A Model of a Turbine Unit with a TVV-650-2 Generator for Predicting Mechanical Loads Caused by Power System Emergencies
DOI:
https://doi.org/10.24160/0013-5380-2026-5-4-15Keywords:
synchronous generator, turbine unit, shaft line torsional vibration, torsional torque, imbalanced short circuit fault, non-simultaneous short circuitAbstract
The article considers an integrated mathematical model of a turbine unit for determining dangerous mechanical impacts applied to its shaft line based on calculations of transients triggered by accidents in the electrical network, which are characterized by high-amplitude alternating torques with frequencies of 50 Hz and 100 Hz. The turbine unit shaft line torsional oscillations were modeled through writing a system of differential equations for the motion of lumped masses interconnected by elastic inertia-free links. By analyzing the shaft line torsional vibrations using this model, one can get a fairly accurate idea about the turbine generator rotor motion pattern, reproduce, in a correct manner, all critical frequencies of the shaft line, and calculate torsional torques with high accuracy. Models with lumped parameters are valid for analyzing shaft line torsional vibration excited by dynamic disturbances in the power system. In this regard, the model of a diode brushless exciter is also of importance. This exciter, which is rigidly connected to the generator, can change the electromagnetic torque under the action of an automatic excitation controller. It is shown that the impacts induced by accidents can pose a danger to the turbine unit structural elements, in particular, to the coupling between the generator and exciter. Based on the performed calculations of transients, a method to eliminate dangerous values of torsional torques is proposed.
References
1. Кузнецов Н.М., Минин В.А. Роль Кольской АЭС в энергетике Мурманской области. – Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Энергетика, 2020, № 19, с. 72–81.
2. Победоносцева В.В. Как разрабатывался механизм инвестирования строительства Кольской АЭС-2: история практики и теории. – Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки, 2022, т. 13, №3, с. 32–42.
3. Схема и программа развития электроэнергетических систем России на 2025–2030 годы: утверждены Приказом Министерства энергетики Российской Федерации от 29 ноября 2024 г. № 2328 «Об утверждении схемы и программы развития электроэнергетических систем России на 2025–2030 годы».
4. Беляев А.Н. Смоловик С.В. Крутильные колебания валопроводов турбоагрегатов: монография. СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2024, 295 с.
5. Беляев А.Н., Смоловик С.В. Подавление слабодемпфированных крутильных колебаний в автономных энергосистемах. – Электрические станции, 2017, № 12, с. 26–33.
6. Сафронов А.А. и др. Математическая модель турбоагрегата с учетом крутильных колебаний валопровода. – Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2025, т. 17, № 1, с. 48–56.
7. Грабовский В.П. Крутильные колебания и повреждаемость валов роторов турбогенераторов, оснащенных автоматическими регуляторами возбуждения. – Известия высших учебных заведений. Электромеханика, 2020, № 1, с. 77–84.
8. Шхати Х.В., Кадхем Б.Т., Смоловик С.В. Демпфирование крутильных колебаний валопровода турбоагрегата с помощью АРВ. – Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2007, № 4, с.202–206.
9. Вяльцев Г.Б. и др. Исследование переходных процессов в электрических машинах. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2023, 80 с.
10. Юрганов А.А., Кожевников В.А. Регулирование возбуждения синхронных генераторов. СПб.: Наука, 1996, 138 с.
11. Карагодин, В.В. Горин В.А., Рыжий Н.В. Повышение эффективности управления возбуждением бесщеточного синхронного генератора в автономных системах электроснабжения. – Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2019, т. 15, № 3, с. 5–14.
12. Беляев А.Н. Снижение скручивающих моментов в системе газотурбинного привода генераторов автономной электростанции. – Известия РАН. Энергетика, 2010, № 2, с. 124–132.
13. Глебов И.А. и др. Учет анормальных режимов при конструировании и эксплуатации мощных турбогенераторов. – Электричество, 1983, № 11, с. 13–17.
14. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Изд-во Юрайт, 2025, 828 с.
15. AbolinsA. еt al. Effect of Clearing Short Circuits and Automatic Reclosing on Torsional Stress and Life Expenditure of Turbine-Generator Shafts. – IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1976, vol. 95, No. 1, pp. 14–25, DOI: 10.1109/T-PAS.1976.32073.
16. Canay I.M. A Novel Approach to the Torsional Interaction and Electrical Damping of Synchronous Machine, Part II: Application to an Arbitrary Network. – IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1982, vol. PAS-101, No. 10, pp.3639–3647, DOI: 10.1109/TPAS.1982.317049.
#
1. Kuznetsov N.M., Minin V.A. Trudy Kol’skogo nauchnogo tsentra RAN. Seriya: Energetika – in Russ. (Proceedings of the Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. Series: Energy), 2020, No. 19, pp. 72–81.
2. Pobedonostseva V.V. Trudy Kol’skogo nauchnogo tsentra RAN. Seriya: Tekhnicheskie nauki – in Russ. (Proceedings of the Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. Series: Energy), 2022, vol. 13, No. 3, pp. 32–42.
3. Shema i programma razvitiya elektroenergeticheskih sistem Rossii na 2025–2030 gody: utverzhdeny Prikazom Ministerstva energetiki Rossiyskoy Federatsii ot 29 noyabrya 2024 g. No. 2328 «Ob utverzhdenii shemy i programmy razvitiya elektroenergeticheskih sistem Rossii na 2025–2030 gody» (Scheme and Program for the Development of Russian Electric Power Systems for 2025–2030: approved by Order of the Ministry of Energy of the Russian Federation dated November 29, 2024 No. 2328 "On Approval of the Scheme and Program for the Development of Russian Electric Power Systems for 2025–2030").
4. Belyaev A.N. Smolovik S.V. Krutil’nye kolebaniya valopro-vodov turboagregatov: monografiya (Torsional Vibrations of Turbine Unit Shafts: Monograph). SPb.: POLITEKh-PRESS, 2024, 295 s.
5. Belyaev A.N., Smolovik S.V. Elektricheskie stantsii – in Russ. (Electrical Stations), 2017, No. 12, pp. 26–33.
6. Safronov A.A. et al. Izvestiya SPbGETU «LETI» – in Russ. (Proceedings of Saint Petersburg Electrotechnical University), 2025, vol. 17, No. 1, pp. 48–56.
7. Grabovskiy V.P. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Elek-tromekhanika – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Electromechanics), 2020, No. 1, pp. 77–84.
8. Shhati H.V., Kadhem B.T., Smolovik S.V. Nauchno-tekhni-cheskie vedomosti SPbGPU – in Russ. (Scientific and Technical Bulletin SPbPU), 2007, No. 4, pp. 202–206.
9. Vyal’tsev G.B. et al. Issledovanie perekhodnyh protsessov v elektricheskih mashinah (Investigation of Transient Processes in Electric Machines). Novosibirsk: Izd-vo NGTU, 2023, 80 p.
10. Yurganov A.A., Kozhevnikov V.A. Regulirovanie vozbuzh-deniya sinhronnyh generatorov (Regulation of Excitation of Synchro-nous Generators). SPb.: Nauka, 1996, 138 p.
11. Karagodin, V.V. Gorin V.A., Ryzhiy N.V. Elektrotekhniches-kie i informatsionnye kompleksy i sistemy – in Russ. (Electrotechnical and Information Complexes and Systems), 2019, vol. 15, No. 3, pp. 5–14.
12. Belyaev A.N. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Energy Industry), 2010, No. 2, pp. 124–132.
13. Glebov I.A. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 1983, No. 11, pp. 13–17.
14. Kopylov I.P. Proektirovanie elektricheskih mashin (Design of Electric Machines). M.: Izd-vo Yurayt, 2025, 828 p.
15. Abolins A. et al. Effect of Clearing Short Circuits and Automatic Reclosing on Torsional Stress and Life Expenditure of Turbine-Genera-tor Shafts. – IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1976, vol. 95, No. 1, pp. 14–25, DOI: 10.1109/T-PAS.1976.32073.
16. Canay I.M. A Novel Approach to the Torsional Interaction and Electrical Damping of Synchronous Machine, Part II: Application to an Arbitrary Network. – IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1982, vol. PAS-101, No. 10, pp. 3639–3647, DOI: 10.1109/TPAS.1982.317049
Downloads
Published
Versions
- 2026-05-08 (3)
- 2026-05-08 (2)
- 2026-03-26 (1)
