Análisis del esquema típico de protecciones de una batería de generación distribuida de fuel oil y su interconexión con el sistema electroenergético nacional

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(3) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electroenergética. TRABAJO DE DIPLOMA Título: “Análisis del esquema típico de protecciones de una batería de Generación Distribuida de Fuel Oil y su interconexión con el Sistema Electroenergético Nacional”. Autor: Onel Ramón Aguiar Padilla E-mail: [email protected] Tutor: M.Sc. Emilio Francesena Bacallao E-mail: [email protected]. Dpto. de Electroenergética Facultad de Ingeniería Eléctrica. UCLV. Santa Clara 2013 “Año 55 de la Revolución”.

(4) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Eléctrica autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. __________________ Firma del autor. Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Dpto Donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(5) Pensamiento. Todo hombre tiene el deber de cultivar su inteligencia, por respeto así propio y al mundo José Martí.

(6) Dedicatoria. Este trabajo que propicia en el fin de seis años de estudio va dedicado a mi madre que siempre me enseño a andar por los caminos del saber con paciencia y con tesón. A mi esposa que con su apoyo y dedicación permitió que lograra resultados satisfactorios en toda mi trayectoria estudiantil y a mi hija dedico todos los resultados de mis estudios, mi trabajo y mi vida para que ella también sepa andar por los caminos del saber..

(7) Agradecimientos. Quisiera agradecerle por la ayuda brindada durante la realización de este trabajo a: Mi tutor. Mis padres. Mi esposa e hija. Mis compañeros de grupo. Especialistas del Departamento de Protecciones de la Empresa Eléctrica de Villa Clara. Mis vecinos. Luis Manuel Así como a todo aquel que de una forma u otra ayudaron también..

(8) Tarea Técnica. 1. Revisión bibliográfica del tema. 2. Describir la operación de los grupos electrógenos movidos por motores de combustión interna a partir de fuel oil introducidos en Cuba y que operan de forma sincronizada al Sistema Electroenergético Nacional (SEN) en condiciones normales de operación y aislados formando microsistemas. Los esquemas y tipos de protección 3. Esquemas principales y protecciones para las centrales de generación distribuida con fuel oil típicas (HYUNDAY) instaladas en Cuba, tanto en régimen de explotación normal como ante regímenes anormales de operación. 4. Análisis de sensibilidad para las protecciones de los generadores con capacidades de 1700KW y su interconexión al SEN en la central eléctrica Santa Clara 110 KV.. . Firma del Autor. Firma del Tutor.

(9) Resumen 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 Generación Distribuida a base de motores de combustión interna en una primera etapa, en más de doscientos puntos. Para ese entonces, no queda otra alternativa que desarrollar un sistema de gestión que permita establecer y normar la nueva forma de explotar y controlar este tipo de generación, más cerca del consumidor de electricidad. Por las características de esta generación se prevé la disminución de las pérdidas eléctricas en la transmisión y subtransmisión fundamentalmente, como la mejora sustancial de los costos, mejores índices de eficiencia energética según las experiencias consultadas internacionalmente. Se le pide entonces a Generación Distribuida de Electricidad de Cuba de la Unión Eléctrica desarrollar un sistema de gestión, basado en procesos, con una primera versión en el 2007 que permite desarrollar la explotación de estos equipos de generación. La Generación Distribuida en la actualidad tiene gran importancia, es el camino que utilizan varios países para dar solución a sus problemas de disponibilidad de energía eléctrica; nuestro país enfrenta una carrera contra el tiempo en el montaje de nuevas fuentes de energía buscando un crecimiento acelerado y continuo del desarrollo económico y social cubano, convirtiéndose de esta forma en una de las tareas fundamentales de las máximas autoridades del estado. Con la introducción de Generación Distribuida por su naturaleza cambia la concepción a la hora de analizar. las. técnicas de protección respecto a las que se conocen. tradicionalmente, por lo que su aplicación debe estar bien concebida y fundamentada .Sobre esta línea de trabajo dirigimos al análisis de las protecciones que utilizan los generadores de las nuevas plantas de generación HYUNDAI de 1700KW instalados en la central eléctrica de fuel oil Santa Clara 110KV. Para este análisis fue necesario la utilización del software PSX Explorer en la obtención de las corridas de los niveles de corrientes de cortocircuito tanto de los generadores como barras colectoras y transformadores de potencia que intervienen en la interconexión de la central con el SEN .Dando lugar a un conjunto de conclusiones y/o recomendaciones importantes para la.

(10) explotación de una forma segura y fiable para el sistema eléctrico, personal técnico y de operación..

(11) Índice Introducción ................................................................................................................. 1. Capítulo 1 Consideraciones sobre el uso de la Generación Distribuida en la actualidad, motores primarios y generadores sincrónicos utilizados……………………..…………….. 3. 1.1 Introducción ........................................................................................................ 3. 1.2 Generación Distribuida ....................................................................................... 3. 1.2.1 Rango Generación Distribuida ....................................................................... 4. 1.2.2 La Generación Distribuida en otros países................................................... 4. 1.2.3 Definición de Generación Distribuida............................................................ 5. 1.2.4 Tecnologías de la Generación Distribuida.................................................... 6. 1.2.5 Modos de generación de energía................…………………………......... 7. 1.2.6 Ventajas de la Generación Distribuida…………………….…………….......... 7. 1.3 Cargabilidad de los grupos y clasificación por tecnologías................................. 8. 1.4 Motores primarios en la generación de electricidad............................................ 9. 1.4.1 Turbinas Hidráulicas...................................................................................... 10. 1.4.1.1 Clasificación de las turbinas hidráulicas según entrada de agua………. 10. 1.4.2 Turbinas de vapor........................................................................…….......... 11. 1.4.2.1 Clasificación de las turbinas de vapor..................................................... 11. 1.4.3 Turbinas eólicas............................................................................................ 12. 1.4.3.1 Clasificación de las turbinas eólicas según su rotor............................... 14. 1.4.4 Turbina de gas..............................……………………………………………... 14. 1.4.4.1 Clasificación de las turbinas de gas........................................................ 15. 1.4.5 Motor de combustión interna diesel.............................................................. 16. 1.4.6 Motor de combustión interna fuel oil............................................................. 17.

(12) 1.4.7 Motor de combustión externa (Stirling)......................................................... 18. 1.5 Generadores eléctricos....................................................................................... 19. 1.5.1 Tipos de generadores de corriente alterna................................................... 20. 1.5.1.1 Clasificación de generadores sincrónicos……………………………….... 21. 1.6 Operación en paralelo de los generadores sincrónicos.…………….………….... 26. 1.6.1 Ventajas del funcionamiento en paralelo ……………………………..………. 26. Capítulo 2. Protección de los generadores y su interconexión con el sistema de potencia………………………………………………………………………………………….. 27. 2.1 Introducción ........................................................................................................ 27. 2.2 Características de un sistema de protección……………………………………... 27. 2.3. Norma IEEE/ (ANSI) sobre los números identificativos de las funciones de dispositivos de protección más utilizados en generadores….........................………... 28. 2.4 Factores de los que depende la cantidad de protecciones de un generador sincrónico…………………………………………………………………………................ 29. 2.5 Generalidades de las protecciones de los generadores………….…….………... 30. 2.5.1 Protección contra corto circuito entre fases del generador………....…………. 30. 2.5.2 Protección de respaldo de sobre corriente (50/51)....................................... 31. 2.5.2.1 Ventajas de la protección de sobre corriente (50/51)………................... 32. 2.5.2.2 Desventajas de la protección de sobre corriente (50/51)……………….. 32. 2.5.3 Protección contra cortocircuito de fase a tierra en el estator................. 33. 2.5.4 Protección contra falla a tierra en los devanados de campo(64F)................ 35. 2.5.5 Protección contra pérdidas de excitación (40).............................................. 36. 2.5.6 Protección pérdida de sincronismo (78)……………………………………….. 37. 2.5.7 Protección contra carga asimétrica desbalanceada (46).............................. 38. 2.5.8 Protección contra sobre excitación (V/Hz 24G)............................................... 40.

(13) 2.5.9 Protección contra sobre voltaje (59) ............................................................. 41. 2.5.10 Protección contra variaciones de frecuencia (81)....................................... 41. 2.5.11 Protección contra potencia inversa (32)......................................................... 42. 2.5.12 Protección de salto vector........................................................................... 43. 2.5.12.1 Principio de medida de la vigilancia de salto vector.............................. 43. 2.6 Generalidades de las protecciones asociadas a la interconexión con el sistema…..................................................................................................................... 44. 2.6.1 Introducción..……………………………………………………………………... 44. 2.6.2 Requisitos que debe cumplir la protección de interconexión para permitir que el generador se haya conectado en la red………….…………………………. 45. 2.6.3 Métodos y procedimientos de protección de interconexiones de generadores dispersos………………………..……………………………………………. 46. 2.6.4 Procedimientos de disparo/restauración de los generadores interconectados al sistema…...…...…………………………………………………….… 2.7 Transformador de interconexión………………...…………………………………. 2.7.1 Conexiones de los transformadores de interconexión…………..………….. 2.8 Protección a la unidad Generador-Transformador…………………………..…... 2.8.1 Selección del esquema de disparo………………..……………...………….. 2.9 Uso de la tecnología digital para la protección de interconexiones……………. 2.9.1 Características del relé de protección de interconexión M-3410A…...…….. 46 48 49 51 52 53 53. Capítulo 3. Características de los esquemas de protección para las unidades usadas en las Baterías de Fuel Oil 1.7 MW (HYUNDAI).......................................................... 55. 3.1 Introducción ........................................................................................................ 55. 3.2 Descripción general de la central eléctrica de Fuel Oil Santa Clara 110 kV……... 55. 3.3 Datos de los generadores, transformadores y protecciones. ............................. 68.

(14) 3.4 Protección de los generadores y sus ajustes....................................................... 70. Capítulo 4. Análisis de las protecciones de los generadores de las baterías y su interacción en el sistema ……………………..…………................................................... 73. 4.1. Introducción ....................................................................................................... 73. 4.2. Chequeo de sensibilidad de las protecciones de sobrecorriente y alto y bajo voltaje…………………................................................................................................. 74. 4.2.1. Chequeo de sensibilidad de las protecciones de la Unidad de Control GPC del Generador...................................................................................................... 74. 4.2.1.1. Chequeo de sensibilidad de la protección de sobre corriente (50/51) de la Unidad de Control GPC. ..................................................................................... 77. 4.2.1.2. Chequeo de sensibilidad de la protección de sobrecorriente (50/51) de fase y (50/51N) del relé DOG-M51D....................................................................... 80. 4.2.1.3 Chequeo de sensibilidad de la protección DOG-M22D contra fallas a tierra en el estator del generador………………………………………………………….. 82. 4.2.1.4 Chequeo de sensibilidad de las protecciones de bajo voltaje…………. 82. 4.2.1.5 Chequeo de la sensibilidad para la protección de sobrecorriente (50/51) de fase DOG-M51D para la interconexión…………………………………........ 83. 4.2.1.6 Chequeo de la sensibilidad de la protección de bajo voltaje del relé DUO-M33D de la interconexión…………………….……………………………………... 85. 4.3 Segundo caso: Baterías de las centrales de Fuel Oil Santa Clara 110 kV y la batería diesel Santa Clara 110 kV funcionando en paralelo, pero operando en isla…………………………………………………………………………………………..... 86. 4.3.1 Chequeo de sensibilidad de la protección de sobrecorriente (50/51) de la unidad de control GPC del generador operando en isla............................................ 86. 4.3.3 Chequeo de sensibilidad de la protección de sobrecorriente (50/51) de fase y (50/51N) DOG-M51D para la interconexión operando en isla.......................... 4.3.4 Chequeo de sensibilidad de la protección de sobrecorriente (50/51N) del. 91.

(15) relé DOG-M51D de la interconexión (con uno de cada dos generadores aterrados y los cuatro aterrados)................................................................................................ 4.4 Casos particulares importantes en el análisis y consideraciones……………... 94 95. Conclusiones……………………………………….……………………………….………. 96. Recomendaciones……………………………….………………………..………………... 97. Referencias Bibliográficas……………………..…………………..………………………. 98.

(16) Introducción. Introducción La crisis energética que sufre el mundo, conduce a extremar el aprovechamiento de cuanta fuente de energía está disponible, las que se conectan a la red eléctrica en su punto más próximo. Por ello, los sistemas tradicionales de distribución están cambiando sus características, en estructura, criterios de operación y metodologías de protección. Este cambio no se está produciendo en forma coordinada entre los sectores involucrados. La interconexión de la Generación Distribuida (GD) a la red, modifica la potencia de cortocircuito del sistema. El nivel de ese aporte depende de la potencia relativa, del tipo de generador y de la interface empleada. De estos tres elementos, el que requiere mayor análisis es el tipo de generador, ya que por la amplia variedad de fuentes pueden emplearse equipos distintos. Los generadores han avanzado desde los comienzos del uso de estas fuentes, pasando de los iníciales de corriente continua a los actuales asincrónicos de doble alimentación, con etapas intermedias, en las cuales se empleaban máquinas asincrónicas excitadas por red, por capacitores y con inversor de potencia total. En la actualidad se encuentran instalados equipos de todas estas tecnologías. Puede ocurrir que en los sistemas de potencia aparezcan altos tiempos de limpieza de la falla o que exista coordinación no selectiva, ambas no aceptadas por los criterios de protección y además por el mercado de la energía eléctrica. Se deduce entonces, que los sistemas con GD requieren de una técnica de protección cuya metodología puede variar respecto a la conocida tradicionalmente, debido a que las características de operación e interconexión y el tipo de planta, entre otras cuestiones a tener en cuenta, hacen necesario analizar la influencia que provoca la inclusión de la GD en el sistema al que se conecta, ya que ante las perturbaciones en el sistema eléctrico que afectan las plantas de GD aparezcan altos tiempos de limpieza de la falla o que no coordinen las protecciones, por ende su aplicación debe estar bien concebida y encaminada a evitar daños en los generadores ,trasformadores y sistema en general [12,13]. En base a lo planteado anteriormente, este trabajo está centrado en los siguientes objetivos:  Brindar información sobre las protecciones de los generadores y sus peculiaridades en la Generación Distribuida.. 1.

(17) Introducción.  Ofrecer de forma clara y resumida en un documento, información actualizada sobre sobre las protecciones y en los generadores con motores de combustión fuel oil HYUNDAI de 1700KW utilizados en Cuba y sus peculiaridades.  Analizar integralmente los esquemas de protección para las unidades usadas en las Baterías de Fuel Oil HYUNDAI Santa Clara 110 kV y ajustes actuales.  Analizar la sensibilidad de algunas protecciones de los generadores de las baterías y su interacción en el sistema. Para cumplimentar estos objetivos se realizó una búsqueda bibliográfica en los doce volúmenes recibida por los fabricantes y otras fuentes más dispersas, donde se encuentran todos los datos técnicos de los diferentes equipos, componentes y los esquemas de conexiones de control y fuerza de la central, así como en sitios de Internet relacionados, de donde se obtiene la información más actualizada que se expone en el trabajo. También se hace uso del programa PSX Explorer como software fundamental en el desarrollo del mismo, para la obtención de los niveles de corrientes de cortocircuitos. En los dos primeros capítulos se hace un análisis bibliográfico de conceptos y teorías imprescindibles para el cumplimiento de los objetivos de este trabajo; sobre todo haciendo énfasis en las protecciones de los generadores usadas en la generación distribuida. En el tercer capítulo se analizan las características de los esquemas de fuerza y protección para las unidades usadas en las Baterías de fuel oil de 1700kW a 4160V montadas en Cuba específicamente en la central Santa Clara 110kV. En el cuarto capítulo se realiza el análisis de la sensibilidad de la mayoría de las protecciones de los generadores de los grupos electrógenos que se encuentran en dicha central, donde se realiza el estudio de comprobación. Se llega a un conjunto de conclusiones y se ofrecen recomendaciones importantes que deben tenerse en cuenta para la explotación de la red con dicha planta generadora.. 2.

(18) Capítulo 1. Capítulo 1. Consideraciones generales sobre la generación distribuida, motores primarios y generadores sincrónicos utilizados. 1.1 Introducción La integración de la Generación Distribuida (DG) actualmente cambia la concepción que se tenía como línea a seguir, donde la industria de energía eléctrica fue generada siempre en centrales eléctricas grandes, enviada para las zonas de consumo a través de líneas de transmisión, y efectuándose la entrega a los consumidores a través de una infraestructura de distribución. Mientras el cambio de la generación concentrada a la generación distribuida gana interés en todo el mundo representando muchos desafíos y nuestro país no está ajeno de ello; con la generación cerca de los consumidores se cambia automáticamente la forma tradicional de analizar los esquemas y ajustes de las protecciones eléctricas ya que cambian los flujos de potencia en varias direcciones, así como los niveles de las corrientes de cortocircuito. La conexión de las unidades de GD no solo está diseñada para el trabajo en paralelo de red, donde el sistema impone los parámetros eléctricos de voltaje y frecuencia, sino que también con la presencia de fallas en el sistema, pueden trabajar en isla, formando microsistemas, garantizando la calidad del servicio eléctrico a los consumidores. Se deduce entonces, que los sistemas eléctricos con GD precisan de una técnica de protección cuyo análisis puede variar respecto a la estudiada tradicionalmente, debido a que las características de operación, sincronización e interconexión, entre otros factores a tener en cuenta, se hace necesario analizar, la incidencia que tiene la introducción de la GD en el sistema al que se conecta y cómo las fallas en dicho sistema afectan las pequeñas centrales de GD; por ende, su implementación debe estar bien concebida y dirigida a evitar daños en ambos sentidos.. 1.2 Generación Distribuida Actualmente, los países industrializados generan la mayoría de su electricidad en grandes instalaciones centralizadas, tales como centrales de combustible fósil (carbón, gas natural), nucleares o hidroeléctricas. Estas centrales son excelentes a escala de rendimientos económicos, pero transmiten la electricidad normalmente a muy grandes distancias y el rendimiento energético y medioambiental es bajo. 3.

(19) Capítulo 1. Las centrales eléctricas se ubican en lugares determinados en función de ciertos factores económicos, de seguridad, logísticos o medioambientales, entre otros, que provocan que la mayoría de las veces la energía se genere muy lejos de donde se consume. Por ejemplo las centrales térmicas se construyen lejos de las ciudades por motivos de contaminación atmosférica e incluso lo más cerca posible de las zonas de obtención de los combustibles fósiles. Otro ejemplo son las centrales hidroeléctricas que han de colocarse en los cursos de agua [5 ,6] La generación distribuida da otro enfoque. Reduce la cantidad de energía que se pierde en la red de transmisión de energía eléctrica, ya que la electricidad se genera muy cerca de donde se consume, a veces incluso en el mismo edificio. Esto hace que también se reduzcan el tamaño y número de las líneas eléctricas que deben construirse y mantenerse en óptimas condiciones. Las. fuentes tienen bajo mantenimiento, baja. contaminación y alta eficiencia. En el pasado, estas características requerían de ingenieros de operación y complejas plantas para reducir la contaminación. Sin embargo, los modernos sistemas embebidos en la distribución pueden proporcionar estas características con operaciones automatizadas y energía renovable no contaminante, tales como la solar, eólica y la geotérmica. Esto reduce el tamaño de las plantas mejorándose la rentabilidad económica [5,6].. 1.2.1 Rango de Generación Distribuida En cuanto al rango en capacidad instalada de la GD, ésta varía aún más que la propia definición, pues es bastante subjetivo el criterio para calificar a sus instalaciones como “relativamente más pequeñas a las centrales de generación”. En la literatura se manejan diferentes rangos: menores a 500 kilowatts (kW); mayores a 1,000 y menores a 5,000 kW; menores a 20,000 kW; menores a 100,000 kW; e inclusive de tan sólo unos cuantos kW, por ejemplo 3 kW. No obstante lo anterior y con lo que respecta a tecnologías disponibles, la capacidad de los sistemas de GD varía de cientos de kW hasta 10,000 kW [5,7]. 1.2.2 La Generación Distribuida en otros países En el contexto internacional el uso de la GD ha sido impulsado por diversos factores. De acuerdo con datos de la CIGRE, en diversos países del mundo se ha incrementado el 4.

(20) Capítulo 1. porcentaje de la potencia instalada de GD, en relación con la capacidad total instalada. Así, en países como Dinamarca y Holanda, alcanzaba valores de hasta el 37%, y en otros, como Australia, Bélgica, Polonia, España y Alemania, tan solo del 15% y en el caso de Estados Unidos, del 5% alrededor del año 2000, pero en la actualidad se ha incrementado en la mayoría de los países. En lo relativo al potencial en GD en el mundo, se cuenta con la siguiente información. Se estima que en los próximos años el mercado mundial para la GD será del orden de 4 a 5 mil millones de dólares. Con base en estimaciones de la Agencia Internacional de Energía, los países desarrollados serán responsables del 50% del crecimiento de la demanda de energía eléctrica mundial en los próximos 20 años, equivalente a 7 millones de MW, donde el 15% de esta demanda le corresponderá a GD [6,7]. 1.2.3 Definición de Generación Distribuida La generación distribuida, también conocida como generación in-situ, generación embebida, generación descentralizada, generación dispersa o energía distribuida, consiste básicamente en la generación de energía eléctrica por medio de muchas pequeñas fuentes de energía. La definición más global de la generación distribuida vendría a decir que es aquella que se conecta a la red de distribución de energía eléctrica y que se caracteriza por encontrarse instalada en puntos cercanos al consumo [5,7]. Debido a que la generación distribuida (GD) se conecta a la red de distribución, cada vez se están dedicando más esfuerzos al estudio del impacto que ocasiona la generación distribuida en las redes de distribución a las cuales se conecta. Los estudios más importantes se centran en:  Incentivos a las tecnologías de GD para su desarrollo (mecanismos regulatorios: primas, tarifas).  Las nuevas inversiones y la planificación de la distribución teniendo en cuenta la GD  Las potencias de cortocircuito en la red con GD  Los servicios complementarios en la red con GD (regulación frecuencia - potencia, black start, control tensión - reactiva)  Las pérdidas en la red con GD  La operación y explotación de red con GD 5.

(21) Capítulo 1.  La seguridad del personal de mantenimiento. 1.2.4 Tecnologías de la generación distribuida Los sistemas empleados como fuentes de energía distribuida (FED) son plantas de generación de energía a pequeña escala (normalmente entre el rango de 3 kW a 10.000 kW) usadas para proporcionar una alternativa o una ayuda a las tradicionales centrales de generación eléctricas. El problema radica en que estos generadores distribuidos son bastantes caros de instalar y poner en marcha. Una popular fuente de energía distribuida son los paneles solares en los tejados de edificaciones. El costo de producción está entre 0,99 € a 2,00 € por Watts (2007), más la instalación y los equipos de suministro. Sin embargo la Energía Nuclear está por encima de 2,2€ a 6,00€ por Watts. Algunas células solares (las del tipo "película delgada") presentan problemas al final de su vida útil, ya que poseen metales pesados, tales como teluro de cadmio (Cd Te) y CIGS (CuInGaSe), materiales que necesitan ser reciclados. El lado positivo es que a diferencia del carbón y la nuclear, no hay coste de combustible o materias primas, ni contaminación, y requieren de mínima seguridad en su funcionamiento. La solar también tiene un bajo ciclo de trabajo, produciendo picos de potencia en períodos diarios. El ciclo de trabajo medio típico es del 20%. Otra fuente son los pequeños generadores eólicos. Estos tienen bajo mantenimiento, y baja contaminación. El costo de su instalación es ($0.80/Watts,) mayor por Watts que la centrales tradicionales, excepto en las áreas con mucho viento donde los rangos de producción aumentan considerablemente. Las torres y generadores eólicos exigen de mayor costo en seguros, causado por el hecho del viento y la soledad de las instalaciones, pero poseen una buena fiabilidad en el funcionamiento. La eólica suele ser complementaria a la solar; en los días cuando no hay sol suele hacer viento y viceversa. Algunos emplazamientos de generación distribuida combinan energía eólica con energía solar como por ejemplo Slippery Rock University, la cual puede ser monitorizada online [5, 6]. Las fuentes de cogeneración distribuida usan micro turbinas de gas natural como combustible o motores de explosión para activar los generadores. El calor generado es aprovechado para calentar aire o agua, o para activar un refrigerador por absorción para aire acondicionado. El fuel (combustible) limpio genera poca polución. Estas plantas 6.

(22) Capítulo 1. combinadas de generación eléctrica y calor normalmente tienen una irregular fiabilidad, aun así poseen excelentes costos de mantenimiento, aunque otros costos son inaceptables. Los cogeneradores son además, más caros por Watts que las centrales generadoras. Estas instalaciones han experimentado un auge porque las industrias consumen combustibles, y la cogeneración puede extraer un valor añadido a este fuel. Algunas grandes instalaciones utilizan generación de ciclo combinado. Normalmente estas consisten en una turbina de gas que hierve agua para actuar sobre una turbina de vapor en un ciclo de Rankine. El condensador del ciclo de vapor proporciona el calor para calentar el aire o un refrigerador por absorción. Las plantas de ciclo combinado tienen grandes eficiencias térmicas, a menudo sobrepasando el 85% [5, 6,7].. 1.2.5. Modos de generación de energía. Los sistemas FED pueden incluir los siguientes dispositivos o tecnologías:  Cogeneración  Micro cogeneración  Pila de combustible  Micro turbinas  Energía solar fotovoltaica  Motor de combustión interna  Motor de combustión externa (Stirling)  Pequeños sistemas de Energía eólica 1.2.6 Ventajas de la generación distribuida  Bajos niveles de emisión de contaminantes  Posibilidad de poder conectarse en cualquier punto de sistema  Niveles competitivos de costos de inversión  Eficiencia de generación similares a las grandes unidades  Posibilidad del suministro eléctrico en horarios de máxima demanda  Poder retirar unidades para sus mantenimiento 7.

(23) Capítulo 1.  Diversifica el parque generador y reduce el riego de desabastecimiento y dependencia de combustibles derivados del petróleo, sin afectar el sistema eléctrico  La opción de generar adicionalmente. energía térmica mediante sistemas. cogenerativos  Libera capacidad del sistema.  Proporciona mayor control de energía reactiva.  Proporciona mayor regulación de tensión. 1.3 Cargabilidad de los grupos y clasificación por tecnologías. El desarrollo tecnológico, ha permitido que las actuales centrales eléctricas estén compuestas por unidades compactas de fácil operación, altamente confiables y de buen rendimiento, capaces de cumplir los requerimientos de conservación ambiental y de generación de energía eléctrica con calidad. Los grupos electrógenos se clasifican por su diseño según la norma [ISO-8528] [1, 3,4]. En la tecnología diesel a Régimen de Operación Continua (COP): El grupo es capaz de entregar continuamente una potencia fija al 100% de su potencia nominal, durante un número ilimitado de horas al año, teniendo en cuenta los ciclos de mantenimiento y bajo las condiciones ambientales declaradas; el 10 % de sobrecarga se permite solo para regulación. En nuestro país se emplearon las baterías GUASCOR a 775 kW [1,2]. En la tecnología fuel oil todos los grupos (MAN 3.85MW, HYUNDAI 1.7 y 2.5MW) son régimen (COP) y se operan entre el 85 y el 100% de su potencia nominal, como régimen normal, de acuerdo al modo de operación en la función “droop”, se deja un margen para la regulación que les permita asumir cargas ante caídas de frecuencia en el sistema, sin superar su potencia nominal, en modo fijo se ajusta de acuerdo a las necesidades del sistema [1,2]. En la tecnología diesel se utiliza a Régimen de Potencia Primaria (PRP): Potencia máxima disponible para un ciclo de potencia variable, que puede ocurrir durante un número ilimitado de horas al año, entre los períodos de mantenimiento señalados y bajo las condiciones ambientales declaradas. La potencia media en 24 horas no debe superar el 70 % de la (PRP). El 10 % de sobrecarga es permitido solo para regulación. Para este fin 8.

(24) Capítulo 1. se usaron las baterías MTU BR2000 y BR4000, que operan normalmente al 75%, se suben al 100% ante necesidades del sistema [1,2]. Todos los grupos y baterías están diseñados para ser operados en modo: isla o sincronizados. Modo Isla: los grupos electrógenos están diseñados normalmente para funcionar de modo aislado (llamado también modo isócrono), las unidades trabajan de forma independiente o paralelas entre sí, pero separadas del sistema de forma tal que los parámetros de frecuencia, voltaje y factor de potencia son fijados por ellas. Modo Sincronizado: las unidades trabajan en paralelo con el sistema de forma sincronizada, los parámetros de voltaje, frecuencia y factor de potencia son fijados por el sistema, el regulador de velocidad de la máquina controlará la potencia activa y el regulador de voltaje controlará la potencia reactiva.. 1.4 Motores primarios en la generación de electricidad En el mundo moderno, el desarrollo de un país nivel de. se mide entre otros elementos por el. electrificación que el mismo posee, debido a que la electricidad es la principal. fuente de energía para la realización de la inmensa mayoría de las actividades productivas, económicas, administrativas y de servicios. Una interrupción por breve que sea, provoca considerables trastornos y pérdidas en la producción industrial, en el transporte, las comunicaciones, el sector financiero y en las tareas de la defensa del país [7,8]. Uno de las primeros métodos que se utilizaron para generar energía eléctrica, fue aprovechando la fuerza del agua en los ríos fundamentalmente, lo que hoy se conoce como hidroeléctricas, otra forma de obtener energía es a través de la fuerza del viento, conocida como energía eólica; también el hombre ha ido desarrollando con los avances tecnológicos otras formas de crear electricidad, como son: las plantas termoeléctricas y las termonucleares, que son grandes plantas con una gran capacidad de generación y complicado diseño de fabricación. Se ha logrado aprovechar los gases acompañantes en la extracción del petróleo y construir centrales eléctricas que operan con este combustible para mover sus turbinas y otro método conocido es aprovechando la fuerza de los motores de combustión interna, ya sean de diesel refinado o pesado (fuel oil), en los llamados grupos electrógenos (GE) [7,8]. 9.

(25) Capítulo 1. 1.4.1 Turbinas hidráulicas. Las turbinas hidráulicas, caso de las turbinas Francis, convierten la energía del fluido hidráulico, en energía mecánica, gracias al tránsito del fluido a través de la misma y aprovechando la energía del salto. Las turbinas hidráulicas se encuentra situadas en el cuarto de máquinas de las centrales hidroeléctricas, parte izquierda de la figura 1.1; su funcionamiento consiste en la entrada del agua a través de la tubería forzada hacia el caracol ( 1 ) , posteriormente se dirige hacia el rodete (3), cuando el agua entra en contacto con el rodete, este gira gracias a las condiciones de caudal y presión del fluido, una que vez el agua pasa por el rodete, sale de la turbina a través del tubo de salida o aspiración (5), cuando el rodete gira, comunica su movimiento rotacional al eje de la turbina ( 4),que está conectado al generador, la regulación de la turbina, es decir la velocidad a la que gira el rodete, es controlada por los álabes directores (2), estos pueden girar permitiendo el ingreso de más o menos caudal al rodete.. Figura 1.1 Ubicación y principales componentes de las turbinas Francis. 10.

(26) Capítulo 1. 1.4.1.1. Clasificación de las turbinas hidráulicas según la entrada del agua. Axiales (Kaplan, hélice): el agua entra paralelamente al eje. Radiales (Francis): el agua entra perpendicularmente al eje. Tangenciales (Pelton): el agua entra lateral o tangencialmente contra las cucharas del rodete.. 1.4.2 Turbinas de vapor Las turbinas de vapor son turbo máquinas en las que sólo se efectúa el proceso de expansión, ver muestra en la figura 1.2. Si bien existen turbinas a vapor del tipo radial, la inmensa mayoría son del tipo axial. El fluido de trabajo es comúnmente el vapor de agua, por obvias razones económicas y técnicas. En comparación con otras máquinas (alternativas a vapor y de combustión interna) ofrecen una mayor relación potencia/tamaño [7,8].. 1.4.2.1 Clasificación de las turbinas de vapor  Turbinas de condensación: son las de mayor tamaño, utilizadas en centrales. térmicas. La presión de descarga puede ser inferior a la atmosférica debido a la condensación del vapor de salida.  Turbinas de descarga atmosférica: son generalmente de baja potencia, antieconómicas si utilizan agua tratada. No utilizan condensador de salida.  Turbinas de contrapresión: se utilizan como expansores para reducir la presión del vapor generando al mismo tiempo energía. Descargan el vapor a una presión aún elevada, para ser utilizado en procesos industriales.. 11.

(27) Capítulo 1. Figura.1.2 Rotor de una turbina de vapor.. 1.4.3 Turbinas eólicas Los molinos de viento, aeromotores, máquinas eólicas (términos que pueden ser considerados sinónimos), o los aerogeneradores, o turbinas eólicas en su acepción, son dispositivos que convierten la energía cinética del viento en energía mecánica. Aunque existen dos tipos básicos de molinos, eje horizontal y eje vertical, el principio de operación es esencialmente el mismo. En la figura 1.3 se muestran los distintos componentes de una turbina eólica, así como su funcionamiento. Las palas del rotor(A), capturan el viento y transfieren su poder al cubo del rotor. En una moderna turbina eólica de 600kW cada pala del rotor mide aproximadamente 20 metros de longitud. El cubo (B) del rotor está adjunto al eje de baja velocidad de la turbina eólica. El eje de baja velocidad (C), de la turbina eólica conecta el cubo del rotor a la caja de engranajes. En una moderna turbina eólica el eje contiene tubos para el sistema hidráulico permitiendo operar a los frenos aerodinámicos.. 12.

(28) Capítulo 1. Figura 1.3 Componentes de la turbina eólica.. La caja de engranajes (D), tiene el eje de baja velocidad a la izquierda. Esto hace que el eje de alta velocidad gire aproximadamente 50 veces más rápidamente que el eje de velocidad baja. El eje de alta velocidad (E), gira aproximadamente con 1.500 revoluciones por minuto (RPM) y mueve el generador eléctrico. Está provisto con un freno a disco de emergencia. El freno mecánico se usa en caso del fallo del freno aerodinámico, o cuando la turbina está reparándose. El Generador eléctrico (F): es normalmente un generador llamado de instalación o asincrónico. En una turbina eólica moderna la máxima potencia eléctrica normalmente está entre 500 y 1,500 (kW). El controlador (G) electrónico contiene una computadora que continuamente supervisa la condiciones la turbina eólica y controla el mecanismo de orientación. El sistema hidráulico (H), se usa para recalibrar los frenos aerodinámicos de la turbina eólica. La unidad de enfriamiento (I), contiene un ventilador eléctrico que se usa para refrescar el generador eléctrico. Además, contiene una unidad de aceite refrescante que es usada para enfriar el aceite en la caja de engranajes. Algunas turbinas tienen generadores de agua fría. La torre (J), de la turbina eólica lleva la nacelle y el rotor. Generalmente, El mecanismo de orientación (K), usa motores eléctricos para volver la nacelle con el rotor contra el viento. Este mecanismo es operado por el controlador electrónico que capta la dirección de viento que usa la veleta. Normalmente, la turbina orientará sólo unos pocos grados a la vez, cuando el viento cambia su dirección. El anemómetro y la veleta de viento (L), se usan para medir la velocidad y dirección del viento. usando el. mecanismo de orientación [11,12].. 13.

(29) Capítulo 1. 1.4.3.1 Clasificación de las turbinas eólicas según su rotor  Turbinas Eólicas Tripalas Modernas:. turbinas. eólicas. con. rotores. tripalas. son los más comunes en todo el mundo. La razón principal para usar tres palas es. el. momento. de. inercia. constante. del. rotor para todo el ángulo. circunferencial.  Turbinas Eólicas Bipalas: tiene para los movimientos de la nacelle cuando esta gira, una. inercia en contra. respecto del eje longitudinal de la. torre.  Turbinas Eólicas Monopalas: tiene principalmente un desequilibrio aerodinámico, que. introduce. movimientos. adicionales,. causa. cargas. y. construcciones. complicadas. La desventaja principal para su uso comercial es el nivel del ruido aerodinámico.. 1.4.4 Turbina de Gas Las turbinas a gas son máquinas térmicas rotativas de combustión interna a flujo continuo cuyo esquema se representa en la figura1.4. El objetivo de ésta máquina térmica es convertir energía calórica contenida en el combustible utilizado en energía mecánica (trabajo mecánico) en el eje de la misma [16 ,18].. Figura 1.4 Representación de las partes de la turbina a gas. 14.

(30) Capítulo 1. La máquina está compuesta de los siguientes elementos:  Un compresor de flujo axial  Una o varias cámaras de combustión (según el fabricante)  La turbina a gas Sistemas auxiliares para su operación:  Sistemas de lubricación  Sistema de alimentación de combustible  Sistema de regulación de velocidad  Sistema de puesta en marcha y parada  Sistemas de protección de máquina  Sistema de acoplamiento hidráulico  Sistema de virado (virador)  Motor de lanzamiento (motor Diesel, o motor eléctrico). 1.4.4.1 Clasificación de las turbinas a gas  Turbinas a gas de acción  Turbinas a gas de reacción. En las turbinas de acción la caída total de presión de los gases de combustión se produce en las toberas que están ubicadas antes de los estadios móviles y fijos de la misma. De esta manera se produce una transformación de energía de presión a energía de velocidad (energía cinética) en los gases. La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos, permanece constante [17,18]. En las turbinas de reacción, en cambio, la caída de presión de los gases de combustión se produce tanto en las toberas, como en los estadios móviles y fijos que componen la misma. La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos, va disminuyendo [17,18]. 15.

(31) Capítulo 1. 1.4.5 Motor de combustión interna diesel. Un motor de combustión interna diésel funciona mediante la ignición de la mezcla aire-gas sin chispa. La temperatura que inicia la combustión procede de la elevación de la presión que se produce en el segundo tiempo motor, compresión. El combustible diesel se inyecta en la parte superior de la cámara de compresión a gran presión, de forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura y presión. Como resultado, la mezcla se quema muy rápidamente. Esta combustión ocasiona que el gas contenido en la cámara se expanda, impulsando el pistón hacia abajo. La biela transmite este movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el movimiento lineal del pistón en un movimiento de rotación. A la combinación de los procesos que se repiten sucesivamente en el cilindro del motor, se le llama ciclo de trabajo, y a cada uno de los procesos, tiempo. La posición extrema superior del pistón dentro del cilindro se llama punto muerto superior (PMS) y la posición extrema inferior se denomina punto muerto inferior (PMI). El espacio que recorre el pistón dentro del cilindro, es decir, desde un punto muerto al otro se conoce por carrera. El ciclo de trabajo está constituido por cuatro tiempos que son: admisión, compresión, fuerza o explosión y escape [1,9]. En el tiempo de admisión de los motores Diesel, el cilindro se llena de aire. El tiempo de compresión se produce a temperaturas y presiones altas. La mezcla se forma dentro del cilindro, producto de la inyección del combustible a gran presión. La mezcla se auto inflama por efecto de la alta temperatura del aire comprimido, combustiona y libera gran cantidad de calor, con lo cual aumenta la presión de los gases, los cuales empujan el pistón hacia abajo y escapan [1,9].. 16.

(32) Capítulo 1. Figura 1.5 Partes de un motor de combustión interna diesel típico.. Los motores de combustión interna se usan fundamentalmente en:  Maquinaria agrícola (tractores, cosechadoras).  Propulsión ferroviaria.  Propulsión marina.  Automóvil..  Grupos generadores de energía eléctrica (centrales eléctricas y de emergencia).. 1.4.6 Motor de combustión interna fuel oil Conocido también como motor de combustible pesado tiene características tales como: su estructura compacta, un rendimiento fiable, su gran rendimiento, fácil mantenimiento. Su operación es general semejante a lo descrito anteriormente, pero con algunas variaciones El fuel oil debido a la alta viscosidad requiere calentamiento, usualmente lograda por medio de un sistema de circulación continua a baja presión de vapor, antes 17.

(33) Capítulo 1. de que el combustible sea bombeado al motor. Estos motores han sido ampliamente utilizados en grupos electrógenos, distintos buques de navegación marítima y en los últimos tiempos en la generación distribuida.. Figura 1.6 Motor Fuel- Oil de planta 40MW Korea.. 1.4.7 Motor de combustión externa (Stirling) El motor de aire caliente Stirling, como se muestra en la figura 1.7 utiliza una fuente de calor fija, para calentar aire en su cilindro. Se le puede considerar de combustión externa y proceso adiabático, ya que no requiere quemar combustible en su interior y al operar, no transfiere calor al entorno. Su movimiento obedece a las diferencias de presión de aire, entre la porción más caliente y la fría. El mecanismo central de un Stirling consiste de dos pistones/cilindros, uno para disipar calor y desplazar aire caliente hacia la sección fría (viceversa). En la práctica este cilindro funciona como intercambiador de calor y se le denomina regenerador. El otro pistón entrega la fuerza para aplicar torque al cigüeñal. Utilizando un diseño adecuado de Stirling, es posible obtener dos pulsos de fuerza por cada vuelta del cigüeñal, lo que hace de este motor el más eficiente que se conoce. Sin embargo, adolece de un problema que lo condena a ser el propulsor de un número. 18.

(34) Capítulo 1. limitado de maquinarias: no es posible ponerlo en funcionamiento en forma instantánea [7,9].. Figura1.7 Motor de combustión externa (Stirling). 1.5 Generadores eléctricos En la actualidad el desarrollo de la humanidad en la esfera social, económica política, cultural y militar entre otras, depende fundamentalmente de la energía eléctrica, en lo cual tiene un papel muy importante el generador eléctrico. Un generador. convierte energía termomecánica en energía eléctrica. La potencia. mecánica gira el eje del generador, en el cual el campo de corriente directa está instalado. La figura 1.8 ilustra una máquina sencilla.. 19.

(35) Capítulo 1. Figura1.8 Generador eléctrico básico.. Para la operación generadora se requieren dos elementos: un campo y el movimiento de este con respecto al conductor sobre el cual se induce la fem. Para ello se energiza el rotor con C.D, a través de una construcción adecuada y se debe lograr un campo magnético aproximado sinusoidal. El movimiento del campo respecto al devanado de estator induce una fem sinusoidal, siendo el desfasaje de la fem entre fases, igual al desplazamiento espacial entre ellas y su frecuencia una función de la velocidad del rotor y el número de polos. En la práctica de la ingeniería eléctrica moderna se usa sobre todo la corriente alterna trifásica, con el alternador trifásico, que es la máquina dinamoeléctrica que se emplea normalmente para generar potencia eléctrica, por ser estos los de mejor rendimiento y eficiencia, además de conectarse a sistemas eléctricos de potencia trifásicos [7,15].. 1.5.1 Tipos de generadores de corriente alterna El generador eléctrico es la parte más importante del equipamiento en una termoeléctrica, ya que es el que genera energía eléctrica a partir de energía mecánica, el cual es el objetivo que se quiere conseguir cuando la planta es construida. Existen tres tipos de generadores de corriente eléctrica: Sincrónico de (CA), Inducción (CA) o asincrónico y el de (CD), este último, con el avance de la electrónica de potencia 20.

(36) Capítulo 1. ha sido reemplazado por los rectificadores estáticos [15, 19]. Los más usados en los sistemas eléctricos de potencia (SEP) son los generadores sincrónicos de corriente alterna trifásicos. 1.5.1.1 Clasificación de los generadores sincrónicos Por su sistema de excitación: La principal diferencia entre los diferentes tipos de generadores síncronos, se encuentra en su sistema de alimentación en corriente continua para la fuente de excitación situada en el rotor. Excitación independiente: excitatriz independiente de corriente continua que alimenta el rotor a través de un juego de anillos rozantes y escobillas. Excitatriz principal y excitatriz piloto: la máquina principal de corriente continua tiene como bobinado de campo otra máquina de excitación independiente, accionada por el mismo eje. Electrónica de potencia: directamente desde la salida trifásica del generador, se rectifica la señal mediante un rectificador controlado, y desde el mismo se alimenta directamente con corriente continua el rotor, mediante un juego de contactores (anillos y escobillas). El arranque se efectúa utilizando una fuente auxiliar (batería) hasta conseguir arrancar. Sin escobillas o diodos giratorios: la fuente de corriente continua es un rectificador no controlado situado en el mismo rotor (dentro del mismo) alimentado en alterna por un generador situado también en el mismo eje y cuyo bobinado de campo es excitado desde un rectificador controlado, que rectifica la señal generada por el giro de unos imanes permanentes, situados en el mismo rotor (que constituyen la excitatriz piloto de alterna). Excitación estática: También llamada excitación por transformador de compoundaje, consiste en que el devanado de campo del rotor es alimentado desde una fuente de alimentación a transformador y rectificadores que toma la tensión y corriente de salida del estator. El transformador, de tipo especial, posee dos devanados primarios, llamados de tensión e intensidad, que se conectan en paralelo y en serie a los bornes de salida del estator. El transformador convierte la tensión de salida a una más baja (30V aproximadamente), que se rectifica y aplica al rotor por medio de escobillas y anillos 21.

(37) Capítulo 1. deslizantes. Es un sistema con autorregulación intrínseca, ya que al tener el bobinado serie, al aumentar el consumo sobre el generador, aumenta el flujo del transformador y por lo tanto aumenta la excitación del generador [19, 20,21]. Por su sistema de enfriamiento: Generadores enfriados por aire: Estos generadores se dividen en dos tipos básicos: abiertos ventilados (OV) y completamente cerrados enfriados por agua a aire (TEWC). Los generadores de tipo OV fueron los primeros construidos, el aire en este tipo de generadores pasa sólo una vez por el sistema y considerable cantidad de materias extrañas que pueden acumularse en las bobinas, interfiriendo la transferencia de calor y afectando adversamente al aislamiento. Los generadores tipo TEWC, son un sistema de enfriamiento cerrado, donde el aire recircula constantemente y se enfría pasando a través del tubo del enfriador, dentro de los cuales se hace pasar agua de circulación. La suciedad y materias extrañas no existen en el sistema, y puesto que se tiene agua de enfriamiento disponible, la temperatura del aire puede mantenerse tan baja como se desee. Generadores enfriados por hidrógeno: Los generadores de mayor capacidad, peso, tamaño y los más modernos, usan hidrógeno para enfriamiento en vez de aire en circuito de enfriamiento cerrado. El enfriamiento convencional con hidrógeno puede usarse en generadores con capacidad nominal aproximada de 300 MVA. Generadores enfriados por hidrógeno/agua: Pueden lograrse diseños de generadores aún más compactos mediante el uso de enfriamiento con agua directo al devanado de la armadura del generador. Estos diseños emplean torones de cobre a través de los cuales fluye agua desionizada. El agua de enfriamiento se suministra vía un circuito cerrado [22,21]. Por su diseño: A continuación vamos a enumerar cuales son los tipos fundamentales de diseños que se encuentran en la construcción de generadores sincrónicos. Estos son:  De polos salientes en el estator  De polos salientes en el rotor  Rotor cilíndrico o de polos lisos. 22.

(38) Capítulo 1.  Generador sin escobillas -Generador sincrónico con polos salientes en el estator. Sus partes distintivas se muestran en la figura 1.9. Fig. 1.9 Generador con polos salientes en el estator.. El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al silicio (y se les llama "paquete"), que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos. La particularidad de este tipo de generador es que tiene el inducido en el rotor, esta configuración es propia de máquinas de baja y media velocidad y potencia, hasta 1000 rpm. Por tal razón para poder sacar la tensión producida, necesitamos de un sistema colector de anillos. El número de anillos a utilizar va a depender directamente del número de fases con la que nos encontremos trabajando. -Generador sincrónico con polos salientes en el rotor Sus partes distintivas se muestran en las figuras 1.10 y 1.11.. 23.

(39) Capítulo 1. Figura. 1.10 Generador con polos salientes en el rotor. Este generador a diferencia del anterior tiene el inducido en el estator, por tal razón no necesitamos un mecanismo de colector de anillos para extraer la tensión generada ya que esta va a encontrarse en la parte externa de la máquina, necesitaríamos únicamente un par de anillos, con la finalidad de ingresar el voltaje de campo, pero esto es de gran ayuda ya que el voltaje de campo es considerablemente más pequeño que la tensión generada, por tal razón este par de anillos van hacer de medidas pequeñas, y así mismo las escobillas no tendrían un tamaño mayor. Se utiliza este tipo de generadores, para gran potencia, por la versatilidad que nos brinda [20,21].. Figura. 1.11 Polos salientes en el rotor. -Rotor cilíndrico o de polos lisos. En el caso del rotor cilíndrico, laminado o macizo se le confeccionan varias ranuras para distribuir el devanado de campo, quedando un diente central más amplio, en este caso la 24.

(40) Capítulo 1. máquina presenta dos polos. Los generadores accionados por turbinas de vapor tienen polos = 2 para ser girados a velocidad de 3600 rpm, la alta velocidad determinan que sea utilizada la configuración de rotor cilíndrico capaz soportar mayores esfuerzos centrífugos. Se construyen hasta 1000 MVA [15,11]. -Generador síncrono sin escobillas. Sus partes distintivas se muestran en la figura 1.12.. Figura. 1.12. Generador sin escobillas.. Este tipo de generadores son de mediana potencia, para la excitación podríamos tener un banco de baterías que sería de respaldo, la excitatriz podría ser un alternador, es decir un generador síncrono con polos salientes en el estator, luego de esta etapa, sale a una placa electrónica en donde por medio de dispositivos electrónicos, se envía al circuito de excitación del generador principal. Para realizar reparaciones en este tipo de generadores, es necesario saber sobre dispositivos electrónicos, y centrarse en el controlador. Debido a que no presenta ningún contacto mecánico entre el rotor y el estator, estas máquinas requieren mucho menos mantenimiento [15,11]. Por su tamaño: La clasificación en cuanto a tamaño de los generadores encontrada en algunas referencias bibliográficas se muestra a continuación [22,23].  Pequeños generadores con potencias de 1MW o menos.  Medianos generadores con potencias de 1- 5 MW  Grandes generadores que exceden potencias de 5 MW 25.

(41) Capítulo 1. 1.6 Operación en paralelo de los generadores sincrónicos Los sistemas energéticos modernos lo conforman un gran número de generadores operando en paralelo, entregando su energía a una red común, lo cual resulta mucho más ventajosos desde diferentes puntos de vistas que la operación de ellos de forma aislada o de inmensas máquinas. 1.6.1 Ventajas del funcionamiento en paralelo  Mayor confiabilidad para el suministro de energía a los consumidores.  Menor potencia de reserva para garantizar el suministro en caso de averías o mantenimientos.  Posibilidad de utilizar otros recursos energéticos (agua, bagazo, viento, e biomasa) Ej. La zafra azucarera  Distribución de la carga según la demanda entre las máquinas más eficientes o disponibles.. 26.

(42) Capítulo 2. Capítulo 2. Protección de los generadores y su interconexión con el sistema de potencia.. 2.1 Introducción Mucha de la nueva capacidad de generación con que se contará en los próximos tiempos se alcanzará. desarrollando la Generación Distribuida (GD). La cual consiste en. instalaciones formadas por pequeñas unidades generadoras dispersas, o en plantas de gran capacidad y en algunos casos operadas por personal ajeno a la empresa eléctrica. Este capítulo analiza los requisitos de protección para interconectar estos generadores al sistema de la empresa eléctrica, así como los métodos para reconectar estos generadores luego del disparo de la protección de la interconexión. También se describen los métodos actuales de protección de interconexiones, en aspectos tales como, el respaldo del sistema de generación durante perturbaciones importantes en el sistema de la empresa eléctrica que afectan las plantas de GD; por ende, su aplicación debe estar encaminada a evitar daños en ambos sentidos. Además se muestran esquemas de protecciones del sistema con los generadores, se especifica la función de cada una en la interconexión, así como consideraciones para la protección del transformador elevador que une la GD con las barras de la subestación del SEP. El objetivo de los sistemas de protección es desconectar del servicio lo más rápido posible, cualquier equipo del sistema de potencia que comienza a operar en una forma anormal. El propósito, es también, limitar el daño causado a los equipos de potencia, y sacar de servicio el equipo en falla lo más rápido posible, para mantener la integridad y estabilidad del sistema de potencia. Dado que la estabilidad transitoria está relacionada con la habilidad que tiene el sistema de potencia para mantener el sincronismo cuando está sometido a grandes perturbaciones, el comportamiento satisfactorio de los sistemas de protección es importante para asegurar la estabilidad del mismo [26 ,27].. 2.2 Características de un sistema de protección Para que un sistema de protección pueda realizar sus funciones en forma satisfactoria debe cumplir con las siguientes características:. 27.

(43) Capítulo 2. Sensibilidad: Detectar pequeñas variaciones en el entorno del punto de equilibrio, de ajuste, o de referencia, con mínima zona muerta o de indefinición. Selectividad: Detectar un determinado tipo de falla en un determinado componente o equipo del sistema de potencia y no operar ante otro tipo de falla o ante fallas en otros equipos, desconectando en caso necesario, solo la porción del sistema que presenta la falla. Rapidez: Limitar la duración de las anomalías, minimizando los retardos no deseados. Confiabilidad: Probabilidad de cumplir la función encargada sin fallar, durante un período de tiempo. Seguridad: Probabilidad de que la protección opere correctamente, o sea que opere cuando corresponde que lo haga.. Las protecciones aportan a las siguientes características deseables en un sistema de potencia: Su disponibilidad (porcentaje del tiempo estipulado, en que el equipo o parte del sistema de potencia está disponible para ser operado o utilizado) La confiabilidad (probabilidad de que un equipo o sistema pueda operar sin fallas durante un tiempo estipulado) La estabilidad (capacidad de recuperar un estado estable de operación, caracterizado por la operación sincrónica de los generadores, luego de una perturbación. 2.3 Norma IEEE/ (ANSI) sobre los números identificativos de las funciones de dispositivos de protección más utilizados en generadores. 21 Relevador 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. 32 Relevador de potencia inversa. Protección de anti motorización. 40 Protección de pérdida de campo. 46 Protección de desbalance de corriente de secuencia negativa para el generador. 49 Protección térmica del estator. 28.

(44) Capítulo 2. 51 GN Relevador de sobrecorriente a tierra con tiempo. 51 TN Respaldo en el transformador para fallas a tierra. 51 V Relevador de sobrecorriente de tiempo con control de voltaje o restricción. de. voltaje. Respaldo para fallas de fase en el sistema y en el generador. 59 Protección de sobrevoltaje. 59 GN Relevador de sobrevoltaje. Protección de falla a tierra en el estator para un generador. 60 Relevador de balance de voltaje. Detección de fusibles fundidos de transformadores de potencial 63 Relevador de presión del transformador. 62 B falla de interruptor. 64 F Protección de falla a tierra del campo. 71 Nivel de aceite o gas del transformador. 78 Protección de pérdida de sincronismo. 81 Relevador de frecuencia. Protección de baja o sobre frecuencia. 86 Relevador auxiliar de bloqueo y reposición manual. 87 G Relevador diferencial. Protección primaria de falla de fases del generador. 87 N Protección diferencial de falla a tierra del estator. 87 T Relevador diferencial. Protección primaria para el transformador. 87 U Relevador diferencial para la protección total de la unidad generador-transformador. 2.4 Factores de los que depende la cantidad de protecciones de un generador sincrónico.  Importancia relativa del generador en el sistema  Tipo  Conexión  Tipos de sistemas de regulación y control  Planta atendida o no 29.

(45) Capítulo 2. 2.5 Generalidades de las protecciones de los generadores sincrónicos La protección del generador sincrónico se realiza de forma independiente para el devanado del estator y el rotor, pero siempre actúan sobre el interruptor principal de potencia y la excitación. Los problemas fundamentales en los generadores son causados por el deterioro del aislamiento en los devanados del estator y del rotor, así mismo, las condiciones anormales pueden deberse al sistema con el cual está interconectado, a fallas en su motor primario o al propio generador [26]. Una falla de fase en el devanado del estator del generador es siempre considerada como seria, debido a las altas corrientes encontradas y el daño potencial a los devanados de la máquina, así como al acoplamiento. Los largos tiempos de reparación para máquinas severamente dañadas pueden ser muy costosos; por consiguiente, también generan altos costos por reemplazo de potencia mientras la máquina está fuera de servicio. Por lo tanto, es muy importante minimizar el daño debido a fallas en el estator. Para agravar esta situación, la corriente de falla en un generador fallado no se INTERRUMPE cuando el campo del generador es disparado y el generador es separado del sistema. La energía almacenada en el campo continuará alimentando corriente de falla por varios segundos. Las unidades generadoras grandes usan protección de alta rapidez para detectar estas severas fallas en el devanado del estator y minimizar el daño. El uso de métodos de rápida desexcitación puede ser justificable para producir el decremento rápido de las corrientes de falla [27,28].. 2.5.1 Protección contra cortocircuito de fases del generador. Puede ser de sobrecorriente (50/51) o diferencial (87G). Normalmente se usa un relevador diferencial de alta rapidez para detectar fallas trifásicas, de fase a fase y de doble fase a tierra. Para evitar los disparos por corrientes diferenciales de error, se utilizan relés diferenciales de pendiente porcentual, que son muy sensibles a intensidades débiles y poco sensibles a intensidades grandes. En la figura 2.1 se muestra un esquema elemental típico de esta protección [27,28]. En generadores mayores de 1 MVA de potencia y con cualquier tensión, para tensiones mayores de 5 kV y cualquier potencia y para tensiones mayores de 2.2 kV. y mayores de 500 kVA, se utiliza la. protección de porcentaje diferencial y en generadores más 30.