenas quando a potência é controlada em malha fechada, ou seja, no caso de geradores hidrelétricos que participam da regulação de frequência.
A estabilidade do mecanismo de regulagem da turbina é fortemente influenciada pela relação entre a constante de tempo da aceleração mecânica, devido à constante de tempo da aceleração hidráulica das massas de água, e pelo ganho do regulador. Uma redução dessa relação tem um efeito desestabilizador e exige uma redução no 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 qual normalmente só pode ser obtido no gerador. Alternativamente, a constante de tempo da aceleração mecânica poderia ser reduzida com a instalação de uma válvula de alívio de pressão ou um tanque de compensação, etc., mas isso geralmente é muito dispendioso. Um critério empírico para a capacidade de regulação de velocidade de uma unidade geradora hidrelétrica pode ser baseado no aumento de velocidade da unidade que pode ocorrer quando toda a carga nominal da unidade opera de forma independente é rejeitada. Para as unidades de potência que operam em grandes sistemas interligados e que precisam regular a frequência do sistema, o índice de aumento de velocidade percentual, calculado anteriormente, foi considerado como não superior a 45%. Para sistemas menores, um aumento de velocidade menor deve ser previsto (consulte o Capítulo 4).
Seção longitudinal da entrada até a usina de Dehar.
(Fonte: Artigo do autor – 2º Congresso Mundial da Associação Internacional de Recursos Hídricos, 1979) Para a Usina Hidrelétrica de Dehar, o sistema hidráulico de pressão de água que conecta o reservatório de balanceamento à unidade geradora, composto por captação de água, túnel de pressão, tanque de compensação diferencial e conduto forçado, é apresentado. 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 aproximadamente 45% com o regulador de velocidade em funcionamento.
O tempo de operação foi de 9,1 segundos com uma queda nominal de 282 m (925 pés), considerando o efeito normal do volante das partes rotativas do gerador (ou seja, fixado apenas em função do aumento de temperatura). Na primeira etapa de operação, o aumento de velocidade não ultrapassou 43%. Consequentemente, considerou-se que o efeito normal do volante 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 do sistema de 420 kV de extra-alta tensão (EAT), como em Dehar, os problemas de estabilidade tendem a ser críticos devido à fragilidade do sistema, ao baixo nível de curto-circuito, à operação com fator de potência capacitivo e à necessidade de economia no fornecimento de saídas de transmissão e na definição do tamanho e dos parâmetros das unidades geradoras. Estudos preliminares de estabilidade transitória em analisador de rede (utilizando tensão constante atrás da reatância transitória) para o sistema de EAT de Dehar também indicaram que apenas uma estabilidade marginal seria obtida. No estágio inicial do projeto da Usina Termelétrica de Dehar, considerou-se a especificação de geradores com características normais.
A otimização dos parâmetros de outros fatores envolvidos, especialmente os do sistema de excitação, caracterizaria e atenderia aos requisitos de estabilidade, sendo 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. Os estudos detalhados de estabilidade realizados são apresentados a seguir.
Capacidade de carregamento da linha e estabilidade de tensão
Geradores hidrelétricos localizados remotamente, utilizados para carregar longas linhas de extra-alta tensão (EAT) sem carga, cuja potência em kVA de carregamento é superior à capacidade de carregamento da linha da máquina, podem sofrer autoexcitação e elevação de tensão fora de controle. A condição para autoexcitação é que xc < xd, onde xc é a reatância capacitiva da carga e xd a reatância síncrona do eixo direto. A capacidade necessária para carregar uma única linha de 420 kV sem carga (E2/xc) até Panipat (extremidade receptora) era de aproximadamente 150 MVARs na tensão nominal. Em uma segunda etapa, quando uma segunda linha de 420 kV de comprimento equivalente é instalada, a capacidade de carregamento necessária para carregar ambas as linhas sem carga simultaneamente na tensão nominal seria de aproximadamente 300 MVARs.
A capacidade de carregamento da linha disponível na tensão nominal do gerador Dehar, conforme informado pelos fornecedores do equipamento, era a seguinte:
(i)70% da potência nominal em MVA, ou seja, 121,8 MVAR, é possível carregar a linha com uma excitação positiva mínima de 10%.
(ii)Até 87% da MVA nominal, ou seja, 139 MVAR de capacidade de carregamento de linha, é possível com uma excitação positiva mínima de 1%.
(iii) Até 100% do MVAR nominal, ou seja, 173,8 de capacidade de carregamento de linha, pode ser obtido com aproximadamente 5% de excitação negativa e a capacidade máxima de carregamento de linha que pode ser obtida com excitação negativa de 10% é 110% do MVA nominal (191 MVAR) de acordo com BSS.
(iv) Um aumento adicional na capacidade de carregamento da linha só é possível aumentando o tamanho da máquina. Nos casos (ii) e (iii), o controle manual da excitação não é possível e é necessário depender totalmente da operação contínua de reguladores automáticos de tensão de ação rápida. Não é economicamente viável nem desejável aumentar o tamanho da máquina com o objetivo de aumentar a capacidade de carregamento da linha. Consequentemente, levando em consideração as condições de operação na primeira fase de operação, decidiu-se fornecer uma capacidade de carregamento da linha de 191 MVARs na tensão nominal para os geradores, fornecendo excitação negativa nos geradores. Condições críticas de operação que causam instabilidade de tensão também podem ser causadas pela desconexão da carga na extremidade receptora. O fenômeno ocorre devido à carga capacitiva na máquina, que é ainda mais afetada negativamente pelo aumento da velocidade do gerador. Autoexcitação e instabilidade de tensão podem ocorrer se...
Xc ≤ n2 (Xq + XT)
Onde, Xc é a reatância capacitiva da carga, Xq é a reatância síncrona do eixo em quadratura e n é a sobrevelocidade relativa máxima que ocorre na rejeição de carga. Essa condição no gerador Dehar foi proposta para ser eliminada com a instalação de um reator shunt de 400 kV EHV (75 MVA) conectado permanentemente na extremidade receptora da linha, conforme estudos detalhados realizados.
Enrolamento amortecedor
A principal função de um enrolamento amortecedor é sua capacidade de prevenir sobretensões excessivas em caso de curtos-circuitos entre fases com cargas capacitivas, reduzindo assim a tensão sobre o equipamento. Levando em consideração a localização remota e as longas linhas de transmissão interligadas, foram especificados enrolamentos amortecedores totalmente conectados com a relação entre as reatâncias de quadratura e de eixo direto (Xnq/Xnd) não superior a 1,2.
Características do gerador e sistema de excitação
Tendo sido especificados geradores com características normais e estudos preliminares indicando apenas estabilidade marginal, decidiu-se utilizar equipamentos de excitação estática de alta velocidade para melhorar as margens de estabilidade, de modo a obter o arranjo de equipamentos mais econômico possível. Estudos detalhados foram realizados para determinar as características ótimas dos equipamentos de excitação estática e são discutidos no capítulo 10.
Considerações sísmicas
A usina hidrelétrica de Dehar está localizada em zona sísmica. As seguintes disposições no projeto do gerador hidrelétrico de Dehar foram propostas em consulta com os fabricantes de equipamentos e levando em consideração as condições sísmicas e geológicas do local, bem como o relatório do Comitê de Especialistas em Terremotos de Koyna, constituído pelo Governo da Índia com o auxílio da UNESCO.
Resistência mecânica
Os geradores de Dehar devem ser projetados para suportar com segurança a força máxima de aceleração sísmica, tanto na direção vertical quanto na horizontal, esperada em Dehar, atuando no centro da máquina.
Frequência Natural
A frequência natural da máquina deve ser mantida bem acima (muito acima) da frequência magnética de 100 Hz (o dobro da frequência do gerador). Essa frequência natural estará bem distante da frequência do terremoto e será verificada quanto à margem adequada em relação à frequência predominante do terremoto e à velocidade crítica do sistema rotativo.
suporte do estator do gerador
O estator do gerador e as fundações dos mancais de encosto e guia inferiores são compostos por diversas placas de apoio. Essas placas são fixadas à fundação lateralmente, além da direção vertical normal, por meio de parafusos de fundação.
Projeto do mancal guia
Os mancais de guia devem ser do tipo segmentado e as peças dos mancais de guia devem ser reforçadas para suportar a força total de um terremoto. Os fabricantes recomendaram ainda que o suporte superior seja fixado lateralmente ao corpo do gerador por meio de vigas de aço. Isso também implicaria no reforço do próprio corpo de concreto.
Detecção de vibração de geradores
Recomenda-se a instalação de detectores de vibração ou medidores de excentricidade em turbinas e geradores para acionar o desligamento e o alarme caso as vibrações causadas por terremotos excedam um valor predeterminado. Este dispositivo também pode ser usado para detectar vibrações anormais em uma unidade devido a condições hidráulicas que afetam a turbina.
Contatos de Mercúrio
A forte vibração causada por terremotos pode resultar em disparos falsos que iniciam o desligamento de uma unidade se forem utilizados contatos de mercúrio. Isso pode ser evitado especificando-se interruptores de mercúrio antivibração ou, se necessário, adicionando-se 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 de reserva do sistema.
(2) O custo dos geradores foi reduzido pela adoção do projeto de construção em guarda-chuva, que agora é possível para grandes geradores hidroelétricos de alta velocidade devido ao desenvolvimento de aço de alta resistência para punções da borda do rotor.
(3) A aquisição de geradores de alto fator de potência natural após estudos detalhados resultou em economias adicionais no custo.
(4) O efeito normal do volante 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 interligado.
(5) Os parâmetros especiais dos geradores remotos que alimentam as redes EHV para garantir a 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 realimentação estabilizadores para alcançar a estabilidade pós-falta. 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 carregamento da linha da máquina por meio de excitação negativa e/ou empregando reatores shunt EHV permanentemente conectados.
(8) Podem ser tomadas medidas no projeto dos geradores e das suas fundações para garantir a proteção contra forças sísmicas a custos reduzidos.
Principais parâmetros dos geradores Dehar
Relação de curto-circuito = 1,06
Reatância transitória no eixo direto = 0,2
Efeito volante = 39,5 x 106 lb ft²
Xnq/Xnd não maior que = 1,2
Data da publicação: 11 de maio de 2021
