Efekt zotrvačníka generátora a stabilita systému regulátora turbíny

Vplyv zotrvačníka generátora a stabilita systému regulátora turbíny Vplyv zotrvačníka generátora a jeho stabilita systému regulátora turbíny Vplyv zotrvačníka generátora a stabilita systému regulátora turbíny Vplyv zotrvačníka generátora a stabilita systému regulátora turbíny
Veľké moderné hydrogenerátory majú menšiu konštantu zotrvačnosti a môžu naraziť na problémy týkajúce sa stability systému riadenia turbín.Je to spôsobené správaním sa vody v turbíne, ktorá svojou zotrvačnosťou spôsobuje vodné rázy v tlakových potrubiach pri prevádzke riadiacich zariadení.Toto je vo všeobecnosti charakterizované časovými konštantami hydraulického zrýchlenia.V izolovanej prevádzke, keď frekvenciu celého systému určuje regulátor turbíny, vodné rázy ovplyvňujú reguláciu otáčok a nestabilita sa prejavuje ako lov alebo kolísanie frekvencie.Pre prepojenú prevádzku s veľkým systémom je frekvencia v podstate udržiavaná konštantnou neskorším systémom.Vodný ráz potom ovplyvňuje výkon privádzaný do systému a problém so stabilitou vzniká len vtedy, keď je výkon riadený v uzavretej slučke, tj v prípade tých hydrogenerátorov, ktoré sa podieľajú na regulácii frekvencie.

Stabilita prevodovky regulátora turbíny je značne ovplyvnená pomerom časovej konštanty mechanického zrýchlenia v dôsledku časovej konštanty hydraulického zrýchlenia vodných hmôt a zosilnenia regulátora.Zníženie vyššie uvedeného pomeru má destabilizujúci účinok a vyžaduje zníženie zosilnenia regulátora, čo nepriaznivo ovplyvňuje stabilizáciu frekvencie.V súlade s tým je potrebný minimálny efekt zotrvačníka pre rotujúce časti vodnej jednotky, ktorý môže byť normálne vytvorený iba v generátore.Alternatívne by sa časová konštanta mechanického zrýchlenia mohla znížiť poskytnutím tlakového poistného ventilu alebo vyrovnávacej nádrže, atď., ale je to všeobecne veľmi nákladné.Empirické kritérium pre schopnosť regulácie rýchlosti hydrogeneračnej jednotky by mohlo byť založené na zvýšení rýchlosti jednotky, ku ktorému môže dôjsť pri vyradení celého menovitého zaťaženia jednotky pracujúcej nezávisle.Pre energetické jednotky pracujúce vo veľkých prepojených systémoch, ktoré sú potrebné na reguláciu frekvencie systému, sa uvažovalo, že percentuálny index nárastu rýchlosti, ako je vypočítaný vyššie, nepresahuje 45 percent.Pre menšie systémy je potrebné zabezpečiť menšie zvýšenie rýchlosti (pozri kapitolu 4).

Pozdĺžny rez od prívodu po elektráreň Dehar
(Zdroj: Príspevok od autora – 2. svetový kongres, International Water Resources Association 1979) Pre elektráreň Dehar je zobrazený hydraulický tlakový vodný systém spájajúci vyrovnávací zásobník s pohonnou jednotkou pozostávajúci z prívodu vody, tlakového tunela, diferenciálnej vyrovnávacej nádrže a privádzača .Obmedzením maximálneho nárastu tlaku v privádzačoch na 35 percent sa odhadované maximálne zvýšenie rýchlosti jednotky po vyradení plného zaťaženia vypočítalo na približne 45 percent so zatvoreným regulátorom
čas 9,1 sekundy pri menovitej spáde 282 m (925 stôp) s normálnym zotrvačkovým efektom rotujúcich častí generátora (t. j. len s ohľadom na zvýšenie teploty).V prvej fáze prevádzky sa zistilo, že zvýšenie rýchlosti nie je väčšie ako 43 percent.V súlade s tým sa usúdilo, že normálny efekt zotrvačníka je dostatočný na reguláciu frekvencie systému.

Parametre generátora a elektrická stabilita
Parametre generátora, ktoré majú vplyv na stabilitu, sú efekt zotrvačníka, prechodová reaktancia a skratový pomer.V počiatočnom štádiu vývoja 420 kV EHV systému ako v Dehare môžu byť problémy so stabilitou kritické z dôvodu slabého systému, nižšej úrovne skratu, prevádzky s najvyšším účinníkom a potreby hospodárnosti pri poskytovaní prenosových výstupov a veľkosti upevnenia a parametre generátorových jednotiek.Predbežné štúdie prechodovej stability na sieťovom analyzátore (s použitím konštantného napätia za prechodovou reaktanciou) pre systém Dehar EHV tiež naznačili, že by sa dosiahla len okrajová stabilita.V počiatočnom štádiu projektovania elektrárne Dehar sa uvažovalo o špecifikácii generátorov s normálnou
charakteristiky a dosiahnutie požiadaviek stability optimalizáciou parametrov ostatných zúčastnených faktorov najmä budiaceho systému by bola ekonomicky lacnejšia alternatíva.V štúdii britského systému sa tiež ukázalo, že zmena parametrov generátora má porovnateľne oveľa menší vplyv na rozpätie stability.V súlade s tým boli pre generátor špecifikované normálne parametre generátora uvedené v prílohe.Uvádzajú sa podrobné uskutočnené štúdie stability

Kapacita nabíjania linky a stabilita napätia
Vzdialene umiestnené hydrogenerátory používané na nabíjanie dlhých nezaťažených vedení EHV, ktorých nabíjanie kVA je väčšie ako kapacita nabíjania vedenia stroja, sa môže stroj samovzbudiť a napätie sa môže nekontrolovane zvýšiť.Podmienkou samobudenia je, že xc < xd, kde xc je kapacitná reaktancia záťaže a xd je reaktancia synchrónnej priamej osi.Kapacita potrebná na nabíjanie jednej 420 kV nezaťaženej linky E2 /xc až po Panipat (prijímacia časť) bola asi 150 MVAR pri menovitom napätí.V druhej fáze, keď je inštalované druhé vedenie 420 kV ekvivalentnej dĺžky, kapacita nabíjania vedenia potrebná na nabíjanie oboch nezaťažených vedení súčasne pri menovitom napätí by bola približne 300 MVAR.

Kapacita nabíjania linky dostupná pri menovitom napätí z generátora Dehar, ako uviedla dodávatelia zariadenia, bola nasledovná:
(i) 70 percentné hodnotenie MVA, tj 121,8 MVAR linkové nabíjanie je možné s minimálnym kladným budením 10 percent.
(ii) Až 87 percent menovitého MVA, tj 139 MVAR linkovej nabíjacej kapacity je možné s minimálnym kladným budením 1 percento.
(iii) Až 100 percent menovitého MVAR, tj 173,8 linkovej nabíjacej kapacity je možné získať s približne 5 percentami záporného budenia a maximálna linková nabíjacia kapacita, ktorú je možné získať pri zápornom budení 10 percent, je 110 percent menovitého MVA (191 MVAR ) podľa BSS.
(iv) Ďalšie zvýšenie kapacity nabíjania linky je možné len zväčšením veľkosti stroja.V prípade (ii) a (iii) nie je možné ručné ovládanie budenia a treba sa plne spoľahnúť na nepretržitú prevádzku rýchločinných automatických regulátorov napätia.Zväčšiť veľkosť stroja za účelom zvýšenia kapacity nabíjania linky nie je ani ekonomicky možné, ani žiaduce.V súlade s tým, berúc do úvahy prevádzkové podmienky v prvej etape prevádzky, bolo rozhodnuté zabezpečiť kapacitu nabíjania linky 191 MVAR pri menovitom napätí pre generátory zabezpečením záporného budenia generátorov.Kritický prevádzkový stav spôsobujúci nestabilitu napätia môže byť spôsobený aj odpojením záťaže na prijímacom konci.K javu dochádza v dôsledku kapacitného zaťaženia stroja, ktoré je ďalej nepriaznivo ovplyvnené zvýšením rýchlosti generátora.Vlastné budenie a nestabilita napätia môže nastať, ak.

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
Kde Xc je kapacitná reaktancia zaťaženia, Xq je synchrónna reaktancia kvadratúrnej osi a n je maximálna relatívna rýchlosť vyskytujúca sa pri odmietnutí zaťaženia.Navrhlo sa, aby sa tomuto stavu na generátore Dehar predišlo poskytnutím trvalo pripojeného 400 kV EHV bočného reaktora (75 MVA) na prijímacom konci linky podľa vykonaných podrobných štúdií.

Vinutie tlmiča
Hlavnou funkciou vinutia tlmiča je jeho schopnosť zabrániť nadmernému prepätiu v prípade porúch medzi linkami s kapacitnou záťažou, čím sa zníži prepäťové namáhanie zariadenia.Vzhľadom na vzdialenú polohu a dlhé prepojovacie prenosové vedenia boli špecifikované plne pripojené vinutia tlmičov s pomerom kvadratúrnych a priamych osových reaktancií Xnq/Xnd nepresahujúcim 1,2.

Charakteristika generátora a systém budenia
Po špecifikácii generátorov s normálnymi charakteristikami a predbežných štúdií, ktoré naznačili len okrajovú stabilitu, sa rozhodlo, že na zlepšenie hraníc stability sa použije vysokorýchlostné zariadenie na statické budenie, aby sa dosiahlo celkovo najhospodárnejšie usporiadanie zariadenia.Vykonali sa podrobné štúdie na určenie optimálnych charakteristík zariadenia na budenie statického náboja a rozobrali sa v kapitole 10.

Seizmické úvahy
Elektráreň Dehar spadá do seizmickej zóny.Nasledujúce ustanovenia v návrhu hydrogenerátora v Dehare boli navrhnuté po konzultácii s výrobcami zariadení a so zreteľom na seizmické a geologické podmienky na mieste a na správu Výboru expertov na zemetrasenie Koyna, ktorý vytvorila vláda Indie s pomocou UNESCO.

Mechanická pevnosť
Generátory Dehar musia byť navrhnuté tak, aby bezpečne odolali maximálnej sile zrýchlenia zemetrasenia vo vertikálnom aj horizontálnom smere, ktorá sa očakáva pri Dehare pôsobiacom v strede stroja.

Prirodzená frekvencia
Vlastná frekvencia stroja musí byť dostatočne vzdialená (vyššia) od magnetickej frekvencie 100 Hz (dvojnásobok frekvencie generátora).Táto prirodzená frekvencia bude veľmi vzdialená od frekvencie zemetrasení a bude skontrolovaná primeraná rezerva voči prevládajúcej frekvencii zemetrasení a kritickej rýchlosti rotujúceho systému.

Podpora statora generátora
Základy statora generátora a spodných axiálnych a vodiacich ložísk pozostávajú z niekoľkých základných dosiek.Základové dosky musia byť priviazané k základu bočne okrem normálneho vertikálneho smeru základovými skrutkami.

Dizajn vodiaceho ložiska
Vodiace ložiská majú byť segmentového typu a časti vodiacich ložísk musia byť zosilnené, aby odolali plnej sile zemetrasenia.Výrobcovia ďalej odporúčali zviazať hornú konzolu bočne s hlavňou (krytom generátora) pomocou oceľových nosníkov.To by tiež znamenalo, že betónový sud by sa zase musel spevniť.

Detekcia vibrácií generátorov
Inštaláciu detektorov vibrácií alebo meračov excentricity na turbíny a generátory sa odporúčala nainštalovať na spustenie odstavenia a poplachu v prípade, že vibrácie spôsobené zemetrasením prekročia vopred stanovenú hodnotu.Toto zariadenie sa môže použiť aj pri zisťovaní akýchkoľvek neobvyklých vibrácií jednotky v dôsledku hydraulických podmienok ovplyvňujúcich turbínu.

Kontakty Ortuť
Silné otrasy v dôsledku zemetrasenia môžu mať za následok falošné vypnutie na spustenie vypnutia jednotky, ak sa použijú ortuťové kontakty.Tomu sa dá predísť buď špecifikovaním ortuťových spínačov antivibračného typu, alebo ak sa to považuje za potrebné, pridaním časovacích relé.

Závery
(1) Podstatné úspory v nákladoch na vybavenie a štruktúru v elektrárni Dehar sa dosiahli prijatím veľkých jednotiek s ohľadom na veľkosť siete a jej vplyv na voľnú kapacitu systému.
(2) Náklady na generátory sa znížili prijatím zastrešujúceho dizajnu konštrukcie, ktorý je teraz možný pre veľké vysokorýchlostné hydrogenerátory v dôsledku vývoja ocele s vysokou pevnosťou v ťahu na dierovanie okrajov rotora.
(3) Obstaranie prirodzených generátorov s vysokým účinníkom po podrobných štúdiách viedlo k ďalším úsporám nákladov.
(4) Normálny zotrvačníkový efekt rotujúcich častí generátora na frekvenčnej regulačnej stanici v Dehare sa považoval za dostatočný pre stabilitu systému regulátora turbíny kvôli veľkému prepojenému systému.
(5) Špeciálne parametre vzdialených generátorov napájajúcich siete VN na zabezpečenie elektrickej stability môžu spĺňať systémy rýchleho budenia statickej energie.
(6) Systémy rýchleho statického budenia môžu poskytnúť potrebné rezervy stability.Takéto systémy však vyžadujú stabilizáciu spätnoväzbových signálov na dosiahnutie stability po poruche.Mali by sa vykonať podrobné štúdie.
(7) Samovoľnému budeniu a nestabilite napätia vzdialených generátorov prepojených so sieťou dlhými vedeniami VN možno zabrániť zvýšením kapacity nabíjania vedenia stroja pomocou negatívneho budenia a/alebo použitím trvalo pripojených bočných reaktorov VN.
(8) V konštrukcii generátorov a ich základov možno prijať opatrenia na zabezpečenie ochrany proti seizmickým silám pri malých nákladoch.

Hlavné parametre generátorov Dehar
Skratový pomer = 1,06
Priama os prechodovej reakcie = 0,2
Efekt zotrvačníka = 39,5 x 106 lb ft2
Xnq/Xnd nie väčšie ako = 1,2