ENSAYOS DE VENTILACIÓN Y CALENTAMIENTO EN GENERADORES HIDROELÉCTRICOS. Ings. Hugo Borgna y Alejandro García. IMPSA – Argentina.

1.

INTRODUCCIÓN.

Este artículo describe los ensayos de ventilación y de calentamiento realizados en un generador hidroeléctrico con sistema de ventilación radial, el cual estaba en proceso de ensayos de aceptación. Se explicarán los métodos de medición, los resultados obtenidos, y la discusión de las conclusiones a las que se arribaron. Entre otros aspectos, también se realizará la comparación entre los valores medidos y los calculados. El objetivo de realizar los ensayos de ventilación ha sido determinar: el caudal total que pasa por los enfriadores de aire y la distribución del caudal en las partes activas del generador. El objetivo de realizar los ensayos de calentamiento ha sido determinar la elevación de temperatura: del bobinado estatórico, del núcleo estatórico, de los dedos y de las placas de presión del núcleo y del bobinado del rotor, logrando así un mapa general de temperaturas en los distintos elementos activos y estructurales de la máquina. Estos ensayos han permitido determinar la influencia de la ventilación sobre el calentamiento, para establecer las acciones correctivas para el óptimo funcionamiento del generador y fundamentalmente, verificar y realimentar los programas de cálculo realizados mediante los métodos clásicos y desarrollar sobre estas bases el estudio con programas más exactos del tipo de dinámica de fluidos. 2.

PALABRAS CLAVES.

Hidrogeneradores, Ventilación, Calentamiento, Medición Cálculo.

3.

DATOS Y DESCRIPCIÓN DEL GENERADOR.

3.1.

Datos del Generador.

Los ensayos fueron realizados en uno de los generadores de la central eléctrica de Las Maderas en la provincia de Jujuy, Argentina, cuyos principales datos técnicos nominales son los siguientes: Potencia aparente ......................................... 17.1 MVA Factor de potencia......................................... 0.90 --Velocidad de rotación ................................... 375 rpm Tensión de línea ........................................... 13.2 kV Temperatura máx. aire frío............................ 35.0 °C Elevación de temperatura garantizada (estator, rotor) ............................ 60.0 °K Clase de Aislación del estator y rotor ................................................ F --Tipo de ventilación……………………….Radial - Simétrica 3.2.

Descripción del sistema de ventilación.

El aire proveniente de los enfriadores de aire, circula por el recinto anular del generador hacia los pasajes de retorno superior e inferior. En el camino de retorno el aire pasa entre los brazos de la cruceta superior y por los canales en el hormigón ubicados en el piso del recinto, para finalmente alcanzar las ventanas de entrada de la estrella del rotor (sistema de ventilación simétrico). El aire que entra a la estrella del rotor, es impulsado por los brazos de ésta, y pasa por los canales radiales de la llanta, para salir al espacio interpolar y refrigerar las bobinas polares. Luego, el flujo de aire llega al entrehierro, dividiéndose en tres corrientes: la principal que ingresa a los canales radiales del núcleo magnético del estator y las otras dos hacia las cabezas de bobina. La corriente principal,

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después de refrigerar las bobinas y el hierro del núcleo estatórico, sale por la parte posterior del núcleo para alcanzar la carcasa. Parte del aire que llega a la zona del espacio interpolar y el entrehierro, retorna a través de los sellos ubicados entre las guías de aire fijas y rotantes, hacia la entrada de la estrella del rotor. Se denomina aire de recirculación y se controla mediante el diseño tipo laberinto entre las mencionadas guías de aire. Las dos corrientes de aire que pasan por las cabezas de bobina superiores e inferiores respectivamente, refrigeran a éstas, las placas y los dedos de presión, entrando al estator por agujeros circulares calibrados ubicados en los anillos superior e inferior de la carcasa. Allí, se encuentran con la corriente principal de aire que sale del núcleo magnético. Finalmente, el aire caliente ingresa en los enfriadores de aire, se refrigera y sale al recinto del generador cerrando el circuito de ventilación (ver figura 1).

4.2.

Modos de operación para ejecución de los ensayos.

Debido a que el generador estaba bajo el proceso de ensayos de aceptación, y con la consigna de no prolongar en demasía dicho proceso, se realizaron las mediciones de ventilación y calentamiento al mismo tiempo que los necesarios para la determinación de la eficiencia. Esta última se determinó mediante el método calorimétrico, según las normas IEC 342/2A. Las mediciones se realizaron luego que se consideraron las temperaturas estabilizadas (pérdidas constantes dentro del ± 1%, durante dos horas). Los modos de operación para determinar el calentamiento del generador en condiciones nominales, debido a que aún no se disponía de la carga necesaria, fueron los previstos en la norma IEEE Std. 115, para la determinación indirecta del calentamiento. Estos modos se indican a continuación, en el orden dado por la norma: 4.2.1. Ensayo a la tensión especificada con los terminales abiertos: Con el generador girando a velocidad nominal, se hace circular corriente de excitación hasta obtener tensión nominal en los terminales del bobinado estatórico. Se determinan las elevaciones de temperatura del bobinado estatórico, del núcleo magnético y del aire frío. 4.2.2. Ensayo a la corriente especificada con los terminales en cortocircuito: Con el generador girando a velocidad nominal, se hace circular corriente de excitación hasta obtener corriente nominal en el bobinado estatórico. Se determinan las elevaciones de temperatura del bobinado estatórico, del núcleo magnético y del aire frío 4.2.3. Ensayo con excitación cero: Con el generador girando a velocidad nominal, sin corriente de excitación, se determinan las elevaciones de temperatura del bobinado estatórico, del núcleo magnético, del aire frío y caliente.

Figura 1 – Sección longitudinal del generador. 4.

EJECUCIÓN DEL ENSAYO.

4.1. Ajuste de la ventilación. Antes del comienzo del ensayo se realizó una inspección completa de todo el circuito de ventilación para verificar que las dimensiones consideradas en el programa de cálculo eran las correctas y que los agujeros calibrados de paso del aire desde las cabezas de bobina hacia la carcasa, estaban regulados correctamente. De este modo se dispuso de una salida de programa de referencia para el control de las mediciones posteriores y eventual reajuste del sistema. Las posibilidades de ajuste son varias, siendo una de ellas los agujeros calibrados de la carcasa y la otra las ventanas de entrada al rotor.

Los ensayos se hicieron en el orden contrario al indicado por la norma, ya que se decidió hacer la medición de todos los parámetros de la ventilación y probables ajustes adicionales en el ensayo sin corriente de excitación, además de instalar todos los elementos sensores desde el comienzo de los ensayos. En el ensayo con tensión nominal se retiraron las termocuplas de las cabezas de bobina, por razones de seguridad. 5.

ENSAYOS DE VENTILACIÓN.

El objetivo de los ensayos de ventilación ha sido determinar el caudal total de aire que circula por los enfriadores de aire, la distribución de aire en los canales del núcleo estatórico, el caudal de aire pasante por las cabezas de bobina y la distribución de aire entre los retornos de la parte superior e inferior de la máquina. 5.1. Caudal de aire a través de los enfriadores de aire. La medición de caudal en los enfriadores de aire se realizó utilizando un anemómetro integrador de paletas (ver ítem (1) de la lista de instrumentos). Para llevar a cabo estas

mediciones se contabiliza la cantidad de revoluciones del anemómetro en un lapso de tiempo determinado. Luego se determinan las revoluciones por unidad de tiempo y mediante la constante característica del instrumento, se llega finalmente a la velocidad promedio de salida del aire en cada enfriador de aire. La constante característica del instrumento ha sido determinada por el fabricante mediante ensayos en túneles de viento. La velocidad promedio en cada enfriador de aire es: Vi =

(1)

Ri .k ti

estática, Pd =Presión dinámica.) Luego la velocidad en función de la presión dinámica será:

V = Cv. 2.g .∆P.γr

(4)

En donde:

∆P = Presión dinámica (mm columna de agua). γr = Relación de pesos específicos agua-aire (--). Cv = Constante del instrumento (--). g = Aceleración de la gravedad (m/s²).

En donde:

5.3. Caudal de aire a través de las cabezas de la bobina.

Ri = Nº de revoluciones medidas (rev). ti = Tiempo de la medición (s). k = Constante del anemómetro (m/rev).

Este caudal fue medido mediante tubos Pitot comerciales ubicados en los agujeros del disco superior e inferior de la carcasa estatórica respectivamente (ver ítem (5) de la lista de instrumentos). La presión fue transmitida mediante un conducto flexible al micromanómetro para determinar la presión dinámica.

Luego el caudal en cada enfriador de aire será: Qi = Vi.Se

(2) 5.4. Caudal de aire a través de los retornos externos del generador.

En donde: Se = Sección de pasaje de aire en el enfriador de aire (m²) Finalmente el caudal total por los enfriadores de aire será: Q = Q1 + Q2 + ... + Qi

(3)

Se midieron los caudales de aire en las entradas de la cruceta superior y en las entradas de retorno ubicadas en el piso del recinto del generador, utilizando el mismo anemómetro y el mismo procedimiento. Ver Tabla II en donde se resumen todas las mediciones de caudal.

5.2. Caudal de aire a través de los canales del estator. El caudal en los canales radiales del estator fue medido mediante tubos Pitot colocados a lo largo del núcleo. Debido a que los canales radiales del núcleo del estator tienen una sección muy pequeña, no fue posible utilizar tubos Pitot comerciales. A tal efecto se diseñaron tubos especiales, en los cuales la medición de la presión dinámica y la estática se realizó en puntos separados. Los tubos son conectados a los extremos de un micromanómetro, el cual da la presión dinámica según lo mostrado en la Figura 2. La obtención de las velocidades en los canales de ventilación a lo largo del núcleo del estator han permitido graficar la distribución de velocidades (Ver Figura 3).

Pe

Pe + Pd

∆P

Figura 2 – Dispositivo para medición de caudal en los canales de ventilación del núcleo del estator. (Pe = Presión

6.

ENSAYOS DE CALENTAMIENTO.

Durante estos ensayos se determinaron temperaturas en las distintas partes activas (bobinado estatórico y núcleo magnético) y no activas (dedos y placas de apriete) del generador, en zonas en las cuales normalmente no es posible realizar mediciones con el equipo de monitoreo estándar. Estas mediciones fueron realizadas mediante termocuplas montadas en dispositivos especiales (ver ítem (7) de la lista de instrumentos). Además, se tomaron las temperaturas dadas por las termorresistencias (RTD’s) de monitoreo del equipamiento estándar de la máquina, con el fin de poder hacer una verificación de su indicación con elementos de mayor precisión. Fueron instaladas termocuplas de Cobre - Constantan en los canales radiales de ventilación para medir temperaturas en tres puntos: los dientes, la corona y la espalda del núcleo, a lo largo del núcleo. Para instalar estas termocuplas se construyó un soporte especial que al introducirlas en el canal de ventilación las ponía en contacto con la superficie a medir. Estas mediciones posibilitaron obtener un mapa de temperaturas en todo el núcleo estatórico y ver así la influencia de la distribución de caudal sobre las temperaturas. También fueron colocadas termocuplas en diferentes zonas de las cabezas de bobina, los dedos y placas de presión del

núcleo estatórico. Estas termocuplas fueron instaladas en contacto con las superficies mediante un adhesivo especial. Además se instalaron algunas termocuplas para medir la temperatura del aire circundante en dichas zonas. Debido a que la máquina no estaba disponible para operar a régimen nominal de carga, los ensayos de calentamiento fueron realizados mediante la metodología propuesta por la norma IEEE 115, según se explicó en el punto 4.2. Luego de hacer todas las mediciones, la elevación de temperatura se computa como la suma de las elevaciones para el ensayo con tensión nominal y las del ensayo con corriente nominal, corregida por la duplicación de la elevación de temperatura debido a las pérdidas por ventilación. No se realizó el ensayo de calentamiento del rotor, sugerido por la norma IEEE Std 115, es decir, aplicar una sobretensión al bobinado estatórico, hasta lograr la corriente de excitación nominal, porque esto implicaba aplicar una sobretensión del 25% por encima de la nominal durante varias horas (hasta lograr el equilibrio térmico), lo cual se consideró no aceptable.

velocidades de aire con las temperaturas en esas mismas zonas y observar la tendencia de éstas. Tabla I - Distribución de velocidades en el núcleo del estator. Canal 1

Velocidad (m/s) 7.6

Dispersión (%) (1) -23.77

3

11.1

11.33

5

10.3

3.31

7

12.4

24.37

9

8.8

-11.74

11

9.5

-4.71

13

12.1

21.36

15

9.9

-0.70

17

9.9

-0.70

19

8.1

-18.76

Promedio

9.97

Calculado

9.34

(1)

Dispersión (%) (2)

Zona

-3.04

Superior

6.32

Intermedia

8.32

Intermedia

-6.72

Inferior

Dispersión porcentual con respecto al valor promedio.

(2) Dispersión promedio tomando paquetes de 2 y 3 canales. 7.

LISTA DE INSTRUMENTOS. 8.2 Resumen de caudales medidos y calculados.

(1)

Anemómetro de paletas tipo E-05951-25 (Davis Instruments), rango de medición desde 0.2 a 25 m/s. Clase 0.2. (2) Cronómetro, clase 0.4. (3) Micromanómetro, de columna de agua (Dwyer), rango de medición 5-0-50 mm columna de agua (c.a.) clase 2 (4) Manómetro de columna de agua (Dwyer), rango de medición 500-0-500 mm (c.a.), clase 2. (5) Tubos Pitot, Modelo 160-U (Dwyer). (6) Puntas de prueba de presión estática (Dwyer). (7) Termocuplas Cu-Constantan. (8) Termómetros de bulbo de mercurio, clase 0.1 ºC. (9) Voltímetro analógico (METRA) clase 0.2 (10) Termorresistencias (equipamiento standard de la máquina). 8.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS.

8.1 Caudal de aire a través de los canales del estator. La distribución de caudal a lo largo del núcleo es uno de los aspectos mas difíciles de prever y resolver en la ventilación de hidrogeneradores. Así se puede observar en la tabla I, las velocidades medidas en los distintos canales del núcleo. La distribución de caudal muestra una dispersión de ± 24% con respecto de la velocidad promedio. De todos modos, si dividimos la longitud del núcleo en 4 zonas la dispersión es como máximo 8 %. Al analizar la dispersión en la columna (2) de la tabla I, se evidencia un menor caudal en los paquetes extremos del núcleo estatórico. Esta división en zonas se realizó para correlacionar las

Los caudales medidos en las cabezas de bobina y los canales del núcleo suman: 1.4 + 1.24 + 9.95 = 12.59 m³/s. Por otro lado, el caudal medido en los enfriadores es: 12.66 m³/s. Esto comprobó el buen funcionamiento de la medición de caudal realizada con los distintos métodos. En los caudales medidos puede observarse que resultaron un poco más altos que los calculados, con lo cual se obtuvo un margen de seguridad favorable, dentro del criterio general adoptado para el cálculo de máquinas. Debido a que el caudal total es 6 % mayor que el calculado, se resolvió no tomar ninguna acción de ajuste sobre los caudales. Tabla II - Caudales de aire. Localización en el generador

Retorno superior Retorno inferior Canales núcleo estator Cabezas de bobina superior Cabezas de bobina inferior Enfriadores de aire

Caudales medidos (m³/s) 9.3 3.2 9.95 1.4 1.24 12.5

Caudales calculados (m³/s) 8.9 3.0 9.4 1.2 1.2 11.9

Dispersión (%) 4.5 6.7 5.9 17.0 3.3 6.4

8.3 Medición de calentamientos. Como se observa en la tabla III, el calentamiento de los dedos de presión superó los 60 ºK de calentamiento exigidos. Sin embargo, se tomó en cuenta para la aceptación de este valor que la norma IEC 34-1 indica que los elementos adyacentes al bobinado no deben tener una temperatura que dañe la aislación. Por otra parte, es sabido

que a la aislación de clase F se le especifica un límite de calentamiento de 80 ºK como si fuese de clase B, pero su límite es aún mayor. A raíz de este ensayo se han realizado modificaciones en los diseños de las nuevas máquinas en los dedos y las placas de presión. La modificación permite el pasaje de mayor caudal de aire entre las placas y los dedos de presión, logrando así una mejor ventilación de esa zona. Tabla III - Calentamientos medidos con termocuplas y calculados. Canal

Punto de medición

Tabla IV - Calentamientos medidos con termorresistencias y calculados. Calentam. medido ºK 23 36

Núcleo estator Bobina del estator

Calentam. calculado ºK 27.8 50.6

Disp.

-

Calent. medido ºK Cabezas de bobina superior 40.0 Cabezas de bobina inferior 37.0 Dedos presión (Lado rot.) 67.0 Placas de presión (lado bobina) 29.0 Aire zona dientes 29.1

1-5 6-10 11-14 15-20

Dientes núcleo estator, superior Dientes núcleo estator, intermedio Dientes núcleo estator, intermedio Dientes núcleo estator, inferior

24.0 20.3 22.8 26.0

31.9 31.9 31.9 31.9

24.8 36.4 28.5 18.5

1-5 6-10 11-14 15-20

Corona núcleo estator, superior Corona núcleo estator, intermedio Corona núcleo estator, intermedio Corona núcleo estator, inferior

27.5 21.9 24.7 31.5

27.8 27.8 27.8 27.8

1.1 21.2 11.1 -13.3

1-5 6-10 11-14 15-20

Espalda núcleo estator, superior Espalda núcleo estator, intermedio Espalda núcleo estator, intermedio Espalda núcleo estator, inferior

29.5 22.2 25.9 31.5

-

-

Calent.

25 ºC, mayores que en la parte central del núcleo. El cálculo se realiza como si la distribución de pérdidas fuera uniforme, y por lo tanto se muestran temperaturas uniformes, de todos modos en este caso se obtuvo para la corona una diferencia de 3 ºC con respecto a lo calculado.

calculado

ºK -

(%) -

Como es conocido, en las zonas extremas hay mayores pérdidas por lo que es de esperar puntos calientes entre 15 a

Se verificó que las elevaciones de temperatura indicadas por las termocuplas fueran compatibles con las mediciones realizadas con las termorresistencias. (ver tabla IV). 8.4 Influencia de la distribución de caudales sobre las temperaturas. Los resultados del ensayo de ventilación muestran una curva de distribución con menor caudal en los paquetes extremos del núcleo estatórico. A este efecto se le debe agregar que las pérdidas a evacuar en los paquetes extremos del núcleo estatórico es mayor que en la parte central del mismo. Estos dos efectos adversos se ven reflejados en las curvas de calentamientos mostradas en la figura 3. Principalmente, el calentamiento de los dedos del núcleo estatórico refleja una relación inversa con la velocidad de aire, es decir, en los canales con velocidades altas la temperatura es baja y viceversa.

ESPALDA CORONA DIENTES

0

5 Velocidades (m/s)

10

15

10

15

20

25

30

Calentamientos (ºK)

Figura 3 – Distribución de velocidades y calentamientos a lo largo del estator.

35

40

9.

CONCLUSIONES.

•

Finalmente los ensayos de ventilación y calentamiento han permitido:

10.

•

Observar la influencia que tiene la ventilación sobre el calentamiento.

[1]

•

Establecer las acciones correctivas para el óptimo funcionamiento del generador.

•

Conocer el comportamiento de este tipo de ventilación.

•

Mejorar las metodologías de cálculo para predecir el comportamiento de la ventilación y calentamiento en la etapa del diseño.

•

Realizar el ajuste de los caudales durante la puesta en marcha o de máquinas en operación.

Establecer una base para el uso futuro de programas del tipo de dinámica de fluidos. REFERENCIAS.

V. Filipan, R. Budin, A. Mihelic-Bogdanic, “Experimental investigations on the cooling system of a large hydro generator”. (Hydropower into the Next Century, 15-17 Sept. 1997, Portopoz, Slovenia, pág. 241 a 252.). [2] V. Filipan, R. Budin, A. Mihelic-Bogdanic, “Air flow measurement on hydro generator”. (Water Power & Dam Construction, January 1993, pág. 44 a 46). [3] O. A. Gonçalves, “Getting the maximum output: the importance of temperature monitoring in upgraded generators”. (Technical Marketing Manager, São Paulo, Brazil, pág. 721 a 727).