alejandro marmolejo, abb switzerland ltda, 15 abril 2015
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Alejandro Marmolejo, ABB Switzerland Ltda, 15 Abril 2015
Aplicación de Interruptores de Generador para incrementar la Fiabilidad y Rentabilidad de Centrales EléctricasIX Jornadas Técnicas ABB en Chile
Agenda
Ventajas de usar un Interruptor de Generador
Requisitos técnicos y criterios de selección
Nueva Norma para Interruptores de Generador: IEC/IEEE 62271-37-013
Portafolio ABB
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Introducción
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Conexión con Interruptor de GeneradorConexión sin Interruptor de Generador
G
EHV HV
MT
UT ST
AUX G
EHV HV
MT
UT STGCB
AUX
Introducción
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Conexión con Interruptor de Generador
G
EHV
MT
UTGCB
AUX G
EHV
MT
UTGCB
AUX
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Ventajas de usar un Interruptor de Generador
G
EHV HV
MT
UT STGenCB
AUX
Conexión con Interruptor de Generador
Interrupción de corrientes alimentadas directamente por el generador
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Corriente de falla
Tiempo
Interrupción de corrientes alimentadas directamente por el generador
Caso sin Interruptor de Generador (“conexión directa”)
IsIgRed ATG
Is+Ig
Ig
Interrupción delInterruptor de AT
decenas de ms segundos
Interrupción de corrientes alimentadas directamente por el generador
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Corriente de falla
Time
Interrupción de corrientes alimentadas directamente por el generador
Caso con Interruptor de Generador
IsIgGridG
Is+Ig
Ig
decenas de ms segundos
Interrupción delInterruptor de AT
Interrupción delInterruptor de Generador
© ABB Group May 14, 2015 | Slide 10
Ventajas de usar un Interruptor de Generador
G
EHV HV
MT
UT STGenCB
AUX
Conexión con Interruptor de Generador
Ventajas de usar Interruptores de GeneradorMayor disponibilidad de la planta
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Simplificación de los
procedimientos
Mejora de la protección
Mayor disponibilidadde la planta
Beneficios económicos
Incremento de disponibilidad
0.3-0.6%
Interrupción rápida y
selectiva de diversos tipos
de fallas
Sincronizaciónmás fiable
Suministro de serviciosauxiliaries
directamentedesde red principal
Se evita la commutación
del sumministroa serviciosauxiliares
Simplificación de los
procedimientos
Cálculo de DisponibilidadEsquema de central eléctrica
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Central Termoeléctrica(2 x 600 MW) Esquema con GCB
Central Termoeléctrica(2 x 600 MW) Esquema con GCB y Transformador de Apagado
Central Termoeléctrica(2 x 600 MW) Conexión Directa
Escenario de ReferenciaCaso 1Caso 2Caso 3
Cálculo de DisponibilidadEsquema de central eléctrica
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Resultados de Cálculo de Disponibilidadpara una de las unidades de 600 MWPotencia promedio entregada
Pow
er [M
W]
520
515
510
505
500
525
530
Cas
o 2
Cas
o 1
Cas
o 3
Average Power Output of Unit (Assumed Value)
Requisitos técnicos y criterios de selecciónRequisitos para Interruptores de Generador
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t [ms]
50403020100-10-20
-30
-40
u (t)
i (t)
Características de corrientesde cortocircuito
Características de TRV
Tasa de Crecimiento
Se imponen requerimientos técnicos muy severossobre éste con respecto a:
Corriente nominal
Corrientes de cortocircuito (desde red AT ygenerador)
Corrientes de falla debidas a sincronizaciónfuera de fase
MagnitudAsimetría
EstándaresIEEE C37.013 v/s IEC 62271-100
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IEEE Std C37.013 / IEEE Std C37.013a
IEC 62271-100
Interruptores de generadorque han sido diseñados y probados según la norma
IEC 62271-100 no cumplencon los estrictos requisitos
técnicos impuestos eninterruptores de generador
Requisitos técnicos y criterios de selecciónCorrientes de cortocircuito alimentadas por la red de AT
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110 kVSk = 10 GVA
100 MVA110/13.8 kV
uk = 12 %
99 MVA13.8 kV
cos = 0.8X’’dv = 13.5%
Tiempo de separación de contactos 50 ms:
Ipk = 90.5 kA Isym = 33.2 kA a = 63.5 %
IscTS
G
Requisitos técnicos y criterios de selecciónCorrientes de cortocircuito alimentadas por la red de AT
Característica del grado se asimetría:
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ac
dc
IIa2
Requisitos técnicos y criterios de selecciónCorrientes de cortocircuito alimentadas por el generador
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110 kVSk = 10 GVA
100 MVA110/13.8 kV
uk = 12 %
99 MVA13.8 kV
cos = 0.8X’’dv = 13.5%
Tiempo de separación de contactos 50 ms:
Ipk = 95.6 kA Isym = 23.8 kA a = 133.4 %
IscG
G
Requisitos técnicos y criterios de selecciónCorrientes de cortocircuito alimentadas por el generador
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Característica del grado se asimetría:
ac
dc
IIa2
Requisitos técnicos y criterios de selecciónCorrientes de cortocircuito alimentadas por el generador(tcs = 40 ms)
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Máquinas con polos salientes normalmente tienen menor grado de asimetría
Turbinas de gas de baja potencia normalmente tienen mayor grado de asimetría
ABB prueba130% grado de asimetría
Requisitos técnicos y criterios de selecciónSincronización fuera de fase
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110 kVSk = 10 GVA
100 MVA110/13.8 kV
uk = 12 %
99 MVA13.8 kV
cos = 0.8X’’dv = 13.5%
Tiempo de separación de contactos 50 ms:
Ipk = 92.9 kA Isym = 27.8 kA a = 92.2 %
Iop
G
Requisitos técnicos y criterios de selecciónSincronización fuera de fase
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Influencia de ángulo de desfase
60° out-of-phase condition
180° out-of-phase condition 120° out-of-phase condition
90° out-of-phase conditionABB prueba OOF180°
Requisitos técnicos y criterios de selecciónTensión Transitoria de Recupero (TRV)
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Requisitos técnicos y criterios de selecciónTRV – Efecto de capacitores
Los capacitores se conectandurante las pruebas deinterrupción.
El capacitor, por lo tanto, debeser considerado como parteintegral del interruptor degenerador.
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“The interrupting capability demonstrated by these tests is valid only if capacitors of the same capacitance value as used during the tests are installed according to the tested
configuration.”
addition of capacitor
Interrupción de corrientes con ceros retrasados de corriente
La resistencia eléctrica del arco que se forma luego de la separación de loscontactos del interruptor de generador es una resistencia adicional que reduce lacontante de tiempo la componente d.c de la corriente, acelerando sudecaimiento.
arcRRfX
2
Current
0Time (s)
Interrupción de corrientes con ceros retrasados de corrienteInterruptores de SF6 v/s Vacío
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-5000
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
Time (ms)
V
-120000
-100000
-80000
-60000
-40000
-20000
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
A
Arc-voltage Current
Interruptor de generador de SF6 Interruptor de generador de vacío
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
104 105 106 107 108 109 110 111 112
Time (ms)
V
-120000
-100000
-80000
-60000
-40000
-20000
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
A
Arc-voltage Current
Requisitos técnicos y criterios de selecciónCorrientes de cortocircuito alimentadas por el generador
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110 kVSk = 10 GVA
100 MVA110/13.8 kV
uk = 12 %
99 MVA13.8 kV
cos = 0.8X’’dv = 13.5%
Tiempo de separación de contactos 50 ms:
Ipk = 95.6 kA Isym = 23.8 kA a = 133.4 %
IscG
G
Falla en terminales del generadorGenerador sin carga previo a la falla
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Interrupción de corriente alimentada por el generador con interruptor de generador de SF6 (falla cuando UA = 0, tiempo de arco = 17.6 ms)
Interrupción de corriente alimentada por el generadorcon interruptor de generador de SF6 (falla cuando UA = max, tiempo de arco = 20.2 ms)
Interrupción de corriente alimentada por el generador con interruptor de generador de Vacío(falla cuando UA = 0, tiempo de arco = 39 ms)
Interrupción de corriente alimentada por el generador con interruptor de generador de Vacío(falla cuando UA = max, tiempo de arco = 80.9 ms)
tcp
tcp
tcp
tcp
SF6 Vacío
FallacuandoUA = 0
Fallacuando
UA = max
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Nueva Norma IEC/IEEE 62271-37-013
IEEE C37.013
IEEE C37.013a
IEC/IEEE 62271-37-013
Nueva Norma IEC/IEEE 62271-37-013Ratings – Corrientes alimentadas por el generador
Un grado de asimetría de 110% no es representativo de lo que ocurre enaplicaciones reales.
Un grado de asimetría de 130% es más adecuado.
La nueva norma introducirá dos clases para la capacidad de interrupciónde corrientes alimentadas por el generador:
Iscg con 110% grado de asimetría
0.74 x Iscg with 130%grado de asimetría
Clase G1
Iscg con 130% grado de asimetría
Clase G2
Grado de asimetría al momento de separación de los contactos es independiente del tiempo en que éstos se separan
Nueva Norma IEC/IEEE 62271-37-013Pruebas de Tipo – Ceros Retrasados de Corriente
Estrictos requisitos se imponen en el interruptor de generador conrespecto al tiempo de arco (1,5 ciclos).
Dicha prueba no es evidencia suficiente de la capacidad del interruptorde generador para interrumpir corrientes que posean tal forma de onda.
La prueba se require para derivar la característica de tension de arco vscorriente y determinar el modelo de la tension de arco del interruptor degenerador.
La capacidad del interruptor de generador para interrumpir corrientes queposean ceros retrasados de corriente debe ser determinada por medio deestudios que consideren el efecto de la tensión de arco.
“The capability of the generator circuit-breaker to interrupt the current with delayed zero crossings shall be ascertained by computations that consider the effect of the arc voltage on the prospective short-circuit current.”
Source:
IEC 17A/993/CD
IEEE P62271-37-013 D 9.3
Nueva Norma IEC/IEEE 62271-37-013Estudios de Aplicación
Los siguientes estudios se deben realizar para cadaproyecto:
Corrientes de cortocircuito alimentadas por la red de AT
Corrientes de cortocircuito alimentadas por el generador
Corriente de falla por sincronización fuera de fase
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sin carga
carga nominal f.p inductivo
carga nominal f.p capacitivo
efecto de tensión de arco
UA = 0
UA = max
UA = 0
UA = max
efecto de tensión de arco
SF6 o
Vacío
Nueva Norma IEC/IEEE 62271-37-013Clarificación acerca de uso de capacitores en pruebas de tipo
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GridGIsIg "The interrupting capability
demonstrated by these tests is valid only if capacitors of the
same capacitance value as used during the tests are installed
according to the tested configuration.”
Source: IEC 17A/993/CD IEEE P62271-37-013 D 9.3
De acuero al estándard de interruptores de generador, el valor de capacitancia equivalente requerida para las pruebas de tipo debe ser especificada en los reportes de éstas y en la placa del interruptor.
El mismo valor de capacitancia debe ser ocupado para todas las pruebas de interrupción.
La capacidad de interrupción demontrada por las pruebas de interrupción es válidaúnicamente si capacitores del mismo valor a aquellos utilizados durante las pruebas son instalados con el interruptor de generador entregado para un proyecto específico.
Ejemplo de Reporte KEMA:
GCBs open typesFor retrofit, replacement and installation in cubicles
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HECS-100/130R
Up to 130 kA
HVR-63XS/S
Up to 63 kA
VD4G-50
Up to 50 kA
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Generator Circuit-Breaker System type HECS-130L
Surge arrester
Current transformer
Voltage transformer
Series Disconnector
Interrupting chamber
Air-blast GCB (desde 1954) SF6 GCB (desde 1984)
1950 1960 1970 1980 1990 2000
Introducción
Conexión Busbar Conexión directa Conexión con Interruptor de Generador
Estado del Arte Interruptores de GeneradorSistema de Contactos SF6/Aire v/s SF6/SF6
Sistema de contactos SF6/Aire
Contactos de arco
Contactos principales
seccionador
Sistema de contactos SF6/SF6
Contactos de arco
Contactos principales
seccionador
Transformador de tensión destruido por ferroresonancia
Largos tiempos de commutación
Chispas fallas a tierra
Humedad, polución, etc
Visibilidad
Chispas generadas durantecommutación en aire
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Mecanismo de operación de resorte hidro-mecánico
Estado del Arte Interruptores de GeneradorMecanismo de Operación
in all ABB applications
Estado del Arte Interruptores de GeneradorMecanismo de Operación
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HMB 4HMB 1
HMB 8
The well-proven hydro-mechanical spring drive type HMB is the most reliable according to paper A2-206 presented at CIGRE’ 2012
SF6 GCB with hydro-mechanical spring drive has failure rate 6 times less than air-blast technology and half the one of SF6 with pneumatic drive.
Estado del Arte Interruptores de GeneradorRefrigeración e Interrupción Independientes
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• Refrigeración por convección de aire
• Falla en refrigeración no afecta la capacidad de interurpción
• Menos SF6
• Bajo mantenimiento
• Alta fiabilidad
Aumento de Presión en Transformadores de Potencia
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t [ms]
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
Inte
rrup
tor
de G
ener
ador
Inte
rrup
tor
de A
TP [bar]
Presión máxima soportada por el tanque
50 100 150 250200
falla entre devanado AT y tanque
devanado AT completamente cortocircuitado
porción devanado cortocircuitado
falla contacto del tap changer 15%
Tap Changer
25%30%falla a través del bushing
10%5%
Fallas Transformador Principal
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Falla Transformador Principal – sin Interruptor de Generador
Secuencia de eventos:
t = 0 ms: falla a tierra lado AT del transformador
t = 45 ms: cortocircuito bifase
t = 95 ms: cortocircuito trifase
t 150 ms: explosión del transformador
Fallas Transformador Principal
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Generator Transformer Failure -without Generator Circuit-Breaker
Carga desbalanceada de corta duración
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HV Circuit breaker: 1 phase does not closeHV Circuit breaker: 1 phase does not openTransformer HV bushings: single phase earth faultTransformer HV bushings: two phase faultTransformer LV terminals: two phase faultTransformer HV windings: various types of faultsHV circuit-breaker: two phase flashover
Fallas monofasey bifase
Componenteinversa interactúa
con los devanados de
amortiguamiento
Esfuerzos mecánicos y
térmicos críticos
Carga desbalanceada de corta duración
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Unbalanced Load Condition – without Generator Circuit-Breaker
Carga desbalanceada de corta duración
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Unbalanced Load Condition – without Generator Circuit-Breaker
The rotor’s touching of the stator destroyed the generator completely
Carga desbalanceada de corta duración
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Unbalanced Load Condition – without Generator Circuit-Breaker
Generator Motoring – sin Interruptor de Generador
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GS3~
GeneratorPn = 500 MW
Main Transformer Overhead Line(Transmission)
Coupling
Overhead Line
HV Circuit-Breaker
Internal breakdown at HV circuit-breaker, pole L1•Generator starts working as motor
•Speed is increasing again
Open command•Three-phase network interruption
•Turbine-generator unit is running down normally
Mechanical destruction of turbine-generator set•Shaft and bearings are destroyed
•Generator is lifted out of the foundation
•12 meter high explosive flame
Generator Motoring – sin Interruptor de Generador
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n [min-1] Objeto
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
2250
2500
2750
3000
02 4 6 8 10 12 14 160 18 20 22 24 26 28 30 32
n [min -1]
t [min]
2420 Generador
870 Generador
2040
1800
20101940 Turbina
Velocidad Crítica del Rotor
curso normal
1643
2142
luego de la destrucción mecánica
Falla en terminales del generadorGenerador sin carga previo a la falla
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Interrupción de corriente alimentada por el generador con interruptor de generador de SF6 (falla cuando UA = 0, tiempo de arco = 17.6 ms)
Interrupción de corriente alimentada por el generadorcon interruptor de generador de SF6 (falla cuando UA = max, tiempo de arco = 20.2 ms)
Interrupción de corriente alimentada por el generador con interruptor de generador de Vacío(falla cuando UA = 0, tiempo de arco = 39 ms)
Interrupción de corriente alimentada por el generador con interruptor de generador de Vacío(falla cuando UA = max, tiempo de arco = 80.9 ms)
tcp
tcp
tcp
tcp
SF6 Vacío
FallacuandoUA = 0
Fallacuando
UA = max
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