Análisis de Falla a Tierra en Generador Eléctrico de 375 MW

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1 ANÁLISIS DE FALLA A TIERRA EN GENERADOR ELÉCTRICO DE 375 MW, 17 KV, CON ENFRIAMIENTO EN AIRE. Eduardo Humberto Guerrero Flores, Ingeniero Electricista COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD, SubDirección de Generación Central Hidroeléctrica El Cajón, Municipios de Santa María del Oro y La Yesca, Nayarit, México Correo electrónico [email protected] ResumenEl presente documento presenta el análisis teóri- co de un caso real del fenómeno de una falla monofásica a tierra en un Generador Hidroeléctrico de gran potencia, 375 MW, con aterrizamiento de alta impedancia (conectando al neutro un transformador de distribución con una carga secun- daria resistiva), y devanado trifásico de fase dividida en 4 pares de ramas (con interconexión de par de ramas interna y no disponible), en interacción directa con su esquema de protección eléctrica. I. INTRODUCCIÓN Y BÁSICOS A. Introducción Sabemos que la generación de energía es el cimiento para el desarrollo sustentable de las naciones, por esa razón, apro- vechar la orografía como recurso natural renovable, ha obli- gado a la ingeniería a crear máquinas de gran tamaño y efi- ciencia para satisfacer la demanda creciente de energía. Lo anterior asume la responsabilidad de proteger a los ge- neradores ante fenómenos y averías indeseables, por lo tanto, la seguridad integral de los sistemas eléctricos es el objetivo de la ingeniería en Protecciones. Ahora que la Comisión Federal de Electricidad (CFE) po- see una gran variedad de Unidades de Generación, es oportu- no compartir esta experiencia. B. Propósito Presentar de una forma práctica y educativa (retomando las asignaturas de ingeniería) la asociación de teoría con realidad, desde determinar la FEM inducida en un generador de polos salientes, hasta el análisis de una falla a tierra con los paráme- tros eléctricos que se miden en su esquema de protección. II. ANTECEDENTE Y REFERENCIA DEL GENERADOR A. Ubicación Geográfica de la Planta de Generación La Central Hidroeléctrica El Cajón de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), se ubica en el occidente de México, específicamente en las coordenadas geográficas 21º25‟41” Latitud Norte y 104º27‟14” Longitud Oeste, enclavado en la Sierra Madre Occidental, a 47 km al Oriente de la Ciudad de Tepic, interviniendo el cauce del Río Santiago en la altitud de 230.50 msnm (60 km aguas arriba de la C. H. Aguamilpa) uniendo con su cortina a los Municipios de Santa María del Oro y de La Yesca, en la parte central del Estado de Nayarit. Ubicación Geográfica de la Central Hidroeléctrica El Cajón La C. H. El Cajón posee una cortina piramidal de 191 m de altura de cara húmeda de concreto y seca de enrocamiento. Vista Aérea de la Central Hidroeléctrica El Cajón La Central posee una Casa de Máquinas tipo caverna que alberga a 2 unidades verticales con generador de polos salien- tes de 375 MW y turbina hidráulica tipo Francis. RVP-AI/2009 GEN-04 PONENCIA RECOMENDADA POR EL COMITÉ DE GENERACIÓN DEL CAPÍTULO DE POTENCIA DEL IEEE SECCIÓN MÉXICO Y PRESENTADA EN LA REUNIÓN DE VERANO, RVP- AI’2009 , ACAPULCO GRO., DEL 5 AL 11 DE JULIO DEL 2009. GEN 04 P44

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Análisis de Falla a Tierra en Generador Eléctrico de 375 MW

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ANÁLISIS DE FALLA A TIERRA EN

GENERADOR ELÉCTRICO DE 375 MW, 17 KV,

CON ENFRIAMIENTO EN AIRE.

Eduardo Humberto Guerrero Flores, Ingeniero Electricista COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD, SubDirección de Generación

Central Hidroeléctrica El Cajón, Municipios de Santa María del Oro y La Yesca, Nayarit, México

Correo electrónico [email protected]

Resumen— El presente documento presenta el análisis teóri-

co de un caso real del fenómeno de una falla monofásica a

tierra en un Generador Hidroeléctrico de gran potencia, 375

MW, con aterrizamiento de alta impedancia (conectando al

neutro un transformador de distribución con una carga secun-

daria resistiva), y devanado trifásico de fase dividida en 4

pares de ramas (con interconexión de par de ramas interna y

no disponible), en interacción directa con su esquema de

protección eléctrica.

I. INTRODUCCIÓN Y BÁSICOS

A. Introducción

Sabemos que la generación de energía es el cimiento para

el desarrollo sustentable de las naciones, por esa razón, apro-

vechar la orografía como recurso natural renovable, ha obli-

gado a la ingeniería a crear máquinas de gran tamaño y efi-

ciencia para satisfacer la demanda creciente de energía.

Lo anterior asume la responsabilidad de proteger a los ge-

neradores ante fenómenos y averías indeseables, por lo tanto,

la seguridad integral de los sistemas eléctricos es el objetivo

de la ingeniería en Protecciones.

Ahora que la Comisión Federal de Electricidad (CFE) po-

see una gran variedad de Unidades de Generación, es oportu-

no compartir esta experiencia.

B. Propósito

Presentar de una forma práctica y educativa (retomando las

asignaturas de ingeniería) la asociación de teoría con realidad,

desde determinar la FEM inducida en un generador de polos

salientes, hasta el análisis de una falla a tierra con los paráme-

tros eléctricos que se miden en su esquema de protección.

II. ANTECEDENTE Y REFERENCIA DEL GENERADOR

A. Ubicación Geográfica de la Planta de Generación

La Central Hidroeléctrica El Cajón de la Comisión Federal

de Electricidad (CFE), se ubica en el occidente de México,

específicamente en las coordenadas geográficas 21º25‟41”

Latitud Norte y 104º27‟14” Longitud Oeste, enclavado en la

Sierra Madre Occidental, a 47 km al Oriente de la Ciudad de

Tepic, interviniendo el cauce del Río Santiago en la altitud de

230.50 msnm (60 km aguas arriba de la C. H. Aguamilpa)

uniendo con su cortina a los Municipios de Santa María del

Oro y de La Yesca, en la parte central del Estado de Nayarit.

Ubicación Geográfica de la Central Hidroeléctrica El Cajón

La C. H. El Cajón posee una cortina piramidal de 191 m de

altura de cara húmeda de concreto y seca de enrocamiento.

Vista Aérea de la Central Hidroeléctrica El Cajón

La Central posee una Casa de Máquinas tipo caverna que

alberga a 2 unidades verticales con generador de polos salien-

tes de 375 MW y turbina hidráulica tipo Francis.

RVP-AI/2009 – GEN-04 PONENCIA RECOMENDADA

POR EL COMITÉ DE GENERACIÓN DEL

CAPÍTULO DE POTENCIA DEL IEEE SECCIÓN MÉXICO

Y PRESENTADA EN LA REUNIÓN DE VERANO, RVP-AI’2009,

ACAPULCO GRO., DEL 5 AL 11 DE JULIO DEL 2009.

GEN 04

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B. Características del generador eléctrico

Este es el segundo generador de procedencia rusa y del

mismo fabricante que se instala en México, el primero en la

C. H. Aguamilpa, presentando el mismo perfil constructivo:

Un estator segmentado en 6 partes y un rotor tipo sombrilla de

polos salientes. El generador tiene las siguientes característi-

cas técnicas:

Característica del Generador Dato o Valor

Fabricante

País de origen

Tensión nominal de línea, kV

Aislamiento dieléctrico, clase/ºC

Potencia nominal, MVA/MW

Potencia máxima, MVA/MW

Corriente de armadura nominal, A

Corriente de armadura máxima, A

Factor de potencia nominal

Frecuencia nominal, Hz

Secciones de estator

Ranuras del núcleo de estator

Tipo de devanado de armadura

Paso de devanado

Fases de devanado de armadura

Conexión de fases

Ramas en paralelo por fase

Terminales salientes por fase

Tipo de rotor

Tensión nominal de campo, VCD

Corriente nominal de campo, ACD

Velocidad de giro nominal, rpm

Velocidad máxima de desboque, rpm

Masa de rotor, Ton

Masa total del Generador, Ton

Eficiencia del generador (diseño), %

Electrosila

Rusia

17

F/155

394.74/375

438.6/416.7

13406

14896

0.95

60

6

648

Ondulado a doble capa

Fraccionario, 1-12-28

3

Estrella

8

4

Sombrilla polos salientes

395

1430

150

288.66

715

1400

98.78

El generador posee los siguientes valores de impedancias:

Impedancia del Generador Valor

Resistencia de CD del campo @ 75ºC, mΩ

Resistencia de CD de armadura por fase @ 75ºC, mΩ

Capacitancia de armadura por fase, μF

Reactancia subtransitoria de eje directo (Xd”)

Reactancia transitoria de eje directo (Xd‟)

Reactancia síncrona de eje directo (Xd)

Reactancia subtransitoria de eje en cuadratura (Xq”)

Reactancia síncrona de eje en cuadratura (Xq)

Reactancia de secuencia negativa (X2)

Reactancia de secuencia cero (X0)

252

1.2

2.9

0.175

0.25

0.8

0.185

0.52

0.18

0.1

C. Esquema eléctrico del generador y equipos auxiliares

El esquema general eléctrico con sus equipos auxiliares se

presenta en la siguiente figura:

Esquema general eléctrico del Generador de la C. H. El Cajón

El aterrizamiento del punto neutro del generador es a través

del devanado de alta tensión de un transformador de distribu-

ción, el cual tiene conectada una resistencia a su devanado

secundario.

Características transformador de neutro Dato o Valor

Fabricante

País de origen

Potencia nominal, kVA

Fases, No.

Tensión nominal de línea H-X, V

Corriente nominal H-X, A

Frecuencia nominal, Hz

Enfriamiento, tipo

Polaridad

Aislamiento dieléctrico, clase

Masa total, kg

Adelco

Brasil

200

2

17000-240

11.76-833.33

60

AN

Sustractiva

F

980

Característica resistencia de neutro Dato o Valor

Fabricante

País de origen

Tipo

Fases

Frecuencia, Hz

Cantidad de módulos de resistencias,

Resistencia por módulo @ 40°C, mΩ

Resistencia total del banco @ 40°C, mΩ

Tensión nominal, V

Corriente inicial nominal, A

Tiempo máximo de operación, s

Material

Masa por módulo de resistencia, kg

Eletele

Brasil

Aterrizamiento

1

60

3

15

48

240

5333

60

Acero Inoxidable

370

El monitoreo de los parámetros eléctricos se realiza por me-

dio de transformadores de instrumento inductivos, y estas

señales se llevan a un par de relevadores multifunción digitales

para la Protección Primaria y de Respaldo del Generador.

Los equipos tienen las siguientes características técnicas:

Características de transformadores Dato o Valor

Fabricante

País de origen

AREVA

Brasil

Transformadores de Corriente Dato o Valor

Potencia nominal , VA

Devanados, No.

Relación de corriente H-X, A

Precisión

Masa total, kg

60

1

16000-5

CL5P20

190

Transformadores de Potencial Dato o Valor

Potencia nominal, VA

Devanados, No.

Relación de corriente H-X, V

Precisión

Masa total, kg

1000

1

17850/√3-120/69

0.3WXYZ

140

Características de relevadores

de protección Dato o Valor

Fabricante

País de origen

Corriente nominal, A CA

Voltaje nominal, V CA

Frecuencia, Hz

Tensión de control, V CD/V CA

Modelo, No.

Sufijos de Modelo, No.

Siemens

Brasil

5

100-125

50 o 60

100-250/115 7UM6225-5EB99-0BA0-Z/DD

L0D+M2A+X98

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III. OPERACIÓN DE ESTADO ESTABLE DEL GENERADOR

A. Operación en vacío

El Generador de Unidad 2 de la C. H. El Cajón operando

en estado estable con excitación nominal de vacío, produce un

voltaje inducido equilibrado (igual al voltaje en terminales),

de línea a línea 17 kV y de línea a tierra 9.815 kV.

Por lo tanto es posible calcular la tensión inducida eficaz en

cada barra y por ramal de cada fase aplicando las Leyes de

Faraday y de Lenz, que se muestran en la siguiente nota.

El voltaje inducido para una barra o bobina viene dado por:

; donde:

Ebobina Tensión inducida en

una bobina (V) f

Φpolar

Frecuencia (Hz)

Flujo magnético polar (Wb)

El voltaje inducido para un devanado viene dado por:

donde:

Edevanado Tensión inducida en el devanado (V)

kb Factor de distribución del devanado

N Número de bobinas kp Factor de paso fraccionario

Entonces, se realiza el cálculo del factor de distribución kb.

Para el factor de distribución:

; donde:

n Número de ranuras

por polo por fase γ

Ángulo eléctrico entre ranuras

por polo adyacentes (rad)

También se realiza el cálculo del factor de paso kp.

Para el factor de paso:

; donde:

ρ Ángulo eléctrico por expansión de bobina (rad)

Y finalmente, se efectúa el cálculo del la tensión inducida

eficaz en cada barra Ebobina:

Para el voltaje inducido para una barra:

Ahora, podemos obtener la distribución vectorial del volta-

je inducido en cualquier ramal del devanado del generador:

DISTRIBUCIÓN DEL VOLTAJE INDUCIDO EN UN RAMAL DEL DEVANADO DEL

GENERADOR DE UNIDAD 2 DE LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA EL CAJÓN Ubicación Desplazamiento polar Voltaje acumulado

No

ba-

rra

No

Ranura

Montaje

en ranura

Po-

lari-

dad

En

ranu-

ras

En

ángulo (°

eléct)

Ángulo

corregido

(° eléct)

Magnitud

(V)

Ángulo

(° eléct)

1 1 FONDO + 0 0° 0° 198.25 0°

2 12 BOCA - 11 146.7° 326.7° 379.84 343.3°

3 28 FONDO + 0 0° 0° 572.59 349°

4 39 BOCA - 11 146.7° 326.7° 759.69 343.3°

5 55 FONDO + 0 0° 0° 951.31 346.8°

6 66 BOCA - 11 146.7° 326.7° 1139.53 343.3°

7 81 FONDO + 26 346.7° 346.7° 1337.49 343.8°

8 92 BOCA - 10 133.3° 313.3° 1511.67 340°

9 108 FONDO + 26 346.7° 346.7° 1708.74 340.8°

10 119 BOCA - 10 133.3° 313.3° 1886.89 338°

11 135 FONDO + 26 346.7° 346.7° 2083.09 338.8°

12 146 BOCA - 10 133.3° 313.3° 2263.65 336.7°

13 161 FONDO + 25 333.3° 333.3° 2461.59 336.4°

14 172 BOCA - 9 120° 300° 2623.80 333.8°

15 188 FONDO + 25 333.3° 333.3° 2822.04 333.8°

16 199 BOCA - 9 120° 300° 2988.83 331.7°

17 215 FONDO + 25 333.3° 333.3° 3187.01 331.8°

18 226 BOCA - 9 120° 300° 3357.15 330°

19 241 FONDO + 24 320° 320° 3552.56 329.4°

20 252 BOCA - 8 106.7° 286.7° 3700.52 327.4°

21 268 FONDO + 24 320° 320° 3897.22 327°

22 279 BOCA - 8 106.7° 286.7° 4050.41 325.2°

23 295 FONDO + 24 320° 320° 4247.89 324.9°

24 306 BOCA - 8 106.7° 286.7° 4405.26 323.3°

25 321 FONDO + 23 306.7° 306.7° 4595.53 322.6°

26 332 BOCA - 7 93.3° 273.3° 4727.22 320.8°

27 348 FONDO + 23 306.7° 306.7° 4919.71 320.2°

28 359 BOCA - 7 93.3° 273.3° 5057.23 318.6°

29 375 FONDO + 23 306.7° 306.7° 5251.35 318.2°

30 386 BOCA - 7 93.3° 273.3° 5393.79 316.7°

31 400 BOCA + 21 280° 280° 5554.08 315.4°

32 389 FONDO - 10 133.3° 313.3° 5752.20 315.4°

33 373 BOCA + 21 280° 280° 5914.96 314.3°

34 362 FONDO - 10 133.3° 313.3° 6113.19 314.2°

35 346 BOCA + 21 280° 280° 6278.09 313.2°

36 335 FONDO - 10 133.3° 313.3° 6476.34 313.2°

37 320 BOCA + 22 293.3° 293.3° 6663.11 312.6°

38 309 FONDO - 11 146.7° 326.7° 6855.62 313°

39 293 BOCA + 22 293.3° 293.3° 7042.57 312.5°

40 282 FONDO - 11 146.7° 326.7° 7234.95 312.9°

41 266 BOCA + 22 293.3° 293.3° 7422.07 312.4°

42 255 FONDO - 11 146.7° 326.7° 7614.34 312.7°

43 240 BOCA + 23 306.7° 306.7° 7811.51 312.6°

44 229 FONDO - 12 160° 340° 7988.01 313.2°

45 213 BOCA + 23 306.7° 306.7° 8184.99 313.1°

46 202 FONDO - 12 160° 340° 8362.23 313.7°

47 186 BOCA + 23 306.7° 306.7° 8559.03 313.5°

48 175 FONDO - 12 160° 340° 8736.94 314.1°

49 160 BOCA + 24 320° 320° 8934.17 314.2°

50 149 FONDO - 13 173.3° 353.3° 9088.90 315°

51 133 BOCA + 24 320° 320° 9286.42 315.1°

52 122 FONDO - 13 173.3° 353.3° 9443.01 315.9°

53 106 BOCA + 24 320° 320° 9640.76 316°

54 95 FONDO - 13 173.3° 353.3° 9799.05 316.7°

Y su diagrama vectorial se presenta en la siguiente figura:

Diagrama vectorial eléctrico de un ramal de fase del devanado de

armadura del Generador de la C. H. El Cajón

Así, se comprueba el voltaje inducido por fase de 9.8 kV

B. Operación con carga nominal

El Generador de Unidad 2 de la C. H. El Cajón operando en

estado estable con excitación a carga nominal, produce un

voltaje que en terminales conserva el valor de línea a línea de

17 kV y de línea a tierra de 9.815 kV.

Por lo anterior, para este análisis se considera suficiente el

cálculo del voltaje inducido con operación en vacío.

Page 4: Análisis de Falla a Tierra en Generador Eléctrico de 375 MW

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IV. FALLA A TIERRA DEL DEVANADO DE ARMADURA

A. Ocurrencia y hechos del evento de falla

El 20 de julio de 2008 a las 15:00 horas, la Unidad 2 de la

C. H. El Cajón estaba sincronizada al Sistema Interconectado

Nacional entregando 375 MW, cuando sucedió un disparo por

protección eléctrica 64G “Falla a tierra del Generador” en la

fase B. para entonces la Unidad 2 acumulaba 1496:35 horas

de operación comercial.

Los relevadores de protección primaria y respaldo mostra-

ron el oscilograma y la representación vectorial que se mues-

tran en las siguientes figuras.

Oscilograma y vectores de tensión y corriente de la falla a tierra

del ramal del devanado del Generador de Unidad 2

En el oscilograma, el cursor (línea vertical) azul indica el

momento de inicio de la falla y el naranja indica el momento

del disparo. En la representación vectorial, la primera figura

es cuando ocurre la falla y la segunda es el disparo.

El relevador de protección de respaldo registró el reporte

de eventos que se muestra en la siguiente figura.

Reporte de eventos de falla del Generador de Unidad 2

B. Ubicación física de la bobina fallada

Al principio, determinar con pruebas de resistencia de ais-

lamiento la localización del par de ramas con falla a tierra fue

relativamente rápido (7 horas), la cual se localizó el mismo

día 20 de Julio de 2008, en B4-Y4 de la fase B del devanado

de armadura del Generador de Unidad 2.

Sin embargo, la ubicación exacta de la falla resultó cansada

y lenta (5 días), debido principalmente a 4 factores:

1. El Generador estaba en período de garantía, razón por la

cual el fabricante prohibió pruebas que implicaran aplica-

ción de baja y/o alta tensión de CA/CD;

2. El no tener terminales expuestas de cada rama individual-

mente, porque la interconexión es sólida y aislada;

3. La imposibilidad para realizar una inspección física detalla-

da con el Generador tapado, debido a los espacios tan redu-

cidos; y

4. Las dimensiones físicas (tamaño) del generador, 3 m de

altura y 10.84 m de diámetro interior del estator.

Finalmente, el día 25 de julio de 2008, al retirar la última

tolva inferior en el sexto No. 4, se detecta la evidencia de la

falla a tierra localizada en el cabezal inferior de la bobina de

boca de ranura 438 de la rama 3B4 de la fase B.

Barra fallada a tierra en ranura 438 (sin seguro de cuñas) del

ramal 3B4 del devanado del Generador de Unidad 2

C. Ubicación teórica de la bobina fallada

Esta ubicación está prácticamente resuelta si se crean los

documentos de apoyo como el desarrollo de cada rama del

devanado de armadura con su cálculo correspondiente de las

tensiones inducidas, como se presenta en el inciso A. Opera-

ción en vacío de la Sección III. Operación en Estado Estable

del Generador de este documento.

Si observamos la tabla Distribución del Voltaje Inducido

en un Ramal del Devanado del Generador de Unidad 2 de la

Central Hidroeléctrica El Cajón (en adelante llamada solo

como Tabla), identificaremos que la tensión medida por el

relevador de protección en la fase B de 1.9 kV corresponde

con el voltaje final de la bobina de boca de ranura No. 10 de

fase a neutro. En la siguiente figura se ve el diagrama vectorial

del voltaje inducido hasta la bobina No. 10 fallada a tierra.

Diagrama vectorial eléctrico de el ramal fallado 3B4-4Y4 de fase B

del devanado de armadura del Generador de la C. H. El Cajón

Page 5: Análisis de Falla a Tierra en Generador Eléctrico de 375 MW

5

Ahora, con el desarrollo del devanado aplicado para el par

de ramas B4-Y4 de la fase B, se tiene lo siguiente.

DISTRIBUCIÓN DEL VOLTAJE INDUCIDO EN RAMAL 3B4-4Y4 DEL DEVANADO

DEL GENERADOR DE UNIDAD 2 DE LA C. H. EL CAJÓN Ubicación Desplazamiento polar Voltaje acumulado

No

ba-

rra

No

Ranura

Montaje

en ranura

Po-

lari-

dad

En

ranu-

ras

En

ángulo (°

eléct)

Ángulo

corregido

(° eléct)

Magnitud

(V)

Ángulo

(° eléct)

10 438 BOCA - 10 133.3° 313.3° 1886.89 338°

11 454 FONDO + 26 346.7° 346.7° 2083.09 338.8°

DISTRIBUCIÓN DEL VOLTAJE INDUCIDO EN RAMAL 4B4-5Y4 DEL DEVANADO

DEL GENERADOR DE UNIDAD 2 DE LA C. H. EL CAJÓN Ubicación Desplazamiento polar Voltaje acumulado

No

ba-rra

No Ranura

Montaje en ranura

Po-

lari-dad

En

ranu-ras

En

ángulo (° eléct)

Ángulo

corregido (° eléct)

Magnitud (V)

Ángulo (° eléct)

10 519 BOCA - 10 133.3° 313.3° 1886.89 338°

11 535 FONDO + 26 346.7° 346.7° 2083.09 338.8°

Con la información anterior, se enfoca la búsqueda del pun-

to de falla al final de la bobina de boca de ranura 438 o al

inicio de la bobina de fondo de ranura 454 para el ramal 3B4-

4Y4 y/o al final de la bobina de boca de ranura 519 o al inicio

de la bobina de fondo de ranura 535 para el ramal 4B4-5Y4.

D. Análisis de la falla

Cuando el Generador está operando en estado estable con

una carga de 375 MW, y repentinamente se presenta la falla

de línea a tierra en una de sus ramas del devanado de armadu-

ra, ocurre un cambio en el circuito eléctrico, el cual se inter-

preta como un cambio del punto de aterrizamiento o de refe-

rencia a tierra, como lo muestra la siguiente figura:

Circuito de la falla a tierra del ramal del Generador de Unidad 2

Ahora con la información que conocemos, determinamos

los valores de voltajes de prefalla y postfalla, tomando como

referencia (a 0°) el voltaje inducido en la fase B.

Ayudándonos con la Tabla, determinamos los voltajes de

prefalla para la fase B vistos hacia el neutro.

El voltaje de prefalla de línea a tierra para la fase B es:

El voltaje de prefalla de línea a tierra de la fase B de la termi-

nal al punto de falla F es:

El voltaje de prefalla de línea a tierra de la fase B del punto de

falla F al neutro es:

La representación vectorial de la fase B hacia el neutro:

Diagrama vectorial (visto hacia el neutro) de voltajes prefalla la fase

B del devanado de armadura del Generador de la C. H. El Cajón

Ahora, determinamos los voltajes de prefalla para la fase B.

El voltaje de prefalla de línea a tierra para la fase B es:

El voltaje de prefalla de línea a tierra de la fase B de la

terminal al punto de falla F es:

El voltaje de prefalla de línea a tierra de la fase B del punto

de falla F al neutro es:

Y el diagrama de voltajes se muestra en la figura siguiente.

Diagrama vectorial de voltajes prefalla la fase B del devanado de

armadura del Generador de la C. H. El Cajón

Para analizar el comportamiento de los voltajes de fase du-

rante la falla tomaremos un circuito simplificado (sin caídas

por reactancias) que se muestra en la siguiente figura.

Circuito de la falla a tierra del ramal del Generador de Unidad 2

De aquí, calculamos los voltajes postfalla de línea a tierra

de cada fase.

El voltaje de postfalla de línea a tierra para la fase A es:

El voltaje de postfalla de línea a tierra para la fase B es:

El voltaje de postfalla de línea a tierra para la fase C es:

Entonces, el voltaje postfalla de línea a tierra del neutro,

visto en la resistencia de neutro (como una caída de tensión).

El voltaje de postfalla de línea a tierra para neutro es:

Y el diagrama de voltajes se muestra en la figura siguiente.

Page 6: Análisis de Falla a Tierra en Generador Eléctrico de 375 MW

6

Diagrama vectorial de voltajes pre- y postfalla de fases y neutro del

devanado de armadura del Generador de la C. H. El Cajón

Esta imagen es aproximada a la medición de los relevado-

res de protección previa y durante la falla, por lo que se com-

prueba la declaración inicial, la cual se puede complementar

así:

‘La falla a tierra monofásica en un generador con aterriza-

miento de alta impedancia se comporta eléctricamente como

una modificación del punto de referencia a tierra´.

También, en este estado de falla, existe corriente circulante

en el neutro, y la resistencia conectada al secundario del trans-

formador del neutro crea el efecto de una alta impedancia

primaria. Esto se demuestra en la siguiente nota.

Para un transformador: e ;

Por Ley de Ohm:

Entonces: Ω

Calculando la corriente de falla hacia tierra.

La corriente de falla es:

Con este valor de corriente de falla no opera la Protección

Diferencial (87G) porque el ajuste que considera la Corriente

de Restricción es mucho mayor.

Aplicando esto para una falla en terminales de generador.

La corriente de falla es:

Este último cálculo nos certifica que la Protección Diferen-

cial (87G) no opera en una falla de línea a tierra en terminales

de un generador con aterrizamiento de alta impedancia.

V. CONCLUSIÓN Y COMENTARIOS

En orden de aparición, se mencionarán las conclusiones de

la información contenida en este documento sobre la Falla a

tierra en un ramal de un Generador de este tipo:

1. La falla a tierra en Generadores aterrizados con una alta

impedancia, inutilizan la actuación de la Protección Eléc-

trica Diferencial (87G), pero también limitan la corriente

de falla a valores menores a 0.01 pu.

2. Los relevadores digitales y/o registradores de eventos obtie-

nen información útil para la determinación la ubicación de

la falla a tierra, como el voltaje en la fase fallada.

3. Para reaccionar rápidamente ante una falla a tierra, se deben

elaborar los siguientes documentos de apoyo:

a. Desarrollo del devanado de armadura en las ranuras del

núcleo del estator de un Generador.

b. Cálculo del voltaje inducido por cada bobina de fase a

neutro, esto es, porque la medición de voltaje se instala

generalmente en terminales de salida de fases.

c. Plan de desconexión rápida en puntos estratégicos

aplicar pruebas rápidas de resistencia de aislamiento.

4. Ante este evento, se debe analizar la falla realizando los

cálculos simplificados, para así, reconocer el fenómeno con

sus sobretensiones y posibles consecuencias.

5. Identificar la lógica, los ajustes y la programación del Sis-

tema de Protección Eléctrica que contiene la función 64G

Falla de tierra (en el devanado) de Generador.

También, se concluye que la certeza de la ubicación teóri-

ca del punto de falla a tierra es mayor al 95%, siempre y

cuando, se cuente con registradores de eventos o proteccio-

nes digitales que almacenen la información de la falla.

VI. BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS

1. C. Russel Mason: „El Arte y la Ciencia de la Protección por Relevado-

res‟, CECSA, 2007 2. Stanley H. Horowitz, Arun G. Phadke: „Power System Relaying‟, 2nd

Edition, John Wiley & Sons Inc., 1996.

3. Donald Reimert: „Protective Relaying for Power Generation Systems‟, Taylor & Francis Group, 2006

4. J. Lewis Blackburn, Thomas J. Domin: „Protective Relaying Principles

and Applications‟ 3rd edition, Taylor & Francis Group, 2007 5. William H.Hayt, Jack E. Kemmerly: „Análisis de Circuitos en Ingenier-

ía‟, 4ª Edición, McGraw Hill, 1988.

6. John Grainger, William D. Stevenson: „Análisis de Sistemas de Poten-cia‟, McGraw Hill, 1996.

7. William D. Stevenson: „Elements of power system analysis‟, 4th Edition

McGraw Hill, 1982. 8. Allan Greenwood: „Electrical Transients in Power Systems‟, 2nd Edition,

John Wiley & Sons Inc., 1991.

9. A. E. Fitzgerald, Charles Kingley, Jr., Alexander Kusko: „Teoría y análisis de las máquinas eléctricas‟, EDITIA MEXICANA, S. A., 1984

10. Alejandro Avelino Pérez Espinosa, „Generador de Potencia‟, 2007

VII. CURRICULUM DEL AUTOR

Eduardo Humberto Guerrero Flores

Ingeniero Electricista

Egresado y titulado por el Instituto Tecnológico de Ciudad Madero de la Licenciatura de Ingeniería

Eléctrica en Potencia en 1991.

Especializado y diplomado por General Electric, Comisión Federal de Electri-

cidad y Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de Universidad de Guana-

juato, en Sistemas Eléctricos de Potencia en Área de Generación en 1997. Egresado del Instituto de Estudios Superiores y Tecnológicos "Matatipac", A.

C. de la Maestría en Administración Empresarial.

Ha ocupado los puestos de Supervisor y Jefe de Departamento Eléctrico de la Central Hidroeléctrica Aguamilpa hasta el 2006, y desde entonces, desempeña

el puesto de Jefe de Departamento Eléctrico en la Central Hidroeléctrica El

Cajón, ambas Centrales de la CFE acumulando 15 años de servicio. Ha participado en las etapas de Construcción y Puesta en Servicio de las

Centrales Hidroeléctricas Aguamilpa y El Cajón, así como en apoyos de

capacitación y/o trabajo técnicos de especialidad eléctrica a otros Centros dentro del ámbito de CFE y otras dependencias de gobierno.