ผลกระทบของล้อช่วยแรงของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและความเสถียรของระบบควบคุมกังหัน

ผลกระทบของล้อช่วยแรงของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและความเสถียรของระบบควบคุมกังหัน ผลกระทบของล้อช่วยแรงของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและความเสถียรของระบบควบคุมกังหัน ผลกระทบของล้อช่วยแรงของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและความเสถียรของระบบควบคุมกังหัน ผลกระทบของล้อช่วยแรงของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและความเสถียรของระบบควบคุมกังหัน
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำขนาดใหญ่ที่ทันสมัยมีค่าคงที่ความเฉื่อยต่ำกว่า และอาจประสบปัญหาเกี่ยวกับเสถียรภาพของระบบควบคุมกังหัน เนื่องจากพฤติกรรมของน้ำในกังหัน ซึ่งเนื่องจากความเฉื่อยทำให้เกิดปรากฏการณ์ค้อนน้ำในท่อแรงดันเมื่ออุปกรณ์ควบคุมทำงาน โดยทั่วไปแล้วปรากฏการณ์นี้จะถูกกำหนดโดยค่าคงที่เวลาของการเร่งความเร็วทางไฮดรอลิก ในการทำงานแบบแยกส่วน เมื่อความถี่ของระบบทั้งหมดถูกกำหนดโดยตัวควบคุมกังหัน ค้อนน้ำจะส่งผลต่อการควบคุมความเร็วและทำให้เกิดความไม่เสถียรในรูปแบบของการแกว่งหรือการเปลี่ยนแปลงความถี่ สำหรับการทำงานแบบเชื่อมต่อกับระบบขนาดใหญ่ ความถี่จะคงที่โดยพื้นฐานแล้วโดยระบบหลัง ค้อนน้ำจึงส่งผลต่อกำลังไฟฟ้าที่ป้อนเข้าสู่ระบบ และปัญหาเสถียรภาพจะเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อกำลังไฟฟ้าถูกควบคุมในวงปิด กล่าวคือ ในกรณีของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมความถี่

เสถียรภาพของเกียร์ควบคุมกังหันได้รับผลกระทบอย่างมากจากอัตราส่วนของค่าคงที่เวลาการเร่งความเร็วเชิงกลเนื่องจากค่าคงที่เวลาการเร่งความเร็วเชิงไฮดรอลิกของมวลน้ำ และจากอัตราขยายของตัวควบคุม การลดอัตราส่วนดังกล่าวจะมีผลทำให้ไม่เสถียรและจำเป็นต้องลดอัตราขยายของตัวควบคุม ซึ่งส่งผลเสียต่อการรักษาเสถียรภาพความถี่ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีผลกระทบจากล้อช่วยแรงขั้นต่ำสำหรับชิ้นส่วนที่หมุนได้ของหน่วยผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ ซึ่งโดยปกติแล้วสามารถจัดหาได้เฉพาะในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเท่านั้น หรืออีกทางเลือกหนึ่งคือสามารถลดค่าคงที่เวลาการเร่งความเร็วเชิงกลได้โดยการติดตั้งวาล์วระบายแรงดันหรือถังพักน้ำ ฯลฯ แต่โดยทั่วไปแล้วจะมีค่าใช้จ่ายสูงมาก เกณฑ์เชิงประจักษ์สำหรับความสามารถในการควบคุมความเร็วของหน่วยผลิตไฟฟ้าพลังน้ำอาจพิจารณาจากอัตราการเพิ่มขึ้นของความเร็วของหน่วย ซึ่งอาจเกิดขึ้นเมื่อตัดโหลดพิกัดทั้งหมดของหน่วยที่ทำงานอย่างอิสระ สำหรับหน่วยผลิตไฟฟ้าที่ทำงานในระบบเชื่อมต่อขนาดใหญ่และจำเป็นต้องควบคุมความถี่ของระบบ ดัชนีอัตราการเพิ่มขึ้นของความเร็วเป็นเปอร์เซ็นต์ที่คำนวณไว้ข้างต้นถือว่าไม่เกิน 45 เปอร์เซ็นต์ สำหรับระบบขนาดเล็กกว่า อาจมีอัตราการเพิ่มขึ้นของความเร็วที่น้อยกว่า (ดูบทที่ 4)

ภาพตัดขวางตามแนวยาวจากจุดรับน้ำไปยังโรงไฟฟ้าเดฮาร์
(ที่มา: บทความโดยผู้เขียน – การประชุมระดับโลกครั้งที่ 2 สมาคมทรัพยากรน้ำระหว่างประเทศ ปี 1979) สำหรับโรงไฟฟ้าเดฮาร์ ระบบน้ำแรงดันไฮดรอลิกที่เชื่อมต่อถังเก็บน้ำปรับสมดุลกับหน่วยผลิตไฟฟ้า ซึ่งประกอบด้วยท่อรับน้ำ อุโมงค์แรงดัน ถังพักน้ำ และท่อส่งน้ำ แสดงไว้ในภาพ เมื่อจำกัดการเพิ่มขึ้นของแรงดันสูงสุดในท่อส่งน้ำไว้ที่ 35 เปอร์เซ็นต์ การเพิ่มขึ้นของความเร็วสูงสุดโดยประมาณของหน่วยผลิตไฟฟ้าเมื่อลดภาระเต็มพิกัดลง จะอยู่ที่ประมาณ 45 เปอร์เซ็นต์ โดยมีตัวควบคุมปิดการทำงาน
เวลา 9.1 วินาที ที่ระดับความสูงพิกัด 282 เมตร (925 ฟุต) โดยใช้แรงเหวี่ยงปกติของชิ้นส่วนหมุนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (กล่าวคือ พิจารณาเฉพาะการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเท่านั้น) ในขั้นตอนแรกของการทำงาน พบว่าความเร็วเพิ่มขึ้นไม่เกิน 43 เปอร์เซ็นต์ ดังนั้นจึงพิจารณาว่าแรงเหวี่ยงปกติเพียงพอสำหรับการควบคุมความถี่ของระบบ

พารามิเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและความเสถียรทางไฟฟ้า
พารามิเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีผลต่อเสถียรภาพ ได้แก่ ผลกระทบจากล้อหมุน (flywheel effect) รีแอกแทนซ์ชั่วขณะ (transient reactance) และอัตราส่วนกระแสลัดวงจร (short circuit ratio) ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนาระบบไฟฟ้าแรงสูงพิเศษ 420 kV เช่นที่เมืองเดฮาร์ ปัญหาเรื่องเสถียรภาพมีแนวโน้มที่จะวิกฤต เนื่องจากระบบอ่อนแอ ระดับกระแสลัดวงจรต่ำ การทำงานที่ตัวประกอบกำลังนำ (leading power factor) และความจำเป็นในการประหยัดค่าใช้จ่ายในการจัดหาจุดส่งไฟฟ้าและการกำหนดขนาดและพารามิเตอร์ของหน่วยผลิตไฟฟ้า การศึกษาเสถียรภาพชั่วขณะเบื้องต้นโดยใช้เครื่องวิเคราะห์เครือข่าย (โดยใช้แรงดันคงที่หลังรีแอกแทนซ์ชั่วขณะ) สำหรับระบบไฟฟ้าแรงสูงพิเศษของเดฮาร์ยังบ่งชี้ว่าจะมีเสถียรภาพเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ในช่วงเริ่มต้นของการออกแบบโรงไฟฟ้าเดฮาร์ ได้มีการพิจารณาว่าการกำหนดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีค่าปกติ
ลักษณะเฉพาะและการบรรลุข้อกำหนดด้านเสถียรภาพโดยการปรับพารามิเตอร์ของปัจจัยอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งระบบกระตุ้น จะเป็นทางเลือกที่ประหยัดกว่าในเชิงเศรษฐกิจ ในการศึกษาระบบของอังกฤษก็แสดงให้เห็นว่า การเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีผลกระทบต่อขอบเขตเสถียรภาพค่อนข้างน้อย ดังนั้นจึงได้กำหนดพารามิเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าปกติตามที่ระบุไว้ในภาคผนวกสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า การศึกษาเสถียรภาพโดยละเอียดที่ดำเนินการได้ระบุไว้แล้ว

ความสามารถในการชาร์จสายและเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้า
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำที่ตั้งอยู่ห่างไกลซึ่งใช้ในการชาร์จสายส่งไฟฟ้าแรงสูงพิเศษ (EHV) ที่ไม่มีโหลดเป็นเวลานาน โดยที่กำลังการชาร์จ (kVA) มากกว่าความสามารถในการชาร์จของเครื่องจักร อาจทำให้เครื่องจักรเกิดการกระตุ้นตัวเองและแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นจนควบคุมไม่ได้ เงื่อนไขสำหรับการกระตุ้นตัวเองคือ xc < xd โดยที่ xc คือค่าความต้านทานเชิงคาปาซิทีฟของโหลด และ xd คือค่าความต้านทานเชิงแกนตรงแบบซิงโครนัส ความจุที่ต้องการสำหรับการชาร์จสายส่ง 420 kV ที่ไม่มีโหลด E2 /xc หนึ่งเส้นไปจนถึงปานิปัต (ปลายทางรับ) คือประมาณ 150 MVAR ที่แรงดันไฟฟ้าพิกัด ในขั้นตอนที่สอง เมื่อติดตั้งสายส่ง 420 kV เส้นที่สองที่มีความยาวเท่ากัน ความจุการชาร์จที่ต้องการเพื่อชาร์จสายส่งที่ไม่มีโหลดทั้งสองเส้นพร้อมกันที่แรงดันไฟฟ้าพิกัดจะอยู่ที่ประมาณ 300 MVAR

กำลังการชาร์จไฟที่แรงดันไฟฟ้าพิกัดจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า Dehar ตามที่ผู้จำหน่ายอุปกรณ์แจ้งไว้ มีดังนี้:
(i) การชาร์จสาย 70 เปอร์เซ็นต์ MVA ที่กำหนด เช่น 121.8 MVAR สามารถทำได้ด้วยการกระตุ้นบวกขั้นต่ำ 10 เปอร์เซ็นต์
(ii) สามารถชาร์จสายได้สูงสุด 87 เปอร์เซ็นต์ของ MVA ที่กำหนด กล่าวคือ 139 MVAR โดยมีการกระตุ้นบวกขั้นต่ำ 1 เปอร์เซ็นต์
(iii) สามารถได้กำลังการชาร์จสายสูงสุดถึง 100 เปอร์เซ็นต์ของ MVAR ที่กำหนด กล่าวคือ 173.8 MVAR โดยใช้การกระตุ้นเชิงลบประมาณ 5 เปอร์เซ็นต์ และกำลังการชาร์จสายสูงสุดที่สามารถได้โดยใช้การกระตุ้นเชิงลบ 10 เปอร์เซ็นต์ คือ 110 เปอร์เซ็นต์ของ MVA ที่กำหนด (191 MVAR) ตามมาตรฐาน BSS
(iv) การเพิ่มกำลังการชาร์จสายส่งให้มากขึ้นนั้นเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อเพิ่มขนาดของเครื่องจักรเท่านั้น ในกรณีของ (ii) และ (iii) การควบคุมการกระตุ้นด้วยมือเป็นไปไม่ได้ และต้องพึ่งพาการทำงานอย่างต่อเนื่องของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าอัตโนมัติแบบรวดเร็วอย่างเต็มที่ การเพิ่มขนาดของเครื่องจักรเพื่อเพิ่มกำลังการชาร์จสายส่งนั้นไม่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจและไม่พึงประสงค์ ดังนั้น เมื่อพิจารณาสภาพการทำงานในระยะแรกของการดำเนินงาน จึงตัดสินใจจัดให้มีกำลังการชาร์จสายส่ง 191 MVAR ที่แรงดันไฟฟ้าพิกัดสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยการให้การกระตุ้นเชิงลบแก่เครื่องกำเนิดไฟฟ้า สภาวะการทำงานวิกฤตที่ทำให้เกิดความไม่เสถียรของแรงดันไฟฟ้าอาจเกิดจากการตัดการเชื่อมต่อของโหลดที่ปลายทางรับ ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากการโหลดแบบคาปาซิทีฟบนเครื่องจักร ซึ่งได้รับผลกระทบในทางลบเพิ่มเติมจากการเพิ่มความเร็วของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า การกระตุ้นตัวเองและความไม่เสถียรของแรงดันไฟฟ้าอาจเกิดขึ้นได้หาก...

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
โดยที่ Xc คือค่ารีแอกแทนซ์โหลดแบบคาปาซิทีฟ, Xq คือค่ารีแอกแทนซ์ซิงโครนัสแกนตั้งฉาก และ n คือความเร็วเกินสัมพัทธ์สูงสุดที่เกิดขึ้นเมื่อตัดโหลด เงื่อนไขนี้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า Dehar ได้รับการเสนอให้แก้ไขโดยการติดตั้งรีแอกเตอร์ขนานแรงดันสูงพิเศษ 400 kV (75 MVA) ที่ต่อถาวรที่ปลายสายรับ ตามการศึกษาอย่างละเอียดที่ได้ดำเนินการไปแล้ว

ขดลวดแดมเปอร์
หน้าที่หลักของขดลวดแดมเปอร์คือความสามารถในการป้องกันแรงดันไฟเกินในกรณีที่เกิดความผิดพลาดระหว่างสายกับโหลดแบบคาปาซิทีฟ ซึ่งจะช่วยลดความเครียดจากแรงดันไฟเกินต่ออุปกรณ์ โดยคำนึงถึงสถานที่ตั้งที่ห่างไกลและสายส่งเชื่อมต่อที่ยาว ขดลวดแดมเปอร์แบบต่อสมบูรณ์ที่มีอัตราส่วนของค่าความต้านทานเชิงมุมและเชิงแกนตรง Xnq/Xnd ไม่เกิน 1.2 จึงถูกกำหนดไว้

ลักษณะเฉพาะของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและระบบกระตุ้น
เนื่องจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีคุณลักษณะปกติได้รับการกำหนดไว้แล้ว และการศึกษาเบื้องต้นบ่งชี้ว่ามีเสถียรภาพเพียงเล็กน้อย จึงตัดสินใจใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกระตุ้นด้วยไฟฟ้าสถิตความเร็วสูงเพื่อเพิ่มเสถียรภาพให้ดีขึ้น เพื่อให้ได้การจัดวางอุปกรณ์ที่ประหยัดที่สุดโดยรวม มีการศึกษาอย่างละเอียดเพื่อกำหนดคุณลักษณะที่เหมาะสมที่สุดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกระตุ้นด้วยไฟฟ้าสถิต และได้กล่าวถึงไว้ในบทที่ 10

ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับแผ่นดินไหว
โรงไฟฟ้าพลังน้ำเดฮาร์ตั้งอยู่ในเขตแผ่นดินไหว ข้อกำหนดต่อไปนี้ในการออกแบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำที่เดฮาร์ได้รับการเสนอโดยปรึกษาหารือกับผู้ผลิตอุปกรณ์ และคำนึงถึงสภาพแผ่นดินไหวและธรณีวิทยาในพื้นที่ ตลอดจนรายงานของคณะกรรมการผู้เชี่ยวชาญแผ่นดินไหวโคยนาที่จัดตั้งขึ้นโดยรัฐบาลอินเดียโดยความช่วยเหลือจากยูเนสโก

ความแข็งแรงเชิงกล
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเดฮาร์ได้รับการออกแบบให้สามารถทนทานต่อแรงเร่งแผ่นดินไหวสูงสุดได้อย่างปลอดภัย ทั้งในทิศทางแนวตั้งและแนวนอน ซึ่งคาดว่าจะเกิดขึ้นที่จุดศูนย์กลางของเครื่องจักร

ความถี่ธรรมชาติ
ความถี่ธรรมชาติของเครื่องจักรควรอยู่ห่างไกล (สูงกว่า) จากความถี่แม่เหล็ก 100 เฮิรตซ์ (สองเท่าของความถี่เครื่องกำเนิดไฟฟ้า) ความถี่ธรรมชาตินี้จะต้องอยู่ห่างจากความถี่แผ่นดินไหว และต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีระยะห่างที่เพียงพอจากความถี่หลักของแผ่นดินไหวและความเร็ววิกฤตของระบบหมุน

ตัวรองรับสเตเตอร์เครื่องกำเนิดไฟฟ้า
ฐานรองของสเตเตอร์เครื่องกำเนิดไฟฟ้าและแบริ่งรับแรงขับและนำทางด้านล่างประกอบด้วยแผ่นฐานหลายแผ่น แผ่นฐานเหล่านี้จะต้องยึดติดกับฐานรองในแนวด้านข้าง นอกเหนือจากแนวตั้งปกติ โดยใช้สลักเกลียวยึดฐานรอง

การออกแบบตลับลูกปืนนำทาง
ตลับลูกปืนนำทางจะต้องเป็นแบบแบ่งส่วน และชิ้นส่วนตลับลูกปืนนำทางจะต้องได้รับการเสริมความแข็งแรงเพื่อรับแรงแผ่นดินไหวได้อย่างเต็มที่ ผู้ผลิตยังแนะนำเพิ่มเติมให้ยึดโครงยึดด้านบนเข้ากับตัวถัง (ตู้เครื่องกำเนิดไฟฟ้า) ในแนวด้านข้างโดยใช้คานเหล็ก ซึ่งหมายความว่าตัวถังคอนกรีตก็จะต้องได้รับการเสริมความแข็งแรงด้วยเช่นกัน

การตรวจจับการสั่นสะเทือนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
แนะนำให้ติดตั้งเครื่องตรวจจับการสั่นสะเทือนหรือเครื่องวัดความเยื้องศูนย์บนกังหันและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เพื่อสั่งการให้หยุดการทำงานและส่งสัญญาณเตือนในกรณีที่การสั่นสะเทือนเนื่องจากแผ่นดินไหวเกินค่าที่กำหนดไว้ อุปกรณ์นี้ยังสามารถใช้ตรวจจับการสั่นสะเทือนที่ผิดปกติของหน่วยเนื่องจากสภาวะทางไฮดรอลิกที่ส่งผลกระทบต่อกังหันได้อีกด้วย

คอนแทคเลนส์ปรอท
การสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงเนื่องจากแผ่นดินไหวอาจทำให้เกิดการตัดวงจรโดยไม่จำเป็นเพื่อเริ่มการปิดระบบของอุปกรณ์ หากใช้หน้าสัมผัสปรอท ซึ่งสามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการเลือกใช้สวิตช์ปรอทชนิดป้องกันการสั่นสะเทือน หรือหากจำเป็นก็อาจเพิ่มรีเลย์ตั้งเวลาเข้าไป

ข้อสรุป
(1) ประหยัดต้นทุนอุปกรณ์และโครงสร้างได้อย่างมากที่โรงไฟฟ้า Dehar โดยการใช้หน่วยขนาดใหญ่โดยคำนึงถึงขนาดของโครงข่ายและอิทธิพลที่มีต่อกำลังการผลิตสำรองของระบบ
(2) ต้นทุนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าลดลงโดยการนำการออกแบบโครงสร้างแบบร่มมาใช้ ซึ่งปัจจุบันสามารถทำได้สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำความเร็วสูงขนาดใหญ่เนื่องจากการพัฒนาเหล็กกล้าแรงดึงสูงสำหรับการเจาะขอบโรเตอร์
(3) การจัดหาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีปัจจัยกำลังสูงตามธรรมชาติหลังจากการศึกษาอย่างละเอียดส่งผลให้ประหยัดต้นทุนได้มากขึ้น
(4) ผลของฟลายวีลปกติของชิ้นส่วนหมุนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่สถานีควบคุมความถี่ที่เดฮาร์ถือว่าเพียงพอสำหรับเสถียรภาพของระบบควบคุมกังหันเนื่องจากระบบที่เชื่อมต่อกันขนาดใหญ่
(5) พารามิเตอร์พิเศษของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าระยะไกลที่จ่ายไฟให้กับเครือข่าย EHV เพื่อให้มั่นใจถึงเสถียรภาพทางไฟฟ้าสามารถทำได้โดยระบบกระตุ้นไฟฟ้าสถิตที่ตอบสนองอย่างรวดเร็ว
(6) ระบบกระตุ้นคงที่ที่ทำงานได้อย่างรวดเร็วสามารถให้ขอบเขตความเสถียรที่จำเป็นได้ อย่างไรก็ตาม ระบบดังกล่าวต้องการสัญญาณป้อนกลับที่ทำให้เสถียรเพื่อให้ได้ความเสถียรหลังความผิดพลาด ควรมีการศึกษารายละเอียดเพิ่มเติม
(7) การกระตุ้นตัวเองและความไม่เสถียรของแรงดันไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าระยะไกลที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าด้วยสาย EHV ยาวสามารถป้องกันได้โดยการเพิ่มความจุการชาร์จสายของเครื่องจักรโดยการใช้การกระตุ้นเชิงลบและ/หรือโดยการใช้ตัวเหนี่ยวนำ EHV แบบขนานที่เชื่อมต่อถาวร
(8) สามารถจัดเตรียมในการออกแบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและฐานรากเพื่อป้องกันแรงแผ่นดินไหวได้ในราคาที่ไม่แพง

พารามิเตอร์หลักของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า Dehar
อัตราส่วนการลัดวงจร = 1.06
ค่ารีแอกแทนซ์ชั่วคราวแกนตรง = 0.2
ผลของล้อหมุน = 39.5 x 10⁶ ปอนด์-ฟุต²
Xnq/Xnd ไม่มากกว่า = 1.2