Laboratorio de Protecciones Elctricas y Telecomunicaciones

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONALFACULTAD REGIONAL AVELLANEDA

Laboratorio de Protecciones Elctricas y Telecomunicaciones

8- Protecciones de Generador.

Contenido:

1- Conceptos generales.2- Disposicin del transformador en la red.3- Tipos de fallas en generadores.4- Proteccin falla fase a tierra en estator.5- Proteccin falla estator.6- Proteccin falla rotor.7- Perdida de excitacin.8- Proteccin ante perdida de sincronismo. 9- Proteccin de frecuencia.10- Ensayo en proteccin.

1) Conceptos Generales:

Los generadores son los componentes del sistema de potencia, ms costosos y que estn afectados por la mayor cantidad de fallas y perturbaciones.

De este modo a los generadores hay que proveerlos de sistemas de proteccin complejos y confiables, con una variedad de rels especializados en la deteccin de cada una de las perturbaciones que pueden afectarlos.

Los rels de proteccin de generadores, no deben producir solamente la apertura del interruptor principal, sino tambin iniciar la desexcitacin y proveer el bloqueo de la mquina primaria, cerrando las vlvulas de vapor, de combustible o de acceso de agua.

Un generador sincrnico, convierte energa mecnica en elctrica. La potencia mecnica del impulsor gira en el eje del generador, en el cual el campo de corriente continua est instalado.

Estator

ExcitacinMquina PrimariaRotorLas mquinas sincrnicas, son clasificadas en dos diseos principales, mquinas de rotor cilndrico y mquinas de polos salientes.

Los generadores impulsados por turbinas de vapor tienen rotores cilndricos con ranuras, en las cuales son colocados los bobinados de campo distribuidos. El nmero de polos es habitualmente dos o cuatro.

Los generadores impulsados por turbinas hidrulicas, tienen rotores de polos salientes laminados, con bobinados de campo concentrados y un gran nmero de polos.

Modelado de cortocircuito de generado sincrnico:

Secuencia positiva (X1):

Se usan tres valores de reactancia de secuencia positiva. En el circuito equivalente de secuencia positiva, Xd es la reactancia subtransitoria, Xd es la reactancia transitoria y Xd es la reactancia del generador en el eje directo. Todos estos valores en eje directo son necesarios para calcular los valores de corriente de CC, en diferentes tiempos luego de ocurrido un cortocircuito. El valor de reactancia subtransitoria es generalmente la ms baja y la usada para el clculo de cortocircuitos para la aplicacin en rels. La reactancia transitoria, es usada para estudios de estabilidad.

Secuencia Negativa (X2):

El flujo de corriente de secuencia negativa, es de rotacin de fase opuesta a travs de la mquina y aparece como una componente de doble frecuencia en el rotor. En una mquina de polos salientes, la secuencia negativa es el promedio de la reactancia subtransitoria en el eje directo y en eje en cuadratura [X2 = (Xd + Xq) / 2]. En una mquina de rotor cilndrico X2 = Xd.

Secuencia cero (X0):

La reactancia de secuencia cero, es menor que los valores de secuencia positiva y negativa. Esto es debido a los altos de corriente de falla a tierra, se coloca una impedancia en la trayectoria de puesta a tierra en el neutro, excepto en generadores muy pequeos.

Fallas en el generador:

Curva de decaimiento de corriente:

2) Disposicin de generadores en la red:

3) Tipos de fallas en generadores:

Fallas de origen interno:

- En el estator:

Fallas fase a tierra. Fallas entre fases. Fallas entre espiras de una misma fase.

- En el rotor:

Bobinado rotorico a masa. Perdida de excitacin.

Fallas de origen externo:

Sobrecargas y otras causas de sobrecalentamiento del estator. Asimetra de la carga. Sobretensiones. Motorizacin. Subfrecuencia. Sobrefrecuencia. Perdida de sincronismo.

Fallas fase a tierra en el estator: La causa de este tipo de falla, es la falla de la aislacin. Si no se toman debidas precauciones, los efectos de estas fallas pueden ser sumamente graves.

Por esta razn las corrientes de falla a tierra se limitan drsticamente en grandes generadores. Se emplea con este fin una resistencia entre el centro de estrella y tierra, que limita los valores de corriente a valores entre 5 y 400 amperes, segn el tipo de mquina. Para la resistencia a instalar, se tiene en cuenta la capacidad distribuida del estator y del transformador en bloque.

Conexin entre punto neutro y tierra: Existen diferentes maneras de conectar el neutro a tierra, como se demuestra en el siguiente esquema.

La puesta a tierra slida, sin impedancia intercalada, solo se aplica a generadores pequeos de baja tensin.

En el caso de generadores que generan en alta tensin, se inserta usualmente una impedancia para limitar la corriente de falla a tierra. Los valores ms comunes son:

- Corriente nominal del generador. - 200 400 Amp (puesta a tierra de baja impedancia)- 5 20 Amp (Puesta a tierra de alta impedancia)

La eleccin de la corriente de falla, no responde solo a la necesidad de preservar las lminas del ncleo magntico, sino tambin a las sobretensiones transitorias que aparecern a travs de arco. Estas sobretensiones, tienen lugar por la descarga de las capacidades contenidas en todos los componentes vinculados galvnicamente (Capacidad de las tres fases del estator, cables de vinculacin con el transformador principal, cables de vinculacin con el transformador auxiliar, capacidad de los bobinados primarios de los transformadores)

Para limitar estas sobretensiones a valores que soporte la aislacin, la resistencia total del circuito estatrico, incluyendo la resistencia de puesta a tierra del ncleo, no debe exceder la impedancia a frecuencia del sistema, de la capacidad acumulada.

Teniendo en cuenta, que la resistencia de los arrollamientos estatoricos es despreciable, la resistencia del ncleo no debe exceder el valor:

Donde C es la capacidad acumulada del sistema de generacin.

En la prctica, se suele conectar esta resistencia a travs de un transformador de relacin de transformacin N.

Ejemplo:

Potencia Nominal = 300 MWTensin nominal entre fases = 20 kVCapacidad a tierra de cada fase = 0,25 uFTensin nominal del transformador de unidad = 500/20 kVCapacidad a tierra de cada fases, lado 20 kV = 0,007 uFCapacidad a tierra de cada fase conexin transformador / generador = 0,002 uFCapacidad total a tierra de las partes galvnicamente conectadas: CT = 0,777 uF

Impedancia capacitiva total:

En este caso, se debe utilizar una resistencia RN = 4098 ohms, por el que circular una corriente de falla igual a:

Conectando la resistencia a travs de un transformador 20000V/250V; la resistencia conectada al secundario ser:

La corriente de falla mxima, en el secundario del transformador resultara:

El transformador en donde se conectar la resistencia, debe cumplir con ciertos requisitos.

En primer lugar, no debe saturarse, para evitar condiciones de ferroresonancia. Para ello, se considera que la FEM del codo de saturacin del bobinado primario, se site en 1,3 veces la tensin nominal del generador. Para el ejemplo anterior la tensin en el primario del transformador debe ser Up = 20kV *1,3 = 26 kV.Por otro lado, hay que tener en consideracin la aislacin del bobinado primario. Siguiendo el ejemplo, la tensin aplicada durante una falla a tierra es 20kV/w3 = 11,5 kV. Considerando la excitacin forzada del generador, puede llegarse a 15,8 kV; por lo que se necesitara una aislacin normal, compatible con ese valor.Se debe tener en cuenta, la potencia de falla mxima que soportar el transformador y teniendo en cuenta la excitacin forzada.

Fallas entre fases: En esta caso las fallas se deben tambin al envejecimiento o deterior de la aislacin. Aunque en principio puedan no afectar al ncleo estatrico, si la falla es sostenida los efectos sobre el laminado de ste, se manifestarn irremediablemente, teniendo en cuenta que este tipo de falla no tiene una limitacin de corriente, como las fallas de fase a tierra.

Las fallas entre fases, pueden producirse en las cabezas de bobinas o dentro de las ranuras, si el bobinado involucra fases distintas en la misma ranura. En este caso, la evolucin hasta el ncleo se produce en muy poco tiempo.

Fallas entre espiras de la misma fase: Estas fallas no son comunes, pero si muy posibles y en el caso de arrollamientos ondulados, pueden llegar a involucrar a la totalidad de las espiras. En todos los casos involucran muy elevadas corrientes locales, produciendo severos daos al ncleo si no es despejada.

Puesta a tierra del arrollamiento rotrico: el arrollamiento de excitacin trabaja aislado de tierra, pero pueden ocasionarse problemas de aislacin y puesta a tierra accidental. En principio la mquina puede operar con una sola puesta a tierra del arrollamiento; pero se ha comprobado que luego de la aparicin de una primera puesta a tierra es altamente probable que se produzca una segunda puesta a tierra ms o menos rpidamente.

Una doble puesta a tierra en la bobina del rotor es sumamente grave, dado que da lugar a altas corrientes locales, sino tambin a desbalances del campo magntico, con las consiguientes vibraciones.

En la figura anterior, puede verse en forma esquemtica como se distribuye el flujo magntico en al caso de un rotor, con su bobinado parcialmente cortocircuitado. Siendo la fuerza de atraccin magntica igual a:

Donde B es la densidad de flujo y A; el rea ocupada por las lneas de flujo.

Se puede observar, que en el sector con ms lneas de flujo, se producir una mayor fuerza de atraccin que en el lado contrario. Cuanto mayor es la cantidad de espiras involucradas, mayor es la diferencia de densidad de flujo.

Prdida de excitacin: La prdida accidental de la excitacin de un generador, responde a varias causas. Pueden ser de origen interno, como ser el corte de un conductor del arrollamiento rotrico, o el caso de una falla del sistema de excitacin. En otros casos responden a causas externas, como ser una mala maniobra del interruptor de excitacin.

Si el generador pierde su excitacin y se encuentra conectado a una red en la que hay otros generadores, pasa a trabajar como generador asincrnico. En este caso entrega toda la potencia activa de la mquina primaria, pero la red ve al generador como una carga reactiva inductiva y la corriente elctrica asociada al conjunto de potencia activa ms reactiva, puede tomar valores tan altos como para producir cadas de tensin en la red, que determinen fuertes oscilaciones e incluso la prdida del sincronismo, adems del calentamiento de los arrollamientos estatricos.

Por otro lado, al trabajar como mquina asincrnica, se produce un resbalamiento que ser mayor, cuanto ms grande sea la potencia activa. Este desplazamiento producir corrientes parsitas que aumentarn con el deslizamiento.

Esto puede ser peligroso en el caso de generadores con el rotor macizo, generndose corrientes tan grandes que pueden generar deformaciones en el rotor.

Sobrecargas y sobrecalentamiento del estator: El origen de las sobrecargas, es la mala operacin de la mquina, fallas en el regulador de velocidad o en el limitador de carga.

Las corrientes asociadas a condiciones de carga activa y reactiva, fuera de las curvas de capabilidad, las que dan lugar a calentamientos.

Lmite del Estator (Calentamiento = Is2*R)Limitado por Limitador de corriente de estator.Lmite del rotor (Calentamiento = If2*Rf)Limitado por limitador de excitacin.Incremento de la presin de refrigeracin.Lmite trmico fin de bobina y ncleo. Limitado por el limitador de mnima excitacin.

Adems, los sobrecalentamientos pueden ser producidos por falla en el sistema de refrigeracin, o por el sobreflujo asociado a problemas en la excitacin.

El sobreflujo se produce cuando la relacin tensin/frecuencia es demasiado alta. En esas condiciones el ncleo se satura debido a la alta densidad de flujo magntico, dando lugar a una dispersin que alcanza a partes constructivas que no estn diseadas para conducirlo.La sobreexcitacin tiene lugar por una tensin excesiva, por frecuencia baja o por una combinacin de ambas cosas. El sobreflujo puede ser transitorio, como en el caso de un rechazo de carga, pero no dura lo suficiente como para provocar daos. Un sobre flujo sostenido puede darse, durante la puesta en marcha de un generador, si la excitacin se aplica demasiado rpido y el regulador de tensin est en servicio.Asimetra de la carga: La asimetra de la carga de un generador puede ser consecuencia de fallas serie en la red, apertura de una fase, discordancia de polos en interruptores, fallas asimtricas sostenidas en la red, fallas a tierra que no son eliminadas rpidamente por las protecciones.

Cuando un generador est generando potencia en forma asimtrica, a la corriente de secuencia negativa, que compone la corriente total de las fases, se asocia un campo magntico estatrico tambin de secuencia negativa. Este componente gira en sentido contrario al rotor, induciendo en el rotor y en las barras del arrollamiento de excitacin, corrientes parasitas de frecuencia doble a la del sistema. En los generadores de rotor macizo, sin arrollamiento amortiguador, las condiciones de diseo son tales que las corrientes de secuencia negativa admisibles, no pueden ser ms de 10% a 15% de la corriente nominal de carga.

En diseos modernos con refrigeracin por hidrogeno y conductos de refrigeracin del rotor, la tolerancia puede ser an menor, por ejemplo del 6%.

En todos los casos, la capacidad de tolerar esa situacin sigue una ley muy inversa al valor de corriente de secuencia negativa.

El calentamiento de corto tiempo, es de inters en el caso de fallas en la red. En estas condiciones el calentamiento puede ser de acuerdo a la siguiente ley:

Donde:

I2: Componente de secuencia negativa de la corriente nominal.t: Tiempo en segundos.K: Constante proporcional a la capacidad trmica del rotor.

Para calentamientos durante un perodo de ms de unos pocos segundos, es necesario tener en cuenta la disipacin.

Donde I2R es el componente de secuencia negativa, tolerable en rgimen continuo de la corriente expresada en por unidad.

Sobretensiones: Adems de las sobretensiones transitorias de origen externo a la red, distintas maniobras pueden dar lugar a sobretensiones, las cuales pueden ser transitorias o permanentes.Pueden tambin producirse sobretensiones, como consecuencia de fallas en automatismos asociados a las protecciones o maniobras en los interruptores. Por ejemplo, la falla del interdisparo de una lnea de longitud apreciable, da lugar a sobretensiones asociadas al efecto capacitivo de la lnea en vaco. El incorrecto funcionamiento del regulador automtico de tensin puede ser una fuente importante de sobretensiones.

Motorizacin: La motorizacin de un generador, se produce cuando se pierde la fuerza motriz primaria. Esto puede ocurrirse por cierre accidental de las vlvulas de vapor en los grupos generadores de este tipo, por cierre accidental de las vlvulas de combustible o bloqueo de los filtros de las turbinas o en los grupos diesel, o cierre accidental de las vlvulas de pasaje de agua en los generadores accionados por mquinas hidrulicas.

Este tipo de perturbacin tiene distintos tipos de efectos: uno sobre el sistema de potencia, que deja de recibir potencia de la mquina, sino tambin debe aportar la potencia para que el generador funcione como mquina sincrnica y arrastre a la mquina primaria.

En el caso de las turbinas de vapor, se produce una accin ventilante con el aire y el vapor atrapados, lo cual tiene un efecto desfavorable sobre los alabes, provocando su rotura. En algunos grupos pequeos que tienen una caja de reduccin entre la turbina y el generador, puede provocarse la rotura de los engranajes, los cuales no estn preparados para trabajar en sentido inverso.

En motores diesel, al perderse la fuerza motriz primaria el generador pasa a trabajar como compresor alternativo y existe grave peligro de rotura, o torcedura del cigeal o de las bielas del motor, por contra explosiones.

En lo que se refiere a la potencia que los distintos tipos de mquinas requieren del sistema cuando pierden la fuerza motriz primaria, tambin existen sustanciales diferencias. En trminos muy generales, podemos considerar los siguientes valores:

Turbinas de vapor de condensacin: Entre 1% y 3% de su potencia nominal. Turbinas de vapor de contrapresin: Hasta 6% de su potencia nominal. Turbinas de gas con compresor en el mismo eje: 50% de su potencia nominal. Turbinas de gas tipo "jet": Menos del 2% de su potencia nominal. Motores diesel: Entre 10% y 25% de su potencia nominal. Turbinas hidrulicas con rodete fuera del nivel de agua: Entre 0,2% y 2% de su potencia nominal. Turbinas hidrulicas con rodete sumergido: Ms del 2% de su potencia nominal.

Subfrecuencia: Las condiciones de subfrecuencia, en un sistema de potencia, son originadas por desbalances entre la potencia total generada y la requerida por la carga. Esto puede estar debido, a la salida de servicio intempestiva de un generador de gran potencia en la red.

En las mquinas de turbo vapor, el funcionamiento por debajo de la frecuencia nominal, puede aparejar la aparicin de resonancia en los alabes de la turbina de baja presin, para los cuales la frecuencia de resonancia, est muy cerca de la frecuencia nominal. El desgaste que provoca este efecto, hace que se limiten estas condiciones de trabajo, a unos 10 minutos como mximo, durante toda la vida til de la mquina.

Debe considerarse tambin, que la subfrecuencia puede provocar sobre flujos producidos por sobreexcitacin, los cuales pueden producir calentamientos excesivos en el estator.

Se debe tener en cuanta, a nivel de servicios auxiliares, que la falta de potencia entregada por el generador, no produzca la salida de servicio de las bombas auxiliares por alivio de carga.

Sobrefrecuencia: La sobrefrecuencia se produce en un sistema de potencia por un desbalance entre la carga total y la potencia generada. En este caso la situacin puede resultar de la prdida intempestiva de grandes bloques de carga. En cada mquina individual, la condicin de sobrefrecuencia se asocia a la desconexin accidental del interruptor que la vincula a la red y su embalamiento.Las sobrefrecuencias porcentualmente bajas pueden tener efectos sobre la respuesta de las protecciones y en el rendimiento de los servicios auxiliares. Por ello deben ser analizadas y tenidas en cuenta.El embalamiento de una mquina puede producir la rotura del generador o de la mquina primaria y debe ser evitado. El diseo de los turbogrupos hidrulicos se realiza teniendo en cuenta valores de sobrevelocidad compatibles con la imposibilidad de cerrar rpidamente las vlvulas que detienen el flujo de agua si se quiere evitar el "golpe de ariete"

Prdida de sincronismo: La prdida del funcionamiento sincrnico de las mquinas es un problema vinculado a la estabilidad de la red. Puede ser originado por inestabilidad transitoria, inestabilidad dinmica o inestabilidad estacionaria. En el primer caso es efecto de grandes perturbaciones, en el segundo caso se debe a la prdida de amortiguamiento, del que resultan oscilaciones de potencia que en ciertos casos llevan a la prdida de sincronismo, y en el tercer caso resulta de un exceso de transferencia en relacin a la capacidad de la red.La prdida de sincronismo de los generadores da como resultado grandes sobrecorrientes variables y esfuerzos electrodinmicos capaces de provocar daos a las mquinas, adems de perturbaciones en la red y en el funcionamiento de las cargas. Si un generador est vinculado a una gran red a travs de una lnea corta, las probabilidades de prdida de sincronismo son en general menores, pero cuando eso sucede los efectos apuntados son ms graves.

4) Proteccin contra fallas fase a tierra en el estator: La proteccin contra fallas fase a tierra en un estator, debe cumplir con las siguientes premisas.

a) Detectar fallas a tierra, que se produzcan en cualquier punto de la totalidad de los bobinados, incluyendo el centro de estrella.b) Desconectar, en ese caso al generador lo ms rpido posible, abriendo el interruptor principal, facilitando la desexcitacin y cortando la alimentacin de la energa primaria.c) Actuar selectivamente, con otras protecciones de la red.d) Ser sensible como para detectar las corrientes de frecuencia fundamental, de las fallas a tierra del estator, tal como son limitadas por la resistencia de puesta a tierra del neutro, pero insensible a las corrientes de tercera armnica que circulan por el neutro en operacin normal.

Para cumplir con esta selectividad, se debe diferenciar, entre un generador conectado directo a la red, y uno conectado a travs de un transformador en bloque.

Para el caso de grandes generadores, es usual que estos se conecten a la red, a travs de un transformador en bloque y no en forma directa. Esto se debe a la vinculacin de los generadores a la red de alta tensin.En estos tipos de generadores, la vinculacin el neutro a tierra, se realiza por medio de una resistencia limitadora, en forma directa o travs de un transformador, para evitar daos en el ncleo magntico.

- Proteccin de Sobrecorriente o Sobretensin en la conexin a tierra del punto neutro. La forma ms adecuada de detectar fallas de fase a tierra, en generadores conectados a la red a travs de un transformador, es detectando la corriente que circula de neutro a tierra. Esta corriente puede indicar falla en el estator del generador, en la conexin al transformador en bloque, o en el primario del transformador. No se detectan las fallas desde el secundario del transformador, debido a que estos transformadores cuelen ser Estrella-Triangulo y la corriente homopolar no pasa al generador.

En estos casos, un rel de sobrecorriente conectado en la puesta a tierra del neutro, a travs de un transformador de intensidad, o un rel de mxima tensin que mida la cada de tensin que provoca la corriente de falla en la puesta a tierra; resulta suficiente para lograr una proteccin selectiva e instantnea.

Dada la limitacin de la corriente de falla, se requiere de mucha sensibilidad, especialmente en caso de mayor limitacin de corriente. Esta sensibilidad, puede confundirse con la corriente homopolar en servicio normal y que se cierran a travs de las capacidades del generador, conexin al transformador en bloque y primario del transformador.

Se emplean, rels de mxima tensin o de sobrecorriente con filtros que eliminan la tercera armnica.

A pesar de la sensibilidad de los rels modernos, no es posible lograr una proteccin del 100% del estator, ya que las fallas cercanas al punto neutro dan lugar a una corriente, excesivamente baja.

Para el ejemplo desarrollado anteriormente, se calcula la corriente para una falla en el primer 5% de bobinado:

En este caso, se desprecia el valor de impedancia del sector involucrado.

La corriente en el secundario del transformador de puesta a tierra es:

Si se utiliza un rel de mxima tensin, para detectar la falla debera ser regulado a:

Ciertos transitorios de fallas fuera del generador, pueden dar lugar a accionamientos espurios de una proteccin muy sensible, de modo que resulta necesaria una temporizacin tanto para un rel de sobrecorriente, como de sobretensin. Suele recomendarse retardos de tiempo inverso, con un rango de operacin entre 0,5 y 3 segundos. Es posible tambin una combinacin entre una caracterstica de tiempo retardado y tiempo instantnea. En general las protecciones descriptas hasta aqu, cubren entre el 90 y 95% del estator.

Una forma ms moderna de proteccin es medir la tercera armnica, que aparece entre bornes de la resistencia de puesta a tierra. Ante una falla cercana al centro de estrella, la tensin de 3ra armnica cae hasta un valor cercano a cero, de modo que puede detectarse con un rel de mnima tensin. En la medida que la falla se aleja del punto neutro, la tensin de tercera armnica crece, pero ms all del 20 o 30% del bobinado ya no es posible discriminar entre un bobinado sano o en falla. Es por esto, que esta proteccin debe combinarse con una proteccin convencional de 90 95%. Por otro lado, la tensin de 3ra armnica depende de la potencia generada y una potencia baja, puede confundirse con una falla cercana al neutro. Debe combinarse con un rel de sobrecorriente o de potencia, con una lgica de inhibicin.

Otro ejemplo de clculo:

1) Calculo de la tensin Lnea Neutro:

Proteccin de tensin residual

En condiciones normales o en caso de fallas despus del transformador de bloque, la tensin tomada en bornes del generador no contiene componente de secuencia cero. Cualquier falla a tierra en el generador o en el primario del transformador de bloque da lugar a una componente de secuencia cero que puede ser detectada mediante el esquema siguiente.El rel debe ser insensible a la frecuencia de tercer armnica, ya que en condiciones normales estar siempre presente una tensin residual de esa frecuencia.Hay que tener en cuenta que esta proteccin no es lo suficientemente sensible para abarcar el 100 % del bobinado, de modo que si se requiera que la proteccin cubra el 100 % debe complementrsela de forma similar a lo ya visto.Si se usan transformadores de tensin trifsicos, debe tenerse en cuenta que deben ser capaces de transformar adecuadamente la tensin residual por lo que estos no pueden ser de 3 columnas sino del tipo acorazado, a dems de tener el punto neutro conectado a tierra.

Generadores conectados a la red en forma directa.

En este caso, la proteccin instantnea basada en la deteccin de corriente por neutro no sera selectiva, ya que por all circulara corriente tambin cuando la falla est en la red.La manera de lograr una proteccin selectiva vara segn se trate de un nico generador o de varios. A su vez, si existen varios generadores, vara segn se trate de un nico generador conectado a tierra en su centro de estrella y el resto aislado, o se trate de una configuracin donde todos los generadores tienen sus neutros conectados.

nico generador:

Es usual que estos generadores que normalmente son de bajas potencias, estn conectados a tierra a travs de una resistencia de bajo valor o en forma directa. Por ello una proteccin de sobre corriente temporizada en la conexin a tierra del neutro es suficiente. Como alternativa puede ser una proteccin de mxima tensin temporizada si el valor de resistencia de puesta a tierra del neutro es suficientemente elevada como para detectar la cada de tensin que en ella produzca una corriente de falla a tierra.Sin embargo en estos casos las fallas a tierra que se produzcan cerca del punto neutro podrn requerir tiempos de despeje muy elevados si se usan caractersticas inversas y an no ser detectadas.

Varios generadores operando en paralelo

Si los generadores puestos en paralelo sobre una misma barra tienen todos los centros de estrella conectados a tierra indefectiblemente los rels de sobre corriente debern estar asociados a rels direccionales. Obsrvese en la figura siguiente que una falla en bornes en uno de los generadores ser alimentada con iguales valores de corriente por todos los generadores.

Si el valor de resistencia de puesta a tierra de los generadores es suficientemente bajo, resultar suficiente una combinacin de rel de sobre corriente con rel direccional conectado como se ve en la siguiente figura. El ngulo de comparacin del rel direccional es 0 debido a que la puesta a tierra del generador es a travs de una resistencia. Sin embargo debera proveerse tambin una proteccin de sobre corriente temporizada en la conexin a tierra del punto neutro, previendo el caso en que el generador pueda llegar a operar solo, de modo tal que no habra aporte desde la barra; para esta proteccin la temporizacin es necesaria para coordinar con las protecciones de la red.

No es usual que cuando varios generadores operan sobre una misma barra todos ellos tengan su punto neutro conectado a tierra. Lo usual es que solo uno de los generadores tenga tal conexin. En ese caso, para detectar en forma selectiva fallas a tierra, especialmente con corrientes de falla limitadas a unas pocas decenas de amperes, se requieren rels de sobre corriente direccionales de alta sensibilidad. La comparacin de la corriente con una tensin de referencia no solo provee direccionalidad sino que tambin mejora la sensibilidad. La corriente residual puede ser suministrada por la conexin residual de los transformadores de corriente o por un transformador de corriente toroidal como se muestra en la sig. Figura.

En el primer caso, la proteccin debe ser estabilizada para evitar accionamientos espurios en caso de desigualdad en la saturacin de los TI en el caso de fallas externas , para lo cual se utilizan impedancias estabilizadoras o retardos de tiempo.Si se requiere una muy baja regulacin de la proteccin lo adecuado es utilizar transformadores de corriente toroidales.

Otra tcnica usada para proteger selectivamente generadores conectados directamente a la red es la denominada Proteccin Restringida de Falla a Tierra el cual es un esquema diferencial especfico para fallas a tierra. Existen dos variantes de esta proteccin:a) Proteccin porcentual de baja impedancia y b) Proteccin de alta impedancia.

a) Proteccin porcentual de baja impedancia:

La corriente diferencial aplicada a la comparacin es:

Donde Ke es el factor de escala que tiene en cuenta la relacin de los transformadores de corriente de las fases y del transformador de corriente del neutro. Recordemos que:

La corriente atravesante aplicada a la comparacin puede tener varias alternativas, segn el fabricante de la proteccin.La mas utilizada o convencional es:

La mnima corriente diferencial de accionamiento se ajusta lo suficientemente baja como para detectar fallas cercanas al punto neutro. Un ajuste tpico es el 5% de la corriente de falla mnima en bornes del generador. La pendiente es cero hasta 1 a 1.5 veces la corriente nominal del generador.

b) Proteccin diferencial de alta impedancia Su principio de funcionamiento se basa en la deteccin de una elevada tensin en la rama donde se encuentra el rel en serie con una resistencia de valor elevado. Tensin que se producir si la falla es interna. Cuando la falla es externa a la zona diferencial, la tensin en bornes de la rama del rel es cero, aunque los errores de los trafos de corriente pueden dar lugar a una tensin muy baja. Para proteger a los transformadores de corriente de las tensiones elevadas provocadas en la rama de alta impedancia (efecto similar a un ti con el secundario abierto) se coloca en paralelo a la rama de alta impedancia una resistencia no lineal dependiente de la tensin tal como se observa en la siguiente figura:

Todas las modalidades descriptas de protecciones contra fallas de fase a tierra en generadores conectados directamente a la red no son capaces de detectar fallas muy cercanas al centro de estrella, estas cubren aproximadamente el 95 % del arrollamiento, por lo que para cubrir el 100 % se debe recurrir a algunos de los mtodos descriptos para generadores conectados a la red a travs de transformador.

5- Proteccin de fallas de estator

a) Proteccin de falla entre fases del estator

La proteccin universalmente aceptada para la proteccin entre fases es la proteccin diferencial porcentual.Existen dos aplicaciones de esta proteccin :a) Conexin longitudinal: la cual se puede realizar en cualquier tipo de generadorb) Conexin transversal: realizable solo en generadores con dos arrollamientos por fase los cuales son accesibles

En el caso de la proteccin diferencial longitudinal se comparan las corrientes de entrada y salida de cada fase que dejan de ser iguales en el caso de falla interna. En el caso de la proteccin diferencial transversal las corrientes que dejas de ser iguales en caso de falla interna son las corrientes por ambos semiarrollamientos.

Proteccin diferencial porcentual

La alinealidad de los transformadores de corriente, especialmente cuando se supera el codo de saturacin, puede ocasionar corrientes diferenciales en el rel cuando ocurren fallas externas cercanas al generador, produciendo el accionamiento indeseable de la proteccin.Para evitar este problema se usan distintas soluciones donde la ms difundida es el rel diferencial porcentual.En estos rels acta en oposicin a la corriente diferencial, una corriente llamada atravesante, que tiene un efecto de oposicin el cual es proporcional a la suma de las corrientes que se trata de comparar. La ecuacin de accionamiento es la siguiente:

Donde:

en sntesis, lo que hace este mtodo diferencial es producir una desensibilizacin del rel, que se manifiesta ms notoriamente cuanto mayor es la corriente de falla externa.En la siguiente figura puede observarse una caracterstica practica en la que existe una corriente diferencial mnima de accionamiento Idif(Min), se puede regular a valores tan bajos como el 5% de la corriente mnima del generador. La pendiente inicial es cero hasta un valor de corriente atravesante de por ejemplo 120 % de la corriente nominal del generador y a partir de ese valor la pendiente de la recta puede ser del 10 % al 20 %.

Se deja en claro que el grado de sensibilidad de esta proteccin no es suficiente para la proteccin de falla de fase a tierra a menos que la resistencia de puesta a tierra del neutro sea de un valor suficientemente bajo.Generalmente para generadores de potencia elevada se sebe dotar al mismo de una proteccin especfica de falla a tierra como la ya vistas.

Proteccin diferencial de alta impedancia

Principio de funcionamiento

La proteccin diferencial de alta impedancia basa la deteccin de fallas en la tensin aplicada a un rel tal como se muestra en la sig. Figura. La rama que contiene al rel de alta impedancia presenta un alto valor de impedancia constituida por los parmetros propios del rel y de la resistencia estabilizadora conectada en serie con el mismo.Desde un punto de vista general debe pensarse que la tensin aplicada al rel en condiciones de falla interna mnima debe ser superior a la tensin aplicada en condiciones de falla externa mxima y que la regulacin del rel debe situarse dentro de esos dos valores.En la siguiente figura se puede observar el esquema del circuito constituido por los transformadores de corriente de ambos lados del arrollamiento del generador, el cableado de conexin y la rama que contiene al rel de alta impedancia con la correspondiente resistencia limitadora.

En la condicin de falla externa donde no hay saturacin de los trafos de corriente, la corriente por la rama de alta impedancia es prcticamente despreciable, pero si existe saturacin de uno de los transformadores, las corrientes secundarias sern distintas siendo este el caso ms desfavorable debido a que se termina aplicando una tensin al rel por la que el mismo puede llegar a actuar.La tensin aplicada a la rama que contiene al rel de alta impedancia cuando el transformador de corriente B se satura totalmente por una falla externa es:

)

Recurdese que al tener la rama de alta impedancia, el TI se comporta casi como si tuviera el secundario abierto y ante una falla externa cercana al TI (condicin de max. Corriente externa) el flujo aumenta en funcin de la corriente hasta alcanzar el codo de saturacin donde por ms que la corriente primaria siga aumentando, el flujo queda definido en un valor cte. Como consecuencia no tenemos fem. inducida en el secundario por lo que podemos decir que la inductancia magnetizante es cero ( como se observa en la fig. anterior donde la inductancia esta cortocircuitada).

El rel se regula de modo que accione con una tensin igual a:

Con 1,0 < K 1,5

El valor de la resistencia estabilizadora se selecciona de modo que:

Con:

Ireg: corriente de regulacin del rel

Rrel: resistencia interna del rel

Usualmente se coloca un resistor no lineal en paralelo con la rama del rel para proteger a los transformadores de corriente de sobretensiones elevadas en cso de fallas externas severas.

Para calcular la mnima corriente primaria de falla interna que hace accionar al rel debe tenerse en cuenta las corrientes que se derivan por las impedancias de magnetizacin de ambos trafos.

Iop(min)=N(Ireg+2Imag)

Donde :

Iop(min): Mnima corriente primaria de operacin del relN: Relacin de los transformadores de corrienteImag: Corriente de magnetizacin de los transformadores de corriente

La corriente Ireg tpicamente se regula al 5% de la corriente nominal secundaria del generador.

Proteccin contra fallas entre espiras de una misma fase

Aspectos generales.

En general las fallas de este tipo son raras pero cuando suceden los efectos son devastadores si no son eliminados con rapidez. Algunos autores opinan que, salvo en algunos casos particulares, proveer de una proteccin especifica es incurrir en un gasto innecesario ya que cuando se produce un corto entre espiras rpidamente se degenera en una falla a tierra siendo detectada por la proteccin de estator a tierra ya vistas.

Generadores con mltiples arrollamientos por fase.

Si se trata de generadores con dos arrollamientos por fase, la proteccin especfica es la proteccin diferencial transversal dado que el desbalance de las fuerzas electromotrices entre los dos semi arrollamientos provoca una corriente de circulacin entre ambos que el rel ve como corriente diferencial.

Generadores con un solo arrollamiento por fase

En este caso, una proteccin especfica se realiza mediante la deteccin de la tensin homopolar a travs del secundario de transformadores de tensin conectados en triangulo abierto. En condiciones normales no existe tensin de secuencia cero pero en casos de espiras en corto aparece una componente de secuencia cero la cual se manifiesta en los bornes del triangulo abierto.Si se trata de un generador conectado directamente a la red, una falla a tierra externa tambin provocar una tensin de secuencia cero en bornes de la maquina, sin embargo, en ese caso la mayor parte de de la cada de tensin de esa secuencia se localizar en la resistencia de puesta a tierra del neutro del generador, mientras que en los bobinados caer una pequea parte, del orden del 1 o 2 %. Por lo tanto es preferible que la deteccin de un corto entre espiras se realice midiendo la suma de la cada de tensin de los tres bobinados, con un esquema de conexin de los transformadores de tensin como el que se muestra en la sig. Figura.Por otro lado, puede suceder que una falla a tierra muy cercana diese lugar a una tensin de secuencia cero mayor que la que produce una falla que abarque solo una espira, por lo que para mantener una alta sensibilidad del rel sin comprometer la selectividad puede ser necesario un pequeo retardo, dejando que acte primero la proteccin contra falla a tierra de la red.

Tambin hay que tener en cuenta que la componente de tercer armnico de la FEM es homopolar y que en muchos casos excede la regulacin del rel por lo que se coloca un filtro para eliminarla.

6) proteccin contra fallas en el rotor

Proteccin contra puesta a tierra del arrollamiento rotrico

Aspectos generales

La proteccin contra puesta a tierra del arrollamiento rotrico vara segn la forma en que se realice la excitacin. Se pueden distinguir dos formasa) Generadores con escobillas y anillos rozantes b) Generadores sin escobillas

Los mtodos de proteccin para el primer caso se pueden enumerar en

1. Mtodo de inyeccin de corriente alterna de frecuencia nominal2. Mtodo de inyeccin de corriente alterna de baja frecuencia 3. Mtodo de inyeccin de corriente continua 4. Mtodo de puente tambin denominados de potencimetro

Mtodo de inyeccin de corriente alterna de frecuencia nominal

Este mtodo se basa en la inyeccin de corriente alterna a travs de un capacitor. Cuando aparece una puesta a tierra en el bobinado del rotor se cierra el circuito por lo que circula una corriente que hace accionar a un rel de sobrecorriente

El capacitor en serie bloquea el efecto de la tensin de corriente continua de excitacin, evitando en caso de falla que circule una corriente que pueda destruir al rel o al transformador de alimentacin. En soluciones ms modernas se incorpora un filtro pasa banda que rechaza componentes de frecuencia distintas a la fundamental, que puedan encontrarse en la tensin de excitacin tal como se observa en la sig. Figura.

Los rels contra puestas a tierras rotricas basadas en la inyeccin de corriente alterna a frecuencia nominal estn en desuso debido a que an sin falla en el rotor, circula corriente permanentemente la cual se cierra a travs de la capacidad distribuida del bobinado rotorico.Esto no solamente hace que el rel deba ser desencibilizado, sino que esas corrientes circulando permanentemente producen deterioros en los cojinetes.

Mtodo de inyeccin de corriente alterna de baja frecuencia

Con este mtodo se logra disminuir el efecto de la capacidad distribuida aumentando la reactancia capacitiva con la disminucin de la frecuencia.En el siguiente esquema se muestra un esquema tpico con un filtro pasa bajo y un rel que detecta la cada de tensin en un resistor.

Mtodo de inyeccin de corriente continua

En este mtodo se inyecta corriente continua la cual es obtenida a travs de un puente de diodos tal como se muestra en la sig. Figura.De esta manera se eliminan los efectos indeseables de la corriente alterna como el deterioro de los cojinetes.

Mtodos de puente o potencimetro

Estos mtodos son sencillos y no requieren fuente auxiliar ni de corriente continua ni de alterna, ya que usan la misma fuente de excitacin como fuente para accionar al rel encargado de la deteccin tal como se observa en la siguiente figura.

Se observa que cuando aparece una falla en el bobinado queda constituido un puente que no est equilibrado salvo que la falla este en un punto tal que:

Si el puente no est equilibrado, por la rama que contiene un rel sensible circula una corriente que lo hace accionar.Este tipo de proteccin tiene un punto ciego tal como se ve en la ecuacin anterior el cua se soluciona con las siguientes variantes:a) Resistencias de valor fijo pero de conexin variable b) Resistencia variable con la tensin

En la variante de resistencia de valor fijo donde lo que se varia es la conexin es claro que si la falla da en el punto ciego, al cambiar la conexin el puente se desequilibra provocando el accionamiento del rel. El cambio de conexin puede hacerse manualmente o automticamente en forma peridica, recomendndose esta ltima en perodos cortos para minimizar riesgos.

En la variante en la cual se utiliza una resistencia variable con la tensin, la misma se emplea teniendo en cuenta que la tensin de excitacin varia segn el estado de carga.Al variar la tensin varia la resistencia y varia tambin el punto ciego.Para un estado de carga cte. donde la tensin de excitacin no se modifica resulta conveniente una combinacin de resistencia variable con la tensin y resistencias fijas con conexin variable tal como se observa en la siguiente figura.

7) Proteccin contra prdida de excitacin

Aspectos generales

Hemos analizado al comienzo de este apunte las causas y efectos que provoca la prdida de excitacin. La forma de deteccin de este defecto difiere segn se trate de generadores pequeos o medianos y grandes.

Pequeos generadores

No es comn instalar proteccin contra prdida de excitacin en generadores pequeos. Sin embargo en algunos casos se han instalado proveyendo solamente alarma y en otros casos tambin disparo. Es claro que puede prescindirse del disparo cuando la potencia relativa del generador respecto a la de red es pequea dado que el generador puede quedar trabajando en forma asncrona.El esquema de deteccin consiste en medir la corriente de excitacin mediante un shunt, tal como se observa en la sig. Figura.

El rel de mnima corriente continua debe estar regulado por debajo de la mnima corriente de excitacin, la cual puede ser por ejemplo un 8% de la corriente de excitacin que corresponde al valor de la potencia nominal de la maquina.Para evitar la operacin durante transitorios, es necesario un retardo del orden de 2s a 10s.

Medianos y grandes generadores

La proteccin basada en la supervisin de la corriente de excitacin es posible solo en pequeos generadores, pero no es apta en maquinas medianas y grandes, en las que la corriente de excitacin puede asumir muy variados valores, incluyendo muy cercanos a cero, segn el aporte de corriente reactiva inductiva o capacitiva que el generador haga al sistema.

La proteccin en medianos y grandes generadores contra perdida de excitacin se basa en la comparacin de magnitudes estatoricas. Cuando un generador pierde excitacin y pasa a trabajar como generador asincrnico, la impedancia aparente medida en bornes del mismo, es decir, la relacin compleja entre la tensin fase a neutro de una fase y la corriente de la misma fase, se ubica en una circunferencia como se ve el la figura siguiente.

El punto inferior de la circunferencia corresponde a un deslizamiento S=0. El punto superior corresponde a un deslizamiento tericamente infinito. Clsicamente la proteccin se ha realizado mediante un rel tipo distanciomtrico instantneo, conectado como se observa en la siguiente figura y con una caracterstica que rodee al lugar de prdida de excitacin.

En ciertas condiciones de oscilacin muy severas del sistema, en breves instantes, el lugar de la impedancia aparente vista por el rel caiga dentro de la caracterstica de prdida de excitacin sin que la misma se haya perdido, provocando el accionamiento de la proteccin.Para evitar este problema se recurre a una doble caracterstica: una caracterstica instantnea para condiciones severas de prdida de excitacin, es decir con generador a plena carga, y una caracterstica temporizada para condiciones menos severas.

8) proteccin ante prdida de sincronismo

Aspectos generales

Es claro que un generador puede ser seriamente afectado por una prdida completa de sincronismo, pero tambin puede ser afectado por fuertes oscilaciones de potencia, que, aunque no lleguen a tener un efecto inmediato, en muchos casos no son amortiguadas y conducen a una prdida de sincronismo y generalmente a una prdida de estabilidad de la red.La proteccin de un generador contra prdida de sincronismo vara segn la potencia relativa de la maquina frente a la red y de las caractersticas de esta.

Grandes generadores

Los grandes grupos de generador transformador conectados a grandes redes de transmisin requieren protecciones especiales, que detecten prdida de sincronismo y que sean capaces de diferenciar oscilaciones de potencia estables e inestables.Esas protecciones deben ser realizadas y reguladas teniendo en cuenta las protecciones que en la red realizan la separacin del sistema en subsistemas estables cuando se detectan condiciones que comprometen la estabilidad y las propias posibilidades de re sincronizacin del generador en cuestin. Es decir, deben tener en consideracin criterios de selectividad.Para ello histricamente se han utilizado y se utilizan en la actualidad rels que permiten determinar la variacin de la impedancia aparente medida en bornes del generador y seguir su trayectoria, diferenciando las condiciones de prdida de sincronismo de las condiciones de falla trifsica y contabilizando la cantidad de veces que se producen variaciones de un paso polar completo u otras variaciones que veremos.Una variante bastante comn consiste en utilizar caractersticas como las que se ven en la prxima figura utilizando rectas denominadas de blindaje dobles o cudruples.Sus alcances hacia adelante se limitan ya sea por rectas de reactancia o por medio de una caracterstica mho desplazada. En el primer caso, podemos diferenciar varias zonas. Supongamos que la impedancia equivalente de la red en barras de la central es muy baja; en ese caso la recta del lugar de oscilaciones o de prdida de estabilidad corta al vector de impedancia del generador. La zona A constituye el lugar de operacin normal del generador. Cuando se est produciendo un deslizamiento polar, la impedancia aparente atraviesa las zonas B y C. El rel emite seal de desenganche cuando las tres zonas son atravesadas secuencialmente. De ese modo, las fallas en la red no solamente no producen el accionamiento por estar limitadas por la caracterstica mho desplazada o por la caracterstica de reactancia, sino tambin porque no dan lugar a una excitacin secuencial de las rectas de blindaje. En ciertos casos se admiten dos o mas ciclos de deslizamiento polar hasta emitir desenganche, de modo de permitir que otros rels accionen cuando la causa est localizada en otro punto del sistema de potencia.El esquema del segundo caso, con cuatro caractersticas de blindaje, es ms rpido, ya que detecta la secuencia entre ambos pares de blindajes externo e interno y lo hace antes que el desplazamiento angular sea mayor a 180.

Un esquema ms sofisticado hace uso de una caracterstica lenticular, como se puede ver en la prxima figura. A la caracterstica lenticular se le adiciona una caracterstica de lnea recta pasante por el origen y una caracterstica de lnea recta desplazada del origen. Para entender el funcionamiento de esta proteccin, dividamos el plano de impedancias en distintas regiones: cuando el generador opera en estado normal, la impedancia aparente vista desde sus bornes se sita en la regin 1(R1). Cuando el generador oscila respecto al resto del sistema, es decir cuando la impedancia equivalente del resto del sistema es baja en relacin a la impedancia del conjunto Generador Transformador de bloque, la impedancia aparente transita las regiones R2,R3 y R4, de modo que cuando entra en esta ultima en la secuencia indicada la proteccin emite orden de desenganche. Vase que esto ocurre si la impedancia aparente cae por debajo de la caracterstica M-N. Si la impedancia aparente transita por encima de la caracterstica M-N el lugar de las oscilaciones se encuentra alejado del generador ;es decir, el generador junto con el subsistema en el que se encuentra esta oscilando frente al resto del sistema. En esas condiciones, la proteccin emite desenganche solamente si la oscilacin se mantiene durante un tiempo prolongado yo tanto el sistema esta en grave riesgo de un completo colapso por no haber actuado protecciones ubicadas en otro lugar o sistemas de control tales como por ejemplo DAG (Desconexin Automtica de Generadores)

Generadores medianos y pequeos

Teniendo en cuenta que durante una prdida de sincronismo la potencia activa medida en bornes de un generador fluye cclicamente en una y otra direccin, es posible usar un simple rel de reversin de potencia activa, para detectar tal condicin. Dada esa condicin cclica, o bien el rel debe trabajar con pequeo retardo, o bien debe tener asociado un elemento con retardo a la recada calculado adecuadamente. Esta solucin es bastante simple de implementar, pero no es capaz de diferenciar todas las condiciones de falla como en el caso de las protecciones descriptas en el punto anterior.En caso de generadores de muy baja potencia relativa al sistema de potencia al cual esta conectado, la impedancia aparente durante una oscilacin de potencia o una prdida de sincronismo caer claramente siempre hacia atrs del punto que corresponde a bornes del generador. Es decir, cuando XG >> (XT+XS), el Centro Elctrico del sistema se sita tal como se ve en la siguiente figura.

Es posible utilizar la misma proteccin dedicada a la prdida de excitacin para detectar una prdida de de sincronismo, siempre y cuando se le adicione una temporizacin con retardo a la recada, en tanto durante una oscilacin de potencia o una prdida de sincronismo la Potencia Aparente entra y sale cclicamente de la caracterstica. Esta debe ser la mayor de las dos caractersticas contra prdida de excitacin, de modo de cubrir todos los casos posibles de trnsito de la Impedancia Aparente. Se trata tambin de una proteccin bastante elemental, que no debera ser usada en condiciones que no sean perfectamente previsibles o cuando se requiere un tiempo de desenganche reducido.

Bibliografa:

Sistemas de proteccin en grandes redes elctricas de gran potencia - M.V. Gonzalez Sabato - CIGRE - Cap. 3. BussMann, Electrical Protection Handbook Cooper Bussmann - Florida - Cap. 1;2 y 16. Protecciones elctricas en MT - Robert Capella - Schneider Formation - Cap 5. Distribution System Feeder Overcurrent Protection General Electric GET 6450 Cap 2.

Ing. Alejandro Martinez Ing. Jose Gallego Ing. Nelson Reta 4