Jeneratör Volan Etkisi ve Türbin Regülatör Sisteminin Kararlılığı

Jeneratör Volan Etkisi ve Türbin Vali Sisteminin KararlılığıJeneratör Volan Etkisi ve Türbin Vali Sisteminin KararlılığıJeneratör Volan Etkisi ve Türbin Vali Sisteminin KararlılığıJeneratör Volan Etkisi ve Türbin Vali Sisteminin Kararlılığı
Büyük modern hidro jeneratörler daha küçük atalet sabitine sahiptir ve türbin yönetim sisteminin kararlılığıyla ilgili sorunlarla karşılaşabilirler. Bunun nedeni, kontrol cihazları çalıştırıldığında ataleti nedeniyle basınç borularında su darbesine neden olan türbin suyunun davranışıdır. Bu genellikle hidrolik ivme zaman sabitleriyle karakterize edilir. İzole çalışmada, tüm sistemin frekansı türbin regülatörü tarafından belirlendiğinde su darbesi hız yönetimini etkiler ve kararsızlık avlanma veya frekans salınımı olarak ortaya çıkar. Büyük bir sistemle birbirine bağlı çalışma için frekans esasen ikincisi tarafından sabit tutulur. Su darbesi daha sonra sisteme verilen gücü etkiler ve kararlılık sorunu yalnızca güç kapalı bir devrede kontrol edildiğinde, yani frekans düzenlemesinde yer alan hidro jeneratörler durumunda ortaya çıkar.

Türbin regülatör dişlisinin kararlılığı, su kütlelerinin hidrolik ivme zaman sabitinden kaynaklanan mekanik ivme zaman sabitinin oranı ve regülatörün kazancı tarafından büyük ölçüde etkilenir. Yukarıdaki oranın azaltılması, dengesizleştirici bir etkiye sahiptir ve regülatör kazancının azaltılmasını gerektirir; bu da frekans kararlılığını olumsuz etkiler. Buna göre, normalde yalnızca jeneratörde sağlanabilen bir hidro ünitesinin dönen parçaları için minimum bir volan etkisi gereklidir. Alternatif olarak, mekanik ivme zaman sabiti bir basınç tahliye vanası veya bir dalgalanma tankı vb. sağlanarak azaltılabilir, ancak genellikle çok maliyetlidir. Bir hidro üretim ünitesinin hız düzenleme yeteneği için deneysel bir kriter, bağımsız olarak çalışan ünitenin tüm nominal yükünün reddedilmesi üzerine gerçekleşebilecek ünitenin hız artışına dayanabilir. Büyük, birbirine bağlı sistemlerde çalışan ve sistem frekansını düzenlemesi gereken güç üniteleri için, yukarıda hesaplanan yüzde hız artış endeksinin %45'i geçmediği kabul edilmiştir. Daha küçük sistemler için daha küçük hız artışı sağlanmalıdır (Bölüm 4'e bakın).

Girişten Dehar Enerji Santraline kadar uzunlamasına kesit
(Kaynak: Yazarın Makalesi – 2. Dünya Kongresi, Uluslararası Su Kaynakları Birliği 1979) Dehar Elektrik Santrali için, dengeleme deposunu su alımı, basınç tüneli, diferansiyel dalgalanma tankı ve penstok içeren güç ünitesine bağlayan hidrolik basınçlı su sistemi gösterilmiştir. Penstoklardaki maksimum basınç artışını %35 ile sınırlandırarak, tam yükün reddedilmesi üzerine ünitenin tahmini maksimum hız artışı yaklaşık %45 olarak hesaplanmıştır ve bir regülatör kapatılmıştır
282 m (925 ft) nominal yükseklikte jeneratörün dönen parçalarının normal volan etkisiyle (yani sadece sıcaklık artışı hususlarına göre sabitlenmiş) 9,1 saniyelik zaman. Çalışmanın ilk aşamasında hız artışının %43'ten fazla olmadığı bulundu. Buna göre normal volan etkisinin sistemin frekansını düzenlemek için yeterli olduğu düşünüldü.

Jeneratör Parametreleri ve Elektriksel Stabilite
Kararlılık üzerinde etkisi olan jeneratör parametreleri volan etkisi, geçici reaktans ve kısa devre oranıdır. Dehar'daki 420 kV EHV sisteminin geliştirilmesinin ilk aşamasında zayıf sistem, düşük kısa devre seviyesi, önde gelen güç faktöründe çalışma ve iletim çıkışları sağlamada ve üretim ünitelerinin boyut ve parametrelerini sabitlemede ekonomi ihtiyacı nedeniyle kararlılık sorunları kritik olabilir. Dehar EHV sistemi için ağ analizöründe (geçici reaktansın arkasında sabit voltaj kullanılarak) yapılan geçici kararlılık ön çalışmaları da yalnızca marjinal kararlılığın elde edileceğini gösterdi. Dehar Enerji Santrali'nin tasarımının erken aşamasında normal
diğer faktörlerin parametrelerini optimize ederek kararlılık özelliklerini ve gerekliliklerini elde etmek, özellikle uyarma sisteminin parametrelerini ekonomik olarak daha ucuz bir alternatif olurdu. İngiliz Sisteminin bir çalışmasında da jeneratör parametrelerini değiştirmenin kararlılık marjları üzerinde nispeten çok daha az etkiye sahip olduğu gösterildi. Buna göre, ekte verilen normal jeneratör parametreleri jeneratör için belirtildi. Gerçekleştirilen ayrıntılı kararlılık çalışmaları verilmiştir

Hat Şarj Kapasitesi ve Voltaj Stabilitesi
Makinenin hat şarj kapasitesinden daha fazla şarj kVA'sı olan uzun boş EHV hatlarını şarj etmek için kullanılan uzak konumlu hidro jeneratörler, makine kendi kendine uyarılabilir ve voltaj kontrol dışı yükselebilir. Kendi kendine uyarılma koşulu xc < xd'dir, burada xc kapasitif yük reaktansıdır ve xd senkron doğrudan eksen reaktansıdır. Tek bir 420 kV boş hat E2 /xc'yi Panipat'a (alıcı uç) kadar şarj etmek için gereken kapasite, anma geriliminde yaklaşık 150 MVAR'dı. İkinci aşamada eşdeğer uzunlukta ikinci bir 420 kV hat kurulduğunda, her iki boş hattı aynı anda anma geriliminde şarj etmek için gereken hat şarj kapasitesi yaklaşık 300 MVAR olurdu.

Ekipman tedarikçileri tarafından bildirildiği üzere Dehar jeneratöründen nominal gerilimde mevcut hat şarj kapasitesi aşağıdaki gibidir:
(i) Yüzde 70 nominal MVA, yani 121,8 MVAR hat şarjı, yüzde 10'luk minimum pozitif uyarma ile mümkündür.
(ii)Anma MVA'nın %87'sine kadar, yani 139 MVAR hat şarj kapasitesi, minimum %1 pozitif uyartımla mümkündür.
(iii)BSS'ye göre, yaklaşık %5 negatif uyartımla nominal MVAR'ın %100'üne kadar, yani 173,8 hat şarj kapasitesi elde edilebilir ve %10 negatif uyartımla elde edilebilecek maksimum hat şarj kapasitesi nominal MVA'nın %110'udur (191 MVAR).
(iv) Hat şarj kapasitelerinde daha fazla artış yalnızca makinenin boyutunu artırarak mümkündür. (ii) ve (iii) durumunda, uyarmanın elle kontrol edilmesi mümkün değildir ve hızlı etkili otomatik voltaj regülatörlerinin sürekli çalışmasına tam olarak güvenilmelidir. Hat şarj kapasitelerini artırma amacıyla makinenin boyutunu artırmak ne ekonomik olarak uygulanabilir ne de arzu edilirdir. Buna göre, operasyonun ilk aşamasındaki çalışma koşulları dikkate alınarak jeneratörlerde negatif uyarma sağlanarak jeneratörler için nominal voltajda 191 MVAR'lık bir hat şarj kapasitesi sağlanmasına karar verilmiştir. Voltaj dengesizliğine neden olan kritik çalışma koşulu, alıcı uçtaki yükün bağlantısının kesilmesinden de kaynaklanabilir. Bu olgu, jeneratörün hız artışıyla daha da olumsuz etkilenen makinedeki kapasitif yükleme nedeniyle oluşur. Aşağıdaki durumlarda kendi kendine uyarma ve voltaj dengesizliği meydana gelebilir.

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
Burada, Xc kapasitif yük reaktansı, Xq kare eksen senkron reaktansı ve n yük reddi sırasında oluşan maksimum bağıl aşırı hızdır. Dehar jeneratöründeki bu durumun, yapılan detaylı çalışmalara göre hattın alıcı ucunda kalıcı olarak bağlı 400 kV EHV şönt reaktör (75 MVA) sağlanarak ortadan kaldırılması önerilmiştir.

Damper sarımı
Bir damper sargısının temel işlevi, kapasitif yüklerle hatlar arası arızalar durumunda aşırı aşırı gerilimleri önleme kapasitesidir, böylece ekipman üzerindeki aşırı gerilim stresini azaltır. Uzak konum ve uzun birbirine bağlı iletim hatları dikkate alındığında, karesel ve doğrudan eksen reaktansları Xnq/Xnd oranı 1,2'yi aşmayan tam bağlı damper sargıları belirtildi.

Jeneratör Karakteristiği ve Uyarma Sistemi
Normal karakteristikleri belirtilen ve ön çalışmalar sadece marjinal kararlılığı gösterdiği için, genel olarak en ekonomik ekipman düzenlemesini elde etmek için kararlılık marjlarını iyileştirmek amacıyla yüksek hızlı statik uyarım ekipmanının kullanılmasına karar verildi. Statik uyarım ekipmanının optimum karakteristiklerini belirlemek için detaylı çalışmalar yürütüldü ve 10. bölümde tartışıldı.

Sismik Hususlar
Dehar Elektrik Santrali sismik bölgede yer almaktadır. Dehar'daki hidro jeneratör tasarımında aşağıdaki hükümler, ekipman üreticileriyle istişare edilerek ve sahadaki sismik ve jeolojik koşullar ve Hindistan Hükümeti tarafından UNESCO'nun yardımıyla oluşturulan Koyna Deprem Uzmanları Komitesi'nin raporu dikkate alınarak önerilmiştir.

Mekanik Güç
Dehar jeneratörleri, Dehar'da beklenen ve makinenin merkezine etki eden hem düşey hem de yatay yöndeki maksimum deprem ivmelenme kuvvetine güvenli bir şekilde dayanacak şekilde tasarlanmalıdır.

Doğal Frekans
Makinenin doğal frekansı 100 Hz'lik manyetik frekanstan (jeneratör frekansının iki katı) oldukça uzakta (daha yüksek) tutulmalıdır. Bu doğal frekans deprem frekansından çok uzakta olacak ve depremin baskın frekansına ve dönen sistemin kritik hızına karşı yeterli marj olup olmadığı kontrol edilecektir.

Jeneratör stator desteği
Jeneratör statoru ve alt itme ve kılavuz yatak temelleri bir dizi taban plakasından oluşur. Taban plakaları, temel cıvataları ile normal dikey yöne ek olarak yanal olarak temele bağlanır.

Kılavuz Yatak Tasarımı
Kılavuz yatakların segmental tipte olması ve kılavuz yatak parçalarının tam deprem kuvvetine dayanacak şekilde güçlendirilmesi. Üreticiler ayrıca üst braketin çelik kirişler vasıtasıyla namluya (jeneratör muhafazası) yanal olarak bağlanmasını önerdi. Bu aynı zamanda beton namlunun da güçlendirilmesi gerektiği anlamına gelir.

Jeneratörlerin Titreşim Algılaması
Deprem nedeniyle oluşan titreşimlerin önceden belirlenmiş bir değeri aşması durumunda kapatma ve alarm başlatmak için türbinlere ve jeneratörlere titreşim dedektörleri veya eksantriklik ölçerler takılması önerildi. Bu cihaz ayrıca türbini etkileyen hidrolik koşullar nedeniyle bir ünitenin olağandışı titreşimlerini tespit etmek için de kullanılabilir.

Merkür Kontakları
Deprem nedeniyle şiddetli sarsıntı, cıva kontakları kullanılırsa bir ünitenin kapatılmasını başlatmak için yanlış tetiklemeye neden olabilir. Bu, titreşim önleyici tip cıva anahtarları belirtilerek veya gerekli görülürse zamanlama röleleri eklenerek önlenebilir.

Sonuçlar
(1) Şebekenin büyüklüğü ve sistem yedek kapasitesi üzerindeki etkisi göz önünde bulundurularak büyük ünite boyutunun benimsenmesiyle Dehar Enerji Santrali'nde ekipman ve yapı maliyetinde önemli tasarruflar elde edildi.
(2) Rotor jant delme işlemleri için yüksek çekme dayanımlı çeliğin geliştirilmesi sayesinde artık büyük yüksek hızlı hidro jeneratörler için mümkün olan şemsiye tasarımlı yapının benimsenmesiyle jeneratör maliyetleri düşürüldü.
(3) Detaylı çalışmalar sonucunda doğal yüksek güç faktörlü jeneratörlerin tedarik edilmesiyle maliyette daha fazla tasarruf sağlandı.
(4) Dehar'daki frekans düzenleme istasyonunda jeneratörün dönen parçalarının normal volan etkisi, büyük ve birbirine bağlı sistem nedeniyle türbin regülatör sisteminin kararlılığı için yeterli kabul edildi.
(5) Elektriksel kararlılığın sağlanması için EHV şebekelerini besleyen uzak jeneratörlerin özel parametreleri, hızlı tepkili statik uyarma sistemleri ile karşılanabilir.
(6) Hızlı etkili statik uyarım sistemleri gerekli kararlılık marjlarını sağlayabilir. Ancak bu tür sistemler, arıza sonrası kararlılığa ulaşmak için kararlı geri besleme sinyalleri gerektirir. Ayrıntılı çalışmalar yapılmalıdır.
(7) Uzun EHV hatlarıyla şebekeye bağlı uzak jeneratörlerin kendi kendine uyarılması ve gerilim dengesizliği, negatif uyarmaya başvurularak ve/veya kalıcı olarak bağlı EHV şönt reaktörleri kullanılarak makinenin hat şarj kapasitesinin artırılmasıyla önlenebilir.
(8) Jeneratörlerin ve temellerinin tasarımında, sismik kuvvetlere karşı düşük maliyetlerle koruma sağlayacak tedbirler alınabilir.

Dehar Jeneratörlerinin Ana Parametreleri
Kısa Devre Oranı = 1.06
Geçici Reaktans Doğrudan Eksen = 0.2
Volan Etkisi = 39,5 x 106 lb ft2
Xnq/Xnd = 1.2'den büyük değil