4

INDICE CONTENIDOS

Pág.

Dedicatoria. 1

Agradecimientos. 2

Resumen. 3

Índice Contenidos. 4

Índice Tablas. 8

Índice Figuras. 10

Capítulo 1 Introducción.

1.1. Antecedentes generales. 14

1.2. Planteamiento del problema. 15

1.2.2. Objetivo general. 15

1.2.3. Objetivos específicos. 15

1.3. Revisión bibliográfica. 16

Capítulo 2 Protección de Aerogeneradores.

2.1. Energías renovables. 20

2.1.1. Introducción. 20

2.1.2. Energía eólica. 21

2.1.3. Sistemas aislados. 24

2.1.4. Sistemas eólicos aislados. 26

2.1.5. Sistemas de almacenamiento de energía. 28

5

2.2. Protecciones del generador. 30

2.2.1. Introducción. 30

2.2.2. Tipo de generadores. 31

2.2.2.1. Generadores síncronos. 32

2.2.2.2. Generadores asíncronos. 34

2.2.3. Generadores en aerogeneradores pequeños. 35

2.2.3.1. Generadores síncronos de imanes permanentes. 36

2.2.4. Protecciones eléctricas comunes en generadores. 40

2.2.4.1. Protecciones eléctricas comunes en generadores síncronos. 42

2.2.4.1.1. Protección térmica del estator. 42

2.2.4.1.2. Protección contra fallas en el estator. 43

2.2.4.1.3. Protección del bobinado de campo del rotor. 45

2.2.4.1.3. Protección contra la pérdida de excitación. 46

2.2.4.1.5. Protección antimotoreo. 48

2.2.4.1.6. Protección contra falla en el interruptor. 48

2.2.4.1.7. Protección contra energización inadvertida. 49

2.2.4.2. Protecciones eléctricas en generadores pequeños. 50

2.2.4.3. Protecciones eléctricas en sistemas eólicos aislados. 52

2.2.4.3.1. Protecciones contra sobrecorriente. 53

2.2.4.3.2. Protecciones contra sobretensión. 54

2.2.4.3.3. Protecciones contra electrocución. 55

2.3. Protecciones contra descargas atmosféricas. 60

2.3.1. Introducción. 60

2.3.2. El rayo. 61

2.3.2.1. El origen del rayo. 61

2.3.2.2. Tipos de descarga atmosférica. 63

2.3.3. Protección contra el impacto de rayo en aerogeneradores. 66

2.3.3.1. Frecuencia de impacto de rayo en un aerogenerador. 68

2.3.3.2. Niveles de protección del aerogenerador contra el rayo. 71

2.3.3.3. Zonas de protección del aerogenerador contra rayo. 74

2.3.4. Sistema de protección contra el impacto de rayo. 76

6

2.3.4.1. Sistema de protección externo contra el rayo. 78

2.3.4.2. Sistema de protección interno contra el rayo. 83

2.3.4.3. Diseño del SPR. 85

2.4. Conexión a tierra. 85

2.4.1. Introducción. 85

2.4.2. Aspectos básicos del diseño de malla a tierra. 86

2.4.3. Electrodo a tierra. 87

2.4.3.1. Electrodo en disposición tipo A. 87

2.4.3.2. Electrodo en disposición tipo B. 88

2.4.4. Dimensionando el electrodo de tierra. 91

Capítulo 3 Análisis y Aplicación de Protecciones en un Aerogenerador de 20 kW.

3.1. Aplicación de protecciones. 94

3.1.1. Introducción. 94

3.1.2. Aerogenerador de 20 kW. 94

3.1.3. Sistema de protección contra la descarga atmosférica. 97

3.1.3.1. Malla a tierra. 97

3.1.3.2. El rayo y el aerogenerador. 105

3.1.3.3. Sistema de captura y bajada de corriente de rayo. 107

3.1.3.4. Coordinación de DSP. 110

3.1.3.5. Estudio económico. 111

3.1.3.5.1. Estudio económico del SPR en aspas. 112

3.1.3.5.2. Estudio económico del SPR en el sistema interno. 115

7

Capítulo 4 Conclusiones.

4.1. Conclusiones. 117

Nomenclatura. 119

Bibliografía. 124

Anexos.

Anexo A. Cálculo de malla a tierra. 128

Anexo B. Potencia eólica. 137

Anexo C. Sistema captura y bajada aerogenerador VESTAS V47. 141

8

INDICE DE TABLAS.

Capítulo 1 Introducción.

Capítulo 2 Protección de Aerogeneradores.

Tabla 2.1. Nivel mundial de generación de energía eólica. 22

Tabla 2.2. Generación eólica en latinoamérica. 23

Tabla 2.3. Fuentes de electricidad en sistemas aislados, tecnologías convencionales. 25

Tabla 2.4. Fuentes de electricidad sistemas aislados, tecnologías no convencionales. 26

Tabla 2.5. Efectos fisiológicos de la corriente eléctrica. 57

Tabla 2.6. Niveles de protección contra rayos. 73

Tabla 2.7. Valores máximos de los parámetros de la protección contra rayos. 73

Tabla 2.8. Equivalencia entre NPR y SPR. 77

Tabla 2.9. Sección mínima de materiales para sistemas de protección contra rayos. 81

Tabla 2.10. Dimensiones mínimas de los conductores que conectan las diferentes barras

equipotenciales con el sistema de puesta a tierra. 83

Tabla 2.11. Dimensiones mínimas de los conductores que conectan las instalaciones metálicas

Internas a las barras equipotenciales en las partes conductoras externas del SPR. 84

Tabla 2.12. Sección mínima de conductores conectados a partes propicias del SPRE. 90

Tabla 2.13. Sección mínima de conductores conectados sistemas internos del SPR. 91

Capitulo 3 Análisis y Aplicación de Protecciones en un Aerogenerador de 20 kW.

Tabla 3.1. Datos de terreno a instalar aerogenerador. 98

Tabla 3.2. Dimensiones mínimas propuestas para los materiales del SPR. 100

9

Tabla 3.3. Resistencia de impulso del sistema puesta a tierra. 105

Tabla 3.4. Valores coeficiente Kib, acorde a tipo de disposición de tierra. 107

Tabla 3.5. Aislamiento del sistema externo de protección contra el rayo, coeficiente C. 108

Tabla 3.6 Aislamiento del sistema externo de protección contra el rayo, coeficiente Kib. 109

Tabla 3.7. Aislamiento del sistema externo de protección contra el rayo, coeficiente Ka. 109

Anexos.

Tabla A.1. Datos de terreno a instalar el aerogenerador. 128

10

INDICE DE FIGURAS.

Capítulo 1 Introducción.

Capítulo 2 Protección de Aerogeneradores.

Figura 2.1. Configuraciones sistema eólico-solar. 27

Figura 2.2. Configuración sistema eólico-diesel. 27

Figura 2.3. Ejemplo curva demanda. 28

Figura 2.4. Máquina síncrona trifásica. 32

Figura 2.5. Tipo de construcción de generadores síncronos. 32

Figura 2.6. Anillos rozantes y escobillas. 33

Figura 2.7. Excitatriz. 34

Figura 2.8. Generador asíncrono rotor jaula de ardilla. 35

Figura 2.9. Circuito equivalente por fase máquina síncrona rotor cilíndrico. 38

Figura 2.10. Diagrama fasorial máquina síncrona rotor cilíndrico. 38

Figura 2.11. Conexión de TC para generador en estrella y delta. 43

Figura 2.12. Protección diferencial para generadores pequeños a base de TC y sobrecorriente

instantáneos. 44

Figura 2.13. Corriente en una bobina del generador. 44

Figura 2.14. Técnicas de protección falla a tierra del circuito de campo. 46

Figura 2.15. Característica del relé offset-mho. 47

Figura 2.16. Diagrama de funcional de la zona de falla del interruptor. 49

Figura 2.17. Características típicas protección de frecuencia. 50

Figura 2.18. Esquema protección contra energización inadvertida. 50

Figura 2.19. Relés típicos para la protección de generadores pequeños. 51

Figura 2.20. Ejemplo contacto directo. 56

11

Figura 2.21. Ejemplo contacto indirecto. 56

Figura 2.22. Curvas tiempo/corriente. 57

Figura 2.23. Símbolos de las clases de protección contra contacto indirecto. 59

Figura 2.24. Formación del rayo cargas en nube y cargas inducida en tierra. 62

Figura 2.25. Perfil típico rayo positivo nube-tierra. 64

Figura 2.26. Perfil típico rayo negativo nube-tierra. 64

Figura 2.27. Perfil típico rayo negativo tierra-nube. 65

Figura 2.28. Formación impacto de rayo en un aerogenerador. 67

Figura 2.29. Área de captura de impactos de rayos. 68

Figura 2.30. Frecuencia de impactos de rayo (anual). 70

Figura 2.31. Frecuencia de impactos de rayos (estacionario). 70

Figura 2.32. Zonas de protección, modelo de esferas rodantes. 75

Figura 2.33. División interior de un aerogenerador en zonas de protección. 76

Figura 2.34. Sistemas de intercepción de rayos en palas del aerogenerador. 79

Figura 2.35. Sistemas de intercepción y conducción de rayos dependiendo tipo de pala. 80

Figura 2.36. Recorrido de la corriente producida por un impacto de rayo en un aerogenerador.81

Figura 2.37. Contactos de paso de corriente del rayo en la rotación del eje como en la rotación

de la góndola. 82

Figura 2.38. Largo de electrodo (ɭ1) tipo A, en función de clase de SPR. 88

Capítulo 3 Análisis y Aplicación de Protecciones en un Aerogenerador de 20 kW.

Figura 3.1. Data sheet aerogenerador de 20 kW, de west wind turbines. 95

Figura 3.2. Rendimiento potencia v/s velocidad del viento aerogenerador. 96

Figura 3.3. Configuración típica sistema a base de energía eólica. 97

Figura 3.4. Diseño malla a tierra. 98

Figura 3.5. Ejemplo de conexión a barra equipotencial. 110

12

Capítulo 4 Conclusiones.

Anexos.

Figura A.1. Curva de resistividad del terreno. 129

Figura A.2. Curva patrón. 130

Figura A.3. Diseño malla a tierra. 131

Figura B.1. Grafico potencias versus velocidades del viento. 140

Figura C.1. Sistema bajada energía del rayo usada por VESTAS. 141