Alejandro Marmolejo, ABB Switzerland Ltda, 15 Abril 2015 ...

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Alejandro Marmolejo, ABB Switzerland Ltda, 15 Abril 2015

Aplicación de Interruptores de Generador para incrementar la Fiabilidad y Rentabilidad de Centrales EléctricasIX Jornadas Técnicas ABB en Chile

Agenda

Ventajas de usar un Interruptor de Generador

Requisitos técnicos y criterios de selección

Nueva Norma para Interruptores de Generador: IEC/IEEE 62271-37-013

Portafolio ABB



Introducción

Introducción


Conexión con Interruptor de GeneradorConexión sin Interruptor de Generador

G

EHV HV

MT

UT ST

AUX G

EHV HV

MT

UT STGCB

AUX

Introducción


Conexión con Interruptor de Generador

G

EHV

MT

UTGCB

AUX G

EHV

MT

UTGCB

AUX



G

EHV HV

MT

UT STGenCB

AUX


Interrupción de corrientes alimentadas directamente por el generador


Corriente de falla

Tiempo


Caso sin Interruptor de Generador (“conexión directa”)

IsIgRed ATG

Is+Ig

Ig

Interrupción delInterruptor de AT

decenas de ms segundos



Corriente de falla

Time


Caso con Interruptor de Generador

IsIgGridG

Is+Ig

Ig

decenas de ms segundos

Interrupción delInterruptor de AT

Interrupción delInterruptor de Generador



G

EHV HV

MT

UT STGenCB

AUX


Ventajas de usar Interruptores de GeneradorMayor disponibilidad de la planta


Simplificación de los

procedimientos

Mejora de la protección

Mayor disponibilidadde la planta

Beneficios económicos

Incremento de disponibilidad

0.3-0.6%

Interrupción rápida y

selectiva de diversos tipos

de fallas

Sincronizaciónmás fiable

Suministro de serviciosauxiliaries

directamentedesde red principal

Se evita la commutación

del sumministroa serviciosauxiliares

Simplificación de los

procedimientos

Cálculo de DisponibilidadEsquema de central eléctrica


Central Termoeléctrica(2 x 600 MW) Esquema con GCB

Central Termoeléctrica(2 x 600 MW) Esquema con GCB y Transformador de Apagado

Central Termoeléctrica(2 x 600 MW) Conexión Directa

Escenario de ReferenciaCaso 1Caso 2Caso 3

Cálculo de DisponibilidadEsquema de central eléctrica


Resultados de Cálculo de Disponibilidadpara una de las unidades de 600 MWPotencia promedio entregada

Pow

er [M

W]

520

515

510

505

500

525

530

Cas

o 2

Cas

o 1

Cas

o 3

Average Power Output of Unit (Assumed Value)


Requisitos técnicos y criterios de selección

Requisitos técnicos y criterios de selecciónRequisitos para Interruptores de Generador


t [ms]

50403020100-10-20

-30

-40

u (t)

i (t)

Características de corrientesde cortocircuito

Características de TRV

Tasa de Crecimiento

Se imponen requerimientos técnicos muy severossobre éste con respecto a:

Corriente nominal

Corrientes de cortocircuito (desde red AT ygenerador)

Corrientes de falla debidas a sincronizaciónfuera de fase

MagnitudAsimetría

EstándaresIEEE C37.013 v/s IEC 62271-100


IEEE Std C37.013 / IEEE Std C37.013a

IEC 62271-100

Interruptores de generadorque han sido diseñados y probados según la norma

IEC 62271-100 no cumplencon los estrictos requisitos

técnicos impuestos eninterruptores de generador

Requisitos técnicos y criterios de selecciónCorrientes de cortocircuito alimentadas por la red de AT


110 kVSk = 10 GVA

100 MVA110/13.8 kV

uk = 12 %

99 MVA13.8 kV

cos = 0.8X’’dv = 13.5%

Tiempo de separación de contactos 50 ms:

Ipk = 90.5 kA Isym = 33.2 kA a = 63.5 %

IscTS

G

Requisitos técnicos y criterios de selecciónCorrientes de cortocircuito alimentadas por la red de AT

Característica del grado se asimetría:


ac

dc

IIa2

Requisitos técnicos y criterios de selecciónCorrientes de cortocircuito alimentadas por el generador


110 kVSk = 10 GVA

100 MVA110/13.8 kV

uk = 12 %

99 MVA13.8 kV

cos = 0.8X’’dv = 13.5%


Ipk = 95.6 kA Isym = 23.8 kA a = 133.4 %

IscG

G



Característica del grado se asimetría:

ac

dc

IIa2

Requisitos técnicos y criterios de selecciónCorrientes de cortocircuito alimentadas por el generador(tcs = 40 ms)


Máquinas con polos salientes normalmente tienen menor grado de asimetría

Turbinas de gas de baja potencia normalmente tienen mayor grado de asimetría

ABB prueba130% grado de asimetría

Requisitos técnicos y criterios de selecciónSincronización fuera de fase


110 kVSk = 10 GVA

100 MVA110/13.8 kV

uk = 12 %

99 MVA13.8 kV

cos = 0.8X’’dv = 13.5%


Ipk = 92.9 kA Isym = 27.8 kA a = 92.2 %

Iop

G

Requisitos técnicos y criterios de selecciónSincronización fuera de fase


Influencia de ángulo de desfase

60° out-of-phase condition

180° out-of-phase condition 120° out-of-phase condition

90° out-of-phase conditionABB prueba OOF180°

Requisitos técnicos y criterios de selecciónTensión Transitoria de Recupero (TRV)


Requisitos técnicos y criterios de selecciónTRV – Efecto de capacitores

Los capacitores se conectandurante las pruebas deinterrupción.

El capacitor, por lo tanto, debeser considerado como parteintegral del interruptor degenerador.


“The interrupting capability demonstrated by these tests is valid only if capacitors of the same capacitance value as used during the tests are installed according to the tested

configuration.”

addition of capacitor

Fenómeno de ceros retrasados de corriente

Interruptores SF6 v/s Vacío

Interrupción de corrientes con ceros retrasados de corriente

La resistencia eléctrica del arco que se forma luego de la separación de loscontactos del interruptor de generador es una resistencia adicional que reduce lacontante de tiempo la componente d.c de la corriente, acelerando sudecaimiento.

arcRRfX

2

Current

0Time (s)

Interrupción de corrientes con ceros retrasados de corrienteInterruptores de SF6 v/s Vacío


-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Time (ms)

V

-120000

-100000

-80000

-60000

-40000

-20000

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

A

Arc-voltage Current

Interruptor de generador de SF6 Interruptor de generador de vacío

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

104 105 106 107 108 109 110 111 112

Time (ms)

V

-120000

-100000

-80000

-60000

-40000

-20000

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

A

Arc-voltage Current



110 kVSk = 10 GVA

100 MVA110/13.8 kV

uk = 12 %

99 MVA13.8 kV

cos = 0.8X’’dv = 13.5%


Ipk = 95.6 kA Isym = 23.8 kA a = 133.4 %

IscG

G

Falla en terminales del generadorGenerador sin carga previo a la falla


Interrupción de corriente alimentada por el generador con interruptor de generador de SF6 (falla cuando UA = 0, tiempo de arco = 17.6 ms)

Interrupción de corriente alimentada por el generadorcon interruptor de generador de SF6 (falla cuando UA = max, tiempo de arco = 20.2 ms)

Interrupción de corriente alimentada por el generador con interruptor de generador de Vacío(falla cuando UA = 0, tiempo de arco = 39 ms)

Interrupción de corriente alimentada por el generador con interruptor de generador de Vacío(falla cuando UA = max, tiempo de arco = 80.9 ms)

tcp

tcp

tcp

tcp

SF6 Vacío

FallacuandoUA = 0

Fallacuando

UA = max

Nueva Norma para Interruptores de Generador: IEC/IEEE 62271-37-013


Nueva Norma IEC/IEEE 62271-37-013

IEEE C37.013

IEEE C37.013a

IEC/IEEE 62271-37-013

Nueva Norma IEC/IEEE 62271-37-013Ratings – Corrientes alimentadas por el generador

Un grado de asimetría de 110% no es representativo de lo que ocurre enaplicaciones reales.

Un grado de asimetría de 130% es más adecuado.

La nueva norma introducirá dos clases para la capacidad de interrupciónde corrientes alimentadas por el generador:

Iscg con 110% grado de asimetría

0.74 x Iscg with 130%grado de asimetría

Clase G1

Iscg con 130% grado de asimetría

Clase G2

Grado de asimetría al momento de separación de los contactos es independiente del tiempo en que éstos se separan

Nueva Norma IEC/IEEE 62271-37-013Pruebas de Tipo – Ceros Retrasados de Corriente

Estrictos requisitos se imponen en el interruptor de generador conrespecto al tiempo de arco (1,5 ciclos).

Dicha prueba no es evidencia suficiente de la capacidad del interruptorde generador para interrumpir corrientes que posean tal forma de onda.

La prueba se require para derivar la característica de tension de arco vscorriente y determinar el modelo de la tension de arco del interruptor degenerador.

La capacidad del interruptor de generador para interrumpir corrientes queposean ceros retrasados de corriente debe ser determinada por medio deestudios que consideren el efecto de la tensión de arco.

“The capability of the generator circuit-breaker to interrupt the current with delayed zero crossings shall be ascertained by computations that consider the effect of the arc voltage on the prospective short-circuit current.”

Source:

IEC 17A/993/CD

IEEE P62271-37-013 D 9.3

Nueva Norma IEC/IEEE 62271-37-013Estudios de Aplicación

Los siguientes estudios se deben realizar para cadaproyecto:

Corrientes de cortocircuito alimentadas por la red de AT

Corrientes de cortocircuito alimentadas por el generador

Corriente de falla por sincronización fuera de fase


sin carga

carga nominal f.p inductivo

carga nominal f.p capacitivo

efecto de tensión de arco

UA = 0

UA = max

UA = 0

UA = max

efecto de tensión de arco

SF6 o

Vacío

Nueva Norma IEC/IEEE 62271-37-013Clarificación acerca de uso de capacitores en pruebas de tipo


GridGIsIg "The interrupting capability

demonstrated by these tests is valid only if capacitors of the

same capacitance value as used during the tests are installed

according to the tested configuration.”

Source: IEC 17A/993/CD IEEE P62271-37-013 D 9.3

De acuero al estándard de interruptores de generador, el valor de capacitancia equivalente requerida para las pruebas de tipo debe ser especificada en los reportes de éstas y en la placa del interruptor.

El mismo valor de capacitancia debe ser ocupado para todas las pruebas de interrupción.

La capacidad de interrupción demontrada por las pruebas de interrupción es válidaúnicamente si capacitores del mismo valor a aquellos utilizados durante las pruebas son instalados con el interruptor de generador entregado para un proyecto específico.

Ejemplo de Reporte KEMA:


Portafolio ABB 2015

ABB GCB portfolio

Máquinas con polos salientes normalmente tienen menor grado de asimetría

GCBs open typesFor retrofit, replacement and installation in cubicles


HECS-100/130R

Up to 130 kA

HVR-63XS/S

Up to 63 kA

VD4G-50

Up to 50 kA


Generator Circuit-Breaker System type HECS-130L

Surge arrester

Current transformer

Voltage transformer

Series Disconnector

Interrupting chamber

Generator Circuit-Breaker System type HEC 9



Preguntas?

Air-blast GCB (desde 1954) SF6 GCB (desde 1984)

1950 1960 1970 1980 1990 2000

Introducción

Conexión Busbar Conexión directa Conexión con Interruptor de Generador

Estado del Arte Interruptores de GeneradorSistema de Contactos SF6/Aire v/s SF6/SF6

Sistema de contactos SF6/Aire

Contactos de arco

Contactos principales

seccionador

Sistema de contactos SF6/SF6

Contactos de arco

Contactos principales

seccionador

Transformador de tensión destruido por ferroresonancia

Largos tiempos de commutación

Chispas fallas a tierra

Humedad, polución, etc

Visibilidad

Chispas generadas durantecommutación en aire


Mecanismo de operación de resorte hidro-mecánico

Estado del Arte Interruptores de GeneradorMecanismo de Operación

in all ABB applications

Estado del Arte Interruptores de GeneradorMecanismo de Operación


HMB 4HMB 1

HMB 8

The well-proven hydro-mechanical spring drive type HMB is the most reliable according to paper A2-206 presented at CIGRE’ 2012

SF6 GCB with hydro-mechanical spring drive has failure rate 6 times less than air-blast technology and half the one of SF6 with pneumatic drive.

Estado del Arte Interruptores de GeneradorRefrigeración e Interrupción Independientes


• Refrigeración por convección de aire

• Falla en refrigeración no afecta la capacidad de interurpción

• Menos SF6

• Bajo mantenimiento

• Alta fiabilidad

Aumento de Presión en Transformadores de Potencia


t [ms]

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

Inte

rrup

tor

de G

ener

ador

Inte

rrup

tor

de A

TP [bar]

Presión máxima soportada por el tanque

50 100 150 250200

falla entre devanado AT y tanque

devanado AT completamente cortocircuitado

porción devanado cortocircuitado

falla contacto del tap changer 15%

Tap Changer

25%30%falla a través del bushing

10%5%

Fallas Transformador Principal


Falla Transformador Principal – sin Interruptor de Generador

Secuencia de eventos:

t = 0 ms: falla a tierra lado AT del transformador

t = 45 ms: cortocircuito bifase

t = 95 ms: cortocircuito trifase

t 150 ms: explosión del transformador

Fallas Transformador Principal


Generator Transformer Failure -without Generator Circuit-Breaker

Carga desbalanceada de corta duración


HV Circuit breaker: 1 phase does not closeHV Circuit breaker: 1 phase does not openTransformer HV bushings: single phase earth faultTransformer HV bushings: two phase faultTransformer LV terminals: two phase faultTransformer HV windings: various types of faultsHV circuit-breaker: two phase flashover

Fallas monofasey bifase

Componenteinversa interactúa

con los devanados de

amortiguamiento

Esfuerzos mecánicos y

térmicos críticos



Unbalanced Load Condition – without Generator Circuit-Breaker




The rotor’s touching of the stator destroyed the generator completely

Generator Motoring – sin Interruptor de Generador


GS3~

GeneratorPn = 500 MW

Main Transformer Overhead Line(Transmission)

Coupling

Overhead Line

HV Circuit-Breaker

Internal breakdown at HV circuit-breaker, pole L1•Generator starts working as motor

•Speed is increasing again

Open command•Three-phase network interruption

•Turbine-generator unit is running down normally

Mechanical destruction of turbine-generator set•Shaft and bearings are destroyed

•Generator is lifted out of the foundation

•12 meter high explosive flame



n [min-1] Objeto

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

2750

3000

02 4 6 8 10 12 14 160 18 20 22 24 26 28 30 32

n [min -1]

t [min]

2420 Generador

870 Generador

2040

1800

20101940 Turbina

Velocidad Crítica del Rotor

curso normal

1643

2142

luego de la destrucción mecánica

Falla en terminales del generadorGenerador sin carga previo a la falla


Interrupción de corriente alimentada por el generador con interruptor de generador de SF6 (falla cuando UA = 0, tiempo de arco = 17.6 ms)

Interrupción de corriente alimentada por el generadorcon interruptor de generador de SF6 (falla cuando UA = max, tiempo de arco = 20.2 ms)

Interrupción de corriente alimentada por el generador con interruptor de generador de Vacío(falla cuando UA = 0, tiempo de arco = 39 ms)

Interrupción de corriente alimentada por el generador con interruptor de generador de Vacío(falla cuando UA = max, tiempo de arco = 80.9 ms)

tcp

tcp

tcp

tcp

SF6 Vacío

FallacuandoUA = 0

Fallacuando

UA = max

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