capÍtulo vi protecciones y acoplamiento de...

PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE ALTERNADORES

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CAPÍTULO VI


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


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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



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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:


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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.



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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.



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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


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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.



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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


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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



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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


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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.


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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


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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.


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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


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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


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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


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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


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


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


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.


202

Fig. 6.13 Tablero de control con reóstato de campo


203

Fig. 6.9 Secuencia de puesta en paralelo (La Chojlla)


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.

capÍtulo vi protecciones y acoplamiento de...

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