Análisis de las protecciones en los generadores de grupos electrógenos

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(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electroenergética. TRABAJO DE DIPLOMA Título: “Análisis de las protecciones en los generadores de grupos electrógenos” Autor: Yasmani Cabrera González E-mail: [email protected] Tutores: M.Sc. Emilio Francesena Bacallao E-mail: [email protected]. Dra. Marta Bravo de las Casas E-mail: [email protected]. Dpto. de Electroenergética Facultad de Ingeniería Eléctrica. UCLV. Santa Clara 2007 “Año 49 de la Revolución”.

(3) 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.

(4) Pensamiento. Hay una fuerza motriz más poderosa que el vapor, la electricidad y la energía atómica: la voluntad. Albert Einstein.

(5) Dedicatoria. Este trabajo que propicia en el fin de cinco años de estudio va dedicado a mis padres, mi abuelo y profesores por su ayuda y educación brindada durante el transcurso de la vida..

(6) Agradecimientos. Quisiera agradecerle por la ayuda brindada durante la realización de este trabajo a: ¾ Mis tutores. ¾ Mis padres. ¾ Mis familiares. ¾ Mis compañeros de grupo. ¾ Onel Aguiar Padilla. ¾ Empresa Eléctrica de Villa Clara y Cienfuegos. ¾ Así como a todo aquel que de una forma u otra ayudaron también..

(7) Tarea Técnica. 1. Revisión bibliográfica del tema. 2. Analizar los esquemas y tipos de protección de los generadores de grupos electrógenos sincronizados más utilizados en nuestro país. 3. Análisis de la respuesta de algunas protecciones de los generadores de las baterías y su interacción en el sistema. 4. Escribir el informe de tesis con todos los requisitos que se exigen.. ________________ Firma del Autor. __________________ Firma del Tutor.

(8) Resumen El tema de la Generación Distribuida se trata en la actualidad con gran énfasis, como la vía que utilizan varios países para solucionar sus requerimientos de disponibilidad de energía eléctrica; nuestro país hoy no está ajeno a esta línea, sino que se ha convertido en una de las prioridades del estado. Los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP) con Generación Distribuida requieren de una técnica de protección cuya filosofía puede variar respecto a la conocida tradicionalmente y por ende su aplicación debe estar bien concebida y fundamentada. En este sentido, el trabajo trata sobre el análisis de las protecciones necesarias en los generadores de las nuevas plantas de generación. Para el mencionado análisis fue necesaria la utilización del PSX Explorer versión 2.81 en la obtención de los niveles de cortocircuitos vistos por las protecciones y el paquete matemático Matlab 6.5 para analizar las coordinaciones. Dando lugar a un conjunto de conclusiones importantes para la explotación del sistema..

(9) Índice. Introducción ............................................................................................................................1 Capítulo 1. Consideraciones generales sobre el uso de la generación distribuida en la actualidad ................................................................................................................................3 1.1 Introducción ..................................................................................................................3 1.2 Generación Distribuida .................................................................................................3 1.2.1 Definición de Generación Distribuida ...................................................................4 1.3 Tecnologías de generación distribuida .........................................................................5 1.4 Aplicaciones de la generación distribuida ....................................................................6 1.5 Beneficios y problemas de la generación distribuida ...................................................6 1.6 Motores primarios.........................................................................................................8 1.6.1 Motor térmico ........................................................................................................8 1.6.1.1 Motores de Combustión Externa ....................................................................8 1.6.1.2 Motores de Combustión Interna .....................................................................9 1.6.1.3 Aplicaciones de los motores de combustión interna.....................................10 1.7 Generadores eléctricos................................................................................................10 1.7.1 Generadores sincrónicos ......................................................................................11 1.7.2.1 Clasificación de los generadores sincrónicos ...............................................12 1.7.2 Generadores asíncronos (o de inducción)............................................................13 1.7.3 Generadores de Corriente Directa........................................................................13 1.7.4 Generadores de emergencia .................................................................................14 1.7.5 Tamaño de los generadores..................................................................................14 1.7.6 Conexión de generadores a un sistema de potencia.............................................15 1.7.6.1 Conexión en paralelo de generadores ...........................................................16 1.8 Grupos electrógenos ...................................................................................................16 1.8.1 Tamaño de grupos electrógenos ..........................................................................17.

(10) 1.8.2 Utilidad de los grupos electrógenos.....................................................................17 Capítulo 2. Protección de los generadores y sus peculiaridades en la Generación Distribuida ..............................................................................................................................................19 2.1 Introducción ................................................................................................................19 2.2 Generalidades sobre la protección de generadores y bloque generador-transformador ..........................................................................................................................................19 2.2.1 Fallas a tierra en el sistema de generación...........................................................20 2.2.2 Protección contra fallas a tierra en el transformador principal y en el lado de alta tensión del sistema de generación.................................................................................21 2.2.3 Protección contra fallas a tierra en el rotor (64F) ...............................................22 2.2.4 Fallas entre fases en el sistema de generación y protecciones recomendadas.....22 2.2.5 Protección principal .............................................................................................23 2.2.6 Protección diferencial del transformador principal o diferencial bloque (87TP) 24 2.2.7 Protecciones de respaldo......................................................................................24 2.2.8 Funcionamientos anormales de la red que afectan a los generadores..................26 2.2.8.1 Protección contra sobrecargas en estator y rotor (49)...................................26 2.2.8.2 Protección contra carga desbalanceada (46) .................................................27 2.2.8.3 Protección contra pérdida de sincronismo (78) ............................................28 2.2.9 Funcionamientos anormales del generador que producen daños a sí mismo y/o perturban a la red y protecciones recomendadas ..........................................................29 2.2.9.1 Protección contra sobretensiones (59) ..........................................................29 2.2.9.2 Protección contra retorno de energía(32)......................................................29 2.2.9.3 Protección contra pérdida de excitación (40) ...............................................30 2.2.9.4 Protección contra sobreexcitación o sobreflujo (24) ....................................31 2.2.10 Protección contra variaciones de frecuencia (81) ..............................................31 2.2.11 Protección contra fallo de interruptor (50BF)....................................................32 2.2.12 Protección de salto del vector ............................................................................33 2.3 Generalidades de los sistemas de protección en plantas de generación distribuida ...36 2.4 Filosofía de aplicación de la protección a las plantas de GD conectadas al sistema .37 2.4.1 Esquemas de protección para pequeños generadores de GD...............................38.

(11) 2.4.2 Esquemas de protección para generadores medianos de GD ..............................39 2.5 Esquema general posible y algunas opciones para la protección de grupos electrógenos ......................................................................................................................42 Capítulo 3. Características de los esquemas de protección para las unidades usadas en las Baterías Diesel en Cuba........................................................................................................45 3.1 Introducción ................................................................................................................45 3.2 Esquemas y protecciones de las baterías de grupos electrógenos diesel ...................45 3.3 Datos de los generadores, transformadores y protecciones. .......................................50 3.4 Protección de los generadores y sus ajustes................................................................51 3.5 Análisis general de la filosofía de operación de las protecciones de sobrecorriente.54 Capítulo 4. Análisis de la respuesta de algunas protecciones de los generadores de las baterías y su interacción en el sistema ..................................................................................56 4.1. Introducción ...............................................................................................................56 4.2. Chequeo de sensibilidad de las protecciones de sobrecorriente y de sobre/bajo voltaje................................................................................................................................57 4.2.1. Chequeo de sensibilidad de las protecciones de la Unidad de Control Deif del generador ......................................................................................................................57 4.2.1.1. Chequeo de sensibilidad de la protección de sobrecorriente de la Unidad de Control Deif. .............................................................................................................60 4.2.1.2. Chequeo de sensibilidad de la protección de bajo voltaje de la Unidad de Control Deif ..............................................................................................................62 4.2.2. Chequeo de sensibilidad de la protección contra fallas a tierra de los transformadores de 2500 kVA......................................................................................63 4.2.3. Chequeo de sensibilidad de la Unidad FIS II. ...................................................64 4.3. Coordinación..............................................................................................................66 4.3.1 Coordinación de las protecciones de sobrecorriente............................................66 4.3.2 Coordinación de las protecciones con la de bajo voltaje de la Unidad de Control Deif del generador. .......................................................................................................72.

(12) Conclusiones.........................................................................................................................74 Recomendaciones .................................................................................................................75 Referencias Bibliográficas....................................................................................................76 Bibliografía .......................................................................... ¡Error! Marcador no definido..

(13) Introducción. Introducción. La inclusión de la Generación Distribuida (GD) en los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP), provoca nuevas consecuencia técnicas y ocasionan cambios en la filosofía de la protección en la subestación y en los generadores, las que hacen necesaria la revisión de los sistemas de protección, por ejemplo, las redes dejan de ser radiales, pueden encontrarse líneas multiterminales, flujos de potencia y de cortocircuito en varias direcciones, entre otras. La conexión de las unidades de GD en las redes de medio y bajo voltaje, requiere de un adecuado sistema de. protecciones. para asegurar la calidad del suministro a los. consumidores, de manera que no exista afectación tanto durante operación normal como en condiciones de falla. Los esquemas de protección que existen en estas redes son generalmente de sobrecorriente tiempo inverso o tiempo definido, de acuerdo a los criterios convencionales de la protección. Puede ocurrir que 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 filosofía 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 y como las perturbaciones en dicho sistema afectan las plantas de GD; por ende, su aplicación debe estar bien concebida y encaminada a evitar daños en ambos sentidos. A partir del pasado año se han realizado algunos trabajos para analizar la influencia de la inclusión de la GD en el Sistema Eléctrico de Potencia (SEP), pero este es un primer intento en analizar las protecciones dentro del grupo. Nuestro trabajo se dirige en este sentido y persigue los siguientes objetivos:. 1.

(14) Introducción •. Ofrecer en un documento, información actualizada sobre los generadores en la generación distribuida, tipos, tamaños, conexiones y motores primarios. Prácticas actuales en el mundo.. •. Brindar información sobre las protecciones de los generadores y sus peculiaridades en la Generación Distribuida.. •. Analizar los esquemas de protección para las unidades usadas en las Baterías Diesel en nuestro país.. •. Análisis de la respuesta de algunas protecciones de los generadores de las baterías y su interacción en el sistema.. Para cumplimentar estos objetivos se realizó una búsqueda bibliográfica sobre el tema en libros y documentación especializada recibida, así como en numerosos sitios de Internet, de donde se obtiene la información más actualizada que se expone en el trabajo. También se hace uso del PSX Explorer versión 2.81 como software fundamental en el desarrollo del mismo, para la obtención de los niveles de cortocircuitos además de usar el paquete matemático Matlab 6.5 para analizar las coordinaciones. 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 en la generación distribuida. En el capítulo 3 se analizan las características de los esquemas de protección para las unidades usadas en las Baterías Diesel en Cuba. En el cuarto capítulo se realiza el análisis de los ajustes y la coordinación de algunas de las protecciones de los generadores de los grupos electrógenos que se encuentran en la subestación de Cruces donde se realiza el estudio de comprobación. Se ofrecen un conjunto de conclusiones importantes que debe tener en cuenta la Empresa Eléctrica para la explotación de la red en las nuevas condiciones de trabajo.. 2.

(15) Capítulo 1. Capítulo 1. Consideraciones generales sobre el uso de la generación distribuida en la actualidad. 1.1 Introducción La Generación Distribuida (GD) representa un cambio en el paradigma de la generación de energía eléctrica centralizada. Aunque se pudiera pensar que es un concepto nuevo, la realidad es que tiene su origen, de alguna forma, en los inicios de la generación eléctrica. [6] En este capítulo se hace una revisión bibliográfica de conceptos y teorías necesarias para una mejor comprensión de los capítulos posteriores. Se explica claramente que es la generación distribuida, tecnologías que utilizan, beneficios y aplicaciones de la misma. También se ofrece una panorámica sobre los generadores en la generación distribuida, tipos, tamaños, conexiones y los motores primarios que funcionan en nuestro país. Por último y de forma breve, se habla de los grupos electrógenos y utilidad de los mismos. 1.2 Generación Distribuida La industria eléctrica se fundamentó en sus inicios en la generación en el sitio del consumo. Después, como parte del crecimiento demográfico y de la demanda de bienes y servicios, evolucionó hacia el esquema de Generación Centralizada, precisamente porque la central eléctrica se encontraba en el centro geométrico del consumo, mientras que los consumidores crecían a su alrededor. Sin embargo, se tenían restricciones tecnológicas con los generadores eléctricos de corriente continua y su transporte máximo por la baja tensión. [4,6,25] Con el tiempo, la generación eléctrica se estructuró como se conoce hoy en día, es decir, con corriente alterna y transformadores, lo que permite llevar la energía eléctrica prácticamente a cualquier punto alejado del centro de generación. Bajo este escenario, se perdió el concepto de Generación Centralizada, ya que las grandes centrales se encuentran en lugares distantes de las zonas de consumo, pero cerca del suministro del combustible y el agua. 3.

(16) Capítulo 1 En los años setenta, factores energéticos (crisis petrolera), ecológicos (cambio climático) y de demanda eléctrica (alta tasa de crecimiento) a nivel mundial, plantearon la necesidad de alternativas tecnológicas para asegurar, por un lado, el suministro oportuno y de calidad de la energía eléctrica y, por el otro, el ahorro y el uso eficiente de los recursos naturales. [6] Una de estas alternativas tecnológicas es generar la energía eléctrica lo más cerca posible al lugar del consumo, precisamente como se hacía en los albores de la industria eléctrica, incorporando ahora las ventajas de la tecnología moderna y el respaldo eléctrico de la red del sistema eléctrico, para compensar cualquier requerimiento adicional de consumo o exportación de energía eléctrica. A esta modalidad de generación eléctrica se le conoce como, Generación Dispersa, o más comúnmente, Generación Distribuida. [4,22,25,36] 1.2.1 Definición de Generación Distribuida Aunque no existe una definición como tal, diversos autores han tratado de explicar el concepto. A continuación se presentan los más ilustrativos: •. Generación en pequeña escala instalada cerca del lugar de consumo.. •. Producción de electricidad con instalaciones que son suficientemente pequeñas en relación con las grandes centrales de generación, de forma que se puedan conectar casi en cualquier punto de un sistema eléctrico.. •. Es la generación conectada directamente en las redes de distribución.. •. Es la generación de energía eléctrica mediante instalaciones mucho más pequeñas que las centrales convencionales y situadas en las proximidades de las cargas.. •. Son sistemas de generación eléctrica o de almacenamiento, que están situados dentro o cerca de los centros de carga.. •. Es la producción de electricidad por generadores colocados, o bien en el sistema eléctrico de la empresa, en el sitio del cliente, o en lugares aislados.. •. Es la generación de energía eléctrica a pequeña escala cercana a la carga, mediante el empleo de tecnologías eficientes, destacando a la cogeneración.. 4.

(17) Capítulo 1 Podemos decir entonces que la GD es: la generación o el almacenamiento de energía eléctrica a pequeña escala, lo más cercana al centro de carga, con la opción de interactuar (importar o exportar) con la red eléctrica y, en algunos casos, considerando la máxima eficiencia energética. [4,6,12,18,22,25,36] 1.3 Tecnologías de generación distribuida El éxito de la difusión y fomento de la GD radica en la existencia de tecnologías de punta que permiten, para potencias pequeñas, generar energía eléctrica en forma eficiente, confiable y de calidad. Estas tecnologías se pueden dividir en las de generación y las de almacenamiento como se muestra en la figura 1.1.. Figura 1.1. Tecnologías de GD. Las tecnologías de generación se dividen, a su vez, en convencionales y no convencionales. Las primeras incluyen a las turbinas de gas, motores de combustión interna y microturbinas. Las segundas se refieren a las energías renovables, como la minihidraúlica, geotérmica y biomasa, las turbinas eólicas, celdas de combustibles y celdas fotovoltaicas. Las tecnologías de almacenamiento comprenden a las baterías de acumuladores, los volantes de inercia, las bobinas superconductoras, imanes y almacenamiento a base de hidrógeno.. 5.

(18) Capítulo 1 Información más ampliada sobre estas tecnologías se encuentra en las referencias [4,6,22,25,36]. 1.4 Aplicaciones de la generación distribuida La aplicación de una u otra tecnología en la GD depende de los requerimientos particulares del usuario. Los arreglos tecnológicos más usuales para su utilización, se citan a continuación: [18,25] •. Carga base: Se utiliza para generar energía eléctrica en forma continua; opera en paralelo con la red de distribución; puede tomar o exportar parte de la energía, y usa la red para respaldo y mantenimiento. •. Proporcionar carga pico: Se utiliza para suministrar la energía eléctrica en períodos picos, con lo que disminuye la demanda máxima del consumidor, ya que el costo de la energía en este período es el más alto.. •. Generación aislada o remota: Se usa el arreglo para generar energía eléctrica en el modo de autoabastecimiento, debido a que no es viable a partir de la red eléctrica (sistema aislado o falta de capacidad del suministrador).. •. Soporte a la red de distribución: A veces en forma eventual o bien periódicamente, la empresa eléctrica requiere reforzar su red eléctrica instalando pequeñas plantas, incluida la subestación de potencia, debido a altas demandas en diversas épocas del año, o por fallas en la red.. •. Almacenamiento de energía: Se puede tomar en consideración esta alternativa cuando es viable el costo de la tecnología a emplear, las interrupciones son frecuentes o se cuenta con fuentes de energía renovables.. 1.5 Beneficios y problemas de la generación distribuida El auge de los sistemas de GD se debe a los beneficios inherentes a la aplicación de esta tecnología, tanto para el usuario como para la red eléctrica. A continuación se listan algunos de los beneficios: [4,22]. 6.

(19) Capítulo 1 a) Beneficios para el usuario: •. Incremento en la confiabilidad.. •. Aumento en la calidad de la energía.. •. Reducción del número de interrupciones.. •. Uso eficiente de la energía.. •. Menor costo de la energía (cuando se utilizan los vapores de desecho, o por el costo de la energía eléctrica en horas pico).. •. Uso de energías renovables.. •. Facilidad de adaptación a las condiciones del sitio.. •. Disminución de emisiones contaminantes.. b) Beneficios para el suministrador: •. Reducción de pérdidas en transmisión y distribución.. •. Abasto en zonas remotas.. •. Libera capacidad del sistema.. •. Proporciona mayor control de energía reactiva.. •. Mayor regulación de tensión.. •. Disminución de inversión.. •. Reducción del índice de fallas.. c) Problemas de la generación distribuida: [5,25] •. Enfrenta barreras tecnológicas (investigación de alto costo).. •. Las redes actuales llevan el flujo en una dirección y la GD requiere sistemas enmallados/anillo para mover los flujos en dos direcciones.. 7.

(20) Capítulo 1 1.6 Motores primarios Los motores primarios que se utilizan en la GD están muy relacionados con los métodos o tecnologías de generación que se muestran en el cuadro de la figura 1.1. Aspectos más generales de cada uno se muestran a continuación. 1.6.1 Motor térmico El motor térmico es una máquina de fluido que transforma parte de la energía almacenada en un fluido compresible, en energía mecánica útil asociada al movimiento de un cuerpo rígido. [8] En la mayoría de las máquinas térmicas la adición de calor con la cual se eleva la energía almacenada en un fluido compresible, se realiza a través de un proceso químico de combustión, razón por la cual son comunes las designaciones "Máquinas de combustión" o "Motores de combustión". Los motores térmicos o de combustión se clasifican de acuerdo a que ocurra o no el proceso de la combustión en el fluido de trabajo (fluido del cual toma la energía el motor), encontrándose la siguiente subdivisión: [8] •. Motor de combustión externa: Es aquel en el cual el fluido de trabajo no es el que experimenta el proceso de la combustión, sino que ésta se lleva a cabo en un segundo fluido que no le transfiere directamente la energía al motor, sino al fluido de trabajo.. •. Motor de combustión interna: Es aquel en el cual el fluido de trabajo es el que experimenta el proceso de la combustión, y a su vez le transfiere directamente la energía al motor.. 1.6.1.1 Motores de Combustión Externa En los motores de combustión externa el fluido que experimenta el proceso de la combustión, consta básicamente de una mezcla de aire y combustible, la cual al quemarse dentro de una caldera, le transfiere calor al fluido de trabajo que irá posteriormente al motor térmico.. 8.

(21) Capítulo 1 En la mayoría de los casos el fluido de trabajo de los motores de combustión externa es el vapor de agua, encontrándose dos tipos de motores básicos: [8] •. La máquina de vapor.. •. La turbina de vapor.. 1.6.1.2 Motores de Combustión Interna 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. [8,33,34] En los motores de combustión interna el fluido de trabajo experimenta también el proceso de la combustión, constando básicamente de una mezcla de aire y combustible inicialmente, que al quemarse dentro del motor se transforma en una serie de gases de combustión con alta energía, la cual se transfiriere posteriormente a la máquina. Los motores de combustión interna se clasifican de la siguiente forma: [8,33,34] •. Motores alternativos.. •. Turbina de gas.. •. Motores a reacción.. Entre los motores alternativos se encuentran: el motor tipo Otto y el motor diesel. Motor tipo Otto El motor tipo Otto es de cuatro tiempos. Es el motor convencional de gasolina que se emplea en automoción y aeronáutica. La eficiencia de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción y la refrigeración. [33,34] Motor diesel El motor diesel es un motor térmico de combustión interna en el cual el encendido se logra por la temperatura elevada producto de la compresión del aire en el interior del cilindro. [33,35]. 9.

(22) Capítulo 1 Un motor diesel 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. [33] Para que se produzca la autoinflamación es necesario emplear combustibles más pesados que los empleados en el motor de gasolina, empleándose la fracción de destilación del petróleo comprendida entre los 220 y 350°C, que recibe la denominación de gasóleo. La principal ventaja de los motores diesel comparados con los motores de gasolina esta en su menor consumo de combustible, el cual también es más barato. [33] 1.6.1.3 Aplicaciones de los motores de combustión interna 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).. •. Accionamiento. industrial. (bombas,. compresores,. etc.. especialmente. de. emergencia).[35] 1.7 Generadores eléctricos El generador eléctrico genera energía eléctrica a partir de energía mecánica, el cual es el objetivo que se quiere conseguir cuando la planta es construida. [21,32]. 10.

(23) Capítulo 1 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 cd han sido reemplazados casi por completo por rectificadores estáticos. [21,32] 1.7.1 Generadores sincrónicos Un generador sincrónico convierte energía termomecánica en energía eléctrica. La potencia mecánica gira el eje del generador en el cual el campo de corriente directa está instalado. [3,21,30,32]. La figura 1.2 ilustra una máquina simple.. Figura 1.2. Generador sincrónico. El principio fundamental de operación de los generadores sincrónicos, es que el movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético induce un voltaje en el conductor. Una fuente externa de energía cd o excitador se aplica a través de unos anillos colectores en el rotor; la fuerza del flujo, y por lo tanto, el voltaje inducido en la armadura se regulan mediante la corriente directa y el voltaje suministrado al campo. La corriente alterna se produce en la armadura. [3,32] 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. [3] Los generadores de corriente alterna de baja velocidad se fabrican hasta con 100 polos, para mejorar su eficiencia y para lograr con más facilidad la frecuencia deseada. Los 11.

(24) Capítulo 1 alternadores accionados por turbinas de alta velocidad, sin embargo, son a menudo máquinas de dos polos. [32] 1.7.2.1 Clasificación de los generadores sincrónicos Por la posición de su eje: Tipo horizontal. •. Plantas hidroeléctricas de baja capacidad.. •. Plantas termoeléctricas.. •. Plantas de gas.. •. Plantas de combustión interna.. Tipo vertical. •. Plantas generadoras de alta capacidad y baja velocidad.. •. Generadores de planta hidroeléctrica de alta capacidad, baja velocidad.. Por su máquina motriz: •. Generador para turbina de vapor.. •. Generador para motor diesel.. •. Generador para turbina de gas.. •. Generador para turbina hidráulica de baja velocidad y gran capacidad.. Por la forma de sus polos: •. Rotor de polos salientes. Se tiene en generadores de plantas hidroeléctricas o en motores sincrónicos de baja velocidad.. •. Rotor cilíndrico o de polos lisos. En generadores de alta velocidad, de baja ó alta capacidad.. Más información sobre clasificación de los generadores sincrónicos se encuentra en [13].. 12.

(25) Capítulo 1 1.7.2 Generadores asíncronos (o de inducción) El estator de un generador de inducción es similar al de un generador sincrónico. El rotor se diferencia del rotor de un generador sincrónico en que no hay excitación y los conductores se encuentran unidos en cortocircuito en los extremos del rotor mediante un anillo. La carga del generador crece según se incrementa la velocidad, por lo que el generador puede usarse sin control de un regulador. [32] Los generadores de inducción no pueden funcionar de manera independiente en un sistema aislado, ya que estos generadores no son autoexcitados. Debido a esto, un generador de inducción siempre se debe usar en paralelo con generadores sincrónicos que regulan el voltaje y la excitación. Otra manera de funcionar de dichos generadores es con un banco de capacitores que le entreguen la corriente para la excitación. Los generadores de inducción son más sencillos y de menor costo inicial que los generadores sincrónicos. En algunos usos, una turbina de recuperación de energía o un dispositivo de expansión, impulsa un motor generador de inducción y otra bomba o compresor en el eje. [2,21] 1.7.3 Generadores de Corriente Directa Los generadores de corriente directa (cd) funcionan normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se producen entre las escobillas y el conmutador a voltajes altos. El potencial más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de 1500 V. En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza usando dispositivos electrónicos de potencia, como por ejemplo rectificadores de diodo. [14] Los generadores de corriente continua se clasifican según el método que usan para proporcionar corriente de campo que excite los imanes del mismo. Un generador excitado en serie tiene su campo en serie respecto a la armadura. Un generador de excitado en derivación, tiene su campo conectado en paralelo a la armadura. Un generador de excitado combinado tiene parte de sus campos conectados en serie y parte en paralelo. Los dos últimos tipos de generadores tienen la ventaja de suministrar un voltaje relativamente constante, bajo cargas eléctricas variables. El generador excitado en serie se usa sobre todo para suministrar una corriente constante a voltaje variable. 13.

(26) Capítulo 1 Estos tipos de generadores ya no son de gran uso, sólo cuando se trabajan para proporcionar energía para equipos de velocidad variable. Los avances en las fuentes de energía de cd con los rectificadores de silicio han reducido el mercado para los generadores de cd. [32] 1.7.4 Generadores de emergencia Cuando la energía se interrumpe por períodos extendidos debido al hielo, a los huracanes, a los terremotos, a los tornados y a otras catástrofes naturales, un generador de reserva de emergencia puede ser muy beneficioso. Existen dos tipos de generadores de emergencia: •. Generadores espera permanentes: Instalados como parte del sistema eléctrico, poseen un interruptor automático que previene al generador de energía de retroalimentación a las líneas para uso general y protege el generador contra daño cuando se restaura la energía. Cuando la instalación se completa, la empresa eléctrica local debe ser notificada de ello. [29]. •. Generadores portátiles: Utilizados típicamente cuando solo algunos circuitos eléctricos vitales son necesarios. Los circuitos seleccionados para las luces en el área general de un edificio, de un TV, de un horno, de un refrigerador y de bombas del agua son algunos de los artículos considerados generalmente. [29]. 1.7.5 Tamaño de los generadores La clasificación en cuanto a tamaño de los generadores encontrada en algunas referencias bibliográficas se muestra a continuación. [7,11] •. Generadores Grandes (en el rango de 100-350 MW).. •. Generadores de Tamaño Mediano (menos de 100 MW).. •. Generadores Pequeños (generadores de inducción y los generadores sincrónicos de menos de 500 kVA).. 14.

(27) Capítulo 1 1.7.6 Conexión de generadores a un sistema de potencia Existen dos métodos básicos principales usados para conectar un generador al sistema de potencia. Estos son: [30]. Figura 1.3. Conexiones de generadores. •. Conexión directa: La figura 1.3 muestra el diagrama monolineal para una conexión directa de un generador a un sistema de potencia. Los generadores son conectados directamente a la barra de carga sin transformación de tensión. Este tipo de conexión es un método recientemente usado para la conexión de generadores de tamaño pequeño. [30]. •. Conexión unitaria: La figura 1.3 también muestra el diagrama monolineal para un generador en conexión unitaria. El generador es conectado al sistema de potencia a través de un transformador elevador. La carga auxiliar del generador es suministrada desde un transformador reductor conectado a los terminales del generador. La mayoría de los generadores grandes son conectados al sistema de potencia de esta manera, usando un transformador elevador principal con conexión estrella-delta. Al tener la generación conectada a un sistema delta, las corrientes de falla a tierra pueden ser considerablemente reducidas. [31]. 15.

(28) Capítulo 1 1.7.6.1 Conexión en paralelo de generadores En el mundo de hoy, es difícil encontrar un generador sincrónico que alimente su propia carga independiente de otros generadores.. Esta situación se encuentra solamente en. aplicaciones muy especiales, tal como en generadores de emergencia o lugares de acceso difícil o en construcción. Para todas las aplicaciones comunes, hay gran cantidad de generadores que trabajan en paralelo, formando un gran sistema electroenergético, para proveer la potencia que demandan las cargas. [32] ¿Por qué se hacen funcionar en paralelo los generadores sincrónicos? Hacerlo tiene muchas ventajas: •. Muchos generadores pueden alimentar más cargas que uno solo.. •. Teniendo varios generadores se aumenta la confiabilidad del sistema de potencia, puesto que si alguno de ellos falla, no se suspende totalmente la potencia de carga.. •. Al tener varios generadores funcionando en paralelo permite que se pueda desconectar uno o más de ellos, bien por paro o para mantenimiento.. •. Si se usa un solo generador y no está funcionando muy cerca de plena carga, entonces su funcionamiento, será relativamente ineficiente.. Pero con varias. máquinas pequeñas, es posible utilizar solo alguna o algunas de ellas; las que funcionaran muy cerca de su carga nominal y por lo tanto será un trabajo más eficiente. 1.8 Grupos electrógenos Los grupos electrógenos (GE) son equipos electromecánicos proyectados como unidades autónomas para suministrar energía eléctrica. En servicio cumplen como unidades generadoras permanentes, de soporte temporal o de soporte en emergencia para suplir al suministro normal durante cortes eventuales o programados. [27] Los grupos electrógenos básicamente están formados por un conjunto integrado que contiene un motor térmico primario (turbina de gas, motor Otto o Diesel), un generador eléctrico (generalmente de corriente alterna) acoplado en el mismo eje y los correspondientes elementos auxiliares y sistemas complementarios, como los distintos 16.

(29) Capítulo 1 indicadores de estado, tableros de maniobra, tanques, radiadores, circuitos de lubricación, combustible, agua y eventualmente aire comprimido; excitatrices, cargadores de baterías, equipos de control de tensión y frecuencia, automatismos de transferencia, protecciones contra sobrecargas, cortocircuitos, etcétera.[9] El GE Diesel básico consta de un motor diesel 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. En los grupos más modernos, también se disponen microprocesadores, rutinas de autodiagnóstico, sistemas de comunicación de datos, contactos libres de tensión, etcétera. Esto brinda una mayor flexibilidad operativa y permite realizar un control remoto del grupo. [9] 1.8.1 Tamaño de grupos electrógenos Los grupos electrógenos pequeños se fabrican en forma de un bloque integrado, de manera que todos sus componentes queden contenidos en un módulo con manijas que lo hacen fácilmente transportable por el hombre. [9] Los equipos medianos se pueden montar sobre trineos, remolques o en los casos mayores, dentro de contenedores que pueden instalarse a la intemperie; pudiendo en estos casos transportarse mediante equipos mecánicos. En cambio, los grupos electrógenos grandes generalmente son equipos estacionarios que deben instalarse en locales específicamente habilitados para tal fin, para aislar los ruidos y las vibraciones que producen. Para ello debe proveerse un adecuado aislamiento acústico, instalando amortiguadores de vibraciones y disponiendo de cimientos separados de los cimientos y muros del edificio. [9] 1.8.2 Utilidad de los grupos electrógenos Los grupos electrógenos están destinados 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 17.

(30) Capítulo 1 industriales, hospitales, etcétera; así como en viviendas rurales aisladas de la red pública de suministro eléctrico. [9] En las zonas industriales aisladas, los grupos electrógenos de corriente alterna se utilizan normalmente como fuente principal de energía eléctrica. Pero también se utilizan, tanto en la industria como en el sector de servicios, como fuente de energía de emergencia. Grandes grupos electrógenos son utilizados para variados fines: los de posición móvil, por ejemplo como motor de trenes o barcos, y los de posición estacionaria para la generación de electricidad.. 18.

(31) Capítulo 2. Capítulo 2. Protección de los generadores y sus peculiaridades en la Generación Distribuida. 2.1 Introducción La filosofía a seguir para la aplicación de la técnica de protección en los sistemas de Generación Distribuida, así como los aspectos particulares a tener en cuenta deben ser conocidos por nuestros especialistas, a partir de la bibliografía actualizada al respecto. En este capítulo se tratan primeramente, las protecciones más importantes para los generadores y bloques generador-transformadores de manera general; luego se ofrecen consideraciones sobre las protecciones que son necesarias según las características de los generadores y su interconexión en sistemas de Generación Distribuida. Se explica qué esquemas de protección se deben utilizar en plantas de generación distribuida según los tamaños y tipos de generadores. Se detalla sobre el esquema de las protecciones posibles a utilizar en grupos electrógenos. 2.2 Generalidades sobre la protección de generadores y bloque generadortransformador Los generadores no solo se protegen contra los cortocircuitos, sino contra las condiciones anormales de operación. Muchas de estas condiciones anormales pueden ser impuestas en el generador por el sistema. Algunos ejemplos de dichas condiciones anormales son: sobreexcitación, corrientes desbalanceadas, sobrevoltaje, frecuencia anormal y esfuerzo torsional en el eje debido al recierre automático de un interruptor de la empresa eléctrica. Al estar sometidos a estas condiciones, los generadores y/o el transformador del bloque pueden sufrir daños. [7,11,30] A continuación se ofrece una panorámica de las fallas y condiciones anormales que pueden afectar estas máquinas y las protecciones recomendadas para su eliminación.. 19.

(32) Capítulo 2 2.2.1 Fallas a tierra en el sistema de generación Protección contra fallas a tierra en el lado de baja tensión del sistema de generación (64G) A pesar de las mejoras introducidas en los aislamientos de las máquinas eléctricas, el contacto con tierra sigue siendo una de las averías más frecuentes. Los contactos entre espiras y entre devanados se inician, en la mayoría de los casos, por una falla previa a tierra en el estator, seguida de una segunda falla. Además, la intensidad, en estas fallas, circula a través del circuito magnético, que puede quedar seriamente dañado. [23] Por estas razones, se debe intentar: •. Detectar las fallas a tierra en el 100% del devanado estatórico.. •. Limitar las intensidades de falla para evitar daños en la chapa magnética.. •. Insensibilizar la protección frente a fallas a tierra de la red exterior.. El sistema de generación presenta una particularidad: el trasformador de acoplamiento a red se conecta en delta-estrella con neutro aterrado (ver figura 2.1).. Figura 2.1. Esquema monolineal simplificado. Esta característica es importante, porque implica una selectividad intrínseca del sistema de generación frente a las fallas a tierra que tienen lugar fuera de él. Además, se consigue aislar la red frente al tercer armónico, resultante de una ligera deformación de la forma de onda de la tensión generada. [23] Entre los distintos métodos de puesta a tierra, se recomiendan los siguientes: •. Unir directamente el neutro a tierra a través de una resistencia.. •. Con transformador monofásico de potencia y resistencia secundaria.. 20.

(33) Capítulo 2 La protección más habitual contra fallas a tierra en el estator es un relé de máxima tensión, que mide la tensión en el neutro de la máquina. Al producirse la falla, circula intensidad por el neutro y se eleva la tensión de éste respecto de tierra, utilizándose esta tensión para detectar la falla a tierra. Si el neutro no es accesible, se puede fabricar un neutro artificial mediante un trasformador estrella-delta, con el. secundario abierto. Además, se suele. utilizar un filtro de tercer armónico, para evitar que el relé sea sensible a tensiones de esta frecuencia. En otras ocasiones, se utiliza un relé de sobreintensidad, que detecta la aparición de corriente en el neutro de la máquina. Cuando se produce una falla a tierra, la tensión del neutro es proporcional al número de espiras entre fase y neutro, desde el punto del devanado donde ocurre la falla. La máxima tensión aparecerá para fallas en bornes o fuera del estator. Si la falla se origina en las proximidades del neutro, la tensión resultará prácticamente nula. Además, se pueden producir pequeños desequilibrios en las tensiones de generación, que provocarían la aparición de tensión de secuencia cero en el neutro, incluso sin falla real. Para conseguir proteger el 100% del arrollamiento, el ajuste del relé debería ser muy bajo, y podría provocar, por tanto, disparos incorrectos. Un valor razonable del ajuste es el 5%, quedando protegido sólo el 95% del arrollamiento estatórico, contado a partir de las bornes de salida a línea del generador. Si la falla se produce en la zona cercana al neutro, la intensidad correspondiente es pequeña. Si no se elimina, puede originar una segunda falla, de gran intensidad, dado que el neutro se puso rígidamente a tierra con la primera falla. 2.2.2 Protección contra fallas a tierra en el transformador principal y en el lado de alta tensión del sistema de generación Protección de sobreintensidad en el neutro del transformador principal (51NTP) Formada por un relé monofásico temporizado de tiempo inverso, que mide la intensidad que circula por la puesta a tierra del neutro de la estrella, en el lado de alta del transformador principal. Está prevista esta protección como función de respaldo para fallas a tierra en las líneas de alta tensión y, en general, en zonas próximas del Sistema Eléctrico. Asimismo, será 21.

(34) Capítulo 2 protección de respaldo de la protección diferencial, para fallas a tierra en el arrollamiento de alta del transformador principal, y para aquéllas en que la sensibilidad de otras protecciones resulta insuficiente. Su actuación será temporizada, normalmente con característica de tiempo inverso, y deberá calcularse con el criterio de actuar en un tiempo no inferior a la 3ª zona de los relés de las líneas, incluso en el caso de tener una sola de ellas en servicio. 2.2.3 Protección contra fallas a tierra en el rotor (64F) El arrollamiento de campo es un circuito alimentado en corriente continua, sin puesta a tierra. Por tanto, si existe un punto de éste que se pone a tierra, no ocurrirá nada, ya que no hay camino para que circule la corriente de falla. En cambio, si son dos los puntos de puesta a tierra, se cortocircuita parte del arrollamiento, circulando una intensidad de falla. En ese caso, aparte de los daños que produce esta intensidad, se crea mecánicamente un desequilibrio magnético que puede hacer vibrar la máquina. La probabilidad de que ocurra una doble falla a tierra simultánea en el rotor es pequeña, pero sí es alta la posibilidad de que ocurra una segunda falla después de que haya tenido lugar la primera, si ésta no ha sido detectada. Se podrían ocasionar, en ese caso, daños importantes. Existen varios métodos para detectar la aparición de un punto de contacto con tierra en el arrollamiento. Están basados en que, antes de aparecer la falla, existe una capacidad entre el rotor y tierra, que se anula al aparecer el defecto. Este es un sistema independiente que no requiere coordinación con el resto de protecciones del sistema. 2.2.4 Fallas entre fases en el sistema de generación y protecciones recomendadas Las fallas entre fases en el sistema de generación son de carácter grave, ya que pueden provocar daños serios en aislamientos, arrollamientos y chapa magnética del estator, así como esfuerzos mecánicos de torsión en el rotor.. 22.

(35) Capítulo 2 Se necesita un sistema de protección que sea muy selectivo, dado que el sistema de generación, de por sí, no tiene zonas definidas contra fallas entre fases, a diferencia del caso de las fallas a tierra. Además, debe ser muy rápido, ya que las intensidades de falla son bastante elevadas, porque no hay impedancias adicionales que las limiten, y conviene despejarlas cuanto antes. Dada la importancia de estas fallas, se dispondrá, en general, de una protección principal (con redundancia o no) y otra de respaldo. [23] 2.2.5 Protección principal La protección principal a utilizar son los relés diferenciales de alta velocidad. Diferencial de generador (87G) La corriente de falla lleva asociada una componente continua, que puede saturar los transformadores de corriente (TC), introduciendo errores en la medida. Si la falla es interna, los errores no afectan, porque la intensidad es suficientemente grande para que la protección actúe. Las fallas externas, teóricamente, deberían producir una corriente diferencial nula. Debido a los errores de medida de los TC, y principalmente por fenómenos de saturación, en la práctica pueden aparecer corrientes diferenciales mayores que el umbral de ajuste del relé, haciéndolo actuar. Para evitar este problema, se utilizan relés diferenciales de pendiente porcentual, que son muy sensibles a intensidades débiles y poco sensibles a intensidades grandes (ver figura 2.2). [23]. Figura 2.2. Protección diferencial de generador.. 23.

(36) Capítulo 2 2.2.6 Protección diferencial del transformador principal o diferencial bloque (87TP) Esta protección detecta los cortocircuitos entre fases y las derivaciones a masa en el lado de alta, dentro de su zona protegida. Actúa rápida y selectivamente ante los defectos internos al transformador. El relé actuará cuando la corriente de operación supere un valor determinado. Sin embargo, en la aplicación de la protección diferencial al transformador, se dan varias circunstancias que dificultan su ajuste: las corrientes a uno y otro lado del transformador son de distinta magnitud, el grupo de conexión del transformador introduce un desfase entre las corrientes primaria y secundaria, que obliga a conectar los secundarios del TC de forma adecuada y además en la energización del transformador, se establece una corriente magnetizante transitoria. Esta corriente de conexión aparece como falla interna para un relé diferencial. La mayoría de los fabricantes disponen de relés con porcentaje variable o ajustable, con un rango de 15 a 40% aproximadamente. Esta pendiente o porcentaje se seleccionará para que queden cubiertos: •. El error de relación de los TC.. •. El de igualación de las tomas de corriente del relé.. •. El producido por el cambio de relación de transformación nominal del transformador del bloque, debido al cambia tap.. 2.2.7 Protecciones de respaldo Para protección de respaldo se utilizan varios sistemas como: •. Relé de sobrecorriente o sobreintensidad.. •. Relé de mínima impedancia o distancia.. Sobrecorriente (51) La protección de sobrecorriente se coloca en el lado de neutro de la máquina como se muestra en la figura 2.3, porque interesa medir la aportación del generador a la falla, y no la de la red. No es una protección selectiva, ve las fallas en cualquier parte. Es una protección temporizada, de tiempo fijo o inverso según convenga, y no sólo es de respaldo para el 24.

(37) Capítulo 2 generador, sino también para el resto de la central y la red. Se ajusta a 1,2 ó 1,3 veces el valor de la intensidad nominal.. Figura 2.3. Protección de sobrecorriente. La principal ventaja de la protección de sobreintensidad es su sencillez, pero presenta un inconveniente: en máquinas autoexcitadas, cuando ocurre un cortocircuito, la tensión se reduce aportando cada vez menos intensidad, y la protección no limpia la falla. Para solucionarlo, se utilizan relés de sobreintensidad con memoria de tensión, que disponen de dos elementos: uno de mínima tensión y otro de intensidad. Con falla, arrancan los dos, y si al llegar el tiempo de disparo del relé, el elemento de tensión no se ha recuperado, dispara aunque haya recaído la intensidad. [23] Esta protección se coordina con la del transformador, la cual deberá necesariamente coordinarse con las líneas de salida. [10,19] Protección de mínima impedancia del generador (21) La protección de mínima impedancia es una protección de respaldo que cubre por lo menos los siguientes tres componentes: generador, transformador de potencia elevador y sistema de barras de alta tensión. [19,30] Es mucho más selectiva y rápida. Por tanto, como la intensidad no tiene tiempo de recaer, no presenta el inconveniente de la anterior. Se ajusta el círculo de forma que no vea fallas más allá del transformador (Radio = 0,9 veces la reactancia de cortocircuito del transformador).. 25.

(38) Capítulo 2 La protección es más costosa y se utiliza poco, porque no sirve de respaldo remoto, salvo que se utilice un segundo escalón con alcance extendido fuera de la central (ve fallas en líneas) y, por tanto, con un temporizado más largo. Por idénticas razones que para los relés de sobreintensidad (51), las corrientes deberán medirse en el lado del neutro del generador. Protección de mínima impedancia del lado de alta del transformador principal (21TP) Se sitúa normalmente a la salida de la línea del generador, en la subestación que recibe la energía, y se polariza en la dirección del generador. Detectará fallas entre fases y a tierra, con su elemento de medida de primera zona. Con la segunda zona en dirección inversa, servirá de respaldo a las protecciones de la red externa. Su temporización será de segunda o tercera zona. 2.2.8 Funcionamientos anormales de la red que afectan a los generadores 2.2.8.1 Protección contra sobrecargas en estator y rotor (49) Una situación de sobrecarga es aquella en que existe un régimen de carga superior al nominal, no provocado por un cortocircuito. Esta sobrecarga estará motivada, no sólo porque el generador esté suministrando la máxima potencia activa que le permite su accionamiento (el generador está suficientemente dimensionado para hacerlo), sino porque, además, esté consumiendo o generando una cantidad muy importante de potencia reactiva. Un generador puede sufrir daños serios en el estator por efectos térmicos, debido a: •. Intensidades elevadas durante tiempos cortos.. •. Intensidades superiores a la nominal, funcionando en régimen permanente.. Existen varios métodos para proteger el generador contra sobrecargas: •. Sondas de temperatura. Un relé de protección mide la intensidad circulante por la sonda, y emite un disparo cuando la intensidad equivale a un valor de resistencia correspondiente a un valor de temperatura inadmisible.. 26.

(39) Capítulo 2 •. Relé digital de sobrecarga. Este relé permite obtener características de disparo por alta temperatura en los devanados rotóricos y estatóricos, mediante la reproducción de la evolución térmica de la máquina, a partir de la medida de las corrientes estatóricas (o rotóricas).. •. Imagen térmica. Se construye un modelo con la misma constante de calentamiento que el generador, con un elemento que se alimenta con la intensidad del mismo. Se mide la temperatura en el modelo que se ha construido, de manera que resulte uniforme.. Con relés electrónicos, es muy frecuente realizar una imagen térmica mediante un circuito resistencia-capacidad, cuyas constantes de carga y descarga corresponden a las constantes de calentamiento y enfriamiento de la máquina. Precisamente, reciben el nombre de imagen térmica porque antiguamente funcionaban por calentamiento de una masa metálica uniforme, cuyas constantes eran las mismas que las de la máquina. Midiendo la temperatura en el modelo (imagen), se obtenía la temperatura de la máquina. [23] 2.2.8.2 Protección contra carga desbalanceada (46) Las corrientes desequilibradas en un generador pueden aparecer por diversas causas, entre las cuales podemos señalar: asimetrías de reactancias en el sistema, cargas desequilibradas, fallas desequilibradas, fases abiertas. Las corrientes de secuencia negativa o inversa, obtenidas al descomponer el sistema desequilibrado en componentes simétricas, inducen intensidades de frecuencia doble en el rotor. Estas corrientes inducidas provocan pérdidas que, por efecto Joule, calientan el rotor en poco tiempo. Debido a las diferencias existentes en las construcciones de los rotores, los turbogeneradores son capaces de soportar un porcentaje inferior de intensidad de secuencia inversa que los generadores de centrales hidráulicas. Normalmente, el fabricante especifica la capacidad de soportar intensidades inversas, en tanto por ciento de la intensidad nominal. [10,15,17,19,30] Está especificado en normas (ANSI C50.13) que todo generador debe soportar, en régimen permanente y sin daño alguno, los efectos de la circulación de una corriente inversa, cuyo valor se especifica en la tabla 2.1 que se muestra a continuación. 27.

(40) Capítulo 2 Tabla 2.1. Límite de corriente inversa.. La protección se logra con un relé que responda a la corriente de secuencia negativa, ajustándose para evitar daños en la máquina. 2.2.8.3 Protección contra pérdida de sincronismo (78) Una red eléctrica funcionando en condiciones estables se caracteriza por mantener equilibrado el balance de energía. Sin embargo, son muchos los fenómenos en la red que introducen desequilibrios en el balance de la potencia generada y provocan oscilaciones de potencia. Algunos de estos fenómenos pueden ser: cortocircuitos, variaciones bruscas de carga, cierres asincrónicos, etc. [30] En las situaciones anteriores, las oscilaciones de potencia pueden evolucionar hacia un nuevo estado estable del sistema eléctrico, o, por el contrario, producir la pérdida de sincronismo de uno o varios generadores conectados a la red. De esta forma, la máquina pasa a funcionar a velocidad distinta de la sincrónica, manteniendo la excitación conectada. Esta situación produce fuertes oscilaciones de potencia, tanto activa como reactiva, que afectan negativamente al generador y a la red. Las consecuencias directas sobre el generador son de tipo mecánico, y se deben a las fuertes paradas y aceleraciones a las que se somete la máquina. También se ve afectada la estabilidad de la red, por las oscilaciones de potencia y la dificultad en recuperar la tensión, produciéndose el colapso de tensiones.. 28.

(41) Capítulo 2 La protección de pérdida de estabilidad se realiza mediante relés de impedancia, cuya característica en el plano R-X tiene en cuenta la evolución de la impedancia durante un proceso de deslizamiento polar. [19] 2.2.9 Funcionamientos anormales del generador que producen daños a sí mismo y/o perturban a la red y protecciones recomendadas 2.2.9.1 Protección contra sobretensiones (59) En primer lugar debe quedar claro que solamente se trata de proteger a la máquina ante sobretensiones prolongadas de frecuencia nominal. La protección contra sobretensiones transitorias es cubierta por los descargadores de sobretensión. [19] Una sobretensión de frecuencia nominal puede ser ocasionada por una operación defectuosa del regulador de tensión, por pérdidas súbitas de carga, etc. En el caso de las pérdidas de carga, debe tenerse presente que el regulador de tensión del generador tratará de corregir la situación, al cabo de unos segundos. El ajuste de estas protecciones está dado fundamentalmente por el fabricante de dichas máquinas. Para impedir el mantenimiento prolongado de sobretensiones sobre la máquina, se utilizan las protecciones de sobretensión a tiempo definido ó tiempo inverso, actuando en tiempos largos, de manera de no interferir con la operación normal del regulador de tensión de la máquina. [30] Esta protección consta de una sobretensión de secuencia positiva con una opción de tiempo inverso o definido que puede seleccionar el usuario. La función de sobretensión puede considerarse como respaldo a la función Voltios/Hz. [15,17,19,20] 2.2.9.2 Protección contra retorno de energía (32) La protección contra retorno de energía (también denominada de antimotorización) sirve para separar el generador de la red cuando falle su energía motriz. Es decir, cuando éste pase a funcionar como motor sincrónico. Esta protección es, en realidad, una protección de la turbina, ya que es ésta la que, bajo estas condiciones de funcionamiento, puede estar sometida a esfuerzos anormales de presión en los álabes: calentamientos por ausencia de ventilación y dilataciones. En 29.

(42) Capítulo 2 turbinas hidráulicas, aparece el fenómeno de la cavitación, y en los grupos Diesel, existe peligro de explosión. [15,20,30] En la mayoría de los casos, se utiliza como protección un relé direccional de potencia monofásico, que debe ser muy sensible. Se ajusta a un valor inferior al correspondiente de la suma de las pérdidas mecánicas y eléctricas de la máquina, normalmente entre 0,005 y 0,05 veces la potencia nominal de ésta, y produce dos actuaciones: •. Actuación rápida, condicionada al estado de cierre del distribuidor o inyector de la turbina.. •. Actuación lenta, con una temporización que permite un cierto régimen de oscilaciones de potencia y evita disparos incorrectos, como podría ocurrir durante el instante de sincronización de la máquina.. La tabla 2.2 muestra los ajustes típicos en función del tipo de máquina primaria. [19,20] Tabla 2.2 Limites de potencia de motorización. Tipo de Motor Primario. Límite de Potencia de Motorización (%). Diesel. 5 – 25. Turbina de Gas. 10 – 50. Hidráulico. 0.2 – 2. Turbina de Vapor. 0.5 - 6. 2.2.9.3 Protección contra pérdida de excitación (40) La pérdida de la excitación puede producirse por diversos motivos: apertura accidental del interruptor de excitación, fallo en el sistema de regulación, pérdida de la alimentación de la excitación, etc. Esta situación puede provocar daños serios en el generador y en el sistema eléctrico, especialmente con el generador trabajando a plena carga antes de producirse el defecto. [15,19,30] Al perder excitación, el grupo generador consume potencia reactiva de la red, para absorber de ésta su excitación, lo cual puede desestabilizarlo. La magnitud de potencia reactiva consumida está próxima al valor de la potencia nominal de la máquina. También se. 30.

(43) Capítulo 2 producen calentamientos anormales en el rotor, debido a los valores elevados de las corrientes inducidas que circulan. La forma más utilizada de protección contra pérdida de excitación es el empleo de un relé impedancia. Este esquema puede implementarse con 1 o 2 características “mho” desplazadas del origen como se muestra en la figura 2.4 con ajustes de 0,5 a 0,6 s.. Figura 2.4.Esquema de un relé impedancia. 2.2.9.4 Protección contra sobreexcitación o sobreflujo (24) Es una protección típica de transformadores acoplados a generadores. Con valores elevados de tensión y/o valores reducidos de frecuencia, aparece un aumento de la corriente magnetizante (con el consiguiente incremento de las pérdidas), que puede conducir a serios daños en los arrollamientos y en el circuito magnético, por calentamiento. Los transformadores suelen ser más restrictivos que los generadores frente a estos fenómenos, debido a la ausencia de entrehierro en su circuito magnético. [15,16] La protección de sobreexcitación vigila la relación tensión/frecuencia, actuando si se supera el valor de ajuste del relé, que depende del transformador que se desea proteger. Normalmente se utiliza un relé temporizado y hay que coordinarlo con la protección de sobretensión del generador. 2.2.10 Protección contra variaciones de frecuencia (81) Protección de sobrefrecuencia (81O). La condición de sobrefrecuencia normalmente es implementada en la máquina impulsora (sobrevelocidad).. 31.

(44) Capítulo 2 El ajuste de esta función depende de cuestiones propias de la máquina y de la operación del sistema, a fin de evitar que determinadas sobretensiones temporales saquen de servicio anticipadamente a algunos generadores, ó viceversa, producir la desconexión de ciertos generadores ante ciertos valores de sobrefrecuencia para equilibrar al sistema (exceso de generación). Protección de subfrecuencia (81U) La condición de subfrecuencia se produce por una sobrecarga del generador operando en un sistema aislado ó subsiguientemente a una falla severa en el sistema que produzca un déficit de generación respecto de la carga. En ciertos casos, se utiliza solamente como una alarma, previendo que la condición de subfrecuencia será solucionada por el operador. En otros casos, se utiliza un disparo de retardado para eliminar esta condición, la cual es especialmente perjudicial para las máquinas impulsoras. [15,17] ROCOF (81R) La función de esta protección es desconectar el generador de la red cuando la frecuencia de este es lo suficientemente inestable, o sea mide la razón de cambio de la frecuencia en el tiempo. Un problema con esta protección es el disparo indeseado del generador. [17] 2.2.11 Protección contra fallo de interruptor (50BF) El fallo de un interruptor se produce cuando, recibida la orden de apertura, y transcurrido el tiempo normal de ésta, una o varias fases del interruptor permanecen cerradas. La apertura puede fallar por diversas causas, que afectan a las dos condiciones establecidas para considerar el interruptor abierto: •. El interruptor abre sus polos mecánicamente de modo completo.. •. Se produce la extinción del arco.. Cuando actúen las protecciones de generación, ya sea por falla dentro o fuera de la zona de generación, resulta imprescindible desconectar el grupo de la red. La actuación de la protección de fallo del interruptor provoca el disparo de otros interruptores, capaces de ejercer una acción de respaldo del interruptor en que se produce el fallo. 32.