Protecciones de los generadores ABB en los grupos electrógenos MTU

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(1)Departamento de Electroenergética. Título: Protecciones de los generadores ABB en los grupos electrógenos MTU.. Autor: Raudel Hernández Gaspar Tutor: M.Sc Emilio Francesena Bacallao Consultante: Ing. Luis A. González Pérez. Junio 2018.

(2) Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual. Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419.

(3) PENSAMIENTO “No basta adquirir sabiduría, es preciso además saber usarla.” Marcus Tullius Cicero. I.

(4) DEDICATORIA Este trabajo está dedicado a toda mi familia, especialmente a mis padres Misleidy y Raudel y a mi hermano Alejandro, por su cariño y apoyo incondicional.. II.

(5) AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer a todo el que de una forma u otra ha contribuido a la realización de este proyecto: - A mi familia, en especial a mis padres y mi hermano que siempre han apoyado cada decisión que he tomado en mi vida. - A mi novia Mary por su amor, comprensión y optimismo, sobretodo en estos últimos meses. - A mi tutor por su dedicación y por, con sus amplios conocimientos, ayudar acrecentar los míos. - A todos los profesores de la carrera por su aporte a mi formación profesional durante estos años de estudios. - A los trabajadores de Geycel en Caibarién y del Departamento de Protecciones de la Empresa Eléctrica de Villa Clara por su atención. - A Guillermo Pérez Pérez que ha sido testigo y participe en cada resultado obtenido en este trabajo. - A mis compañeros de la carrera por hacer de estos cinco años una etapa inolvidable en mi vida, en especial a: Dairon, Yariel «Tato» y Alejandro «El Lucky». - A mis amigos dentro y fuera de la universidad. A todos, ¡MUCHAS GRACIAS!. III.

(6) RESUMEN En el Sistema Electroenergético Nacional se ha incrementado la generación distribuida mediante grupos de generación de distintas tecnologías, fundamentalmente MTU, MAN y HYUNDAI que están sincronizados con el sistema y en otros casos formando nodos de generación sincronizados entre sí para alimentar instalaciones aisladas, como Cayo Santa María. Las protecciones requeridas tanto para el sistema como para los grupos electrógenos dependen de sus características y las particularidades de su instalación. Este trabajo avalado por la Dirección de Generación Distribuida de la UNE, ofrece consideraciones generales sobre la generación con motores de combustión interna tipo diésel, importantes aspectos expuestos en la bibliografía actual sobre las protecciones recomendadas para el conjunto máquina motriz, generador y transformador, pero en especial las concernientes al generador ABB de los grupos electrógenos chinos. A partir de trabajos precedentes en tal sentido, se muestra la necesidad, operación, posibilidad de implementación y ajuste necesario en otras protecciones no analizadas, como son: protección contra falla a tierra en el rotor, contra pérdida o reducción parcial de la excitación, contra falla a tierra en el estator, contra falla en el interruptor del generador, protección de frecuencia y la protección diferencial; con funciones y lógica a implementar en el multirelé NR PSC-985B. Para la simulación de las condiciones de operación y fallas se utilizan productos de software convenientes, como: el PSX Explorer V3.02, el MATLAB y demos especializados. Se llega a importantes conclusiones y se ofrecen recomendaciones para la protección de estos generadores acorde al relé disponible.. Palabras Clave: generador, protecciones, ajuste.. IV.

(7) ÍNDICE RESUMEN............................................................................................................................ IV ÍNDICE .................................................................................................................................. V INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS. ............................. 4 1.1. Introducción ............................................................................................................ 4. 1.2. Grupos electrógenos .............................................................................................. 4. 1.2.1. Grupo electrógeno diésel................................................................................ 5. 1.2.2. Motor diésel ..................................................................................................... 5. 1.2.3. Generación de electricidad con motores diésel ............................................ 5. 1.3. Generadores eléctricos .......................................................................................... 6. 1.3.1. Generadores sincrónicos................................................................................ 7. 1.3.2. Conexión de generadores a un sistema de potencia .................................... 7. 1.4. Generador ABB de los nuevos grupos electrógenos. ......................................... 8. 1.4.1. Características constructivas ......................................................................... 8. 1.4.2. Especificaciones técnicas .............................................................................. 9. 1.4.3. Sistema de excitación ................................................................................... 10. 1.4.4. Regulador Automático de Tensión (AVR) .................................................... 11. 1.4.5. Sistema de aterramiento del generador ....................................................... 12. 1.5. Protección de generadores .................................................................................. 13. 1.5.1. Principales fallas y condiciones anormales en los generadores ............... 13. 1.5.2. Protecciones recomendadas ........................................................................ 14. 1.5.3 trabajo.. Fundamentación teórica general de algunas protecciones abordadas en el 16. 1.5.3.1 Protección contra falla a tierra en el rotor 64F ........................................ 16 1.5.3.2 Protección de frecuencia 81U/O ............................................................... 17 1.5.3.3 Protección contra pérdida o reducción de la excitación 40.................... 18 1.5.3.4 Protección contra falla a tierra en el estator 64G .................................... 19 V.

(8) ÍNDICE. 1.5.3.5 Protección diferencial del generador 87G................................................ 21 1.5.3.6 Protección contra falla en el interruptor del generador 50FI .................. 23 CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN, FILOSOFÍA DE OPERACIÓN Y CRITERIOS DE DISPARO DE LAS PROTECCIONES PARA EL GENERADOR ABB DE LOS GRUPOS G83. ........... 24 2.1. Introducción .......................................................................................................... 24. 2.2. Descripción del relé NR PCS-985B ...................................................................... 24. 2.3. Descripción de algunas de las protecciones analizadas en el trabajo ............. 24. 2.3.1. Protección contra falla a tierra en el rotor 64F ............................................ 25. 2.3.2. Protección de frecuencia 81U/O ................................................................... 28. 2.3.3. Protección contra pérdida o reducción de la excitación 40 ....................... 30. 2.3.4. Protección contra falla a tierra en el estator 64G ........................................ 33. 2.3.5. Protección diferencial del generador 87G ................................................... 38. 2.3.6. Protección contra falla en el interruptor del generador 50FI ...................... 43. CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN DE LAS PROTECCIONES DEL RELÉ MULTIFUNCIONES NR PCS-985B PARA LOS GENERADORES ABB. ............................................................. 45 3.1. Introducción .......................................................................................................... 45. 3.2. Ajustes generales de las protecciones en el PCS-985B .................................... 45. 3.2.1. Protección contra falla a tierra en el rotor 64F ............................................ 46. 3.2.2. Protección de baja y sobre frecuencia 81U/O ............................................. 48. 3.2.3. Protección contra pérdida o reducción parcial de la excitación 40 ........... 51. 3.2.4. Protección contra falla a tierra en el estator 64G ........................................ 54. 3.2.5. Protección diferencial del generador 87G ................................................... 57. 3.2.6. Protección contra falla en el interruptor del generador 50FI ...................... 63. CONCLUSIONES ................................................................................................................. 65 RECOMENDACIONES ......................................................................................................... 66 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................... 67 ANEXO 1: Escobillas y TC existentes en el aterramiento del eje de los generadores ABB. ..................................................................................................................................... 70 ANEXO 2: Salida del neutro de los generadores ABB. .................................................... 71.

(9) INTRODUCCIÓN La filosofía que se sigue en los esquemas de protecciones de los grupos electrógenos es de protegerlos frente a perturbaciones en el sistema, separándolos del mismo cuando sus condiciones de operación pasan a estar fuera de los parámetros preestablecidos y además, proteger el sistema para fallos que deben ser desconectados eficientemente por las protecciones del generador o de la interconexión de dichos grupos. Previo a este trabajo, se realizan en el Centro de Estudios Electroenergéticos (CEE) de la Facultad de Ingeniería Eléctrica en la Universidad Central “Martha Abreu” de Las Villas estudios encaminados al análisis de la filosofía, ajuste y respuesta de las protecciones incorporadas en los grupos diésel MTU alemanes ubicados en distintos puntos del Sistema Eléctrico Nacional (SEN) y también en la zona turística de la cayería norte del centro del país, las recomendaciones emitidas en estos estudios fueron tomadas en cuenta para la adquisición de nuevos grupos chinos MTU con generadores ABB que se instalaron en distintos puntos del SEN y el Sistema Aislado de Cayo Santa María (SACSM), el año pasado se realizó un análisis de algunas protecciones de estos grupos y cuyos resultados fueron presentados a la Dirección de Generación Distribuida, Geysel y Empresa Eléctrica en Villa Clara. Hoy ante la entrada en el país de otros 90 nuevos motogeneradores MTU chinos de características similares a los de este trabajo, pero ya con un relé multifuncional de protección distinto (NSR-376), es que se decide, a solicitud de la Dirección Nacional de Generación Distribuida de la Unión Nacional Eléctrica (UNE) y Geysel en Villa Clara, priorizar como continuidad del trabajo del año anterior en el CEE de la Universidad Central “Martha Abreu” de Las Villas, ampliar el análisis de la filosofía de aplicación, criterios de implementación y cálculo de los parámetros de ajuste de varias protecciones del relé digital multifunciones NR PCS-985B de los generadores ABB ya instalados y que no fueron estudiadas anteriormente. Dicha información en muchos casos no se encuentra completa y/o de forma clara por parte de los suministradores y en los materiales obtenidos desde las distintas fuentes, en ocasiones por ser poco explicativas y en otros con problemas de traducción fundamentalmente. El comportamiento y la respuesta de dichas protecciones, así como su posible simulación en las condiciones donde se instalan, demandan un análisis técnico para un mayor esclarecimiento y verificación por parte de los especialistas. La concepción inicial del trabajo conduce a la siguiente interrogante científica: ¿Cómo lograr que los generadores ABB de los grupos electrógenos MTU cuenten con una protección adecuada en el escenario de su instalación? Para solucionar el problema científico se plantea el siguiente objetivo general: 1.

(10) INTRODUCCIÓN. Evaluar la aplicación de varias de las protecciones de generadores ABB en grupos electrógenos MTU según requerimientos del generador del sistema. Para dar cumplimiento a dicho objetivo general se trazan los siguientes objetivos específicos:  Describir los fundamentos teóricos referentes a las protecciones necesarias en la generación con motores diésel.  Mostrar de manera clara la filosofía de operación que siguen varias de las protecciones incorporadas en las unidades MTU con generador ABB de los grupos G 83.  Evaluar la implementación en el relé NR PCS-985B, el ajuste y la respuesta de estas protecciones, en especial las protecciones concernientes al generador. Los objetivos generales serán cumplidos a partir del desarrollo de las siguientes Tareas Científicas y/o Técnicas:  Estudio y descripción de los principales aspectos relacionados con la generación eléctrica, fundamentalmente con motores diésel y particularizando en los generadores ABB.  Determinación de las necesidades y potencialidades del trabajo, según el estudio y estado actual de varias protecciones de los generadores ABB de los grupos diésel MTU.  Descripción, análisis técnico y ajuste actual de varias protecciones de dichas unidades generadoras.  Análisis de la posible implementación, cálculo de parámetros de ajuste y respuesta de esas protecciones de las unidades generadoras ABB en el relé NR PCS-985B, posible simulación de la respuesta mediante productos de software adecuados.  Confección del informe de la investigación según normativas vigentes en la actualidad y que sirva de consulta a especialistas en esta rama. La investigación se organiza con un orden lógico, luego de la introducción se desarrollan tres capítulos, posteriormente las conclusiones, las recomendaciones y por último se enumeran las bibliografía consultadas. En Capítulo I se abordan las características técnicas generales de los grupos diésel MTU, del generador ABB y las protecciones recomendadas. En el Capítulo II se describen la filosofía de operación y criterios de disparo de varias de las protecciones incorporadas en el generador ABB de los grupos G 83. En el Capítulo III: se evalúan estas protecciones en el relé multifunciones NR PCS-985B para los generadores ABB, sus ajustes y además se realizan simulaciones.. 2.

(11) INTRODUCCIÓN. Justificación de la investigación: La correcta aplicación y el chequeo de sus parámetros de ajuste en las protecciones, es un elemento esencial mediante el cual se asegura la fiabilidad de los sistemas eléctricos. Los generadores por sus características e importancia deben estar equipados con protecciones sensibles, selectivas y fiables que los protejan ante las distintas condiciones anormales de operación en él o el sistema al que se conecta. La presente investigación chequea el comportamiento de varias protecciones de los generadores ABB de los grupos electrógenos diésel MTU. Constituyendo un material de apoyo para el estudio de estas protecciones, facilitando una mejor comprensión de las mismas por parte del personal encargado del ajuste y chequeo del funcionamiento de estos generadores.  Constituirá un material de apoyo para el estudio de las protecciones presentes en los generadores ABB de los grupos electrógenos MTU G83, facilitando una mejor comprensión de las mismas por parte del personal encargado de su ajuste y chequeo.  Contribuirá a que dichos generadores cuenten con protecciones sensibles, selectivas y fiables que los protejan ante las distintas condiciones anormales de operación en él o en el sistema al que se conecta.  Servirá de base para trabajos futuros en los que se hará este mismo análisis pero en los nuevos grupos electrógenos que tienen otro tipo de relé digital multifunciones.. 3.

(12) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS. 1.1 Introducción En la actualidad, el avance tecnológico posibilita la implementación de pequeñas fuentes de energía en lugares lo más próximos posibles a las cargas, este tipo de generación se denomina “Generación Distribuida” (GD) y permite reducir el costo de servicio, mejora la calidad de la energía suministrada y tener mejor confiabilidad de la red eléctrica asegurando suministro sin interrupciones, sean estas por accidentes naturales o errores humanos, evitando así largos períodos sin abastecimiento de energía [1]. Cuba no ha estado ajena a este avance, en el año 2005 la dirección del país bajo el programa de la Revolución Energética decidió pasar de la Generación Concentrada en solo una decena de puntos en el país a una GD a base de motores de combustión interna en más de doscientos puntos [2]. Como parte de esta estrategia se instalan desde hace ya algunos años, en nuestro país, grupos electrógenos (GE) de diferentes tecnologías; dentro de ellos se encuentran los nuevos grupos electrógenos con motor diésel MTU de fabricación china y generador ABB. Referente a estos, en el presente capítulo se describen, entre otros aspectos, cuestiones relacionados con la generación a partir de motores diésel, se muestran características técnicas de los generadores ABB, así como las protecciones eléctricas recomendadas para estos generadores.. 1.2 Grupos electrógenos Los grupos electrógenos se destinan a una gran variedad de empleos, desempeñando la función de proveedor de energía de reserva, suplementaria o de emergencia, para diversas instalaciones de servicios auxiliares (esenciales y no esenciales), alumbrado de emergencia (de seguridad, de escape o de reserva), bancos, estadios deportivos, plantas industriales, hospitales, etcétera, así como en zonas aisladas de la red pública de suministro eléctrico, actualmente con la concepción de GD también se utilizan sincronizados a la red eléctrica del país o región. Los grupos electrógenos básicamente están formados por un conjunto integrado que contiene un motor térmico primario (turbina de gas, motor Otto o Diésel), un generador eléctrico (generalmente de corriente alterna) acoplado al eje del mismo y los correspondientes elementos auxiliares y sistemas complementarios, como los distintos indicadores de estado, tableros de maniobra, tanques, radiadores, circuitos de lubricación, combustible, agua y eventualmente aire comprimido; excitatrices, cargadores de baterías, 4.

(13) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS.. equipos de control de tensión y frecuencia, automatismos de transferencia, protecciones contra sobrecargas, cortocircuitos y otras condiciones anormales de operación. En los grupos más modernos, también se disponen microprocesadores, rutinas de autodiagnóstico, sistemas de comunicación de datos, contactos libres de tensión y otros. Esto brinda una mayor flexibilidad operativa y permite realizar un control remoto del grupo [3], [4].. 1.2.1 Grupo electrógeno diésel El GE diésel básico consta de un motor diésel acoplado con precisión a un generador sincrónico, ambos componentes se montan sobre un bastidor de acero que también soporta al tablero de control y protección [5].. 1.2.2 Motor diésel El motor diésel recibe este nombre porque es el apellido de su inventor, el alemán Rudollf Diesel, también se le conoce con el nombre de motor de combustión. Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor. La mayoría de los motores diésel tienen cuatro tiempos. En la primera fase se absorbe aire hacia la cámara de combustión. En la segunda fase, fase de compresión, el aire se comprime a una fracción de su volumen original, lo cual hace que se caliente hasta unos 440ºC. Al final de la fase de compresión se inyecta el combustible vaporizado dentro de la cámara de combustión, produciéndose el encendido a causa de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, fase de potencia, la combustión empuja el pistón hacia atrás trasmitiendo la energía al cigüeñal. La cuarta fase es la fase de expulsión o escape [6]. Los motores diésel poseen varias ventajas de eficiencia sobre los motores de gasolina. Por ejemplo el motor diésel no usa un acelerador para controlar el flujo de aire en el motor o una bujía para encender el combustible al igual que los motores de gasolina, en cambio, la potencia es controlada por la cantidad de combustible inyectado. El heterogéneo proceso de combustión de un motor diésel también permite relaciones de aire/combustible mucho más delgadas que con combustión de gasolina premezclada, estas pobres relaciones de aire/combustible reducen la temperatura promedio en cilindro y mejoran la eficiencia térmica al reducir las pérdidas de calor en el sistema de enfriamiento y escape [7].. 1.2.3 Generación de electricidad con motores diésel La utilización de motores diésel para la generación de energía eléctrica se generalizó por todo el mundo en plantas estacionarias de tamaño mediano, las unidades instaladas de 5.

(14) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS.. mayor potencia en el mundo son de 60 MW. Estos motores de combustión interna, frente a otro tipo de accionamiento primario, ofrecen la ventaja de su mejor rendimiento. En la figura 1.1 se comparan los rendimientos de distintas opciones: motores diésel, turbinas de gas, turbinas de vapor y ciclos combinados, acorde a su potencia [8].. Figura1.1: Rendimiento de distintos tipos de motores primarios.. Otra ventaja de los motores diésel respecto a los demás es que estos motores son capaces de mantener un mejor rendimiento trabajando a baja carga como se puede ver la figura 1.2 [8].. Figura 1.2: Rendimiento de los distintos tipos de motores a baja carga.. 1.3 Generadores eléctricos Los generadores eléctricos son aquellos dispositivos capaces de convertir la energía mecánica en energía eléctrica, gracias al trabajo de un campo magnético sobre conductores eléctricos. Esto se logra siguiendo el principio de las leyes de Faraday, luego de surgir un movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético [9], [10].. 6.

(15) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS.. Existen tres tipos de generadores eléctricos: sincrónicos de corriente alterna (CA), inducción de CA y de corriente directa (CD). Los generadores sincrónicos son los de mayor uso debido a su sistema de excitación, en cambio, los generadores de corriente directa han sido reemplazados casi por completo por rectificadores estáticos.. 1.3.1 Generadores sincrónicos El principio fundamental de operación de los generadores sincrónicos, es que el movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético induce una tensión en el conductor. Una fuente externa de energía corriente directa o excitador se aplica a través de unos anillos colectores en el rotor; la fuerza del flujo, y por lo tanto, la tensión inducida en la armadura se regulan mediante la corriente directa y la tensión suministrada al campo. La corriente alterna se produce en la armadura debido a la inversión del campo magnético a medida que los polos norte y sur pasan por los conductores individuales, dicha corriente aumenta hasta un pico, cae hasta cero, desciende hasta un pico negativo y sube otra vez a cero varias veces por segundo, dependiendo de la frecuencia para la que esté diseñada la máquina. Los generadores de corriente alterna de baja velocidad se fabrican de hasta 100 polos, para mejorar su eficiencia y para lograr con más facilidad la frecuencia deseada. Los alternadores accionados por turbinas de alta velocidad, sin embargo, son a menudo máquinas de dos polos [11]–[13].. 1.3.2 Conexión de generadores a un sistema de potencia Existen varios métodos para conectar los generadores a un Sistema Eléctrico de Potencia [14]–[16] los más utilizados son los siguientes: - Unidad generador-transformador (ver figura 1.3, A) - Generadores que comparten un transformador unitario (ver figura 1.3, B y C) - Generadores conectados directamente al sistema de distribución (ver figura 1.3, D) Los nuevos grupos electrógenos diésel G83 chinos constituyen un bloque generadortransformador, y están conectados como una unidad al sistema de tensión superior. Para esta disposición, generalmente el generador está conectado en estrella y el neutro es aterrado con una alta impedancia a través de un transformador de distribución. El transformador de la unidad tiene comúnmente una conexión en delta-estrella aterrada, en instalaciones grandes pueden emplearse dos transformadores unitarios conectados en paralelo, cada uno de ellos con la mitad de la capacidad total del generador. Puede haber uno o dos transformadores auxiliares de unidad, estos pueden ser de dos o tres devanados, dependiendo del tamaño de la unidad generadora [15].. 7.

(16) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS.. Figura 1.3: Métodos de conexión de un generador al sistema de potencia.. 1.4 Generador ABB de los nuevos grupos electrógenos. ABB (Asea Brown Boveri) es una corporación multinacional pionera y líder tecnológico en productos de electrificación, robótica y movimiento, automatización industrial y redes eléctricas, cuenta ya con más de 125 años de historia e innovación, y tiene operaciones en más de 100 países [17]. Los últimos grupos electrógenos diésel de fabricación china instalados en distintos puntos del país cuentan con un generador ABB del tipo: AMG 0560MJ04 LAP.. 1.4.1 Características constructivas En estos generadores el marco de estator es una construcción de estructura de acero soldada. El núcleo del estator está construido de laminaciones delgadas de hojas de acero electrotécnico, que están aisladas en ambos lados con resina inorgánica resistente al calor. Los conductos de enfriamiento radial en el núcleo del estator garantizan una refrigeración uniforme y eficaz del estator. El rotor consta de un eje y polos en el eje, un excitador y un ventilador. Los devanados de los polos son de múltiples capas hechas de cobre aislado con esmalte. El rotor del excitador y el ventilador son retráctiles montados sobre el eje y asegurados con una clavija. Todos los devanados impregnados con resina de alta calidad. Los devanados están provistos de apuntalamientos muy fuertes resistentes a todos los choques mecánicos y eléctricos previstos y a las vibraciones, así como a productos químicos. La carcasa del estator y las tapas laterales están hechas de acero y soldadas entre sí, la máquina tiene 2 cojinetes. La figura 1.4 muestra las principales partes de estos generadores [18]. 8.

(17) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS.. Figura 1.4: Esquema de un generador AMG 0560MJ04 LAP.. 1.4.2 Especificaciones técnicas Algunas especificaciones técnicas de dicho generador son las siguientes: Potencia aparente: 2700 kVA. Factor de potencia: 0.80. Potencia de salida: 2160 kW. Frecuencia: 60 Hz. Tensión: 480V. Velocidad: 1800 rpm. Corriente nominal: 3247.6 A. Sobrevelocidad: 2250 rpm. Dirección de rotación (mirando el extremo del generador): CW, contra las manecillas del reloj. Peso: 8100 kg. Momento de Inercia: 100 kgm^2. Grado de protección: IP54 (protección contra salpicaduras de agua y cuerpos sólidos muy pequeños o granulados) Método de enfriamiento: IC8A1W7, este método consiste en un intercambiador de calor integrado montado en la máquina, utiliza como refrigerante primario aire y como secundario agua [19]. Capacitancia a tierra de una fase: 0.03μF REACTANCIAS en %: Xdu: 227.8. Xd’u: 17.9. Xd: 196.7. Xd’: 16.3 9. Xd’’u: 13.7. X2u: 15. Xd’’: 12.5. X0u: 2.1.

(18) RESISTENCIAS: Devanado del estator: 0.0005 Ω. Bobina de campo: 14.7 Ω. Bobina de excitación: 0.8176 Ω CORTOCIRCUITO: Relación de cortocircuito: 0.51 Es la relación entre la corriente de campo requerida para generar la tensión nominal en circuito abierto y la corriente de campo requerida para circular la corriente nominal por la armadura en cortocircuito [20]. Corriente permanente de cortocircuito: 1.5 p.u. (excitación nominal) > 3 p.u. (Regulador de tensión) Repentina corriente de cortocircuito: 26000 A (rms simétrico) 66150 A (valor máximo) Otros datos de estos generadores ABB, así como su planos eléctricos y mecánicos pueden consultarse en [18], [21].. 1.4.3 Sistema de excitación Estos generadores poseen un sistema de excitación con Generador de Imán Permanente o PMG, por sus siglas en inglés (Permanent Magnet Generator). Este método consiste en un pequeño generador de imanes permanentes colocado en el extremo no impulsor del alternador para suministrar energía al Regulador Automático de Tensión o AVR, también por sus siglas en inglés (Automatic Regulator of Tension). La salida del generador de imán permanente está aislada de las perturbaciones en la salida principal del alternador y produce una forma de onda de tres fases limpia e ininterrumpida, siempre que el eje del alternador gire, evitando así cualquier perturbación de la potencia de entrada del AVR. En la figura 1.5 se muestra un esquema básico de este sistema de excitación.. Figura 1.5: Sistema de excitación PMG.. 10.

(19) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS.. El sistema de excitación PMG tiene una serie de ventajas tanto para el arranque como para las situaciones de carga no lineal, tales como: -. Proporciona corriente de cortocircuito sostenido durante condiciones de falla que evitan que el campo colapse y permite que las fallas aguas abajo del generador se despejen.. -. Las cargas no lineales no tienen impacto en la capacidad de proporcionar energía al excitador.. -. Potente disponibilidad de tensión en la puesta en marcha inicial en lugar de confiar en el magnetismo residual.. -. Aislamiento de condiciones transitorias elevadas en situaciones de arranque que, de lo contrario, limitarían el AVR en su capacidad para proporcionar una excitación completa para recuperar la tensión.. Aunque los sistemas PMG agregan longitud, peso y complejidad en comparación con otros sistemas, es el sistema de excitación más comúnmente usado para aplicaciones con requisitos de alto rendimiento para arranque de motores, coordinación selectiva y cargas no lineales [22], [23].. 1.4.4 Regulador Automático de Tensión (AVR) Estos generadores traen incorporados un AVR, el UNITROL 1010, este es un dispositivo que supervisa continuamente la tensión en el punto de regulación del sistema e inicia automáticamente medidas correctivas para mantener la tensión terminal del generador. El AVR también controla que el generador sincrónico funciona dentro de los límites predefinidos. Un bobinado auxiliar proporciona la potencia de excitación al inductor del eje accionado por un excitador trifásico bajo el control del AVR, y los transformadores de tensión y de corriente instalados en el generador proporcionan una señal de retroalimentación, ver figura 1.6.. Figura 1.6: Esquema de conexión del AVR.. 11.

(20) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS.. Los límites operativos, como un exceso de excitación o una excitación insuficiente, la tensión y la relación tensión/frecuencia (V/Hz) se implementan en el AVR. También están disponibles la compensación de alimentación reactiva estática en operación en paralelo y otras diferentes funciones de software. El UNITROL 1010 es un regulador de tensión compacto para máquinas síncronas de hasta 10 A de corriente en el excitador. Este regulador automático de tensión de diseño avanzado se emplea para la excitación de máquinas y motores síncronos excitados de forma indirecta. El regulador también se puede conmutar para que funcione como regulador de potencia reactiva, de factor de potencia o de corriente de campo. La unidad contiene la tecnología de microprocesador más avanzada junto con tecnología de semiconductores IGBT (transistor bipolar de compuerta aislada) [18], [24].. 1.4.5 Sistema de aterramiento del generador Con la conexión a tierra de un generador eléctrico se pretende cumplir varios objetivos, estos son: minimizar el daño por fallas a tierra internas, limitar la tensión mecánica en el generador para fallas a tierra externas y las sobretensiones temporales y transitorias en el aislamiento del generador. Además, proporcionar un medio de detección para falla de tierra en el generador y coordinar la protección del generador con los requisitos de otros equipos conectados a su nivel de tensión. La elección de un método de aterramiento en específico depende en gran medida de que objetivos son más importantes cumplir, los método utilizados en la práctica son: -. sin conexión a tierra. -. de alta impedancia a tierra. -. baja impedancia a tierra (resistencia o inductancia). -. conexión resonante a tierra. -. aterramiento efectivo o sólido. En el caso de los nuevos grupos electrógenos MTU chinos, sus generadores están aterrados sólidamente (aterramiento efectivo) y por tanto no tienen ninguna impedancia insertada intencionalmente entre neutro y tierra. Los generadores aterrados eficazmente deben tener una relaciones X0/X1 y R0/X1 positivas y menores que 3 y 1 respectivamente. Tal conexión a tierra producirá sobretensiones temporales muy bajas al ocurrir una falla monofásica a tierra, pero la corriente a través de los devanados del generador será muy elevada, pudiendo exceder incluso la originada por un fallo trifásico en la misma ubicación, por lo que generalmente no es recomendada [14], [15], [25]–[29].. 12.

(21) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS.. 1.5 Protección de generadores En un sistema eléctrico, los generadores constituyen un elemento claramente diferenciado del resto de equipos que constituyen el sistema. En caso de una perturbación en el sistema, por cualquier causa (cortocircuito, pérdida de estabilidad, descenso de frecuencia, etcétera), los generadores han de mantenerse en servicio siempre que sea posible, en un intento de evitar el corte general de suministro de energía eléctrica. Por otro lado, los generadores como son máquinas rotatorias, padecen los disturbios de la red de forma muy diferente a como los sufren el resto de equipos, no rotatorios. También pueden producirse averías internas en sus devanados del rotor y estator. Algunas de estas averías, aunque de poca significación en cuanto a magnitud, son muy dañinas para la máquina [30].. 1.5.1 Principales fallas y condiciones anormales en los generadores A continuación se muestran las principales fallas y condiciones anormales de operación a las que pueden verse sometidos los generadores [14], [31]. Fallas: -. fallas a tierra en el estator fallas a tierra en el rotor cortocircuitos entre fases en el estator fallas entre vueltas en el devanado del estator o el rotor fallas en el transformador elevador de la unidad fallas externas. Condiciones anormales de operación: -. sobrecarga carga desbalanceada sobrecalentamiento sobre y baja tensión sobre excitación sobre y baja frecuencia sobre flujo funcionamiento asincrónico pérdida de sincronismo motorización fallas en el sistema de control de la máquina (es decir AVR o falla del gobernador) fallas en el sistema de enfriamiento de la máquina fallas en el interruptor principal apertura de fase energización inadvertida. 13.

(22) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS.. 1.5.2 Protecciones recomendadas Los efectos de la ocurrencia de alguna de estas fallas o condición anormal de operación pueden ser terribles, tanto para el generador como para el resto del sistema, por ello es imprescindible contar con un sistema de protección adecuado en cada unidad generadora. El inconveniente al proporcionar algunas de las protecciones no es tanto que puedan operar inadecuadamente o sacar el generador de servicio innecesariamente, sino que fallen al operar cuando deben. Este temor de aplicar la protección adecuada puede ser reducido considerablemente entendiendo la necesidad de tales protecciones y como aplicarlas a un generador dado. Un disparo innecesario del generador es indeseable, pero las consecuencias de no dispararlo y dañar la máquina serían catastróficas [16]. Las protecciones de una máquina sincrónica se pueden dividir en los siguientes subgrupos principales [32]: 1. Protecciones principales o protecciones de zona: Estas son las funciones de protección que deben operar instantáneamente para las fallas que ocurren dentro de su zona protegida y deben permanecer estables para las fallas externas. 2. Protecciones de respaldo: Estas son las funciones de protección que deben operar para las fallas que ocurren en el lado de la carga de su punto de conexión. Estas funciones de protección deben tener un retardo intencionado para permitir un disparo selectivo para que solo opere en la zona defectuosa. 3. Protecciones por condiciones anormales de operación y servicio: Estas son las funciones de protección que deben operar o preparar una alarma para cualquier condición anormal que pueda ocurrir durante la marcha. Las anomalías se detectan midiendo parámetros eléctricos apropiados. En general, los dispositivos de protección recomendados para generadores por diferentes bibliografías actuales [16], [31], [33]–[35], incluyendo su código de identificación para los especialistas en protecciones, son los mostrados en la tabla 1.1. Tabla 1.1: Dispositivos de protección recomendados para los generadores. Dispositivo:. Función:. 11. Sistema de protección multifuncional.. 21. Relé de distancia. Respaldo para fallas de fase en el sistema y en la zona del generador.. 24. Protección de Volts/Hz para sobreexcitación del generador.. 27. Protección de baja tensión.. 32. Relé de potencia inversa. Protección contra motorización.. 40. Protección de pérdida de campo.. 46. Protección de desbalance de corriente de secuencia negativa para el generador.. 14.

(23) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS.. 49 50FI. Protección térmica del estator. Protección contra falla en el interruptor principal.. 51 GN. Relé de sobrecorriente a tierra con tiempo.. 51 TN. Respaldo para fallas a tierra.. 51 V. Relé de sobrecorriente de tiempo con control de tensión o restricción de tensión. Respaldo para fallas de fase en el sistema y en el generador.. 59. Protección de sobretensión.. 60. Relé de balance de tensión. Detección de fusibles fundidos de transformadores de potencial.. 63. Relé de presión del transformador.. 64 F. Protección de falla a tierra del campo.. 64G. Protección contra falla a tierra en el 100% del estator (59GN y 27TN). 71. Nivel de aceite o gas del transformador.. 78. Protección de pérdida de sincronismo.. 81 U/O 86. Relé de frecuencia. Protección de baja o sobrefrecuencia. Relé auxiliar de bloqueo y reposición manual.. 87 G. Relé diferencial. Protección primaria de falla de fases del generador.. 87 N. Protección diferencial de falla a tierra del estator.. 87 T. Relé diferencial. Protección primaria para el transformador.. 87 U. Relé diferencial para la protección total de generador-transformador.. En la práctica existen varios esquemas para conectar las protecciones antes mencionadas en un generador, la figura 1.7 muestra uno esquema típico de conexión para un bloque generador transformador.. 15.

(24) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS.. Figura 1.7: Configuración típica para las protecciones en un bloque generador transformador.. 1.5.3 Fundamentación teórica general de algunas protecciones abordadas en el trabajo. 1.5.3.1 Protección contra falla a tierra en el rotor 64F Los circuitos de campo operan desconectados de tierra, por lo que un contacto a tierra no produce corriente de falla ni ningún daño o afectación a la operación del generador. No 16.

(25) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS.. obstante, la existencia de un contacto a tierra incrementa la tensión a tierra en otros puntos del enrollado de campo cuando se inducen en él tensiones debido a fenómenos transitorios en el estator, aumentando la probabilidad de un segundo contacto o ya cortocircuito a tierra. Si ocurre un segundo cortocircuito a tierra, parte del enrollado de campo estará cortocircuitado, la corriente en el resto se incrementará y se producirá un desequilibrio del flujo en el entrehierro y esto originará un desequilibrio en las fuerzas magnéticas en ambos lados del rotor. Dicho desequilibrio puede ser lo suficientemente grande como para torcer el eje del rotor y hacerlo excéntrico. Debido a esta excentricidad surgen vibraciones causantes de la rotura de los apoyos de pedestal, lo que puede originar que el rotor roce contra el estator. Esta clase de falla origina daños muy extensos y costosos de reparar, capaces de dejar las máquinas fuera de servicio por períodos muy largos [16], [36], [37]. Hay varios métodos de protección para detectar fallas a tierra en el campo del rotor, los más utilizados son: una resistencia con derivación central conectada en paralelo con el enrollado principal del campo y la derivación central conectada a tierra mediante un relé de sobretensión que operará al producirse un contacto a tierra, o la medición de la resistencia de aislamiento mediante un puente de Wheatstone o por inyección de tensión alterna o directa [15], [16]. La protección de respaldo para los esquemas descritos anteriormente usualmente consiste de un equipo detector de vibraciones [16].. 1.5.3.2 Protección de frecuencia 81U/O La operación de un generador a una frecuencia distinta a la nominal pude ser ocasionada por el exceso de generación en el sistema de potencia, ya sea por pérdida de una carga grande o por la salida de operación de una línea que transmitía gran cantidad de potencia, en este caso el torque mecánico impuesto por el motor primario es mayor al torque eléctrico de la carga y se produce un incremento en la velocidad del rotor y por tanto un aumento en la frecuencia. Además puede ser producida por sobrecarga del generador, debido generalmente a una pérdida súbita de generación en el sistema de potencia, con lo que el generador operará a una frecuencia menor a la nominal pues el torque eléctrico de la carga es mayor al torque mecánico del motor primario [38], [39]. La sobrefrecuencia no resulta ser una condición tan grave tomando en cuenta que puede ser solucionada rápidamente por el regulador de velocidad disminuyendo la potencia mecánica de la turbina, mientras que la subfrecuencia se considerada un problema mayor debido a que al ser esta producida por un exceso de carga en el sistema, es muy difícil de controlar [15], [38], [39]. La protección 81 O/U consiste básicamente en seleccionar frecuencias y tiempos de actuación (alarmar o disparar) cercanos a los límites de operación de la unidad [38]. En los generadores accionados por turbinas la protección de frecuencia se ajusta en función de la turbina ya que esta resulta ser mucho más afectada al trabajar a frecuencias diferentes a la nominal, por el daño mecánico y estrés que deben soportar los álabes como resultado de posibles resonancias mecánicas [16]. En generadores accionados por motores de combustión interna el ajuste generalmente se realiza en función del generador.. 17.

(26) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS.. 1.5.3.3 Protección contra pérdida o reducción de la excitación 40 El devanado de campo en un generador sincrónico es el encargado de proporcionar el flujo magnético necesario para la conversión de energía mecánica en eléctrica. Si se presenta algún problema como: falla del excitador, del rectificador o del regulador automático de tensión (AVR), cortocircuitos, disparo accidental del interruptor de campo o contacto pobre de las escobillas con los anillos colectores, provocando la pérdida parcial o total de la excitación, el generador empezará a funcionar en la región de subexcitación de la curva de capabilidad (ver figura 1.8), operando como un generador de inducción, girando a una velocidad superior a la sincrónica y consumiendo gran cantidad de potencia reactiva del sistema [37], [38].. Figura 1.8: Curva de capabilidad típica de un generador sincrónico.. Dicha situación es perjudicial tanto para el generador como para el sistema eléctrico donde este se encuentre conectado, se incrementa la temperatura en la superficie del rotor al aparecer corrientes inducidas producto del deslizamiento, y en el devanado del estator producto de la excesiva corriente capacitiva circulante. El impacto sobre el sistema depende de la robustez del mismo y de la carga que estaba llevando el generador antes de producirse la falla; condiciones de inestabilidad y pérdida de sincronismo pueden producirse, además un colapso de tensión en una gran área si no hay suficiente potencia reactiva libre para satisfacer la demanda del generador [16], [38], [40]. Proporcionar una protección sensible a la pérdida o reducción parcial de la excitación para evitar los daños antes descritos, pero que a la vez no actué ante oscilaciones de potencia reactiva del sistema, es imprescindible. Existen diferentes esquemas de protección, algunos basados en la medición de la corriente de campo o de corriente reactiva (o potencia reactiva) hacia del generador, pero el esquema de protección más popular y confiable para la detección de la pérdida de excitación consiste un relé tipo mho que es conectado a las terminales del generador para medir la impedancia vista hacia su interior y operar cuando esta entra dentro de su característica circular, puede ser combinado con relés direccionales, 18.

(27) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS.. de baja tensión y con otro relé mho, en la figura 1.9 se muestra un ejemplo [16], [35], [41], [42].. Figura 1.9: Protección de pérdida de excitación usando una unidad de impedancia y un elemento direccional.. 1.5.3.4 Protección contra falla a tierra en el estator 64G El comportamiento del generador durante condiciones de falla a tierra está condicionado por el método empleado para poner a tierra su devanado. Si por ejemplo el generador está sólidamente puesto a tierra, como casi nunca sucede, aportará una muy alta magnitud de corriente a una falla de línea a tierra en sus terminales, acompañada de una reducción de las tensiones fase-fase que involucran la fase fallada y de un modesto desplazamiento de la tensión de neutro. Por otro lado, si el generador no está puesto a tierra, lo cual también es bastante improbable, aportará una cantidad de corriente despreciable a una falla a tierra en sus terminales, sin reducción en las tensiones fase-fase y un completo desplazamiento en la tensión de neutro [15], [16], [27] Habitualmente el devanado del estator de los generadores es puesto a tierra de tal forma que reduzcan las corrientes de falla y las sobretensiones, y proporcione un medio para detectar la condición de falla a tierra lo suficientemente rápido para minimizar los daños. En función del tipo de puesta a tierra del generador, varios métodos pueden ser efectivos para detectar una falla a tierra. Si la corriente de falla es alta, como sucede con aterramiento efectivo o de baja impedancia, los relés diferenciales de fase proporcionan alguna protección, pero deben ser complementados por relés diferenciales de tierra como el de la figura 1.10, además pueden emplearse relés instantáneos de sobrecorriente de secuencia cero diferencial, que utilizan un transformador de corriente (TC) con forma de toroide (figura 1.11).. 19.

(28) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS.. Figura 1.10: Conexión de un relé diferencial de tierra.. Figura 1.11: Conexión de un relé de sobrecorriente empleando un TC en forma de toroide.. La puesta a tierra del neutro del generador con alta impedancia, normalmente utilizando un transformador de distribución en el neutro, es el método más utilizado en sistemas de conexión unitaria. En este caso los esquemas tradicionales de protección contra fallas a tierra como el de la figura 1.12, incluyen un relé de sobretensión neutral de secuencia cero (59 GN) que opera para la frecuencia fundamental y garantiza la protección de gran parte del devanado del estator. Dicho relé no asegura la protección para todo el devanado del estator y debe ser complementado por esquemas dependientes del tercer armónico; para una falla cerca del neutro, el nivel de la tensión del tercer armónico neutral disminuye, por lo que un detector de subtensión que opera solo con la tensión del tercer armónico (27TN) podría emplearse. La combinación de ambos elementos proporciona protección al 100% del devanado del estator [16], [26]–[28], [35], [37].. Figura 1.12: Protección tradicional contra falla a tierra en el estator empleando un transformador de aterramiento.. 20.

(29) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS.. También existen esquemas que utilizan la tensión de secuencia cero en los terminales del generador, en tal caso se emplea el arreglo de transformadores de potencial (TPs) de la figura 1.13, conocido como “delta rota”, para obtener dicha tensión [27], [35].. Figura 1.13: Conexión de TPs en “delta rota” para obtener la tensión de secuencia cero.. 1.5.3.5 Protección diferencial del generador 87G Una falla entre fases del devanado del estator de un generador es siempre considerada como seria debido a las altas corrientes y el daño potencial a los devanados, al eje y acoplamientos de la máquina, la situación se agrava debido a que la apertura del interruptor no disipa la corriente de falla, que sigue fluyendo durante varios segundos como consecuencia de la energía almacenada en el campo. Por lo tanto, es muy importante minimizar el daño debido a fallas en el estator, usualmente se emplean relés diferenciales de alta rapidez, los cuales pueden detectar fallas trifásicas, fallas fase a fase, fallas doble fase a tierra y algunas fallas fase a tierra dependiendo de la impedancia de conexión del neutro a tierra, sin embargo los cortocircuitos entre espiras de una misma fase pueden ser pasados por alto. Para la detección de estas fallas existen básicamente tres tipos de relés diferenciales de alta rapidez: diferencial de porcentaje variable, diferencial de alta impedancia y el esquema diferencial autobalanceado [15], [16], [37]. La protección diferencial de porcentaje variable es muy utilizada en máquinas grandes para corregir el efecto de la saturación de los TCs. Se tiene tres bobinas, una de operación, que es por donde circulará la corriente diferencial, y dos bobinas de restricción, la corriente en la bobina de operación produce un torque que tiende a cerrar los contactos para la operación del relé mientras que las bobinas de restricción producen un torque opuesto que trata de abrir los contactos, se establece de esta forma una calibración basada en la relación entre las corrientes que circulan por las tres bobinas. Los transformadores de corriente usados en un esquema de relé diferencial deben tener preferentemente las mismas características; aunque la protección diferencial es generalmente tolerante a errores en los TCs por altas corrientes. En la figura 1.14 se muestran la característica de operación y el esquema de conexión de un relé diferencial de porcentaje de pendiente variable [16], [43], [44].. 21.

(30) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS.. Figura 1.14: Protección diferencial de porcentaje de pendiente variable.. Los relés diferenciales de alta impedancia deben ser alimentados de TCs idénticos con devanados secundarios distribuidos totalmente y con reactancia de dispersión despreciable. El relé es realmente un relé de tensión y responde a la alta tensión impuesta a través de sus bobinas, causada por todos los TCs que tratan de forzar la corriente a través de la bobina de operación durante una falla interna. Los esquemas diferenciales autobalanceados (figura 1.15) son típicamente usados para detectar fallas entre fases y de fase a tierra en el estator de generadores pequeños, empleando un solo TC de baja relación por cada fase, con los conductores de ambos extremos de cada devanado pasados a través de él, de tal forma que el flujo neto es cero para condiciones normales. Un relé de sobrecorriente instantáneo conectado en el secundario del TC proporciona una protección confiable y rápida, detectando cualquier diferencia entre la corriente que entra y la que sale del devanado [15], [16]. Figura 1.15: Esquema de conexión de la protección diferencial autobalanceada.. Conjuntamente a la diferencial individual del generador (87G), en una unidad de generación se instalan otras protecciones diferenciales, en el transformador principal (87T), en el transformador de servicios auxiliares (87TA) y además una protección diferencial adicional que se suele aplicar colocando TCs a través de los tres equipos que es comúnmente llamada 87U. En la figura 1.16 se muestra la conexión de todos estos relés diferenciales, hay que tomar en cuenta la conexión de los transformadores de unidad y servicios auxiliares, de tal 22.

(31) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES DE LOS GRUPOS DIÉSEL MTU Y DEL GENERADOR ABB, PROTECCIONES RECOMENDADAS.. forma que, si la conexión es Δ-Y, los TCs deben tener conexión opuesta, es decir Y-Δ [15], [38].. Figura 1.16: Conexión de los relés diferenciales en una unidad de generación.. 1.5.3.6 Protección contra falla en el interruptor del generador 50FI Cuando un relé de protección opera para disparar al interruptor del generador pero el interruptor falla al operar es necesario que actúe la protección de falla en el interruptor, que debe ser local por la alta sensibilidad requerida por las protecciones del generador [16]. Generalmente, cuando los relés de protección detectan una falla interna o condición de operación anormal intentan disparar al interruptor del generador y al mismo tiempo inician la protección de falla de interruptor, y si en un tiempo especificado no se produce el disparo entonces se hacen operar los interruptores necesarios para sacar al generador del sistema; un detector de corriente o un contacto auxiliar del interruptor es el encargado de indicar que el interruptor ha fallado al abrir [15], [16], [35]. La protección contra fallas del interruptor debe ser lo suficientemente rápida para mantener la estabilidad del sistema pero no tan rápido como para comprometer la seguridad de disparo [37].. 23.

(32) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN, FILOSOFÍA DE OPERACIÓN Y CRITERIOS DE DISPARO DE LAS PROTECCIONES PARA EL GENERADOR ABB DE LOS GRUPOS G83. 2.1 Introducción Los Grupos Electrógenos G83 con motor diésel y generador ABB que se han instalado en distintos puntos del país, incluyendo las doce unidades emplazadas en el Sistema Aislado de Cayo Santa María (SACSM), poseen un nuevo sistema de protecciones, diferente al incluido en las antiguas unidades MTU alemanas conectadas en SEN. Este novedoso sistema de protección consiste en el empleo de un relé multifunción de manufactura NR serie PCS985B. En el presente capítulo se hace una descripción general de este multirelé y de varias de las protecciones que tiene incorporadas, y que no han sido abordadas en trabajos anteriores, considerando su filosofía de operación y criterios de disparo.. 2.2 Descripción del relé NR PCS-985B El relé de manufactura NR serie PCS-985B es un multirelé electrónico digital, utilizado con la finalidad de brindar protección a un bloque generador-transformador con capacidad incluso mayor de 100MW a partir de cuatro sistemas de conexión típicos [45]. Se incluyen varias funciones protección eléctrica para: el generador, el transformador elevador (transformador principal), al transformador de uso de planta o reductor y al excitador o transformador de excitación; además de algunas funciones de protección mecánica. Este dispositivo cuenta con puertos de comunicación Ethernet, EIA-485, fibra óptica, puerto de impresión y puerto de sincronización de reloj. Tiene dos módulos DSP (procesador de señal digital), un módulo DSP protectivo o de protección y un módulo DSP detector de fallas, ambos con circuitos de muestreo y salida independiente. La salida de disparo solo se habilitará si los elementos módulo DSP de detector de fallas y de módulo DSP protectivo operan, de otra manera el dispositivo solo emitirá una señal de alarma [45], [46].. 2.3 Descripción de algunas de las protecciones analizadas en el trabajo Todas las funciones con las que cuenta el PCS-985B para brindar protección a cada uno de los elementos antes mencionados, así como la descripción de algunas de ellas pueden ser vistas en [47]. Partiendo de la información obtenida del Manual del Relé [45] a continuación se realiza la descripción de algunas funciones no abordadas en trabajos anteriores y que ya se mostraron de forma teórica en el primer capítulo.. 24.

(33) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN, FILOSOFÍA DE OPERACIÓN Y CRITERIOS DE DISPARO DE LAS PROTECCIONES PARA EL GENERADOR ABB DE LOS GRUPOS G83.. 2.3.1 Protección contra falla a tierra en el rotor 64F El PCS-985B tiene la posibilidad de implementar la protección de falla a tierra del rotor de dos formas, tipo “ping-pang” o con inyección de tensión alterna, y pude funcionar para falla a tierra en uno o dos puntos del devanado. Protección tipo “ping-pang”: Falla en un punto Al ocurrir una falla a tierra en el devanado del rotor la resistencia de aislamiento entre este y el eje de la máquina disminuirá, la protección tipo “ping-pang” mide la resistencia a tierra Rg mediante un puente desbalanceado como se muestra en la figura 2.1, cambiando S1 y S2 alternativamente se obtiene el valor de la resistencia a tierra (Rg) y localización del punto a tierra (α).. Figura 2.1: Esquema del principio de medición tipo “ping-pang”.. Existen dos etapas: una etapa sensible empleada para alarma, y una etapa denominada regular, estándar o normal que puede ser ajustada para disparo o alarma. En la figura 2.2 se muestra el diagrama lógico de esta protección.. 25.

(34) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN, FILOSOFÍA DE OPERACIÓN Y CRITERIOS DE DISPARO DE LAS PROTECCIONES PARA EL GENERADOR ABB DE LOS GRUPOS G83.. Figura 2.2: Diagrama lógico de protección tipo ping-pang para falla a tierra en un punto del rotor.. Donde: R_Sens1PEF_RotWdg: ajuste de resistencia de la etapa sensible de la protección de falla a tierra en un punto del rotor. En_EF_RotWdg: activación de la protección de falla a tierra en el rotor. En_Alm_Sens1PEF_RotWdg: activación de la alarma en la etapa sensible de la protección de falla a tierra en el rotor. En_Alm_1PEF_RotWdg: activación de la alarma en la etapa regular de la protección de falla a tierra en el rotor. R_1PEF_RotWdg: ajuste de resistencia de la etapa regular de la protección de falla a tierra en un punto del rotor. En_Trp_1PEF_RotWdg: activación del disparo en la protección de falla a tierra en un punto del rotor. EBI_EF_RotWdg: bit activado internamente por falla a tierra en el rotor. FD_ EF_RotWdg: operación del detector de falla por falla a tierra en el rotor. TrpLog_EF_RotWdg: ajuste lógico de disparo por falla a tierra en el rotor. Falla en dos puntos Si la protección de falla a tierra en un punto se emplea solo para emitir alarma cuando la resistencia Rg es menor que el ajuste de su etapa regular [R_1PEF_RotWdg], entonces el relé cambiará automáticamente, con un retraso, a protección de falla a tierra en dos puntos. Y si la localización del punto a tierra varía y tal variación llega a su valor de ajuste (definido por el fabricante del relé) ocurre la operación de la protección de falla a tierra en dos puntos y se emitirá una orden de disparo, ver la figura 2.3.. Figura 2.3: Diagrama lógico de protección tipo “ping-pang” para falla a tierra en dos puntos del rotor.. Donde: 26.

(35) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN, FILOSOFÍA DE OPERACIÓN Y CRITERIOS DE DISPARO DE LAS PROTECCIONES PARA EL GENERADOR ABB DE LOS GRUPOS G83.. Flg_2PEF_RotWdg: etiqueta indicando si se cumple el criterio de la protección de falla a tierra en dos puntos. En_2PEF_RotWdg: activación de la protección de falla a tierra en dos puntos del rotor. Protección con inyección de tensión alterna: Falla en un Punto Puede seleccionarse en esta protección el principio de inyección de doble término (ver figura 2.4) o de término simple (figura 2.5), esto en función de a cuantos terminales del devanado del rotor se tiene acceso. La alimentación de electricidad inyectada se conecta entre el polo positivo y negativo, o solo al polo negativo y el eje. Esta protección puede percibir en tiempo real una disminución de la resistencia de aislamiento entre el devanado del rotor y eje del generador.. Figura 2.4: Esquema del principio de inyección de doble término.. Figura 2.5: Esquema del principio de inyección de simple término.. Donde: Ur: tensión del rotor : porcentaje de localización a tierra Rx: resistencia del circuito de medición Ry: resistencia exterior Usq: onda cuadrada inyectada 27.

(36) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN, FILOSOFÍA DE OPERACIÓN Y CRITERIOS DE DISPARO DE LAS PROTECCIONES PARA EL GENERADOR ABB DE LOS GRUPOS G83.. Rg: resistencia de aislamiento entre el devanado del rotor y el eje Al igual que la protección de falla a tierra tipo “ping-pang”, esta protección ofrece dos etapas: una etapa sensible, usada para emitir señal de alarma, y una etapa regular que puede ser empleada para alarma o disparo. La lógica de operación de esta protección es igual que la de tipo “ping-pang” (figura 2.2). Falla en dos puntos Si se tiene acceso a los terminales positivo y negativo del devanado del rotor se puede implementar el principio de inyección de doble término y la protección puede medir la localización a tierra de un punto, y según la variación de dicha localización a tierra la protección de falla a tierra de dos puntos puede actuar. Su lógica de operación también coincide con la correspondiente de tipo “ping-pang” (figura 2.3).. 2.3.2 Protección de frecuencia 81U/O En el multirelé PCS-985B la protección de frecuencia del generador abarca las protecciones de subfrecuencia y sobrefrecuencia. Protección de subfrecuencia: La protección de subfrecuencia operará para emitir una alarma o disparar cuando la frecuencia es menor que el ajuste y se cumple el retardo de tiempo especificado. Esta protección se bloquea por la posición de un contacto auxiliar del interruptor y solo opera después que el generador es sincronizado al sistema, en el proceso de arranque el generador operará a bajas frecuencias hasta que se alcance la velocidad nominal, y si el retardo de tiempo es lo suficientemente pequeño puede ocurrir un disparo no deseado de la protección. En el PCS-985B se tienen tres etapas de protección de subfrecuencia: la etapa1 se configura como protección de frecuencia acumulada y puede restaurarse a cero solo después de borrar los reportes, las etapas 2 y 3 pueden configurarse como protección de frecuencia continua. En la figura 2.6 se muestra el diagrama lógico de esta protección.. 28.

(37) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN, FILOSOFÍA DE OPERACIÓN Y CRITERIOS DE DISPARO DE LAS PROTECCIONES PARA EL GENERADOR ABB DE LOS GRUPOS G83.. Figura 2.6: Diagrama lógico de la protección de subfrecuencia.. Donde: En_Alm_UFn_Gen: activación de la alarma en la etapa n de la protección de subfrecuencia del generador. Flg_Gen_Connect: etiqueta interna indicando el estado de la conexión del generador al sistema. f_UFn_Gen: ajuste de la etapa n de la protección de subfrecuencia. En_FreqProt_Gen: activación de la protección de frecuencia del generador. TrpLog_UF_Gen: ajuste lógico de disparo por subfrecuencia. EBI_FreqProt_Gen: bit activado internamente por frecuencia anormal. En_Trp_UFn_Gen: activación del disparo en la etapa n de la protección de subfrecuencia del generador. FD_FreqProt_Gen: operación del detector de falla por frecuencia anormal. Protección de sobrefrecuencia: La protección de sobrefrecuencia cuenta con dos etapas que pueden ser configuradas para emitir alarma o disparo, ver en la figura 2.7 su diagrama lógico.. 29.

(38) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN, FILOSOFÍA DE OPERACIÓN Y CRITERIOS DE DISPARO DE LAS PROTECCIONES PARA EL GENERADOR ABB DE LOS GRUPOS G83.. Figura 2.7: Diagrama lógico de la protección de sobrefrecuencia.. Donde: En_Alm_OFn_Gen: activación de la alarma en la etapa n de la protección de sobrefrecuencia del generador. f_OFn_Gen: ajuste de la etapa n de la protección de sobrefrecuencia. TrpLog_OF_Gen: ajuste lógico de disparo por sobrefrecuencia. En_Trp_OFn_Gen: activación del disparo en la etapa n de la protección de sobrefrecuencia del generador.. 2.3.3 Protección contra pérdida o reducción de la excitación 40 Las características de esta protección, que tiene como objetivo detectar fallas en el sistema de excitación del generador, se describen detalladamente en [47], por tanto a continuación se brindan otros aspectos de marcada importancia y que no se trataron con profundidad en ese trabajo. En el PCS-985B se consideran tres criterios de operación para detectar la pérdida de excitación: criterio de impedancia del estator, que en los ajustes se puede combinar con un relé de potencia reactiva inversa, criterio de baja tensión en los terminales del generador y en el lado de alta del transformador principal y por último el criterio de baja tensión en el rotor o tensión de excitación variable. La protección está conformada por tres etapas, donde en cada una de ellas se conjugan el criterio de impedancia con los demás criterios. En la etapa 1 (figura 2.8), el criterio de baja tensión en el rotor, el de impedancia y el de baja tensión en el lado de alta del transformador principal; en la 2 (figura 2.9), el criterio de baja tensión en el rotor, el de impedancia y el de baja tensión en los terminales del generador; y en la 3 (figura 2.10) el criterio de impedancia y de baja tensión en el rotor, esta última etapa cuenta con una función de alarma, además de la de disparo que es común para las tres. 30.

(39) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN, FILOSOFÍA DE OPERACIÓN Y CRITERIOS DE DISPARO DE LAS PROTECCIONES PARA EL GENERADOR ABB DE LOS GRUPOS G83.. Figura 2.8: Diagrama lógico de la etapa 1 de la protección contra pérdida o reducción de la excitación.. Los elementos con subíndice 1, que hacen referencia a la etapa1, son análogos para las etapas 2 y 3. A partir de que un criterio es activado, en cualquiera de las etapas de esta protección, se hace necesario que este se cumpla para que opere la protección; la relación entre los diferentes criterios se establece mediante un AND y por lo tanto o se cumplen todos los criterios activados o no habrá ninguna señal de disparo (o alarma en el caso de la etapa 3).. Figura 2.9: Diagrama lógico de la etapa 2 de la protección contra pérdida o reducción de la excitación.. 31.