reabilitação-modernização-e-futura-repotenciação-das-máquinas-de-ilha-solteira-1-e-2

7/26/2019 REABILITAO-MODERNIZAO-E-FUTURA-REPOTENCIAO-DAS-MQUINAS-DE-ILHA-SOLTEIRA-1-E-2

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*Asltom Brasil Ltda Avenida Charles Schneider s/n CEP 12040-001 - Taubat SPTel.: (0xx12)-36083520 - Fax: Tel.: (0xx12)-36286e-mail: [email protected]

SNPTEESEMINRIO NACIONAL

DE PRODUO ETRANSMISSO DEENERGIA ELTRICA

GGH - 03

16 a 21 Outubro de 2005Curitiba - Paran

GRUPO IGRUPO DE ESTUDO DE GERAO HIDRULICA - GGH

REABILITAO, MODERNIZAO E FUTURA REPOTENCIAO DAS MQUINAS DE ILHA SOLTEIRA 1E 2

Mauro Ken Iti Uemori * Paulo Roberto Dias Oda Jos Roberto Beffa Fbio Fernandes Salomo S

Alstom Brasi l CESP Alstom Brasi l Alstom Brasi l

RESUMO

Desde a entrada em operao das unidades 1 e 2 da UHE Ilha Solteira foi constatado nos hidrogeradores elevadonvel de vibrao no ncleo estatrico. A raiz do fenmeno, logo se soube ser de origem eletromagntica, dadapela interao do campo magntico dos plos com harmnicas do campo de reao da armadura, produzindouma fora que excitao em 120 Hz. Subjacente a isto, quando h uma correspondncia do ncleo em apresentar

modo de vibrar nesta freqncia, especialmente quando certas particularidades durante a operao dohidrogerador levam mudana no mdulo de elasticidade do ncleo, poder suceder uma falha. Foi exatamenteisso o que ocorreu com as duas unidades: quebra de dentes de chapas de silcio, trincas em soldas dos tirantesdo ncleo, afrouxamento de cunhas de ranhura e desgaste da pintura contra corona na parte interna ranhura dabarra[5] . Esse quadro levou as barras a sofrerem danos progressivos, que com o passar do tempo evoluiu dedescargas parciais para dano mais grave no enrolamento. Neste artigo apresentaremos como este problema foisolucionado aps vrias tentativas pouco eficazes em corrigir o aperto do ncleo durante as manutenesprogramadas da usina, bem como apresentar a metodologia da reforma como um todo. Com o plano demodernizao da usina a CESP viabilizou a repotenciao dos hidrogeradores. Nesta oportunidade, onde havia dese substituir o ncleo e o enrolamento, o novo projeto levou em considerao as necessidades de correo deforma definitiva dos problemas existentes[7]. Adicionalmente a nova potncia do hidrogerador foi concebida parapoder absorver uma futura repotenciao da turbina.

PALAVRAS-CHAVE

Reforma, Modernizao, Repotenciao, Vibrao.

1.0 - INTRODUO

As principais caractersticas construtivas do projeto original que so importantes nesta anlise so::

Estator construdo em 4 sees unidas na obra atravs de parafusos;

Existncia de pinos radiais para dilatao do estator devidos a foras de origem trmica;

Existncia de tirantes de aperto do ncleo do estator redondo e soldados s prateleiras da carcaa;

Projeto do ncleo sem escadinhas nas extremidades, mas com rasgos radiais nos dentes.


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Estas unidades foram fabricadas nos anos de 1971 e 1972, entrando em operao comercial em 1973, e desdeesta poca nota-se alto nvel de vibrao no ncleo do estator e que foram se agravando com o tempo, sendo oshidrogeradores sujeitos a vrias intervenes, na maiora das vezes com tentativas de reaperto do ncleo, semsucesso, devido ao projeto do sistema de aperto utilizado[5].Os tirantes soldados s prateleiras da carcaa no funcionam adequadamente, sendo o ideal que quando estes

sejam tensionados, tenham um certo alongamento e que o efeito mola do tirante absorva eventuais acomodaese mantenha sempre o ncleo compactado. Conjugado com os tirantes, as placas de presso no conseguiamtransmitir a presso adequada em toda a superfcie do ncleo, o reaperto pelo lado inferior da mquina no foipossvel, pois as porcas eram travadas por meio de soldas nas suas seis faces.O aquecimento do ncleo provoca uma fora radial que tende a expandir, mas quando o sistema de fixaoncleo/ carcaa/ pinos radias no funcionam adequadamente e conjugadas com o ncleo frouxo, surgeminevitavelmente s ondulaes das lminas. Outro fator desfavorvel em termos tcnicos que normalmente causaondulao a construo do estator empilhadas e enroladas em fbrica em partes. Estatores deste tipo emmquinas de grande dimetro tem as regies das junes como forte potencial de ondulao de lminas eproblemas nas barras situadas nesta regio.Mas o maior problema destas duas mquinas a vibrao do ncleo causadas pelas foras parasitas de origemeletromagntico, resultantes da interao do campo magntico de excitao com o campo devido reao daarmadura, que sempre esto presentes durante a operao normal da mquina, coincidindo com um dos modosde vibrar do estator, o qual provoca uma situao de ressonncia[2,4].

O modo de vibrar do estator muito complexo de se calcular com a necessria preciso, pois depende de muitosfatores tais como: aperto do pacote, condio de operao, temperatura do ncleo, acoplamento do ncleo com acarcaa, etc... E que resumindo podemos dizer que depende do mdulo de elasticidade do conjunto[3].A vibrao do ncleo teve vrias conseqncias, tais como quebra de uma grande quantidade de lminas dopacote inferior, na da metade direita dos dentes (rasgos nos dentes), trinca nas soldas dos tirantes, afrouxamentode uma grande quantidade de cunhas de fixao das barras na ranhura.Estando as barras soltas dentro da ranhura, as barras sofrem uma fora alternada com o dobro da freqncia darede contra o fundo da ranhura e tambm contra as cunhas, causando vibrao das barras, desgaste do sistemade proteo anticorona da barra na regio interna ranhura, causando descargas parciais provocando umfenmeno de eletroeroso que ataca o impregnante da isolao, reduzindo significativamente a vidaremanescente das barras.

2.0 ANLISE DAS CAUSAS DA VIBRAO

Aps a tentativa de reaperto do ncleo as vibraes tiveram uma pequena reduo, e ainda nota-se que aumentacom a mquina fria e quando a mquina operando na regio subexcitada.Abaixo segue os resumos dos clculos das foras de origem eletromagntica em operao nominal e emoperao na regio sub-excitada.

2.1 Componentes vetoriaisEm carga nominal e em carga subexcitada (fator de potncia unitrio), no intuito de corroborar com os resultadosobtidos pela CESP, onde nos relatrios cita que a mquina subexcitada a vibrao maior.

TABELA 1: Clculo das foras de origem eletromagntica e grfico da somatria de foras

Carga Nominal, 170MVA, 1.07 Un e p.f.

0.95

Carga Nominal, 160 MW ep.f. 1.00

Campo 1 Campo 2 Modulo Angulo Modulo Angulo

1 Bh principal 5aharm. Arm. reversa 2.972 -103 2682 -2192 Bf campo, 3aHarm. 19aharm. Arm. direta 601 -208 508 -1313 Bh principal 19aharm. Arm. e 4, direta 473 -225 427 -1084 Bh principal 19aharm. Arm. e 2, direta 914 -190 825 -1545 Bh principal 5aharm. Arm. E 2, direta 502 -318 453 -3526 4aharm. Arm. e 4 19aharm. Arm. e 2, reversa 409 -341 414 -97 4aharm. Arm. e 2 19

aharm. Arm., direta 789 -254 800 -738 4aharm. Arm. e 2 5

aharm. Arm. ,direta 434 -74

440 -253 Fora Resultante (N/m) 2203 216 2336 175


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Grfico da somatria das foras

Adicionalmente ao fato de que a mquina sub-excitada opera com temperaturas mais baixas, pode-se verificar natabela e nos grficos que a mquina tem uma fora magntica de excitao maior, o que foi constatado pelaCESP e confirmado por estes clculos[6].

2.2 Foras das barras nas ranhurasQuando as mquinas esto sob carga, a corrente conduzida por uma barra interagindo com o campo magnticocausado pela corrente de outra barra, causa foras de origem magnticas com o dobro da freqncia da rede, eque dependendo da fase das barras que esto dentro da ranhura, estas sofrem foras para o fundo ou para acunha. Quando acontece o afrouxamento das cunhas, pode acontecer o movimento radial das barras.O grfico tpico de foras agindo sobre as barras tem o seguinte comportamento (Fora positiva, sentido radialpara o fundo da ranhura e fora negativa, radial contra cunha):

FIGURA 1 : Grfico tpico de foras agindo sobre as barras estatricas

3.0 DECISO DA REFORMADevido a todos estes problemas de vibrao, afrouxamento do ncleo, no eficcia de reapertos dos ncleos,ondulaes no ncleo, afrouxamento da cunha, movimentos das barras, deteriorao da proteo anticorona dasbarras na regio interna ranhura, descargas parciais, deteriorao da isolao, curto circuito fase-terra debarras, a CESP optou pela reforma das mquinas 1 e 2 da Usina Ilha Solteira, considerando o ncleo e oenrolamento j dimensionado para uma futura repotenciao.Basicamente foram substitudos: o enrolamento, ncleo do estator, sistema de aperto do ncleo, sistema deconexo entre ncleo e prateleiras da carcaa e reisolamento dos plos.

4.0 REFORMA4.1 A seguir apresentamos uma tabela comparativa entre a mquina original e a mquina reformada[8].


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TABELA 2: Comparao entre parmetros da mquina original e reformada

Original Mquina reformada Unid.

Potncia 170000 170000 (projetado p/ 205MVA) kVA

Tenso 14400 14400 VFator de potncia 0,95 0,95 -

Rotao nominal 85,7 85,7 rpm

Dim. Externo do ncleo 13900 13890

Dim. Interno do mcleo 13250 13250 mm

Comprimento do Ncleo 1720 1720 mm

Nmero de dutos vent. 31 x 9,5 58 x 5 mm

Nmero de ranhuras 540 540

Dimenso ranhura 22 x 143 20.8 x 145 mm

Tipo de Ch.siliciosa JIS S01 M250-50

t enrol.estator Medido 70 48 C

t enrol.rotor Medido 72 56 C

t ncleo Medido 40 30 C

Temp. ar frio 40 40 C

Empilhamento ncleo Em 4 partes continuo

Fixao Ncleo/prateleira Tirante soldado s prateleiras Cunha rabo andorinha comliberdade de movimento axial

Aperto do ncleo Atravs dos tirantes soldados carcaa

Tirantes que passam no meioda coroa do estator

Enrolamento Barras, Ondulado Barras, Ondulado

4.2 Escopo de fornecimento e descritivo dos principais aspectos:O escopo bsico consiste no fornecimento de um ncleo do estator e enrolamento novos e reisolao dos plos

4.2.1 Ncleo do estatorO ncleo foi projetado com chapas de baixas perdas (2.5 W/kg a 50 Hz e 1.5 T) , empilhado de forma continuacom sobreposio entre lminas at formar pacotes separadas com perfil em duplo T (ou perfil I) de materialantimagntico, que formam canais radiais de ventilao, facilitando a passagem do ar refrigerante at ostrocadores de calor ar-gua.

A presso mdia de prensagem do laminado de 15 kg/cm2. Este valor definido como regra parahidrogeradores e a prtica tem mostrado que muito adequado para garantir uma boa operao.Nas extremidades do ncleo estatrico sero previstos rasgos e escadinhas especialmente dimensionadas paraminimizar o efeito de aquecimento devido ao fluxo de disperso dos plos.4.2.2 Elementos de PrensagemOs elementos de prensagem do ncleo so compostos de placas e dedos de presso e tirantes de aperto, e foramprojetados de maneira a manter o ncleo em estado compacto durante o funcionamento da mquina. Os tirantespassando pela coroa do ncleo estatrico localizados aproximadamente no centro de gravidade da chapa soprojetados para providenciar o aperto atravs das placas e dedos de presso a fim de garantir uma maior pressode aperto assim como uma distribuio mais homognea em toda a sua seco. Alm disso, o sistema de molasinstalado em uma das extremidades dos tirantes garante a manuteno da presso mdia entre as chapas,eliminando a necessidade de reaperto dos tirantes do ncleo praticamente durante toda a vida til da mquina,reduzindo significantemente os custos com manuteno.

4.2.3 Flambagem do Ncleo


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Os seguintes tpicos foram considerados durante o projeto para minimizar o efeito de flambagem. Mudana dos dutos de ventilao, dos originais 31 x 9,5 mm para 58 x 5 mm, aumentando em 87 % a rea de

contato entre o ar de refrigerao e o ncleo estatrico. Chapa siliciosa com baixas perdas, associado a um projeto otimizado do ncleo estatrico permitiu sensvel

reduo nas perdas com relao ao projeto original, implicando em diminuio da temperatura deste

componente em 10o

C.4.2.4 Elementos de Ligao da Carcaa ao NcleoO sistema de fixao do ncleo carcaa por meio de cunhas tipo rabo de andorinha e guias da cunha, os quaistransmitem os esforos tangenciais e radiais do ncleo carcaa do estator. O sistema empregado possibilitaindependncia no sentido axial e, portanto permitir novos reapertos caso os pacotes de chapas se afrouxemdurante a operao da mquina

4.3 Enrolamento do EstatorO enrolamento estatrico composto por barras Roebel, Micadur, do tipo ondulado, composto de 1080 barrasRoebel com transposio de 360 graus, adequadas para 540 ranhuras, ligadas em trs circuitos paralelos, compasso de 1-8-14 ranhuras, idntico a maquina original, e com o esquema de enrolamento otimizado para diminuiro empuxo magntico.Para proteger a isolao contra descargas superficiais, aplicada uma proteo contra o efeito Corona que

consiste em uma pintura semicondutiva a base de poliuretano classe F que so aplicadas na regio que vai dentroda ranhura e na parte das cabeas das barras.Para a instalao das barras dentro das ranhuras empregado um sistema especial conhecido pelo nome de"round packing". Este sistema emprega um papel semicondutivo, prprio para este fim, e uma massa a base desilicone, aplicada no meio da fita de papel semicondutivo dobrada longitudinalmente. Em seguida, eimediatamente antes de introduzir as barras nas ranhuras, cada barra ser envolvida pelo combinado massa -papel.Devido qualidade, espessura e elasticidade do composto massa-papel empregado, a barra se adapta facilmente ranhura. A elasticidade dos materiais empregados, tanto na proteo como na isolao das barras, permiteacompanhar a dilatao natural do cobre, evitando o surgimento de fissuras no material isolante. Este sistemaassegura um embutimento perfeito com folga tendendo a zero, mesmo considerando-se variaes dimensionaisda barra ou da ranhura. Isto aumenta o coeficiente de transmisso de calor, minimiza a criao de corona dentroda ranhura e a possibilidade de calos saindo da ranhura mesmo aps anos de operao.

1 Round Packing

2 Cunha da ranhura3 Mola

4 Calos isolantes

5 Calos de proteo

6 Espaadores entre barras

7 Calo fundo de ranhura (nonecessrio)

8 Furos para controle das molas

FIGURA 2: Sistema de fixao da barra estatrica na ranhuraO sistema de fixao consiste da cunha, molas e calos, que tem a funo de manter as barras semprepressionadas evitando movimentos indevidos e minimizando descargas parciais dentro da ranhura.

4.4 Reisolao dos plosAs bobinas polares foram reisoladas e substitudas s isolaes contra o ncleo do plo. Esta reforma foirealizada visando um aumento de confiabilidade dos geradores, uma vez que as mquinas repotenciadas estarooperando com temperaturas mais elevadas e assim elevando as tenses mecnicas, o que poderia danificar aisolao original do plo.

5.0 RESULTADOSComo podemos ver pelos grficos abaixo, as temperaturas foram significativamente reduzidas quandocomparadas na mesma potncia, e na potncia solicitada de 205 MVA as mesmas se encontram dentro dosvalores garantidos. A diminuio da temperatura do plo teve dois fatores importantes: medio da resistnciahmica do enrolamento mais precisa, e influencia das folgas das guias de ar, as quais foram otimizados durante amontagem dos geradores, fazendo com que o fluxo de ar tenha uma eficincia maior na dissipao de calor da


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bobina polar. A vazo de ar total que passa atravs dos trocadores permanece praticamente a mesma, em tornode 97 m3/s.Para resumir os resultados, apresentamos a tabela comparativa e curvas abaixo:

Original Reformado Unidade

Potncia 170 170 205 MVA

Tenso 14400 14400 14400 V

Fator de potncia 0,95 0,95 0,95 -

Corrente da armadura 6816 6816 8219 A

Corrente de excitao 1269 1383 1535 A

Corrente exc. Entreferro 740 750 750 A

Corrente exc. Vazio 810 815 815 A

Corrente exc. Curto circ. 650 670 863 A

Elev.temp. enrol.estator 70 48 74 C

Elev.temp.rotor 72 56 68 C

Elev.temp.ncleo estator 40 30 40 C

Xd 0,878 0,893 1,15 puRCC 1,246 1,216 0,94 pu

ILHA SOLTEIRA 1 e 2ELEVAO DE TEMPERATURA DO ENROLA MENTO ESTATOR, ROTOR e NCLEO

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7

I ^ 2 [ p u ] o n d e 1 p u d o e s t a t o r = 6 8 16 A e d o r o t o r =13 4 2 A

Estator originalRotor original

Ncleo or iginal

Ncleo novo

Est ator no vo

Rotor reis olado

FIGURA 3: Grfico das temperaturas da mquina antes e depois da reforma

Foi realizado um estudo da turbina com o propsito de se atingir a mxima potncia possvel e alto rendimento. Osresultados deste estudo constam do relatrio de estudo de CFD [9], considerando reforma das palhetas diretrizese mudana do rotor da turbina. A mxima potncia da turbina atinge o valor de 210 MW , que significa umaumento de 27%.Em termos de ncleo e enrolamento do estator e as bobinas polares, pode-se afirmar que estes componentesreformados esto em condies de operar nesta nova potncia, pois a elevao de temperatura destescomponentes sero:Elevao de temperatura do estator = 85oCElevao de temperatura do rotor = 80oCElevao de temperatura do ncleo = 40oCO novo sistema de sistema de excitao dever ser capaz de fornecer 1600 A e 470 V.


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Os clculos mecnicos da turbina e gerador ainda no foram executados devido falta de informaes daqualidade dos materiais utilizados, principalmente dos ncleos polares, anel magntico, aranha, ventiladores eeixos. Estes clculos podero ser apresentados na data do seminrio, caso estejam disponveis.

6.0 CONCLUSES

Neste trabalho tivemos a oportunidade de apresentar como a repotenciao dos hidrogeradores da UHE IlhaSolteira citados, especialmente sobre as principais modificaes em relao ao projeto original. O objetivoprincipal foi exatamente o de resolver os problemas crnicos existentes de forma definitiva, estender a vida til doshidrogeradores , bem como a sua disponibilidade para o sistema eltrico, com maior potncia.Os valores obtidos durante o comissionamento das unidades confirmam que a reforma foi realizada conformeprevisto e que os componentes esto adequados a uma futura repotenciao.Estudos de CFD confirmam que com a reforma das palhetas diretrizes e nova roda da turbina, a mxima potnciapoder atingir valores na ordem de 210 MW na queda H=50 m. importante ressaltar que outros componentes devero ser substitudos para a mxima potncia, masinfelizmente at esta data no estavam disponveis as qualidades dos materiais utilizados nos equipamentosoriginais.Cabe aqui ressaltar que o bom relacionamento CESP/ALSTOM foi fundamental para o sucesso da reforma dosdois geradores, pois mesmo antes da concorrncia a CESP disponibilizou um gerador para ensaios de

aquecimento e disponibilizou estes resultados para todos os demais concorrentes, aumentando assim aconfiabilidade da reforma. Todos tiveram livre acesso aos documentos e relatrios tcnicos de manuteno, bemcomo dohistrico desde a entrada em operao das unidades.

7.0 REFERNCIAS

[1] Dias, Manoel: Vibrao no ncleo estatrico do gerador da UG-05 da UHE Porto Primavera, XVI SNPTEEem Campinas em outubro de 2001.

[2] Taraldsen, Bjrn, Statorschwingungen in synchronmachinen mit bruchlochwicklungen. Tese de doutoradoda Die Universitat Trondheim Norway.

[3] Wiedmann, Eugen & Kellenberger , Walter. Konstruktion elektrischer Machinen, Springer-Verlag. Berlin,1967

[4] Rocha E., J. Johnny: Una metodologia para la identification de fuerzas parasitas de origen electromagnticaactuantes en estatores de mquinas sncronas, X ERLAC de mayo de 2003.

[5] Diversos Relatrios tcnicos da CESP.[6] Parasitaere kraftwellen bei schenkelpolmaschinen (PROGRAMM HT 616 Alstom Centro Tecnolgico,

Birr, Suia)

[7] S, Fbio Inspeo de geradores visando futura repotenciao, apresentado na ABRAGE de 2004

[8] Relatrios de ensaios e comissionamento da ALSTOM Brasil LTDA[9] Relatrio de CFD EHCAL 02018 da Alstom

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