Justificarea economica a solutiei aleasa de echipament de excitatie

Justificarea economica a solutiei aleasa de echipament de excitatie

Motivarea tehnica-economica a actiunii de inlocuire a echipamentelor actuale cu echipamente noi (echipamente de excitatie statica) a fost efectuata in prima faza a lucrarii.

1. Comparatie intre cele 4 solutii de excitatie satica din punct de vedere material.

Pentru justificarea economica a alegerii solutiei detaliata in prezenta lucrare (din mai multe solutii de tip static) facem aici urmatoarele consideratii referitor la solutiile posibile de scheme de excitatie statica prezentate in faza anterioara a lucrarii:

a. Solutia de excitatie statica utilizand Transformator alimentat de la bornele HG (solutia detaliata mai sus in prezenta lucrare).

Pentru transpunere in practica, la un Hg dintr-o anumita centrala din Arges Aval, Implica urmatoarele elemente macro:

a.1. Un transformator de tip uscat TREX, 6 / 0,4 kV.

a.2. Un Dulap RAT,

a.3. Un Dulap ADR,

a. Un Dulap redresor cu Tiristoare.

a. Proiectul de implementare in centrala, pe parte de forta respectiv circuite secundare.

a.6. Lucrari de montaj si p.i.f. (Manopera + Cabluri de Circuite de forta pentru legaturi + Cabluri de circuite secundare).

b. Solutia de excitatie statica utilizand Transformator alimentat din bara comuna de 6 kV ale ambelor HG.

Pentru transpunere in practica, la un Hg dintr-o anumita centrala din Arges Aval, Implica urmatoarele elemente macro:

b.1. - b.6. Toate cel 6 elemente de la solutia a. (identice ca si caracteristici).

b.7.O celula de 6 kV cu intrerupator pentru conectarea TREX

b.8. O cladire construita in statia exterioara care sa adaposteasca Celula de 6 kV + TREX;

c. Solutia de excitatie statica utilizand Transformator alimentat din sectia de 0,4 kV SI ale HG (Solutia statica de excitatie cu trafo alimenat din SI).

Pentru transpunere in practica, la un Hg dintr-o anumita centrala din Arges Aval, Implica urmatoarele elemente macro:

c.1. Un transformator de tip uscat TREX 0,4 / 0,4 kV, identic ca putere cu cel de la solutiile anterioare, si practic la acelasi pret de cost.

c.2. - c.6. Elementele a.2. - a.6. de la solutia a.

c.7. 2 Transformatoare in ulei pentru inlocuirea transformatoarelor TSI baza si TSI rezerva, de putere marita fata de cele actuale cu cca. 500 kVA.

c.8. Dulap de 0,4 kV echipat cu sigurante tip MPR + Intrerupator / contactor trifazat de 300 - 500 A, de tip USOL, pentru alimentarea TREX;

d. Solutia de excitatie statica cu alimentare directa a redresorului cu tiristoare din sectia de 0,4 kV SI ale HG (Solutia statica de excitatie cu alimenare din SI - 0,4 kV).

Pentru transpunere in practica, la un Hg dintr-o anumita centrala din Arges Aval, Implica urmatoarele elemente macro:

d.2. - d.7 Elementele c.2. - c7. de la solutia anterioara.

d.8. Dulap de 0,4 kV echipat cu sigurante tip MPR + Intrerupator / contactor trifazat de 300 - 500 A, de tip USOL, pentru alimentarea in forta a excitatiei. (identic cu c.8).

La cele de mai sus mai adaugam urmatoarele:

- solutiile a, b, si c sunt strict echivalente din punct de vedere al performantelor tehnice (aceleasi avantaje si dezavantaje).

- solutia d. prezinta, in plus fata de celelalte solutii, dezavantajul practic insurmontabil al introducerii unor perturbatii in circuitele de SI ale centralei.

Analizand din punct de vedere al elementelor materiale necesare pentru aplicarea solutiilor puse in discutie la orice Hg din Arges Aval, luind ca baza de comparatie solutia a. rezulta urmatoarele:

(1) Solutia b. Necesita in plus fata de solutia a. : constructia unei cladiri in spatiul exterior al centralei + o celula de 6 kV cu intrerupator pentru alimentarea TREX.

(2) Solutia c. Necesita in plus fata de solutia a. : 2 transformatoare de 6,3 / 0,4 kV respectiv 20 / 0,4 kV, pentru inlocuirea celor 2 TSI actuale de putere marita cu cca. 500 kVA fata de cele actuale (practic de putere dubla) + un dulap de 0,4 kV cu intrerupator si sigurante pentru alimentarea TREX.

Nota: Diferenta de pret dintre 2 elemente TREX de aceeasi putere, de tip uscat, unul de 6,3 / 0,4 kV iar celalelt 0,4 / 0,4 kV este practic nesemnificativa in favoarea celui 0,4 / 0,4 kV, si ca urmare in aceasta analiza le consideram echivalente ca pret.

(3) Solutia d. necesita in plus fata de solutia a. : 2 transformatoare de 6,3 / 0,4 kV pentru inlocuirea celor 2 TSI actuale de putere marita cu cca. 500 kVA fata de cele actuale + un dulap de 0,4 kV cu intrerupator si sigurante pentru alimentarea TREX si in minus un TREX de tip uscat 6,3 / 0,4 kV.

Avand in vedere cele spuse la Nota de la pct (2) anterior, rezulta de fapt ca solutia d. este mai scumpa decat solutia a. cu costul unui transformator in ulei de 6,3 / 0,4 kV de putere mai mare cu 500 kVA decat TSI actuale, si prezinta dezavantajul tehnic insurmontabil al introducerii de perturbatii in circuitele de SI ale centralei.

Din aceste afirmatii evidente, rezulta superiotatea totala a solutiei a din punct de vedere al costurilor pe care le implica aplicarea ei: oricare din celelalte 3 solutii este mai scumpa decat solutia cu TREX de la borne cu cel putin costul unui transformator 6,3 / 0,4 kV in ulei de marime dubla fata de TSI actuale respectiv cu cel putin o cladire exterioara + o celula de 6 kV.

2. Costuri Estimative referitor la solutia aleasa:

Pe elemente componente costurile pe care le implica aplicarea solutiei de excitatie statica la un Hg dintr+o centrala oarecare, se estimeaza urmatoarele:

a.1. TREX: (transformator de tip uscat cu puteri de 200 sau 260 kVA , 6,3 / 0,4)

Cost estimativ: 8000 - 10 000 euro.

a.2. + a.3 + a. = Echipament de excitatie statica compus din: Un dulap RAT + Un Dulap redresor cu tiristoare + Un dulap ADR + Asistenta la p.i.f.

Cost estimativ: 50 000 - 60 000 euro.

a. Proiectul de implementare in centrala.

Cost estimativ: 10 000 - 12 000 euro.

a.6. Lucrari de montaj si p.i.f. (inclusive cablele de forta si circuite secundare).

Cost estimativ: 30 000 - 35 000 euro.

Cost Estimativ Total 98 000 - 117 000 euro.

Timpul de buna functionare prognozat al schemei propuse.

In Analiza gradului de siguranta asigurat de o anumita instalatie se utilizeaza parametrul denumit Media Timpului de Buna Functionare sau MTBF (Mean Time Between failures = Media timpului dintre 2 defectari). Aceasta este o marime statistica si presupune o observare pe perioada indelungata pe un numar cat mai mare de elemente de acelasi fel. Pentru un anumit element MTBF se calculeaza prin raportul:

MTBF = 8760 / Rata anuala de defectare(u.r.)

Pentru o instalatie complexa cum este Echipamentul de excitatie, durata medie in ore este dat de comportarea in exploatare a partilor componente,

Din punct de vedere al componentei pe elemente mari, si a caror defectare pot afecta grav (si de lunga durata) siguranta in functionare a echipamentelor de excitatie respective si implicit a HG deservite, avem urmatoarele subansamble mari:

1. Sursa de energie de mare putere din componenta excitatiei statice:

- TREX - transformatorul de tip uscat 6,3 / 0,4 kV pentru alimentarea in forta a excitatiei statice este elemental cu cea mai scazuta rata de defectare; conform cu datele furnizate de diversi fabricanti de astfel de trafo (ABB, Electroputere, France-Tansfo, etc); Cu respectarea tuturor normeleor de mentenanta pentru transformatoarele din aceasta categorie, MTBF este de 1 defect la 125 000 ore de functionare.

- Redresorul cu tiristoare, reprezinta deasemeni un element cu o siguranta in functionare in genere foarte buna. Elementele principale din componenta acestuia tiristoarele si sigurantele ultrarapide serie din componenta acestora au deasemeni o rata de defectare foarte scazuta, fapt care ne face sa afirmam ca aceasta instalatie nu poate afecta notabil siguranta ansamblului.

Un element semiconductor corect ales ca valori de curent de lunga durata si tensiune inversa, bine protejat cu circuite de protectie la supratensiuni (circuite RC individuale si globale pe redresor corect calculate si montate), conduce la un interval foarte mare intre 2 defecte; pe langa aceasta, referitor la instalatiile de redresare cu tiristoare stationare se mai cunoaste faptul ca orice defect care poate survine la un redresor poate fi inlaturat in maxim 0,5 ore, prin inlocuirea elementului defect (tiristor, SUR, transformator de impuls, etc).

Cea mai scazuta valoare pentru MTBF data fabricantii straini de aceste elemente este de 1 defect la 95 000 ore de functionare continua.

2. Instalatia de stingere a campului si de protectie la supratensiuni a rotorului HG compusa din: contactorul bipolar de c.c.; rezistenta de stingere; contactorul static cu 2 tiristoare in montaj crow-bar pentru stingerea supratensiunilor.

Si acest element al excitatiei reprezinta deasemeni elemente cu rata scazuta de defectare in situatia alegerii corecte a acestora din punct de vedere al caracteristicilor electrice.

Elementul cu rata de defectare mai ridicata care dicteaza siguranta ansamblului este intrerupatorul de c.c. In genere acest element nu se defecteaza in timpul functionarii; el poate doar intarzia pornirile echipamentului prin functionarea incorecta a contacteleor auxiliare, a circuitului de comanda pe bobine, etc. Pentru Contactoarele de c.c. ABB care utileaza acum ISC de la centralele Arges Aval (800 A, 500 V) fabricantul da pentru MTBF o valoare de 1 la 80 000 ore de functionare continua.

3. RAT in constructie digitala - cu 2 canale de reglaj Automat si Manual, cu automate programabile Alan Bradley sau cu structura de Calculator de proces dedicata tip PSR2, Unitrol F sau Unitrol 100 si cu interfete de relee sau contactoare de tip ABB, Siemens sau Phoenix Contact (am dat aici cateva din constructiile existente la noi in tara si posibil de a fi instalate la Hg din Arges).

In perioada scurti de 1-5 ani de exploatare in centralele hidro de la noi a acestor elemente nu s-au inregistrat cazuri notabile de defectare in functionare a acestor tipuri de elemente, deci nu exista o statistica din care sa reeasa rata de defectare a acestor elemente.

- Pentru elementul RAT din componenta, partea care in trecut dadea cea mai mare bataie de cap, i se poate atribui un grad de siguranta in functionare foarte ridicat, similar cu al oricarui echipament din categoria "Computer". Pentru acest element cel mai redus MTBF gasit este de 1 defect la 150 000 ore de functionare.

- Pentru celelalte elemente din componenta partii de comanda si reglaj a echipamentului de excitatie: interfetele cu elementele externe relee, conectori, traductoare analog-digitale, etc rata de defectare este ceva mai ridicata si practice dicteaza MTBF al ansamblului.

***** /// *****

6. Concluzii.

6.1. Pentru implementarea la oricare Hg din centralele Arges Aval a excitatiei statice cu transformator alimentat de la borne (cu autoexcitatie) sunt necesare urmatoarele elemente:

- 1 transformator de tip uscat (TREX) de 200 sau 260 kVA amplasat in locul boxelor BEM si ADR actuale in sirul de boxe de langa fosa Hg.

- 3 dulapuri : RAT, Redresor cu tiristoare si ADR amplasate in sirul de dulapuri actuale din sala de 0,4 kV in locul dulapului RAT actual si a dulapurilor de telemecanica vechi si dezafectate.

6.2. Pentru implementarea la ambele Hg dintr-o CHE oarecare sunt necesare: 2 TREX + 2 x 3 = 6 dulapuri de tipul si amplasamenteel mentionate mai sus.

6.3. Solutia de excitatie statica prezentata si adoptata in lucrare este mai ieftina decat celelalte 3 solutii de excitatie statica luate in discutie la prima faza a lucrarii (solutii echivalente din punct de vedere tehnic ca functiuni si performante) cu cel putin valoarea unui transformator in ulei necesar pentru inlocuirea TSI actuale, de putere cu cca. 500 kVA mai mare decat cele existente.

6. Conform cu recomandarea exprimata de UCM Resita, si adoptata si de autorii lucrarii de fata, cea mai indicata cale de urmat cu excitatoarele de c.c. existente in solutia actuala este izolarea electrica a acestora si mentinerea lor in structura mecanica a hidro agregatelor.

6. Referitor la cele 22 de dulapuri RAT de constructie digitala, noi, care echipeaza excitatoarele actuale, ele pot fi reutilizate in noile excitatii, cu modificari hard si soft, doar daca furnizorul noilor excitatii este acelasi cu cel al RAT actuale.

***** /// *****

Anexa 1.

A. CALCULUL PARAMETRILOR CARACTERISTICI AI TRAFO DE ALIMENTARE IN FORTA c.a. (TREX) PENTRU INSTALATIA DE REDRESARE DIN EXCITATIE PENTRU CAZURILE SCHEMELOR DE EXCITATIE DIN CHE - CASCADA ARGES - AVAL

A.1. Calculul tensiunii secundare a TREX.

Conditia principala din care rezulta valoarea tensiunii secundare a TREX (adica a tensiunii de alimentare a redresorului cu tiristoare) este ca la comanda maxima data tiristoarelor sa se realizeze raportul de fortare in tensiune; formula de calcul este urmatoarea:

U_en = tensiunea nominala de excitatie a HG = minim 220 ÷ maxim 230 V c.c.

K_f = raportul de fortare in tensiune impus= 1,8 u.r.

K_u= coeficient subunitar care tine seama de caderea de tensiune pe trafo si pe cablurile de legatura TREX - Redresor - Rotor HG in sarcina = 0,97

1,35 = coeficient de transformare c.a./c.c. prin redresare

U_ca = tensiunea intre fazele secundare TREX

K_r= coeficient care tine seama de faptul ca tensiunea de alimentare a TREX in cazul aparitiei necesitatii de fortare este mai mica decat valoarea nominala (coeficientul

tensiunii reziduale la bornele HG in caz de defect in retea).

Se considera K_r = 0,8 u.r.

a_f unghiul de aprindere la tiristoare pentru comanda maxima (la fortare).

Fata de unghiul minim de zero grade (pentru comanda maxima) se considera o rezerva de 10 grade deci :

a_f = 10 grade si decicos a_f = 0,97

Introducand in formula data rezulta valoarea tensiunii secundare necesare a TREX:

1,8 x (220 ÷ 230) = 0,97 x 1,35 x Uc.a. x 0,8 x 0,97

Din sirul de valori normalizate pentru tensiuni se alege ca tensiune secundara a TREX:

Avand in vedere ca se va impune conditia ca TREX sa aiba pe primar prize de reglaj (comutabile fara sarcina) de ±(2.5 sau 5)%, in cazul conectarii acestuia pe priza de (-2.5%) in primar, se va obtine in secundar valoarea de U_n1 = 410Vc.a.

In aceasta situatie pentru tensiuni reziduale la bornele HG in caz de defect intre (0,8 1) u.r. respectiv (5,00 6,3 kV) rezulta un factor de fortare ce poate fi asigurat de redresorul cu tiristoare in urmatoarele plaje:

♣ Pentru HG cu Uen = 220 V c.c. Kf-asigurat = (1,85 2,31) u.r.; cu TREx conectat in primar pe priza de 6.3 kV, deci Uc.a. secundar nominal = 400 V c.a.

♣ Pentru HG cu Uen = 230 V c.c. Kf-asigurat = (1,81 2,26) u.r.; cu TREx conectat in primar pe priza de -2.5 % (6.1425 kV), deci Uc.a. secundar nominal = 410 V c.a.

Deci valoarea minima ceruta pentru factorul de fortare in tensiune Kf =1,8 u.r. se asigura pentru un coeficient relativ al tensiunii reziduale de Kr = 0.78 u.r.

A.2. Calculul puterii aparente necesare.

Formula de calcul a puterii aparente este:

K_s = coeficient de marire a puterii aparente a trafo datorat faptului ca aceastaalimenteaza un consumator puternic deformant-redresor cu tiristoare comandat.

Se alege: pentru transformatoare de serie K_s = 1.05; pentru transformatoare construite special pentru redresoare K_s = 1.0;

I_emax = curentul de excitatie de durata maxim necesar HG pentru acoperireatuturor regimurilor admisibile ale acestuia (exista regimuri ale HG admisibile de durata care necesita un curent de excitatie mai mare decat valoarea nominala).

Se considera: I_{e max} = 1,0 I_en

0,816 = 1/1,224 = raportul dintre valoarea medie a curentului de iesire din redresor si valoarea eficace pe faza a curentului de alimentare al redresorului.

Intrucat curentul nominal al Excitatricei de c.c. din componenta este cu cca. 10-12 % mai mare decat curentul nominal de excitatie al HG, putem considera valoarea maxima a I _{e max} , din formula de mai sus curentul nominal al excitatricei de c.c. Vom avea deci urmatoarea formula:

S = 1,05 * 1,73205 * U_nc.a. * 0,816 * I_nEx = 1,48 * U_nc.a. * I_nEx / kVA /

Ca urmare vom avea urmatoarele valori minim necesare pentru puterea aparenta a TREX:

2.1. Pentru CHE Noaptes, Zigoneni, Baiculesti: In Excitatrice = 438 A

S = 1,48 * 0,4 * 438 = 259 kVA

2.2. Pentru CHE Valcele: In.Excitatrice = 400 A

S = 1,48 * 0,4 * 400 = 236 kVA

2.3. Pentru CHE Oesti, Albesti, Cerbureni, Valea Iasului: In Excitatrice = 392 A

S = 1,48 * 0,4 * 392 = 232 kVA

2. Pentru CHE Manicesti, Merisani, Budeasa: In Excitatrice = 328 A

S = 1,48 * 0,4 * 328 = 194 kVA

2. Pentru CHE Curtea de Arges, Bascov, Pitesti: In Excitatrice = 295 A

S = 1,48 * 0,4 * 295 = 175 kVA.

Pentru cazul in care se vor gasi transformatoare proiectate si construite special pentru alimentarea redresoarelor, se vor alege puteri cu 5 % mai mici.

3. Grupa de conexiuni D - Y - 5(11) sau Y - y n 5

Tensiunea de scurtcircuit: minim 4% (pentru limitarea curentilor de scurtcircuit).

Concluzie referitoare la parametrii TREX:

Tip: uscat; racire naturala in aer: TTA -Cu - ANSn = (175 ÷ 259) kVA

Tensiuni nominale: 6,3 (- 2,5%; 0; +2,5%) / 0,4 kV

Grupa conexiuni: D Y - 5(11) sau Y - y n 5

Tensiune de scurtcircuit: u_k = min 4 %

*****&&&*****

B. Calculul puterii aparente maxim necesar de asigurat din SI pentru alimentarea suplimentara de forta a echipamentului de excitatie.

Puterea aparenta maxim de asigurat pe circuitul suplimentar de alimentare a echipamentului de excitatie cu 3 x 0,4 kV din serviciile interne pentru asigurarea curentului de excitatie in timpul urmatoarelor situatii:

a. Pentru ridicarea caracteristicilor de mers in gol sau scurtcircuit ale HG dupa modificarea bobinajelor rotoric sau statoric: curenti de excitatie maxim de asigurat in aceeasi plaja ca mai sus.

b. Pentru alimentarea excitatiei la testele efectuate pentru verificarea si reglarea excitatiei, curent maxim absorbit pe partea de c.a. neglijabil.

Ca urmare rezulta puterea maxima aparenta absorbita, si implicit puterea de asigurat:

S_nec. = rad(3) *400 * 0,816 * I_{e nec} = 1,732 * 400 * 0,816 * (150÷250) = (85÷140) kVA

Concluzie : S_nec. = 85 - 140 kVA.

Nota. Problema circuitului de alimentare suplimentar mentioant mai sus trebuie rezolvata in cadrul Proiectului de implementare a echipamentului in centrala.

C. Calculul puterii aparente maxim necesare absobite din SI pentru alimentarea circuitului de amorsare a excitatiei.

Circuitul de amorsare (compus din contactor trifazat de c.a. + punte redresoare cu diode + contactor de c.c. si care debiteaza pe rotor direct sau prin intermediul rezistentei de stingere camp) trebuie sa asigure cresterea excitatiei pana la aparitia la bornele HG a tensiunii de maxim 0,5 Ugn in regim de mers in gol (punct de la care este preluata de puntea cu tiristoare).

Plecand de la parametrii nominali de mers in gol la HG in discutie:

I_ex.0 =150 - 200 A,

U_ex.0 = 110 V c.c.

Rezulta valorile maxime pentru parametri de excitatie ce trebuiesc asigurati de instalatia de amorsare:

I_ex.A =50 ÷ 100 A,

U_ex.A = 55 V c.c.

Si in consecinta tensiunea secundara a transformatorului ce alimenteaza puntea cu diode, si puterea de asigurat de catre acesta:

U_ca.A = 40 V c.a. si I_ca.A = 40 ÷ 81 A c.a.

S_TA = (2,8 ÷ 5,6) kVA