50604851 Proteccion de Generadores

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PROTECCIN DE GENERADORES

GILBERTO ENRIQUE MEJA CHAPARROCD: 42031034

PRESENTADO A:ING. JOS CARLOS ROMERO

UNIVERSIDAD DE LA SALLEFACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA

PROTECCIONES ELCTRICAS


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PROTECCIONES ELCTRICAS PROTECCIN DE GENERADORESGILBERTO MEJA 42031034

BOGOT, MARZO 10 DE 2008

INTRODUCCIN

El presente trabajo trata sobre las recomendaciones que hay que seguir para la proteccin de losgeneradores elctricos. Principalmente se describe cmo se protegen pequeos, medianos ygrandes generadores; basndose en el funcionamiento y particularidades de algunas proteccioneselctricas de aplicacin general. Tambin se da a conocer otras que, o bien derivadas de lasanteriores o bien de la concepcin especfica, tambin forman parte de la familia de protecciones.

Algunas industrias y centros comerciales pueden incluir en sus instalaciones de fuerza,

generadores como fuentes locales de energa, estos generadores pueden proporcionar la energatotal requerida o slo parte de ella, trabajando en paralelo con la red.

La proteccin de generadores, requiere la consideracin de muchas condiciones anormales queno estn presentes con otros elementos del sistema. En un sistema elctrico, los generadoresconstituyen un elemento claramente diferenciado del resto de equipos que constituyen el sistema.Obviamente, en el caso de que el sistema est perturbado por cualquier causa (cortocircuito,prdida de estabilidad, descenso de frecuencia, etc.) los generadores han de mantenerse enservicio siempre que sea posible, en un intento de evitar un apagn general, de desastrosasconsecuencias. Esto no siempre es posible, debido principalmente, a sus limitaciones mecnicasy trmicas.

Por otro lado, los generadores, como mquinas rotativas padecen los disturbios de la red deforma muy diferente a como lo sufren el resto de equipos, no rotativos. En estos puedenproducirse averas internas en sus arrollamientos rotrico y estatrico. Algunas de estas averasaunque de poca significacin en cuanto a magnitud, son muy dainas para la mquina. Ladeteccin de tales faltas internas precisa sistemas de proteccin de cierta sofisticacin.

Los generadores de corriente alterna necesitan proteccin contra un cierto nmero decondiciones, algunas de las cuales requieren de desconexin inmediata y algunas otras, se lespuede permitir continuar por un cierto tiempo. En trminos generales, las fallas del generadorestn relacionadas principalmente con fallas en los aislamientos y stas requieren de desconexinrpida, en tanto, que las que no lo requieren, se asocian a condiciones de operacin anormales.En la proteccin de los generadores elctricos se debe considerar que las fallas de aislamientoque requieren desconexin rpida, pueden ocurrir en el estator o en el rotor. Por otra parte,existen otras fallas externas a los devanados del generador, que estn asociadas con la forma deconexin del neutro a tierra en los mismos, como es el caso de las fallas a tierra.

UNIVERSIDAD DE LA SALLEFACULTAD DE INGENIERIA ELCTRICA

BOGOTA, AGOSTO 25 DE 20062


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NDICE

CLASIFICACIN DE LA OPERACIN DE LOS GENERADORES Pg 4GENERADOR OPERANDO EN FORMA AISLADA Pg 4GENERADORES MLTIPLES OPERANDO EN FORMA AISLADA. Pg 4GRANDES GENERADORES INDUSTRIALES Pg 4

ESQUEMAS DE PROTECCIN RECOMENDADOS Pg 5GENERADORES PEQUEOS Pg 5GENERADORES DE TAMAO MEDIANO Pg 6

GENERADORES GRANDES Pg 7

CLASES DE PROTECCIONES PARA GENERADORES Pg 9PROTECCIN DIFERENCIAL DE GENERADOR Pg 9PROTECCIN DE SOBRETENSIN Pg 10PROTECCIN DE SUBTENSIN Pg 10PROTECCIN CONTRA FALLA A TIERRA EN LA RED EXTERIOR Pg 11PROTECCIN DE PRDIDA DE EXCITACIN (SUB- EXCITACIN) Pg 12PROTECCIN DE CORTOCIRCUITOS ENTRE ESPIRAS Pg 14PROTECCIN DE CONTACTOS A TIERRA EN EL ESTATOR Pg 14PROTECCIN DE RETORNO ENERGA Pg 16PROTECCIN DE SOBREVELOCIDAD Pg 16PROTECCIN DE CARGA ASIMTRICA Pg 17

CONCLUSIONES Pg 18




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CLASIFICACIN DE LA OPERACIN DE LOS GENERADORES

GENERADOR OPERANDO EN FORMA AISLADALos generadores sencillos operando en forma aislada, se usan para alimentar servicios deemergencia o para servicios de stand by, ya que normalmente se encuentran fuera de servicio.Se opera por perodos de tiempo breves cuando las fuentes normales de suministro fallan odurante los perodos de mantenimiento, pruebas o de inspeccin. Se conectan a la carga delsistema a travs de un switch de transferencia automtico o a travs de interruptores con bloqueoy no operan en paralelo con otras fuentes de potencia.Generalmente estos generadores estn accionados por motores diesel o turbinas de gas concapacidad que van desde unos 100 kW hasta algunos miles de kilowatts. Los voltajes de

generacin son usualmente aquellos que se le conectan directamente a los niveles de utilizacindependiendo la potencia, van desde 440V, 480V/227V en mquinas pequeas, hasta 2.4 kV y 4.16 kV en mquinas mayores.

GENERADORES MLTIPLES OPERANDO EN FORMA AISLADA.Esta clasificacin consiste de varias unidades operando en paralelo sin conexin con ningunafuente de suministro elctrico, algunos ejemplos de este tipo de instalaciones son los llamadossistemas totales de energa para proyectos industriales o comerciales, en plataformas petrolerasde exploracin o en sitios remotos en donde el costo de llevar la energa por mtodosconvencionales con las compaas suministradoras resulta elevado. El tamao de las unidadesgeneradores en forma individual puede ir desde unos cientos de kV hasta varios miles de kW,dependiendo de la demanda del sistema al que se encuentran conectados.Las turbinas o primotores son por lo general de gas, ciclo combinado o diesel, estos sistemas ancuando se operan en forma manual, pueden tener elementos de automatizacin, ya que losvoltajes de generacin van de 4,16kV a los niveles de distribucin de 13,8 kV

GRANDES GENERADORES INDUSTRIALESEstos, por lo general constituyen bloques importantes de potencia que operan en paralelo con lascompaas suministradoras de energa en la modalidad denominada de cogeneracin.En estos casos, la mayor parte de la generacin producida es utilizada por la propia industria ypor lo general, se emplean en industrias cuyos procesos producen vapor para ser usados enturbinas de este tipo, tal es el caso de las industrias petroqumica y papelera.El tamao de los generadores se puede encontrar en el rango de 100MVA a 50MVA y suoperacin es prcticamente continua y cercana a su capacidad mxima. El elemento primotor es,o turbina de vapor o turbina de gas, dependiendo del combustible disponible de acuerdo alproceso industrial. Los voltajes de generacin estn tpicamente en el rango de 12.4kV a 13.8kV.




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ESQUEMAS DE PROTECCIN RECOMENDADOS

Estas clasificaciones son para dar una idea dnde ubicar el esquema de proteccin para cadagenerador determinado, aunque tambin hay que tener en cuenta la importancia de la mquinadentro del sistema y la confiabilidad deseada.

GENERADORES PEQUEOSSon el grupo de generadores hasta 1000 kVA mximo y tensin hasta 600 V, o bien, conpotencia mxima de 500 kVA y sobre 600 V.El esquema bsico para la proteccin de generadores pequeos que opera como una mquinasencilla aislada, es el que se muestra en la figura y consiste de:

1. El dispositivo 51G, que es un relevador de tiempo-sobrecorriente de respaldo.2. El dispositivo 32, que es un revelador de potencia inversa para proteccin de

antimotorizacin (usado con varias mquinas pequeas).3. El dispositivo 87 que es un relevador de sobre corrientes de antao que proporciona una

proteccin diferencial de autoequilibrio.




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GENERADORES DE TAMAO MEDIANOSon generadores desde tamaos pequeos, hasta12500 kVA, sin importar el voltaje. El esquemabsico de proteccin para este tipo de generadores, se muestra la figura siguiente, y consta de:

3 - Dispositivos 51V, relevadores de sobrecorrientes de respaldo con restriccin de voltaje o

del tipo de voltaje controlado.1 - Dispositivo 51G, relevador sobre corriente tiempo de respaldo.1 - Dispositivo 32, relevador de potencia inversa para proteccin de antimotorizacin.1 - Dispositivo 40, relevador de impedancia tipo MH0 para proteccin contra prdida de

campo.2 - Dispositivo 46, que es un relevador de sobre corriente de secuencia negativa para

proteccin contra condicin de desbalance.

El desbalance de corrientes de las fases del generador produce corrientes de secuencia negativa,stas giran en una secuencia de fase opuesta la eleccin de la corriente normal o de secuenciapositiva.

1 - Dispositivo 87, relevador diferencial del tipo porcentaje fijo o variable de alta velocidad ode tipo estndar.




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GENERADORES GRANDESEn las aplicaciones industriales, es decir, no formando parte de un sistema elctrico de potencia,un generador denominado de tamao grande en este campo de aplicacin especfico, debe llevarla siguiente proteccin bsica recomendada.

3 - Dispositivos 51V, relevadores de sobrecorrientes de respaldo con restriccin de voltaje odel tipo de voltaje controlado.1 - Dispositivo 51G, relevador de sobrecorriente a tierra-tiempo.3 - Dispositivos 87, relevador diferencial porcentual del tipo alta velocidad.3 - Dispositivos 87G, relevador diferencial a tierra tipo direccional.1 - Dispositivo 40, relevador de impedancia tipo MH0 para proteccin contra prdida de

campo.1 - Dispositivo 46, que es un relevador de sobre corriente de secuencia negativa producida

por corrientes de desbalance.1 - Dispositivo 49, relevador de temperatura para monitorear la temperatura del devanado del

estator.




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CLASES DE PROTECCIONES PARA GENERADORES

PROTECCIN DIFERENCIAL DE GENERADORLa proteccin diferencial de generador deber incluir elementos de frenado a fin de evitaractuaciones intempestivas en caso de cortos circuitos externos debidos a errores de respuesta delos transformadores de intensidad, especialmente durante el perodo subtransitorio, originadaspor la componente simtrica de la intensidad de falla. Es de inters que los circuitos de corrientesecundarios y los rels diferenciales sean de bajo consumo para que los transformadores deintensidad respondan mejor a las altas intensidades que pueden esperarse.

Existen tres modalidades deaplicacin en la proteccindiferencial del conjunto

generador-transformador-barras.

Tal como se aprecia en lasiguiente figura las tressoluciones utilizadas van desde laseparacin en tres proteccionesdiferenciales independientes(caso a) hasta la globalizacin enuna sola (caso c).




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PROTECCIN DE SOBRETENSINSe emplea para proteger las mquinas o los transformadores, en el caso de servicio separado dered, frente a elevaciones excesivas de tensin, por funcionamiento anmalo del regulador detensin o falsa maniobra con regulador manual. Esta proteccin se instalaba antaoprcticamente slo en centrales hidrulicas, ya que, en este tipo de centrales, haba que contar

con fuertes sobre tensiones al producirse una prdida brusca de carga y tener lugar el tpicoembalamiento. Hoy da se incluye tambin esta sencilla proteccin en los turbogeneradores, yaque los reguladores de tensin, cada vez ms complejos pueden tener fallos de actuacin. Porotro lado los turbogeneradores poseen reactancias transitorias considerables que puedenocasionar, en el caso de desconexiones a plena carga, la aparicin de puntas transitorias detensin, que pueden estar prximas a las mximas solicitaciones de tensin admisibles en ungenerador y el transformador de bloque. En estos casos es necesario supervisar la rapidez deintervencin del regulador de tensin. La proteccin de sobretensin ha experimentado, por lotanto, una creciente importancia, emplendose incluso en versin de dos etapas (instantnea ytemporizada) concluidas en el rel mismo.

En una central conectada en T sobre una lnea de distribucin, el rel de sobretensin es un relde mxima tensin a tiempo independiente cuya principal finalidad es desconectar la central dela red en el caso de que la atencin de distribucin alcance un valor elevado y sostenido. El relde 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 falla a tierra.

PROTECCIN DE SUBTENSINEsta proteccin se instala en minicentrales. Su misin consiste en detectar cortocircuitospolifsicos en la lnea de distribucin de media tensin. La mayora de alternadores de estasminicentrales son de muy baja potencia, por lo que despus del periodo subtransitorio suaportacin de corriente al cortocircuito es, en general, dbil y probablemente insuficiente paraprovocar el disparo de los rels sobre intensidad. Tres rels de mnima atencin controlan las trestensiones compuestas del sistema para detectar cualquier falla polifsica y actanindependientemente sobre el interruptor.




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PROTECCIN CONTRA FALLA A TIERRA EN LA RED EXTERIOREsta es tambin una proteccin tpica de minicentrales conectadas a una lnea de distribucin demedia tensin. Es usual que el transformador de la minicentral opere con neutro aislado a fin deno aumentar la corriente de falla tierra en la red de media tensin. En el supuesto de falla a tierraen la propia lnea es preciso desconectar el generador de la minicentral para evitar que semantenga el arco. La proteccin se basa en un rel de mxima tensin que mide la tensinresidual que es la indicativa de desequilibrio a tierra, y tiene una adicional de 5 a 10 segundospara lograr cierta selectividad en el caso de falla a tierra en otra lnea de la red de distribucinprocedente del mismo embarrado.




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PROTECCIN DE PRDIDA DE EXCITACIN (SUB- EXCITACIN)La prdida de 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 sincronismocon la red y pasa a funcionar a una frecuencia superior a la del sistema, absorbiendo de sta lapotencia reactiva que necesita para la excitacin. La mxima potencia que puede estarsuministrando un generador para mantener el cinturn mismo al perder la excitacin, depende desus caractersticas.El resultado es un sobrecalentamiento de la parte final del estator y de porciones del rotor si lamquina funciona as durante un cierto tiempo. La tensin en bornes del generador varaperidicamente debido a la variacin de la corriente reactiva absorbida de la red. En momentosen que la tensin es baja podan fallar los motores de induccin auxiliares. Lo que ocasionara laprdida 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 concarga capacitiva elevada y, por tanto, un campo relativamente dbil. En estas condiciones, el parde la mquina sufre fuertes oscilaciones con variacin de corriente, potencia y factor de potencia.Podra recuperarse el sincronismo si la carga s reducirse suficientemente, pero si esto no ocurreen pocos segundos, ser necesario desconectar el generador de la red y volverlo a sincronizar.

Los generadores sncronos no estn diseados para operar asincrnicamente y la salida de lamquina oscilar segn las oscilaciones del rotor en un intento de volver a sincronizar. La

prdida del sincronismo no requiere del disparo inmediato a menos que conlleve un importantedescenso de la tensin de salida, que ponga en peligro la estabilidad del sistema. Se conocencasos en que algn alternador ha estado funcionando fuera de sincronismo al perder laexcitacin, sin resultar daado, por espacio de varios minutos. En pequeos generadores no sueleinstalarse la proteccin contra prdida de excitacin. Si se instala, es normal que se limiteexclusivamente a controlar, mediante un shunt, la corriente de excitacin. Si sta desciende por




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debajo del valor mnimo (por ejemplo, el 8%) se produce la actuacin del rel, con un ciertoretardo del orden de 2 a 10 segundos.

Suponiendo la cierta carga en MW de la mquina y suponiendo que vayan aumentando los

MVAr absorbidos al disminuir la corriente de campo, la impedancia vista desde de los terminalesde representada por la curva A de la figura. Si el regulador no est en servicio la impedanciacontinuar disminuyendo hasta que opere el rel.

Si la tensin fuese alta se producira una alarma. En caso de que la tensin fuese baja se disparala mquina tras una cierta temporizacin. A menudo, el rel incluye un elemento direccional paraimpedir el disparo en el caso te falla prxima al otro lado de transformador de bloque. Con estose obliga a que la zona de trabajo del rel sea la que se muestra sombreada. Se consigue as una

proteccin de prdida de excitacin, con un rel direccional de mnima impedancia y un detectorde mnima tensin. En trminos estrictos, se trata de un rel MHO off-set, ya que el centro de lacurva caracterstica est desplazado respecto el origen de impedancias.




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PROTECCIN DE CORTOCIRCUITOS ENTRE ESPIRASLos cortocircuitos entre espiras son roturas de aislamiento entre espiras pertenecientes al mismoarrollamiento o a arrollamientos paralelos de la misma fase. Aparecen especialmente enalternadores con gran nmero de conductores por ranura, es decir, en unidades con tensinrelativamente elevada de baja potencia. Las causas ms corrientes de estos cortocircuitos son las

de detenciones producidas por fenmenos atmosfricos o deterioros mecnicos del aislamiento.En mquinas que slo poseen uno o dos conductores por ranura, la probabilidad de cortocircuitoentre espiras es baja: sta se limita sobre todo a la cabeza de la bobina, sobre la cual puedenejercerse grandes fuerzas y presiones externas.Cuando se produce un cortocircuito entre espiras pueden aparecer grandes corrientes decirculacin as como fuerte densidad de corriente; es por ello que tales defectos deben sereliminados lo ms rpidamente posible a fin de evitar la destruccin de otras partes de la bobina.A menudo, cuando se produce un cortocircuito entre espiras, tambin se produce un fallo de lamiento contra el hierro del estator, pudiendo provocar el funcionamiento de la proteccin contradefectos a tierra del estator.

Un cortocircuito entre espiras implica la disminucin de tensin inducida en la fase afectada. Enconsecuencia, se establece una diferencia de potencial entre el punto neutro los arrollamientos yel punto neutro de las tensiones de bornes de la mquina. Dicha diferencia de potencial se utilizapara detectar un cortocircuito entre espiras. En condiciones normales, el rel permanece enreposo. Cuando se produce un cortocircuito entre espiras, la diferencia de potencial provoca laoperacin del rel de tensin.

PROTECCIN DE CONTACTOS A TIERRA EN EL ESTATOR

A pesar de las mejoras introducidas en la elaboracin de los aislamientos de las mquinaselctricas de alta tensin, sigue siendo el contacto a tierra una de las averas ms frecuentes.Tanto el contacto entre espiras como entre devanados ambos inician la mayora de las veces aconsecuencia de un contacto tierra en el estator.




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Cuando existe una corriente de falla a tierra a bornes de salida del generador, despreciando laimpedancia del arrollamiento. Cuanto ms cercano neutro se encuentre la falla, menor es latensin disponible para producir corriente.

Cuanto menor sea el ajuste del rel de tensin, mayor ser la zona protegida del arrollamiento




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PROTECCIN DE RETORNO ENERGALa proteccin contra retorno de energa, o de potencia inversa tiene como finalidad separar elgenerador de la red cuando falle la energa motriz del mismo, esto es, cuando la turbina ya no seala que arrastre generador sino que sea este el que como motor, haga girar la turbina. Esta

proteccin es, en realidad, una proteccin de la turbina, ya que solamente es sta la que puedeestar sometida a esfuerzos anormales en dicho estado de servicio.

PROTECCIN DE SOBREVELOCIDADEn un generador acoplado a la red es prcticamente imposible que se produzca una sobrevelocidad, pero en los casos en los que se desacoplan de la red mallada para su funcionamientoen servicios auxiliares o en casos de islas, se pueden producir sobre velocidad es por fallo olentitud del regulador. La proteccin de sobre velocidad no debe disparar el interruptor de lamquina pues con ello todava provocaran un embalamiento adicional, lo que s debe hacer escerrar lo ms rpidamente posible la entrada la turbina. La deteccin de sobre velocidad serealiza generalmente forma mecnica por medio en dispositivo centrfugo de bolas.




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PROTECCIN DE CARGA ASIMTRICACualquier asimetra, es decir, carga desequilibrada, produce corrientes de secuencia inversa.Estas corrientes, que giran en sentido inverso al establecido por el campo, producen un flujo defrecuencia doble de la nominal, induciendo corrientes importantes en el campo y en el cuerporotrico, sobre el que causan un fuerte calentamiento. Los turbogeneradores son especialmente

sensibles a las cargas asimtricas.El tpico rel de corriente inversa costa de un filtro, que extrae de las corrientes de fase unatensin proporcional al contenido de corrientes de secuencia inversa. En condiciones normalesno se produce una corriente salida, mientras cuando existen componentes inversas, si seproducen corrientes de salida. Las componentes homopolares quedan anuladas en el tringulo.




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CONCLUSIONES

Existen diferentes tipos de protecciones que deben ser utilizadas en diferentes instalaciones deuna red elctrica, sobre la cual se busque una solucin ptima; en la medida en que los equiposque hay que proteger sean de boca potencia o bajo coste, habr que limitar el nmero deprotecciones por razones de coherencia. Pero an en estos casos, como podra ser instalacionesde baja tensin o equivalentes no hay que confundir la simplicidad por la fiabilidad y este es, endefinitiva, el reto permanente al que hay que enfrentarse y dar respuesta en realidad.



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