Gener Adores

CONSTRUIMOS FUTUROCONSTRUIMOS FUTURO

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

Protecciones ElctricasProtecciones ElctricasProteccin de Generadoresotecc de Ge e ado es


Martes, 02 de Febrero de 2010

Gilberto Carrillo Caicedo

31INTRODUCCIN

El generador es el elemento ms costoso del sistema considerado tanto el costo de adquisicin, cmo el costo

l i lidque acarrea cualquier salida de trabajo, por ello, en general, se tiene que proteger ms ampliamente que cualquierampliamente que cualquier otro aparato.Las condiciones anormales que los afectan se indican enque los afectan se indican en el siguiente diagrama:



41INTRODUCCIN

C d l d t f llCuando en el generador se presenta una falla (Interna), la accin a tomar a diferencia de los otros aparatos, no para en la apertura del interruptor de p , p p ppotencia, sino que adicionalmente se debe desconectar el devanado de campo y la mquina que le impone el movimiento mecnico al rotorque le impone el movimiento mecnico al rotor (Primomotor).



5PROTECCIN CONTRA FALLAS INTERNAS

Se presenta debido al dao del aislamiento entre dos fases,

ESTATORFALLA ENTRE FASES

conlleva corrientes muy grandes que pueden producir graves daos al bobinado, y de persistir, es muy probable que la falla llegue a incluir tierra, causando as un dao ms significativo.f f f fLa forma ms funcional de detectar fallas entre fases en el bobinado se hace por medio de un rel diferencial. La sensibilidad de este mtodo depender, principalmente, del grado al cual se ajusten los CTs y los relsgrado al cual se ajusten los CTs y los rels.

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

Al d t t f ll t f i ti l id dAl detectar una falla entre fases, es imperativo que la unidad se dispare sin retardo, usando un disparo simultneo (Turbina, interruptor de campo, interruptor de potencia).



6FALLA ENTRE FASES

Proteccin diferencial longitudinal



7Falla fase-tierraPROTECCIN CONTRA FALLAS INTERNAS

Falla fase-tierra

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

En algunos casos se usa un reactor en disposiciones resonantes para tierra Si el devanado de una fase cualquier equipopara tierra. Si el devanado de una fase cualquier equipo conectado a l falla a tierra, el voltaje del neutro, normalmente bajo podra aumentar lnea-neutro dependiendo de la localizacin de la falla.

El mtodo usual de deteccin es por un rel de voltaje a lo largo de una resistencia a tierra. Un rel de corriente se usa algunas veces en lugar de un rel de voltaje, como respaldo. El rel d b t i l d d t i l f i d l tdebera tener un nivel de deteccin a la frecuencia de lnea tan baja como sea posible para reducir la zona desprotegida en el extremo neutro de los devanados.



8Falla fase-tierra

La proteccin diferencial de tierra se usa en mquinas de mayor importancia. Para limitar la corriente de tierra se acostumbraimportancia. Para limitar la corriente de tierra se acostumbra conectar una impedancia al neutro que debe limitar la corriente a menos de 25 amperios.

El criterio usual basado en la capacitancia del circuitoEl criterio usual basado en la capacitancia del circuito normalmente resultar en menos de 10 A. El rel de falla a tierra del estator debe conectarse para disparar la unidad en unos segundos, buscando coordinarlo con los otros rels.

Cuando el transformador del generador tiene un devanado sin aterrizar o sin neutro (Trifilar), no tiene que coordinarse con otro rel, razn por la cual el disparo puede ser instantneo.



9Falla fase-tierra

Proteccin con rel de corrienteProteccin con rel de corriente



10

Falla fase-tierra

Proteccin con rel de tensin



11

Falla fase-tierra

Proteccin diferencial de tierra



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PROTECCIN CONTRA FALLAS INTERNASFalla entre espiras

Puede ser bastante destructiva, ya que tiene alguna relacin l t i l f ti d d d l t lcon el material ferromagntico puede daar gradualmente el

aislamiento y las laminaciones.La corriente de falla puede ser muy grande, aun sin notarse

l t d l d d t d lien el resto del devanado, esto se puede analizar considerndose como un transformador de alta relacin de transformacin como se muestra en la siguiente figura.

Esquema equivalente para falla entre espiras.



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Fallas Entre EspirasEste tipo de fallas no se detecta con la proteccin diferencial longitudinal, puesto que la corriente de entrada es igual a la de salida, por ello su proteccin debe ser especial. Si ti d d d f d id lSi se tienen dos devanados por fase se puede considerar el esquema mostrado en la siguiente figura en la cual como se v, se comparan las corrientes de los devanados, que en condiciones normales deberan ser igualesen condiciones normales deberan ser iguales.

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



p

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Fallas Entre Espiras

Proteccin diferencial transversal contra co-ci entre espiras si se tiene un devanado por fase.p

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

el terciario conectado como filtro de secuencia cero.



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PROTECCIN CONTRA FALLAS INTERNAS

Falla a tierra en el devanado del rotor

RotorFalla a tierra en el devanado del rotor.

Falla a tierra en el devanado del rotor



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Falla a Tierra en el Devanado del Rotor.

El devanado de campo del generador est elctricamente aislado deEl devanado de campo del generador est elctricamente aislado de tierra. Por lo tanto, la existencia de una falla a tierra en el devanado no daar el rotor. Sin embargo la presencia de dos o ms puntos a tierra en el devanado causar desbalances magnticos y efectos trmicos que

d d l d d l t i l ti t tpueden daar el devanado, el material magntico y otras partes metlicas del rotor.

La figura (a) muestra un mtodo moderno de deteccin El campo estLa 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.



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Falla a Tierra en el Devanado del Rotor.

Proteccin contra falla a tierra del devanado del rotor



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P did d it i

PROTECCIN CONTRA FALLAS INTERNAS Prdida de excitacin

Cuando se presenta una prdida de excitacin la mquina comienza p p qa absorber reactivos del sistema y se inducen corrientes de baja frecuencia (deslizamiento) en el rotor, las cuales causan sobrecalentamiento en el rotor.La prdida de excitacin puede detectarse, por medio de un rel deLa prdida de excitacin puede detectarse, por medio de un rel de subcorriente en el circuito de campo. Adems en caso de falla en la excitatriz, el rel puede no detectarla si aparece una corriente alterna inducida por el estator, como algunos generadores grandes operan dentro de un amplio rango de excitacin el rel podra presentardentro de un amplio rango de excitacin, el rel podra presentar problemas de operacin. No se puede usar un rel de subcorriente muy rpido debido a que se podra ver afectado por corrientes alternas inducidas durante la sincronizacin o durante fallas externas por ello se acostumbra a temporizar de uno a cincoexternas, por ello se acostumbra a temporizar de uno a cinco segundos.



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Perdida de Excitacin

Ejemplo 1

Mquina sincrnica mostrada para el ejemplo 1b) En trabajo normal c) Con prdida de excitacin

b c

b) En trabajo normal c) Con prdida de excitacin



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

Vrel = 1,019811,31y la potencia:

S = VI *= 1,019811,31 * 1 P=1; Q=0,2S VI 1,019811,31 1 P 1; Q 0,2La impedancia vista por el rel es:

Zrel= 1,019811,31 =1,019811,31 = 1 + j0,21010

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

11 jI ==

y por lo tanto el voltaje del rel:

2.08.0j

jj +



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Vrel = j0,8( j1)Vrel = 0,8Vrel 0,8

La potencia ser:S = VI* = 0,8( j1)= j0,8 P=0 ; Q=-0,8

Luego la impedancia que ve el rel ser:Luego la impedancia que ve el rel ser:

8.018.0 jj

Zrel ==Al existir prdida de excitacin, como se ve en el ejemplo 7.1 la potencia reactiva de la mquina pasa de ser generada (entregar 0,2) a ser consumida (recibir 0,8), esto es, se comporta como un

j

generador de induccin. Y la impedancia vista por el rel pasa ser casi puramente resistiva (1+j0,2) a ser reactiva capacitiva (-j0,8).



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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 mho desplazado en los terminales del generador para proteger contra p g p p gprdida de campo.La caracterstica del rel tendra un desplazamiento Xd/2 y un dimetro Xd (ver figura (d)).En algunos generadores modernos se pueden tener reactancias de estado permanente del orden de hasta 2 p.u. por ello muchas empresas electrificadotas cuestionan este procedimiento ya que en caso de variaciones de carga podra situarse la impedancia dentrocaso de variaciones de carga podra situarse la impedancia dentro de 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 un dimetro 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 de la turbina se reduce tanto que desarrolla menos potencia que las

Motorizacin

la turbina se reduce tanto que desarrolla menos potencia que las prdidas en vaco, mientras el generador est conectado an al sistema.Suponiendo que la excitacin es suficiente, el generador operar como un motor sincrnico moviendo la turbina.El generador no se daar con la motorizacin, pero la turbina (los labes) puede daarse por sobrecalentamiento.Un tipo especial de motorizacin ocurre cuando el generador esUn tipo especial de motorizacin ocurre cuando el generador es accidentalmente energizado con baja velocidad.La motorizacin seguida por prdida de flujo de vapor puede detectarse con un rel direccional de potencia. Para evitar falsos disparos debidos a oscilaciones de potencia se requiere un retrasodisparos debidos a oscilaciones de potencia se requiere un retraso de tiempo de 10 a 30 segundos. Se recomienda que el rel de potencia inversa se use para producir un disparo tipo A . Alternativamente, un disparo tipo B o C se podra usar.



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Motorizacin

Caracterstica de operacin del rel de potencia inversa.

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



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Cargas desbalanceadas

Cuando el generador alimenta una carga desbalanceada, las corrientes de fase y voltajes terminales varan de la relacin ideal balanceada, y aparecen, por tanto una corriente de , y p , parmadura de secuencia negativa (I2) en el generador. La corriente de secuencia negativa en el devanado de armadura crea una onda de flujo magntico en el entrehierro, l l i i i l t l l id d i ila 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 lneala frecuencia de lnea.



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Cargas DesbalanceadasEl calentamiento se presenta en estas reas y las temperaturas resultantes dependen del nivel y duracin de las corrientes desbalanceadas.Es posible alcanzar temperaturas a las cuales los materiales del rotor no soportan por mucho tiempo las fuerzas centrfugas impuestas en ellos, resultando en serios d l j t t bi ddaos al conjunto turbina-generador.Los fabricantes de generadores han establecido algunos lmites para la corriente de secuencia negativa que

d i ti t t (podra existir permanentemente (a no ser que se especifique lo contrario), estos son:

2ITIPO DE GENERADOR PERMISIBLE (%)

Enfriado directamente 10Enfriado directamente 10

Enfriado directamente hasta 960 MVA 8

De 961 a 1200 MVA 6

De 1201 a 1500 MVA 5



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Cargas Desbalanceadas

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

tI 22TIPO DE GENERADOR PERMISIBLE

Enfriado directamente 30Enfriado directamente 30

Enfriado directamente hasta 800 MVA 10

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

Donde I (2) es la corriente de secuencia negativa en p.u. de la base del generador y t es el tiempo en segundos.El esquema de proteccin se debe disear para permitir corrientes de secuencia negativa hasta el lmite continuo sin que se produzca una seal de disparo.



30

Cargas Desbalanceadas

Tambin es importante alertar al operador cuando I(2) se acerca a la corriente de secuencia negativa permisible. Esto lo posibilita g p ppara ajustar la carga y prevenir disparos.Para proteger el generador contra desbalances se usa un rel de secuencia negativa como se muestra en la siguiente fi d i l l i ibl d d tfigura, en concordancia con los valores permisibles dados antes.

Proteccin contra carga desbalanceada utilizando un filtro de secuencia


Martes, 02 de Febrero de 2010negativa

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Sobrecarga

La sobrecarga balanceada continua causa sobrecalentamiento en los bobinados del estator. Una solucin obvia a esto es la aplicacin de rels de sobrecorriente Esto se hace normalmente yaaplicacin de rels de sobrecorriente. Esto se hace normalmente ya que debe ajustarse para discriminar con los rels del sistema, lo cual puede hacerlo bastante demorado; podra detectar una falla del sistema de enfriamiento del generador. El mtodo ms efectivo

d t t t l di i di d d t t dpara detectar tal condicin es por medio de detectores de temperatura colocados en varios puntos de los devanados del estator (Mirar la proteccin de motores de ms de 1500 HP).La bobina del detector de temperatura forma un brazo del puente deLa bobina del detector de temperatura forma un brazo del puente de Wheatstone mostrado en la figura siguiente figura.



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Sobrecarga

Proteccin contra sobrecalentamiento del estator usando bobinas detectoras de temperatura



33

SobrecargaSobrecarga

Los conjuntos por debajo de 30 MW normalmente no se proveen con detectores de temperatura en los arrollamientos, pero tienen rels trmicos. Este tipo de rels tiene una lmina bimetlica calentada por la corriente secundaria del pestator.

Esta lmina est diseada para satisfacer la caracterstica de calentamiento y enfriamiento de lacaracterstica de calentamiento y enfriamiento de la mquina (sin embargo no proveer proteccin contra sobrecalentamiento, debido a falla del sistema de enfriamiento).



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Sobrevelocidad

Las unidades trmicas, a diferencia de las hidrulicas, responden rpidamente al aumento inicial de velocidad en caso de prdida sbita de la carga por ello se les debe colocar proteccin de velocidad; esto es un rel direccional de potencia o de baja potencia para prevenir que el interruptor principal del generadorpotencia para prevenir que el interruptor principal del generador se dispare bajo condiciones de no emergencia hasta que la salida del conjunto haya cado a un valor lo suficientemente bajo para prevenir sobrevelocidad al perder la carga.

La proteccin es suplementaria al dispositivo mecnico de sobrevelocidad el cual es, usualmente, en forma de anillos operados

t f t l j d l t t b i lcentrfugamente en el eje del motor; estos abren y cierran las vlvulas de parada si la velocidad del conjunto aumenta ms de 10%.



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ESQUEMAS MNIMOS RECOMENDADOS

3 rels 51V1 rel 51G (Usado si el neutro del generador est aterrizado)( g )1 rel 51GS (Usado si el neutro del generador est aterrizado)1 rel 32 (Puede ser omitido si la funcin de proteccin est incluida con la turbina de vapor)1 l 401 rel 401 rel 461 rel 64 F1 rel 60 V1 rel 60 V1 rel 59 (Incluido en hidrogeneradores nicamente)1 rel 861 rel 871 rel 87GNota: Los dispositivos dibujados con lneas punteadas son opcionales.



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ESQUEMAS MNIMOS RECOMENDADOS

Esquema de proteccin mnimo recomendado



q p

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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 ApSobrevoltaje Restaura voltaje

normal Sobrevoltios/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


Martes, 02 de Febrero de 2010 Turbina

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Falla del interruptor Proteccin contra estaFallaFalla

Respaldo del sistema Disparo D ( A)Impulso de voltaje Usar pararrayos

ACCIN DE LAS PROTECCIONES

A Disparo simultneoA Disparo simultneoB Disparo generadorC Disparo interruptorD Disparo secuencialD Disparo secuencialG Descargue automticoH Descargue manual




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