Jeneratör Volan Etkisi ve Türbin Regülatör Sisteminin Kararlılığı

Jeneratör Volan Etkisi ve Türbin Regülatör Sisteminin Kararlılığı
Büyük modern hidro jeneratörlerin atalet sabiti daha küçüktür ve türbin kontrol sisteminin kararlılığıyla ilgili sorunlarla karşılaşabilirler. Bu, türbin suyunun davranışından kaynaklanır; ataletinden dolayı kontrol cihazları çalıştırıldığında basınç borularında su darbesine neden olur. Bu durum genel olarak hidrolik ivme zaman sabitleriyle karakterize edilir. İzole çalışmada, tüm sistemin frekansı türbin regülatörü tarafından belirlendiğinde, su darbesi hız kontrolünü etkiler ve kararsızlık salınım veya frekans dalgalanması olarak ortaya çıkar. Büyük bir sistemle birbirine bağlı çalışmada, frekans esasen daha sonra sabit tutulur. Su darbesi daha sonra sisteme verilen gücü etkiler ve kararlılık sorunu yalnızca güç kapalı bir döngüde kontrol edildiğinde, yani frekans regülasyonuna katılan hidro jeneratörlerde ortaya çıkar.

Türbin regülatör dişlisinin kararlılığı, su kütlelerinin hidrolik ivme zaman sabiti ile mekanik ivme zaman sabiti arasındaki oran ve regülatör kazancından büyük ölçüde etkilenir. Yukarıdaki oranın azalması, istikrarsızlaştırıcı bir etkiye sahiptir ve regülatör kazancının azaltılmasını gerektirir; bu da frekans stabilizasyonunu olumsuz etkiler. Buna göre, bir hidroelektrik ünitesinin dönen parçaları için minimum volan etkisi gereklidir ve bu genellikle yalnızca jeneratörde sağlanabilir. Alternatif olarak, mekanik ivme zaman sabiti, bir basınç tahliye vanası veya bir denge tankı vb. sağlanarak azaltılabilir, ancak bu genellikle çok maliyetlidir. Bir hidroelektrik üretim ünitesinin hız düzenleme yeteneği için ampirik bir kriter, ünitenin bağımsız olarak çalışırken tüm nominal yükünün reddedilmesi üzerine meydana gelebilecek hız artışına dayanabilir. Büyük birbirine bağlı sistemlerde çalışan ve sistem frekansını düzenlemesi gereken güç üniteleri için, yukarıda hesaplanan yüzde hız artışı endeksinin %45'i geçmemesi gerektiği kabul edilmiştir. Daha küçük sistemler için daha küçük bir hız artışı sağlanmalıdır (Bkz. Bölüm 4).

Dehar Enerji Santrali'nin su girişinden boyuna kesiti
(Kaynak: Yazarın Bildirisi – 2. Dünya Kongresi, Uluslararası Su Kaynakları Birliği 1979) Dehar Enerji Santrali için, dengeleme deposunu enerji ünitesine bağlayan, su girişi, basınç tüneli, diferansiyel denge tankı ve su borusundan oluşan hidrolik basınçlı su sistemi gösterilmiştir. Su borularındaki maksimum basınç artışını %35 ile sınırlandırarak, tam yükün reddedilmesi üzerine ünitenin tahmini maksimum hız artışı, bir regülatörün kapanmasıyla yaklaşık %45 olarak hesaplanmıştır.
Jeneratörün dönen parçalarının normal volan etkisiyle (yani sadece sıcaklık artışı dikkate alınarak) 282 m (925 ft) nominal düşüş yüksekliğinde 9,1 saniyelik bir süre elde edildi. Çalışmanın ilk aşamasında hız artışının %43'ten fazla olmadığı tespit edildi. Buna göre, normal volan etkisinin sistemin frekansını düzenlemek için yeterli olduğu düşünüldü.

Jeneratör Parametreleri ve Elektriksel Kararlılık
Kararlılığı etkileyen jeneratör parametreleri arasında volan etkisi, geçici reaktans ve kısa devre oranı yer almaktadır. Dehar'daki 420 kV EHV sisteminin geliştirilmesinin ilk aşamasında, zayıf sistem, düşük kısa devre seviyesi, önde gelen güç faktöründe çalışma ve iletim çıkışlarının sağlanmasında ve jeneratör ünitelerinin boyut ve parametrelerinin belirlenmesinde ekonomiklik ihtiyacı nedeniyle kararlılık sorunları kritik olabilir. Dehar EHV sistemi için şebeke analizörü üzerinde (geçici reaktansın arkasındaki sabit voltaj kullanılarak) yapılan ön geçici kararlılık çalışmaları da yalnızca marjinal bir kararlılık elde edileceğini göstermiştir. Dehar Enerji Santrali tasarımının erken aşamasında, normal jeneratörlerin belirlenmesinin uygun olduğu düşünülmüştür.
Özellikle uyarma sistemi olmak üzere diğer faktörlerin parametrelerini optimize ederek kararlılık gereksinimlerini karşılamak, ekonomik olarak daha ucuz bir alternatif olacaktır. İngiliz Sistemi üzerine yapılan bir çalışmada da jeneratör parametrelerinin değiştirilmesinin kararlılık marjları üzerinde nispeten çok daha az etkisi olduğu gösterilmiştir. Buna göre, jeneratör için ekte verilen normal jeneratör parametreleri belirlenmiştir. Yapılan detaylı kararlılık çalışmaları aşağıda verilmiştir.

Şebeke Şarj Kapasitesi ve Voltaj Kararlılığı
Uzun ve yüksüz EHV hatlarını şarj etmek için kullanılan uzaktan konumlandırılmış hidro jeneratörlerin şarj kVA'sı, makinenin hat şarj kapasitesinden fazla olduğunda, makine kendiliğinden uyarılabilir ve gerilim kontrolden çıkabilir. Kendiliğinden uyarılma koşulu, xc < xd olmasıdır; burada xc kapasitif yük reaktansı ve xd senkron doğrudan eksen reaktansıdır. Panipat'a (alıcı uç) kadar tek bir 420 kV yüksüz hat E2/xc'yi şarj etmek için gereken kapasite, nominal gerilimde yaklaşık 150 MVAR'dır. Eşdeğer uzunlukta ikinci bir 420 kV hat kurulduğunda, her iki yüksüz hattı aynı anda nominal gerilimde şarj etmek için gereken hat şarj kapasitesi yaklaşık 300 MVAR olacaktır.

Ekipman tedarikçileri tarafından bildirildiği üzere, Dehar jeneratöründen nominal gerilimde elde edilebilen hat şarj kapasitesi aşağıdaki gibidir:
(i) %70 nominal MVA, yani 121,8 MVAR hat şarjı, %10'luk minimum pozitif uyarım ile mümkündür.
(ii) %1'lik minimum pozitif uyarım ile nominal MVA'nın %87'sine kadar, yani 139 MVAR hat şarj kapasitesi elde edilebilir.
(iii) Yaklaşık %5 negatif uyarma ile nominal MVAR'ın %100'üne kadar, yani 173,8 hat şarj kapasitesi elde edilebilir ve BSS'ye göre %10 negatif uyarma ile elde edilebilecek maksimum hat şarj kapasitesi nominal MVAR'ın %110'udur (191 MVAR).
(iv) Hat şarj kapasitelerinde daha fazla artış, yalnızca makinenin boyutunun artırılmasıyla mümkündür. (ii) ve (iii) durumlarında uyarmanın elle kontrolü mümkün değildir ve hızlı tepki veren otomatik voltaj regülatörlerinin sürekli çalışmasına tamamen güvenilmelidir. Hat şarj kapasitelerini artırmak amacıyla makinenin boyutunu artırmak ne ekonomik olarak uygun ne de arzu edilirdir. Buna göre, işletmenin ilk aşamasındaki çalışma koşulları dikkate alınarak, jeneratörlere negatif uyarma sağlayarak jeneratörler için nominal voltajda 191 MVAR'lık bir hat şarj kapasitesi sağlanmasına karar verildi. Alıcı uçtaki yükün bağlantısının kesilmesi de voltaj kararsızlığına neden olan kritik çalışma koşullarına yol açabilir. Bu olay, makine üzerindeki kapasitif yüklenmeden kaynaklanır ve bu durum jeneratörün hız artışından olumsuz etkilenir. Kendiliğinden uyarma ve voltaj kararsızlığı şu durumlarda meydana gelebilir:

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

Sönümleyici sargısı
Sönümleme sargısının temel işlevi, kapasitif yüklerle hatlar arası arızalar durumunda aşırı gerilimleri önleme kapasitesidir ve böylece ekipman üzerindeki aşırı gerilim stresini azaltır. Uzak konum ve uzun ara bağlantı iletim hatları dikkate alındığında, dik eksen ve doğru eksen reaktanslarının oranı Xnq/Xnd'nin 1,2'yi geçmemesi koşuluyla, tam bağlantılı sönümleme sargıları belirtilmiştir.

Jeneratör Karakteristiği ve Uyarma Sistemi
Normal özelliklere sahip jeneratörlerin belirlenmesi ve ön çalışmaların yalnızca sınırlı bir kararlılık gösterdiğini ortaya koyması üzerine, genel olarak en ekonomik ekipman düzenlemesini sağlamak amacıyla kararlılık marjlarını iyileştirmek için yüksek hızlı statik uyarma ekipmanının kullanılmasına karar verildi. Statik uyarma ekipmanının optimum özelliklerini belirlemek için detaylı çalışmalar yapıldı ve bu çalışmalar 10. bölümde ele alındı.

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

Mekanik Mukavemet
Dehar jeneratörleri, Dehar'da beklenen ve makinenin merkezinde etki eden maksimum deprem ivme kuvvetine hem dikey hem de yatay yönde güvenli bir şekilde dayanacak şekilde tasarlanmalıdır.

Doğal Frekans
Makinenin doğal frekansı, 100 Hz'lik (jeneratör frekansının iki katı) manyetik frekanstan oldukça uzak (daha yüksek) tutulmalıdır. Bu doğal frekans, deprem frekansından oldukça uzak olacak ve depremin baskın frekansına ve dönen sistemin kritik hızına karşı yeterli güvenlik payı açısından kontrol edilmelidir.

Jeneratör stator desteği
Jeneratör statoru ve alt itme ve kılavuz yatak temelleri, bir dizi taban plakasından oluşmaktadır. Taban plakaları, temel cıvataları vasıtasıyla normal dikey yönün yanı sıra yanal olarak da temele bağlanır.

Kılavuz Yatak Tasarımı
Kılavuz yatakların segmentli tipte olması ve kılavuz yatak parçalarının depremin tüm kuvvetine dayanacak şekilde güçlendirilmesi gerekmektedir. Üreticiler ayrıca, üst braketin çelik kirişler vasıtasıyla gövdeye (jeneratör muhafazası) yanlamasına bağlanmasını önermektedir. Bu da beton gövdenin de güçlendirilmesi gerektiği anlamına gelir.

Jeneratörlerin Titreşim Tespiti
Depremden kaynaklanan titreşimlerin önceden belirlenmiş bir değeri aşması durumunda kapatma ve alarm başlatma amacıyla türbinlere ve jeneratörlere titreşim dedektörleri veya eksantriklik ölçerler takılması önerilmiştir. Bu cihaz, türbini etkileyen hidrolik koşullar nedeniyle ünitede meydana gelen olağandışı titreşimleri tespit etmek için de kullanılabilir.

Cıva Temas Noktaları
Depremden kaynaklanan şiddetli sarsıntı, cıva kontakları kullanılıyorsa, ünitenin kapatılmasını başlatmak için yanlış tetiklemeye neden olabilir. Bu durum, titreşim önleyici tipte cıva anahtarları belirtilerek veya gerekirse zamanlama röleleri eklenerek önlenebilir.

Sonuçlar
(1) Dehar Enerji Santrali'nde, şebekenin büyüklüğü ve sistem yedek kapasitesi üzerindeki etkisi göz önünde bulundurularak büyük ünite boyutunun benimsenmesiyle ekipman ve yapı maliyetlerinde önemli tasarruflar sağlandı.
(2) Jeneratörlerin maliyeti, rotor jant delmeleri için yüksek çekme dayanımlı çeliğin geliştirilmesi sayesinde artık büyük yüksek hızlı hidro jeneratörler için mümkün olan şemsiye tasarım yapısının benimsenmesiyle düşürüldü.
(3) Detaylı çalışmaların ardından doğal yüksek güç faktörlü jeneratörlerin temin edilmesi maliyette daha fazla tasarruf sağladı.
(4) Dehar'daki frekans düzenleme istasyonunda jeneratörün dönen parçalarının normal volan etkisi, büyük birbirine bağlı sistem nedeniyle türbin regülatör sisteminin kararlılığı için yeterli kabul edildi.
(5) Elektriksel kararlılığın sağlanması için EHV şebekelerini besleyen uzaktan jeneratörlerin özel parametreleri, hızlı tepkili statik uyarma sistemleri ile karşılanabilir.
(6) Hızlı etkili statik uyarı sistemleri gerekli kararlılık marjlarını sağlayabilir. Bununla birlikte, bu tür sistemler, arıza sonrası kararlılığı sağlamak için dengeleyici geri besleme sinyallerine ihtiyaç duyar. Ayrıntılı çalışmalar yapılmalıdır.
(7) Şebekeye uzun EHV hatlarıyla bağlı uzak jeneratörlerin kendiliğinden uyarılması ve gerilim kararsızlığı, negatif uyarmaya başvurularak ve/veya kalıcı olarak bağlı EHV şönt reaktörleri kullanılarak makinenin hat şarj kapasitesinin artırılmasıyla önlenebilir.
(8) Jeneratörlerin ve temellerinin tasarımında, düşük maliyetlerle deprem kuvvetlerine karşı koruma sağlamak için gerekli düzenlemeler yapılabilir.

Dehar Jeneratörlerinin Ana Parametreleri
Kısa Devre Oranı = 1,06
Doğrudan Eksen Üzerindeki Geçici Reaktans = 0,2
Volan Etkisi = 39,5 x 106 lb ft²
Xnq/Xnd 1,2'den büyük olamaz.