Proteccin de Generadores Sncronos

Generador sincrnico aspecto bsico

Un generador sincrnico convierte energa termomecnica en energa elctrica. La potencia mecnica del impulsor giran la flecha del generador en el cual el campo de Corriente Continua (C.D.) est instalado. La figura 1 ilustra una mquina simple.

La energa del impulsor puede ser obtenida de quemar combustibles fsiles tales como carbn, petrleo o gas natural. El vapor producido gira la flecha del generador (rotor) a velocidades tpicas de 1800 3600 RPM. La conversin de la energa del vapor a rotacin mecnica es hecha en la turbina. En plantas nucleares, el uranio, a travs del proceso de fusin, es convertido en calor, el cual produce vapor. El vapor es forzado a travs de la turbina de vapor para rotar la flecha del generador. La energa del impulsor puede tambin ser obtenida por cada o movimiento del agua. Los generadores hidroelctricos giran ms lento (alrededor de 100-300 RPM) que las turbinas de vapor.Cabe recalcar que independientemente de cules sean las velocidades a utilizar, se debe de tener presente que las velocidades de operacin de los generadores deben de ser constantes o relativamente invariables, esta caracterstica obligatoria en cualquier generador sncrono, debe de ser controlada de forma eficiente por medio de un regulador de velocidad o gobernador, como es llamado generalmente. Este dispositivo llamado gobernador, se basa en la relacin existente entre la carga que es demandada y la velocidad necesaria. La velocidad que desarrolla el rotor en relacin con la carga tiende a disminuir, conforma la carga aumenta, y viceversa. Es por este motivo que es prcticamente un acontecimiento constante el cambio repentino de la velocidad por consecuencia de la disminucin o aumento en la carga demandada.

Conexin de generadores a un sistema de potencia.Existen dos mtodos bsicos principales usados en la industria para conectar generadores al sistema de potencia. Estos son conexiones directa y unitaria.

Conexin directa: La figura 3A muestra el diagrama unifilar para una conexin directa de un generador a un sistema de potencia. Los generadores son conectados directamente al bus de carga sin transformacin de tensin de por medio. Este tipo de conexin es un mtodo recientemente usado en la industria para la conexin de generadores de tamao pequeo. Conexin unitaria: La figura 3B muestra el diagrama unifilar para un generador en conexin unitaria. El generador es conectado al sistema de potencia a travs de un transformador elevador dedicado. La carga auxiliar del generador es suministrada desde un transformador reductor conectado a las terminales del generador. La mayora de los generadores grandes son conectados al sistema de potencia de esta manera, usando un transformador elevador principal con conexin estrella-delta. Al tener la generacin conectada a un sistema delta, las corrientes de falla a tierra pueden ser dramticamente reducidas usando puesta a tierra de alta impedancia.FALLAS TIPICAS PRESENTADAS EN GENERADORES SNCRONOS

Los generadores son los elementos del sistema elctrico de potencia que pueden estar sometidos al mayor nmero de condiciones anormales de operacin diferentes. Esas condiciones anormales pueden deberse al propio generador, a su motor primario o al sistema elctrico con el que est conectado y pueden en general subdividirse en: FALLAS INTERNAS y REGIMENES ANORMALES DE OPERACIN.FALLAS INTERNAS EN EL ESTATOR Cortos circuitos entre fases Cortocircuitos entre vueltas de una fase Cortocircuitos a tierra REGIMENES ANORMALES DE OPERACIN Sobrecorrientes debidas a sobrecargas o cortocircuitos externos Prdida o reduccin de excitacin Sobrevoltaje Contactos con tierra en el rotor Prdida del motor primario (motorizacin) Prdida de sincronismo Sobrecalentamiento del rotor por sobreexcitacin Otros (vibracin, sobrevelocidad, etc.)

FALLAS DE FASES DEL ESTATOR DEL GENERADOREste tipo de fallas tienen una gran magnitud en lo que respecta a la composicin del generador, ya que debido a que las corrientes de falla producidas en estas partes tienen una repercusin econmica considerable. Adems se debe de tener presente que al tener una falla y al ser deshabilitada una unidad de generacin. La energa que estaba generando no debe de interrumpirse, o de no haber otra opcin, la interrupcin al usuario debe de ser mnima, lo que nos lleva a que se debe de pagar a una compaa externa, para abastecer la demanda de energa que no se puede cumplir por la falla ocurrida. Cabe mencionar que adems de que al suceder la falla en es estator, la corriente que se produce en la falla, no tiende a disminuir al instante en que se dispara y se deshabilita del sistema el generador. Si no que la corriente de falla aumenta por un par de segundos. Esto es debido a que la corriente que se encuentra en el campo almacenada, aporta ms corriente, y provoca un dao mayor, a los devanados de la mquina as como tambin a las flechas y a los acoplamientos de la misma. Adems de incluir fallas en las espiras del generador.FALLA DE TIERRA EN EL CAMPOEste tipo de falla ocurrido en los generadores ocurre cuando se aterriza a tierra el generador, generalmente si solo es un solo aterriza miento a tierra no genera una falla, pero la probabilidad de que se genere un segundo aterriza miento, instantes despus del primero es muy alta. Al tener el desafortunado caso en que se generen las dos fallas, esto significara que se generara un corto circuito en el devanado de campo, y esto producir un desbalance en el flujo de las fuerzas magnticas adems de producir un calentamiento en el hierro del rotor de la mquina lo cual producir para ambos caso un incremento en la vibracin lo cual tendr como resultado un deterioro muy significativo en la mquina elctrica. Es importante recalcar este aspecto en que las fallas ocurridas deben de tenerse presentes para el peor de los casos. Ya que de este modo no se tendr un margen de error tan alto. Se comenta esto debido a que en ciertos casos, para este tipo de fallas. No se toma en cuenta la probabilidad de que pueda tener un segundo aterriza miento a tierra el generador y causar la falla de corto circuito significativa. Y solo se remiten a alarmar y no dispara el generador para la total confiabilidad de que no se presentara la segunda falla.FALLA A TIERRA EN EL DEVANADO DEL ESTATORPara este tipo de falla se dar una pequea introduccin la cual nos permitir entender de mayor manera este tipo de fallas. Dicha explicacin se enfocara en los aspectos de las pruebas realizadas para puesta a tierra. El estudio de las fallas a tierra en el devanado del estator se enfoca directamente a la puesta a tierra del neutro del estator del generador. Este tipo de pruebas que se realizan a los generadores son enfocadas principalmente para la determinacin de la proteccin adecuada para las fallas. Como primer punto a tratar podemos analizar y deducir que si se tiene un generador slidamente aterrizado a tierra, lo cual generalmente no es muy comn. Aportar una gran magnitud de corriente de falla entre lnea y tierra. Adems de una reduccin del 58% en la tensin entre fase-fase, es decir entre la fase fallada y un pequeo desplazamiento de la tensin del neutro. Por otra parte para el caso en que el generador se encontrara sin estar aterrizado a tierra, lo cual se prcticamente es imposible, su corriente de falla de lnea a tierra seria prcticamente despreciable, y no se tendra una reduccin en la tensin de fase-fase, pero se tendra un completo desplazamiento de la tensin del neutro. El anlisis antes descrito nos lleva a la conclusin de que para un generador slidamente aterrizado a tierra, los daos producidos por las corrientes de falla, serian significativos. Adems que al presentarse estas corrientes de falla, en dado caso de que se dispara el generador como proteccin. Se tendra que tomar en cuenta tambin que la corriente de falla una vez que se dispara el generador, no desaparecera instantneamente, sino que tendra un decaimiento de la misma de una forma lenta. Lo que llevara a dao relativamente mayor, dependiendo del tiempo en que la corriente de falla llegar a cero. Este dao y retraso de la desaparicin de la corriente se debe a que queda encerrado un flujo en el campo, y provoca este retardo. Ahora si por otro lado no se contara con un generador slidamente aterrizado a tierra, las corriente de falla del generador serian despreciables, pero las tensiones entre fase-fase serian de un incremento altamente peligroso, en lo que respecta a arqueos a gran escala. Esto podra ocasionar fallas en los aislamientos del generador, lo cual sera un problema de mayor magnitud. Es debido a esto que se recurre a la puesta a tierra del estator del generador para que de esta manera se pueda prever o reaccionar de manera instantnea al detectar alguna de estas fallas. Al tener claros estos aspectos podemos definir qu tipo de acciones se toman para poder evitar este tipo de percance, y de esta manera el poder utilizar las protecciones adecuadas.En lo que refiere a las pruebas realizadas para este tipo de fallas se deben de realizar dos: PUESTA A TIERRA DEL ESTOR DE BAJA IMPEDANCIA y PUESTA A TIERRA DEL ESTATOR DE ALTA IMPEDANCIA.Para el caso de la puesta a tierra con baja impedancia como las configuraciones de circuitos que se pueden realizar para este tipo de prueba pueden ser:-Generadores conectados a un bus comn que comparten un transformador de unidad. -Generadores que comparten un transformador. -Generadores conectados directamente a un sistema de distribucin. En lo que respecta a la puesta a tierra del estator de alta impedancia son utilizados generalmente para sistemas unitarios o para generadores cross-compound, es decir en donde un devanado es generalmente puesto a tierra a travs de alta impedancia.

FALLA POR FRECUENCIA ANORMALLa frecuencia como tal es un factor de gran importancia para el generador, pero adems de esto, la frecuencia juega un papel sumamente importante para el desempeo del conjunto turbina-generador-transformador. Como ya se sabe la turbina y el generador tienen una relacin muy estrecha en operacin. Ya que por medio del acoplamiento, ambas mquinas pueden sufrir grandes daos si alguna presenta una anomala en su frecuencia. Un ejemplo de esto es la vibracin la cual se enfoca en las turbinas de vapor o de gas, ya que estas mquinas son las ms susceptibles a estas frecuencias anormales, debido a que al generarse vibraciones por frecuencias reducidas, generan un dao en los alabes de la turbina la cual puede llegar a presentar fracturas en partes de los alabes.Para comprender mejor este aspecto hay que plantearse un criterio de igualdad. Si se recuerda el principio de conservacin de la energa, nos deca de forma resumida que el total de energa de entrada en un proceso de transformacin debera ser igual a la salida de esa entrada, y que dicha salida no sera igual a la entrada, debido a las prdidas generadas en el proceso. Pero si se analiza con detenimiento esto significa que la entrada de energa es igual la salida, solo que con la creacin de prdidas las cuales en conjunto con la salida serian el total de energa transformada. Esto significa que se cumplira la igualdad.Visto de esta manera pareciera que la frecuencia no tiene mucho que ver en esto, ms sin embargo es de suma importancia ya que la frecuencia para el generador sncrono es lo que define su interaccin con la turbina. Dicho de otra forma. Si no existe un sincronismo o muy cercano al sincronismo entre las dos mquinas, es decir el generador y la turbina, se tendr una frecuencia anormal entre las dos mquinas y generara las fallas. Una forma de proteger a la mquina como tal es mediante la desabilitacion de la mquina en el sistema.Para este apartado se expondrn los dos casos que se pueden presentar en caso de tener frecuencia anormal:Baja frecuencia.- la cual sucede al tener una prdida de potencia de entra, es decir de unidades generadoras, o perdidas de enlace. Esta prdida puede provocar una perdida en la velocidad del generador lo que nos llevara a un decremento en la frecuencia de la mquina elctrica. Sobre frecuencia.- se presenta por la prdida sbita de la carga o por la falta de exportacin de potencia de enlaces clave de otras unidades. Esto lleva a que la salida del impulsor que alimenta estas unidades es absorbida y de esta forma se produce un incremento en la frecuencia de la mquina. Este proceso de frecuencia anormal nos lleva a definir que los dispositivos que estn expuestos a este tipo de falla principalmente son: GENERADORES. TRANSFORMADORES ELEVADORES. TURBINAS. CARGAS AUXILIARES DE LA SUBESTACION.Debido a que existe un nmero considerable de centrales generadoras, se dar una breve sntesis de los tipos de acontecimientos que pueden producirse al tener una falla de frecuencia anormal en los diferentes tipos de centrales generadoras.OPERACIN A FRECUENCIA ANORMAL DE PLANTAS GENERADORAS DE VAPORCapacidad de alta/baja frecuencia del generador.- Para el caso de este tipo de centrales en el caso de baja frecuencia se presentan anomalas referentes a la ventilacin. Esto origina a su vez que al tener una ventilacin menor, los KVA sean reducidos. Adems de este aspecto, se presenta un incremento considerable en la corriente del generador, lo que conllevara a un incremento en la temperatura, que a su vez afectara los niveles de operacin de la mquina. Para el caso de sobre frecuencia la cual es debida a la reduccin sbita de la carga. No presentara un problema de sobre corrientes en el generador adems de que el mismo se encontrara ventilado de una mejor manera. Estos factores son mejores para el generador siempre y cuando no se excedan la potencia y la tensin. Este argumento va ligado a la regulacin de voltaje, es decir a la relacin volt-hertzio.Capacidad de alta/baja frecuencia de la turbina.- Entre los principales daos que podran llegar a presentar estas mquinas, son la fatiga de los alabes, e inclusive si la exposicin a la frecuencia anormal es prolongada. Puede generar que el alabe falle y pueda tener fracturas. Este dao puede ser aun de mayor magnitud, ya que si circula una corriente de secuencia negativa. Y pueden generar frecuencias torsionales en la armadura del generador.OPERACIN A FRECUENCIA ANORMAL DE PLANTAS GENERADORAS NUCLEARESPara las consideraciones tomadas para el turbo generador de una central nucleoelctrica. Se tomara los mismos aspectos tomados en el apartado de las centrales de vapor para generadores, es decir Capacidad de alta/baja frecuencia del generador.

Consideraciones de baja frecuencia en los auxiliares de las plantas generadoras nucleares.- Una de las principales problemticas al presentarse una baja frecuencia en este tipo de centrales es el deterioro del equipo auxiliar de la planta, un ejemplo de esto son las bombas de flujo refrigerante, que al bajar la frecuencia son reducidas en su flujo, causando un dao al sistema generador. Para continuar con el anlisis de la frecuencia anormal en la centrales nucleoelctricas, se debe de tener en cuenta que este tipo de centrales se dividen en dos tipos. Centrales nucleares basadas en reactor de agua presurizada (PWR).Centrales nucleares basadas en reactor de agua hirviente (BWR).En lo que respecta a las Centrales nucleares basadas en reactor de agua presurizada (PWR) al presentarse una anomala en la frecuencia del sistema se desata podra decirse que una serie de problemas en cadena. Esto es debido a que si se presenta este efecto, tendr una variacin la velocidad de la bomba de enfriamiento del reactor. Es muy importante el sealar que en las instalaciones nucleares, el reactor es dispositivo sumamente delicado el cual por medio de pequeas variacin puede tener una amplia repercusin en el sistema y en sus componentes de la planta. Al variar la frecuencia en el sistema el reactor se disparara, y a su vez el generador de igual manera se dispara. Adems de esto, al dispararse el reactor y el generador. El reactor es apagado por la misma bomba de enfriamiento. Pero si se presenta un decaimiento en la frecuencia del sistema, la velocidad de la bomba, responder de la misma manera, esto significa que el reactor se encontrara en un potencial peligro. Esto es debido a que el reactor no se enfriara, lo cual significa que pondra en riesgo a la planta en general. Este se podra decir que es uno de los efectos ms perjudicial al presentarse una frecuencia baja en este tipo de centrales nucleares. Para el caso de las Centrales nucleares basadas en reactor de agua hirviente (BWR) se centra la atencin en los componentes de motor generador. El cual puede tener una amplia repercusin en caso de tenerse baja frecuencia.OPERACIN DE FRECUENCIA ANORMAL PARA CENTRALES DE COMBUSTION.Una de las ms importantes consideraciones que se analizan para el caso de baja frecuencia en centrales de combustin, se centra en el flujo de aire de la turbina. Lo que podra tener consciencias peligrosas en lo que respecta a los alabes de la mquina, ya que al tener una prdida de flujo, provocara un incremento en la temperatura, generado a si una operacin riesgosa para los alabes de la turbina, y provocando su disparo. En general las centrales de combustin tienen un pequeo margen mayor de tolerancia que las de vapor. Dicho margen oscila entre los 56 y 60 hrz. Lo que podra considerarse como una ventaja para las protecciones en este tipo de centrales.OPERACIN DE FRECUENCIA ANORMAL PARA CENTRALES DE CICLO COMBINADO.En el caso de las centrales de ciclo combinado, no es necesario el dar una definicin de este tipo. Esto es debido a que la composicin de una turbina de ciclo combinado es por medio de una turbina de vapor y una turbina de combustin. Esto nos dice que las fallas o deterioros presentados en cada uno de los dispositivos, sern los mismos que se mencionaron en los apartados anteriores.OPERACIN DE FRECUENCIA ANORMAL EN CENTRALES HIDROELECTRICAS.Bsicamente en la composicin elemental de una central hidroelctrica, no presenta un problema significativo en cuanto a las posibles variaciones de frecuencia. Esto es debido a que por tener una turbina hidrulica, la cual en diseo es ms resistente que las de vapor y combustin, adems de que la operacin de estas mquinas no es de velocidades tan altas como las de las antes mencionadas. La accin del gobernador, es suficiente para corregir alguna anomala en la frecuencia. Lo que nos llevara a la conclusin de que la posible falla de frecuencia anormal tendra que venir de la mano con la falla del gobernador. Al presentarse este desafortunado caso, la consecuencia sera el desboque de la turbina. La cual alcanzara velocidades del alrededor del 200% de su velocidad nominal. Y producira dao significativo, debido a que esta mquina no est diseada para operar a esas velocidades.FALLA DE SOBREEXITACION Y SOBRETENCIONAl presentarse la falla de sobreexcitacin en el generador, nos lleva a la saturacin del ncleo magntico del generador. Esto se debe a que se exceden los valores de la relacin Volt/Hz. Dicha falla al presentarse en las terminales del generador o del transformador provocan un flujo de dispersin que afecta a componentes del generador que no estn diseados para el caso. La norma ANSI/IEEE expone una relacin de valores para generadores y transformadores los cuales pueden servir de gua para tener un rango ptimo. A menos que el fabricante maneje valores distintos:Generadores 1.05 p.u. (En base del generador) Transformadores 1.05 p.u. (En base del secundario del transformador) a carga nominal, f.p. de 0.8 mayor: 1.1 p.u. (En base del transformador) sin carga.Por lo que respecta a las fallas por sobretensin. Son aquellas las cuales ocurren debidas a que el nivel de esfuerzo del campo elctrico excede la capacidad de aislamiento del devanado del estator del generador. Para ver mejor estos conceptos se presentan las siguientes figuras:

Como se aprecia en la figura anterior, los flujos de dispersin ms peligrosos se encuentran en los extremos de la mquina, es de suma importancia controlarlos debido a que estos generan corrientes de Eddy. Es decir se produce un calentamiento excesivo en los componentes de ensamble del ncleo y en las laminaciones del extremo del mismo.Para apreciar mejor los componentes antes descritos se presenta la siguiente figura ilustrativa:

Como segundo punto de falla que se genera en este tipo de sobreexcitacin, se tiene adems que se pueden generar tensiones interlaminales, las cuales pueden degradar an ms los aislamientos del hierro. Estas acciones en conjunto pueden llegar a tener una repercusin sumamente grande en el desempeo. Ya que pueden llegar a deteriorar por completo los aislamientos y provocar que sea inservible el ncleo. Lo que generara un gasto sumamente significativo. En la figura siguiente se muestran las direcciones que toman dichas tensiones expuestas anteriormente:

FALLA POR PERDIDA DE SEAL EN TRANSFORMADOR DE POTENCIA

El transformador de potencial de antemano se debe de saber que es un complemento de una proteccin, independientemente de cul sea. Es decir, los trasformadores de potencial o TPs como se pueden nombrar tambin, se presentan en un gran nmero de componentes de las protecciones del sistema. Para nuestro caso de estudio nos enfocaremos en los que respectan al generador. En lo que respecta a las causas las cuales generan una falla en la seal de los TPs, encierran una amplia variedad. Esto es debido a que puede ocurrir por un descuido de mantenimiento y ya sea por alguna herramienta dejada accidentalmente en las terminales del generador o por contactos abiertos debido a la corrosin, adems de que se pueden tener fallas en el alambrado. O por la ms comn que se deterioren los fusibles del mismo. Al tener esto presente se puede suponer de antemano que las fallas y las protecciones de este tipo son prevenidas de forma auxiliar. O dicho de otra forma este tipo de falla se enfoca principalmente a las fallas que ocurren en las protecciones. Este tipo de fallas al estar tan ligadas unas con otras, se entiende que se pueden generar o desencadenar ms fallas de manera subsecuente, esto debido a que estn muy ligadas unas con otras, adems de los daos que se pueden producir en el generador. Estos daos pueden ser por ejemplo desplazamiento en los ngulos de fase del generador o sobreexcitacin del mismo.FALLA POR PERDIDA DE CAMPOEn el caso en que se presentara una falla debido a la prdida del campo, esto nos lleva a que el dao no solo tendr lugar en el generador. Si no que adems se tendrn severas repercusiones en los componentes subsecuentes del sistema de potencia. Es debido a esto que este tipo de fallas, son de amplia relevancia en lo que respecta a la composicin general del sistema de potencia. Esto es debido a que si se presentara est perdida se tendra una prdida del soporte de potencia reactiva y creando una toma sustancial de potencia reactiva. Esto significa que el impacto de la falla no solo tendra lugar en el generador en particular, si no que abarcara una extensa rea.

En lo que respecta a las posibles causas, visto de una forma general podemos tener en cuenta que al referirse a una prdida de campo nos enfocamos a la fuente de corriente directa, la cual nos permite dar a la creacin de dicho campo. Y por consiguiente gran parte de las anomalas presentadas en la fuente de C.D. tendrn impacto en la mquina.Adentrndonos un poco ms en lo que respecta a la falla, como se haba comentado anteriormente al presentarse esta anomala se generara un desnivel o podra decirse un desbalance en la potencia real contra la potencia reactiva producida por el generador. Esto significa que al tener este caso la mquina exceder los lmites establecidos de potencia reactiva y el generador sncrono comenzara a comportarse como un generador e induccin. Esto lleva a que la velocidad del generador bajo condiciones de esta falla exceda la velocidad sncrona establecida. Adems al tener un decremento en la potencia reactiva producida por el generador, y solo tener potencia real. Este al estar funcionando como generador de induccin se autoalimenta de potencia reactiva. Lo que lleva al deterioro de las partes que componen el sistema. Para un entendimiento ms preciso se puede observar la curva de capabilidad del generador en la figura siguiente.

Se puede apreciar en la figura mostrada que para las condiciones normales de operacin se debe de contar con un campo sobreexcitado hasta cierto punto. Los lmites manejados en la curva son tomados para aspectos trmicos del rotor y del estator. En lo que respecta para los casos del traspaso de la lnea de excitacin al punto de subexcitado, la operacin es limitada, esto debido al calentamiento del hierro en los extremos del estator. Es debido a esto que los niveles de potencia del generador no deben de sobrepasar los lmites descritos en la figura.En lo que respecta a los daos producidos directamente al generador para esta falla, se pueden presentar que las temperaturas en la superficie del rotor se incrementen, esto es debido a las corrientes de EDDY, adems de causar daos en las cuas y los anillos de retencin del rotor tambin debido a la temperatura. El tiempo en que la falla genera un dao catastrfico depende de distintos factores, como la capacidad del generador, el tipo de prdida de excitacin, las caractersticas del gobernador y la carga del generador. Otra de las consecuencias que se generan al presentarse este tipo de fallas, es hacia las lneas de trasmisin, las cual a tener un excedente de potencia reactiva se disparan. Esto es algo sumamente perjudicial para la empresa suministradora debido a que genera grandes costos de re conexin, ya que esto abarca una gran extensin de terreno.

FALLA POR PERDIDA DE SINCRONISMO

La prdida de sincronismo en un generador implica una mala o deficiente entrada de velocidad de entrada con velocidad de salida adems de las tensiones generadas en el proceso. Los efectos que provoca este tipo de falla son la creacin e corrientes altas en los devanados y grandes esfuerzos los cuales se concentran en la flecha del rotor, lo que puede provocar si se presenta una considerable magnitud en la falla, una ruptura en la flecha. Adems se pueden presentar flujos anormales debido al desplazamiento de los polos que provocaran un calentamiento excesivo y a un acortamiento en los extremos del ncleo del estator. Las altas corrientes generadas por la falla tambin tendrn repercusin en los devanados del transformador elevador de la central y conllevara a grandes esfuerzos en el dispositivo.FALLA POR DESBALANCE DE CORRIENTE (SECUENCIA NEGATIVA)La definicin exacta que se le da a este tipo de falla presentada en los generadores es que debido a la creacin de corriente de falla desbalanceadas, estas a su vez dan lugar a las corrientes de secuencia positiva. Estas corrientes tienen un efecto sumamente perjudicial en la composicin del generador. Debido a que al generarse las corrientes de secuencia negativa. Su direccin es contraria a la del flujo norma de la mquina o dicho de una forma ms sealada en el rotor del generador. Adems de que presenta un flujo de corrientes apuesto al normal, presenta una frecuencia dos veces mayor a la de la frecuencia normal. Esto lleva al calentamiento del rotor debido al efecto piel que se produce en el mismo. Que a su vez produce esfuerzos en el rotor.Para tener una idea ms clara de la repercusin en el rotor debido al efecto piel se presenta la siguiente figura.

Como se observa en la figura, el efecto piel producido en el rotor del generador tiene un efecto sumamente nocivo para la vida til de la mquina. Esto debido a que la corriente de secuencia negativa la cual posee una frecuencia dos veces mayor que la normal y de sentido opuesto, fluye a lo largo del rotor perjudicando de manera significativa. Se pueden presentar daos debido a que las ranuras son sobrecalentadas al punto donde ellas se reconocen lo suficiente para romperse. O que el calentamiento pueda causar que los anillos de retencin se expandan y floten libres lo que provocara arqueos en los soportes. Las corrientes generadas en este tipo de fallas deben de exceder una cierta magnitud ya contemplada en el generador, es decir la corriente de secuencia negativa a la que fue diseada la mquina. Para poder entender mejor este concepto se presenta la siguiente figura la cual muestra los valores permisibles que se pueden tener para distintos tipos de generadores.

FALLAS ENTRE FASES Y FALLAS DE FASE A TIERRA (PROTECCIN DE RESPALDO DEL SISTEMA)

Para el caso de este tipo de fallas se tienen ya expuestas las definiciones para estos casos en los apartados de fallas de corto circuito. Se debe de tener presente que para nuestro caso de anlisis. Estas fallas tendrn un tipo de proteccin distinto. Que a su vez de dividir. En el anlisis de su proteccin se profundizara ms para el caso de estas dos tipos de fallas.

FALLA POR ENERGIZACION INADVERTIDA DEL GENERADOR

Las fallas producidas a la energizacin inadvertida o accidental han tenido gran repercusin en los generadores y en las turbinas acopladas. Adems de tener en cuenta los daos mecnicos que se pueden generar, se debe de tener presente que una falla de este tipo causa severas afectaciones econmicas en el desempeo de la empresa suministradora. Esto es debido a que al tener deshabilitado el generador del sistema, como se haba comentado ya anteriormente, la empresa como prestadora de servicio, debe de garantizar un tiempo de interrupcin al usuario (TIU) mnimo, lo que la obliga a comprar energa para no interrumpir el servicio. La falla mecnica ocurrida en el generador por la energizacin es debido a que la mquina al estar fuer de line y ser energizada sbitamente, se comporta como motor de induccin. Debido a que el generador no tiene la composicin estructural que debe de tener para comportarse como motor. Este puede sufrir severos daos. O inclusive daos irreparables. En un periodo de tiempo corto. Un suceso de esta ndole puede ser generado por una amplia variedad de circunstancias. Puede ser producto de errores de operacin, esto debido a que con el paso del tiempo las centrales se han vuelto ms complejas y por consiguiente la preparacin de los operadores debe de ser en extremo cuidadosa. Otra de las causas las cuales provoca una energizacin repentina en el generador, es debido a que al abrir las cuchillas de operacin del sistema. Aun teniendo una distancia considerable debido a la perdida de presin en algunos interruptores, al deshabilitar el generador del sistema y teniendo el espaciamiento entre la cuchilla, se produce un arco. Este fenmeno provoca que ciertas corrientes dainas alcancen el generador. Y por consiguiente provoquen un severo dao. Para dividir de manera ms concreta los posibles casos que se podran tener en lo que se refiere a alergizaciones. Podemos dividir en alergizaciones trifsicas y alergizaciones monofsicas. Bsicamente las dos actan de forma similar. Pero es conveniente recalcar que la alergizacin monofsica se produce frecuentemente cuando se tiene un arqueo en los contactos del interruptor.En lo que respecta a los daos que genera este tipo de falla en el generador. Se tiene un gran nmero de componentes afectados a causa del calentamiento producido por las corrientes. Adems de los daos producto de las corrientes de secuencia cero. Este tipo de acontecimiento pueden variar dependiendo de cul sea el estado del generador es decir, si esta en reposo o si continua girando. Y el tiempo al que ha estado expuesto a la energizaran.

FALLA DE INTERRUPTOR DEL GENERADOR

Para el anlisis de este tipo de falla se debe de tener presentes que estos sucesos tienen lugar al tener un mal funcionamiento en el disparo del interruptor. Es decir por medio de los rels del generador que al detectar falla se activan, el disparo del interruptor del generador no responde adecuadamente. Al tener este tipo de acontecimiento se deben de tener interruptores auxiliares los cuales se activaran seguidamente de que el primero falle.

PROTECCION DE LOS GENERADORES SINCRONOS

RELES DE PROTECCION

Los rels de proteccin tienen como misin el detectar una situacin de falta de la forma ms precisa posible tanto en cuanto al tipo de falta como al lugar donde se produce, con el fin de limitar los daos sobre el elemento en defecto (generador, transformador, lnea, etc.) as como las repercusiones sobre el resto de la red. La actuacin de un rel de proteccin supone generalmente tanto la desconexin del elemento en defecto mediante la apertura del aparato de corte correspondiente, como la sealizacin del defecto.FUNCIONES Y CARACTERSTICAS DE LOS RELS DE PROTECCIN. La misin de un rel de proteccin consiste en detectar la variacin de ciertas magnitudes elctricas como la tensin, la intensidad, la impedancia, la potencia o la frecuencia, de forma que si las solicitaciones sobre las mquinas o circuitos protegidos son mayores que los valores especificados, estos elementos se desconectan de la red mediante la orden de disparo que el rel transmite a un dispositivo de corte. Las solicitaciones que deben soportar las mquinas son de varios tipos:

Solicitaciones elctricas sobre las bobinas segn su tensin de servicio asignada.

Solicitaciones trmicas ligadas a las mximas temperaturas soportadas por los aislamientos slidos.

Solicitaciones mecnicas sobre los conductores, los aislamientos y las partes mviles del generador.

Las principales caractersticas de los rels de proteccin se pueden resumir como:

Fiabilidad, que se consigue generalmente recurriendo a un principio de funcionamiento lo ms simple posible. El rel debe actuar frente a ciertas faltas, pero no debe actuar intempestivamente en otros casos.

Sensibilidad, de forma que sean fiables, incluso ante la variacin ms pequea detectable de la magnitud medida.

Selectividad. El concepto de selectividad se aplica a la zona de proteccin, de forma que el rel ms prximo al defecto es el nico que debe actuar. Tambin se aplica este concepto a la discriminacin del tipo de defecto. Por ejemplo, un rel diferencial destinado a detectar slo defectos internos no debe actuar nunca frente a un defecto externo a la zona protegida.

Las protecciones del generador sncrono se pueden clasificar segn acten contra defectos internos o externos. Cada rel se designa segn el tipo de falta que protege.

RELS DE PROTECCIN FRENTE A FALTAS INTERNAS EN EL GENERADOR.

A continuacin se analizan de forma detallada los rels de proteccin que actan frente a faltas internas al generador.

Proteccin contra faltas a tierra en el esttor (64 G). A pesar de las mejoras introducidas en los aislamientos de las mquinas elctricas el contacto a tierra sigue siendo una de las averas ms frecuentes. Los contactos entre espiras e incluso entre devanados se inician generalmente por una falta previa a tierra en el esttor que es seguida de una segunda falta a tierra. El problema principal es que la corriente de falta al circular por el circuito magntico puede daarlo gravemente. La selectividad de esta proteccin frente a defectos externos a tierra es muy buena ya que el transformador principal de la figura 1 (TP) mediante su conexin en tringulo evitar el paso de intensidades homopolares cuyo origen est en defectos a tierra del lado de la estrella del transformador. Esto es debido a que la conexin en tringulo supone una impedancia infinita para las corrientes homopolares. Por otra parte en la figura 1 se incorpora una proteccin a tierra 64B, complementaria de la proteccin principal 64G, que efecta una medida de la tensin homopolar en barras de los servicios auxiliares mediante tres transformadores de tensin unipolares conectados con el secundario en tringulo abierto. Esta proteccin es necesaria, ya que: El generador dispone de interruptor de grupo 52 G en el lado de baja tensin del sistema del transformador principal (TP), y Se pueden alimentar los servicios auxiliares de la central a travs del transformador principal con el interruptor 52G abierto.

El tipo de proteccin contra faltas a tierra del esttor depende en cierta medida de la forma en que se ponga a tierra el neutro del generador. Existen dos formas de conexin fundamentales que se representan en la figura 3. Unin directa del neutro a tierra a travs de una resistencia. Unin a tierra a travs de un transformador de distribucin monofsico y conectando una resistencia en el secundario del transformador.

Proteccin en el caso de puesta a tierra por resistencia. La proteccin ms habitual consiste en medir la corriente que pasa por la conexin del neutro a tierra mediante un transformador de intensidad cuyo secundario se conecta a la entrada de un rel de proteccin de sobreintensidad. Tambin se puede medir la tensin en bornes de la resistencia para hacer actuar a un rel de sobretensin (59N).

Proteccin en el caso de puesta a tierra por transformador de distribucin.En este caso el secundario del transformador de distribucin se carga con una resistencia, Rpt. Esta disposicin permite utilizar una resistencia de pequeo valor y de construccin robusta, pero que presenta un valor equivalente a Rpt, referida al primario del transformador de distribucin. El defecto se detecta o bien midiendo la corriente a travs de la resistencia o bien midiendo su tensin en bornes. De forma parecida al caso de puesta a tierra del neutro del generador directamente con una resistencia, el transformador de distribucin debera de tener una potencia nominal igual a la potencia capacitiva del circuito.Proteccin del estator al 100%.Cuando se produce una falta a tierra, la tensin del punto neutro respecto a tierra es proporcional al nmero de espiras entre fase y neutro contadas desde el punto de la bobina donde ocurre la falta. La mxima tensin parecer lgicamente para faltas en bornes o fuera del estator. Si la falta se origina en las proximidades del neutro, la tensin resultara prcticamente nula.

Por otra parte, se pueden producir pequeos desequilibrios en las tensiones de generacin, que provocarn la aparicin de tensin homopolar en el neutro, incluso sin falta real. Para conseguir proteger el 100% del arrollamiento, el ajuste del rele debera ser muy bajo y podra provocar, por tanto disparos intempestivos. Un valor razonable del ajuste de cara a la sensibilidad y selectividad es del 5%, quedando protegido por tanto solo el 95% del arrollamiento del estator, contado a partir de los bornes de salida de lnea del estator.

Si la falta se produce en la zona cercana al neutro, la intensidad correspondiente es pequea. Si no se despeja, puede originarse una segunda falta, de gran intensidad, dado que el neutro se puso rgidamente a tierra con la primera falta y con la segunda falta se cortocircuita parte del devanado. Por tanto, en mquinas grandes, es preciso disponer de otros sistemas de proteccin adicional, que permita detectar y despejar las faltas que la proteccin principal no es capaz de detectar en el 5% del bobinado del esttor cercano al neutro.

Para este fin se utilizan dos mtodos de proteccin:

a) Medida de la tensin del tercer armnico.

En funcionamiento normal aparece una tensin de tercer armnico en la impedancia de puesta a tierra del neutro. Esto se debe a que la tensin generada por la maquina no es perfectamente senoidal, sino que tiene un contenido en componente de tercer armnico del 2% al 5% de la componente fundamental. Cuando la falta a tierra tiene lugar en las proximidades del neutro la tensin de tercer armnico disminuye considerablemente. Para la deteccin de la falta a tierra se utiliza por tanto un rel de mnima tensin con filtro para paso banda de 150 Hz. Su ajuste cubre perfectamente la parte de los arrollamientos del generador que no protege la proteccin principal.

En la figura siguiente se representa un rel de proteccin contra faltas a tierra del esttor que mide la tensin del neutro del generador respecto de tierra y combina la proteccin de sobretensin a la frecuencia fundamental de 50 Hz (funcin 59N), con la proteccin de mnima tensin para la frecuencia del tercer armnico (funcin 27TN).

En la siguiente figura se representa un ejemplo de ajuste del rel anterior superponiendo las funciones 27TN (tercer armnica) y 59N (proteccin principal) para conseguir una proteccin del 100% del devanado del estator

b) Inyeccin de tensin en el neutro.

Se realiza inyectando una tensin de baja frecuencia al circuito de puesta a tierra del neutro, al tiempo que se mide el valor de la intensidad, I, que ser prcticamente nulo en el caso de no existir falta a tierra. El aumento de este valor de intensidad es seal de que se ha producido un defecto a tierra del estator.

Frente al mtodo anterior el de inyeccin de tensin presenta las siguientes ventajas:

No depende de una magnitud generada por la propia mquina. Permite detectar faltas sin tener el generador en tensin.

Como inconvenientes se puede sealar que:

Es un sistema ms complicado, y por tanto menos robusto y ms claro. Es necesario ponerlo fuera de servicio cuando se realizan trabajos de mantenimiento, para evitar daos al personal que manipula la instalacin.

En la siguiente figura se representa un sistema de proteccin por inyeccin de tensin en el neutro.

Proteccin contra cortocircuito entre fases (87 G).

Las faltas entre fases en el sistema de generacin son de carcter grave, ya que pueden provocar serios daos en los aislamientos, devanados y en la chapa magntica del esttor, as como esfuerzos de torsin en el rotor.

Se necesita un sistema de proteccin que sea muy selectivo para que no acte en caso defectos externos al generador. Adems, debe ser muy rpido, ya que las intensidades de falta son bastante elevadas al no existir impedancias adicionales que las limiten, y por eso conviene despejarlas lo ms rpido posible.

Un defecto entre fases en el interior de las ranuras del circuito magntico viene acompaado o precedido de un defecto a tierra del esttor, y por lo tanto actuar la proteccin ya descrita contra defectos a tierra del esttor. Sin embargo, un defecto entre las cabezas de las bobinas del esttor fuera del circuito magntico, aunque generalmente degenerar en un defecto a tierra debido al soplado del arco por efecto del sistema de ventilacin del generador, debe detectarse e una forma muy rpida, incluso antes de transformarse en defecto a tierra con objeto de limitar los daos en el generador. Esto justifica el uso de una proteccin diferencial longitudinal del generador, que debe actuar de forma instantnea para defectos entre fases.

En la prctica se dispone de una proteccin diferencial principal (87 G) que protege slo al generador con otra de apoyo (87 TP) que protege al conjunto generador y transformador principal.

La proteccin diferencial se basa en comparar las corrientes que pasan por la misma fase a ambos lados del generador. En las figuras 7 se ilustra el funcionamiento de esta proteccin.

Para cada fase un rel mide la diferencia entre las corrientes que pasan por cada uno de los transformadores de intensidad. En ausencia de falta entre fases ambos transformadores miden la misma corriente de forma que la intensidad que pasa por el rel es nula. En caso de un defecto entre fases ambos transformadores de intensidad miden corrientes distintas por el circuito principal, de forma que el rel detectar esta diferencia de intensidades. Aunque para mayor claridad la figura 7 representa slo la fase T, esta proteccin protege cada fase del generador en la zona situada entre los transformadores de corriente y como consecuencia de ello es inherentemente selectiva.

Debido a que los transformadores de intensidad no tienen una respuesta idntica, siempre existir una corriente diferencial, aunque sea pequea. Este efecto es muy importante en caso de faltas externas con elevados valores de intensidad.

Para minimizar estos funcionamientos intempestivos debido a defectos externos, los dos transformadores de intensidad se deben comportar de forma idntica, sobre todo en rgimen subtransitorio y transitorio y tambin bajo el efecto de corrientes con componente continua o aperidica. El error de relacin del transformador debe ser inferior al umbral de funcionamiento del rel tanto hasta un valor de intensidad de varias veces (10 o 20 veces) la intensidad nominal de los transformadores.

Para conseguir que las caractersticas como el error de relacin, o la curva de magnetizacin de los transformadores montados sobre la misma fase sean prcticamente idnticas o al menos muy similares se utilizan transformadores de precisin 5P10 o 5P20 que garantizan errores de relacin inferiores al 5% hasta 10 o 20 veces la intensidad nominal respectivamente. Ambos transformadores deben pertenecer al mismo lote de fabricacin, y adems los cableados en el secundario deben ser de la misma seccin y longitud, y se debe comprobar tambin que la carga conectada en los secundarios no supera la potencia admitida por los transformadores.

Sin embargo, aunque se tomen todas estas precauciones nunca es posible descartar totalmente los disparos intempestivos para defectos externos con valores muy elevados de corrientes de cortocircuito, por lo cual se utilizan rels que incluyen elementos de frenado.

Para que el rel opere, la corriente diferencial debe alcanzar un valor porcentual de la corriente de frenado (un valor tpico para generadores es v=10%). Este valor se denomina caracterstica porcentual del rel. Este tipo de rel con bobinas o elementos de frenado se representa en la siguiente figura.

Faltas a tierra del rotor (64R).

El arrollamiento de campo es un circuito alimentado en corriente continua, sin puesta a tierra. Por tanto si existe un punto de ste que se pone a tierra, no ocurrir nada, ya que no hay camino de retorno para que circule la corriente de falta. En cambio, si son dos los puntos de puesta a tierra, se cortocircuitar parte del arrollamiento, circulando una intensidad de falta. En este caso, aparte de los daos que esta intensidad produce sobre el devanado, se crea por efecto magntico un desequilibrio que puede hacer vibrar la maquina o provocar incluso la fusin del eje.

La probabilidad de que ocurra una doble falta a tierra simultneamente en el rotor es pequea, pero si es alta la posibilidad de que ocurra una segunda falta despus de que haya tenido lugar la primera si esta no ha sido detectada a tiempo. De hecho se pueden ocasionar daos importantes.

Esta proteccin es independiente del resto y no requiere por tanto de una coordinacin especfica con otras protecciones.

Existen varios mtodos para detectar la aparicin de un punto de contacto a tierra en el devanado, todos ellos estn basados en que el aislamiento entre el rotor y tierra se anula al aparecer la falta.

Se utilizan dos mtodos de deteccin: el mtodo del divisor resistivo o potenciomtrico y el de inyeccin de corriente alterna de baja frecuencia, siendo el segundo el ms utilizado.

Mtodo potenciomtrico. El principio de funcionamiento se ilustra en la figura siguiente.

Segn este mtodo en paralelo con el devanado del rotor se conecta un divisor resistivo formado por dos resistencias iguales con un valor elevado para que la corriente que circule por ellas sea pequea. El punto medio entre ambas resistencias se conecta a tierra a travs de un rel de tensin. Un fallo a tierra en cualquier punto del devanado del rotor produce un desequilibrio en el puente de impedancias formado suficiente para activar el rel de tensin.

El inconveniente de este rel es que un fallo en la zona central del devanado provoca un desequilibrio en el puente muy pequeo y una tensin inferior al lmite de sensibilidad del rel. Se dice que el rel tiene una zona ciega en el devanado del rotor. Para superar este inconveniente se conecta un contacto auxiliar que cortocircuita parte de la resistencia R2, trasladando el punto de equilibrio del puente a una zona alejada del centro del devanado y eliminando as la zona ciega. El desplazamiento de la posicin del contacto auxiliar a distintas posiciones es generalmente automtico pero puede ser tambin manual.

La principal ventaja de este sistema es su simplicidad y el hecho de no necesitar ninguna fuente auxiliar.

Mtodo de inyeccin de corriente.

El mtodo de inyeccin de corriente de baja frecuencia consiste en colocar una fuente de baja frecuencia (senoidal o rectangular) entre el circuito rotrico y tierra, y medir la resistencia de aislamiento del bobinado del rotor respecto de tierra. El condensador de acoplamiento de una capacidad elevada del orden de los microfaradios, C, bloquea el paso de la corriente continua de excitacin al circuito de medida del rel. Al no utilizarse una fuente de 50 Hz, sino de frecuencia inferior, se puede distinguir la corriente de medida de otras corrientes parsitas a 50 Hz.

Cualquier contacto a masa que se produzca en el rotor cierra el circuito secundario de la proteccin que acta cuando la resistencia de aislamiento medida para el rotor es inferior a un valor variable comprendido entre 1 y 5 K.

La ventaja de este mtodo es que no existe zona ciega, pero la desventaja es que al utilizarse corriente alterna, a travs de las capacidades entre el devanado del rotor y la carcasa de la mquina conectada a tierra, se produzca una corriente de valor suficiente para daar los cojinetes. Otra desventaja es que si llega a perderse al alimentacin auxiliar de alterna la proteccin queda anulada.

Prdida de excitacin del generador (40).

La prdida de excitacin puede tener varios motivos: apertura accidental del interruptor del devanado de excitacin, fallo en el sistema de regulacin de tensin del generador, perdida de la alimentacin de la excitacin, etc. Esta situacin puede provocar daos serios en el generador y en el sistema elctrico, especialmente si el generador trabaja a plena carga antes del defecto. Al perder la excitacin, lo cual puede desestabilizarlo (generador subexcitado). En estas condiciones la potencia reactiva consumida estar prxima a la potencia nominal de la mquina.

Adems un grupo que ha perdido su excitacin deja de entregar toda o parte de la potencia activa, con lo cual disminuye el par resistente y tiende a embalarse y a trabajar asncronamente. El embalamiento y prdida de sincronismo es ms probable en turboalternadores que en mquinas de polos salientes, debido a la menor inercia mecnica de los turboalternadores. Tambin se producen calentamientos anormales en el rotor debido a los elevados valores de corrientes parsitas inducidas que circulan por l a la frecuencia de deslizamiento.

Ninguno de estos efectos produce un efecto inminente, por lo que la desconexin puede hacerse gradualmente. No obstante si la red a la que est conectado el generador no puede suministrar la energa reactiva, habr una disminucin muy importante de la tensin con el consiguiente riesgo de prdida de estabilidad del sistema, lo cual exigira la desconexin inmediata del generador.

La proteccin ms sencilla contra este tipo de defecto es un rel de mnima intensidad en el rotor, que dispare cuando la intensidad es menor que el valor ajustado. Sin embargo este sistema no permitira la plena explotacin del grupo ya que la intensidad de excitacin no es del todo constante sino que puede variar con la carga para conseguir el control de la tensin.

RELS DE PROTECCIN FRENTE A FALTAS EXTERNAS.

A continuacin se analizan de forma detallada los rels de proteccin que actan frente a faltas externas al generador.

Proteccin de sobreintensidad en el esttor (51).Esta proteccin se coloca en el lado del neutro del transformador, ya que se trata de medir la corriente que el generador aporta a la falta, no la que la red aporta a la falta. Esta proteccin no es selectiva ya que ve faltas cuyo origen est tanto en el generador como en el transformador principal o incluso en las lneas de salida.

Figura 16. Colocacin correcta de la proteccin de sobreintensidad del esttor.

Esta proteccin sirve de seguridad para el generador, evitando las sobreintensidades provocadas principalmente por elevado consumo de reactiva, y tambin de apoyo en caso de cortocircuitos externos que tengan lugar en el resto de la central o en la red, en caso que estas faltas no sean despejadas por otros rels de proteccin.Se trata generalmente de una proteccin con una caracterstica de tiempo dependiente, de curva inversa, o de tiempo fijo, segn convenga. La proteccin se ajusta para que arranque con valores de 1,2 o 1,3 veces la intensidad nominal del generador. Al tratarse de un proteccin de respaldo y para garantizar su selectividad debe actuar con cierto retardo. Slo actuara como proteccin principal en caso de un cortocircuito en barras.

La principal ventaja de esta proteccin es su sencillez, aunque presenta un inconveniente en mquinas autoexcitadas. En este caso cuando ocurre un cortocircuito, la tensin de salida del generador se reduce aportando cada vez menos intensidad, de forma que el rel de proteccin puede desactivarse antes de dar la orden de abrir al interruptor automtico. Para solucionar este problema se utilizan rels de sobreintensidad con memoria de tensin que disponen de dos elementos: uno de mnima tensin y otro de intensidad. Cuando se produce una falta arrancan los dos elementos, y si al llegar al tiempo de disparo del rel, la tensin no se ha recuperado por encima del valor de regulacin, se produce el disparo del interruptor automtico del grupo, aunque la intensidad haya cado por debajo de su valor de regulacin.

En la figura siguiente se representa la proteccin de sobreintensidad en el esttor.

Sobrecargas y sobrecalentamiento en el esttor y rotor (49).

El objetivo es evitar las cargas excesivas o sobrecargas que provocan un calentamiento peligroso en el generador. Una sobrecarga se produce con cargas mayores de la nominal, pero en circuitos sanos, es decir sin cortocircuitos. La sobrecarga est motivada, no slo porque el alternador est suministrando la mxima potencia activa que le permite su accionamiento, sino porque adems, est consumiendo o generando una cantidad muy elevada de energa reactiva.

Un alternador puede sufrir importantes daos por efectos trmicos debidos tanto a una intensidad mayor que la nominal en rgimen permanente, como consecuencia de intensidades elevadas durante cortos espacios de tiempo. Segn la temperatura de funcionamiento del alternador se definen tres zonas de funcionamiento:

Zona de funcionamiento nominal para intensidades iguales o menores a la nominal. Zona de sobrecarga admisible en rgimen permanente, en la que el alternador alcanza temperaturas no peligrosas. Sin embargo no se debe utilizar esta zona en la explotacin normal, ya que se acorta la vida til debido al envejecimiento de los materiales aislantes. Zona de sobrecarga transitoria. Esta zona se delimita por sobrecargas elevadas durante cortos espacios de tiempo, de forma que no se alcancen temperaturas peligrosas. Al ser la sobrecarga transitoria de corta duracin se puede sobrepasar el valor lmite de intensidad que provoca temperaturas inadmisibles para tiempos largos

La proteccin del alternador contra sobrecargas se puede efectuar mediante mtodos directos de medida de la temperatura (con sondas de tipo termopar o termistores), o mediante mtodos indirectos, como son los rels trmicos o los de imagen trmica.

a) Proteccin mediante sondas de temperatura.

La temperatura del esttor se mide mediante sondas de temperatura. Las sondas ms utilizadas son los termistores o resistencias con coeficiente de temperatura negativo (NTC), es decir, que la resistencia del termistor disminuye al aumentar la temperatura. El rel de proteccin mide el valor de la resistencia y cierra sus contactos cuando la resistencia medida equivale a un valor inadmisible de la temperatura. Como la medida de temperatura es local en el lugar de colocacin de la sonda, es necesario dotar al generador de varias sondas uniformemente distribuidas. Las resistencias se suelen colocar en los lugares donde se prev un mximo calentamiento, por ejemplo en las ranuras del esttor o embebidas en varios puntos del devanado. La medida directa de temperatura permite localizar sobrecalentamientos que no son debidos a sobrecargas, sino a otras causas. Las ms frecuentes son un cortocircuito entre las chapas magnticas que forman el ncleo del esttor como consecuencia de un aislamiento deficiente, o una avera en el sistema de refrigeracin.

b) Proteccin con rels digitales de sobrecarga (rels trmicos).

Estos rels reproducen la curva de sobrecarga admisible facilitada por el fabricante del alternador. Su principio de funcionamiento se basa en que cuando la medida de intensidad supera la intensidad mxima permanente admisible, arranca un contador digital con una frecuencia de conteo proporcional al cuadrado de la intensidad, de forma que el nmero de pulsos totalizados por el rel ser proporcional al calentamiento de la mquina. Si desaparece la sobrecarga se inicia una cuenta atrs con una frecuencia proporcional a la constante de tiempo de enfriamiento de la mquina. Por tanto, mediante la medida de las corrientes estatricas ( o rotricas) se puede reproducir la evolucin trmica de la mquina, y provocar la actuacin del rel cuando la temperatura alcance valores peligrosos. En la siguiente figura se representan las curvas caractersticas de sobrecarga admitidas por el esttor y el rotor, de forma que mientras que no se superan dichas caractersticas de funcionamiento no se alcanzan temperaturas peligrosas.

c) Proteccin con rels de imagen trmica.

Estos rels se alimentan mediante un transformador de intensidad de forma que la intensidad que atraviesa el rel es proporcional a la intensidad estatrica. El principio de funcionamiento se basa en un modelo terico que reproduce la temperatura de la mquina utilizando como variable de entrada la intensidad y las constantes de tiempo de calentamiento y enfriamiento de la mquina. Lgicamente los valores de estas constantes dependern del valor de la intensidad. Con rels electrnicos es muy frecuente realizar una imagen trmica mediante un circuito R-C, cuyas constantes de carga y descarga corresponden a las constantes de calentamiento y enfriamiento de la mquina. En la siguiente figura se representa el esquema de conexin de un rel de proteccin contra sobrecargas en el esttor.

Proteccin contra carga desequilibrada (46).La carga desequilibrada consiste en una distribucin asimtrica de la corriente en las tres fases, cuyo origen puede tener distintas causas: Falta de simetra entre las reactancias en el sistema de transporte. Existencia de cargas desequilibradas Presencia de cortocircuitos asimtricos Rotura de conductores o mal contacto en un interruptor unipolar o por un polo de uno tripolar, por un defecto o avera.

Cuando existen cargas desequilibradas y se descomponen las intensidades de fase del esttor en sus componentes simtricas directa, inversa y homopolar, aparecen intensidades de secuencia inversa superpuestas a la componente directa. Estas intensidades de secuencia inversa del esttor giran a la misma frecuencia, pero en sentido inverso que las de secuencia directa, e inducen en el hierro masivo del rotor corrientes parsitas (corrientes de Foucault) de frecuencia 100 Hz, la elevada frecuencia hace que circulen principalmente en la superficie del rotor.

Estas corrientes pueden producir temperaturas excesivas en muy corto plazo, que pueden llegar incluso a fundir el metal o destruir totalmente la estructura metlica del rotor. No obstante, dentro de unos lmites y respetando los esfuerzos trmicos mximos del generador, es admisible una cierta carga desequilibrada. En cualquier caso, para evitar un fallo prematuro del generador, debe adecuarse la caracterstica de disparo del dispositivo de proteccin contra carga desequilibrada a la caracterstica trmica del generador

Por lo general, cuanto mejor sea la refrigeracin del rotor, tanto ms bajos son los valores admisibles de carga desequilibrada. Esto se debe a que, con mejor refrigeracin puede tolerarse una carga mxima permanente simtrica ms elevada, mientras que proporcionalmente a este valor ser admisible slo una menor carga desequilibrada. Debido a las diferencias constructivas de los rotores los turboalternadores soportan un porcentaje inferior de intensidad de secuencia inversa que los alternadores de las centrales hidrulicas.

Adems del problema trmico, en algunos turboalternadores de centrales trmicas y nucleares se producen vibraciones en el conjunto rotrico de la turbina debidas al campo magntico giratorio de 100 Hz producido por el sistema inverso. Al ser las frecuencias propias de vibracin prximas a este valor, las amplitudes de las vibraciones pueden ser grandes y peligrosas originando grietas por fatiga.

Distintas especificaciones, como la ANSI C50.13 fijan el valor de intensidad de secuencia inversa que u n generador puede soportar sin dao alguno, en porcentaje de su intensidad nominal.

Tabla 4. Lmites de corriente inversa, I2, admisibles en rgimen permanente.

Los lmites anteriores son vlidos siempre que se cumplan tambin las condiciones siguientes: La intensidad en cualquiera de las fases no sobrepasa el 105% de su valor nominal. No se sobrepasa la potencia nominal del generador.

Para evitar calentamientos excesivos del rotor, el rel de proteccin debe garantizar que no se alcancen ciertos lmites de temperatura, lo cual se consigue limitando la duracin de las corrientes inversas segn la caracterstica intensidad-tiempo definida por la siguiente ecuacin:

(5.1) donde:

: valor eficaz de la intensidad de secuencia negativa en por unidad de la intensidad nominal del generador.t: tiempo de duracin del desequilibrio con intensidad inversa en segundos. : constante de tiempo de la caracterstica del generador (en segundos) que depende del diseo y tamao del generador.

Los rels de proteccin contra carga desequilibrada disponen de distintas caractersticas de disparo ajustables con una adaptacin ptima a travs de la constante de tiempo del generador. Con ello es posible la proteccin de casi cualquier tipo de generador.

El tipo de proteccin puede ser un rel de sobreintensidad temporizado con dos escalones discretos. El rel mide la intensidad de secuencia inversa. Se ajusta el primer escaln por debajo del valor de la intensidad mxima de secuencia inversa admisible en rgimen permanente, y el segundo con una temporizacin menor, se ajusta a un valor de intensidad inversa mayor, de forma que la caracterstica del rel quede siempre por debajo de la caracterstica de admisible por el generador. La actuacin del primer escaln provoca una alarma para que el operador pueda bajar la carga y corregir el defecto, mientras que el segundo escaln provoca el disparo del interruptor de lnea. En la siguiente figura se ilustra un ejemplo de regulacin. Tambin se pueden emplear rels con caractersticas de. tiempo inverso.

Figura 21. Ejemplo de rel de proteccin contra desequilibrios con regulacin en dos escalones discretos.

La proteccin contra carga desequilibrada puede activarse tambin por fallos externos en la red, debidos a cortocircuitos asimtricos. Para garantizar la selectividad, en la medida en que la capacidad de sobrecarga del generador lo permita, hay que elegir un tiempo de disparo algo ms largo que el de la proteccin de red.

Proteccin contra potencia inversa o retorno de energa:Cuando existe un fallo en la aportacin de agua o gas a la turbina se puede producir: Una avera en el regulador de velocidad. El cierre intempestivo del inyector de la turbina. El cierre anmalo de vlvulas o compuertas.En estas condiciones de fallo en la turbina el par motor producido es nulo, y el generador funciona como motor sncrono, moviendo la turbina. Los alabes de la turbina la rompen contra el agua producindose un desgaste y daos en los cojinetes. La proteccin contra retorno de energa o contra el funcionamiento del generador como motor, sirve para separar el generador de la red en caso de fallo en la turbina motriz. Es decir, se trata de evitar que el generador pase a funcionar como un motor sncrono que mueve a la turbina.Esta proteccin evita que la turbina est sometida a esfuerzos anormales de presin en los labes: calentamientos por ausencia de ventilacin, dilataciones, e incluso en turbinas de vapor rozamientos de la corona fija con la mvil. En turbinas hidrulicas aparece el fenmeno de la cavitacin, y en los grupos disel existe peligro de incendio y explosin debido al combustible no quemado.La capacidad de un generador para soportar un funcionamiento con potencia inversa depende del tipo de turbina. Las de vapor y las de gas soportan muy mal este tipo de funcionamiento, mientras que entre las turbinas hidrulicas las tipo Kaplan son las menos robustas, las Francis tienen mejor comportamiento y las Pelton incluso resultan insensibles a estas condiciones de funcionamiento.La deteccin se efecta mediante un rel direccional de potencia que se alimenta mediante transformadores de medida de tensin y de intensidad. El rel dispone de una unidad direccional con ajuste de tiempo. La unidad direccional mide la componente activa de la potencia. El disparo debe ser rpido en el caso de que el distribuidor o inyector de la turbina est cerrado La unidad de tiempo retarda el disparo del rel, tpicamente entre 2 y 10 segundos, para evitar disparos intempestivos en caso de oscilaciones de potencia, por ejemplo durante una maniobra de sincronizacin del generador.El valor de ajuste de la potencia activa inversa debe ser inferior a la suma de las prdidas elctricas y mecnicas de la mquina (entre el 0,5% y el 5% de la potencia nominal para las turbinas de vapor y entre el 5% al 25% para las de gas). Es habitual ajustar la potencia inversa de disparo a un valor entre el 60 y el 80% de la potencia activa consumida por el generador cuando trabaja como motor.Los rels utilizados modernamente son del tipo esttico que realizan la medida de potencia mediante una tcnica de muestreo digital de tres seales de tensin y tres de intensidad con una velocidad de muestreo de al menos 12 veces la frecuencia de red. La integracin de la potencia en cada perodo se realiza mediante la suma de los productos de las seales de tensin y de intensidad muestreadas durante el perodo.

En la figura siguiente se muestra la caracterstica de actuacin de un rel de potencia inversa, representando los cuatro cuadrantes de funcionamiento de la mquina (cuadrantes 1 y 4 como generador, G; y cuadrantes 2 y 3 como motor, M).

Figura 25. Caracterstica de disparo de un rel de potencia inversa.

Proteccin contra sobretensiones en el esttor (59).

Las sobretensiones que pueden afectar al funcionamiento normal del alternador son de dos tipos: temporales y transitorias.Las transitorias son de origen externo debidas a maniobras o a causas atmosfricas como las cadas de rayos, aunque su duracin es corta la magnitud de la sobretensin puede ser muy elevada.Las temporales son de origen interno, debidas por ejemplo a un funcionamiento anmalo del regulador de tensin, por una avera o una falsa maniobra en modo manual o debidas al embalamiento de la mquina motriz que acciona el generador. Son sobretensiones a la frecuencia nominal de 50 Hz, sin amortiguar o dbilmente amortiguadas y con una duracin del orden del minuto, aunque pueden llegar incluso hasta una hora.Las sobretensiones de origen interno son ms importantes en grupos hidrulicos que en trmicos. En efecto, por razones mecnicas los turboalternadores no pueden alcanzar grandes sobrevelocidades, con lo cual queda casi excluido el riesgo de embalamiento. Adems los modernos reguladores de tensin son de accin rpida y entran en funcionamiento cuando se produce una sobretensin, reduciendo la corriente de excitacin del rotor, por tanto no suele ser necesario utilizar una proteccin especial. Sin embargo, para generadores accionados por turbinas hidrulicas si existe el peligro de embalamiento y en caso de fallo del regulador de velocidad puede producirse una sobretensin peligrosa, este peligro es incluso mayor si esta circunstancia se produce en un caso de paso de funcionamiento normal a funcionamiento capacitivo, es decir, alimentando el generador a una carga capacitiva como una lnea en vaco de gran longitud.

Como elemento de proteccin se utilizan rels de sobretensin con dos escalones de actuacin. El primero es instantneo y se ajusta aproximadamente a 1,4 veces la tensin nominal. El segundo se ajusta entre 1,1 y 1,2 veces la tensin nominal y puede ser de tiempo independiente o con una caracterstica de tiempo inverso, este segundo escaln puede tambin accionar una alarma.Para alimentar el rel se utilizan transformadores de tensin de relacin (Un/3)/(110/3). Como este tipo de defectos son equilibrados se puede efectuar la medida de tensin en una sola fase. El rel de mxima tensin y el regulador de tensin deben conectarse a transformadores de tensin diferentes para garantizar la actuacin del rel en caso un cortocircuito en el transformador de tensin que alimenta al regulador. Siempre que se utilizan dos transformadores independientes, cuando se produce un cortocircuito en el transformador que alimenta al regulador, el regulador tratar de aumentar al mximo la excitacin del generador sin obtener aparentemente debido al defecto del transformador un incremento en la tensin de salida del generador; sin embargo podr actuar sin problemas la proteccin de sobretensin.Adems de la proteccin de sobretensin que evita el embalamiento, las turbinas disponen de una proteccin de sobrevelocidad, por ejemplo, mediante un dispositivo mecnico que se acciona por la fuerza centrifuga de rotacin y se retiene mediante un resorte, la actuacin de este dispositivo provoca el cierre de las vlvulas de seguridad.Poteccin contra la prdida de sincronismo (78).Cuando una red elctrica funciona en condiciones estables se caracteriza por mantener un equilibrio entre la potencia generada por los alternadores y la potencia demanda por los consumidores en cada momento.En condiciones normales de funcionamiento la posicin del eje del campo del rotor y el eje del campo resultante (composicin del campo del rotor y del de reaccin del inducido) de una mquina sncrona forman un ngulo fijo denominado ngulo de potencia o ngulo de par, . La potencia entregada por el generador es proporcional al seno del ngulo de par.Como consecuencia de una perturbacin se puede producir una variacin brusca de la potencia demandada debido por ejemplo a la desconexin de una de las lneas que parten de la central donde se ubica el generador; en esta situacin, el rotor se acelerar (o decelerar en otros casos) con respecto del campo magntico resultante que mantiene una velocidad constante ya que la frecuencia del sistema elctrico prcticamente no vara (la variacin de frecuencia sera cero en una red de potencia infinita), con lo que se tendr un movimiento relativo entre ambos campos y una variacin del ngulo de potencia, .Por lo tanto, como consecuencia de estas perturbaciones (cortocircuitos, conexin o desconexin de cargas importantes) la velocidad de giro de la mquina sncrona experimentar una desviacin respecto de su valor de sincronismo de 50 Hz, y el ngulo de potencia variar.Una vez pasada la perturbacin, (por ejemplo una vez despejada una falta debida a un cortocircuito fugitivo y reenganchada con xito la lnea en defecto), y tras unas oscilaciones en el valor del ngulo de potencia y tambin en la potencia activa entregada por el generador, la mquina puede recuperar la frecuencia de sincronismo con un nuevo ngulo de potencia. En otros casos ser incapaz de volver a una nueva posicin estable y perder definitivamente el sincronismo, en cuyo caso se debe aislar el generador de la red.Un factor que influye notablemente en la prdida o no del sincronismo es el tiempo de despeje de las faltas. Adems al construirse los generadores cada vez de mayor tamao, aumenta su reactancia por unidad y disminuye la constante de inercia normalizada, H, (cociente entre la energa cintica a la velocidad de sincronismo y la potencia nominal del generador). La constante H vara entre 1 y 10 segundos segn el tamao de la unidad generadora. Estos dos factores combinados reducen el tiempo crtico para despejar y aislar del generador la parte afectada del sistema, antes de que se produzca la prdida de sincronismo.En la situacin anterior la oscilacin de potencia puede evolucionar hacia un nuevo estado estable del sistema elctrico o por el contrario, producir la prdida de sincronismo de uno o varios generadores conectados a la red. De esta forma la mquina pasa a funcionar a una velocidad distinta de 50 Hz, con sucesivos deslizamientos del ngulo de carga e incluso ngulos de carga mayores de 90 manteniendo la excitacin conectada. Esta situacin produce lgicamente fuertes oscilaciones de potencia, tanto activa como reactiva, que afectan negativamente tanto al generador como a la red.Las consecuencias directas sobre el generador son de tipo mecnico, y se deben a los fuertes pares de freno y aceleracin a los que se somete a la mquina. Tambin se ve afectada la estabilidad de la red por las oscilaciones de potencia, adems se puede producir una inestabilidad en las tensiones debido a la dificultad en mantenerlas en niveles aceptables tras la perturbacin, de forma que se puede producir el colapso de tensiones.Este tipo de fenmenos puede degenerar en un gran incidente para la red, por lo tanto es necesario disponer de un sistema de proteccin que detecte la prdida de estabilidad e inicie las acciones necesarias para minimizar las consecuencias, distinguiendo si las oscilaciones son estables en cuyo caso no tendr que actuar la proteccin.La proteccin de prdida de estabilidad se realiza generalmente con rels que miden la impedancia vista desde su punto de instalacin haciendo el cociente entre la intensidad y la tensin. El rel es capaz de medir como vara esta impedancia cuando se produce este fenmeno de variacin del ngulo de potencia.Para comprender el funcionamiento de este rel se estudia primero el sistema formado por un generador A y un generador B separados por una lnea de transmisin. En realidad el ejemplo es de aplicacin general si se considera que el generador B representa un generador equivalente a la red elctrica a la que se conecta el generador bajo estudio o generador A. El circuito equivalente se representa en la figura 26. Considrese que las impedancias ZA, ZB, son prcticamente inductivas, mientras que la impedancia de la lnea, ZL, tiene componente resistiva y componente inductiva.

Figura 26. Circuito equivalente de un sistema con dos generadores.Mediante el diagrama vectorial de la figura 27 se representan las impedancias, ZA, ZB, ZT, utilizando unos ejes, R, X. Tambin se representa la posicin de los puntos A, C, D y B.

Extremos del vector ZC, con origen en punto C

ZC, para = 90

ZC, para = 60

Figura 27. Diagrama vectorial de impedancias, para EA=EB=1.

En el punto C se instala el rel de medida de impedancia, de forma que dicha impedancia se calcular como:ZC =VC / I = (EA-ZA I)/ I (5.3)Si se resuelve la ecuacin anterior para la condicin particular en la que los mdulos de EA, EB sean iguales ente s e iguales a la unidad, se tiene que:En la figura 27 se representa tambin el valor de impedancia Zc, vista por le rele para distintos valores del angulo , ( =180, =90, y =60).En el caso particular de que el ngulo = 180, se tendran los dos generadores A y B en oposicin de fase, de forma que el rel ve una impedancia cuyo extremo se encuentra en el punto medio de ZT. Dicho de otra manera el rel detecta un cortocircuito trifsico situado en el punto medio de la lnea.La figura 28 tambin representa grficamente la posicin de la impedancia, ZC, en un plano R-X, tomando siempre como origen el punto C donde se instala el rel, cuando los mdulos de las tensiones, EA, y EB, no son iguales.

En condiciones normales de funcionamiento el ngulo de potencia, , que representa el desfase entre EA, EB tendr un valor entorno de 30. Si se producen oscilaciones, el ngulo aumenta considerablemente desplazando el punto de funcionamiento de la mquina a lo largo de una de las tres curvas tpicas de la figura 28, segn el valor del cociente: EA /EB. El sentido del desplazamiento depender de la frecuencia del generador A respecto de la red equivalente. Si la frecuencia del generador A es mayor que la velocidad del B el desplazamiento ser de derecha hacia izquierda, y viceversa.La caracterstica de actuacin de un rel de prdida de sincronismo se define mediante una zona en forma de lente prxima al segmento AB. Cuando el valor de la impedancia ZC atraviese esta zona el valor del ngulo , alcanzar valores muy elevados que indican que se estn produciendo oscilaciones de potencia. En la figura 29 aparecen algunos ejemplos de oscilaciones. Para que el rel acte, es necesario que la oscilacin cruce la caracterstica desde la derecha o la izquierda, y permanezca al menos un cierto tiempo, que es ajustable en cada parte de la lente.

Un tiempo tpico de ajuste de permanencia en cada zona o lado de la lente es de 25 ms. Si la impedancia sigue el recorrido A durante la oscilacin el rel actuar en la zona izquierda de la lente. Para los recorridos B y C el rel no acta, ya que el recorrido de la impedancia no cruza completamente la caracterstica de la lente. En el recorrido E el rel actuara en la segunda zona (a la izquierda de la lente), pero no lo hace ya que el tiempo de permanencia en el lado izquierdo de la lente es inferior a los 25 ms.La proteccin de prdida de sincronismo se puede hacer por supuesto con otras caractersticas con forma distinta a la de lente (por ejemplo de doble pantalla), pero basadas tambin en la medida de impedancia.Proteccin contra las variaciones de frecuencia (84) y sobrevelocidad.La proteccin contra las variaciones de frecuencia tiene un uso bastante limitado, ya que estas variaciones slo se pueden dar en ciertos casos especiales, como cuando existen generadores aislados o durante desconexin brusca de cargas importantes, por ejemplo en caso de una parada de emergencia en la que no ha dado tiempo de bajar la carga.La proteccin de sobrefrecuencia del generador es distinta de la proteccin de sobrevelocidad, que puede ser de funcionamiento mecnico o elctrico. La primera acta en un rango muy estrecho de variacin de la frecuencia, por ejemplo por encima de 51 Hz, y tambin puede actuar en caso de mnima frecuencia, (entre 47 y 49 Hz), para la proteccin de la turbina en caso de cada de la frecuencia. La segunda es una proteccin tpica de la turbina, y acta en caso de embalamiento de la mquina (pero para frecuencias superiores a 65 70 Hz), es decir, cuando se alcanzan valores prximos a la velocidad crtica o algo inferiores, mantenidas en el tiempo, como consecuencia de no haber cerrado en su momento las vlvulas o inyectores de alimentacin de la turbina.El funcionamiento de la proteccin contra variaciones de la frecuencia se basa en la medida de la frecuencia de la tensin en bornes del arrollamiento estatrico del alternador por medio de un transformador de medida de tensin.El funcionamiento de una proteccin de sobrevelocidad se basa en un sistema de medida de la velocidad que por encima de la velocidad de consigna da la orden de cierre al distribuidor. El sistema puede ser centrfugo montado en un alternador piloto, o bien ptico y montado sobre el eje de la mquina.Proteccin contra el fallo del interruptor de lnea (50 BF).Cuando actan las protecciones del generador tanto por faltas dentro o fuera de la zona de generacin resulta imprescindible desconectar el grupo de la red mediante un interruptor que en ocasiones puede fallar. El fallo del interruptor principal de lnea o de grupo (52, 52G en la figura 1) se produce cuando recibida la orden de apertura y transcurrido su tiempo normal de apertura, una o varias de sus fases continan cerradas.La forma de comprobar que no se ha producido un fallo en la apertura del interruptor es verificar si se satisfacen simultneamente las siguientes condiciones.a) El interruptor ha abierto sus polos mecnicamente de modo completo, lo cual se verifica mediante contactos auxiliares que son solidarios mecnicamente a la posicin del eje principal del interruptor.b) Se ha producido la extincin del arco, lo cual se verifica comprobando que la corriente que circula por el circuito principal de alta tensin es nula.Si el rel de proteccin ha ordenado el disparo del interruptor, pero cualquiera de las dos condiciones anteriores no se cumplen, debido a un fallo del propio interruptor, es necesario provocar el disparo de otros interruptores de respaldo que sustituyan al dispositivo de corte averiado.Dependiendo de la configuracin existente a la salida del grupo, estos interruptores de respaldo pueden estar ubicados en la misma instalacin que el interruptor que falla, o puede ser necesario telemandar el disparo de otros interruptores en instalaciones alejadas.La figura 30 muestra un ejemplo de esta ltima situacin en un configuracin con interruptores en anillo. Cuando existe una falta en el G1 debern abrir los interruptores 1 y 2. Si falla la apertura de uno de ellos, por ejemplo el 1, deber abrir el interruptor 3, y adems se deber transferir el disparo tambin al interruptor 5. Para mantener la estabilidad, se debe intentar que la proteccin acte con un tiempo lo menor posible, pero sin comprometer el tiempo necesario para efectuar la apertura del interruptor en ausencia de fallo.

Figura 30. Configuracin de interruptores en anillo.En la figura 31 se representa el diagrama funcional de la proteccin por fallo del interruptor. Cuando alguno de los rels de proteccin del grupo detectan una falta o en general una condicin de funcionamiento anormal transmiten un orden de disparo al interruptor de lnea o de grupo a la vez que se inicia la temporizacin de fallo del interruptor. Si el interruptor no abre transcurrido el tiempo seleccionado en la temporizacin se dar la orden de disparo a los interruptores de respaldo necesarios que permitan desconectar al generador del sistema.

En la figura anterior se observa que para que acte la proteccin debe existir primero una orden de apertura del interruptor emitida por un rel de proteccin, o por una orden de mando. Simultneamente debe detectarse o bien un cierto paso de corriente (funcin 50), o bien que el interruptor sigue cerrado (lo que se detecta con un contacto auxiliar, 52/a).

DISPARO DEL GENERADOR

Los objetivos generales de diseo de los sistemas de proteccin y sus esquemas de disparo asociados son: 1. Remover la seccin daada del sistema de potencia, para prevenir o minimizar el efecto de disturbio sobre las partes no falladas del sistema. 2. Minimizar o prevenir el dao al equipo. 3. Asegurar al mximo posible que ninguna contingencia sencilla deshabilite totalmente la proteccin sobre cualquier sistema. 4. proporcionar los medios que permitan que el equipo afectado, retorne rpidamente a servicio.

Ms especficamente, los objetivos de los esquemas de disparo para proteccin de la unidad generadora son asegurar que los efectos de las fallas y disturbios sean restringidos a su localidad. Los esquemas de disparo deben ser capaces de cumplir estos requerimientos cuando se tenga una contingencia de primer orden, tales como la falla de un solo rel de proteccin a operar o la falla de un interruptor a disparar.

ESQUEMAS DE DISPARO

Generalmente, los rels de proteccin discretos del generador, se agrupan para activar los rels auxiliares de disparo de tal forma que los rels con los mismos modos de disparo/paro del generador sean establecidos. Donde sea posible, el arreglo de los rels auxiliares de disparo debe proporcionar redundancia en las funciones de disparo y en los circuitos de disparo, de tal forma que los rels de respaldo operen sobre un rel auxiliar de disparo distinto al de la proteccin primaria. La tarea asociada con la aplicacin de esquemas de disparo sobre las unidades generadoras no debe ser menospreciada. Este esfuerzo requiere de amplios conocimientos del equipo de la unidad generadora, as como de su comportamiento en condiciones normales y anormales. Habra que ser un ciego si la nica consideracin dada es desconectar al generador del sistema elctrico sin tomar en consideracin la manera precisa en la cual la unidad generadora puede ser aislada del sistema de potencia por las distintas funciones de los rels de proteccin.

A continuacin se describen cuatro mtodos comunes para sacar el generador de servicio, cuando este trabaja en condiciones de operacin anormales inaceptables o con fallas elctricas.

Disparo simultneo. Proporciona los medios ms rpidos para aislar al generador. Este modo de disparo es usado para todas las fallas internas en el generador y anomalas severas en la zona de proteccin del generador. El aislamiento es cumplido por el disparo al mismo tiempo de los interruptores del generador, el interruptor de campo, y el paro del impulsor cerrando las vlvulas de la turbina. Si existe la posibilidad de que se presente una condicin de sobre-velocidad significante de la unidad, un retardo de tiempo puede ser usado en el circuito de disparo del interruptor de generador. Si el retardo de tiempo es usado, el efecto de este retardo sobre el generador y/o el sistema debe ser determinado.

Disparo del generador. Este modo de aislamiento dispara los interruptores del generador y del campo. El esquema no para al impulsor, y se utiliza donde pueda ser posible corregir la anormalidad rpidamente de tal modo que permita rpidamente la re-conexin de la mquina al sistema en un periodo corto de tiempo. Las protecciones que disparan al generador por disturbios en el sistema de potencia, en lugar de por fallas/anormalidades internas en el generador, pueden disparar de este modo si es permitido por el tipo de impulsor y las calderas.

Separacin de la unidad. Este esquema de disparo es similar al disparo del generador pero inicia nicamente la apertura de los interruptores del generador. Este esquema es recomendado aplicarlo cuando se desea mantener las cargas de auxiliares de la unidad conectadas al generador. Por ejemplo, durante un disturbio mayor en el sistema el cual requiere el disparo debido a baja frecuencia, la fuente de reserva podra no estar disponible. La ventaja de este esquema es que la unidad puede ser re-conectada al sistema con mnimo retardo. Este modo de disparo requiere que la unidad sea capaz de operar con baja carga (runback) enseguida de un disparo con rechazo de plena carga.

Disparo secuencial. Este modo de disparo es principalmente usado sobre generadores de vapor para prevenir la sobre-velocidad cuando el disparo retardado no tiene efectos perjudiciales sobre la unidad generadora. Es usado para disparar al generador por problemas en el impulsor cuando no se requiere un disparo de alta velocidad. El primer dispositivo disparado son las vlvulas de las turbinas. Un rel de potencia inversa en serie con los switches de posicin de cierre de vlvulas proporciona seguridad contra posible sobre-velocidad de la turbina asegurando que los flujos de vapor hayan sido reducidos debajo de la cantidad necesaria para producir una condicin de sobre-velocidad cuando los interruptores del generador son disparados. Por problemas mecnicos en la turbina o en la caldera/reactor este es el modo de disparo preferido puesto que previene la sobre-velocidad de la mquina. Sin embargo, la desventaja es de que no existe salida de disparo para una falla de los switches lmites de las vlvulas de las turbinas o el rel de potencia inversa. Cuando est mtodo es usado, se debe proporcionar una proteccin de respaldo para asegurar el disparo de los interruptores principal y de campo en el caso de que exista una falla. Esta es generalmente proporcionado por un rel de potencia inversa separado que inicie el disparo en forma independiente. Este modo de disparo no debe anular la proteccin de los interruptores del generador que instantneamente abren al interruptor del generador cuando ocurre una falla elctrica crtica que puede causar serios daos al generador o al equipo de interrupcin.

La tabla 1 indica las acciones de disparo especficas para cada tipo de disparo descrito antes.

* Generalmente supervisado por el switch de posicin de la vlvula de la turbina y el rel de potencia inversa.

Tabla 1. Accin de disparo.

Seleccin del esquema de disparo Muchos factores contribuyen a la decisin sobre la seleccin del esquema de disparo apropiado. La siguiente lista nos muestra algunos de ellos: Tipos de impulsor principal maquina de diesel/gas, turbina de gas, turbina de vapor, turbina hidrulica. Impacto de la perdida sbita de potencia de salida sobre el sistema elctrico y la turbina. Seguridad del personal. Experiencia de los operadores. Manejo de cargas de auxiliares de las unidades durante un paro de emergencia.

Notas: 1. El dispositivo 59 puede ser conectado para disparo en unidades Hidrogeneradoras. 2. Si el generador est fuera de lnea, dispara nicamente al interruptor de campo. 3. Refirase a la seccin sobre Puesta a tierra del Estator para proteccin de tierra al 100%. 4. Puede ser conectado para disparar por el fabricante del generador.

Tabla 2. Lgica de disparo sugerida

La figura 1 describe el complemento tpico de la proteccin sobre un generador conectado en unidad. La