Protecciones Eléctricas generadores

7/31/2019 Protecciones Elctricas generadores

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CONSTRUIMOS FUTURO

Facultad de Ingenieras Fsico-MecnicasEscuela de Ingenieras Elctrica,Electrnica y de Telecomunicaciones


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CONSTRUIMOS FUTURO

jueves, 14 de junio de 2012

Protecciones Elctricas

Proteccin de Generadores

Gilberto Carrillo Caicedo


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1INTRODUCCIN

El generador es el elementoms costoso del sistemaconsiderado tanto el costo deadquisicin, cmo el costoque acarrea cualquier salidade trabajo, por ello, en general,se tiene que proteger msampliamente que cualquierotro aparato.Las condiciones anormalesque los afectan se indican enel siguiente diagrama:


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1INTRODUCCIN

Cuando en el generador se presenta una falla(Interna), la accin a tomar a diferencia de los otrosaparatos, no para en la apertura del interruptor de

potencia, sino que adicionalmente se debedesconectar el devanado de campo y la mquinaque le impone el movimiento mecnico al rotor(Primomotor).


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PROTECCIN CONTRA FALLAS INTERNAS

Se presenta debido al dao del aislamiento entre dos fases,conlleva corrientes muy grandes que pueden producir gravesdaos al bobinado, y de persistir, es muy probable que la fallallegue a incluir tierra, causando as un dao ms significativo.

La forma ms funcional de detectar fallas entre fases en elbobinado se hace por medio de un rel diferencial. Lasensibilidad de este mtodo depender, principalmente, delgrado al cual se ajusten los CTs y los rels.

El rel diferencial (Longitudinal) no puede proteger contra fallasentre espiras.

Al detectar una falla entre fases, es imperativo que la unidad sedispare sin retardo, usando un disparo simultneo (Turbina,interruptor de campo, interruptor de potencia).

ESTATORFALLA ENTRE FASES


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FALLA ENTRE FASES

Proteccin diferencial longitudinal


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Falla fase-tierra

El neutro del estator del generador normalmente se conecta atravs de un transformador en cuyo secundario se coloca unaresistencia (Al colocarla a travs de un transformador sepuede usar ms pequea) .

En algunos casos se usa un reactor en disposiciones resonantespara tierra. Si el devanado de una fase cualquier equipo

conectado a l falla a tierra, el voltaje del neutro, normalmentebajo podra aumentar lnea-neutro dependiendo de lalocalizacin de la falla.

El mtodo usual de deteccin es por un rel de voltaje a lo largode una resistencia a tierra. Un rel de corriente se usa algunas

veces en lugar de un rel de voltaje, como respaldo. El reldebera tener un nivel de deteccin a la frecuencia de lnea tanbaja como sea posible para reducir la zona desprotegida en elextremo neutro de los devanados.



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Falla fase-tierra

La proteccin diferencial de tierra se usa en mquinas de mayorimportancia. Para limitar la corriente de tierra se acostumbraconectar una impedancia al neutro que debe limitar lacorriente a menos de 25 amperios.

El criterio usual basado en la capacitancia del circuito

normalmente resultar en menos de 10 A. El rel de falla atierra del estator debe conectarse para disparar la unidad enunos segundos, buscando coordinarlo con los otros rels.

Cuando el transformador del generador tiene un devanado sinaterrizar o sin neutro (Trifilar), no tiene que coordinarse con

otro rel, razn por la cual el disparo puede ser instantneo.


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Falla fase-tierra

Proteccin con rel de corriente


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Falla fase-tierra

Proteccin con rel de tensin


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Falla fase-tierra

Proteccin diferencial de tierra


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Falla entre espiras

Puede ser bastante destructiva, ya que tiene alguna relacincon el material ferromagntico puede daar gradualmente elaislamiento y las laminaciones.La corriente de falla puede ser muy grande, aun sin notarseen el resto del devanado, esto se puede analizarconsiderndose como un transformador de alta relacin detransformacin como se muestra en la siguiente figura.

Esquema equivalente para falla entre espiras.



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Este tipo de fallas no se detecta con la proteccindiferencial longitudinal, puesto que la corriente de entrada esigual a la de salida, por ello su proteccin debe ser especial.Si se tienen dos devanados por fase se puede considerar elesquema mostrado en la siguiente figura en la cual comose v, se comparan las corrientes de los devanados, queen condiciones normales deberan ser iguales.

Proteccin diferencial transversal contra coci entre espiras, cuando existendos devanados por fase.

Fallas Entre Espiras


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Proteccin diferencial transversal contra co-ci entre espiras si se tiene

un devanado por fase.

Fallas Entre Espiras

Si existe solo un devanado por fase, se puede emplear transformador de potencial co

el terciario conectado como filtro de secuencia cero.

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Falla a tierra en el devanado del rotor.

Falla a tierra en el devanado del rotor


Rotor

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El devanado de campo del generador est elctricamente aislado detierra. Por lo tanto, la existencia de una falla a tierra en el devanado nodaar el rotor. Sin embargo la presencia de dos o ms puntos a tierraen el devanado causar desbalances magnticos y efectos trmicos quepueden daar el devanado, el material magntico y otras partes

metlicas del rotor.

La figura (a) muestra un mtodo moderno de deteccin. El campo estpolarizado por el voltaje c.c., el cual hace circular una corriente por elrel R cuando ocurre una falla a tierra en cualquier lugar del campo.

Falla a Tierra en el Devanado del Rotor.

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Proteccin contra falla a tierra del devanado del rotor

Falla a Tierra en el Devanado del Rotor.

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Prdida de excitacin

Cuando se presenta una prdida de excitacin la mquina comienzaa absorber reactivos del sistema y se inducen corrientes de bajafrecuencia (deslizamiento) en el rotor, las cuales causansobrecalentamiento en el rotor.La prdida de excitacin puede detectarse, por medio de un rel de

subcorriente en el circuito de campo. Adems en caso de falla en laexcitatriz, el rel puede no detectarla si aparece una corriente alternainducida por el estator, como algunos generadores grandes operandentro de un amplio rango de excitacin, el rel podra presentarproblemas de operacin. No se puede usar un rel de subcorrientemuy rpido debido a que se podra ver afectado por corrientesalternas inducidas durante la sincronizacin o durante fallas

externas, por ello se acostumbra a temporizar de uno a cincosegundos.


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Ejemplo 1

Mquina sincrnica mostrada para el ejemplo 1

b) En trabajo normal c) Con prdida de excitacin

Perdida de Excitacin

b c

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Normalmente (Figura (b)) se tiene que el equivalente del rel es:V= 1+ (j0, 2)*1 = 1+j0, 2

Vrel= 1,0198 11,31y la potencia:

S= VI*= 1,0198 11,31 * 1 P=1; Q=0,2

La impedancia vista por el rel es:Zrel=1,0198 11,31 =1,0198 11,31 = 1 +j0,2

1 0Ahora cuando se presenta prdida de excitacin (Figura (c)) se tiene:

y por lo tanto el voltaje del rel:

12.08.0

1

jjjI


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Vrel= j0,8(j1)Vrel= 0,8La potencia ser:

S= VI* = 0,8(j1)= j0,8 P=0 ; Q=-0,8Luego la impedancia que ve el rel ser:

Al existir prdida de excitacin, como se ve en el ejemplo 7.1 lapotencia reactiva de la mquina pasa de ser generada (entregar 0,2)

a ser consumida (recibir 0,8), esto es, se comporta como ungenerador de induccin. Y la impedancia vista por el rel pasa sercasi puramente resistiva (1+j0,2) a ser reactiva capacitiva (-j0,8).

8.01

8.0j

jZrel


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FIGURA (d) Proteccin contra prdida de excitacin


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FIGURA (e) Proteccin contra prdida de excitacin utilizando dos zonas


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Debido a esto los fabricantes sugieren usar un rel tipo mhodesplazado en los terminales del generador para proteger contraprdida de campo.La caracterstica del rel tendra un desplazamiento Xd/2 y undimetro Xd (ver figura (d)).En algunos generadores modernos se pueden tener reactancias de

estado permanente del orden de hasta 2 p.u. por ello muchasempresas electrificadotas cuestionan este procedimiento ya que encaso de variaciones de carga podra situarse la impedancia dentrode la caracterstica del rel.La recomendacin en este caso es usar dos zonas desplazadas Xd/2;

una rpida, con un dimetro de valor 1 p.u., la otra ms lenta con undimetro de valor Xd (ver figura (e)).


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PROTECCIN CONTRA FALLAS EXTERNAS

La motorizacin de un generador ocurre cuando el flujo de vapor dela turbina se reduce tanto que desarrolla menos potencia que lasprdidas en vaco, mientras el generador est conectado an alsistema.Suponiendo que la excitacin es suficiente, el generador operarcomo un motor sincrnico moviendo la turbina.

El generador no se daar con la motorizacin, pero la turbina (loslabes) puede daarse por sobrecalentamiento.Un tipo especial de motorizacin ocurre cuando el generador esaccidentalmente energizado con baja velocidad.La motorizacin seguida por prdida de flujo de vapor puededetectarse con un rel direccional de potencia. Para evitar falsosdisparos debidos a oscilaciones de potencia se requiere un retrasode tiempo de 10 a 30 segundos. Se recomienda que el rel depotencia inversa se use para producir un disparo tipo A .Alternativamente, un disparo tipo B o C se podra usar.

Motorizacin

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Caracterstica de operacin del rel de potencia inversa.

Motorizacin

La motorizacin implicara cavitacin en turbinas hidrulicas oincendio o explosiones en los motores diesel.

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Cargas desbalanceadas

Cuando el generador alimenta una carga desbalanceada, lascorrientes de fase y voltajes terminales varan de la relacinideal balanceada, y aparecen, por tanto una corriente dearmadura de secuencia negativa (I

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) en el generador.La corriente de secuencia negativa en el devanado dearmadura crea una onda de flujo magntico en el entrehierro,la cual gira en oposicin al rotor, a la velocidad sincrnica.Este flujo induce corrientes en el hierro del rotor, ranuras,anillos de retencin y devanados amortiguadores al doble de

la frecuencia de lnea.


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El calentamiento se presenta en estas reas y lastemperaturas resultantes dependen del nivel y duracin

de las corrientes desbalanceadas.Es posible alcanzar temperaturas a las cuales los materialesdel rotor no soportan por mucho tiempo las fuerzascentrfugas impuestas en ellos, resultando en seriosdaos al conjunto turbina-generador.

Los fabricantes de generadores han establecido algunoslmites para la corriente de secuencia negativa quepodra existir permanentemente (a no ser que seespecifique lo contrario), estos son:

Cargas Desbalanceadas

2ITIPO DE GENERADOR PERMISIBLE (%)

Enfriado directamente 10Enfriado directamente hasta 960 MVA 8

De 961 a 1200 MVA 6De 1201 a 1500 MVA 5

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Si la corriente de secuencia negativa circula por corto tiempo ellmite se fija con base a I (2) t. En este caso se tiene:

Donde I (2)es la corriente de secuencia negativa en p.u. de la base

del generador y tes el tiempo en segundos.El esquema de proteccin se debe disear para permitir corrientesde secuencia negativa hasta el lmite continuo sin que se produzcauna seal de disparo.


tI2

2TIPO DE GENERADOR PERMISIBLEEnfriado directamente 30

Enfriado directamente hasta 800 MVA 10De 800 a 1600 MVA 10-0,00625-(MVA-800)

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Tambin es importante alertar al operador cuando I(2)

se acercaa la corriente de secuencia negativa permisible. Esto lo posibilitapara ajustar la carga y prevenir disparos.Para proteger el generador contra desbalances se usa unrel de secuencia negativa como se muestra en la siguientefigura, en concordancia con los valores permisibles dados antes.

Proteccin contra carga desbalanceada utilizando un filtro de secuencianegativa


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Sobrecarga

La sobrecarga balanceada continua causa sobrecalentamientoen los bobinados del estator. Una solucin obvia a esto es laaplicacin de rels de sobrecorriente. Esto se hace normalmente ya

que debe ajustarse para discriminar con los rels del sistema, locual puede hacerlo bastante demorado; podra detectar una falladel sistema de enfriamiento del generador. El mtodo ms efectivopara detectar tal condicin es por medio de detectores detemperatura colocados en varios puntos de los devanados delestator (Mirar la proteccin de motores de ms de 1500 HP).

La bobina del detector de temperatura forma un brazo del puente deWheatstone mostrado en la figura siguiente figura.


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Proteccin contra sobrecalentamiento del estator usando bobinas detectoras detemperatura

Sobrecarga

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Los conjuntos por debajo de 30 MW normalmente no seproveen con detectores de temperatura en los arrollamientos,pero tienen rels trmicos. Este tipo de rels tiene unalmina bimetlica calentada por la corriente secundaria delestator.

Esta lmina est diseada para satisfacer lacaracterstica de calentamiento y enfriamiento de lamquina (sin embargo no proveer proteccin contrasobrecalentamiento, debido a falla del sistema deenfriamiento).

Sobrecarga

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Las unidades trmicas, a diferencia de las hidrulicas,responden rpidamente al aumento inicial de velocidad en caso deprdida sbita de la carga por ello se les debe colocar proteccinde velocidad; esto es un rel direccional de potencia o de bajapotencia para prevenir que el interruptor principal del generador

se dispare bajo condiciones de no emergencia hasta que la salidadel conjunto haya cado a un valor lo suficientemente bajo paraprevenir sobrevelocidad al perder la carga.

La proteccin es suplementaria al dispositivo mecnico desobrevelocidad el cual es, usualmente, en forma de anillos operadoscentrfugamente en el eje del motor; estos abren y cierran lasvlvulas de parada si la velocidad del conjunto aumenta ms de 10%.

Sobrevelocidad

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3 rels 51V1 rel 51G (Usado si el neutro del generador est aterrizado)1 rel 51GS (Usado si el neutro del generador est aterrizado)1 rel 32 (Puede ser omitido si la funcin de proteccin est incluidacon la turbina de vapor)1 rel 40

1 rel 461 rel 64 F1 rel 60 V1 rel 59 (Incluido en hidrogeneradores nicamente)1 rel 86

1 rel 871 rel 87GNota: Los dispositivos dibujados con lneas punteadas sonopcionales.

ESQUEMAS MNIMOS RECOMENDADOS

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Esquema de proteccin mnimo recomendado

ESQUEMAS MNIMOS RECOMENDADOS

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APNDICE 7

RECOMENDACIONES PARA PROTECCIN DE

GENERADORESSobrecalentamiento de estator Descargue HFalla a tierra del estator Disparo AFalla entre fases del estator Disparo A

Sobrevoltaje Restaura voltajenormalSobrevoltios/Hertz Disparo A ( B)Sobrecalentamiento del campo Disparo D ( A)Tierra del campo Disparo D ( A)

Prdida de excitacin Disparo A ( B)Corrientes desbalanceadas de armadura Disparo C ( B A)Prdida de sincronismo Disparo C ( B A)Operacin a frecuencia anormal Instrucciones de la

Turbina

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Falla del interruptor Proteccin contra estaFallaRespaldo del sistema Disparo D ( A)Impulso de voltaje Usar pararrayos

ACCIN DE LAS PROTECCIONES

A Disparo simultneoB Disparo generadorC Disparo interruptor

D Disparo secuencialG Descargue automticoH Descargue manual


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