Vpliv vztrajnika generatorja in stabilnost sistema turbinskega regulatorja

Vpliv vztrajnika generatorja in stabilnost regulatorja turbineVpliv vztrajnika generatorja in stabilnost regulatorja turbineVpliv vztrajnika generatorja in stabilnost regulatorja turbineVpliv vztrajnika generatorja in stabilnost regulatorja turbine
Veliki sodobni hidrogeneratorji imajo manjšo vztrajnostno konstanto in se lahko soočajo s težavami glede stabilnosti sistema regulacije turbin. To je posledica obnašanja turbinske vode, ki zaradi svoje vztrajnosti povzroča vodni udar v tlačnih ceveh, ko delujejo krmilne naprave. To je na splošno značilno za časovne konstante hidravličnega pospeška. Pri izoliranem delovanju, ko frekvenco celotnega sistema določa regulator turbine, vodni udar vpliva na regulacijo hitrosti, nestabilnost pa se kaže kot nihanje ali nihanje frekvence. Pri medsebojno povezanem delovanju z velikim sistemom slednji v bistvu ohranja frekvenco konstantno. Vodni udar nato vpliva na moč, ki se dovaja sistemu, težave s stabilnostjo pa se pojavijo le, če je moč regulirana v zaprti zanki, tj. v primeru tistih hidrogeneratorjev, ki sodelujejo pri regulaciji frekvence.

Na stabilnost zobniškega mehanizma turbinskega regulatorja močno vpliva razmerje med časovno konstanto mehanskega pospeška zaradi časovne konstante hidravličnega pospeška vodnih mas in ojačanjem regulatorja. Zmanjšanje zgornjega razmerja ima destabilizirajoči učinek in zahteva zmanjšanje ojačanja regulatorja, kar negativno vpliva na stabilizacijo frekvence. Zato je potreben minimalni učinek vztrajnika za vrteče se dele hidroelektrarne, ki ga je običajno mogoče zagotoviti le v generatorju. Druga možnost je, da se časovna konstanta mehanskega pospeška zmanjša z namestitvijo tlačnega varnostnega ventila ali izravnalne posode itd., vendar je to na splošno zelo drago. Empirično merilo za sposobnost regulacije hitrosti hidroelektrarne bi lahko temeljilo na povečanju hitrosti enote, ki se lahko zgodi ob izključitvi celotne nazivne obremenitve enote, ki deluje neodvisno. Za elektrarne, ki delujejo v velikih medsebojno povezanih sistemih in morajo regulirati sistemsko frekvenco, se je štelo, da odstotni indeks povečanja hitrosti, kot je izračunan zgoraj, ne presega 45 odstotkov. Za manjše sisteme je treba zagotoviti manjše povečanje hitrosti (glej poglavje 4).

Vzdolžni prerez od dovoda do elektrarne Dehar
(Vir: Članek avtorja – 2. svetovni kongres, Mednarodno združenje za vodne vire 1979) Za elektrarno Dehar je prikazan hidravlični tlačni vodni sistem, ki povezuje uravnoteženje skladišča z elektrarno, ki ga sestavljajo dovod vode, tlačni tunel, diferencialni izravnalni rezervoar in cevovod. Z omejitvijo največjega dviga tlaka v cevovodih na 35 odstotkov je ocenjeni največji dvig hitrosti enote ob zavrnitvi polne obremenitve izračunan na približno 45 odstotkov z zaprtim regulatorjem.
čas 9,1 sekunde pri nazivnem tlaku 282 m (925 ft) z normalnim vztrajniškim učinkom vrtečih se delov generatorja (tj. fiksiran samo glede na dvig temperature). V prvi fazi delovanja je bilo ugotovljeno, da dvig hitrosti ni bil večji od 43 odstotkov. Zato je bilo ugotovljeno, da je normalni vztrajniški učinek zadosten za regulacijo frekvence sistema.

Parametri generatorja in električna stabilnost
Parametri generatorja, ki vplivajo na stabilnost, so vztrajnikov učinek, prehodna reaktanca in razmerje kratkega stika. V začetni fazi razvoja 420 kV EHV sistema, kot je v Deharju, so težave s stabilnostjo verjetno kritične zaradi šibkega sistema, nižje ravni kratkega stika, delovanja z vodilnim faktorjem moči in potrebe po ekonomičnosti pri zagotavljanju prenosnih vtičnic ter določanju velikosti in parametrov proizvodnih enot. Predhodne študije prehodne stabilnosti na analizatorju omrežja (z uporabo konstantne napetosti za prehodno reaktanco) za sistem EHV Dehar so prav tako pokazale, da bo dosežena le mejna stabilnost. V zgodnji fazi načrtovanja elektrarne Dehar je bilo upoštevano, da je treba določiti generatorje z normalno...
Izboljšanje karakteristik in doseganje zahtev stabilnosti z optimizacijo parametrov drugih dejavnikov, zlasti vzbujevalnega sistema, bi bila ekonomsko cenejša alternativa. V študiji britanskega sistema je bilo tudi dokazano, da imajo spreminjanje parametrov generatorja relativno manjši vpliv na meje stabilnosti. V skladu s tem so bili za generator določeni normalni parametri generatorja, kot so navedeni v dodatku. Podane so podrobne študije stabilnosti.

Zmogljivost polnjenja in stabilnost napetosti
Pri oddaljenih hidrogeneratorjih, ki se uporabljajo za polnjenje dolgih neobremenjenih visokonapetostnih vodov, katerih polnilna moč v kVA je večja od polnilne zmogljivosti stroja, se lahko stroj samovzbudi in napetost nenadzorovano naraste. Pogoj za samovzburjenje je, da je xc < xd, kjer je xc kapacitivna reaktanca obremenitve in xd sinhrona reaktanca direktne osi. Potrebna zmogljivost za polnjenje enega samega neobremenjenega 420 kV voda E2/xc do Panipata (sprejemni konec) je bila približno 150 MVAR pri nazivni napetosti. V drugi fazi, ko je nameščen drugi 420 kV vod enakovredne dolžine, bi bila polnilna zmogljivost voda, potrebna za hkratno polnjenje obeh neobremenjenih vodov pri nazivni napetosti, približno 300 MVAR.

Zmogljivost polnjenja linije pri nazivni napetosti iz generatorja Dehar, kot so jo navedli dobavitelji opreme, je bila naslednja:
(i) 70 odstotkov nazivne moči MVA, tj. polnjenje omrežja 121,8 MVAR, je možno z minimalnim pozitivnim vzbujanjem 10 odstotkov.
(ii) Do 87 odstotkov nazivne MVA, tj. 139 MVAR zmogljivosti polnjenja omrežja, je mogoče doseči z minimalnim pozitivnim vzbujanjem 1 odstotka.
(iii) Do 100 odstotkov nazivne MVAR, tj. 173,8 zmogljivosti polnjenja omrežja, je mogoče doseči s približno 5-odstotnim negativnim vzbujanjem, največja zmogljivost polnjenja omrežja, ki jo je mogoče doseči z negativnim vzbujanjem 10 odstotkov, pa znaša 110 odstotkov nazivne MVA (191 MVAR) v skladu z BSS.
(iv) Nadaljnje povečanje zmogljivosti polnjenja v omrežju je mogoče le s povečanjem velikosti stroja. V primeru (ii) in (iii) ročno upravljanje vzbujanja ni mogoče in se je treba v celoti zanašati na neprekinjeno delovanje hitro delujočih avtomatskih regulatorjev napetosti. Povečevanje velikosti stroja za povečanje zmogljivosti polnjenja v omrežju ni niti ekonomsko izvedljivo niti zaželeno. Zato je bilo ob upoštevanju obratovalnih pogojev v prvi fazi delovanja odločeno, da se zagotovi zmogljivost polnjenja v omrežju 191 MVAR pri nazivni napetosti za generatorje z zagotavljanjem negativnega vzbujanja na generatorjih. Kritično obratovalno stanje, ki povzroča nestabilnost napetosti, lahko povzroči tudi odklop bremena na sprejemnem koncu. Pojav se pojavi zaradi kapacitivne obremenitve stroja, na katero negativno vpliva tudi naraščanje hitrosti generatorja. Do samovzburjenja in nestabilnosti napetosti lahko pride, če ...

Xc ≤ n² (Xq + XT)
Kjer je Xc kapacitivna reaktanca obremenitve, Xq sinhrona reaktanca kvadraturne osi in n največja relativna prekoračitev hitrosti, ki se pojavi pri zavrnitvi obremenitve. Predlagano je bilo, da se ta pogoj na Deharjevem generatorju odpravi z vgradnjo trajno priključenega 400 kV EHV reaktančnega reaktorja (75 MVA) na sprejemnem koncu voda, kot je bilo izvedeno v podrobnih študijah.

Navijanje dušilca
Glavna funkcija dušilnega navitja je njegova sposobnost preprečevanja prekomernih prenapetosti v primeru medfaznih napak s kapacitivnimi obremenitvami, s čimer se zmanjša prenapetostna obremenitev opreme. Ob upoštevanju oddaljene lokacije in dolgih medsebojno povezanih daljnovodov so bila določena popolnoma povezana dušilna navitja z razmerjem kvadraturnih in neposrednih reaktanc Xnq/Xnd, ki ne presega 1,2.

Karakteristika generatorja in vzbujevalni sistem
Ker so bili določeni generatorji z normalnimi karakteristikami in so predhodne študije pokazale le mejno stabilnost, je bilo odločeno, da se za izboljšanje mej stabilnosti uporabi oprema za statično vzbujanje z visokimi hitrostmi, da se doseže na splošno najbolj ekonomična razporeditev opreme. Izvedene so bile podrobne študije za določitev optimalnih značilnosti opreme za statično vzbujanje, ki so obravnavane v 10. poglavju.

Seizmični vidiki
Elektrarna Dehar spada v potresno območje. Naslednje določbe pri zasnovi hidrogeneratorja v Deharju so bile predlagane v posvetovanju s proizvajalci opreme ter ob upoštevanju potresnih in geoloških razmer na lokaciji ter poročila odbora strokovnjakov za potres Koyna, ki ga je ustanovila indijska vlada s pomočjo Unesca.

Mehanska trdnost
Dehar generatorji morajo biti zasnovani tako, da varno prenesejo največjo silo pospeška potresa v navpični in vodoravni smeri, ki se pričakuje pri Deharju in deluje v središču stroja.

Naravna frekvenca
Naravna frekvenca stroja mora biti precej oddaljena (višja) od magnetne frekvence 100 Hz (dvakratnik frekvence generatorja). Ta naravna frekvenca bo daleč od frekvence potresa in bo preverjena glede ustreznega odstopanja od prevladujoče frekvence potresa in kritične hitrosti vrtečega se sistema.

Nosilec statorja generatorja
Temelji statorja generatorja in spodnjih aksialnih in vodilnih ležajev so sestavljeni iz več temeljnih plošč. Temeljne plošče so na temelj pritrjene tudi bočno in v normalni navpični smeri s temeljnimi vijaki.

Zasnova vodilnega ležaja
Vodilni ležaji naj bodo segmentnega tipa, deli vodilnih ležajev pa naj bodo ojačani, da prenesejo polno potresno silo. Proizvajalci nadalje priporočajo, da se zgornji nosilec bočno poveže z cevjo (ohišjem generatorja) s pomočjo jeklenih nosilcev. To bi pomenilo tudi, da bi bilo treba okrepiti betonsko cev.

Zaznavanje vibracij generatorjev
Priporočljiva je bila namestitev detektorjev vibracij ali merilnikov ekscentričnosti na turbine in generatorje za sprožitev zaustavitve in alarma v primeru, da vibracije zaradi potresa presežejo vnaprej določeno vrednost. Ta naprava se lahko uporablja tudi za zaznavanje nenavadnih vibracij enote zaradi hidravličnih pogojev, ki vplivajo na turbino.

Živo srebro Stiki
Močno tresenje zaradi potresa lahko povzroči lažno sprožitev za izklop enote, če se uporabljajo živosrebrni kontakti. Temu se je mogoče izogniti z uporabo protivibracijskih živosrebrnih stikal ali, če je potrebno, z dodajanjem časovnih relejev.

Zaključki
(1) Z uporabo velikih enot, ob upoštevanju velikosti omrežja in njegovega vpliva na proste zmogljivosti sistema, so bili doseženi znatni prihranki pri stroških opreme in konstrukcije v elektrarni Dehar.
(2) Stroški generatorjev so se zmanjšali z uvedbo krovne zasnove konstrukcije, ki je zdaj mogoča za velike visokohitrostne hidrogeneratorje zaradi razvoja visoko nateznega jekla za prebijanje rotorskih obročev.
(3) Nabava naravnih generatorjev z visokim faktorjem moči po podrobnih študijah je privedla do dodatnih prihrankov pri stroških.
(4) Normalni vztrajniški učinek vrtečih se delov generatorja na frekvenčno regulacijski postaji v Deharju je bil zaradi velikega medsebojno povezanega sistema ocenjen kot zadosten za stabilnost sistema turbinskega regulatorja.
(5) Posebne parametre oddaljenih generatorjev, ki napajajo omrežja z visoko napetostjo, za zagotavljanje električne stabilnosti je mogoče doseči s hitro odzivnimi statičnimi vzbujevalnimi sistemi.
(6) Hitro delujoči statični vzbujevalni sistemi lahko zagotovijo potrebne rezerve stabilnosti. Vendar pa takšni sistemi zahtevajo stabilizacijske povratne signale za doseganje stabilnosti po okvari. Izvesti je treba podrobne študije.
(7) Samovzburjenje in nestabilnost napetosti oddaljenih generatorjev, ki so z omrežjem povezani z dolgimi visokonapetostnimi vodi, je mogoče preprečiti s povečanjem polnilne zmogljivosti stroja z negativnim vzbujanjem in/ali z uporabo trajno priključenih visokonapetostnih premičnih reaktorjev.
(8) Pri načrtovanju generatorjev in njihovih temeljev se lahko predvidijo zaščitni ukrepi pred potresnimi silami z majhnimi stroški.

Glavni parametri generatorjev Dehar
Razmerje kratkega stika = 1,06
Prehodna reaktanca direktne osi = 0,2
Učinek vztrajnika = 39,5 x 106 lb ft²
Xnq/Xnd ni večje od = 1,2