PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE ALTERNADORES
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CAPÍTULO VI
PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE ALTERNADORES
6.1 INTRODUCCIÓN
La protección de una central debe encararse desde dos puntos de vista, por una
parte se consideran elementos de protección destinados a prevenir la instalación
contra la acción de algunas fallas, esquivando o atenuando el peligro que se
cierne sobre ella, por otra parte la protección debe encargarse de separar con la
mayor rapidez posible el elemento dañado, no tan sólo para evitar su
destrucción completa, sino para impedir que la estabilidad del sistema
desaparezca y venga una interrupción general con todas sus consecuencias.
Con el desarrollo de los sistemas interconectados la técnica de protección ha
evolucionado, considerándose en primer lugar las medidas tendientes a
mantener la estabilidad del conjunto por la eliminación rápida y efectiva de los
elementos con falla y dejando al último las que tienden a la conservación de los
elementos. Ahora se dispone de elementos duplicados y aun triplicados de cada
especie y, además, por que cuesta más una hora de interrupción general que la
separación de un elemento perjudicado por sobrecarga.
6.2 PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES
Sobretensión, es una variación del potencia hacia arriba con tendencia a
sobrepasar en mucho la tensión normal y su perfil puede ser estático, es decir,
de duración apreciable, o una descarga eléctrica de cortísima duración formada
por un tren de olas. Cuando la sobretensión es estática, su origen está en el
viento que arrastra iones escapados de la tierra, o nubes cargadas sobre la línea
o sobre un objeto distinto, pero situado bajo el mismo campo eléctrico de la
línea. La protección de la línea es importante porque la planta sufre las
consecuencias de una mala protección debiendo considerarse medidas de
protección como ser: Empleo de uno o varios cables de guarda y elección de
rutas para la línea de bajo nivel tempestuoso.
La defensa contra descargas atmosféricas se encara básicamente en función de
pararrayos y coordinación de aislamientos, haciendo que la descarga se
produzca, primero en los pararrayos de unidad, luego en las boquillas del
transformador o generador, y al final, sólo en el caso de una descarga de
intensidad excepcionalmente alta, en los devanados de la máquina. Por fortuna
el aceite eleva en gran proporción, el nivel de aislamiento de los
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
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transformadores y no es difícil realizar la coordinación necesaria; pero en
transformadores secos, generadores y motores que no cuentan con ayuda
alguna, resulta difícil elevar el nivel de aislamiento, por lo cual se hace
indispensable que los pararrayos de unidad reduzcan el nivel de la falla para
que el aislamiento interior sea la ultima barrera que caiga bajo la potencia de la
descarga. Los pararrayos deben conectarse tomando en cuenta las siguientes
recomendaciones:
1.- Habrán de conectarse pararrayos, tanto en los bornes de los alternadores
como en los puntos neutros aislados de los arrollamientos de las máquinas.1
2.- Cuando la distancia en la instalación, medida en la línea de llegada, entre la
máquina y la entrada de la línea (la más alejada), exceda de 20 metros de
longitud (tomada al doble de su valor si se trata de cables), deberán instalarse
además pararrayos en las entradas de las líneas.
3.- Si la distancia hasta la entrada de la línea es inferior a 20 metros, se puede
suprimir los pararrayos en los bornes de las máquinas, pero no en los puntos
neutros, y ello cuando los pararrayos situados en las entradas de las líneas por
sus condiciones especiales sean aptos para la protección de las máquinas.
4.- Si en una instalación de muchos alternadores, la distancia máxima entre sus
bornes y las barras colectoras es inferior a 20 m.(o bien 10 m. para cable) los
pararrayos en los bornes de las máquinas pueden ser reemplazados por un
juego de pararrayos análogos, pero conectados a las barras colectoras. Por el
contrario, los pararrayos situados en los puntos neutros y en las entradas de las
líneas deben permanecer.
Los pararrayos como dispositivos de protección preventivos contra las
sobretensiones de origen atmosférico, no es preciso instalarlos cuando los
generadores van conectados con transformadores cuyo acoplamiento sea en
triángulo en el lado de menor tensión y en estrella en el mayor voltaje.
Las sobretensiones estáticas pueden producirse cuando se corta la corriente de
un alternador, la tensión en los bornes se eleva bruscamente y con un valor
igual a la baja de tensión que la tensión de la carga provoca en el arrollamiento
del estator. Por otra parte, el campo del alternador y por consiguiente la fuerza
electromotriz de la máquina, comienzan a crecer desde que desaparece la
1 ZOPPETTY, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1978 Pag.230
PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE ALTERNADORES
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reacción producida en el estator; el proceso se acentúa por las fugas del estator
cuando se acentúa la corriente de la máquina, pero esta queda cargada
capacitivamente, como ocurre en una línea de alta tensión conectada en vacío.
En el momento del corte de la carga, la velocidad del grupo comienza a crecer
y esta aceleración y el refuerzo del campo que ella provoca aumentan más
todavía la sobreelevación de tensión. Este proceso se acentúa cuando los
alternadores son movidos por turbinas hidráulicas, sobre todo las del tipo
Kaplan, y alcanza su máximo si las excitatrices principales y auxiliares
automáticos de tensión y de velocidad, frenan por así decirlo el aumento de
tensión, por lo que este es pasajero. Pero si fallase el dispositivo de regulación
de la tensión del regulador, el alternador estaría sometido a una sobreelevación
permanente de la tensión, al menos durante la marcha en vacío. En estas
circunstancias, es preciso que un relé de máxima tensión realice la
desconexión del interruptor y desexcite la máquina, el cual debe ser regulado
relativamente bajo para funcionar con cierto retardo, al objeto de evitar
desconexiones intempestivas cuando se produzcan sobreelevaciones pasajeras
de tensión.
En caso de fallo del dispositivo de regulación de la turbina hidráulica que
acciona el alternador, se producirá un embalamiento y el aumento de velocidad,
hará que crezca rápidamente la tensión a un valor elevado. Se emplean con este
objeto relés especiales que comprenden dos relés de máxima tensión de acción
instantánea con una tensión de desbloqueo independiente de la frecuencia. Uno
de los relés tiene una tensión de desbloqueo relativamente baja y da la orden de
desconexión que es transmitida por un relé temporizado, y el otro relé se regula
más alto para que funcione instantáneamente. Desbloqueando los relés de
máxima tensión se provoca la desconexión de los electroimanes de los
disyuntores de los alternadores, y de los de desexcitación.2
6.3 PROTECCIONES DE AISLAMIENTOS
El efecto de una sobretensión sobre un aislamiento es decisivo en el caso de
que aquella sobrepase la rigidez de éste y se repita durante cierto tiempo que
varía con la sobretensión en forma inversa. es decir para que un aislamiento se
perfore basta, o un solo impulso de potencial muy elevado, o dos impulsos de
valor más bajo, o tres aun menos intensos, etc. según la experiencia lo ha
demostrado en todos los casos, como si se tratara de fatiga de un resorte o de un
calor acumulado en un fusible; pero cuando el impulso llega a un cierto
mínimo de tiempo de fractura crece tanto que se hace infinito, para los fines
2 ZOPPETTY, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1978 Pag.231
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
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ordinarios, y entonces se tiene el valor de la rigidez dieléctrica mínima del
material.
La protección contra temperaturas elevadas se efectúa por medio de
termómetros, termostatos y otros dispositivos capaces de indicar al personal
de la planta la operación peligrosa, hacer funcionar una alarma, o directamente,
producir el disparo del interruptor que desconecta el elemento en peligro. En
virtud de la masa considerable de algunos elementos que retarda la elevación
de temperatura, se considera que el valor de ésta no es suficiente, por si sola,
para constituir una base de protección y generalmente se asocia con la
intensidad de la corriente que produce el calentamiento. De este modo se prevé
y corrige la elevación de temperatura antes de que sea demasiado tarde. La
combinación funciona como sigue:
a) Si la máquina o elemento por proteger tiene una temperatura baja, el
dispositivo no produce alarma o disparo, aunque pase por él una corriente
varias veces mayor que la normal, a condición de que no sea por un tiempo
tan largo que provoque, al final, calentamiento excesivo por acumulación
de calor.
b) Si el elemento tiene una temperatura cercana al límite de operación normal,
el dispositivo permitirá el paso de corriente normal; pero producirá alarma
o disparo si la intensidad excede a la normal.
El calentamiento de los arrollamientos de un alternador tiene lugar
esquemáticamente en dos escalones: es provocado por la sobreelevación de la
temperatura del hierro con relación al aire de enfriamiento, el cual se debe a las
pérdidas en el hierro, dependiendo esencialmente de la tensión de servicio, y de
la carga nominal y llega aproximadamente al 30% del calentamiento del cobre,
cuyo valor es proporcional al cuadrado de la corriente de carga y se suma al
calentamiento del hierro. Las pérdidas en este no son medidas en el relé
térmico, pero se adiciona su valor, que es fijo a las pérdidas en el cobre con
objeto de que la temperatura indicada corresponda a la temperatura del
devanado, para el calentamiento a plena carga. Con cargas parciales la
temperatura que indica el relé es un poco débil, pero este error de indicación se
corrige verificando cuidadosamente la escala de temperatura a la tensión
nominal.
La protección contra deterioros internos del aislamiento puede encararse a
través de:
PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE ALTERNADORES
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6.3.1 PROTECCIÓN DIFERENCIAL
La protección diferencial longitudinal, contrasta la igualdad de las intensidades
de las corrientes de fase, y la entrada y la salida en las dos extremidades del
dominio de protección. La protección diferencial es de acción rápida; cuando
las máquinas trabajan en paralelo, funciona selectivamente y produce la
apertura del interruptor del alternador averiado, para que pueda haber
seguridad contra esta clase de cortocircuitos, los dos grupos de transformadores
de corriente deben tener una característica idéntica de sobreintensidad. Los
relés diferenciales deberán ser además del tipo llamado de compensación.3
En la figura 6.1 tenemos 1 alternador, 2 transformadores de corriente, 3 Relé
diferencial compensado tripolar y contactores con varios contactos de fuerte
capacidad para indicar la fase averiada, 4 Interruptor del alternador, y 5
Interruptor de desexcitación.
El funcionamiento de la protección diferencial actúa sobre el interruptor del
alternador y el interruptor de desexcitación, pero también, si existe, sobre el
dispositivos de protección contra incendio.
Fig. 6.1 Protección diferencial compensada tripolar, de un alternador, de acción
rápida y selectiva en caso de cortocircuito entre fases y de dobles efectos a
tierra, y en que uno de ellos se encuentra entre los dos juegos de los
transformadores de corriente.
3 ZOPPETTY, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1978 Pag.235
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
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6.3.2 PROTECCIÓN POR POTENCIA INVERSA
Se emplea como protección contra los cortocircuitos entre fases, los
cortocircuitos entre espiras y también contra las puestas a masa de los
arrollamientos, para los alternadores sin punto neutro al exterior o de pequeña
potencia.
Los relés de potencia inversa son excitados por la componente inversa de la
potencia que aparece en caso de disimetría simultánea de las corrientes y de las
tensiones. Cuando se produce el cortocircuito, esta potencia se dirige siempre
del defecto hacia la red y se mide con filtros constituidos por resistencias y por
impedancias a 60o, derivadas de los transformadores de intensidad y de
tensión.4
En la figura tenemos 1 alternador, 2 transformador de intensidad, 3
transformadores de tensión, 4 filtros para la componente inversa de las
corrientes, 5 filtro para la componente inversa de las tensiones, 6 relé de
potencia, 7 disyuntor principal, 8 Interruptor de excitación. En servicio
equilibrado normal, el relé 6 no recibe ni corriente ni tensión, por lo que puede
hacerse muy sensible. Cierra el contacto cuando el origen del desequilibrio, por
la perturbación, está en la máquina.
Fig. 6.2 Protección por retorno de potencia accionado por las componentes inversas
de las corrientes y de las tensiones, y que actúa por cortocircuito entre fases,
arcos entre espiras y puestas a la masa con fuerte intensidad.
4 ZOPPETTY, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1978 Pag.236
PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE ALTERNADORES
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El relé señala en los alternadores los accidentes siguientes: cortocircuito entre
fases suficientemente alejado del punto neutro; cortocircuito entre espiras que
afecta al menos al 20% aproximadamente del arrollamiento de una fase; puesta
a masa a condición de que la disimetría producida sea bastante fuerte, es decir,
que se origine simultáneamente una segunda tierra en la red, o si el punto
neutro se halla conectado a tierra por débil impedancia. El cortocircuito
trifásico simétrico, no es acusado por el relé, si bien es cierto que la simetría
perfecta no se alcanza prácticamente. Con el empleo del relé de potencia
inversa es preciso prever también relés de máxima intensidad como reserva
para el cortocircuito trifásico, que son por otra parte, necesarios para las barras
colectoras.
La protección por potencia inversa es menos sensible que la diferencial y
también que las protecciones contra los defectos entre espiras y la masa, el relé
de protección por potencia inversa es temporizado por un contactor, entre 0,1 y
0,2 segundos para evitar las oscilaciones simultáneas con una variación de
potencia.
El contacto del relé actúa sobre el interruptor del alternador y sobre el de
desexcitación y en su caso también sobre el dispositivo de protección contra
incendios.
6.3.3 PROTECCIÓN CONTRA LOS DEFECTOS A TIERRA DEL
ESTATOR Un defecto a tierra del estator es debido a la perforación del
aislamiento de las espiras hasta el hierro próximo, y según demuestra la
experiencia, son las averías más frecuentes en las máquinas giratorias. En caso
de un defecto a tierra con el neutro aislado, que en servicio normal tiene el
potencial de la tierra, la tensión de aquel punto con respecto a la tierra aumenta
proporcionalmente a la distancia que existe hasta el lugar del defecto. De no
existir ningún dispositivo apropiado contra las puestas a tierra, pasará por el
lugar del defecto solamente la corriente capacitiva de la red o una corriente
residual si hubiesen bobinas de extinción. Si esta corriente dura cierto tiempo,
el defecto de aislamiento aumentará aunque la corriente sea relativamente débil
y a ello seguirá un cortocircuito con una de las otras fases. Por otra parte, la
avería dará origen a quemaduras del hierro del estator, lo que podrá exigir
reparaciones importantes.
La protección contra los contactos a masa del estator se efectúa con relés
diferenciales, si el neutro del alternador no se pone directamente a tierra a
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
188
causa de la diferencia de potencial que se manifiesta entre el punto neutro y la
tierra, en caso de avería.
6.3.4 PROTECCIÓN CONTRA LOS CORTOCIRCUITOS ENTRE
ESPIRAS
Esta forma de perturbación aparece sobre todo en los alternadores que tienen
un gran número de conductores por ranura, es decir en las máquinas de tensión
relativamente elevada y de potencia media. Las causas directas de estos
defectos son, en general, sobretensiones de origen atmosférico y también
deterioros mecánicos del aislamiento.
Un defecto de esta clase pone una espira en cortocircuito en el estator, la cual
comprende un sólo paso polar en los alternadores con arrollamiento imbricado
y por el contrario, en las máquinas con arrollamiento ondulado se extiende a
toda la periferia del estator.
Cuando una espira está cortocircuitada, la tensión de la fase con averías se
reduce en el número de voltios que las espiras en cortocircuito producirían,
para contribuir a la tensión total (en servicio normal) con una máquina sana y
en las mismas condiciones de excitación. La resultante vectorial de las
tensiones de fase, normalmente nula, es igual a la reducción de la tensión
mencionada anteriormente.5
Fig. 6.3 Protección contra cortocircuitos entre espiras de un alternador.
5 ZOPPETTY, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1978 Pag.239
PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE ALTERNADORES
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En la figura 6.3 se tiene 1 alternador, 2 Transformador, 3 Relés tripolares
contra circuitos entre espiras con contactores auxiliares, 4 Interruptor del
alternador, 5 interruptor de desexcitación. El grupo 2 de transformadores
trifásicos de tensión, con retorno de flujo magnético por la culata, está
conectado al alternador 1, y el punto neutro del arrollamiento primario esta
unido electrónicamente al punto neutro del alternador. Los dos arrollamientos
de baja tensión alimentan los relés de protección contra cortocircuitos entre
espiras, 3 provisto de tres sistemas Ferraris separados, de modo que los
arrollamientos llamados de polarización del relé serán excitados cada uno con
una tensión compuesta, y los arrollamientos de trabajo, conectados en serie,
serán excitados por las resultantes de las tensiones de fase del alternador. En
funcionamiento normal, esta resultante es nula, pero si se produce un
cortocircuito entre espiras, una tensión a la frecuencia normal actúa en el
circuito de trabajo; su magnitud depende de la amplitud de la avería, y su
dirección de la fase averiada. En el relé, el órgano monopolar cuyo
arrollamiento de polarización está sometido a la tensión compuesta de las dos
fases sanas es el que funciona. El contactor auxiliar cierra el circuito de
desconexión del interruptor principal y del interruptor de excitación, y también,
si la hay, la protección contra incendio, e indica asimismo la fase averiada.
6.3.5 PROTECCIÓN CONTRA DEFECTOS A TIERRA DEL ROTOR
Cuando el arrollamiento del rotor tiene su aislamiento averiado, puede
producirse un defecto a tierra. El circuito de excitación no está puesto a tierra y
por ello no es posible destacar un único defecto a la misma. Pero se comprende
que si una segunda puesta a tierra del rotor tiene lugar, una parte del
arrollamiento de excitación quedará cortocircuitado produciéndose vibraciones
peligrosas en el alternador. Por consiguiente, es necesario que una puesta a la
masa en el circuito de excitación de los grandes alternadores, sea señalada para
evitar las consecuencias a que podría dar lugar y proceder a reparar la avería en
la primera ocasión. En la figura 6.4 tenemos: 1 Alternador, 2 Excitatriz, 3 relé
de tierra del rotor con un pequeño transformador de tensión y condensador de
bloqueo, 4 bocina de alarma.
El arrollamiento secundario (unos 40 voltios) de un transformador inserto en el
circuito del relé de tierra, está conectado de un lado a la tierra y del otro lado al
circuito de excitación del alternador, a través de un relé de máxima intensidad y
de un condensador (todos estos aparatos van conectados en la caja del propio
relé). Puesto que la capacidad del circuito de excitación en buen estado es
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
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débil, el relé es atravesado por una corriente muy inferior a la de regulación
para el desbloqueo. En caso de un defecto a tierra la capacidad del circuito de
excitación queda cortocircuitada y por ello el relé se desbloquea y hace
funcionar la bocina de alarma.
Fig. 6.4 Protección contra los defectos a tierra de un rotor, para señalar los defectos
de aislamiento en el circuito de excitación.
6.4 DESEXCITACIÓN RÁPIDA (Fig. 6.5)
El dispositivo de desexcitación de una máquina eléctrica tiene por objeto
anular lo más rápidamente posible el campo magnético. En condiciones
normales de funcionamiento es deseable que quede una cierta imanación,
llamada remanente cuando la máquina está parada, por que gracias al débil
campo creado por la imanación remanente la máquina se excita de modo
automático al ser nuevamente puesta en marcha en el sentido conveniente. Lo
mismo ocurre a la excitatriz piloto que suministra la corriente inductora de la
excitatriz principal de un gran alternador. El hecho de que cuando la excitación
se suprime el campo magnético desaparece, total o parcialmente, no tiene por el
contrario ninguna importancia para la excitatriz principal y para el mismo
alternador, mientras la máquina no sea afectada por una avería interna. La
formación del campo está siempre encomendada a la excitatriz piloto.
Por el contrario, en el caso de un defecto en el aislamiento del devanado del
estator del alternador, es conveniente anular el campo tan rápidamente como
sea posible, y a la vez, tan completamente como es de desear, a causa de los
daños que un arco puede causar al cobre, a su aislamiento y a las planchas de
los circuitos magnéticos.6
6 ZOPPETTY, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1978 Pag.244
PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE ALTERNADORES
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Fig. 6.5 Montaje ordinario de desexcitación que comporta un conmutador de campo,
para alternadores de media y gran potencia.
El montaje de desexcitación más sencillo y también más económico es el que
separa el arrollamiento inductor de la excitatriz y lo pone en circuito con una
resistencia, conforme a la figura 6.5 En ella son: 1 Contacto principal, 1a
Contacto de cortocircuitado, 1b electroimán para la desconexión, 1c
electroimán para la conexión, 2 resistencia de descarga del inductor, 3
contactos de los relés de protección, 4 excitatriz.
6.5 RELÉS DE ÚLTIMA GENERACIÓN
Actualmente se han desarrollado los relés de ultima generación como el REL
561 producido por ASEA Brown Boveri, el mismo es un relé programable a
través de computadoras, que puede ajustarse a la necesidades del usuario y ser
utilizado como elemento de protección en diferentes partes de un circuito. Es
posible utilizar el mismo para la protección de Plantas eléctricas presentando
varias ventajas en cuanto a su operación.
La función básica de REL 561 es una protección diferencial de corriente,
evaluando la corriente de cada fase separadamente en ambos extremos
utilizando ambos, la amplitud de corriente y el ángulo de fase (comparación de
vectores segregada).
Mediante filtrado Fourier, se extraen todas las corrientes las componentes de
seno y coseno. Las seis componentes, dos por fase, son incluidas en un mensaje
que es transmitido a cada 5 mseg. al terminal remoto por un canal de datos
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
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sincrónico de 56/54 Kilobytes. El mensaje incluye también información
relativa a la supervisión, detección de saturación de Tls, sincronización de
terminales, disparo de transferencia directa, etc.
Este relé tiene como funciones opcionales las siguientes:
- Protección de distancia.
- Función de supervisión de fallo de fusible.
- Detección de oscilación de potencia.
- Protección de sobreintensidad de faltas a tierra.
- Reenganche automático.
- Comprobación de sincronismo y energización.
- Protección contra falla del interruptor.
- Localizador de defectos.
- Registrador de eventos.
- Registrador de perturbaciones.
- Facilidades de entradas/salidas opcionales.
- Comunicación serie remota opcional.
6.6 ESQUEMAS DE CONEXIONES DE LOS APARATOS DE
PROTECCIÓN, PARA LOS GENERADORES SÍNCRONOS DE
POTENCIA REDUCIDA, DE MEDIANA Y GRAN POTENCIA
Se considera como alternadores de gran potencia los que tienen al menos de 15
a 20 MVA; de mediana potencia los comprendidos entre 3 y 15 MVA, y los
menores a 3 MVA de pequeña potencia.
Mostramos primeramente el caso de alternadores que teniendo gran potencia,
funcionan en paralelo mediante barras colectoras.
El esquema de la figura 6.6, muestra la conexión eléctrica de los diversos
aparatos y relés que están numerados y representan:
1a y 1b. Para las sobretensiones de origen atmosférico: 1a, tres pararrayos
derivados de las barras ómnibus; 1b, un pararrayos derivado del neutro del
transformador, en el caso de que la distancia de las barras al generador no
exceda de 20 m.
2 Relé de máxima tensión temporizado, con desconexión instantánea para la
tensión límite y para subvenir a las sobretensiones de frecuencia normal.
PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE ALTERNADORES
193
3 Tres relés térmicos con desconexión automática para la corriente límite (caso
de sobrecarga).
4 Un relé temporizado que trabaja conjuntamente con los relés indicados en 3,
para cuando se produzcan cortocircuitos exteriores.
5 Para cada alternador un relé direccional, como protección de la puesta a tierra
estatórica.
5a También para proteger el alternador contra la puesta a tierra del estator y por
cada sistema de barras. Esta protección comprende los siguientes aparatos: un
transformador de puesta a tierra con dos arrollamientos secundarios; un
comprobador de tierra, tripolar; un relé temporizado; tres contactores de tierra;
dos resistencias; un transformador de tensión auxiliar; un interruptor de ensayo.
6 Para cortocircuito entre fases; tres relés diferenciales compensados.
7 Para cortocircuito entre espiras; tres relés vatimétricos.
8 Protección contra la puesta a tierra del rotor; indicador de puesta a tierra del
circuito rotórico.
10 Interruptor principal.
11a Disyuntor de excitación en el circuito de excitación principal con mando a
distancia.
12 Resistencia de descarga separada para disyuntor 11a.
13 Protección contra incendios.7
Se examinará a continuación el caso de alternadores de MEDIANA
POTENCIA conectados a las barras ómnibus y que funcionan en paralelo. El
esquema de conexiones es análogo con la única diferencia de la exclusión del
relé 7 (para cortocircuito entre espiras) y solamente conviene instalarlo cuando
se trata de alternadores importantes pero con varias barras por ranura del
arrollamiento inducido.
7 ZOPPETTY, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1978 Pag.250,253
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
194
Fig. 6.6 Gran Potencia Mediana Potencia Pequeña Potencia
La figura 6.6, también muestra la protección de alternadores que funcionan en
paralelo o independientemente en el caso de PEQUEÑA POTENCIA. Los
números del esquema representan: 1 para las sobretensiones de origen
atmosférico: tres pararrayos conectados a la línea; y si el neutro del alternador
es accesible se conectará a ese neutro un pararrayos.
2 Para las sobretensiones a la frecuencia normal: un relé de máxima tensión
temporizado con desconexión instantánea a la tensión límite.
PARA LAS SOBREINTENSIDADES.
3 Para las sobrecargas: un relé térmico, y dos relés de máxima intensidad
temporizados.
PARA LOS CORTOCIRCUITOS.
PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE ALTERNADORES
195
4 Para los cortocircuitos exteriores: un relé térmico y tres relés de máxima
intensidad temporizados.
AVERÍA EN LOS ARROLLAMIENTOS.
6 Para la puesta a tierra de las fases y para el cortocircuito entre fases: un relé
de potencia inversa (retorno de potencia).
COMO ACCESORIOS.
10 Interruptor principal.
11 Disyuntor de excitación en el circuito shunt de la excitatriz.
Cuando se trata de alternadores de potencia inferior a 100 KVA, no se instalan
dispositivos de protección especiales contra las averías internas, por su
excesivo coste. Son los relés contra sobrecargas los que deben reaccionar si hay
avería en los arrollamientos, aunque para ello es necesario que la red deba
suministrar una corriente lo suficientemente elevada que baste para alimentar
un cortocircuito interior. Pueden suprimirse los transformadores de intensidad y
emplear relés primarios con desconexión mecánica. Es de interés la protección
contra las sobrecargas y por ello a menudo se emplea un relé térmico
secundario conectado a un transformador de intensidad (con circuito de
desconexión por medio de un manantial de corriente independiente, excluido
como tal manantial el transformador de intensidad precitado). Para los relés de
máxima tensión puede emplearse el transformador de tensión como manantial
auxiliar de desconexión.
6.7 ACOPLAMIENTO ELÉCTRICO DE LOS ALTERNADORES
El único acoplamiento eléctrico que admiten los alternadores es en paralelo.
Para acoplar dos alternadores debe existir igual tensión en sus bornes, las
curvas de las fem sinusoidales deben tener igual amplitud máxima, el mismo
período y coincidencia de fases. Estas condiciones se refieren al caso del
acoplamiento de alternadores que funcionan en vacío, es decir, no
suministrando corriente a la red exterior; por que si se trata de dos generadores,
uno de los cuales está en servicio y el otro sin carga, no es necesario que las
amplitudes de las fuerzas electromotrices sean iguales, ni que haya
concordancia en las fases de las mismas. En efecto, para el alternador que está
en funcionamiento y aportando energía a la red, podemos construir el diagrama
de Behn-Eschenburg, estudiado en electrotecnia y que se refiere a un alternador
ideal en el que tiene lugar que la caída de tensión producida por la carga es
debida, únicamente, a la resistencia óhmica y a la autoinducción de su
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
196
arrollamiento. Esto, como es sabido, no ocurre en la práctica, por que la
pérdida de tensión de un alternador es debida también a otros factores ya
conocidos. Con aquella sola consideración, la pérdida de tensión es mayor que
el valor práctico que se obtiene; en las siguientes consideraciones admitiremos
que, la caída de tensión de un alternador, como consecuencia de la carga que
suministra a la red, es debida solamente a la resistencia y a la autoinducción de
su bobinado.8
El siguiente diagrama vectorial (Fig. 6.7) muestra las condiciones para el
acoplamiento de dos alternadores, en él se tiene:
E = Fuerza Electromotriz producida en una de las fases (tensión estrellada).
r I = Caída de tensión óhmica (siendo r la resistencia del arrollamiento de una
fase, I la intensidad de la carga que lo recorre).
w L I = Fuerza electromotriz de autoinducción, en la que w es la pulsación de
la corriente (314 para 50 períodos por segundo); L el coeficiente de
autoinducción del arrollamiento correspondiente a una fase, I la intensidad.
U = Tensión en los bornes, por fase (tensión estrellada).
La diferencia entre E y U, cuyos vectores están retrasados un ángulo, será la
caída de tensión con carga, correspondiente a la intensidad I.
Fig. 6.7 Acoplamiento de dos alternadores uno con carga y otro en vacío.
Para el acoplamiento de 2 alternadores 1 y 2 (Fig.6.7), el primero con carga y
el segundo en vacío, es necesario que, además de tener ambas sinusoides el
mismo período, sean iguales y estén en fase los vectores U y E1 aquel, es la
tensión en los bornes del alternador 1 y E1, el de la fuerza electromotriz del
alternador 2.
8 ZOPPETTY, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1978 Pag.256-258
PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE ALTERNADORES
197
Cumplidas estas esenciales condiciones, el acoplamiento podrá efectuarse
normalmente. Observemos que ello tendrá lugar a pesar que entre E y E1 no
exista coincidencia de fase, y además siendo E > E1; por consiguiente, cuando
las sinusoides de la fuerza electromotriz tengan un mismo período, para realizar
el acoplamiento bastará que los vectores U y E1 sean iguales y estén en fase, o
lo que es lo mismo, será necesario que sean iguales las tensiones eficaces en los
bornes de los dos alternadores. Fácilmente se comprende que en un alternador
en vacío, es decir, que no suministre corriente a la red, coinciden en magnitud y
fase los vectores de su fuerza electromotriz y la tensión de sus bornes.
Si los dos alternadores funcionasen con carga, el acoplamiento podría realizarse
cuando fuesen iguales y en concordancia de fases los vectores U1 y U2.
En el diagrama vectorial de dos alternadores, iguales o no, la situación de los
vectores de la fem depende de la posición respectiva de sus cabezas polares,
con respecto a las bobinas del respectivo inducido. En las figuras 6.8a y 6.8b
se representan las coronas de dos alternadores cuyas fuerzas electromotrices
están una de otra con retraso de fase.
(a) (b)
Fig. 6.8 Representación de una rueda polar en relación con el estator de un
alternador.
En la figura 6.8 b se aprecia que la corona polar está retrasada con respecto a
la de la 6.8 a, en un ángulo ß formado por los ejes A-B y C-D , que tiene por
valor en el espacio ß /p, siendo p el número de pares de polos del alternador, y
ß el ángulo que forman los vectores de las fuerzas electromotrices
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
198
correspondientes.
Se deduce de lo expuesto y lo indicado, en relación con el retraso de los
vectores de las fuerzas electromotrices, que cuando dos alternadores iguales
trabajen en paralelo llevando cada uno su carga respectiva, el funcionamiento
tendrá lugar en condiciones normales, aun cuando las coronas polares no
ocupen en el espacio la misma posición respecto al bobinado inducido. El
ángulo ß no puede tener cualquier valor, y si pasara del conveniente llegaría a
desaparecer el sincronismo.
6.8 MANIOBRA PARA EL ACOPLAMIENTO DE LOS
ALTERNADORES.
De las condiciones expuestas y necesarias para efectuar la maniobra de
acoplamiento, se desprende que lo primero que ha de hacerse, una vez puesto
en marcha el grupo que se va a acoplar, es actuar sobre el regulador de su
máquina para conseguir que la frecuencia sea igual a la de los otros
alternadores en funcionamiento.
Para determinar el valor de dicha frecuencia se recurre a frecuencímetros
dobles, cuyo objeto, como se comprende es el de apreciar las frecuencias
existentes en los grupos en funcionamiento y el alternador que debe acoplarse.
Las lecturas de ambas escalas indican la forma como debe actuarse sobre el
regulador de la máquina motora del generador que se va a acoplar, con objeto
de aumentar o disminuir su número de revoluciones y para obtener la igualdad
de dichas frecuencias. Conseguido esto se excita el alternador por medio del
reóstato correspondiente, hasta alcanzar el voltaje de los demás alternadores
que ya están en marcha, y esto se aprecia por medio de voltímetros de
construcción corriente, siendo muy usados los electromagnéticos tarados para
trabajar con corriente alterna y que se conectan derivados sobre el circuito del
alternador respectivo.
Queda pues, para efectuar el acoplamiento, aprovechar los instantes en que
coinciden las fases de las tensiones de los bornes de los alternadores, y ello se
ha observado en la forma que a continuación se indica.
Supongamos dos alternadores que generan corriente a alta tensión, por lo cual
todos los aparatos de medida y maniobra deberán ser conectados a
transformadores de tensión para aislar aquellos del alto voltaje (Fig.6.9). Sobre
los citados transformadores, derivados de las mismas fases de ambos
PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE ALTERNADORES
199
alternadores, se conecta una lámpara, la cual se enciende y apaga seguidamente
funcionando con una frecuencia que es la resultante de las correspondientes a
las de las sinusoides de las tensiones en los bornes de los alternadores.9
Fig. 6.9 Dispositivo para el acoplamiento de dos alternadores por el método de
"Lámpara apagada".
Fig. 6.10 Curvas de las f.e.m. de dos alternadores que demuestran el momento que
existe coincidencia de fase.
Como indica la figura 6.10, en la que aparecen las dos curvas sinusoidales,
pero con frecuencia distinta, el apagado tendrá lugar en los instantes t1 y t3, y el
encendido máximo en los t2, etc. En los primeros las tensiones de ambas curvas
son iguales y coinciden en fase, por lo cual la diferencia de voltaje aplicado a
los bornes de la lámpara será nulo. En el instante t2, las tensiones están en
oposición, sumándose sus valores, y por ello la lámpara estará sometida al
mayor voltaje de trabajo.
Se desprende de lo expuesto que cuanto mayor sea la diferencia de frecuencia,
con mayor rapidez se efectuará el apagado y encendido de la lámpara. Esta, por
9 ZOPPETTY, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1978 Pag.259-252
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
200
consiguiente, sirve también para observar la marcha de la frecuencia, y cuanto
más iguales sean las de ambos alternadores, con mayor lentitud tendrá lugar la
variación de voltaje en los bornes de la lámpara.
Cuando las frecuencias sean iguales, se producirá durante unos instantes la
concordancia de fases, siendo iguales V1 y V2, la lámpara permanecerá
apagada durante este corto tiempo, que debe aprovecharse para conectar el
alternador por medio de su interruptor correspondiente.
Durante la operación de acoplamiento, habrá que actuar sobre el regulador
automático de la máquina que se va a acoplar, ayudándose de las lecturas del
frecuencímetro y de las indicaciones de la lámpara. También es preciso afinar
la excitación, pues a medida que la máquina se va calentando, aumenta el valor
de la resistencia en los arrollamientos, originando una mayor caída de tensión.
Si el acoplamiento se efectuara existiendo una ligera variación entre los valores
de las frecuencias o con una pequeña separación de fases, se corregirán
automáticamente ambos defectos por la acción de la potencia sincronizante.
El acoplamiento indicado se conoce con el nombre de lámpara apagada, pero
puede hacerse también a lámpara encendida, bastando para ello invertir las
conexiones que salen del transformador de medida y entonces el momento de
coincidencia de las fases se obtendrá cuando la lámpara tiene su mayor
brillo.(Fig. 6.11)
Fig. 6.11 Esquema de conexiones para el acoplamiento de dos alternadores
"Método de la lámpara encendida".
En vez del empleo de lámparas para determinar la coincidencia de las fases, se
utilizan muy a menudo aparatos llamados sincronoscopios. Uno de ellos es el
indicado en la figura 6.12. que necesita, en el caso de alto voltaje, disponer de
PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE ALTERNADORES
201
transformadores trifásicos de medida para la conexión de las lámparas que
forman el aparato. Estas son tres y se conectan según aparece en la referida
figura. La lámpara a se emborna en las mismas fases de los respectivos
alternadores siendo conectadas las otras, a fases alternadas. En este caso a lo
esta entre 2 y 2, b entre 1 y 3, y c entre 3 y 1.
Fig. 6.12 Sincronoscopio para el acoplamiento en paralelo de dos alternadores.
Cuando no existe sincronismo las tres lámparas se encienden y apagan
sucesivamente, pero el sentido en que se van apagando depende de que la
frecuencia del alternador que trata de acoplarse, sea mayor o menor que la de
los grupos en servicio. Como este sentido resulta del modo en que se hayan
conectado las lámparas a las respectivas fases, será preciso hacer una prueba
por una sola vez, pudiendo así conocer en que sentido se produce el apagado
cuando existe mayor o menor frecuencia en el grupo que se trata de acoplar.
Las lámparas se instalan detrás de un vidrio deslustrado, y de esta forma
aparece una sombra que gira en uno u otro sentido con mayor o menor
velocidad.
PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE ALTERNADORES
203
Fig. 6.9 Secuencia de puesta en paralelo (La Chojlla)
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
204
Actualmente unidades modernas como las de las Plantas La Chojlla y
Yanacachi administradas por la empresa Hidroeléctrica Boliviana, poseen un
sistema completamente automatizado de la puesta en paralelo de una central, la
pantalla mostrada en la Fig. 6.9 permite observar toda la secuencia de pasos
que se siguen automáticamente para efectuar la maniobra, la misma se inicia
con sólo pulsar el ícono correspondiente de la pantalla.
Los 11 pasos de la secuencia de arranque tiene establecidos sus tiempos
máximos de duración, de tal manera que en un lapso muy corto de tiempo
(aproximadamente 15 minutos) la unidad puede ser conectada al SIN. De
todas maneras cuando uno de los pasos establecidos no se concreta, es
necesaria una inspección para establecer las causas del retardo o imposibilidad
de efectuar la maniobra.
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