Generadores y Protecciones 2002

Proteccin de Generadores Trabajo de investigacin Bogdanoff Ledesma Mlot Bez

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Facultad de Ingeniera Electromcnica Universidad Nacional de Itapa - 2002

Indice

Ttulo Pgina

1. Consideraciones Generales ......................................................................................................................... 5

2.1. El Aterramiento en los Generadores ..................................................................................................... 8

2.2. Funcionamiento del Generador ............................................................................................................. 8

2.3. Anormalidades que afectan a la operacin del Generador.................................................................. 8

3. Protecciones de Generadores .................................................................................................................... 10

3.1. Proteccin diferencial de generador .................................................................................................... 11

3.2. Protecciones de Sobretensin ............................................................................................................... 12

3.3. Proteccin de subtensin ...................................................................................................................... 12

3.4. Proteccin contra falta a tierra en la red exterior .............................................................................. 13

3.5. Proteccin de prdida de excitacin (sub-excitacin) ........................................................................ 13

3.6. Proteccin de cortocircuitos entre espiras .......................................................................................... 15

a) Proteccin de los cortocircuitos entre espiras en mquinas con un arrollamiento por fase .................... 15

b) Proteccin de cortocircuitos entre espiras en mquinas con neutro aislado i con varios arrollamientos por fase .................................................................................................................................................................. 16

c) Proteccin de cortocircuitos entre espiras para mquinas con neutro puesto a tierra y varios arrollamientos por fase ......................................................................................................................................... 17

3.7. Proteccin de contactos a tierra en el estator ..................................................................................... 18

a) Detectar contactos a tierra en toda la zona de los devanados, inclusive el centro de estrella.............. 18

b) Desconectar el generador y su excitacin lo ms rpidamente posible, en caso de contacto a tierra en el estator. .............................................................................................................................................................. 18

c) Mantener las corrientes de contacto a tierra tan pequeas que no produzcan daos en la chapa del estator. .................................................................................................................................................................. 18

d) Aumentar de tal forma la selectividad de la proteccin, que sea insensible frente a perturbaciones y contactos a tierra en la red. ................................................................................................................................ 18

3.8. Proteccin de falta a tierra en el rotor ................................................................................................ 25

a) Mtodo del potencimetro ........................................................................................................................... 26

b) Mtodo de inyeccin de corriente continua ............................................................................................... 26

c) Mtodo de inyeccin de corriente a/terna .................................................................................................. 27


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3.9. Proteccin de retorno de energa ......................................................................................................... 27

3.10. Proteccin de carga asimtrica ............................................................................................................ 28

3.11. Proteccin de mnima impedancia en la estrella del generador ........................................................ 29

3.12. Proteccin de mnima impedancia en el lado de A.T. del transformador ........................................ 30

3.13. Proteccin de subfrecuencia ................................................................................................................. 31

3.14. Proteccin de sobrevelocidad ............................................................................................................... 32

3.15. Proteccin de energizacin involuntaria o de mquina muerta .................................................... 33

3.16. Fatiga en el eje ....................................................................................................................................... 34

4. Disparos de las protecciones ..................................................................................................................... 35

5. NUEVAS AREAS DE MEJORAMIENTO DE LA PROTECCION EN GENERADORES ANTIGUOS.......................................................................................................................................................... 37

5.17. Mejora en la Sensibilidad en reas de proteccin donde los rels antiguos no ofrecen el nivel de deteccin necesario para impedir los daos. ................................................................................................... 37

5.18. reas Nuevas o Adicionales de Proteccin ....................................................................................... 37

5.19. Consideraciones sobre Aplicacin de Protecciones Especiales que corresponden slo a los generadores. ..................................................................................................................................................... 37

AREAS DE PROTECCION CON MEJORA EN LA SENSIBILIDAD ........................................................ 37

AREAS NUEVAS O ADICIONALES DE PROTECCION ........................................................................... 38

CONSIDERACIONES SOBRE APLICACIN DE PROTECCIONES ESPECIALES QUE CORRESPONDEN

SLO A LOS GENERADORES ........................................................................................................................ 40

6. Tcnicas para la deteccin de fallas. ......................................................................................................... 40

Detectores acsticos de monitoreo de fallas. .................................................................................. 40 Ensayos de deteccin de descargas parciales: ................................................................................ 40 Deteccin de fallas y eventos mediante el rastreo infrarrojo ........................................................ 41 Monitoreo y diagnostico en lnea de transformadores de potencia .............................................. 41 Sensores de vibracin ....................................................................................................................... 41 Anlisis de gases disueltos. ............................................................................................................... 42 La inteligencia artificial en el servicio elctrico. ............................................................................ 42

Proteccin contra corto circuito entre espiras de la misma fase ..................................................................... 43

Proteccin del estator contra falla a tierra ........................................................................................................ 43

Proteccin de respaldo del estator con rels de sobrecorriente....................................................................... 44

Proteccin contra cargas desequilibradas ....................................................................................................... 44

Proteccin contra sobrecalentamiento ............................................................................................................. 44

Proteccin contra sobre tensin ....................................................................................................................... 45

Proteccin contra prdida de excitacin .......................................................................................................... 45 Proteccion de retaguardia ............................................................................................................................. 46 Proteccin contra motorizacin ................................................................................................................... 46


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Terra en el estator ........................................................................................................................................ 46

7. Proteccin de Interconexiones de Generadores de IPP Usando Tecnologa Digital ............ 52

8. Menciones sobre Yacyreta y su generacin ............................................................................................. 62

9. Bibliografa ................................................................................................................................................. 63


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1. Introduccin

La filosofa de proteccin de generadores vara

bastante entre pases y fabricantes. La escuela de sta

filosofa debe llevar en consideracin las caractersticas del

generador y de los sistemas de potencia a los cuales sern

conectados. Cada uno de ellos con sus respectivos estudios

y consideraciones independientes.

Siendo el generador uno de los equipos mas caros

en su reparacin, el esquema de protecciones deber

minimizar los riegos de daos producidos por

cortocircuitos y otras fallas.

Esperamos que este trabajo de investigacin ayude a

conformar un conocimiento ms amplio y una visin ms

dinmica de este tema tan apasionante. Los materiales

utilizados, sin los cuales no hubisemos podido concretar

este emprendimiento, pertenecen a obras individuales, de

estudiantes en su poca, ahora flamantes profesionales,

textos bibliogrficos mencionados al final de este trabajo y

otros pertenecientes al II Curso Internacional de

Entrenamiento en Protecciones de Sistemas de Generacin

y Transmisin, acercado por el Ing. Andrs Ramrez,

Profesor de la materia Centrales Elctricas, materia a la

cual pertenece este proyecto de investigacin y lo realzan.


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1. Consideraciones Generales

En la actualidad los equipos

de deteccin y prevencin de

fallas en sistemas de potencia

desempean un papel importante

en el desarrollo y funcionamiento

de los sistemas de potencia ya

que muchas veces el conocer la

razn y el punto especfico de la

falla nos da cierta ventaja en

cuanto a la rapidez y la forma de

solucionar el problema.

Contrariamente a la creencia

popular, los generadores

realmente experimentan cortocircuitos y condiciones elctricas anormales. En muchos casos,

el dao al equipo producido por estos eventos puede reducirse o evitarse mediante la

proteccin apropiada del generador. Los generadores, a diferencia de otros componentes de

los sistemas de energa, requieren ser protegidos no slo contra los cortocircuitos, sino contra

condiciones anormales de operacin. Algunos ejemplos de tales condiciones anormales son: la

sobreexcitacin, el sobrevoltaje, la prdida de campo, las corrientes desequilibradas, la

potencia inversa, y la frecuencia anormal. Al estar sometido a estas condiciones, el generador

puede sufrir daos o una falla completa en pocos segundos, por lo que se requiere la deteccin

y el disparo automtico.

En los ltimos aos, las aplicaciones de los mtodos de la inteligencia artificial en el

campo de los sistemas de potencia ha aumentado muy rpidamente. Estos mtodos como los

sistemas expertos, la lgica difusa y las redes neuronales artificiales, necesitan una base de

datos que describa el funcionamiento del sistema junto a un anlisis lgico, en lugar de un

anlisis matemtico para el control del sistema y facilitar la toma de decisiones.

Uno de estos mtodos es el empleo de las redes neuronales artificiales que imitan el

funcionamiento del cerebro humano. Las redes neuronales se usan para el reconocimiento de

las imgenes y sonidos, para el procesamiento de los datos y seales, y como clasificadores.

En el campo del anlisis de los sistemas de potencia, hay investigaciones para aplicar la

tecnologa de las redes neuronales para la prediccin de los parmetros y las cargas del

sistema, el anlisis de la seguridad, la estabilidad y las protecciones.

En este trabajo tambin se analizan varios mtodos y su respectivas reas de accin o

selectividad.


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Este material extrado del texto Introduccin a la Proteccin de los Sistemas Elctricos de Amadeu C. Caminha 1977 Editora Edgard Blcher Ltda. Nos acerca este cuadro para identificar cada una de las protecciones de generadores y sus respectivos alcances, inclusive desde el punto de vista del Rgimen

a) Proteccin de generadores en general

Tipo de Proteccin indicada Rgimen Nominal

100

Diferencial

Tierra restricta

Falla entre espiras del estator

Sobrecorriente con restriccin por tensin

Sobrecarga

Sobretemperatura

Corriente de secuencia negativa

Perdida de carga

Antimotorizacin

Prdida de campo

Perdida de sincronismo

Sobre velocidad

Sobretensin

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b) Proteccin de rotor

Falta a tierra

Prdida de campo

Indicador de vibracion

Temperatura del mancal

Aislamiento del mancal

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c) Proteccin solo actuando alarmas y disparo

Condicin anormal verificada en funcin a la mquina motriz A Vapor o

refrigerada a Hidr-

aulic.

A) Alarma Aire H

Bajo Vacuo del condensador

Anormal presin, temperatura o densidad de PH

Baja presin en el aceite del mancal

Alta Temper. En el enrrollamiento del Trafo bloque GT

Alta temperatura en el mancal

Presin de aceite del regulador

Falta de agua en el refrigerador

Alta temperatura en el aire del estator

Falla de apertura de vlvula

Rel Buchholz de los transformadores

Temperatura del aceite de trasformadores

Falla del regulador de tensin

Falla a tierra del rotor

Falta de campo

Baja tensin en las baterias

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B) Desconexin

Falta del estator

Cortocircuito en los transformadores

Sobre tensin y/o sobrevelocidad

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X

X

X

En centrales con operadores existen diferencias de opinin sobre lo que sera proteccin

suficiente de los generadores, principalmente en lo que se relaciona con las llamadas condiciones

anormales. En pocas anteriores se deseaba disminuir la cantidad de automatismos ya que:


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Cuanto existe mas equipamiento a mantener, mas pobre y menos confiable ser el mantenimiento.

Equipamiento automtico puede operar intempestivamente

Un operador puede a veces impedir o evitar la desconexin de una unidad generadora en horas crticas.

Pero teniendo en cuenta que la tecnologa a

desarrollado, mediante sistemas informticos

complejos, esquemas similares que pueden simular

millares de operaciones y situaciones en fracciones de

segundo, siempre y cuando ellas se encuentren en una

base de datos relacionada con el sector, observaremos

que estos principios van decayendo, demostrando que

la efectividad y de ninguna manera despreciando la

labor de profesionales, se ven fortalecidas por la

implementacin de sistemas como el de Inteligencia

Artificial (IA).

En el congreso de Energa

realizado por la Cigre en el mes de

Agosto del 2002, observamos que

uno de los expositores mencionaba

la versatilidad de estos sistemas,

pero en contrapartida, esta base de

datos, es de difcil creacin, tanto

por la mezquindad de profesionales

en ste mbito, como tambin por

el tiempo que esto llevara

generarla. Desde nuestro humilde

pensamiento, deseamos inducir a

que ello no deben ser barreras para

el desempeo de tal sistema y que

ninguna carrera puede empezar

sin haber dado el primer paso


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2.1. El Aterramiento en los Generadores

El neutro, centro de la conexin estrella de los generadores puede ser aislado, aterrado

rgidamente aterrado a travs de una resistencia. Con el objetivo de limitar el valor de las corrientes

de corto circuito fase-tierra, es una prctica comn la utilizacin del aterramiento a travs de una

resistencia, reactor o transformador de distribucin con resistencia en el secundario. La corriente es

limitada en torno a 12 A como mximo.

Corrientes de Corto Circuito en los Generadores

Se pueden citar:

A) Defectos en el lado de Baja Tensin (BT) Los defectos entre fases ( bifsicos o Trifsicos) poseen valores altos de corriente y son mas

dainos. Los defectos fase-tierra a pesar de poseer valores pequeos de corriente, causan

sobretensiones.

B) Defectos en el lado de Alta Tensin (AT) Todos los tipos de corto ciurcuito (CC) entre fases o fase tierra, se reflejan en el lado del

generador y pueden ser dainos.

2.2. Funcionamiento del Generador

El Generador puede operar generando o recibiendo potencia reactiva (MVAr) del sistema. Este

control es efectuado a travs del regulador de corriente de excitacin (DC) del rotor.

El generador debe generar potencia activa (MW) para el sistema, siendo el valor controlado por

el regulador de velocidad. Si el generador recibe potencia activa del sistema, ocurre un fenmeno

denominado motorizacin.

2.3. Anormalidades que afectan a la operacin del Generador

Las anormalidades mas comunes que interfieren en el funcionamiento del generador, son

bsicamente de origen externo (sistema de potencia) y/o interna (generador y equipamientos asociados

a l). Resumidamente:

A) Origen Externo (Sistema)

Sobretensiones

Transitorios

Reinyeccin de cargas

Sobrecarga

Oscilacin de Potencia

Corto circuito en Lneas de Transmisin y equipamientos

Cargas Asimtricas

Retorno de energa

B) Origen interno (Generador y Equipamientos Asociados)


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4. Corto circuito 4.1. Estator 4.2. Barras/Cabos 4.3. TC`s 4.4. Tp`s 4.5. Trafo Elevador

5. Servicio Auxiliar 6. Turbina 7. Excitacin 8. Carga Asimtrica

Proteccin Anormalidad

Diferencial (87) Cortocircuito en: estator (fases), trafo y equipamientos

Tierra en el estator (64) Corto Circuito a tierra del estator

Tierra en el rotor (64R) Corto Circuito en el rotor

Secuencia Negativa (46) Carga Asimtrica

Sobretensin (59) Sobretensin

Impedancia (21) Corto circuito : estator, trafo, equipamientos, barra,

barras (AT) y LT (retaguardia)

Trmico (49) Sobre Carga

Sobre corriente (51) Corto Circuito (Retaguardia)

Prdida de Excitacin (40) Falla en la excitacin, oscilacin en la potencia

Direccional de Potencia (32) Retorno de Energa (motorizacin)

Volt/Hertz Sobre excitacin / transformador

Desde otro texto podemos decir que menciona y

generaliza la proteccin del generador en dos tipos de

fallas:

Falla de aislamiento, llevando a cortocircuito entre espiras, fase fase, fase tierra o trifsica.

y Condiciones anormales de funcionamiento como prdida de campo, carga desequilibrada

del estator, sobrevelocidades, vibraciones,

sobrecarga, etc.


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3. Protecciones de Generadores En un sistema elctrico, los generadores constituyen un elemento claramente diferenciado del resto de equipos que constituyen el sistema. Obviamente, en caso de que el sistema est perturbado por cualquier causa (cortocircuito, prdida de estabilidad, descenso de frecuencia, etc.) los generadores han de mantenerse en servicio siempre que sea posible, en un intento de evitar el apagn general, de desastrosas consecuencias. Esto no siempre es posible debido, principalmente, a sus limitaciones mecnicas y trmicas. Por otro lado, los generadores, como mquinas rotativas, padecen los disturbios de la red de forma muy diferente a como los sufren el resto de equipos, no rotativos.

Naturalmente, tambin pueden producirse averas internas en sus arrollamientos rotrico o estatrico. Algunas de estas averas, aunque de poca significacin en cuanto a magnitud, son muy dainas para la mquina. La deteccin de tales faltas internas precisa de sistemas de proteccin de cierta sofisticacin.

Por todo ello, la proteccin de los generadores merece un punto y aparte al hablar de las protecciones de un sistema elctrico. Conforme aumente la potencia de las mquinas, sus sistemas de proteccin son ms y ms complejos (fig. 5.1).

Para los grandes alternadores, se instalan equipos de proteccin compactos, usualmente diseados por el propio constructor de la mquina, que incorporan los rels de proteccin propiamente dichos, los transformadores auxiliares de intensidad y tensin, las fuentes de alimentacin para los rels y las bobinas de disparo, el equipo de sealizacin, rels auxiliares, equipos de vigilancia de los circuitos de disparo, etc. En estos casos, las protecciones estn normalmente agrupadas en dos paneles de proteccin. La distribucin de protecciones entre los dos paneles se realiza intentando que las protecciones de un panel tengan la rplica de reserva local en el otro. En el caso de que esto no pueda cumplirse, se duplican las protecciones para disponer de la correspondiente reserva..

Cada panel tiene su propia fuente de

alimentacin y efecta los disparos con distin-tas bateras de acumuladores, intentando alcanzar un elevado nivel de obediencia del sistema de proteccin (fig. 5.2).

En el lado opuesto se encuentran los generadores de las minicentrales. Se trata, normalmente, de

generadores de muy baja potencia, alimentados por un salto de escasa altura. Estos generadores se conectan a una toma de distribucin M.T. cercana. Las protecciones que incorpora el generador suelen


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ser las mnimas indispensables, pero deben aadirse algunas protecciones especiales que contemplen la forma en que el generador est conectado al sistema (fig. 5.3).

En los siguientes prrafos se

describen las protecciones usuales en grandes y pequeos generadores.

3.1. Proteccin diferencial de

generador La proteccin diferencial de generador deber incluir elementos de frenado a fin de evitar actuaciones intempestivas en caso de cortocircuitos externos debidos a errores de respuesta de los transformadores de intensidad, especialmente durante el perodo subtransitorio, originado por la componente asimtrica de la intensidad de falta. Interesa que los circuitos de corriente secundarios y los rels diferenciales sean de bajo consumo para que los transformadores de intensidad respondan mejor a las altas intensidades que pueden esperarse (fig 5.4) Existen tres formas aplicables en el sistema de proteccin diferencial, refirindonos al conjunto Generador Transformador Barras. Como indica la figura siguiente las tres soluciones pueden ir desde la separacin en tres protecciones diferenciales independientes (primer caso) hasta la globalizacin en una sola (tercer caso):


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3.2. Protecciones de Sobretensin

Se emplea para proteger las mquinas o los transformadores, en caso de servicio separado de red,

frente a elevaciones excesivas de tensin, por funcionamiento anmalo del regulador de tensin o falsa

maniobra con regulador manual. Esta proteccin se instalaba anteriormente prcticamente slo en

centrales hidrulicas, ya que, en este tipo de centrales, haba que contar con fuertes sobretensiones al

producirse una prdida brusca de carga, y tener lugar el tpico embalamiento. Hoy en da se

incluye tambin esta sencilla proteccin en los turbogeneradores, ya que los reguladores de

tensin, cada vez ms complejos, pueden tener fallos de actuacin. Por otro lado, los

turbogeneradores poseen reactancias transitorias considerables que pueden ocasionar, en caso

de desconexiones a plena carga, la aparicin de

puntas transitorias de tensin, que pueden estar

prximas a las mximas solicitaciones de

tensin admisibles en el generador y el

transformador del bloque. En estos casos, es

necesario supervisar la rapidez de

intervencin del regulador de tensin. La

proteccin de sobretensin ha

experimentado, por tanto, una creciente

importancia, emplendose incluso en

versin de dos etapas (instantnea y

temporizada) incluidas en el mismo rel (fig. 5.6).

En una minicentral, conectada en Y sobre una lnea de distribucin, el rel de sobretensin es un rel de mxima tensin a tiempo independiente cuya principal finalidad es desconectar la central de la red en el caso de que la tensin de distribucin alcance un valor elevado y sostenido. El rel de sobretensin suele conectarse a una tensin compuesta de forma que no le afecten las sobretensiones que se producen en las fases sanas en ocasin de falta a tierra.

3.3. Proteccin de subtensin

Esta proteccin se instala en minicentrales. Su misin consiste en detectar corto circuitos polifsicos en la lnea de distribucin de media tensin. La mayora de alternadores de estas minicentrales son de muy baja potencia, por lo que despus del perodo subtransitorio su aportacin de corriente al cortocircuito es, en general, dbil y probablemente insuficiente para provocar el disparo de los rels de sobreintensidad

Tres rels de mnima tensin controlan las 3 tensiones compuestas del sistema

para detectar cualquier falta polifsica y actan independientemente sobre el interruptor.


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3.4. Proteccin contra falta a tierra en la red exterior

Esta es tambin una proteccin tpica de minicentrales conectadas a una lnea de distribucin M.T. Es usual que el transformador de la minicentral opere con neutro aislado a fin de no aumentar la corriente de falta a tierra en la red M.T. En el supuesto de falta a tierra en la propia lnea es preciso desconectar el generador de la minicentral para evitar que se mantenga el arco. La proteccin se basa en un rel de mxima tensin que mide la tensin residual indicativa de desequilibrio a tierra y tiene una temporizacin adicional de 5 10 s para lograr cierta selectividad en el caso de falta a tierra en otra lnea de la red de distribucin procedente del mismo embarrado (fig. 5.8).

3.5. Proteccin de prdida de excitacin (sub-excitacin)

La prdida de la excitacin de un alternador puede producirse por: Apertura no intencional del interruptor de campo. Circuito de campo abierto o en cortocircuito. Avera en el regulador automtico de tensin.

Cuando un generador, con una cierta carga, pierde su excitacin, pierde tambin el sincronismo con la red y pasa a funcionar a una frecuencia superior a la del sistema, absorbiendo de sta la potencia reactiva que necesita para la excitacin. La mxima potencia que puede estar suministrando un generador para mantener el sincronismo al perder la excitacin, depende de sus caractersticas.

En el caso de un generador de polos salientes est dentro del 15 25 % de la potencia nominal; para turboalternadores, puede ser slo del 3 5 %.

El resultado es un sobrecalentamiento de la parte final del estator y de porciones del rotor si la mquina funciona as durante cierto tiempo. La tensin en bornes del ge nerador vara peridicamente debido a la variacin de la corriente reactiva absorbida de la red. En los momentos en que la tensin es baja podran fallar los motores de induccin auxiliares, lo que ocasionara la prdida de la central.

La prdida de sincronismo tambin puede producirse con el circuito de excitacin en perfectas condiciones. En este caso, sera debido a cortocircuitos en la red exterior o a la operacin con carga capacitiva elevada y, por tanto, un campo relativamente dbil. En estas condiciones, el par de la mquina sufre fuertes oscilaciones con variacin de corriente,


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potencia y factor de potencia. Podra recuperarse el sincronismo si la carga se redujese suficientemente, pero si esto no

ocurre en pocos segundos, ser necesario desconectar el generador de la red y volverlo a sincronizar (fig. 5.9).

Los generadores sncronos no estn diseados para operar asncronamente y la salida de la

mquina oscilar segn las oscilaciones del rotor en un intento de volver a sincronizar. La prdida de sincronismo no requiere el disparo inmediato a menos que conlleve un importante descenso de la tensin de salida que ponga en peligro la estabilidad del sistema. Se conocen casos en que algn alternador ha estado funcionando fuera de sincronismo al perder la excitacin, sin resultar daado, por espacio de varios minutos.

En pequeos generadores no suele

instalarse proteccin contra prdida de excitacin. Si se instala, es normal que se limite exclusivamente a controlar, mediante un shunt, la corriente de excitacin. Si sta desciende por debajo del valor mnimo (por ejemplo, el 8 %) se produce la actuacin del rel, con un cierto retardo, del orden de 2 10s (fig 5.10).

La proteccin de prdida de excitacin que se instala en grandes alternadores, trabaja con

la impedancia medida en los terminales del estator. La figura 5.11 muestra la curva de funcionamiento de un generador y su transformacin al diagrama de impedancias. Para cada punto de la curva existe un ngulo ~ que permite leer el valor de la potencia trifsica aparente (S). El valor de la impedancia aparente, en valor secundario, viene dado por

Vr

Ir

S

UZ

t

t.2

siendo:

U= Tensin Nominal, en KV

S=Potencia aparente, en MVA

rtI= Relacin de transformacin de los T/I

rtV=Relacin de transformacin de los T/T


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3.6. Proteccin de cortocircuitos entre espiras Los cortocircuitos entre espiras son roturas de aislamiento entre espiras pertenecientes al mismo arrollamiento o a arrollamientos paralelos de la misma fase. Aparecen especialmente en alternadores con gran nmero de conductores por ranura, es decir, en unidades con tensin relativamente elevada y de baja potencia. Las causas ms corrientes de esos cortocircuitos son las sobretensiones producidas por fenmenos atmosfricos o deterioros mecnicos del aislamiento. En mquinas que slo poseen uno o dos conductores por ranura, la probabilidad de cortocircuito entre espiras es baja: sta se limita sobre todo a la cabeza de la bobina, sobre la cual pueden ejercerse grandes fuerzas y presiones externas.

Cuando se produce un cortocircuito entre espiras pueden aparecer grandes comentes de

circulacin, as como fuertes densidades de corriente; es por ello que tales defectos deben ser eliminados lo ms rpidamente posible, a fin de evitarla destruccin de otras partes del bobinado. A menudo, cuando se produce un cortocircuito entre espiras, tambin se produce un fallo de aislamiento contra el hierro del estator, pudiendo provocar el funcionamiento de la proteccin contra defectos a tierra del estator. a) Proteccin de los cortocircuitos entre espiras en mquinas con un arrollamiento por fase Un cortocircuito entre espiras implica una disminucin de la tensin inducida en la fase afectada. En consecuencia, se establece una diferencia de potencial entre el punto neutro de los arrollamientos y el punto neutro de las tensiones en los bornes de la mquina. Dicha diferencia de potencial se utiliza para detectar un cortocircuito entre espiras. La suma de las tensiones de fase se realiza con la ayuda de un transformador de tensin trifsico de acoplamiento magntico. En el lado de A.T., el punto neutro de dicho transformador se une al punto neutro del alternador. A los bornes del arrollamiento secundario, conectado en tringulo abierto, se conecta un rel de mxima tensin (fig. 5.14a).

son polarizados por una tensin compuesta, exenta de armnicos (fig. 5.14 b). La tenSin del arrollamiento en tringulo del transformador tambin se conecta al segundo par de bobinas. El acoplamiento resultante es nicamente proporcional a la componente 50 Hz de la tensin e independiente de los armnicos de tercer orden.


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En el caso en que se utilicen tres rels tipo Ferraris, polarizado cada uno de ellos por una tensin compuesta, puede conseguirse lo siguiente: 1. Determinar la fase en defecto.

2. Ajustar la misma sensibilidad para las tres fases.

Debido a la unin del punto neutro del alternador con el del transformador de tensin, ese

esquema puede tambin utilizarse, sin dificultad, para alternadores con neutro a tierra limitado mediante una mayor o menor resistencia.

Para precisar la sensibilidad necesaria de una proteccin contra cortocircuitos entre

espiras, es necesario determinar en funcin de la disposicin del arrollamiento a partir de qu mnimo nmero de pasos de bobina es posible el contacto entre partes de arrollamiento de la misma fase. Entonces, podr deducirse la tensin mnima que queda cortocircuitada en el momento del contacto. Esta tensin debe ser detectada por el rel de proteccin contra cortocircuitos entre espiras y ha de ser superior al mximo valor de las asimetras que aparecen en condiciones normales. Es usual ajustar el valor de operacin, aproximadamente, al 2 % de la tensin nominal. En los alternadores de polos salientes son posibles y admisibles grandes asimetras de tensin. En consecuencia, es necesario un ajuste ms alto del rel.

Por otra parte, es necesario temporizar esta proteccin a fin de evitar que el rel trabaje

debido a maniobras de explotacin (por ejemplo una variacin rpida de la excitacin que provoque asimetras de corta duracin en las tensiones de fase), a fenmenos transitorios en la red externa, etc. b) Proteccin de cortocircuitos entre espiras en mquinas con neutro aislado i con varios

arrollamientos por fase En estos alternadores, cuando aparece un cortocircuito entre espiras en una de las bobinas (R2), la tensin en la fase afectada es mantenida en parte por el arrollamiento en paralelo (R1). En este caso, es ms indicado medir la corriente de circulacin entre las dos bobinas, en lugar de medir la tensin. Para ello, se conecta un rel de sobreintensidad entre los dos puntos neutros (N1, N2) de los conductores del arrollamiento (fig. 5.15). En condiciones normales del servicio, apenas circula corriente a la frecuencia fundamental. Solamente circula una cierta corriente armnica (principalmente el tercer armnico).

Cuando se produce un cortocircuito entre espiras, aparece una circulacin de corriente entre el conductor en defecto y el conductor sano paralelo de la misma fase, que puede ser detectada por el rel de sobreintensidad.

El ajuste del rel ha de ser superior a la corriente normal de armnicos (alrededor del 5 %

de la corriente nominal para las pequeas mquinas y alrededor del 3 % de la corriente nominal para las grandes). Si el rel posee un filtro pasa-bajo con el fin de eliminar los armnicos, la sensibilidad que puede conseguirse ser ms elevada.

Esta proteccin puede utilizarse tambin cuando el alternador tiene tres arrollamientos

paralelos por fase, lo que puede conducir a tres puntos neutros distintos. Este tipo de


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proteccin, evidentemente, slo es utilizable en alternadores con neutro aislado. c) Proteccin de cortocircuitos entre espiras para mquinas con neutro puesto a tierra y

varios arrollamientos por fase En este caso, la puesta a tierra del neutro se realiza mediante un transformador cuyos extremos del primario estn unidos a los dos puntos neutros, estando puesto a tierra el centro del arrollamiento primario. De esta manera, este transformador no presenta impedancia suplementaria para las corrientes que circulan hacia tierra puesto que existe compensacin (fig. 5.16 a). En efecto, estas corrientes son idnticas en los dos conductores de arrollamiento. Por el contrario, cuando se produce un cortocircuito entre espiras circular una corriente desde un punto neutro hacia el otro e inducir una corriente en el arrollamiento secundario del transformador, lo que provocar la actuacin del rel de corriente.

Otro mtodo consiste en comparar, con ayuda de un rel diferencial, las corrientes en los diferentes conductores de arrollamiento de la misma fase (fig. 5.16 c) o en las uniones de los puntos neutros a tierra (fig. 5.16 b). Si se controlan, dos a dos, las corrientes de fase de un alternador trifsico, la proteccin estar constituida por seis transformadores de corriente y por un rel diferencial trifsico (proteccin diferencial transversal). Adems, puede discriminarse la fase afectada. Esta utilizacin supone la existencia de una distribucin simtrica de las bobinas en paralelo en las ranuras del estator. Pueden aparecer corrientes diferenciales de toda la serie de armnicos desde el segundo hasta el dcimo. Diferencias de bobinado con relacin al eje medio de los dos semi arrollamientos producen tambin diferencias de fase y sus correspondientes corrientes de circulacin, lo que pudiera impedir un ajuste lo bastante sensible (fig. 5.16 c).

Es necesario destacar que los cortocircuitos entre espiras no pueden ser detectados ni por un rel diferencial convencional ni por un rel de asimetra. Los rels diferenciales no funcionan cuando se produce un cortocircuito entre espiras, ya que la corriente es igual en lado neutro y en lado bornes de alternador. El rel de asimetra (componente inversa) no podra detectar determinados cortocircuitos entre espiras, a menos que sea de extraordinaria sensibilidad.


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3.7. Proteccin de contactos a tierra en el estator A pesar de las mejoras introducidas en la elaboracin de los aislamientos de las mquinas elctricas de A.T., sigue siendo el contacto a tierra una de las averas ms frecuentes. Tanto el contacto entre espiras como entre devanados ambos se inician la mayora de las veces a consecuencia de un contacto a tierra en el estator. Por ello, con el empleo de esta proteccin se puede evitar con antelacin el contacto o cortocircuito entre espiras y sus catastrficas consecuencias. Por este motivo, debe intentarse: a) Detectar contactos a tierra en toda la zona de los devanados, inclusive el centro de

estrella. b) Desconectar el generador y su excitacin lo ms rpidamente posible, en caso de

contacto a tierra en el estator. c) Mantener las corrientes de contacto a tierra tan pequeas que no produzcan daos en

la chapa del estator. d) Aumentar de tal forma la selectividad de la proteccin, que sea insensible frente a

perturbaciones y contactos a tierra en la red.

Para cumplir con la premisa baja intensidad de paso a tierra, se aconseja trabajar con el neutro del generador aislado o puesto a tierra a travs de alta impedancia. En conexiones en bloque, se tiene la ventaja de tener la mquina separada galvnica mente de la red externa, con lo cual las perturbaciones de la red no influyen directamente en la proteccin contra contactos a tierra en el estator. Sin embargo, siempre existe una cierta influencia a travs de la capacidad del transformador de bloque; de forma que en caso de falta a tierra en la red exterior


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tambin aparece cierta tensin entre la estrella del generador y tierra.

La figura 5.17 muestra uno de los esquemas tpicos de puesta a tierra de un generador. Se realiza por medio de una resistencia conectada al secundario de un transformador de potencia, de relacin V1 / V2.

El valor de rpt determina el

mximo valor que puede asumir la corriente de falta a tierra IN

El valor real de Rpt en ohmios primarios, viene dado por:

2

2

1.

V

VrR ptpt

De este valor, puede deducirse la mxima corriente de falta a tierra

N

pt

N

PT

NN I

V

Vr

U

R

VI

2

2

1.3

Con:

VN.UN = Tensiones nominales fase tierra y compuesta del generador, en voltios

rpt =Impedancia de puesta a tierra, en ohmios secundarios

V1.V2 =Tensiones primarias y secundaria del trafo de puesta a tierra en

voltios.

IN =Corriente de falta a tierra, en amperios.

Este valor de 1N es el que se obtendra despreciando la impedancia del arrolla-miento para una falta a tierra a bornes de salida del generador, donde se dispone del pleno valor de tensin (V). Cuanto ms cerca del neutro se encuentre la falta, menor es la tensin

disponible para producir corriente.


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V0 = PTN RI .

Pero IN = PTg

R

RZx

Vx

.

.

Con lo cual, despreciando el valor de Zg,

V0 = RVx.

con x en t.p.u., desde el punto neutro.

Por tanto, el ajuste dado al rel de tensin en voltios primarios supone el grado de proteccin del arrollamiento.

Vase un ejemplo con los datos siguientes:

Tensin nominal del generador:

Transformador de puesta a tierra:

11 kV

11.000/240 V

PTR =

2

24,0

11.2725,0

= 572

NI = 3.572

11000= 11,1 A (max)

Tensin de disparo = 24,0

11.18 = 825 V (primario)


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Porcentaje no protegido = 100.

3

11000

825= 13%

Porcentaje protegido = 100 13 = 87%

Naturalmente, cuanto menor sea el ajuste del rel de tensin, mayor ser la zona

protegida del arrollamiento.

Otro aspecto de inters es el contenido de tercer armnico en las corrientes del ge-

nerador. Como se aprecia en la figura 5.18, los terceros armnicos estn en fase y su resultante

es el triple del valor del armnico. Esta corriente pasa por el neutro y podra producir un

disparo intempestivo si el rel no incorpora algn filtro que elimine el tercer armnico. Si

tomamos los valores del ejemplo anterior, la tensin de 825 V, sobre la resistencia de 572

ohmios, supone una intensidad de slo 1,44 A y por tanto muy dbil.


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Este sistema mide la tensin del sistema vectorial

VN=VR+VS+VT (fig 5.20)


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La figura 5.19 muestra otro posible esquema para la proteccin de falta a tierra en el

estator.

El valor de V0 es usualmente nulo, excepto cuando existe una falta a tierra. En la figura

5.19 se ha representado un bloque generador-transformador. Dado el grupo de conexin del

transformador, el generador slo puede dar corriente de falta a tierra en caso de falta en el

propio alternador o en el bobinado B.T. del transformador.

Aqu tambin existe el problema de la tensin de tercer armnico. Los rels que haya

que emplear deben incluir un filtro de dicho armnico. Normalmente, los rels especficos

para este cometido amortiguan el tercer armnico a un valor de 15 30 veces.

La figura 5.21 muestra otro esquema para detectar faltas a tierra en el estator. A este

mtodo tambin aplicado en transformadores se le denomina diferencial de neutro o de falta a tierra restringida. En caso de falta externa, circula una corriente por el circuito

diferencial y la tensin a bornes del rel es reducida. En el supuesto de falta interna, no puede

establecerse esta circulacin de corriente y aparece una tensin elevada a bornes del rel de

tensin. Este sistema no se ve afectado por el tercer armnico, pues las corrientes armnicas

recorren de igual modo todos los transformadores de medida.


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Todos estos sistemas adolecen del mismo defecto. Si la falta est muy prxima al centro

de la estrella, es muy posible que la proteccin no detecte el desequilibrio de tensin o

corriente producido. Si se quiere proteger el 100 % del estator hay que buscar rels y montajes

ms complejos.

Uno de los sistemas consiste precisamente en trabajar con el tercer armnico. Cuando se produzca un contacto a tierra del estator, la corriente del tercer armnico en el

neutro ser tanto menor cuanto ms cerca del neutro se produzca el contacto (fig. 5.22)

En efecto, con el generador en servicio, por el neutro del generador circula la corriente

de tercer armnico I3, que produce una c.d.t. en la resistencia de puesta a tierra RPT. El rel de

mnima tensin, que cubre el 100 % del estator, dispone de un filtro que refuerza la tensin de

tercer armnico. En cambio, el rel de mxima tensin, que cubre el 90 %, dispone de filtro de

rechazo de tercer armnico. En condiciones normales, el contenido de tercer armnico

mantiene abierto el contacto a. Para que se produzca el disparo es necesario, adems, que la


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tensin sea la de servicio. Esto evita el disparo cuando la mquina est parada o se encuentra

regulando la velocidad.

Para instalar esta proteccin es importante conocer la corriente de tercer armnico que la

mquina entrega en todas las condiciones de servicio. Obsrvese tambin que el rel de

control de la tensin de servicio est conectado a una tensin compuesta.

Otro sistema, ms

sofisticado que los anteriores,

consiste en inyectar en la puesta

a tierra una tensin (fig. 5.23).

Normalmente se trata de una

tensin con una frecuencia (f)

distinta a la fundamental (f) y

que no coincida con la de ningn

subarmnico. En condiciones

normales, mientras no exista un

contacto a tierra, apenas circula

corriente de esta frecuencia.

Slo en caso de contacto a tierra

se cierra el circuito.

La corriente ser tanto mayor cuanto ms cerca de la estrella se encuentre el contacto a

tierra. El ajuste del rel ha de ser tal que quede garantizado que slo funcionar para defectos

en el estator de la mquina. Como normalmente se instala tambin la proteccin al 90 %, se

ajusta el rel del 100 % para cubrir, como mximo, 10 20 % del arrollamiento del estator.

3.8. Proteccin de falta a tierra en el rotor

Un contacto a tierra unipolar en el rotor de un generador sncrono no perturba, por si solo, el

servicio de la mquina.

En la mayora de los casos, esta proteccin se instala solamente para dar una alarma. Se

deja a criterio del personal de servicio el momento ms conveniente para quitar de servicio la

mquina y efectuar una medida exacta del contacto a tierra (por ejemplo, durante el servicio

nocturno, con carga dbil).

El gran problema aparece con el segundo contacto a tierra; en este caso queda anulada

una parte del arrollamiento inductor.

Aparte de los efectos trmicos sobre los conductores del rotor, la doble falta a tierra

supone una distorsin del flujo magntico creado por el arrollamiento inductor, de forma que

la fuerza atractiva puede ser muy poderosa en un polo y muy dbil en el polo opuesto. Esta

fuerza desequilibradora gira segn lo hace el propio rotor, producindose una violenta

vibracin que puede daar los cojinetes e incluso desplazar el propio rotor. El alternador corre

gravsimo peligro.


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Son varias las posibilidades de detectar el primer contacto a tierra del circuito de

excitacin.

a) Mtodo del potencimetro

Este sistema de deteccin es el ms simple. Se trata de una resistencia con una toma

intermedia conectada en paralelo con el inductor. La toma media est conectada a tierra a

travs de un rel que no acta en condiciones normales. Cuando se produce un contacto a

tierra aparece una tensin a bornes del rel y ste cierra, con una cierta temporizacin, un

contacto de alarma (fig. 5.24).

Este sistema presenta un

inconveniente. Cuando existe un

contacto a tierra en las

proximidades del centro dcl

arrollamiento del rotor, el rel no

queda sometido a ninguna

tensin y no produce alarma. El

problema se resuelve mediante

otra toma del potencimetro. Si no existe contacto a tierra, al conmutar la toma tampoco opera

el rel. Esta conmutacin debe efectuarse peridicamente y tomar la precaucin de volver el

conmutador a su posicin original.

b) Mtodo de inyeccin de corriente continua

El rel, alimentado por una tensin c.a., inyecta una tensin de c.c. (Um) en el polo negativo

del circuito de excitacin y

controla el paso de corriente. El

filtro elimina las componentes

alternas procedentes de la

tensin de excitacin. Cuando

disminuye la resistencia de

aislamiento (Rais) se produce

una circulacin de corriente que

ocasiona el cierre de un contacto

de alarma con una

temporizacin de 5 lO s. El ajuste mnimo del rel depende

de la capacidad respecto a tierra

del arrollamiento (fig. 5.25).

La temporizacin es necesaria para evitar que el rel trabaje por el incremento de la

corriente capacitiva ocasionada por el aumento de la tensin de excitacin, que suele

producirse cuando se regula muy rpidamente.


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c) Mtodo de inyeccin de corriente a/terna

En este sistema, se inyecta

una tensin alterna al circuito de

excitacin por medio de un

transformador y se controla el

paso de corriente. Cuando se

produzca un contacto a tierra, el

paso de corriente ocasiona el

cierre de un contacto de alarma.

Se utiliza una cierta

temporizacin, del orden dc 5 lOs. El condensador C establece

una barrera a la c. c. de la

excitacin para evitar descargas

a travs dcl rel. Un filtro pasa-

banda permite rechazar las

frecuencias de valor distinto a la

fundamental que pueden cncontrarse en la tensin de excitacin (fig. 5.26).

3.9. Proteccin de retorno de energa

La proteccin contra retorno de energa, o potencia inversa, tiene como finalidad separar el

generador de la red cuando falle la energa motriz del mismo, esto es, cuando la turbina ya no

sea la que arrastre al generador sino que sea ste el que, como motor, haga girar a la turbina.

Esta proteccin es, en realidad, una proteccin de la turbina, ya que solamente es sta la que

puede estar sometida a esfuerzos anormales en dicho estado de servicio. La potencia activa

absorbida en estas condiciones es, en caso de turbinas de condensacin, muy reducida y

supone aproximadamente del 1 al 3 % de la potencia nominal. En turbinas de contrapresin es

mayor del 5 %, y en accionamientos Diesel del 10 %. Para detectar este reducido retorno de

energa, debe disponerse, por tanto, de un rel muy sensible, el cual estar sometido

normalmente a la potencia nominal total en contradireccin.

Una proteccin electrnica

moderna contra retornos de energa

permite un ajust desde 0,5 % de la

potencia activa nominal. La desconexin

de la mquina se produce, sin embargo,

con un retraso ms o menos largo, en

funcin de la actuacin de las vlvulas

de cierre rpido de la turbina. Con ello

se asegura que no se produzcan disparos

intempestivos en caso de fenmenos de

penduleo de potencia o durante el

proceso de sincronizacin.


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Puesto que en situacin de motorizacin las corrientes son equilibradas, la proteccin de

potencia inversa puede conseguirse con un rel monofsico (fig. 5.27).

El rel de potencia inversa tpico consiste en un elemento de sobreintensidad direc-

cional. La unidad direccional mide el producto I cos ; es decir, potencia activa de una fase.

Algunos modelos de rel incorporan una entrada que introduce una cierta temporizacin para

dar tiempo al cierre de la vlvula de admisin.

3.10. Proteccin de carga asimtrica Cualquier asimetra, es decir, carga desequilibrada, produce corrientes de secuencia in-

versa. Estas corrientes, que giran en sentido inverso al establecido por el campo, producen un

flujo de frecuencia doble de la nominal, induciendo corrientes importantes en el campo y en el

cuerpo rotrico, sobre el que causan un fuerte calentamiento.

Los turbogeneradores son especialmente sensibles a las cargas asimtricas. Mientras

que, antiguamente, se aceptaban asimetras de un 10 a un 15 % de la corriente nominal, hoy se

admiten en mquinas de gran potencia valores de asimetra mucho menores. Se calcula

alrededor de un 6 % para mquinas de gran potencia, si bien se discute ya la necesidad de

limitar las cargas asimtricas al 4 %.

Existen ejecuciones de rels, de una y de varias etapas, permitiendo ajustar un de-

terminado tiempo a cada valor de asimetra. La ejecucin normalmente ms empleada es la de

dos etapas, con la cual se obtienen dos posibles respuestas: una sealizacin retardada en caso

de asimetra leve, y un disparo, tambin retardado, en caso de fuertes asimetras.

Existen, adems, rels con caractersticas de operacin y reposicin dependientes del

tiempo y de la intensidad, que se pueden adaptar a las caractersticas tiempo/corriente

asimtrica de la mquina.

Esta proteccin dispara en tiempo largo en caso de detectarse asimetras dbiles, y en

tiempo reducido si estas asimetras son fuertes. Se instala, sobre todo, en turbogeneradores y

constituye una solucin ptima para todos los casos de asimetra que se puedan presentar.


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El tpico rel de

corriente inversa consta de

un filtro que extrae de las

corrientes de fase una

tensin proporcional al

contenido de corriente de

secuencia inversa. En la fi-

gura 5.28, de la pgina

siguiente, se muestra un

circuito en el cual, con

corrientes de secuencia

directa, no hay corriente de

salida. En cambio, las

componentes inversas s

producen corriente de

salida. Las componentes

homopolares quedan

anuladas en el tringulo.

Muchos de estos

rels disponen de una

salida que da una

intensidad proporcional a

la corriente inversa (Ji),

con lo cual, instalando un

simple miliampermetro en

el cuadro de mando, se

dispone de informacin dc

la J~ presente en el estator.

3.11. Proteccin de mnima impedancia en la estrella del generador

Como proteccin de reserva rpida contra cortocircuitos en el generador, derivaciones

del mismo, transformadores o en las barras colectoras, se emplea, en grandes generadores, una

proteccin de impedancia colocada en la estrella del generador, a la que se conectan las

intensidades de los transformadores de la estrella y las tensiones de los transformadores de


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salida del generador.

Para este fin, se utiliza una proteccin de impedancia muy simple, de un solo escaln de

mnima impedancia (fig. 5.29).

En ocasiones, la energa

para la excitacin del

generador se toma de los

propios bornes del generador.

Si se produce un cortocircuito

en las proximidades del

generador, la tensin en bornes

del generador descender en

un cierto grado, con lo cual la

excitacin no recibe energa

suficiente, de forma que quiz

no pueda aportar la corriente

de cortocircuito suficiente para

hacer actuar a la proteccin de

impedancia si sus elementos

de arranque actan por sobreintensidad. Para esta aplicacin resulta necesario un sistema de

arranque por sub impedancia o bien una combinacin adecuada de tensin intensidad, de

forma que, aunque la corriente descienda por debajo del valor ajustado, al mantener la tensin

baja pueda actuar la proteccin correctamente y efectuar el disparo.

Tanto el generador como los transformadores de bloque y servicios auxiliares disponen ya de

sus propias protecciones. Por consiguiente, en la proteccin de mnima impedancia se ajusta

en ocasiones el escaln dc medida, cubriendo, incluso, todo el trans formador de bloque y

parte de las lneas de salida. Consecuentemente, se introduce un cierto retraso para permitir

que acten las protecciones del equipo, en particular donde se encuentre el cortocircuito. La

temporizacin empleada oscila entre 0,5 y 1 segundos.

3.12. Proteccin de mnima impedancia en el lado de A.T. del transformador

En grupos de generacin

importantes, cuando entre el

transformador de bloque y la

instalacin de maniobra de

A.T. existe una lnea area o

cable de longitud apreciable,

se instala en el lado A.T. del

transformador de bloque una

proteccin de mnima impe-

dancia.


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La labor de esta proteccin de impedancia es detectar rpidamente tanto cortocircuitos

en la red de alta tensin (barras colectoras), en direccin hacia lnea, como las faltas en

direccin-mquina. En la mayora de los casos se elige el mismo tipo de proteccin de

impedancia que el empleado para las lneas de la red A.T. Es necesario, por consiguiente, que

esta proteccin sea ajustable a ambas direcciones.

Suele emplearse un rel de distancia de tres escalones de medida. Dos de ellos actan en

caso de faltas en direccin hacia lnea y, al menos, otro en direccin generador.

Normalmente, este ltimo tiene un tiempo dc actuacin instantneo ( 20 ms). La temporizacin de los escalones en direccin hacia lnea sc ajusta de acuerdo a la

selectividad con los rels de las lneas de salida (fig. 5.30).

3.13. Proteccin de subfrecuencia En el momento en que en un sistema elctrico se rompe el equilibrio entre la generacin

y el consumo, se produce una variacin de frecuencia proporcional a esta diferencia e

inversamente proporcional al total de la energa reglante en ese momento.

En caso de que resulte un supervit de generacin, ste se corrige fcilmente por medio

de los reguladores de las mquinas, pero en caso contrario, si las mquinas estn al mximo de

su produccin, se origina una cada de frecuencia. En este caso, es particularmente importante

que no se produzca la desconexin de ninguna mquina de la red a fin de evitar que empeore

la situacin. No obstante, los labes de las turbinas de los grupos pueden entrar en resonancia

para frecuencias inferiores a la nominal y producirse con ello averas.

En la figura 5.31 se puede

ver un ejemplo de las limitaciones

que tiene una turbina de un grupo

de 1.000 MVA.

La proteccin que suele

instalarse en los grandes grupos

trmicos est constituida por dos

rels de frecuencia, el primero de

los cuales normalmente est

ajustado a 48 Hz3 s y el segundo es de operacin instantnea y tarado a 47 Hz.

El tiempo que puede estar funcionando una turbina a una frecuencia por debajo de la

nominal es tambin funcin de la potencia que se est generando en ese momento; por ello, en

algunos generadores se instala un monitor que controla el tiempo que la frecuencia est por

debajo de un lmite (49 Hz) y la potencia que est produciendo.

En el caso usual de que el grupo pueda seguir funcionando despus de producirse un

gran salto en la potencia que genera, lo que se hace es disparar el interruptor de A.T. del


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grupo, permaneciendo ste en funcionamiento sobre los servicios auxiliares. No obstante, los

saltos bruscos desde el 100 % a menos del 10 % de la potencia pueden causar un

embalamiento y la consiguiente sobrefrecuencia, o problemas de esfuerzos trmicos en la

caldera, y terminar disparando definitivamente el grupo a los pocos segundos.

Para mitigar este salto y con ello asegurar el funcionamiento de la central se 0pta, en

algunos casos, por la solucin de efectuar una isla, que consiste en dejar la central

funcionando sobre un mercado local inferior a la plena potencia de la central, con lo cual se

puede volver a sincronizar rpidamente al sistema una vez normalizada la frecuencia.

En grandes grupos nucleares se presenta a menudo un triple problema, consistente en que son

incapaces de soportar grandes saltos de potencia, no tener mercados prximos sobre los cuales

quedar en isla y, el ms importante, tener que mantener la ah- mentacin de sus servicios

auxiliares generales. (Recordemos que los consumos auxiliares vitales para la seguridad

disponen de fuentes autnomas locales.)

Para mantener los consumos auxiliares generales que permitan un rpido acoplamiento

a la red de la central nuclear, se precisa formar una isla en la que se incorpore una central

hidrulica que pueda atender dichos consumos.

Para ello se debe instalar un automatismo en la central nuclear que, en funcin de la

frecuencia, realice la transferencia de los servicios auxiliares y, posteriormente, desconecte

todas las lneas de la subestacin, exceptuando aquellas que lo interconecten con la central

hidrulica. Anteriormente, se ha debido desconectar consumos en la central hidrulica, de

forma que, aun en las peores condiciones de generacin, est en disposicin de alimentar los

servicios auxiliares de la central nuclear.

En el diseo de las islas se debe extremar la atencin en reducir al mnimo el nmero de

puntos fronteras, pues el fallo en uno solo de ellos har completamente ineficaz todo el

automatismo; por ello es aconsejable dejar el mnimo consumo en un caso, o generacin, en el

otro, que garantice la estabilidad sin necesidad de apurar los lmites si ello lleva aparejado

aumentar el nmero de puntos en los que se debe actuar.

3.14. Proteccin de sobrevelocidad

En un generador acoplado a la red es prcticamente imposible que se produzca una

sobrevelocidad, pero en los casos en los que se desacopla de la red mallada para

funcionamiento sobre servicios auxiliares, o en casos de islas, se pueden producir

sobrevelocidades por fallo o lentitud del regulador.

La deteccin de la sobre velocidad se realiza generalmente de forma mecnica, por

medio de un dispositivo centrfugo de bolas. Otras formas de detectar la sobre velocidad

puede ser por medio de un rel voltimtrico conectado al indicador de velocidad, que es un

generador de ncleo magntico permanente que suministra una tensin proporcional a la

velocidad. Los rels de sobrefrecuencia tambin pueden ser utilizados para este fin.

La proteccin de sobrevelocidad no debe disparar el interruptor de mquina, pues con

ello todava provocaran un embalamiento adicional, y lo que se debe hacer es cerrar lo ms


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rpidamente posible la entrada a la turbina.

3.15. Proteccin de energizacin involuntaria o de mquina muerta

A pesar de las precauciones debidas, existe el riesgo de energizar los generadores invo-

luntariamente. En algunos casos se han causado severos daos a la mquina.

La energizacin trifsica de un generador, bien est en paro o girando, hace que ste se

compone como un motor de induccin. La mquina, en este punto, presenta al sistema

esencialmente la reactancia subtransitoria y puede esperarse que la corriente absorbida flucte

desde una a cuatro veces el valor nominal, dependiendo de la impedancia dcl sistema

equivalente. La tensin en bornes de la mquina puede oscilar desde el 20 al 70 % de la

tensin nominal, de nuevo dependiendo de la impedancia equivalente del sistema. Pueden

aparecer magnitudes elevadas de corriente y tensin de mquina (3 o 4 veces la corriente y 50

al 70 % dc la tensin nominal) si el generador est conectado a un sistema fuerte. Valores

pequeos de corriente y tensin (1 a 2 veces la corriente y 20 al 40 % de la tensin nominal)

son representativos de sistemas dbiles, es decir, de baja potencia de cortocircuito.

Cuando un generador se comporta como un motor de induccin trifsico, pueden

desarrollarse grandes comentes en el rotor durante el perodo de aceleracin. Aunque el rotor

puede resultar daado trmicamente por un exceso de comente, el tiempo necesario ser del

orden de varios segundos. El punto ms crtico es el cojinete, el cual puede ser daado en una

fraccin de segundo debido a la baja presin del aceite. Por tanto, es esencial eliminar esta

anomala rpidamente.

Los rels convencionales de proteccin del generador no garantizan un disparo rpido en

caso de energizacin involuntaria. En el rel tipo Mho off-set contra prdida de excitacin, la

operacin es imprevisible cuando se consideran el ajuste y las tolerancias del rel; el tiempo

de operacin ser, en cualquier caso, del orden de varias centsimas de segundo. El rel de

impedancia de retaguardia y el rel de potencia inversa suelen operar con un ajuste tpico de

tiempo de 1 2 o 10 20 s, respectivamente.

Para mquinas importantes y de

gran tamao se incluyen

adicionalmente protecciones rpidas

contra energizacin involuntaria,

capaces de actuar en pocos

milisegundos (fig. 5.32).

El rel adecuado para esta

proteccin ser trifsico, esttico y

de alta velocidad. Tres unidades de

sobrecorriente dan disparo


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instantneo si las tensiones en los bornes del generador estn por un cierto tiempo (t1) debajo

del valor de operacin fijado (por ejemplo, 85 %), y simultneamente en dos unidades de

subtensin. Un temporizador (t3) impide el retraso de la funcin instantnea que podra

producirse mediante el pulso de la tensin transitoria, por encima del ajuste de subtensin, que

puede aparecer en los bornes de la mquina cuando el interruptor es cerrado

involuntariamente. Otro temporizador (12) se activa cuando actan los dos rels de subtensin

y el tiempo fijado (unos 2 s) impide disparos del rel ante faltas externas prximas. Otro rel

opera si desaparece la tensin de una de las dos unidades de subtensin y da una alarma de

anomala tensiones con una cierta temporizacin (t4).

El tiempo de operacin de las unidades de sobrecorriente suele ser de, aproximadamente,

4 ms.

3.16. Fatiga en el eje Los generadores y la red de transporte actan como un sistema interactivo y as las faltas

elctricas y determinadas maniobras en la red producen pares de torsin oscilantes a lo largo

del eje turbina-generador.

Las consecuencias de este efecto son acumulativas y van reduciendo, de forma

progresiva, la vida til del eje. Esta reduccin slo puede ser estimada por medio de estudios

muy sofisticados en los que intervienen gran nmero de variables, tanto de carcter elctrico

como mecnico. Los resultados de todos los estudios realizados coinciden en que las

principales causas de este fenmeno son:

a) faltas elctricas en la red externa

b) conexiones fuera de sincronismo

c) resonancia subsncrona

d) oscilaciones con la red (penduleo)

y que en el caso de falta elctrica, el efecto se ve multiplicado por un factor superior a 10

cuando sta va seguida de una reconexin sin xito.

Otro punto de acuerdo entre todos los estudios es que los problemas empiezan a ser

crticos para grupos trmicos de ms de 500 MVA. Esto se debe al hecho de que:

La relacin entre la inercia del eje y la potencia de la mquina decrece a medida que aumenta su tamao.

Se incrementa la densidad de comente y flujo. Suelen estar conectados a redes de A.T. de gran potencia de cortocircuito.

En cuanto a la valoracin del efecto que los diversos tipos de perturbaciones tienen sobre

el eje, los resultados ya difieren de forma sostensible entre lo realizado en Europa y los

EE.UU. No obstante, en la tabla siguiente, podemos dar los siguientes valores de orientacin.

Para este tipo de problemas no existe, por el momento, proteccin especfica, por lo que


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procede tomar medidas sobre las protecciones de la red y, de forma especial, en la filosofa de

reconexin automtica cerca de las centrales.

Incidente Consumo de vida

por incidente

Falsa sincronizacin 20%

Conexin sobre falta trifsica 10%

Falta trifsica y reconexin sin xito

hasta 100%

Falta monobsica y reconexin sin xito

1%

Deslizamiento de polos despus de una falta externa violenta

20%

4. Disparos de las protecciones La actuacin de las protecciones indicadas anteriormente se debe traducir en acciones de

disparo que estarn en funcin del esquema de conexionado del generador con el resto de

equipos (transformadores elevadores, transformadores de arranque, barras, etc.) y del tipo de

proteccin que ha actuado.

Como regla general, se puede afirmar que toda proteccin que detecta un cortocircuito

debe disparar de forma instantnea los interruptores de mquina, excitacin y bloquear la

entrada de agua o vapor a la turbina. El resto de protecciones realizarn los disparos en

funcin del esquema y de la posible gravedad del defecto detectado. Cuando sea posible,

interesa la parada gradual de la mquina en lugar del disparo, esto es, disminuir la carga para

despus desconectar el interruptor y evitar la sobrevelocidad con los consiguientes esfuerzos

en el eje de la mquina.

En los generadores que no disponen de la posibilidad de quedar en isla, el disparo del

interruptor de mquina, sin previa reduccin de carga, debe de ir acompaado del disparo del

interruptor de excitacin para evitar con ello sobretensiones peligrosas originadas por la

prdida brusca de carga y el tiempo de respuesta del regulador de tensin.


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En la figura 5.33 se muestran dos registros oscilogrficos con la variacin de la tensin y

la frecuencia al disparar el interruptor de un generador hidrulico de 12 MVA a plena potencia

con y sin desconexin del interruptor de excitacin. Se observa que el efecto de freno del

campo sobre la velocidad es inapreciable, mientras que la elevacin de la tensin es del 60 %.

En los grandes generadores que disponen de protecciones agrupadas en dos paneles de

proteccin, es comn el uso

de matrices de disparos (fig.

5.34). Las seales de

actuacin de las

protecciones entran por las filas

verticales, mientras que las

rdenes de disparo y

sealizacin salen por las

horizontales. Por medio de

diodos situados en las in-

tersecciones se consigue

seleccionar las acciones a

realizar por las distintas

protecciones.


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5. NUEVAS AREAS DE MEJORAMIENTO DE LA PROTECCION EN GENERADORES ANTIGUOS

Las reas de mejoramiento de la proteccin de generadores estn comprendidas en tres

amplias categoras:

5.17. Mejora en la Sensibilidad en reas de proteccin donde los rels antiguos no ofrecen el nivel de deteccin necesario para impedir los daos.

5.17.1. Proteccin contra secuencia negativa (corriente desequilibrada). 5.17.2. Proteccin contra falla a tierra en el 100% del estator. 5.17.3. Proteccin de doble nivel contra la prdida de campo.

5.18. reas Nuevas o Adicionales de Proteccin 5.18.1. Energizacin inadvertida del generador 5.18.2. Prdida de fusible del transformador de voltaje (vt) 5.18.3. Disparo secuencial 5.18.4. Monitoreo con oscilgrafo

5.19. Consideraciones sobre Aplicacin de Protecciones Especiales que corresponden slo a los generadores.

5.19.1. Falla del interruptor del generador. 5.19.2. Proteccin contra el contorneamiento en la cabeza del interruptor del

generador.

AREAS DE PROTECCION CON MEJORA EN LA SENSIBILIDAD

Proteccin contra Secuencia Negativa (corriente desequilibrada).

Hay diversas condiciones del sistema que pueden causar corrientes trifsicas desequilibradas

en un generador. Estas condiciones del sistema producen componentes de secuencia negativa

de corriente que inducen una corriente de doble frecuencia en la superficie del rotor. El efecto

superficial de la corriente de doble frecuencia del rotor hace que sta sea forzada sobre los

elementos de la superficie del rotor. Dichas corrientes del rotor pueden producir temperaturas

excesivas en muy corto plazo. Una prctica comn es el suministrar proteccin al generador

contra condiciones de corrientes desequilibradas externas que podran daar la mquina. Esta

proteccin consiste en un rel de sobrecorriente temporizado que es sensible a la corriente de

secuencia negativa. Para esta proteccin, existen dos tipos de rels: un rel de sobrecorriente

temporizado electromecnico con caracteristica extremadamente inversa, y un rel esttico o

digital con una caracterstica de sobrecorriente temporizada correspondiente a la capacidad de


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corriente de secuencia negativa del generador. El rel de secuencia negativa es habitualmente

la nica proteccin contra las condiciones de conductor abierto o polo abierto del interruptor.

Proteccin contra Falla a Tierra en el 100% del Estator.

El esquema de proteccin contra falla a tierra del estator usado ms comnmente en sistemas

con puesta a tierra de alta impedancia, es un rel de sobrevoltaje con retardo de tiempo

conectado a travs de la resistencia de puesta a tierra para detectar el voltaje de secuencia

cero. El rel que se usa para esta funcin est diseado para ser sensible al voltaje de

frecuencia fundamental e insensible a los voltajes de tercera armnica y otros voltajes

armnicos de secuencia cero presentes en el neutro del generador.

Proteccin de Doble Nivel contra Prdida de Campo

La prdida parcial o total de campo en un generador sncrono es perjudicial tanto para el

generador como para el sistema de energa al que est conectado. Esta condicin deber ser

detectada rpidamente y, para evitar los daos al generador, se lo deber aislar del sistema.

Una condicin de prdida d campo que no haya sido detectada puede tener un impacto

devastador en el sistema de energa al provocar una prdida del respaldo de potencia reactiva,

y crear un consumo substancial de la misma. Si no es detectada con rapidez en los generadores

grandes, esta condicin puede ocasionar un colapso del voltaje del sistema a travs del rea. El

mtodo aplicado ms comnmente en la deteccin de prdidas de campo del generador es el

uso de rels de distancia para detectar la variacin de impedancia como es percibida desde los

terminales del generador.

AREAS NUEVAS O ADICIONALES DE PROTECCION

Energizacin Accidental Inadvertida del Generador.

La energizacin inadvertida o accidental de generadores sncronos ha sido un singular

problema en la industria en los aos recientes. Varias mquinas grandes resultaron daadas, y

en algunos casos completamente destruidas, al ser energizadas accidentalmente mientras se

encontraban fuera de lnea. La frecuencia de estos eventos llev a que los fabricantes de

generadores recomienden que el problema sea atendido usando esquemas de rels de

proteccin dedicados.

Cuando un generador es energizado mientras est fuera de lnea en virador, o parando por

inercia, funciona como un motor de induccin y puede daarse en pocos segundos. Numerosas

mquinas grandes han sido severamente daadas, y en algunos casos completamente

destruidas. Errores de operacin, contorneamientos en la cabeza del interruptor, mal

funcionamiento del circuito de control, o una combinacin de estas causas, resultaron en la

energizacin accidental de generadores mientras estaban fuera de lnea.

Errores de Operacin

Los errores de operacin han ido aumentando en la industria al hacerse las estaciones

generadoras de alto voltaje ms complejas con el uso de configuraciones de un interruptor y


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medio y de bus en anillo. Debido a las severas limitaciones de la proteccin de generadores

con rels convencionales para detectar la energzacin inadvertida, se desarrollaron e

instalaron esquemas de proteccin dedicados. Contrariamente a los esquemas convencionales

que dan proteccin cuando el equipo est en servicio, estos esquemas proporcionan proteccin

cuando el equipo est fuera de servicio. Por ello, al implementar esta proteccin debe tenerse

sumo cuidado de no quitar la energa cc. de disparo ni las magnitudes de entrada del rel al

esquema cuando la unidad protegida est fuera de lnea. Un mtodo usado comnmente para

detectar la energizacin inadvertida es el esquema de sobrecorriente supervisado por voltaje.

Un elemento de bajo voltaje con retardos ajustables de tiempo de enganche y desenganche

supervisa un rel de sobrecorriente instantnea. Los detectores de bajo voltaje arman

automticamente el disparo por sobrecorriente al sacarse de lnea al generador. Al devolverse

la mquina al servicio, el detector va a desactivar o desarmar el rel de sobrecorriente.

Proteccin contra Prdida de Fusible del Transformador de Voltaje (VT)

La prdida de la seal del vt puede deberse a varas causas, siendo la ms comn la falla del

fusible. Otras causas pueden ser una verdadera falla del vt o del cableado, un circuito abierto

en los montajes corredizos, una abertura del contacto debida a corrosin, o un fusible fundido

por cortocircuito causado por un destornillador en el mantenimiento de la lnea. Un mtodo

digital moderno usado en la deteccin de fallas del vt usa las relaciones de los voltajes y

corrientes de secuencia negativa durante una prdida del potencial. Al perderse la seal de un

vt, los voltajes trifsicos se desequilibran. Debido a este desequilibrio, se produce un voltaje

de secuencia negativa.Para distinguir entre esta condicin y una falla, se verifican las

corrientes de secuencia negativa. La presencia d voltaje de secuencia negativa en ausencia de

corriente de secuencia negativa indica que hubo una falla de fusible en vez de otro tipo de

falla.

Disparo Secuencial

Este mtodo de parada se usa en generadores de vapor para evitar la sobrevelocidad, si es que

el disparo demorado no tiene efectos perjudiciales en la unidad generadora. Este mtodo de

disparo del generador fue recomendado hace algunos aos por fabricantes de generadores con

turbinas de vapor como consecuencia de fallas del generador por sobrevelocidad, y es un tem

para mejoramiento. Se usa para disparar el generador por problemas en el motor primario

nicamente si no se requiere disparo de alta velocidad.

Monitoreo con Oscilgrafo del Generador

El monitoreo del sistema de transmisin de una empresa elctrica con oscilgrafos que

registran los voltajes y corrientes de rels ha sido aceptado desde hace tiempo en la industria

para proveer los datos bsicos para analizar el funcionamiento del sistema de proteccin de la

transmisin. Usando la capacidad de comunicacin remota de estos rels, se puede lograr con

rapidez el acceso a la informacin del evento y el oscilgrafo desde una ubicacin remota, tras

un disparo del generador, para determinar si los rels e interruptores automticos funcionaron

apropiadamente. La informacin del oscilgrafo tambin puede identificar el tipo de pruebas

necesarias para determinar la causa de un disparo y apresurar el retorno a servicio del

generador. Ello brinda al ingeniero de protecciones

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Generadores y Protecciones 2002