Влияние маховика генератора и устойчивость системы регулятора турбины

Влияние маховика генератора и устойчивость системы регулирования турбины Влияние маховика генератора и устойчивость системы регулирования турбины Влияние маховика генератора и устойчивость системы регулирования турбины Влияние маховика генератора и устойчивость системы регулирования турбины
Крупные современные гидрогенераторы имеют меньшую постоянную инерции и могут сталкиваться с проблемами, касающимися устойчивости системы регулирования турбины. Это связано с поведением воды в турбине, которая из-за своей инерции вызывает гидравлический удар в напорных трубопроводах при работе устройств управления. В целом это характеризуется постоянными времени гидравлического ускорения. В изолированном режиме работы, когда частота всей системы определяется регулятором турбины, гидравлический удар влияет на регулирование скорости, и нестабильность проявляется в виде колебаний или перепадов частоты. При работе в составе крупной системы частота, по сути, поддерживается постоянной. В этом случае гидравлический удар влияет на мощность, подаваемую в систему, и проблемы со стабильностью возникают только тогда, когда мощность регулируется в замкнутом контуре, то есть в случае тех гидрогенераторов, которые участвуют в регулировании частоты.

Стабильность работы редуктора турбины в значительной степени зависит от отношения постоянной времени механического ускорения, обусловленной постоянной времени гидравлического ускорения водных масс, и коэффициента усиления редуктора. Уменьшение этого отношения оказывает дестабилизирующее воздействие и требует снижения коэффициента усиления редуктора, что негативно сказывается на стабилизации частоты. Соответственно, необходим минимальный эффект маховика для вращающихся частей гидрогенератора, который обычно может быть обеспечен только в генераторе. В качестве альтернативы постоянную времени механического ускорения можно уменьшить за счет установки предохранительного клапана или компенсационного бака и т. д., но это, как правило, очень дорого. Эмпирический критерий для способности гидрогенератора регулировать скорость может основываться на увеличении скорости агрегата, которое может происходить при сбросе всей номинальной нагрузки агрегата, работающего автономно. Для энергоблоков, работающих в крупных взаимосвязанных системах и требующих регулирования частоты системы, процентное увеличение скорости, рассчитанное выше, считалось не превышающим 45 процентов. Для меньших систем следует обеспечить меньшее увеличение скорости (см. главу 4).

Продольный разрез от водозабора до электростанции Дехар
(Источник: Доклад автора – 2-й Всемирный конгресс Международной ассоциации водных ресурсов, 1979 г.) На рисунке показана гидравлическая система водоснабжения Дехарской электростанции, соединяющая балансировочное хранилище с энергоблоком, включающая водозабор, напорный туннель, дифференциальный буфер и водовод. При ограничении максимального повышения давления в водоводах до 35 процентов расчетное максимальное повышение скорости энергоблока при сбросе полной нагрузки составило около 45 процентов при закрытии регулятора.
Время работы составило 9,1 секунды при номинальном напоре 282 м (925 футов) с учетом нормального эффекта маховика вращающихся частей генератора (т.е., с учетом только повышения температуры). На первом этапе работы увеличение скорости составило не более 43 процентов. Соответственно, было решено, что нормального эффекта маховика достаточно для регулирования частоты системы.

Параметры генератора и электрическая стабильность
К параметрам генератора, влияющим на устойчивость, относятся эффект маховика, переходное реактивное сопротивление и коэффициент короткого замыкания. На начальном этапе разработки системы сверхвысокого напряжения 420 кВ, как на электростанции Дехар, проблемы устойчивости могут стать критическими из-за слабой системы, низкого уровня короткого замыкания, работы с опережающим коэффициентом мощности и необходимости экономии при обеспечении линий электропередачи и определении размеров и параметров генерирующих установок. Предварительные исследования переходной устойчивости на сетевом анализаторе (с использованием постоянного напряжения за переходным реактивным сопротивлением) для системы сверхвысокого напряжения Дехар также показали, что будет достигнута лишь предельная устойчивость. На раннем этапе проектирования электростанции Дехар рассматривалась возможность выбора генераторов с нормальными параметрами.
Оптимизация параметров других факторов, особенно системы возбуждения, и обеспечение требуемой устойчивости путем оптимизации параметров, в частности, системы возбуждения, было бы экономически более дешевой альтернативой. В исследовании британской системы также было показано, что изменение параметров генератора оказывает сравнительно меньшее влияние на запасы устойчивости. Соответственно, для генератора были определены стандартные параметры, приведенные в приложении. Подробные исследования устойчивости, проведенные в ходе исследования, приведены ниже.

Пропускная способность сети для зарядки и стабильность напряжения
Гидрогенераторы, расположенные на значительном расстоянии и используемые для зарядки длинных ненагруженных линий сверхвысокого напряжения, мощность которых превышает зарядную мощность машины, могут самовозбуждаться, что приводит к неконтролируемому повышению напряжения. Условием самовозбуждения является xc < xd, где xc — реактивное сопротивление емкостной нагрузки, а xd — реактивное сопротивление синхронной прямой оси. Мощность, необходимая для зарядки одной ненагруженной линии 420 кВ E2/xc до Панипата (приемный конец), составляла около 150 МВАР при номинальном напряжении. На втором этапе, когда устанавливается вторая линия 420 кВ эквивалентной длины, мощность, необходимая для одновременной зарядки обеих ненагруженных линий при номинальном напряжении, составит около 300 МВАР.

По данным поставщиков оборудования, доступная мощность зарядки от генератора Dehar при номинальном напряжении составляла:
(i)70 процентов номинальной мощности (МВА), т.е. 121,8 МВАР, зарядка от сети возможна при минимальном положительном возбуждении в 10 процентов.
(ii) До 87 процентов номинальной мощности в МВА, т.е. 139 МВАР, возможна линейная зарядная мощность при минимальном положительном возбуждении в 1 процент.
(iii) До 100 процентов номинальной МВА, т.е. 173,8 МВА, может быть получена линейная зарядная мощность при приблизительно 5-процентном отрицательном возбуждении, а максимальная линейная зарядная мощность, которая может быть получена при отрицательном возбуждении в 10 процентов, составляет 110 процентов от номинальной МВА (191 МВА) согласно BSS.
(iv) Дальнейшее увеличение мощности зарядки сети возможно только за счет увеличения размеров машины. В случаях (ii) и (iii) ручное управление возбуждением невозможно, и приходится полностью полагаться на непрерывную работу быстродействующих автоматических регуляторов напряжения. Увеличение размеров машины с целью увеличения мощности зарядки сети не является ни экономически целесообразным, ни желательным. Соответственно, принимая во внимание условия эксплуатации на первом этапе работы, было решено обеспечить мощность зарядки сети в 191 МВАР при номинальном напряжении для генераторов путем обеспечения отрицательного возбуждения генераторов. Критическое состояние работы, вызывающее нестабильность напряжения, также может быть вызвано отключением нагрузки на приемном конце. Это явление происходит из-за емкостной нагрузки на машину, на которую дополнительно негативно влияет увеличение скорости генератора. Самовозбуждение и нестабильность напряжения могут возникнуть, если...

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
Где Xc — реактивное сопротивление емкостной нагрузки, Xq — синхронное реактивное сопротивление по квадратурной оси, а n — максимальное относительное превышение скорости, возникающее при сбросе нагрузки. Предполагалось, что это условие на генераторе Дехара будет устранено путем установки постоянно подключенного шунтирующего реактора сверхвысокого напряжения 400 кВ (75 МВА) на приемном конце линии, как показали проведенные подробные исследования.

Демпферная обмотка
Основная функция демпфирующей обмотки заключается в ее способности предотвращать чрезмерные перенапряжения в случае межфазных замыканий с емкостными нагрузками, тем самым снижая перенапряжение, воздействующее на оборудование. С учетом удаленного расположения и длинных соединительных линий электропередачи были выбраны полностью соединенные демпфирующие обмотки с отношением реактивных сопротивлений квадратурной и прямой осей Xnq/Xnd, не превышающим 1,2.

Характеристики генератора и система возбуждения
Поскольку были выбраны генераторы с нормальными характеристиками, а предварительные исследования показали лишь незначительную устойчивость, было решено использовать высокоскоростное статическое возбуждающее оборудование для повышения запаса устойчивости и достижения наиболее экономичной компоновки оборудования. Были проведены подробные исследования для определения оптимальных характеристик статического возбуждающего оборудования, которые обсуждаются в главе 10.

Сейсмические аспекты
Электростанция Дехар находится в сейсмической зоне. В соответствии с рекомендациями производителей оборудования и с учетом сейсмических и геологических условий на площадке, а также отчета Комитета экспертов по землетрясениям Койна, созданного правительством Индии при содействии ЮНЕСКО, в проект гидрогенератора на электростанции Дехар были предложены следующие положения.

Механическая прочность
Генераторы Дехара должны быть спроектированы таким образом, чтобы безопасно выдерживать максимальную силу ускорения землетрясения как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, ожидаемую в Дехаре и действующую в центре машины.

Собственная частота
Собственная частота машины должна быть значительно выше магнитной частоты 100 Гц (вдвое превышающей частоту генератора). Эта собственная частота будет значительно отличаться от частоты землетрясения, и будет проверена на наличие достаточного запаса по отношению к преобладающей частоте землетрясения и критической скорости вращения системы.

Опора статора генератора
Фундаменты статора генератора и нижних упорных и направляющих подшипников состоят из ряда опорных плит. Опорные плиты крепятся к фундаменту не только в вертикальном направлении, но и в поперечном направлении с помощью анкерных болтов.

Конструкция направляющего подшипника
Направляющие подшипники должны быть сегментного типа, а их части должны быть усилены, чтобы выдерживать полную силу землетрясения. Производители также рекомендовали скрепить верхний кронштейн в поперечном направлении с корпусом генератора с помощью стальных балок. Это также означало бы, что бетонный корпус, в свою очередь, должен быть усилен.

Обнаружение вибрации генераторов
Рекомендуется устанавливать на турбинах и генераторах детекторы вибрации или эксцентриситеты для инициирования остановки и подачи сигнала тревоги в случае, если вибрации, вызванные землетрясением, превысят заданное значение. Это устройство также может использоваться для обнаружения любых необычных вибраций агрегата, вызванных гидравлическими условиями, влияющими на турбину.

Контакты Mercury
Сильные толчки, вызванные землетрясением, могут привести к ложным срабатываниям, инициирующим отключение устройства, если используются ртутные контакты. Этого можно избежать, либо используя антивибрационные ртутные выключатели, либо, при необходимости, добавив реле времени.

Выводы
(1) Значительная экономия на стоимости оборудования и конструкций на электростанции Дехар была достигнута за счет использования блоков большого размера с учетом размера сети и ее влияния на резервную мощность системы.
(2) Стоимость генераторов была снижена за счет применения зонтичной конструкции, которая теперь возможна для крупных высокоскоростных гидрогенераторов благодаря разработке высокопрочной стали для штамповки обода ротора.
(3) Приобретение генераторов с естественным высоким коэффициентом мощности после детальных исследований привело к дальнейшей экономии средств.
(4) Нормальный эффект маховика вращающихся частей генератора на станции регулирования частоты в Дехаре считался достаточным для стабильности системы регулятора турбины из-за большой взаимосвязанной системы.
(5) Специальные параметры удаленных генераторов, питающих сети сверхвысокого напряжения, для обеспечения электрической стабильности могут быть обеспечены системами статического возбуждения с быстрым откликом.
(6) Быстродействующие статические системы возбуждения могут обеспечить необходимые запасы устойчивости. Однако такие системы требуют стабилизирующих сигналов обратной связи для достижения устойчивости после сбоя. Необходимо провести подробные исследования.
(7) Самовозбуждение и нестабильность напряжения удаленных генераторов, соединенных с сетью длинными линиями сверхвысокого напряжения, можно предотвратить путем увеличения мощности зарядки машины за счет использования отрицательного возбуждения и/или применения постоянно подключенных шунтирующих реакторов сверхвысокого напряжения.
(8) При проектировании генераторов и их фундаментов можно предусмотреть меры защиты от сейсмических сил с минимальными затратами.

Основные параметры генераторов Дехара
Коэффициент короткого замыкания = 1,06
Переходное реактивное сопротивление по прямой оси = 0,2
Эффект маховика = 39,5 x 106 фунт-фут²
Xnq/Xnd не более = 1,2