EL GENERADOR DIESEL COMO FUENTE DE ALIMENTACIÓN A LAS CARGAS DE SALVAGUARDIA EN UNA CENTRAL NUCLEAR

R. Iturbe D. Beato EMPRESARIOS AGRUPADOS

SINOPSIS

En las centrales nucleares actuales, los Generadores Diesel son considerados como una de las fuentes de alimentación relacionadas con la seguridad.

La función esencial de refrigeración del núcleo de una Central Nuclear se suele realizar a partir de motores alimentados en media tensión. La correcta operación del sistema de seguridad exige el disponer en todo momento de una fuente de energía para alimentar a los equipos relacionados con la salvaguardia. Por lo tanto, en este tipo de centrales los generadores diesel se consideran un elemento principal dentro del sistema de seguridad ya que son la última fuente importante de suministro de potencia.

Teniendo en cuenta la importancia en la central de estas máquinas, se requiere:

• establecer criterios claros para seleccionar el tamaño del alternador y del motor basados en normas, guías reguladoras e información de los fabricantes

• definir los criterios de operación y de funcionamiento de los generadores diesel conectados al sistema eléctrico de la planta (escalones de carga)

• establecer las características y ajustes de las protecciones del sistema

En esta ponencia se analiza el generador Diesel en relación con las características necesarias del motor y del generador para cumplir con los requisitos eléctricos (variaciones de tensión y de frecuencia del sistema) frente a la demanda de potencia activa y reactiva durante los escalones de la secuencia de carga. Por otro lado, dadas las particularidades del sistema de emergencia, en la ponencia también se incluyen criterios básicos relacionados con las protecciones de la máquina durante la situación de accidente con pérdida de alimentación exterior.

INTRODUCCIÓN

La función de refrigeración del núcleo en una central nuclear exige el disponer en todo momento de una fuente fiable de energía para alimentar a los sistemas relacionados con la seguridad. En las centrales nucleares este requisito se cumple

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diseñando fuentes alternativas a la alimentación eléctrica preferente, compuestas por Grupos Diesel. Estas fuentes se dimensionan para suministrar la energía requerida en las situaciones de pérdida de la tensión exterior tanto en parada de emergencia como en condiciones de accidente.

Esta ponencia trata de:

• establecer criterios para seleccionar el tamaño del alternador y del motor basados en normas, guías reguladoras e información de los fabricantes

• definir los criterios de operación y de funcionamiento de los generadores diesel conectados al sistema eléctrico de la planta

• establecer las características y ajustes de las protecciones del sistema

Los elementos y sistemas principales que componen el grupo Diesel son: el motor Diesel, el alternador, el sistema de arranque, el regulador de velocidad, el sistema de regulación de tensión y las protecciones de la máquina.

CONDICIONES BÁSICAS DE DISEÑO

Las características básicas a tener en cuenta en un generador Diesel son las siguientes:

• Datos básicos eléctricos (kW, kVA, kV, Hz)

• Datos básicos mecánicos (HP, BMEP, rpm)

• Potencia nominal continua (kW) y potencia nominal de corta duración (kW) durante dos horas en un periodo de 24 horas

• Lista de carga según los escalones previstos de la secuencia de carga

• Características de funcionamiento de las cargas (permanente y transitoria)

• Características del sistema de excitación: tiempo de recuperación de la tensión en los escalones de carga

• Características del regulador de velocidad: tiempo de recuperación de la frecuencia en los escalones de carga

• Condiciones de falta entre fases: disparo de protecciones

• Condiciones de falta fase-tierra: dimensionar una resistencia en el neutro para limitar la falta a 5 A. En la operación aislado de la red se da alarma.

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CRITERIOS DE CAPACIDAD Y OPERACIÓN

Los requisitos para el dimensionamiento del sistema de emergencia son los siguientes:

• El grupo Diesel deberá estar dimensionado para suministrar la demanda por pérdida de tensión exterior en parada de emergencia y condiciones de accidente

• La potencia nominal continua deberá ser superior a la máxima demanda permanente requerida en los dos casos anteriores

• La máquina deberá ser capaz de alcanzar la velocidad nominal en un orden de tiempo de 10 segundos después de recibir la señal automáticamente de arranque

• La máquina deberá ser capaz de arrancar y acelerar los motores de la secuencia de carga especificada

• Deberá ser capaz de arrancar y acelerar el mayor motor después de la desconexión del mismo con el grupo Diesel plenamente cargado

• El grupo Diesel debe seguir operando aislado de la red con falta a tierra

• La máxima caída de tensión transitoria durante la conexión de los escalones de carga debe ser inferior del 25% de Un.

• La máxima caída transitoria de tensión no debe causar la caída de los contactores

• La máxima caída de frecuencia durante el periodo dinámico de los motores debe ser inferior al 5% de 50 Hz

• El paso a modo isla del regulador de tensión (modo isócrono) cuando previamente opera en paralelo con la red (modo “droop”) debe ser automático

Por otra parte, a continuación se recogen una serie de recomendaciones habitualmente utilizadas en el dimensionamiento de estos equipos:

• A partir de los 10 segundos deberá aceptar la conexión de los escalones de carga en intervalos de 5 segundos

• El par máximo de los motores debe ser superior al 200% del valor nominal para evitar la desconexión de los mismos al caer la tensión.

• Ante el disparo de la carga más grande, la velocidad del grupo Diesel no debe superar el 115% de su valor de la nominal

• El rotor, la excitación en el rotor (si procede) y el volante de inercia se diseña para una sobrevelocidad del 25%

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• Para evitar sobredimensionamiento del generador Diesel, los equipos que requieran mantener la frecuencia y tensión en un estrecho margen, p.e. la instrumentación y el control, se alimentarán mediante UPS

• Para compensar una parte de la caída de tensión en el sistema eléctrico, se ajustará la tensión en terminales del alternador un 5% por encima del valor nominal de los motores

DEFINICIÓN DE LA SECUENCIA DE CARGAS

Para poder definir las características nominales del grupo Diesel es fundamental conocer la carga que se va a alimentar desde el mismo. Las cargas de salvaguardia son mayoritariamente motores que se conectan en escalones de carga en un periodo típico de 5 segundos. Por tanto, se debe recopilar la siguiente información:

1) Identificar los motores y las cargas estáticas

2) Agrupar las cargas en escalones teniendo en cuenta el tiempo máximo de conexión por la operación

3) Obtener las características de las cargas:

• Cargas estáticas: kW, cos ϕ

• Motores: demanda en régimen permanente (kW, cos ϕ, η) y en arranque ( Iarran, cos ϕarran, tiempoarran)

4) La evolución de la demanda se puede representar en kW/kVA en función del tiempo, tal y como se indica en la figura 1

5) El efecto de la caída de tensión provocada por la conexión de transformadores (corriente inrush) no es apreciable y puede no ser considerado.

6) Si la potencia demandada en los distintos escalones no fuese aceptable, se debe modificar la conexión de algunas cargas siempre que se cumplan las condiciones de tiempo máximo de conexión por los requerimientos de refrigeración.

SISTEMAS DE REGULACIÓN

Sistema de excitación y regulador de tensión

La función principal de este sistema es detectar el cambio de la tensión y variar la excitación para mantener la tensión en el valor de consigna.

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Desde el punto de vista del grupo Diesel la caída transitoria máxima de tensión depende principalmente de las reactancias del alternador y del tiempo de respuesta de la excitación, y en menor medida de la capacidad de sobreexcitación y de la caída de la velocidad/frecuencia en los escalones de carga.

A continuación se indican las prestaciones típicas para especificar las características del alternador y regulador de tensión a velocidad constante.

Parámetros Valores límite de operación

Variación de la tensión en régimen permanente ± 1% Un

Máxima caída de tensión transitoria 25%

Tiempo de restablecimiento de la tensión al 90% de Un

≤ 2 s

Se debe controlar la máxima tensión (desconexión del 100% de la carga) en menos de 3 segundos

115% Un

Regulador de velocidad

La evolución transitoria de la frecuencia depende principalmente de las características mecánicas del grupo Diesel (tipo de motor, presión media efectiva, tipo de regulador de velocidad) y de las característica de las cargas

Orientativamente, en la figura 2 se indica la respuesta a valores de cargas dinámicas en base a la caída máxima admisible de frecuencia. A mayor presión media efectiva (BMEP), para obtener la misma caída de frecuencia, se puede conectar menor carga.

Parámetros Valores límite de operación

Caída transitoria máxima de frecuencia ± 5%

Tiempo de recuperación hasta el 98% de frecuencia ≤ 2 s

Regulación de estatismo 0 ÷ 5%

Margen de regulación permanente de frecuencia ≤ 0,5%

Máxima frecuencia (desconexión del 100% de las cargas)

≤ 15%

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CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN

Dada la necesaria disponibilidad de las cargas relacionadas con la seguridad, en condiciones de accidente únicamente las protecciones por sobrevelocidad o sobreintensidad por relé diferencial (87) deben actuar. Esta actuación debe ser proporcionada por dos o más medidas independientes, con una lógica de disparo coincidente.

En modo de emergencia se deshabilita la actuación de las protecciones de sobreintensidad (50/51), 32R, 40, 59, 49, 46, 50G y 81 del generador Diesel. En modo de prueba las protecciones anteriores causan el disparo del interruptor del generador Diesel y su bloqueo, mientras que el relé de sobreintensidad de frenado por tensión (51V) solo debe disparar la interconexión con la red.

Los criterios de ajustes de los relés son los siguientes:

• Protección de sobreintensidad (50/51)

Se recomienda ajustar la unidad de inducción en el entorno del 115% de la intensidad nominal del grupo diesel.

Por otro lado, para la selección del dial de tiempos, se debe tener en cuenta los puntos térmicos de daño del generador definidos por la norma IEEE C37.102.

• Protección de falta a tierra instantáneo (50G)

Para evitar disparos intempestivos en el caso de arranque de motores o de conexión de transformadores como consecuencia del error de medida de los T.I., se recomienda ajustarlo relativamente alto, de tal forma que la protección de faltas a tierra se haga con el 59N.

• Protección de sobretensión (59)

Considerando el posible rango de ajuste de la tensión del generador diesel y teniendo en cuenta los transitorios de tensión durante la desconexión de cargas, se recomienda el ajuste a un 115% de la tensión nominal con un tiempo de 5 s.

• Protección diferencial (87G)

El relé se ajustará por encima del error de los T.I. para la máxima intensidad de operación normal prevista para evitar disparos intempestivos en la operación normal de la instalación.

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• Protección de inversión de potencia (32R)

De acuerdo con la norma IEEE 242, se recomienda ajustar el relé de inversión de potencia a un valor del orden de un quinto del valor de motorización, con una temporización inferior a 30 s.

• Pérdida de excitación (40)

El ajuste de la protección de pérdida de excitación (en VAR) se fija a partir del máximo factor de potencia capacitivo (en adelanto) para el cual está diseñada la máquina.

• Protección de subfrecuencia (81)

Se ajustará a 45 Hz con un tiempo de tres segundos para permitir la recuperación de frecuencia tras el escalón de carga.

• Protección de faltas a tierra (59N)

La presente protección únicamente está activa en caso de pruebas por lo tanto se recomienda el ajuste para cubrir faltas a tierra en al menos el 85% del devanado del generador. Para evitar disparos intempestivos, se recomienda temporizar el disparo.

• Protección de sobreintensidad frenado por tensión (51V)

De acuerdo con la norma IEEE 242, se recomienda el ajuste de la unidad de inducción a un valor igual o superior al 150% de la intensidad nominal del generador.

Por otro lado, para la selección del dial de tiempos, se debe tener en cuenta que la protección debe coordinar con los puntos térmicos de daño del generador definidos por la norma IEEE C37.102

• Protección de secuencia negativa (46)

Los generadores pueden soportar una componente de secuencia negativa del 8-10% ING. Por lo tanto, se debe ajustar la protección para que dispare con un umbral inferior al 8% y con una curva de tiempo inverso equivalente al I2t del generador.

NORMATIVA APLICABLE

A continuación se relacionan alguna de las normas a tener en cuenta en el diseño de los generadores Diesel de salvaguardia:

• Regulatory Guide 1.9: Selection, design and qualification of diesel-generator units used as standby electric power systems at nuclear power plants

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• IEEE Std 387: IEEE standard criteria for diesel-generators units applied as standby power supplies for nuclear power generating stations

• ISO 8528: Reciprocating internal combustion engine driven alternating current generating sets

• UNE-EN 60034-22 Máquinas eléctricas rotativas

CONCLUSIONES

La normativa relacionada con las fuentes de energía disponibles incluye requerimientos del sistema eléctrico redundantes. Para cumplir con este requerimiento los grupos Diesel han sido utilizados como fuente de potencia eléctrica de las plantas nucleares.

Los generadores Diesel tienen una gran importancia como fuente eléctrica fiable de emergencia para suministrar energía tanto a las cargas relacionadas con la seguridad en el caso de pérdida de las fuentes exteriores coincidente con el accidente como a las cargas de la parada de emergencia.

La principal característica a considerar en la selección del generador Diesel es la rapidez tanto para recibir carga como para arrancar las cargas en el menor tiempo posible.

La potencia nominal del generador Diesel se debe evaluar considerando los escalones de la secuencia de carga y analizando los arranques de las cargas para mantener los límites aceptables de frecuencia y tensión.

En el caso de que el escalonamiento establecido exija un sobredimensionamiento importante del grupo electrógeno de emergencia, se deben adoptar soluciones tales como evitar la coincidencia del arranque simultáneo de cargas o limitar las puntas de arranque de motores grandes.

Los fabricantes deberán analizar el dimensionamiento óptimo del motor del GD en relación a las variaciones transitorias de frecuencia y tensión de acuerdo con las normas y capacidades de diseño de las máquinas.

A la hora de diseñar el sistema de protección se debe tener en cuenta que cuando el sistema opere en emergencia únicamente debe estar activas la protección de sobrevelocidad y la diferencial. En el caso de operación en modo de prueba, en general las protecciones deben disparar el interruptor del Diesel, menos el relé de sobreintensidad frenado por tensión (51V) que disparará el interruptor de acoplamiento con la red.

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Figura 1: Escalones de potencia activa (continua) y

reactiva (trazos) de la secuencia de carga

Figura 2: Máximo escalón instantáneo de potencia admisible en función de la presión media efectiva del grupo para máquinas de cuatro tiempos

(fuente ISO 8528-5)

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Donde:

Pme (kPA): presión media efectiva

P (%): incremento de carga admisible referido a la potencia nominal continua del grupo

Ejemplo de aplicación para una Pme=2300 (kPA):

1. primer escalón de carga: 33%

2. segundo escalón de carga: 23%

3. tercer escalón de carga: 18%

Resto: 26%