Protecciones Digital para Generadores Sincrónicos

8/6/2019 Protecciones Digital para Generadores Sincrnicos

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CANADIAN ELECTRICAL ASSOCIATION

Divisin de Ingeniera y Operaciones

Seccin de Planeamiento y Operacin de Sistemas de Energa

Marzo 1995

Vancouver, B.C.

MEJORAMIENTO DE LA PROTECCION DE GENERADORES

USANDO TECNOLOGIA DIGITAL

Charles J. Mozina

Beckwith Electric Company

6190 - 118th Avenue North

Largo, FL 34643-3724, U.S.A.

RESUMEN

Este artculo presenta las razones por las cuales las emp resas elctricas as como otros prop ietarios de generad ores

deberan considerar el mejoram iento de la proteccin elctrica de su s generad ores de mod o de cum plir con las

normas actuales. Se resean especficamente los riesgos pertinentes a ocho (8) reas funcionales donde la

proteccin d e generad ores de 20 aos o ms es inadecuada. Estas reas incluyen : proteccin contra secuencia

negativa (corriente d esequilibrada), proteccin contr a falla a tierra en el 100% del estator, proteccin d e doble

nivel contra la prdida de campo, energizacin inad vertida (accidental) del generad or, proteccin contra prd ida

de fusible del transformador de voltaje, disparo secuencial, falla del interruptor del generador, y proteccin

contra el contorneamiento del interrup tor d el generador. Se indica asimismo la necesidad de contar con mon itoreo

con oscilgrafo del generador. En el artculo se discuten las ventajas de la tecnologa digital respecto a la

convencional en tales program as de mejoramiento.

Palabras Clave: Mejoramiento, IEEE, ANSI, Secuencia N egativa, Disparo Secuencial.


2/20


3/201

INTRODUCCION

Contrariamente a la creencia popular, los generadores realmente experimentan cortocircuitos y condiciones

elctricas anor males. En mu chos casos, el dao al equipo p roducido por estos eventos puede reducirse o evitarse

mediante la proteccin apropiada del generador. Los generadores, a diferencia de otros componentes de los

sistemas d e energa, requieren ser protegidos no slo contra los cortocircuitos, sino contra condiciones anorm ales

de operacin. Algunos ejemp los de tales condiciones anormales son: la sobreexcitacin, el sobrevoltaje, la prdida

de campo, las corrientes desequ ilibrad as, la potencia inversa, y la frecuencia anorm al. Al estar sometido a estas

condiciones, el generador pu ede su frir d aos o una falla comp leta en pocos segund os, por lo que se requiere la

deteccin y el disparo automtico.

A principios de la d cada de 1990, el Power System Relaying Committee (comit de aplicacin d e rels en

sistemas de energa) del IEEE realiz una encuesta para determinar cuantos generadores sncronos grandes en

Norteamrica estaban protegid os contra cortocircuitos y cond iciones elctricas anorm ales. Los resultados d e la

encuesta ind icaron qu e, pese a la evidente necesidad d e mejorar los esquem as de proteccin d e los generadores

antiguos para cumplir con las normas actuales, las empresas de electricidad parecan estar reacias a hacer las

modificaciones necesarias en sus plantas elctricas. Esto puede deberse a varios factores: falta de pericia, la

creencia errnea que los generadores no fallan con su ficiente frecuencia para justificar su proteccin ap ropiada,

o la creencia en qu e las deficiencias de d iseo en la proteccin pu eden ser compensadas m ediante procedimientos

de op eracin.

En un generador protegido aprop iadamente, es imprescindible contar con proteccin contra las condiciones

anormales dainas. La mayor p arte de este artculo trata sobre la necesidad d e sumin istrar dicha proteccin. Lo

que se objeta respecto al agregado d e esta proteccin no es qu e la misma no va a funcionar cuando d eba hacerlo,

sino que puede operar inapropiadamente sacando a un generador del servicio en forma innecesaria. Esta

preocupacin sobre el mejoramiento d e la proteccin p ued e reducirse mucho entend iendo la necesidad de tales

mejoras, y cmo ap licarlas a un generad or determinad o. La desconexin innecesaria por disparo de un generad or

es inconveniente, pero las consecuencias de daar la mquina p or no h aberla d esconectado lo son an ms.

Si sto sucede, el costo para la empresa elctrica va a incluir no slo la reparacin o substitucin d e la mquina

daada, sino los gastos substanciales de suministrar energa de reemplazo mientras la unidad est fuera de

servicio.

En las instalaciones con personal, un op erador diestro y alerta pued e en ciertas ocasiones corregir una cond icin

anormal de op eracin evitando qu e se saque un generad or del servicio. Pero en la gran m ayora de los casos, el

evento ocurre demasiado rpido como para que el operador pueda reaccionar, y se necesita la deteccin

automtica. Como es sabido, los operad ores a veces cometen errores, creand o condiciones anorm ales en las que

se requiere la desconexin por disparo del generador para evitar daos. La sobreexcitacin y la energizacininadvertida son ejemp los de tales eventos. Por estas razones, los procedimientos de operacin no pu eden substituir

la p roteccin automtica ap ropiada.

AREAS DE MEJORAMIENTO DE LA PROTECCION EN GENERADORES ANTIGUOS

Las reas de m ejoram iento de la p roteccin d e generadores de 20 aos o ms estn comprend idas en tres amplias

categoras:

1) Mejora en la Sensibilidad en reas de p roteccin d onde los rels antiguos no ofrecen el nivel de d eteccin

necesario para imp edir los daos. Ejemp los de la p roteccin en este rea son:

proteccin contra secuencia negativa (corriente desequ ilibrad a)

proteccin contr a falla a tierra en el 100% del estator

proteccin d e doble nivel contra la prdida de campo

2) Areas Nuevas o Adicionales de Proteccin que no se consideraban como problemas hace 20 a os,

comprobnd ose lo contrar io a travs de las experiencias de operacin. Estas reas son:

energizacin inadvertida d el generador

prdida de fusible del transformador de voltaje (vt)

disparo secuencial

mon itoreo con oscilgrafo

3) Consideraciones sobre Aplicacin de Protecciones Especiales que correspond en slo a los generad ores.

Estas reas incluyen:

falla del interruptor del generador

proteccin contra el contorneamiento en la cabeza del interruptor del generador


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El IEEE y el AN SI (Instituto d e Normas Nacionales Americanas) han d esarrollado gu as sobre p roteccin (ver

las referencias 1, 2 y 3) que dem uestran la necesidad de su ministrar la p roteccin, descripta en este artculo, en

las principales reas de m ejoram iento citadas. Estas gu as expresan el pu nto d e vista de los usuarios (emp resas

elctricas y prop ietarios de generad ores) ascomo d e los fabricantes d e generad ores, y reflejan experiencias en

el servicio vistas a nivel nacional. Las gu as se actualizan cada cinco aos para m antenerlas al d a en base a

experiencias en el servicio y a cambios en la tecnologa.

AREAS DE PROTECCION CON MEJORA EN LA SENSIBILIDAD

Proteccin contra Secuencia Negativa (corriente desequilibrada)

Hay diversas condiciones del sistema qu e pued en causar corrientes trifsicas desequ ilibrad as en un generad or.

Estas condiciones del sistema prod ucen componentes de secuencia negativa de corriente que indu cen una corriente

de d oble frecuen cia en la sup erficie del rotor. El efecto superficial de la corriente d e doble frecuencia del rotor

hace que sta sea forzada sobre los elementos de la superficie del rotor. Dichas corrientes del rotor pueden

produ cir temp eraturas excesivas en m uy corto plazo.

Figura 1 Corrientes en la Superficie del Rotor

La Figura 1 muestra el flujo general de la corriente de secuencia negativa en un rotor de m quina cilndrico.

Flujos similares de corriente de secuencia negativa ocurren tambin en mquinas de p olo saliente. La corriente

circula a tr avs del contacto m etal-a-metal de los anillos de retencin hacia las cuas forjadas d el rotor. Debido

al efecto superficial, en los devanad os de cam po circula slo una parte muy p equea de esta corriente de alta

frecuen cia. El calentamiento por secuencia negativa qu e excede los lmites trmicos d el rotor, resulta en fallas.

Estos lmites se basan en la siguiente ecuacin, para un generador determinado:

K=I2t

2

Donde:

K = un a constante que depend e del diseo y tamao del generador

t = tiempo en segundos

I2

= valor RMS de la corriente de secuencia negativa en por unidad

La capacidad d e corriente desequilibrada continua de u n generad or est definida en ANSI C50.13 (referencias

4 y 5). Esta norma establece que el generador deber ser capaz de soportar, sin daarse, los efectos de un

desequilibrio de corriente continuo que corresponde a una corriente I2 de secuencia de fase negativa de los

siguientes valores, en tanto que no se exceda el kVA nominal y que la corriente mxima no exceda el 105 por

ciento de la corriente nom inal en ningu na d e las fases.

Anillo deRetencin

Anillo de

Bloqueo

Devanadode Campo

Cua


5/203

I2

Permisible

Tipo de Generador (porcentaje del valor nominal del estator)

Polo Saliente

Con devanados amortiguadores conectados 10

Con devanados amortiguadores no conectados 5

Rotor Cilndrico

Enfriado indirectamente 10

Enfriado d irectamente - hasta 960 MVA 8

961 hasta 1200 MVA 6

1201 hasta 1500 MVA 5

Estos valores expresan tam bin la capacidad de corriente de secuencia d e fase negativa bajo redu cidas capacidad es

de KVA del generador.

Una prctica comn es el sum inistrar proteccin al generador contra condiciones de corrientes desequ ilibradas

externas que pod ran daar la mquina. Esta proteccin consiste en un rel de sobrecorriente temporizado q ue

es sensible a la corriente de secuencia negativa. Para esta proteccin, existen dos tipos de rels: un rel de

sobrecorriente temporizado electromecnico con caracterstica extremadamente inversa, y un rel esttico o

digital con una caracterstica de sobrecorriente temporizada correspondiente a la capacidad de corriente de

secuencia negativa d el generad or. El rel de secuencia negativa es habitualmen te la nica p roteccin contra las

condiciones de condu ctor abierto o polo abierto del interrup tor. La baja magnitud de las corrientes de secuencia

negativa produ cidas p or este tipo d e evento (tpicamente, 10-20% del valor nominal del estator) impide que

otros rels de fallas suministren proteccin. En los rels electromecnicos de secuencia negativa, el ajuste del

enganche (pickup o valor de arranque) m nimo puede dar slo un 60% de la sensibilidad d e corriente nom inal del

estator. Por lo tan to, estos rels no suministran proteccin contra cond iciones de fase abierta o de po lo abierto

del interruptor del generador, que son eventos de secuencia negativa frecuentes en la industria. Se necesita la

sensibilidad de los rels estticos o d igitales de secuencia negativa. Como casi todos los generadores d e 20 aos

o ms estn p rotegidos con rels electromecnicos de secuencia negativa, sta es un rea imp ortante para el

mejoramiento.

Proteccin contra Falla a Tierra en el 100% del Estator

En la puesta a tierra de alta resistencia del neutro del generador, se utiliza un transformador de distribucin y

una resistenciasecundaria. La resistencia secundaria es usualmente seleccionada de modo que en una falla

entre fase y tierra en los terminales del generad or, la potencia disipad a en la resistencia sea aproximadamen te

igual a los voltamp erios reactivos en la reactancia capacitiva d e secuencia cero de los devanad os del generador,

sus conductores, y los devanados de los transformadores conectados a los terminales del generador. Usando

este mtodo d e pu esta a tierra, una falla entre fase y tierra estar generalm ente limitada entre 3 y 25 amp erios

primarios.

R 59N

Figura 2 Generador con Puesta a Tierra de Alta Impedancia


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El esquem a de p roteccin contra falla a tierra del estator usado m s comnmente en sistemas con p uesta a tierra

de alta imped ancia, es un rel de sobrevoltaje con retardo de tiemp o (59N) conectado a travs de la resistencia

de p uesta a tierra p ara d etectar el voltaje de secuencia cero, como se m uestra en la Figur a 2. El rel que se usa

para esta funcin est diseado par a ser sensible al voltaje de frecuencia fundamen tal e insensible a los voltajes

de tercera armnica y otros voltajes arm nicos de secuencia cero presentes en el neutro d el generador. Tpicamente,

el rel de sobrevoltaje tiene un ajuste m nimo aproximado de enganche (pickup) de 5 V. Con este ajuste y las

relaciones tpicas de los transform adores de distribucin, este esquema es incapaz de detectar fallas a travs de

todo el d evanado del estator.

El esquem a de p roteccin con 59N es claro y confiable, sin em bargo este rel protege nicamente u n 90-95% deldevanado del estator. Esto es as pues una falla entre el 5 y 10% restante del devanado, cerca del neutro, no

prod uce suficiente voltaje residu al de 60 Hz . Es importante dotar a los principales generadores con un sistema

de proteccin ad icional contra fallas a tierra, para obtener una cobertura del 100% del devan ado. Los generad ores

de 20 aos o ms tienen tpicamente slo un 90-95% del devanado del estator protegido contra fallas a tierra.

Muchas empresas elctricas han realizado mejoras para tener proteccin contra fallas a tierra en un 100% del

devanad o del estator. Uno de los mtodos es usar un rel de bajo voltaje de tercera armnica. Los compon entes

de voltaje de tercera arm nica estn p resentes, en d iverso grado, en el neutro de casi todas las mqu inas; ellos

surgen y varan d ebido a d iferencias en el diseo, la fabr icacin, y la carga de la m quina. Este voltaje, de estar

presente en suficiente magnitud, puede usarse para detectar fallas a tierra cerca del neutro.

27TN

59

59N

2-2 2-1

95% 100%

86

(+)

(-)

59 2-1 2-2

27TN

ParadaCompleta

59N

59 Rel Superv isor de Sobrevoltaje Instantneo

59N Rel de Sobrevoltaje Sintonizad o a la Frecuencia Fundamen tal (60 Hz)

27Th Rel de Bajo Voltaje Sinton izad o a la Frecuencia d e Tercera Arm nica (180 Hz)

2-1, 2-2 Tem porizad ores

Figura 3 Esquema de Proteccin contra Falla a Tierra con Bajo Voltaje de Tercera Armnica

Uno d e los mtodos est basad o en el hecho qu e el nivel del voltaje de tercera arm nica en el neutro disminuye

en las fallas cercanas a l neutro. Por lo tanto, un rel de bajo voltaje que opera con el voltaje de tercera arm nica

medido en el extremo del neutro puede usarse para detectar fallas cercanas al neutro. Las fallas a tierra en la

parte restante de los devanad os pu eden d etectarse con u na p roteccin conven cional contra falla a tierra, como

puede ser un rel de sob revoltaje (59N) que opere en el voltaje neu tro d e 60 Hz. La combinacin d e ambos rels

protege al 100% del devanado d el estator. En la Figu ra 3 se muestra u n esqu ema simp lificado de p roteccin que

emplea esta tcnica. La Figu ra 4 ilustra la su perp osicin d e las fun ciones d el 27TN (tercera armnica) y del 59N

par a proteger al 100% del devanad o del estator.


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Posicin de la Falla

(% del devanado del estator medido desdeel extremo de neutro del generador)

0% 50% 100%

Voltaje neutro de tercera armnica (180/150 Hz)durante la falla a tierra

Extremo deTerminal delGenerador

Extremo deNeutro delGenerador

Nivel de voltaje de terceraarmnica previo a la falla

Voltaje neutro fundemental (60/50 Hz)durante la falla

59N

VoltajeNeutro

27TN

10%30%

5%10%

Punto fijado del 27TN

Punto fijado del 59N (tpicamenter 5V)

Nivel de voltaje neutro fundemental previo a la falla

Proteccinprovista por::

Figura 4 Superposicin del Rel 59N con el de Tercera Armnica (27TN)

Proteccin de Doble Nivel contra Prdida de Campo

La p rdida p arcial o total de campo en u n generador s ncrono es perjud icial tanto p ara el generador como p ara

el sistema d e energa al que est conectado. Esta cond icin deber ser detectada rpid amen te y, para evitar los

daos al generador, se lo deber aislar del sistema. Una condicin de prdida de campo que no haya sido

detectada pu ede tener un impacto devastador en el sistema de energa al provocar una prdida d el respaldo d e

potencia reactiva, y crear un consum o substancial de la misma. Si no es detectada con rap idez en los generad ores

grandes, esta condicin pu ede ocasionar un colapso del voltaje del sistema a travs del rea.

Si se redu ce o pierde la corriente de excitacin, el generad or absorbe potencia reactiva del sistema de energ a en

vez d e suministrarla, y opera en la regin su bexcitada d e la curva d e capacidad . Si ocurre u na p rdida total de

campo y el sistema puede suministrar suficiente potencia reactiva sin una gran ca da en el voltaje terminal, el

generador va a funcionar como u n generador d e induccin; de lo contrario, se perd er el sincronismo. El cambio

desde la operacin sobreexcitada n ormal a la operacin subexcitada an te una prdida d e camp o no es instantneo,

sino que ocurre durante un perodo de tiempo (segundos, por lo general) dependiendo del nivel de salida

de l generador y de l a capac idad de l s i s t ema conec tado. La curva de capac idad de l generador

(Figura 5) define los lmites de operacin d el generador.

Potencia Reactivaen el Sistema

PotenciaReactiva en elGenerador

Sobreexcitado

Subexcitado

0

Limitado por elNcleo del Estator

MVAR

+MVAR

Limitado porel Devanadodel Rotor

+MW

Limitado porel Devanadodel Estator

Potencia Realen el Sistema

Lmite deEstabilidad enEstado Estacionario

Limitador deExcitacinMnima G Sistema

MW

MVARS

G Sistema

MW

MVARS

OperacinSobreexcitadaNormal

OperacinSubexcitada

Figura 5 Curva de Capacidad del Generador


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+X

+R

X

Subexcitado

R

Carga Pesada Carga Liviana

Lmite Mnimo delExcitador

Capacidad de laMquina

Lmite de Estabilidad enEstado Estacionario

Lugar de la Impedancia Finalde Prdida de Excitacin

Figura 6 Caractersticas de Prdida de Campo del Generador

El mtodo ap licado ms comnm ente en la deteccin de prdidas de camp o del generador es el uso de rels de

distancia para d etectar la variacin de imped ancia como es percibida desde los terminales del generad or. Se ha

dem ostrado que cuand o un generad or pierde su excitacin m ientras opera a diversos niveles de carga, la variacin

de impedancia como es percibida desde los terminales de la mquina tendr las caractersticas que muestra el

diagrama R-X en la Figura 6. Los rels de prdida de campo en generadores antiguos usan t picamente una

caracter stica de mho d e zona nica, como se exhibe en la Figura 7.

Figure 7 Prdida de Campo (Caracterstica) con un Antiguo Rel de mho Compensado de Zona nica

El rel mide la imp edan cia como es percibida d esde los terminales de la mquina, y opera cuand o la imp edancia

cae dentro d e la caracterstica circular. El rel est compensado desd e el origen en 1/ 2 de la reactancia transitoria

longitudinal (X'd / 2), para evitar el funcionamiento incorrecto du rante p erturbaciones del sistema y otras

condiciones de falla. El dimetro del crculo est ajustad o par a igualar la reactancia sincrnica longitud inal. Se

usa un retardo d e tiemp o para p roporcionar segurid ad contra las oscilaciones estables de potencia. Este retardo

de tiempo incrementa el tiemp o de operacin d el rel, lo que significa qu e los MVARes extrados p or el generador

persisten durante un tiempo ms prolongado, haciendo al sistema de energ a ms susceptible al colapso del

voltaje. Numerosas empresas elctricas han adqu irido m odernos rels de mho de dos zonas para mejorar la

proteccin. Estos esquemas se muestran en la Figura 8. El crculo mho interno est ajustado para disparo

instantneo, y es la trayectoria del lugar geomtrico de la imp edancia en mquinas con carga pesad a. La operacin

instantnea de la unidad con mho interno detecta rpidam ente una cond icin de prdida d e campo, minimizando

la posibilidad de qu e este evento provoque u n colapso del voltaje en tod a el rea.

-R +R

+X

-X

Di

metro

=Xd

2

Compensacin = X d


9/207

+X

R +R

Xd

X

Subexcitado

Carga PesadaCarga Liviana

1.0 pu

X'd2 13

Lmite Mnimo del Excitador

Capacidad de la Mquina

Lmite de Estabilidad enEstado Estacionario

Lugar de laImpedancia Final

de Prdida deExcitacin

A) Prdida de Campo Usando el Mtodo de Compensacin de mho de Dos Zonas

+X

R +R

X

Subexcitado

1.1 Xd

X'd2

13 XT

Lmite Mnimo del Excitador

Capacidad de la Mquina

Lmite de Estabilidad en

Estado Estacionario

Elemento Direccional

Carga PesadaCarga Liviana

Lugar de laImpedancia Final de

Prdida de Excitacin

Direccin deBloqueo

Direccin deDisparo

B) Prdida de Campo Usando el Mtodo de Elementos Direccionales y Dos Unidades de Impedancia

Figura 8 Caractersticas de Prdida de Campo con el Mtodo Moderno de mho de Dos Zonas


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AREAS NUEVAS O ADICIONALES DE PROTECCION

Energizacin Accidental Inadvertida del Generador

La energizacin inad vertida o accidental de generadores sncronos ha sido u n singular problema en la indu stria

en los aos recientes. Varias m quinas grand es resultaron daadas, y en algunos casos completamente destruidas,

al ser energizadas accidenta lmente mientr as se encontraban fuera d e lnea. La frecuen cia d e estos eventos llev

a que los fabricantes de generadores recomienden qu e el problema sea atendido usand o esquemas d e rels d e

proteccin ded icados.

Cuando un generador es energizado mientras est fuera de lnea en virador, o parando por inercia, funciona

como un motor de induccin y puede daarse en pocos segundos. Numerosas mquinas grandes han sido

severamente daadas, y en algunos casos completamente destruidas. Errores de operacin, contorneamientos

en la cabeza del interruptor, mal funcionamiento del circuito de control, o una combinacin de estas causas,

resultaron en la energ izacin accidental d e generadores mientras estaban fuera de lnea.

S1

GEN

A

B

C D

GEN

S1

A B

D

C

A) Tpica Estacin con un Interruptor y Medio B) Tpica Estacin con Bus en Anillo

Figura 9 Diagramas Unifilares de Estaciones Generadoras de Alto Voltaje

Errores de Operacin - Los errores de op eracin h an ido aum entando en la indu stria al hacerse las estacionesgenerad oras de alto voltaje ms complejas con el uso de configuraciones de un interruptor y m edio y d e bus en

anillo. La Figu ra 9 mu estra d iagramas un ifilares tpicos para d os de tales estaciones.

Estos diseos de estaciones ofrecen suficiente flexibilidad par a perm itir que se saque d e servicio un interrup torde generador de alto voltaje (A o B) sin requerir que el generador sea tambin retirado del serv icio. Existen

seccionadores d e interruptor (no se mu estran) para aislar al interrup tor d urante la reparacin. Sin embargo,

cuando la unidad est fuera de lnea, los interruptores de generador (A y B) se devuelven generalmente al

servicio como interruptores de bu s para comp letar una fila en una estacin d e un interruptor y m edio o comp letar

un bus de anillo. Ello resulta en que el generador sea aislado del sistema usando nicamente un seccionador

abierto de alto volta je (S1).

Un gen erador, al energizarse accidenta lmente con voltaje de sistema tr ifsico m ientras est en virad or, fun ciona

como u n motor de indu ccin. Durante la energizacin trifsica de un generador p arado, se induce en el rotor un

flujo rotativo a frecuencia sincrnica. La resultante corriente de rotor es forzada en itinerarios subtransitorios en

el cuerp o del rotor y los devan ados amortigu adores (si los hay), similares a los itinerarios de corriente del rotor

para corrientes de secuencia negativa d el estator du rante el funcionamiento m onofsico del generador. Se prod uce

un rpido calentamiento del rotor, que lo puede daar en muy poco tiempo. La impedancia de la m quinadu rante este intervalo de alto deslizamiento es equivalente a la reactancia de secuencia negativa del generad or.

ANDRetardo dePickup

Retardode Despren-

dimiento

27Bajo voltaje*

VP.U.

Contacto

de Salida

Figura 10 Diagrama Lgico de la Funcin de Energizacin Inadvertida


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Debido a las severas limitaciones de la proteccin de generadores con rels convencionales para detectar la

energizacin inadvertida, se desarrollaron e instalaron esquemas de proteccin d edicados. Contrariamente a los

esquemas convencionales que dan proteccin cuand o el equipo est en servicio, estos esquem as prop orcionan

proteccin cuand o el equipo est fuera d e servicio. Por ello, al implem entar esta p roteccin d ebe tenerse sumo

cuidado de no quitar la energ a c.c. de disparo ni las magnitudes de entrada del rel al esquema cuando la

un idad protegida est fuera de lnea. Un mtodo usad o comnm ente para d etectar la energizacin inadvertida

es el esquema d e sobrecorriente superv isado p or voltaje exhibido en la Figura 10. Un elemen to de ba jo voltaje

con retardos ajustables de tiempo d e enganche y d esenganche sup ervisa u n rel de sobrecorriente instantnea.

Los detectores de bajo voltaje arman automticamente el disparo por sobrecorriente al sacarse de lnea al

generad or. Al devolverse la mquina al servicio, el detector va a d esactivar o d esarmar el rel de sobrecorriente.

Contorneamiento en la Cabeza del Interruptor - El extremo esfuerzo d ielctrico relacionad o con los interrup toresde HV y EHV (voltaje alto y extra-alto) y el pequ eo espacio de separacin de contactos caracterstico de sus

requisitos de interrupcin a alta velocidad , pueden provocar contorneamiento de contactos. Este contorneamiento

de contactos (generalmente en u no o d os polos) es otra causa d e la energizacin inad vertida de generad ores. El

riesgo de contorneamiento es mayor justo antes de la sincronizacin o justo despus de sacar de servicio a la

unidad. Durante este perodo, el voltaje a travs del interruptor abierto del generador pu ede ser el doble del

voltaje norm al al deslizarse la unidad an gu larmente con el sistema. En este per odo, una prdida de presin en

algunos tipos de interrup tores HV y EHV puede ocasionar el contorneam iento de uno o ms polos del interrup tor,

energizando el generad or y provocando un flujo significativo de corriente desequilibrada d aina en los devanados

del generador. Esta singular condicin de falla del interruptor debe detectarse y aislarse r pidamente para

evitar daos substanciales al generador. La proteccin contra el contorn eamiento en la cabeza del interru ptor se

trata en la seccin de Fallas del Interrup tor en este artculo.

Proteccin contra Prdida de Fusible del Transformador de Voltaje (VT)

La prdida de la seal del vt pu ede d eberse a varias causas, siendo la ms comn la falla del fusible. Otras

causas pu eden ser u na verd adera falla del vt o del cableado, un circuito abierto en los monta jes corredizos, una

abertura del contacto debida a corrosin, o un fusible fun dido por cortocircuito causado p or u n d estornillador

en el mantenimiento de la lnea. Tal prdida d e la seal del vt puede ocasionar el mal funcionamiento de los

rels de p roteccin o el embalamiento del regulador de voltaje del generador, provocando sobreexcitacin. Se

requiere un mtodo d e deteccin para poder bloquear el disparo del rel y transferir a operacin manu al el

regulador de voltaje. Tpicamen te, las funciones de p roteccin como la 21, 32, 40 y 51V se ven afectadas y son

normalmente bloqueadas al d etectarse una p rdida del p otencial.

En generadores grandes, es comn u sar dos conjun tos de tran sformad ores de voltaje (vts) en la zona de proteccin

del generador. Como muestra la Figura 11a, los vts conectados usualmente en estrella a tierra-estrella a tierranormalmente tienen fusibles secundarios, y quizs fusibles primarios. Estos vts se emplean para suministrar

poten cial a varios rels de p roteccin y al regulador d e voltaje. Si se fun de u n fusible en los circuitos d el vt, los

voltajes secund arios aplicados a los rels y al regu lador d e voltaje se reducirn en su m agnitud y se d esfasarn.

Este cambio en la seal de voltaje puede hacer que los rels funcionen incorrectamente y que el regulador

sobreexcite al generador.

a) Aplicacin de Proteccin con Rel b) Mtodo Moderno de Deteccin dede Equilibrio de Voltaje Prdida de Fusible del VT

Figura 11 Deteccin de Prdida de Fusible del VT

60

GEN

AlRel deProteccin

AlReguladorde Voltaje

Rel deEquilibriode Voltaje

VT

60FL

GEN

Al Rel deProteccin yel Reguladorde Voltaje


12/2010

En muchos generadores antiguos de tamao med iano, se provee un solo conjunto d e vts. No se pu ede usar u n

rel de equ ilibrio d e voltaje a m enos que se agregue un segundo conjun to de vts. Por ello, muchos generadores

no tienen p roteccin contra prdida d e fusible del vt. Un m todo d igital moderno u sado en la d eteccin d e fallas

del vt usa las relaciones de los voltajes y corrientes de secuencia negativa d ur ante una p rdida del poten cial. Al

perderse la seal de un vt, los voltajes trifsicos se desequilibran. Debido a este desequilibrio, se produce un

voltaje de secuencia negativa. Para distinguir entre esta condicin y una falla, se verifican las corrientes de

secuen cia negativa. La presencia de voltaje de secuencia negativa en au sencia de corriente de secuencia negativa

indica que hubo u na falla de fusible en vez d e otro tipo de falla.

Disparo Secuencial

Este mtodo d e parada se usa en generadores de vapor p ara evitar la sobrevelocidad, si es que el disparo dem orado

no tiene efectos perjud iciales en la un idad generad ora. Este mtodo de d isparo del generador fue recomend ado

hace algunos aos por fabricantes de generadores con turbinas de vap or como consecuencia de fallas del generador

por sobrevelocidad, y es un tem p ara mejoramiento. Se usa p ara d isparar el generador por problemas en el

motor primario nicamente si no se requiere disparo d e alta velocidad . Al principio se disparan las vlvulas de

turbina. Un rel de p otencia inversa en serie con los conmu tadores de posicin cerrada d e las vlvulas protege

contra una posible sobrevelocidad de la tu rbina, asegurand o qu e los flujos de vap or se hayan reducido por

debajo d e lo necesario para p roducir una condicin de sobrevelocidad an tes de dispa rar el (los) interrup tor(es)

del generador. Este es el mtodo d e disparo preferido para p roblemas mecnicos de turbina o caldera/ reactor

pu es imp ide la sobrevelocidad de la mquina. La Figura 12 exhibe el diagram a d e bloques del disparo secuencial.

Vlvulas de VaporCerradas por

Disparo de Turbina

Rel de Potencia Inversadel Generador (32)

Disparo de Interruptoresdel Generador

Disparo de Interruptorde Campo

Transf. de Auxiliares dela Unidad

Rel deBloqueoo Aux.

AND

Temporizador

Retardo deTiempo

Figura 12 Lgica del Disparo Secuencial

Una d esventaja de este mtodo d e disparo es que no hay u na salida de d isparo p ara una falla de los interruptores

de lmite de las vlvulas de turbina o del rel de potencia inversa. Al usar este enfoque, debe contarse con

proteccin d e respaldo para asegurar el disparo de los interrup tores principales y de campo del generador en

caso de falla. Para ello se emplea genera lmente otro rel de potencia inversa qu e inicia disparos indep endientes.

Los rels digitales modernos tienen m ltiples ajustes sensibles de potencia inversa que pueden usarse para el

dispa ro secuencial y el disparo directo de poten cia inversa. En las grandes m quinas d e vapor con enfriamiento

forzado, se requ ieren sensibilidad es de p otencia inversa d e 0,5% de la clasificacin del estator. Este modo de

disparo no deber anular la proteccin d el generador o la playa d e distribucin qu e abre instantneamente el

interruptor d el generador e inicia la parada del generador al p roducirse una falla elctrica crtica que p odr a

ocasionar serios daos al generador o al equipo d e la playa de d istribucin.

Monitoreo con Oscilgrafo del Generador

El monitoreo del sistema de transmisin d e una emp resa elctrica con oscilgrafos que registran los voltajes y

corrientes de rels ha sido aceptado desde hace tiempo en la industria para proveer los datos b sicos para

analizar el funcionamiento del sistema de proteccin de la transmisin. Como hay ms fallas de la lnea de

transmisin que fallas y condiciones anormales del generador, muchos crean que no se justificaba

econmicamente un monitoreo similar de los generadores con oscilgrafos au tnomos. Sin em bargo, con la

llegada de los rels d igitales de p roteccin para generadores, los oscilgrafos estn incorporados en el rel de

proteccin. La Figu ra 13 es un ejemplo d e un registro oscilogrfico de este rel.


13/2011

Figura 13 Registro Oscilogrfico de un Rel Digital

Usando la capacidad d e comunicacin remota d e estos rels, se pu ede lograr con rapidez el acceso a la informacin

del even to y el oscilgrafo desde u na u bicacin remota, tras un disparo d el generador, para d eterminar si los

rels e interruptores autom ticos funcionaron apropiadamente. La informacin d el oscilgrafo tambin puede

identificar el tipo d e pruebas necesarias par a determ inar la causa d e un d isparo y apresu rar el retorno a servicio

del generador. Ello brinda al ingeniero de protecciones los datos que requiere para mantener equipos fuera de

lnea para su p rueba e inspeccin, de ser n ecesario, luego de u n d isparo elctrico, o para reintegrar la un idad al

servicio con m nima demora. Las empresas elctricas que han implementado un programa de monitoreo

oscilogrfico de generad ores, consideran sum amen te valiosa esta informacin.

CONSIDERACIONES SOBRE APLICACION DE PROTECCIONES ESPECIALES

Falla del Interruptor del Generador

Cuand o el sistema de rels de p roteccin opera p ara disparar el interrup tor automtico del generador pero el

interruptor no funciona, es preciso activar un esqu ema d e falla del interru ptor. Dadas las sensibilidad es requeridas,

hay imp ortantes diferencias entre la manera de aplicar un esquema d e falla local del interrup tor en un interruptor

de generador y en un interruptor de l nea de transmisin. La Figura 14 exhibe el diagrama funcional de un

esquema tpico de falla del interruptor usad o en un interruptor de lnea de transm isin.

Rels deProteccin

AND

Disparan Interruptorde Lnea deTransmisin

CD A

DisparaInterruptoresde Respaldo

CD - Detector de Corriente

62 - Temporizador de Falla del Interruptor conRetardos Ajustables de Enganche y CeroDesenganche

62Temporizador

Figura 14 Diagrama Funcional Tpico de Falla del Interruptor de Lnea de Transmisin


14/2012

Cuand o los rels de p roteccin d etectan u na falla, van a intentar d isparar el interruptor p rimario de la lnea de

transmisin e iniciar a la vez u na falla del interrup tor. Si el interru ptor de lnea no d espeja la falla du rante un

intervalo de tiempo especificado, el temporizador va a disparar los interruptores de respaldo necesarios para

sacar de servicio al interruptor autom tico que ha fallado. El disparo exitoso del interruptor primario est

determinado por el desaccionamiento de su detector d e corriente, que d etiene el temporizador de falla del

interrup tor (62). Sin embargo, cuand o el esquem a de falla del interru ptor se ap lica a un interru ptor d e generador,

su d isparo pued e no ser iniciado por un corto circuito sino por u na condicin anorm al de operacin en la que

pu ede haber m uy p oca, o no haber, corriente de corto circuito. Las cond iciones anorm ales de operacin como el

sobrevoltaje, la sobreexcitacin, la baja frecuen cia excesiva, la p otencia inversa y las fallas a tierra d el estator, no

producirn su ficiente corriente para op erar los detectores de corriente. El conmu tador del interrup tor 52a deberusarse en paralelo con los detectores de falla para dar indicaciones adicionales en un esquema de falla del

interruptor p ara interruptores de generador. Esta lgica se exhibe en la Figura 15.

Rels deProteccin

AND

DisparanInterruptor del

Generador

CD A

Dispara Unidade Interruptores

de Respaldo

62Temporizador

52a

OR

52a - Contactos Auxiliares del Interruptor Automtico


62 - Temporizador de Falla del Interruptor con RetardosAdjustables de Enganche y Cero Desenganche

Figura 15 Diagrama Funcional de un Esquema de Falla del Interruptor de Generador

Si cada polo d el interrup tor opera ind epend ientemente, los conmu tadores a en los tres polos del interruptor

deben ser pu estos en par alelo y conectados en el circuito lgico. Este pu ede ser un tem p ara mejoramiento si no

se us la lgica que mu estra la Figu ra 15 al pon erse en servicio el generador original.

Proteccin Contra el Contorneamiento en la Cabeza del Interruptor del Generador

El contorneam iento en la cabeza del interruptor d el generad or est descripto en este artculo en la seccin sobre

Energizacin Inadv ertida. Lo ms probable es que este evento ocurra justo antes de la sincronizacin, o justo

despus de sacar de servicio al generad or, cuando el voltaje a travs de los contactos del interruptor d el generador

es aproximadamente el doble del voltaje normal al deslizarse la frecuencia del generador respecto a la del

sistema. Si bien los interruptores autom ticos tienen la capacidad para resistir este voltaje, hay una mayor

probabilidad d e que se produ zca un contorneamiento du rante este per odo. Tales contorn eamientos raramen te

ocurren en forma simultnea en las tres fases. Por ello, la mayora de los esquem as de p roteccin estn d iseados

para d etectar el contorneamiento de uno o d os polos del interruptor.

Si hay contorneamiento en u no o d os polos de un interrup tor, la corriente desequ ilibrada resultante generalmente

har que funcione el rel de secuencia negativa del generador (si es de tipo digital o esttico sensible)

o posiblemente el rel de respaldo d e sobrecorriente de tierra del generador, iniciando u n disparo del interru ptor

bajo contorneam iento. Debe mencionarse que el disparo d el interru ptor ba jo contorneam iento no va a rectificar

la situacin, pues este interruptor estar ya abierto. Para esta condicin es necesario iniciar una falla

del interruptor. Como muestra la Figura 15, la falla del interruptor se iniciar si los detectores de corriente

se ajustaron con suficiente sensibilidad pa ra detectar esta situacin.


15/2013

Rels deProteccin

ANDCD A

Dispara Unidad eInterruptores de

Respaldo

62Temporizador

52a

GEN

OR

OR

50BF-N

52b

CD

50BF-N

52a, 52b - Contactos Auxiliares del InterruptoAutomtico


62 - Temporizador de Falla del Interruptor conRetardos Adjustables de Enganche y CeroDesenganche

50BF-N - Rel de Sobrecorriente del Transformador

de Puesta a TierraFigura 16 Lgica de Falla del Interruptor Modificada para el Contorneamiento de la Cabeza del Interruptor

Un mtodo usado para acelerar la deteccin del contorneamiento en un interruptor, es la modificacin

del esquem a de falla del interrup tor como mu estra la Figura 16. Se conecta un rel de sobrecorriente instantneo

(50BF-N) al neutro del transformador elevador del generador. La salida del rel es t supervisada por

el contacto b del interruptor del generador, y suministra un arranque adicional en el esquema de falla

del interruptor. Cuand o el interrup tor del generador est abierto y se produ ce contorneamiento en un o o d os

polos del interruptor, la resultante corriente del neutro del transformador es detectada por el rel 50BF-N sin

la demora caracterstica de los rels de respaldo del neutro del transformador o de secuencia negativa.

Nu evamente, los detectores de corriente vinculados al esquema d e falla del interruptor d el generador d ebern

estar ajustados con la sensibi l idad suf iciente para detectar esta condicin de contorneamiento .

La Referencia 6 suministra informacin sobre el clculo de los niveles de corriente para una condicin de

contorneamiento del interruptor.


16/2014

USO DE LA TECNOLOGIA DIGITAL PARA IMPLEMENTARUN PROGRAMA DE MEJORAMIENTO

Al igual que en el caso del rea de mejoramiento de lneas de transmisin, la proteccin con rels de mu ltifuncin

digitales es un m todo id eal y econmico de mejorar la p roteccin de generadores al nivel de las normas actuales

de la industria. La Figura 17 exhibe un diagrama fun cional de tal tipo d e rel.

Sistema de la

Empresa Elctrica

59N

52Unit

Puesta a Tierrade Alta

Impedancia27TN

81 2427 59

5050BF

3

27

27

AB

C

87

21 3260FL 40 46

27

IA, B, C

Ia, b, c

AC

B

50BF-N

8

7 4

5 6 1

2

M-3430Rel Multifuncin

Indica Funcionesde Mejora

Figura 17 Diagrama Unifilar del Rel M-3430


17/2015

Las fun ciones d e mejoramiento comu nes se mu estran (sombread as) en las Figuras 17 y 19:

1 Proteccin contra Secuencia Negativa (corriente desequilibrada)

2 Proteccin contra Falla a Tierra en el 100% del Estator

3 Proteccin de Doble Nivel contra la Prdida de Campo

4 Energizacin Inadvertida (Accidental) del Generador

5 Proteccin contra Prdid a de Fusible del Transform ador d e Voltaje

6 Disparo Secuencia l

7 Falla del Interruptor del Generador

8 Proteccin contra el Contorneamiento del Interruptor d el Generador

Estas funciones, adems de seis (6) funciones de p roteccin adicionales, estn incluidas en un paquete nico

compacto (de 52,8 x 19,4 x 35,9 cm) [Figura 18], adecuad o pa ra m ontaje en bastidor o en p anel.

Figura 18 Panel Frontal del M-3430

Este rel incluye las siguientes caractersticas adicionales, que lo hacen sumamente flexible para aplicaciones

de mejoramiento:

Ocho salidas p rogramables y seis entradas programables

Registro oscilogrfico (170 ciclos en total, con a lmacenam iento d e ha sta cuatro registros)

Almacenamiento de 32 eventos

Medicin d e todos los parmetros aplicables

Dos p uertos RS-232 y un pu erto RS-485 de comu nicaciones

Tarjeta d e circuito impreso y fuen te de alimentacin removibles Modelos disponibles para 50 Hz y 60 Hz

Entrad as disponibles para transformad ores de corriente (CT) de 1 y 5 A nominales

Software de Comunicacin IPScom (incluido con el rel)

Fuentes de alimentacin redundantes

Diagnstico de autochequeo continuo

Para generadores con puesta a tierra de baja impedancia (resistencia o reactancia), se dispone de un rel

complementario (M-3420), con proteccin d e tierra del estator ad ecuad a. La Figura 19 representa un diagrama

un ifilar de esta ap licacin.


18/2016

Sistema de laEmpresa Elctrica

52

81 27 59

50

50

3

27

27

51V 3260FL 40 46

IA, B, C

3Ia, b, c

50N51N

Puesta a Tierra deBaja Impedancia

24

8787GD

M-3420 Rel Multifuncin

50BF

R

Indica Funcionesde Mejora

47

5 3 6 1

Figura 19 Diagrama Unifilar del M-3420


19/2017

Muchos p royectos de mejoramiento de las protecciones son p arte de programas generales de automatizacin o

de prolongacin d e la vida til en p lantas elctricas. Una de las caractersticas importantes d e los rels d igitales

es su capacidad de comunicacin. Tanto el M-3430 como el M-3420 tienen tres puertos para comunicacin

en serie. Dos puertos de interfaz en serie, COM1 y COM2, son puertos est ndar RS-232 de 9 pines con

configuracin DTE. El puerto del panel frontal, COM1, se usa para ajustar e interrogar localmente al rel por

med io de una compu tadora. El segun do p uerto RS-232, COM2, est en la parte trasera de la unid ad. Un p uerto

configu rad o RS-485, COM3, est disponible tambin en el bloque de term inales atrs de la unidad . Cualquiera

de los puertos del panel posterior, COM2 o COM3, pu eden u sarse para ajustar e interrogar remotam ente al rel

por medio de un m dem. Con el rel se suministra software de comunicacin (IPScom), que funciona con

el sistema op erativo Microsoft Windows. La comun icacin con m ltiples rels se pu ede realizar usando u nsencillo y econmico divisor d e seales de comun icaciones y un m dem compatible con Hayes, a velocidades

de hasta 19,200 baud ios (Figura 20).

Divisor de Lnea deComunicaciones

Modem

Pueden usarsehasta seis rels con

un divisor de lnea decomunicacionesDireccin 2

Direccin 4

Direccin 5

Direccin 6

Direccin 3Direccin 1

PC Compatible con IBM

LneaTelefnica

Sistema de Proteccin

Integrado

Modem

Figura 20 Direccionamiento de Sistemas Mltiples Usando un Divisor de Lnea de Comunicaciones

Se pu ede acceder a las magnitud es de med icin (MW, MVAR, Voltios, Am perios, F.P., etc.) en el rel mediante un

DCS (Sistema d e Control Distribuido) en la p lanta, a travs de los puer tos de comunicaciones del rel. De esta

manera, se ahorra en los costos y el cableado d e los transductores ded icados a cada magnitud de m edicin.

La Figura 21 muestra u n sistema qu e usa el rel digital como u n Dispositivo Electrnico Inteligente (IED) para

recoger datos para un sistema DCS. Un M dulo de Interfaz de Red (NIM) externo es usado para traducir

el protocolo de comu nicaciones del rel al del sistema DCS, par a lograr la integracin del sistema.


20/20

PlantaSistema DCS

NIM 1 NIM 2 NIM 3 NIM

Centro

EMS

Enlace de Datos alCentro EMS Visualizador

CRT delOperador

Local

M-3420

Rel 1

M-3430

Rel 2

Vendedor 1

Rel 3 Rel

Vendedor

Figura 21 Integracin del Sistema

CONCLUSION

Existen diversas reas funcionales de proteccin de generadores de 20 aos o ms que tienen deficiencias

significativas. Este ar tculo iden tifica tales reas de proteccin, ascomo los riesgos de no atenderlas debidam ente.

Asimismo, se presenta un a estrategia econmicamen te eficaz para mejorar la proteccin al nivel de las normas

actuales de la ind ustria mediante el uso d e rels de mu ltifuncin d igitales. La generacin constituye la inversin

de capital ms costosa en un a emp resa elctrica; el proteger esta inversin previniendo las fallas debera ser

una prioridad fundamental para las empresas pblicas de electricidad, ascomo para otros propietarios de

generadores.

REFERENCIAS

[1] ANSI/ IEEE C37.102-1986, "IEEE Guide for AC Generator Protection." (Gua de IEEE para la Proteccin de

Generadores C.A .)

[2] ANSI/ IEEE C37.101-1993, "IEEE Guide for AC Generator Ground Protection." (Gua de IEEE para la

Proteccin de Tierra de Generadores C.A .)

[3] ANSI/ IEEE C37.106-1987, "IEEE Guide for Abnormal Frequency Protection for Power Generating Plants."

(Gua de IEEE para la Proteccin contra las Frecuencias Anormales en Plantas de Generacin Elctrica)

[4] ANSI C50.13-1987, "American National Standard for Cylindrical Rotor Synchronous Generators." (Norma

N acional Americana para Generadores Sncronos con Rotor Cilndrico)

[5] ANSI/ IEEE C50.12-1982, "American N ational Standard Requirements for Salient Pole Synchronous

Generators and Generator/ Motors for Hyd raulic Turbine App lications."(Requisitos de las Normas Nacionales

Americanas para Generadores Sncronos de Polo Salient e y Generadores/M otores para Aplicaciones de Turbinas

Hidrulicas)

[6] IEEE Power Engineering Society Tutorial 95TP102, "IEEE Tutorial on the Protection of Synchronou s

Generators." (Documento Instructivo de IEEE sobre la Proteccin de Generadores Sncronos)

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