View
7
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
i
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA MERIDA- VENEZUELA
ANÁLISIS DEL SISTEMA DE PROTECCIONES DEL GRUPO
MOTOR-GENERADOR DE 2MVA DE LA EMPRESA SERVIMAR.
Trabajo presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electricista
Br. Nelson Enrique Altuve Guillen Tutor Académico: Ing. Pedro O. Mora
Tutor Industrial: Ing. Henry Romero
Agosto 2004
i
ANÁLISIS DEL SISTEMA DE PROTECCIONES DEL GRUPO MOTOR-GENERADOR DE 2MVA DE LA EMPRESA
SERVIMAR.
Br. NELSON ENRIQUE ALTUVE GUILLEN
El Trabajo de Grado titulado “Análisis del sistema de Protecciones del Grupo
Motor-Generador de 2MVA de la Empresa Servimar”, presentado por Nelson
Enrique Altuve Guillen, en cumplimiento parcial de los requisitos para optar al Título
de Ingeniero Electricista, fue aprobado por el siguiente jurado.
______________________ ____________________
Prof. Ricardo Stephens Prof. José G. Contreras C.I. C.I.
______________________
Tutor Prof. Pedro O. Mora
iii
AGRADECIMIENTOS
Al Ingeniero Henry Romero, por confiar en mi y brindarme toda su ayuda,
orientación, paciencia y estimulo, en la realización de este proyecto.
A los Profesores Pedro Mora, Ricardo Stephens e Hildemaro Briceño, por su
valiosa colaboración y gran aporte al desarrollo de este trabajo.
A la Ilustre Universidad de Los Andes, por haberme brindado la oportunidad de
adquirir nuevos conocimientos y permitirme obtener un Titulo Profesional.
A todas aquellas personas que directa o indirectamente hicieron posible la
realización de este proyecto.
Gracias a Todos.
iv
INDICE GENERAL
Página
APROBACION………………………………………............... ii
AGRADECIMIENTO…………………………………………. iii
INDICE DE TABLAS…………………………………………. ix
INDICE DE FIGURAS………………………………………… xi
RESUMEN DEL TRABAJO…………………………………... xv
INTRODUCCION……………………………………………... 1
CAPITULO I
ASPECTOS PRELIMINARES……………………………… 3
1.1. DESCRIPCION GENERAL DE LA EMPRESA……………… 3
1.1.1. Estructura Organizacional de SERVIMAR C.A……………….. 5
1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA……………………… 6
1.3. OBJETIVO GENERAL………………………………………... 6
1.4. OBJETIVOS ESPECIFICOS…………………………………... 7
1.5. JUSTIFICACION……………………………………………… 7
CAPITULO II
MARCO TEORICO……………………………...................... 9
2.1. CRITERIOS GENERALES DE PROTECCIÓN DE LOS 9
v
SISTEMAS ELÉCTRICOS…………………………………………...
2.1.1 Estudio de Cortocircuito……………………………………….. 11
2.1.2 Obtención de los Valores de impedancias de las componentes del Sistema……………………………………………………………. 12
2.2. SISTEMAS DE PUESTAS A TIERRA……………………….. 16
2.2.1. Puesta a Tierra del Neutro……………………………………... 18
2.3. DISPOSITIVOS PARA LA PROTECCIÓN DE SISTEMAS…………………………………………………………. 20
2.3.1. Dispositivos de Protección contra Sobrecorrientes……………. 20
2.4. TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTO………………. 21
2.4.1. Transformadores de Corriente…………………………………. 22
2.4.1.1. Transformador de Corriente para Mediciones……………….. 25
2.4.1.2. Transformador de Corriente para Protecciones………………. 27
2.4.2. Transformadores de Potencial…………………………………. 29
2.4.2.1. Transformadores de Voltaje para Protecciones………………. 32
2.5. RELEVADORES DE PROTECCIÓN…………………………. 33
2.5.1. Relevador Electromecánico……………………………………. 34
2.5.1.1. Relevador de atracción electromagnética……………………. 35
CAPITULO III
ANÁLISIS DE LA SITUACION ACTUAL………………… 39
3.1. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA………………………………… 39
3.1.1. Especificaciones Técnicas del Sistema………………………… 41
3.2. CENTRO DE CONTROL DE MOTORES (FIAB)……………... 43
vi
3.2.1. Protecciones Existentes en el FIAB……………………………. 45
3.3. CENTRO DE CONTROL DE GENERADORES (AROS)……... 49
3.3.1. Protecciones Existentes en el AROS…………………………... 50
3.4. CENTRO DE CONTROL REMOTO (PLC)……………………. 51
3.4.1. Protecciones Existentes en el Centro de Control Remoto……… 52
3.4.2. Relés de Control del Sistema………………………………… 55
3.5. DIAGRAMA UNIFILAR DEL SISTEMA……………………… 60
3.6. ENSAYOS REALIZADOS POR EL CONVERTIDOR DE FRECUENCIA………………………………………………………... 61
CAPITULO IV
PROPUESTAS DE DISEÑO………………………………… 67
4.1. PREPARACION DEL SISTEMA PARA EL ESTUDIO DE CORTOCIRCUITO Y ANALISIS DE PROTECCIONES………….. 67
4.2. PROPUESTAS DE PROTECCIÓN PARA LOS GENERADORES……………………………………………………... 69
4.2.1. Selección de Puesta a Tierra de los Generadores………………. 71
4.2.2. Protección contra Falla a Tierra en el 95% del Estator a través de un Transformador Monofasico de Distribución…………………… 72
4.2.2.1. Sobretensiones por Fallas Intermitentes en un Generador…… 76
4.2.2.2. Calculo del Modelo de Protección del 95% del Estator del Generador de 2 MVA de la Empresa SERVIMAR…………………… 79
4.2.2.3. Calculo del Modelo de Protección del 95% del Estator del Generador de 1,3 MVA de la Empresa SERVIMAR…………………. 83 4.2.3. Protección contra Falla a Tierra en el 95% del Estator a través de un Transformador Trifásico de Distribución………………………. 87
4.2.4. Protección contra Falla a Tierra en el 95% del Estator a través de la conexión de una baja resistencia en el neutro…………………… 89
vii
4.2.5. Protección Diferencial restringida a falla a tierra para Generadores que Disponen de 4 Terminales………………………….. 92
4.2.6.Protección de Generadores Mediante la Conexión a Tierra de una Reactancia………………………………………………………… 94
4.2.7. Protección de Generadores Mediante Puesta a Tierra de Baja Impedancia a través de un Transformador Tipo Zig-Zag…………….. 96
4.3.PROPUESTA DE PROTECCIÓN DE FALTA DE AISLAMIENTO DE LOS GENERADORES………………………... 101
4.4. REVISIÓN DE LAS PROTECCIONES EXISTENTES EN EL SISTEMA…………………………………………………………….. 103
4.4.1. Conexiones Realizadas en las Protecciones Existentes………... 112
4.4.2. Ensayos Realizados para el Ajuste de las Protecciones Existentes…………………………………………………………… 116
CAPITULO V
PLANES DE APLICACIÓN DE LA PROPUESTA……….. 121
5.1. FACTIBILIDAD ECONÓMICA DE LAS PROTECCIONES DEL GENERADOR…………………………………………………. 121
5.2. IMPLEMENTACIÓN DEL DISPOSITIVO GEN-GUARD™ (PROTECCION BAJO AISLAMIENTO EN GENERADOR)………. 126
5.2.1. GEN-GUARD™ Modelo GP500G1………………………….. 127
5.3. APLICACION DE UN CONVERTIDOR DE FRECUENCIA ESTATICO…………………………………………………………… 130
5.3.1. Especificaciones y Características del Convertidor Estático…... 133
5.3.2. Variador de frecuencia Danfoss tipo VLT®-5500 VVC Plus…… 135
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………………………. 141
viii
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS………………………………... 145
ANEXOS……………………………………………………………… 147
ix
INDICE DE TABLAS
Página
2.1. Datos de Reactancia de Maquina Síncronas…………………….. 14
2.2. Datos para transformadores de subestaciones Integrales y Unitarias………………………………………………………………. 15
2.3. Limites de error de los Transformadores de Corriente para Mediciones……………………………………………………………. 26
2.4. Limite de error de los Transformadores de Corriente para Mediciones………………………………………. 26
2.5. Limites de error de los Transformadores de Corriente para Protecciones………………………………………………………….. 28
2.6. Limite de error de transformadores de Voltaje………………….. 32
2.7. Limites de error para Transformadores de Voltaje para protecciones…………………………………………………………… 33
3.1. Relés de protección del centro de control remoto………………. 54
3.2. Niveles de tensión a aplicar par los ensayo s de potencial aplicado……………………………………………………………….. 64
3.3 Duración del ensayo dependiendo de la frecuencia de prueba…. 65
4.1. Concepto de protección y de vigilancia para pequeñas centrales. 70
4.2. Situación del Relé R1…………………………………………….. 104
4.3. Situación del Relé R2…………………………………………….. 105
4.4. Situación del Relé R3, R4 y R5………………………………….. 106
x
4.5. Situación del Relé R6, R7 y R8………………………………….. 107
4.6. Situación del Relé R9…………………………………………….. 108
4.7. Situación del Relé R10, R11 y R12……………………………… 109
4.8. Situación del Relé R13…………………………………………… 110
4.9. Situación del Relé R14…………………………………………… 111
4.10. Modificaciones de R6, R7 y R8………………………………... 112
4.11. Modificaciones de R9…………………………………………... 113
4.12. Modificaciones de R10, R11 y R12……………………………. 114
4.13. Modificaciones de R13………………………………………… 115
4.14. Modificaciones de R14………………………………………… 116
4.15. Datos del ensayo del relé de Sobrecorriente……………………. 117
4.16. Datos del ensayo del relé de Sobrevoltaje………………………. 120
5.1. Análisis económico comparativo entre las propuestas estudiadas.. 125
5.2. Especificaciones Probador automático GP500G1……………….. 130
xi
INDICE DE FIGURAS
Página
2.1. Forma de oscilograma para una corriente de cortocircuito simétrica………………………………………………………………. 14
2.2. Circuito equivalente simplificado de un transformador de corriente……………………………………………………………….. 23
2.3. Diagrama fasorial de un transformador de corriente………….. 24
2.4. Circuito equivalente simplificado de un transformador de voltaje. 29
2.5. Diagrama fasorial simplificado de un transformador de voltaje… 30
2.6. Curva de operación de un relé de atracción……………………… 37
3.1. Diagrama General del Convertidor de Frecuencia……………….. 40
3.2. Grupo Motor-Generador #2 de la empresa SERVIMAR………... 42
3.3. Convertidor de seis pulsos de conmutación no instantánea……... 43
3.4. Panel de Control de Motores (FIAB)……………………………. 44
3.5. Fusibles de protección del rectificador………………………….. 47
3.6. Convertidor de seis pulsos semicontrolado………………………. 49
3.7. Panel para el Control de los Generadores (AROS)……………… 50
3.8. Tablero de Control Remoto de los grupos Motor-generador de la empresa SERVIMAR…………………………………………………. 52
3.9. Relés de Protección del Sistema…………………………………. 55
xii
3.10. Diagrama funcional de los Relés de Control …………………… 59
3.11. Ensayo en vació de un transformador…………………………... 62
3.12. Ensayo en cortocircuito de un transformador…………………... 63
3.13. Esquema de montaje para la prueba de potencial aplicado……... 64
4.1. Diagrama unifilar para el estudio de cortocircuito……………….. 68
4.2. Generador con puesta a tierra de alta impedancia………………... 73
4.3. Protección de respaldo de un generador contra fallas a tierra……. 74
4.4. Determinación de la resistencia del neutro en función de la capacitancia por fase………………………………………………….. 75
4.5. Voltaje y corriente de la fase A cuando ocurre un fallo en ella….. 76
4.6. Interconexión de las redes de secuencia…………………………. 76
4.7. Circuito equivalente de un generador con neutro conectado a tierra a través de una resistencia, durante una falla a tierra…………... 78
4.8. Capacitancia total a tierra del sistema……………………………. 79
4.9. Red de Secuencia Cero…………………………………………… 81
4.10. Distribución de la corriente de Falla……………………………. 82
4.11 Distribución de la corriente de Falla…………………………….. 84
4.12. Protección de un generador a través de un transformador trifásico……………………………………………………………….. 88
4.13. Protección de un generador mediante una baja resistencia…….. 90
4.14. Protección diferencial de un generador, restringida a fallas a tierra…………………………………………………………………... 92
4.15. Puesta a tierra de baja impedancia mediante la conexión de un reactor en el neutro del sistema……………………………………….. 94
4.16. Red de secuencia cero equivalente……………………………… 95
xiii
4.17. Diagrama de conexiones de un transformador de puesta a tierra (zig-zag)………………………………………………………………. 97
4.18. Conexión del neutro a tierra mediante transformador zig-zag….. 98
4.19. Red de secuencia cero equivalente (Transformador zig-zag)…... 98
4.20. Impedancia adicional al Transformador zig-zag……………….. 99
4.21. Red de secuencia cero equivalente (zig-zag con impedancia adicional)……………………………………………………………… 100
4.22. Diagrama de conexión del relé de protección R1………………. 104
4.23. Diagrama de conexión del relé de protección R2………………. 105
4.24. Diagrama de conexión de los relés de protección R3, R4 y R5… 106
4.25. Diagrama de conexión de los relés de protección R6, R7 y R8… 107
4.26. Diagrama de conexión del relé de protección R9………………. 108
4.27. Diagrama de conexión de los relés de protección R10, R11 y R12……………………………………………………………………. 109
4.28. Diagrama de conexión del relé de protección R13……………... 110
4.29. Diagrama de conexión del relé de protección R14……………... 111
4.30. Conexión del TC3b (HKK)…………………………………….. 114
4.31. Conexión del TC2b Salida Generador 2………………………... 115
4.32. Multi-Amp SR51A……………………………………………… 116
4.33. Grafica relés de Sobrecorriente Marca ASEA tipo RXIG-21….. 119
5.1. Probador de resistencia de aislamiento automático GEN-GUARD™……………………………………………………… 128
5.2. Interruptor de Tierra Meg-alert™………………………………... 129
5.3 Dimensiones del probador GP500G1…………………………….. 129
xiv
5.4. Representación funcional simplificada de un Convertidor de Frecuencia Estático. ………………………………………………….. 132
5.5. Esquema del Convertidor de Frecuencia Estático VLT 5500……. 139
xv
RESUMEN
ANÁLISIS DEL SISTEMA DE PROTECCIONES DEL GRUPO MOTOR-GENERADOR DE 2MVA
DE LA EMPRESA SERVIMAR.
Br. Nelson Enrique Altuve Guillen
Tutor: Prof. Pedro Omar Mora
El objetivo principal del análisis de sistemas de protecciones en industrias se basa en proporcionar la información necesaria para lograr: seguridad, confiabilidad, energía uniforme, continuidad del servicio, fácil operación, mejor mantenimiento y ahorro de energía. Al diseñarse y construirse un sistema de distribución de energía eléctrica industrial, posiblemente se calcularon y coordinaron correctamente sus dispositivos de protección, pero no hay seguridad de que aun conserven esa coordinación. A menudo las modificaciones y ampliaciones cambian las necesidades de protección. Los cambios en la potencia de entrada, en la carga de la planta y en los dispositivos de protección puede ser un indicativo de que ya no se cuenta con la protección que una vez se tuvo. El presente proyecto contempla el análisis del sistema de protecciones del laboratorio de alta tensión de la empresa SERVIMAR, ubicada en la costa oriental del lago de Maracaibo. Inicialmente se hizo un pequeño estudio del sistema actual y se verificó el estado de sus protecciones. El análisis se basó en el diseño de protecciones de puesta a tierra de los generadores teniendo en cuenta la conexión de neutro a tierra de los mismos. Además se realizó una revisión de las protecciones existentes (sobrecorriente, sobrevoltaje, sobretemperatura y sobre velocidad). Se actualizaron los planos del sistema de control y se propuso la implementación de un nuevo equipo (Convertidor de Frecuencia estático), que viene a sustituir al grupo motor-generador.
Descriptores: Cota: *
Sistemas de energía eléctrica – Protección TK1005
Energía eléctrica – Distribución A58
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
1
INTRODUCCION
Los generadores son los equipos más costosos de un sistema de potencia y a su
vez los que pueden sufrir los más variados tipos de fallas y anomalías; por esta razón,
requieren de un gran número de protecciones para detectar todas estas situaciones
potencialmente peligrosas. Los relevadores y fusibles son dispositivos que protegen
adecuadamente y aislan averías. Se seleccionan e instalan para operar con valores
correctos de corriente y por medio de una coordinación adecuada entre si. Es
necesario un estudio de sistemas para determinar estos valores y las necesidades de
coordinación.
Desafortunadamente, a veces la administración de la planta se percata de que el
sistema de protecciones necesita que se le revise, actualice o de mantenimiento solo
cuando ocurre un accidente, incendio o una interrupción grave de energía.
Un sistema debidamente protegido incluye todos los dispositivos de protección
que van desde los disyuntores principales o fusibles en la subestación de entrada de la
planta hasta los diferentes disyuntores, fusibles y relevadores del sistema de
distribución de tensión media y baja en toda la planta.
Al diseñarse y construirse un sistema de distribución de energía eléctrica en
plantas industriales, posiblemente se calcularon y coordinaron correctamente sus
dispositivos protectores, pero no hay seguridad de que aun conserven esa
coordinación. A menudo las modificaciones y ampliaciones cambian las necesidades
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
2
de protección. Algunos de los dispositivos protectores pueden ser incapaces de aislar
los corto circuitos probables en el sistema que se ha ampliado. Los cambios en la
potencia de entrada, en la carga de la planta y en los dispositivos protectores puede
ser una indicación de que ya no se cuenta con la protección que una vez se tuvo.
Además en un sistema que se ha ampliado puede haber protección hipersensible o
sobreprotección, por estos motivos, muchas plantas trabajan tomando en cuenta
conceptos equivocados si no es que hasta peligrosos.
Las revisiones periódicas de los ajustes de los dispositivos protectores son tan
importantes como el mantenimiento periódico del sistema de distribución para evitar
interrupciones de energía. Estas revisiones periódicas son particularmente
importantes en las plantas industriales que dependen cada vez más de un suministro
continuo de energía eléctrica. En la mayoría de los procesos industriales, aun una
pérdida momentánea de energía ocasiona considerables pérdidas de materiales y
producción. Solo mediante un análisis de coordinación del sistema y el estudio y
aplicación apropiado del mismo pueden establecerse los ajustes de los relevadores,
interruptores y fusibles para proporcionar la protección máxime al equipo así como
operar selectivamente en condiciones de falla.
El objetivo de este trabajo es realizar un análisis a los sistemas de protecciones
del laboratorio de alta tensión de la empresa SERVIMAR, y determinar a ciencia
cierta que tan eficiente es el mismo, y si cumple con las condiciones mínimas de
funcionamiento.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
3
CAPITULO I
ASPECTOS PRELIMINARES
1.1. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA EMPRESA
SERVIMAR C.A, tiene sus comienzos el 31 de Marzo de 1978, dirigida por sus
accionistas Mario B. Tomasi Ceben y Maria Toigo A. De Tomasi. En ese mismo año,
una pequeña empresa, comienza a proporcionar soluciones alternativas al suministro
de servicio eléctrico a empresas locales como ENELVEN, CADAFE y al
departamento eléctrico de la entonces SHELL, aquella formaba parte de un grupo de
empresas alrededor de electro transformadores TECA y la cual se conoció como
RETICA, siendo en aquel entonces uno de sus accionistas el Sr. Domenico Volante.
Ambas empresas se desarrollaron paralelamente, SERVIMAR dedicada cien por
ciento a las actividades de mantenimiento petrolero y RETICA netamente al sector
eléctrico.
Para el año de 1986 RETICA, se fusiona con la transnacional ASEA BROWN
BOVERI, quien eleva la capacidad de las operaciones para formar un taller de
excelencia en servicios eléctricos dirigidos a transformadores de potencia hasta 100
MVA y 13,8 KV.
Para el año de 1990, se realiza la venta de la compañía SERVIMAR al Sr.
Domenico Palmerino Volante Palombo y para febrero de 1999, la dirección de las
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
4
actividades del taller, es tomada por él, ya que adquiere de ABB la totalidad de las
instalaciones de la anterior RETICA y comienza un nuevo periodo con el incremento
de las operaciones y la administración, desde una misma plataforma, donde Servicios
Mario, C.A, ahora se encuentra desarrollando nuevas y antiguas actividades (
mantenimiento, servicios y construcción), desde sus instalaciones en la carretera “N”
parque industrial, galpones 5 y 6, Ciudad Ojeda, Estado Zulia. Teniendo un nuevo
enfoque que da pie a incorporar nuevas actividades, equipos y recursos como son los
servicios de campo, suministro de personal y alquiler de equipo especializado.
SERVIMAR representa al espíritu de una empresa pujante, abierta a sus clientes
y dedicada a las prestaciones de toda clase de servicios generales, construcción de
obras civiles y eléctricas.
Todos nuestros trabajos, a lo largo de estos 26 años, han sido evaluados,
calculados y desarrollados por personal Venezolano, formando especialistas con
muchos años de experiencia y entrenamiento, desarrollando un conocimiento
tecnológico propio, que ha trascendido hacia nuestros clientes y nuestra competencia,
otorgándonos un nombre y prestigio a la hora de hablar de servicios eléctricos. Todos
estos trabajos realizados con contratos terminados en los últimos cinco años en
empresas tales como: ENELBAR, ENELVEN, ENELCO, CADELA, EDELCA,
ALCASA, PDVSA, ELECENTRO, ELEOCCIDENTE.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
5
1.1.1. ESTRUCTURA ORGANIZACIONAL DE SERVIMAR, C.A.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
6
1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Los transformadores eléctricos se someten a ensayos en los laboratorios de
pruebas con el fin de comprobar la capacidad para soportar los esfuerzos a que se
verán sometidos una vez puestos en servicio, y también para verificar la
correspondencia de las características del transformador con respecto a los datos de
diseño. Estas pruebas se rigen a través de la norma COVENIN 536-85.
La empresa SERVIMAR ubicada en la Costa Oriental del Lago realiza pruebas a
transformadores eléctricos de hasta 100 MVA en 13.8 KV mediante un laboratorio
de alta tensión constituido por dos grupos Motor-generador de 2 MVA y 1.7 MVA
respectivamente. El grupo de 2 MVA sufrió daños debido a la falta de protecciones
en el sistema o ineficacia de las protecciones existentes, esto obliga a efectuar una
reconstrucción total del motor y el generador.
En este sentido el propósito principal del presente proyecto de grado se basa en
la actualización del sistema de protecciones de los grupos Motor-Generador que evite
que fallas similares vuelvan a ocurrir y detectar la falla que ocasiono el daño al
sistema.
1.3. OBJETIVO GENERAL
Analizar los planos de control para determinar la correcta operación del sistema
y a su vez diseñar nuevos esquemas de protecciones para aislamiento y temperatura
de los grupos Motor-Generador de la empresa SERVIMAR.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
7
1.4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Actualizar los planos de control del grupo.
Diseñar un nuevo sistema de protección que mida resistencia de aislamiento e
impida que se energice el grupo si el aislamiento es bajo.
Diseñar un sistema de detección de sobre temperatura en los devanados.
Diseñar un sistema de detección de sobre temperatura en los cojinetes.
Revisión del sistema de protección diferencial, de sobre tensión, de sobre
corriente y de fallas a tierra del grupo.
1.5. JUSTIFICACIÓN
Las maquinas eléctricas suponen uno de los accionamientos más importantes en
la industria. En muchos casos, la causa de una parada de un proceso industrial es un
simple motor. Producciones de muy alto costo y máquinas de gran valor quedan
totalmente paralizadas suponiendo un gran gasto, incluso más elevado que el costo
del rebobinado del motor. La experiencia nos demuestra que la protección de motores
y generadores continúa siendo un problema, dado el alto número de averías que se
producen a diario.
En más del 60 % de los casos los fallos se deben a causas que producen un
excesivo calor en los bobinados que pueden ser detectadas y prevenidas midiendo y
analizando las intensidades absorbidas por la maquina o vigilando el límite de
temperatura de sus bobinados, un exceso de temperatura de 10º C supone una
reducción de la vida útil de la maquina a la mitad.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
8
La protección de los sistemas eléctricos, es uno de los aspectos esenciales que
deben ser considerados en el diseño y operación de las instalaciones eléctricas
industriales, de esta forma la empresa obtendrá un sistema de protección que
permitirá detectar y aislar rápidamente la parte afectada del sistema, ya sea que ocurra
en cortocircuito, o bien, en otra condición anormal que pueda producir daño a la parte
afectada o a la carga que alimenta el grupo.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
9
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
2.1. CRITERIOS GENERALES DE PROTECCIÓN DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS
Las condiciones de operación anormales contra las que se deben proteger los
sistemas eléctricos son el cortocircuito y las sobrecargas.
El Cortocircuito se puede definir como una corriente que se encuentra fuera de
sus rangos normales. Algunos cortocircuitos no son mayores que las corrientes de
carga, mientras que otros pueden ser muchas veces más los valores de la corriente
normal. Un cortocircuito se puede originar de distintas maneras, por ejemplo, la
vibración del equipo puede producir en algunas partes perdidas de aislamiento, de
manera que los conductores queden expuestos a contacto entre si o a tierra. Otro caso
puede ser el de los aisladores que pueden estar excesivamente sucios por efecto de la
contaminación, y en presencia de lluvia o llovizna ligera, puede producir el flameo
del conductor a la estructura (tierra), cualquiera que sea la causa; los cortocircuitos
son por lo general el resultado de una ruptura dieléctrica del aislamiento, esta ruptura
se puede presentar ya sea que el aislamiento sea hule, madera, cinta de lino barnizada,
o bien, una distancia en aire.
Las Sobrecargas se definen como corrientes que son mayores que el flujo de
corriente normal, están confinadas a la trayectoria normal de circulación de corriente
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
10
y pueden causar sobrecalentamiento del conductor si se permite que continuara
circulando. En general, una sobrecorriente que no excede de cinco a seis veces la
corriente normal, cae dentro de la clasificación de una sobrecarga, aun cuando
pudiera ser un cortocircuito y ser visto por el dispositivo de protección como una
sobrecarga.
La coordinación, es la selección o ajuste, o ambas cosas, de los dispositivos de
protección, para aislar la parte afectada del sistema cuando ocurre alguna
anormalidad. Este aspecto se debe considerar en cualquier sistema eléctrico bien
diseñado.
Es importante que a partir del servicio, o bien, de las características de las cargas
por alimentar, la información requerida en principio sea la siguiente:
El plano de la planta, mostrando las obras adyacentes.
El punto de entrega o suministro de energía eléctrica por la compañía
suministradora.
Naturaleza de la carga conectada y voltajes de utilización.
Valor del cortocircuito en el punto de suministro.
Forma de conexión a tierra de los neutros.
Diagrama unifilar que contenga la siguiente información:
• Fuentes de alimentación
• Tamaño, tipo, ampacidad y número de todos los conductores.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
11
• Capacidad, voltajes, impedancias, conexión de devanados y conexión
a tierra de los mismos.
• Identificación y cantidad de dispositivos de protección.
• Transformadores de instrumentos.
Toda esta información, debe permitir realizar los siguientes estudios:
Cortocircuito. Calculo de la corriente y/o potencia del cortocircuito en todas
las barras del sistema y las contribuciones en los elementos.
Protección. Diseñar los sistemas de protección requeridos, que deben ser
considerados como una parte integral de diseño total del sistema.
2.1.1. Estudio de Cortocircuito
El calculo de las corrientes de cortocircuito, es esencial para le selección de la
capacidad adecuada del equipo de protección y los dispositivos de interrupción. En
los estudios de protección, también es básico para la coordinación de protecciones.
Los procedimientos de cálculo de cortocircuito son generales, ya que por un lado el
fenómeno es el mismo y, por el otro, la metodología no difiere en forma importante
entre un sistema eléctrico de potencia clásico y un sistema de potencia de tipo
industrial.
Los sistemas eléctricos de potencia en plantas industriales, se diseñan para
alimentar las cargas en una forma segura y confiable. Uno de los aspectos a los que se
le pone mayor atención en el diseño de los sistemas de potencia, es el control
adecuado de los cortocircuitos o de las fallas, como se le conoce comúnmente, ya que
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
12
estas pueden producir interrupciones de servicio con la consecuente perdida de
tiempo, la interrupción de facilidades importantes o servicios vitales y, desde luego,
el riesgo de daño a personas, equipos e instalaciones.
El máximo valor de la corriente de cortocircuito esta directamente relacionado al
tamaño y capacidad de la fuente de potencia, y es independiente de la corriente de
carga del circuito protegido por el dispositivo de protección. Entre mayor es la
capacidad de cortocircuito de la fuente de potencia, mayor es la corriente de
cortocircuito.
Cuando se hace un estudio para determinar la magnitud de las corrientes de
cortocircuito, es muy importante que se consideren todas las fuentes de cortocircuito
y que las características de las impedancias de estas fuentes sean conocidas.
2.1.2. Obtención de los Valores de impedancias de las componentes del Sistema
Para los estudios de cortocircuito, en la elaboración de diagramas de impedancias
es necesario representar los valores de las impedancias o reactancias de los elementos
del sistema; algunos de estos valores se obtienen directamente de datos de placas de
cada componente, y otros se obtienen a través de algunos cálculos y consideraciones.
En esta parte, se hará referencia a estos criterios.
Transformadores. La reactancia o impedancia de los transformadores se
expresa comúnmente en porciento (%Zr) referida a la potencia nominal del
transformador en KVA. Este valor de impedancia, usualmente se expresa a la
capacidad del transformador (en KVA) a la capacidad de autoenfriamiento.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
13
Maquina Rotatorias. La impedancia de una maquina rotatoria, consiste en
principio de una reactancia que no es un valor simple, como es el caso de la
impedancia de los transformadores, ya que para las maquinas, es un valor complejo y
variable con el tiempo.
Si se aplica un cortocircuito trifásico a los terminales del generador, se observa,
cuando se toma un oscilograma, que se inicia con un valor alto y decae a un valor de
estado estacionario, después de algún tiempo que se ha iniciado el cortocircuito. Con
el propósito de simplificar, se consideran tres valores de reactancias para generadores
y motores en el cálculo de cortocircuito en tiempo específico. Estos valores se
conocen como:
a. Reactancia subtransitoria (X”d): Es la reactancia aparente del devanado del
estator en el instante en que ocurre el cortocircuito y determina el valor de la
corriente que circula durante los primeros pocos ciclos después de la falla.
b. Reactancia Transitoria (X´d): Esta reactancia determina la corriente que
sigue al periodo cuando la reactancia subtransitoria decae. La reactancia
transitoria es efectiva después de uno y medio ciclos, esto, dependiendo del
diseño de la maquina.
c. Reactancia Sincrónica: Es la que determina la corriente que circula cuando
se llega a la condición de estado permanente. No es efectiva hasta después de
varios segundos de que ocurre el cortocircuito.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
14
En la figura 2.1. se puede observa como varia la reactancia en función del tiempo
Figura 2.1. Forma de oscilograma para una corriente de cortocircuito
simétrica.
En las siguientes tablas se ilustran los valores de reactancias típicos para
maquinas sincrónicas (tabla 2.1) y transformadores de subestaciones (tabla 2.2).
Tabla 2.1 Datos de Reactancia de Maquina Síncronas
X”d X´d
Rango Medio Rango Medio
A) GENERADORES.
1. Tuborgeneradores de rotor liso.
2 Polos 625-9375 KVA
2 Polos 12500 KVA o mayores
4 Polos 12500 KVA o mayores
6-13
8-12
10-17
9
10
14
No se usa en los
cálculos de
cortocircuito
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
15
X´´d X´d
Rango Medio Rango Medio
2. Generador de polos salientes (sin devanado de amortiguamiento)
12 Polos o menos
14 Polos o mas
15-35
25-45
25
35
No se usa en
cortocircuito
3. Generador de polos salientes (con devanado de amortiguamiento)
12 Polos o menos
14 polos o mas
10-25
18-40
18
24
No se usa en
cortocircuito
B) Condensadores Síncronos 9-38 24
C) Motores Síncronos
4 Polos
8-14 Polos
7-16
11-22
10
15
10-22
17-36
15
24
Tabla 2.2. Datos para transformadores de subestaciones Integrales y
Unitarias.
TIPO SECO EN ACEITE
440 V 2400 - 4800 V 6,9 – 15 KV 2400 – 1500 V KVA
%Z X/R %Z X/R %Z X/R %Z X/R
75 3 0.83 6.2 2.15
112.5 4.6 1.63 4.5 1.77 6.1 1.93
150 5.5 2.08 4.2 1.95 5.3 2.33
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
16
TIPO SECO EN ACEITE
440 V 2400 – 4800 V 6,9 – 15 KV 2400 – 1500 V KVA
%Z X/R %Z X/R %Z X/R %Z X/R
225 5.9 4.58 4.6 1.75 6.1 2.4 2.0 2.5
300 4.9 2.5 5.2 3.57 6.0 3.22 4.5 3.0
500 4.1 3.69 5.3 4.33 6.4 4.43 4.5 3.5
2400 – 15000 V
%Z X/R
750 5.2 2.88 5.75 5.0 5.75 4.0
1000 4.7 3.46 5.75 3.7 5.75 4.75
1500 5.75 6.5 5.75 5.5
2000 5.75 7.2 5.75 9.0
2500 5.75 7.5 5.79 6.0
2.2. SISTEMAS DE PUESTAS A TIERRA
En los sistemas eléctricos, por distintas causas se presentan sobretensiones, que
pueden producir colapsos del aislamiento y en consecuencia daños y/o pérdida del
servicio.
La aislación debe ser elegida económicamente, sobredimensionarla implica
aumentos de tamaño, y peso de los cables y equipos, aumento de la resistencia al flujo
de calor (en consecuencia disminución de las densidades de corrientes y del
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
17
aprovechamiento), factores que se reflejan todos en mayores costos. Por otra parte, la
aislación debe estar dimensionada para soportar las solicitaciones que efectivamente
se presentarán; un ulterior sobre-dimensionamiento no implica beneficio alguno.
Las sobretensiones que se presentan dependen de factores externos,
características de componentes, y de características de diseño de la red. El problema
debe ser correctamente planteado desde el comienzo del diseño, en forma tal de
lograr que las sobretensiones sean mínimas, evitando configuraciones de la red que
puedan causar sobretensiones, eligiendo componentes adecuados por sus parámetros
y formas de operación, previendo y proyectando las protecciones oportunas.
Uno de los factores que más influye en la magnitud de las sobretensiones es la
conexión a tierra del centro de estrella del sistema, a medida que la impedancia de
tierra disminuye se reduce el valor de las sobretensiones que se pueden presentar.
Pero a su vez la reducción de la impedancia de tierra aumenta las corrientes de
falla monofásicas, es así que la elección del sistema de puesta a tierra de la red es un
compromiso entre condiciones de aislación y corrientes de cortocircuito aceptables.
La amplitud de las sobretensiones está especialmente ligada a la conexión más o
menos efectiva del neutro del sistema a tierra.
Si el sistema está aislado de tierra, en general las tensiones son elevadas ya que
no existe posibilidad de descarga de las capacitancias de secuencia cero, en estos
casos se pueden alcanzar tensiones elevadas por causas estáticas.
En casos de neutro aislado también los contactos con circuitos de tensión
superior son muy peligrosos ya que no implican falla del sistema de tensión superior,
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
18
y su desconexión. Las sobretensiones de origen interno están ligadas a la tensión
nominal del sistema a través de algún coeficiente que depende de la puesta a tierra.
2.2.1. Puesta a Tierra del Neutro
La aislación del neutro de la red, o su conexión a tierra directa, o por medio de
una impedancia (resistencia o reactancia) o con una bobina resonante, constituye una
cuestión que debe ser examinada bajo distintos puntos de vista, y que permite llegar a
distintas soluciones según el criterio que se fije.
Cuando en un sistema trifásico se produce una falla a tierra de una fase, se
presentan tensiones y corrientes de falla que para su estudio se descomponen en
componentes simétricas.
En los sistemas con neutro aislado, el potencial de los distintos puntos del
sistema respecto de tierra no está definido. El sistema está conectado a tierra a través
de capacidades, sin embargo se denomina sistema con neutro aislado, ya que no tiene
una conexión a tierra intencional. En un sistema con neutro aislado, la aparición de
una falla no afecta la operación pero pone al sistema en una condición muy riesgosa
ya que la segunda falla creará una condición de cortocircuito bifásico, con corriente
de falla elevada y que puede afectar distintas líneas. El tiempo de funcionamiento de
un sistema con neutro aislado en condiciones de falla debe ser limitado, para
minimizar riesgos.
La corriente de falla está limitada por las impedancias de las capacidades
equivalentes, y eventualmente la resistencia de la falla, esta corriente es
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
19
independiente (prácticamente) del punto en que ocurre la falla. El punto de falla, si
está conectado a tierra a través de cierta resistencia, asume una tensión que no debe
alcanzar valores peligrosos es importante entonces que las conexiones a tierra sean de
baja impedancia y seguras para que no presenten peligro.
En la práctica las desventajas de los sistemas con neutro aislado son tales, que
sólo se utilizan en redes de distribución de pequeña magnitud.
Se puede lograr una buena detección de la falla aún con corrientes relativamente
pequeñas, del orden de las corrientes normales y aún menos (10 - 50 A). Esta
situación se consigue con una resistencia de puesta a tierra, o un transformador
conectado entre el centro de estrella y la tierra, y con una resistencia en el secundario.
La corriente de falla puede limitarse menos del 25 % de la falla trifásica.
En tensiones medias no existen casi ventajas económicas en la aislación (solo se
tienen para los descargadores) y en consecuencia se prefiere limitar las corrientes de
falla, manteniéndolas suficientemente elevadas para lograr una buena coordinación de
las protecciones, y en general se hacen instalaciones con resistores de puesta a tierra,
mientras que en bajas tensiones las dificultades de detección de fallas homopolares,
hacen que sean necesarias corrientes de falla en la fases de valor elevado, entonces la
puesta a tierra del sistema nuevamente se hace rígida.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
20
2.3. DISPOSITIVOS PARA LA PROTECCIÓN DE SISTEMAS
2.3.1. Dispositivos de Protección contra Sobrecorrientes
Los dispositivos de protección contra sobrecorriente son los elementos que han
sido contemplados para proteger los sistemas eléctricos de los daños por sobrecarga y
corrientes de cortocircuito. Por esta razón, es obvio que estos dispositivos representan
una función extremadamente importante. De aquí que una definición de la protección
contra sobrecorriente sea la siguiente: “la protección contra sobrecorriente para
conductores y equipos se proporciona con el propósito de interrumpir el circuito
eléctrico, si la corriente alcanza un valor que pudiera causar una temperatura excesiva
y peligrosa en el conductor o su aislamiento”.
De aquí que casi todos los circuitos eléctricos deban tener protección contra
sobrecorriente en alguna forma; solo en algunos casos, muy raros, se diseñan los
circuitos sin protección por sobrecorriente.
Los dispositivos de protección contra sobrecorriente, deben cumplir con los
siguientes requerimientos generales:
a). Ser completamente automáticos.
b). Transportar la corriente normal sin interrupción.
c). Interrumpir inmediatamente las Sobrecorrientes.
d). Ser fácilmente reemplazables o reestablecidos.
e). Ser seguros bajo condiciones normales y de sobrecorriente.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
21
Para reunir los requerimientos para la protección contra cortocircuito, deben
cumplir totalmente con las siguientes especificaciones básicas:
Debe ser capaz de cerrar en forma segura sobre cualquier valor de corriente
de carga o corriente de cortocircuito, dentro del rango de capacidad
momentánea del dispositivo.
Debe ser seguro para abrir cualquier corriente que pueda circular dentro del
rango de interrupción del dispositivo.
Debe interrumpir automáticamente un flujo anormal de corriente dentro de su
capacidad interruptiva.
Existen básicamente dos dispositivos fundamentales que se usan en forma
común para cumplir con las funciones de protección, estos son:
1. Los Interruptores.
2. Los fusibles.
2.4. TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTO
Se denominan transformadores de instrumentos o de medición, a los que se
emplean para alimentar circuitos que tienen instrumentos de medición y/o protección,
el uso de estos transformadores se hace necesario en las redes de alta tensión en
donde se requiere reducir los valores de voltaje y corriente a cantidades admisibles
para los instrumentos, ya sea por razones de seguridad o por comodidad.
Los propósitos específicos para los que sirven los transformadores de
instrumento son, entre otros, los siguientes:
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
22
a) Aísla los instrumentos de medición y protección del circuito primario o de
alta tensión, permitiendo así medir altos voltajes y altas corrientes con
instrumentos de bajo alcance.
b) Dar mayor seguridad al personal, al no tener contacto con partes en alta
tensión.
c) Permite la normalización de las características de operación de los
instrumentos.
Existen básicamente dos tipos de transformadores de instrumentos: los
transformadores de potencial (TP) que reducen el voltaje y los transformadores de
corrientes (TC) que reducen la corriente, conectados en paralelo y en serie,
respectivamente.
2.4.1. Transformadores de Corriente
Los transformadores de corriente se pueden dividir, de acuerdo a su uso, en dos
grandes grupos:
Transformadores de corriente para mediciones
Transformadores de corriente para protecciones
Los transformadores de corriente para mediciones deben transformar con gran
exactitud la corriente primaria de carga. Esta corriente puede variar desde un pequeño
porcentaje de la corriente nominal, cuando la carga es baja, hasta un valor algo
superior a la corriente nominal, cuando el circuito primario esta ligeramente
sobrecargado. Cuando se presenta un cortocircuito no tiene ninguna importancia que
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
23
un transformador de corriente para mediciones reproduzca con exactitud o con error
la corriente, puesto que un cortocircuito es de muy corta duración y no va a afectar la
lectura de los aparatos conectados al transformador. Por el contrario, un
transformador de corriente para protecciones debe reproducir con exactitud no solo la
corriente de carga sino también la corriente de cortocircuito, que normalmente tiene
valores muy elevados, para que los relés de protecci6n puedan operar correctamente.
Se puede ver entonces que existe una gran diferencia entre los dos grupos de
transformadores y que cada grupo debe tener sus características propias.
En al figura 2.2. se muestra el circuito equivalente simplificado de un
transformador de corriente.
Figura 2.2. Circuito equivalente simplificado de un transformador de
corriente
En la figura 2.2:
Ip = corriente primaria
Ips = corriente primaria referida al secundario
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
24
Is = corriente secundaria
Ies = corriente de excitación
Zs´ = impedancia secundaria del transformador
Xms = reactancia de la rama magnetizante
Zc = impedancia de los cables de conexión
Zb = impedancia de la carga conectada al transformador
Es = tensión secundaria inducida
Vs = voltaje secundario en los terminales del transformador
Utilizando el circuito equivalente simplificado se puede construir el diagrama
fasorial del transformador que se muestra en la figura 2.3.
Figura 2.3. Diagrama fasorial de un transformador de corriente
Del diagrama fasorial se puede ver claramente que la corriente secundaria Is es
diferente a la corriente ideal Ips, es decir, existe un error en la corriente secundaria.
Este error no es solo en magnitud sino también en ángulo.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
25
2.4.1.1.Transformador de Corriente para Mediciones
En la práctica al conocerse los errores máximos de los transformadores, se puede
escoger para una aplicación un transformador cuyo error se pueda despreciar. Por
ejemplo, si en una aplicación determinada el error máximo en corriente no debe
exceder del 2% será necesario escoger un transformador con error menor del 2%.
Existen varios métodos o normas para expresar el error de los transformadores de
corrientes para mediciones. En general, estos métodos dependen del país donde haya
sido construido el transformador. A continuación se estudiara el método según
normas BS 3938 (Inglaterra), por ser los transformadores objeto del estudio de
fabricación Europea.
Normas BS 3938, para Transformadores de Corriente para Mediciones
Estas normas son iguales a las normas IEC-185 en lo concerniente a clases de
exactitud y limites de error. En las normas BS 3938 (o IEC-185) se define un error
de corriente o de relación de la siguiente manera:
100*Ip
IpIs*NpNs
ε−
= [2.1.]
La clase de un transformador es igual al error de corriente máximo permisible
cuando la corriente es nominal. En las tablas 2.3. y 2.4. se especifican los límites de
error para cada una de las clases.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
26
Tabla 2.3. Limites de error de los Transformadores de Corriente para
Mediciones
Error de I (%) para el rango de
corriente especificado abajo
Error de φ (min.) para el rango de
corriente especificado abajo
CLASE
I>10%In a
I<20%In
I ≥20% In
a I<100%In
I≥100%In
a I<120%In
I>10%Ina
I<20%In
I ≥20% In
a I<100%In
I≥100%In
a I<120%In
0.1 0.25 0.2 0.1 10 8 5
0.2 0.5 0.35 0.2 20 15 10
0.5 1 0.75 0.5 60 45 30
1 2 1.5 1 120 90 60
Tabla 2.4. Limite de error de los Transformadores de Corriente para
Mediciones
Error de I (%) para el porcentaje de la
corriente nominal indicado abajo CLASE
50
120
3 3 3
5 5 5
Además de la clase de un transformador es necesario conocer la carga secundaria
(burden) nominal. Las cargas secundarias normalizadas son 2.5 VA, 5 VA, 7.5 VA,
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
27
10 VA, 15 VA y 30 VA. Cuando se especifica un transformador primero se da la
carga nominal y luego la clase, por ejemplo, 15 VA clase 0.5.
Para las clases 0.1 a 1 los limites de error de la tabla 2.3. no deben excederse
cuando la carga secundaria tiene cualquier valor comprendido entre el 25% y el 100%
de su valor nominal.
Para las clases 3 y 5 los limites de error de la tabla 2.4. no deben excederse
cuando la carga secundaria tiene cualquier valor comprendido entre el 50% y el 100%
de la carga nominal.
2.4.1.2. Transformador de Corriente para Protecciones
Los transformadores de corriente para protecciones deben mantener una
precisión razonable para corrientes de cortocircuito elevadas. Las normas IEC y las
normas BS definen el factor límite de precisión como el valor máximo de la corriente
primaria (en múltiplos de la corriente primaria nominal) para el cual el transformador
no excede un error determinado. Los factores límites de precisión normalizados son
5, 10, 15, 20 y 30.
En general, un transformador de corriente para protecciones conserva su
exactitud si no se satura. Cuando un transformador se satura su flujo se hace
constante y su tensión inducida, es, se hace cero (dφ/dt=0) lo cual hace que la
corriente secundaria, is trate de hacerse cero (es=is*Rs+Ls*dis/dt). La corriente is no
se hace cero tan pronto el transformador se satura debido a la inductancia del
secundario.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
28
Normas IEC-185 o BS 3938 para transformadores de corrientes de
Protecciones
Las normas IEC y BS establecen que el error de un transformador no se excede si
la corriente primaria (en múltiplos de la corriente nominal) no excede el factor límite
de precisión y la carga conectada al transformador no excede la carga nominal.
En estas normas se definen dos clases de transformadores para protecciones. Clase 5P
y Clase 10P. La clase es una medida del error según se puede ver en la tabla 2.5. La
letra P es para indicar “Protección”.
Tabla 2.5. Limites de error de los Transformadores de Corriente para
Protecciones
CLASE
Limite del error de
I para una
corriente primaria
nominal, ε
Limite del error en
φ para una
corriente primaria
nominal
Limite del error
compuesto para
una corriente igual
al factor limite de
precisión, εc
5P ± 1% ± 60´ 5%
10P ± 3% ± 60´ 10%
Además de la clase del transformador es necesario especificar la carga
secundaria nominal y el factor limite de precisión. Por ejemplo, un transformador se
puede definir como 10VA, clase 10P15. Esto significa que la carga nominal es de 10
VA, la clase es 10P y el factor limite de precisión es 15.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
29
Las cargas secundarias normalizadas son 2.5 VA, 5 VA, 7.5 VA, 10 VA, 15 VA
y 30 VA.
Los factores límites de precisión normalizados son 5, 10, 15, 20 y 30.
2.4.2. Transformadores de Potencial
Los transformadores de voltaje se pueden clasificar en dos grupos principales:
a) Transformadores electromagnéticos, los cuales a su vez pueden subdividirse
en transformadores convencionales, con un solo núcleo por fase, y
transformadores en cascada, con varios núcleos por fase. Para simplificar, el
transformador convencional se designa simplemente transformador de voltaje,
sin agregarle mas calificativos.
b) Divisores de tensión capacitivos, también llamados transformadores
capacitivos.
En la figura 2.4. se muestra el circuito equivalente simplificado de un
transformador de voltaje.
Figura 2.4. Circuito equivalente simplificado de un transformador de voltaje.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
30
Donde:
Ip, Is = corriente primaria y secundaria, respectivamente.
Ies = corriente de magnetización y de perdida en el hierro, referida al secundario.
Ips = corriente primaria referida al secundario de un transformador ideal.
Vp, Vs = voltajes en el primario y secundario, respectivamente.
Vps = voltaje secundario de un transformador ideal.
Rfes = resistencia de perdidas en el hierro, referida al secundario.
Xms = reactancia de magnetización, referida al secundario.
Rts = resistencia serie total, referida al secundario.
Xts = reactancia serie total de dispersión, referida al secundario.
Utilizando el circuito equivalente simplificado se puede construir el diagrama
fasorial del transformador que se muestra en la figura 2.5.
Figura 2.5. Diagrama fasorial simplificado de un transformador de voltaje.
Del diagrama fasorial de la figura 2.5. es evidente que los voltajes Vps y Vs no
son iguales en magnitud ni están en fase, al contrario de lo que ocurre en un
transformador ideal. Por consiguiente, el voltaje secundario no es exactamente una
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
31
replica fiel del voltaje primario. El ángulo γ representa un error en ángulo y la
diferencia en los módulos de Vps y Vs es una medida del error en la relación de
transformación. Es necesario tener presente que el diagrama fasorial de la figura 2.4.
se obtuvo a partir de un circuito aproximado. Si se desean cálculos extremadamente
precisos, se debe utilizar el circuito completo; sin embargo, en las protecciones no se
necesitan cálculos tan exactos, y el circuito de la figura 2.4. junto con su diagrama
fasorial de la figura 2.5. son más que suficientes.
Normas IEC 60186
En estas normas el error en magnitud se define entre el voltaje primario, obtenido
a partir de una medición de voltaje secundario, y el voltaje primario verdadero. Este
error representa la clase del transformador.
%100*
−=
p
psn
VVVK
ε [2.2.]
Las cargas normalizadas, con un factor de potencia de 0,8 en atraso, tienen los
siguientes valores, en VA: 10-15-25-30-50-75-100-150-200-300-400-500
Los valores en negrita son valores preferidos.
Los errores máximos permitidos, de acuerdo a la clase del transformador, se
indican en la tabla 2.6. Estos errores no deben ser excedidos para cualquier voltaje
comprendido entre el 80% y el 120% del voltaje nominal y para cualquier carga
secundaria comprendida entre 25% y el 1005 de la carga nominal, con un factor de
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
32
potencia de 0,8 en atraso. Los factores de Sobretensión normalizados son 1.2, 1.5 y
1.9
Tabla 2.6. Limite de error de transformadores de Voltaje
CLASE Error en magnitud, ε, % Error en ángulo, minutos
0,1 ± 0,1 ± 5
0,2 ± 0,2 ± 10
0,5 ± 0,5 ± 20
1,0 ± 1,0 ± 40
3,0 ± 3,0 No se especifica
2.4.2.1. Transformadores de Voltaje para Protecciones
La clase de estos transformadores se designa mediante un numero seguido de la
letra P. el numero representa el error máximo en magnitud y la letra P indica que es
un transformador para protecciones. Los errores máximos permitidos, indicados en la
tabla 2.7., no deben ser excedidos para cualquier voltaje comprendido entre el 5% del
voltaje nominal y la tensión nominal multiplicada por el factor de Sobretensión, y
para cualquier carga secundaria comprendida entre el 25% y el 100% de la carga
secundaria nominal, con un factor de potencia 0,8 en atraso. Los factores de
Sobretensión normalizados son 1.2, 1.5 y 1.9, para voltajes menores del 5% se debe
llegar a un acuerdo entre el fabricante y el usuario, en cuanto al error se refiere.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
33
Tabla 2.7. Limites de error para Transformadores de Voltaje para
protecciones
CLASE Error en magnitud, % Error en ángulo, minutos
3P ± 3,0 ± 120
6P ± 6,0 ± 240
Debido a la diversidad de voltajes secundarios normalizados en los países
productores de transformadores de voltajes, la norma IEC permite los siguientes
voltajes normalizados: 100 – 110 – 115 – 120
100/√3 - 110/√3 - 115/√3 - 120/√3
La primera fila de valores corresponde al voltaje secundario de transformadores
monofásicos, o al voltaje secundario de línea de transformadores conectados en
estrella. La segunda fila corresponde al voltaje de fase de transformadores conectados
en estrella
2.5. RELEVADORES DE PROTECCIÓN
Un relevador de protección, es un dispositivo que se puede energizar por una
señal de voltaje, una señal de corriente o por ambas. Cuando es energizado, opera
para indicar o aislar las condiciones anormales de operación. Básicamente un
relevador de protección, consiste de un elemento de operación y de un conjunto de
contactos; el elemento de operación toma la señal de dispositivos sensores en el
sistema, tales como los transformadores de potencial o de corriente, o ambos en
algunos casos.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
34
Cuando el relevador opera, puede actuar sobre una señal, o bien, completar un
circuito para disparar un interruptor, el cual a su vez aísla la sección del sistema que
tiene problemas. Los relevadores se fabrican en cualquiera de los siguientes tipos
básicos:
Electromecánicos.
Estáticos.
De microprocesadores.
Esta clasificación se refiere a su tipo constructivo y principio de operación. Los
del tipo electromecánicos son los mas antiguos y su uso es cada vez mas restringido
en los sistemas eléctricos de potencia, aun cuando son aplicables en las instalaciones
eléctricas industriales con ciertas ventajas.
En esta sección hablaremos solo del tipo electromecánico, por ser los utilizados en
el estudio de este proyecto.
2.5.1. Relevador Electromecánico
El relevador electromecánico en su concepto más elemental, consiste de un
elemento de operación y un grupo de contactos. El elemento de operación en si,
determina la forma constructiva, que puede ser, en el caso de los relevadores
electromecánicos, de cualquiera de los tipos siguientes:
Atracción de núcleo.
Armadura con bisagra.
Disco inducción.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
35
Copa inducción.
2.5.1.1. Relevador de atracción electromagnética
En los relés de atracción la fuerza viene dada por la expresión:
2I2K21KFe == φ [2.3.]
donde,
K1, K2 = constantes
φ= flujo magnético en weber
El flujo a su vez puede calcularse por la expresión:
aI
µoANI=φ [2.4.]
donde,
A = área atravesada por el flujo
µo = permeabilidad magnética del aire
N = numero de espiras en la bobina
I = corriente
Ia = longitud del entrehierro
La fuerza total en la armadura es el resultado de la fuerza electromagnética y la
fuerza opositora, representada esta ultima por la acción del resorte y el peso mismo de
la armadura.
3K2I2K3K21KF −=−= φ [2.5.]
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
36
La armadura se mueve (es decir, el relé opera) cuando la fuerza electromagnética
es mayor que la fuerza opositora o resistente. El punto crítico se obtiene cuando la
fuerza neta se hace cero, definiéndose así la corriente mínima de operación o
corriente de arranque, Iarr
03K2arrI2KF =−= [2.6.]
4K2K3K
arrI == [2.7]
La curva característica de operación de estos relés tiene la forma mostrada en la
figura 2.5.
De acuerdo a las ecuaciones 2.4. y 2.5 la corriente de arranque se puede variar
cambiando el número de espiras N, cambiando la longitud del entrehierro y
cambiando la fuerza resistente (fuerza del resorte).
Los relés de atracción pertenecen a una clase de relés denominados instantáneos.
Se denominas así por que operan en un tiempo muy breve y sin ningún tiempo
intencional de retardo. Cuando la corriente de operación supera una tres veces la de
arranque, el relé opera prácticamente en el mismo tiempo (t1 en la figura 2.6.),
independientemente de la magnitud de la corriente; estos es debido a la saturación del
material ferromagnético.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
37
Figura 2.6. Curva de operación de un relé de atracción.
Los relés que operan cuando la corriente excede un mínimo se denominan relés
de sobrecorriente, siendo este un uso común de los relés de atracción. Los relés de
atracción se pueden utilizar también como relés de sobrevoltaje y como relés de bajo
voltaje, ya que la expresión de la fuerza electromagnética (ecuación 2.3) se puede
sustituir I por V, por ser la corriente proporcional al voltaje.
3K25KFe −= V [2.8.]
cuando la fuerza se hace cero se tiene:
6K5K3K
arrV == [2.9]
donde,
Varr = Voltaje de arranque
Si el voltaje que se aplica al relé es mayor que el voltaje de arranque (K5V2 >
K3), el relé opera, es decir, cierra sus contactos a y abre sus contactos b. Si el voltaje
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
38
que se aplica al relé es menor que el de arranque (K5V2 < K3), el relé permanece
desnergizado, o se repone si estaba energizado y el voltaje es inferior al de
reposición; al reponerse cierra sus contactos b y abre sus contactos a. como para darle
una orden de apertura a un interruptor hay que energizar un contactor de disparo
(mediante el cierre de uno de sus contactos), es usual que los relés de Sobretensión
tengan contactos a y los de Subtensión contactos b.
En un relé de Sobretensión, en condiciones normales de operación, el voltaje aplicado
es inferior al de arranque y el relé esta desnergizado; en cambio, en un relé de
Subtensión, en condiciones normales, el voltaje aplicado es superior al de arranque y
el relé esta energizado. El relé de Sobretensión envía una orden al interruptor cuando
se activa, mientras que el relé de Subtensión envía la orden al interruptor cuando se
desactiva o desnergiza.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
39
CAPITULO III
ANÁLISIS DE LA SITUACION ACTUAL
3.1. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
El convertidor de frecuencia de la empresa SERVIMAR consta de dos grupos
motor-generador. Cada grupo consiste en un motor DC y un generador CA, montados
juntos en un plato común y acoplados mediante un cinturón de caucho. Los motores
DC son idénticos entre sí, y por consiguiente es posible intercambiarlos.
El sistema de alimentación para los convertidores consiste de un conjunto de
Tiristores Principales y un campo de excitación para los motores DC. Se puede
escoger el motor a utilizar cambiando manualmente dos barras ubicadas dentro del
cajón. Este sistema que controla los motores se denomina FIAB en la figura 3.1.
Para los generadores hay dos juegos de Tiristores montados juntos en un cajón,
donde se escoge el generador a utilizar mediante un interruptor ubicado en la parte
frontal de la puerta. También se encuentran ubicados dispositivos para conectar con el
Tiristor principal (FIAB). Este sistema se denomina AROS en la figura 3.1.
Se dispone de un tablero de mando a control remoto, integrado principalmente
por un controlador lógico programable (PLC), además posee instrumentos de
medición y protección, así como de señales de identificación visuales para alarmas y
funcionamiento del sistema.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
40
En la figura 3.1. se muestra un diagrama general del Convertidor de Frecuencia
utilizado por la empresa SERVIMAR.
Figura 3.1. Diagrama General del Convertidor de Frecuencia
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
41
3.1.1. Especificaciones Técnicas del Sistema
Convertidor A
Motor DC: Asea tipo LAE 500S, N° 6013692, 450 KW, 1500 r/m (máx. 1800
r/m), Arm. 440 V - 1090 Amp, exc. 110 V - 7 Amp, Ventilador Elec.
3x440 V, 60 Hz, 2.5 KW, 5.2 Amp, 1740 r/m, tipo SOD 4-315-143
Tacho BD 2510 B, 100 V/1000 r/m.
Generador AC: ASEA tipo GA 1207, N° 4223935, 2 MVA x 0.8, máx. 1800 r/m,
11 KV, 100 Amp, exc. 40 V – 240 Amp, máx. 60 Hz.
Motor y Generador están montados en un plato común y acoplados mediante un
cinturón de caucho ASEA tipo BEK 660, N° 308253-56.
Convertidor B
Motor DC: Igual que el motor anterior N° 6013691.
Generador AC: SIEMENS tipo 1FM2 349(-260), N° N9982122
1700 KVA 1345 r/m 1450 V 675 Amp
1300 KVA 1080 r/m 1170 V 640 Amp
Motor y Generador están montados en un plato común y acoplados mediante un
cinturón de caucho ASEA tipo BEK 660, N° 308257-60.
Tiristor Principal: FIAB tipo RFR 525/1100, N° N-E5892
Input: 3x440 V, 60 Hz, 880 Amp.
Output: 0-525 V, DC, 1100 Amp, Carga motor DC, exc. 110 V.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
42
Conjunto de Tiristores para Generador: AROS tipo BBP 100/190 BBP, N° 87017
Input: 3x440 V, 60 Hz, 63 Amp.
Output A: 0-40 V, 240 Amp para Gen. ASEA GA1207.
Realimentación de voltaje por vía del TP en el generador.
Output B: 0-100 V, 190 Amp para Gen. SIEMENS 1FM2-349.
Realimentación de voltaje por vía del TP en el generador.
En la siguiente figura 3.2. se puede observar el grupo Motor-Generador
denominado Convertidor B en las especificaciones descritas anteriormente. A la
izquierda del recuadro se encuentra el generador y ala derecha el motor DC, y arriba
del motor se aprecia el motor de enfriamiento.
Figura 3.2. Grupo Motor-Generador #2 de la empresa SERVIMAR.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
43
3.2. CENTRO DE CONTROL DE MOTORES (FIAB)
El sistema cuenta con dos motores DC, que son controlados y protegidos a través
de varios dispositivos que se encuentran montados en un cajón denominado FIAB
(ver figura 3.1). El dispositivo principal es un rectificador puente totalmente
controlado de seis pulsos de conmutación no instantánea, que alimenta la armadura de
los motores y es el encargado del control de encendido de los mismos. En la figura
3.3. se muestra el diagrama general de un convertidor totalmente controlado
conectado a la armadura del motor.
Figura 3.3. Convertidor de seis pulsos de conmutación no instantánea
Los motores DC y el rectificador cuenta cada uno con un sistema de
enfriamiento para evitar la sobretemperatura en ellos. El ventilador del rectificador
esta ubicado dentro del gabinete del FIAB, así como el sistema de control de los
pequeños motores de ventilación.
El FIAB también es el encargado de alimentar el campo de excitación de los
motores DC a través de un rectificador SIEMENS denominado G1 (ver plano #2
FIAB).
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
44
El FIAB cuenta con unas series de tarjetas electrónicas que se encargan de
controla el nivel del pulso de disparo de los tiristores, para el control de arranque y
velocidad del motor DC, entre ellas se encuentran:
GFD 036B1 (unidad rampa integradora)
GWX 201 ( Amplificador de Voltaje)
GWX 202 ( Amplificador de Corriente)
GWP 805 (unidad de pulsos de disparos)
En la figura 3.4. (Izquierda) se tiene una imagen del FIAB ubicado en el
laboratorio de alta tensión de la empresa SERVIMAR. (Derecha) plano mayor del
rectificador de tensión de la armadura del motor DC.
Figura 3.4. Panel de Control de Motores (FIAB)
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
45
3.2.1. Protecciones Existentes en el FIAB
Las protecciones existentes en el FIAB constan de fusibles, interruptores
termomagnéticos, así como de contactores de desconexión en caso de falla por:
Protección de sobrevelocidad en los Motores:
Este tipo de protección se realiza a través de un rele tacometrico SM155 que tiene
rango de medición de 200 – 2.000 r.p.m. cuyo valor es ajustable. El rele es controlado
a través de un sensor inductivo colocado en el eje del motor que es el encargado de
monitorear la velocidad del mismo. Este mecanismo simplemente consiste en un
sensor que dependiendo de la velocidad del eje del motor, emite un valor de voltaje
que al superar el máximo posible, activa la bobina del rele y este a su vez abre o
cierra sus contactos produciéndose de esta forma la desconexión de la maquina.
Se dispone de dos mecanismos idénticos uno para cada maquina, que difieren en
el ajuste de velocidad requerido para cada motor.
Protección de sobretemperatura en los Motores y Generadores:
La protección de sobre temperatura en los motores y generadores se realiza a
través de relés térmicos (Termal Trip) tipo Telemecanique LL2SCC00, que se
encargan de sensar la temperatura en los devanados y cojinetes de los motores y
generadores (excepto los devanados del rotor), se cuenta con 8 relé térmicos uno
para el devanado y otro para los cojinetes en cada maquina.
La temperatura se controla con termistores dispuestos en los devanados y
cojinetes de las maquinas, los termistores son del tipo PTC (Coeficiente de
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
46
Temperatura Positiva) estos están definidos por una temperatura de referencia (RT),
la resistencia de estos termistores aumenta considerablemente tan pronto se alcanza el
valor de RT y una vez se enfrié vuelve a su valor de resistencia original, debido a su
pequeño tamaño el termistor es capaz de seguir rápidamente cualquier variación de
temperatura que ocurra en el punto donde el se instala.
La temperatura de disparo para los devanados será de 90°C y para los cojinetes
de 70°C, los terminales de dichos termistores se encuentran el la caja de cables para
los devanados y fuera para los cojinetes. No existe ninguna instalación eléctrica
interior para estos relés, estos deben conectarse al circuito de resumen de error (Ver
Plano #2 FIAB) entre el K17 conexión 14 y K18 conexión A1 (alambre 00119)
Protección de sobretemperatura y circuito en los Tiristores:
Debido a que los tiristores son los encargados de alimentar la armadura de los
motores DC, son indispensables a la hora del correcto funcionamiento del sistema,
por consiguiente estos poseen protección para evitar sobrecalentamiento y corrientes
altas que los averíen.
La protección de sobretemperatura se realiza mediante un dispositivo térmico
ubicado en el disipador de los termistores, dicho dispositivo se encarga de monitorear
la temperatura de funcionamiento y en caso de ser esta mayor al valor normal dispara
un contacto que desnergiza la bobina K14, activando esta la alarma de
sobretemperatura en los tiristores (ver plano #2 FIAB).
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
47
La protección contra altas corrientes en los tiristores se realiza mediante fusibles
de desconexión conectados en serie con cada rama del rectificador como lo ilustra la
figura 3.5. al fundirse uno de estos fusibles quedan desbalanceadas las fases de la
armadura del motor, por consiguiente se debe parar la maquina. Esta operación se
realiza a través de el contactor K15 que tiene conectados los sensores de cada fusible
(seis en total) en serie con el, así de esta manera al activarse uno de esto se produce
una alarma de Fusible de Tiristor y se detiene el motor (ver plano #2 FIAB).
Figura 3.5. Fusibles de protección del rectificador.
Protección de sobrecarga en los ventiladores de enfriamiento:
Debido a que los motores del sistema están acoplados a generadores que
demandan una potencia mayor a la entregada por ellos, estos deben tener un sistema
de enfriamiento directo, es decir, deben poseer ventiladores que ayuden a enfriar
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
48
rápidamente sus partes y evitar que estas alcancen grandes temperaturas
especialmente los devanados ya que acortaría notablemente la vida del motor. Este
tipo de acoplamiento es posible debido a que el grupo esta diseñado para realizar
servicios de duración limitada (cortos periodos de trabajo). Al igual que los motores
los tiristores por ser dispositivos de potencia que soportan grandes corrientes,
presentan temperaturas alta, por ello se dispone de un ventilador que ayuda al
enfriamiento de estos.
La protección de los ventiladores de enfriamiento se logra a través de
interruptores y contactores termomagnéticos para el rectificador y los motores
respectivamente. Estos poseen elementos que activan instantáneamente en caso de
cortocircuito o temporizadamente en caso de sobrecarga, el disparo se realiza a través
de la bobina del contactor K16 que emite la alarma y detiene el sistema (ver plano #2
FIAB).
Protección para falla en el campo de excitación de los motores:
La protección para el campo de excitación de los motores se basa en un contactor
de disparo variable, este contactor operara cuando el campo o corriente que circule
por la bobina sea menor a el valor nominal del campo del motor (7 A), es decir, un
contacto normalmente abierto, permanecerá abierto (desconecta el circuito), cuando
circule una corriente menor de 7A por el campo de excitación (ver K16 plano #2
FIAB).
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
49
3.3. CENTRO DE CONTROL DE GENERADORES (AROS)
Al igual que los motores DC los generadores sincrónicos necesitan de un
rectificador controlado para excitar los devanados de campo montados sobre estos. El
AROS consta de un gabinete donde se alojan dos rectificadores tipo puente
semicontrolados con diodo de derivación, uno para cada generador. En la figura 3.6.
se observa un diagrama de un rectificador semicontrolado con diodo de derivación.
El AROS permite controlar el nivel de tensión generada a través de un
dispositivo llamado MOP.
Figura 3.6. Convertidor de seis pulsos semicontrolado
Al igual que el FIAB el AROS posee una serie de tarjetas electrónicas que nos
permiten controlar el nivel de disparo de la compuerta de los tiristores que componen
el rectificador en la figura 3.7. se tiene una imagen del gabinete AROS del que
dispone el laboratorio de alta tensión.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
50
Figura 3.7. Panel para el Control de los Generadores (AROS).
3.3.1. Protecciones Existentes en el AROS
El AROS posee fusibles de protección para el rectificador y los diferentes
circuitos de control de los generadores, además cuenta con ventiladores de
enfriamiento para los juegos de tiristores. Para la puesta en marcha del AROS se
requiere de una señal de habilitación introducida mediante el PLC que se encuentra
en el control remoto, de esta manera la generación de potencia se da solo si el PLC se
encuentra encendido y habilitado, proporcionando así protección a los generadores.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
51
Protección de sobrecalentamiento en los Tiristores:
Los dispositivos encargados de la rectificación, manejan altas corrientes que
generan un aumento considerable de la temperatura en ellos. Por esta razón se prevé
de sensores de temperatura que permiten la desconexión del generador en caso de
presentarse sobretemperatura en los tiristores. Esta acción se logra a través de los
sensores TC1 Y TC2 conectados en serie con el Rele RL2, cable 0109 (ver plano #3
AROS).
3.4. CENTRO DE CONTROL REMOTO (PLC)
Su componente principal se basa en un controlador lógico programable (PLC)
que se encarga de recibir las señales procedente de los dispositivos de control y
medición, para mantener el correcto funcionamiento del sistema o interrumpir el
accionar de las maquinas eléctricas y a su vez indicar ya sea de manera visual o
sonora que a ocurrido una falla. El centro posee controles de mando que permite
manipular el sistema de forma remota, y monitorear las señales a través de una serie
de instrumentos de medición
Este centro se anexo al sistema original del convertidor de frecuencia, lo cual
implico modificaciones a los circuitos de control.
En la figura 3.8. se observa una imagen del tablero de control remoto del
sistema, ubicado en la empresa SERVIMAR.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
52
Figura 3.8. Tablero de Control Remoto de los grupos Motor-generador de la
empresa SERVIMAR.
3.4.1. Protecciones Existentes en el Centro de Control Remoto
Si bien el PLC permite la manipulación remota del sistema, una de sus funciones
principales consiste en la protección del sistema en general, ya sea a los motores,
generadores, transformadores, banco de condensadores, banco de reactores, etc.
Todas las señales que emiten las protecciones ubicadas en el centro de control
remoto son llevadas al PLC quien se encarga de desconectar las maquinas del
sistema. Las protecciones existentes son las siguientes:
Protección de Sobrecorriente 3φ al terminal de BT del Transformador
Reductor.
Protección de Sobrecorriente 3φ a la salida de la carga.
Protección de Sobrecorriente 3φ del banco de condensadores.
Protección de Sobrecorriente 3φ de la salida de los generadores.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
53
Protección de falla a tierra del grupo reactor.
Protección de sobrevoltaje de los generadores.
Protección de Sobrevoltaje del terminal de AT del Transformador Reductor.
Las protecciones de sobrevoltaje se realizan con el siguiente rele electromecánico
instantáneo:
Marca: ASEA
Tipo: RXEG 21 RK 411 101-DE
Tensión de Disparo: 80-240 VAC 50-60 Hz
Taps: 80-100-120-140-160-180-200-220-240
Tensión de trabajo: 24 / 48-60 VDC
Las protecciones de sobrecorriente se realizan con el siguiente rele
electromecánico instantáneo:
Marca: ASEA
Tipo: RXIG 21 RK 411 001-DH
Corriente de Disparo: 2,5 - 7,5 A 50-60 Hz
Taps: 2,5-3,125-3,75-4,375-5,0-5,625-6,25-7,5
Tensión de trabajo: 24 / 48-60 VDC
En la tabla 3.1. se muestran los diferentes tipos y dispositivo al cual protege los
relés ubicados en el centro de control remoto.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
54
Tabla 3.1. Relés de protección del centro de control remoto
RELÉ TIPO DISPOSITIVO PROTEGIDO
R1 Sobrecorriente Terminal TXreduc. Baja tensión
R2 Sobrecorriente Carga conectada
R3 Sobrecorriente
R4 Sobrecorriente
R5 Sobrecorriente
Banco de Inductancias
R6 Sobrecorriente
R7 Sobrecorriente
R8 Sobrecorriente
Banco de Inductancias
R9 Sobrevoltaje Ninguno
R10 Sobrevoltaje
R11 Sobrevoltaje
R12 Sobrevoltaje
Salida generador 2 Terminal TXreduc. Alta tensión
R13 Sobrecorriente Salida Generador 1 Salida Generador 2
R14 Sobrecorriente Banco de capacitores
En la figura 3.9. se observa (Izquierda) un grupo de tres relés conectados para
brindar una protección trifásica. (Derecha) se tiene una vista detallada de uno de estos
relés.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
55
Figura 3.9. Relés de Protección del Sistema.
3.4.2. Relés de Control del Sistema
En el centro de control remoto se encuentran conectados unas series de relés de
conexión y desconexión de señales que permiten la manipulación remota del sistema.
Dichos relés se denominan:
Relé 15 (R15) :
El relé 15 es el encargado de habilitar el sistema, la bobina de disparo esta
conectada con la salida 0 del PLC (ver anexo disposición física del PLC).
La salida 0 del PLC emite un bajo para indicar que el sistema esta acto para
trabajar o emite un alto si se presenta o presento una falla en el mismo. De esta forma
el relé 15 se encuentra desnergizado en función normal o energizado cuando ocurre
una falla.
La función de control se cumple a través de los contactos normalmente cerrados
1-4 (ver plano #1 PLC), que son los encargados de habilitar los interruptores HKK
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
56
(motor 1) o EH-800 (motor 2), esto en caso de que el sistema este trabajando, lo cual
permite desconectar el generador de la carga.
Relé 16 (R16) y Relé 21 (R21) :
El relé 21 es el que habilita al R16 mediante sus contacto normalmente abierto 6-7
(ver plano #1 PLC), la bobina de disparo del R21 esta conectada a un contactor
normalmente cerrado K5 dispuesto en el FIAB. Este contactor K5 abre o cierra
dependiendo del motor que este trabajando (Off si motor 1 trabaja y On si motor 2
trabaja), es decir si el motor 1 trabaja el R21 se energiza y si motor 2 trabaja el R21
se encuentra desnergizado.
El relé 16 es el encargado de conectar el interruptor HKK al sistema. En resumen
si el motor 1 trabaja se energiza R21 y a su vez R16, que habilita el interruptor HKK.
Si el motor 2 trabaja R21 y R16 se mantienen desnergizados y por ende el interruptor
HKK también.
Relé 22 (R22) :
El relé 21 es el encargado de energizar la bobina del interruptor EH-800 a través
de sus contactos normalmente abiertos 1-3 y 8-6.
La bobina del relé 22 se encuentra conectada a los contactos normalmente
cerrados 1-4 del relé 21, de esta forma si motor 1 trabaja R22 se encuentra
desnergizado y si motor 2 trabaja el R22 se energiza.
Relé 17 y Relé 18 (R17, R18) :
Los relés 17 y 18 son los encargados de emitir las señales sonoras y visuales de
falla del sistema. Sus contactos normalmente abiertos están conectados, unos a 12
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
57
voltios y los otros a las alarmas sonoras y luces de falla, de tal forma que cuando se
activa algún relé de estos cierra sus contactos y se produce la advertencia.
Las bobinas de los relés R17 y R18 están conectadas a la salida 77 y 3 del PLC
que se activan al presentarse cualquier tipo de falla o parada de emergencia del
sistema.
Relé 19 (R19) :
El relé 19 es el encargado de encender el FIAB de forma remota, a través de sus
contactos normalmente abiertos 1-3 (ver plano #2 FIAB).
La bobina de control de disparo del R19 se encuentra conectada con la salida 1
PLC que se activa al pulsar el botón de encender FIAB ubicado en el panel frontal del
control remoto. Adicionalmente los otros contactos normalmente abiertos 8-6 del R19
conectan una señal que indica al personal que labora, que el FIAB se encuentra en
funcionamiento y que debe mantenerse alejado del mismo.
Relé 20 (R20) :
El relé 20 es el encargado de conectar el AROS de forma remota a través de sus
contactos normalmente abiertos 1-3 (ver plano #3 AROS).
La bobina de control de disparo del R20 se encuentra conectada con la salida 2
PLC que se activa al pulsar el botón de encender AROS, ubicado en el panel frontal
del control remoto. También dispone de una señal de advertencia a las personas
cercanas ya que se genera altos valores de voltaje en las barras del sistema.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
58
Relés de Selección (R23, R24 y R25) :
Los dos grupos de motor-generador existentes en el laboratorio de prueba
trabajan dependientemente, es decir nunca se tiene a los dos grupos conectados al
mismo tiempo, se conecta el motor 1 y generador 1 o se conecta el motor 2 y
generador 2.
Esta condición permite tener un diseño de protección único para los dos grupos es,
decir se tiene un solo sistema de relés de protección, pero se necesitan en cada grupo
un sistema de transformadores de instrumento. Debido a esto se necesita un
mecanismo que acople los transformadores con los relés de protección dependiendo
del grupo que trabaje.
Este mecanismo esta constituido por los relés de selección de grupo R23, R24 y R25.
El relé R23 escoge entre que transformador de potencial acoplara a la entrada del
los relés de protección de sobrevoltaje (ver plano #1 PLC).
El relé R24 escoge entre que transformador de corriente acoplara a la entrada del
los relés de protección de sobrecorriente (ver plano #1 PLC).
El relé R25 escoge entre que transformador de corriente acoplara a la entrada de la
regleta de medición del panel remoto (ver plano #1 PLC).
Las bobinas de estos relés se encuentra conectadas en paralelo la activación se
produce dependiendo de que motor trabaje estos se logra a través del contactor K5
ubicado en el FIAB (ver Plano #3 AROS)
En la siguiente figura 3.10. se puede observar un diagrama funcional de los relés
de control del dispositivo remoto del sistema
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
59
Figura 3.10. Diagrama funcional de los Relés de Control
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
60
3.5. DIAGRAMA UNIFILAR DEL SISTEMA
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
61
En el estudio de sistemas eléctricos de potencia o para aplicaciones industriales,
el uso de diagramas unifilares resulta de gran utilidad y representa un elemento básico
para el diseño y los estudios de sistemas eléctricos. El diagrama unificar se define
como: “un diagrama que indica por medio de líneas sencillas y símbolos
simplificados, la interconexión y partes componentes de un circuito o sistema
eléctrico”. En caso donde los sistemas eléctricos de potencia, son instalaciones
trifásicas, se puede representar este diagrama de forma trifilar, es decir tres hilos. El
propósito del diagrama unifilar es que el diseñador desarrolle a través de una manera
sencilla sus ideas y tenga una forma simple de comunicar a otros su proyecto para
comentarios y/o aprobaciones.
3.6. ENSAYOS REALIZADOS POR EL CONVERTIDOR DE FRECUENCIA
Como ya se explico anteriormente el sistema formado por los dos grupos motor-
generador, cumplen con la función de someter a ensayos a los transformadores de
distribución y potencia que se reconstruyen en el taller de la empresa. Dichos ensayos
se especifican a continuación:
Ensayo en Vació
Con este ensayo es posible determinar las perdidas del circuito magnético y los
parámetros de vació del transformador.
Para realizarlo se procede a alimentar al transformador a tensión nominal por el
lado de baja tensión dejando los bornes de alta tensión abiertos como se muestra en la
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
62
figura 3.11. en estas condiciones no hay potencia de salida; entonces toda la potencia
de entrada se transforma en pérdida.
Figura 3.11. Ensayo en vació de un transformador.
Wo = perdidas hierro + perdidas instrumentos + io2.r2
Si se eligen instrumentos adecuados, se pueden suponer que las perdidas en los
instrumentos son despreciables en comparación con las perdidas del circuito
magnético. En forma análoga, las perdidas Joule producidas por io al circular en el
devanado de baja pueden considerarse despreciables, ya que nunca superan el 1% de
las perdidas en el material y suponer así que la lectura del vatímetro indica solamente
las perdidas producidas en el circuito magnético.
Wo = perdidas en el hierro
Ensayo en Cortocircuito
En este ensayo es posible determinar las perdidas por efecto Joule en los
devanados y los parámetros de corto del transformador.
Para realizarlo se procede a alimentar el transformador a tensión reducida por el
lado de alta tensión dejando los bornes del lado de baja cortocircuitados tal como se
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
63
ilustra en la figura 3.12. de tal manera que por ellos circule la corriente nominal o un
valor cercano a ella. Como en el ensayo anterior no hay potencia de salida, en
consecuencia toda la potencia de entrada se transforma en perdidas.
Figura 3.12. Ensayo en cortocircuito de un transformador.
Wcc = perdidas Joule + perdidas hierro + perdidas instrumentos
Análogamente al caso anterior se pueden despreciar las perdidas en los
instrumentos. Las pérdidas del circuito magnético, en estas condiciones se reducen
aproximadamente con el cuadrado de la tensión, y por lo tanto se supone que el
vatímetro marcara solamente las pérdidas producidas por el calentamiento de los
devanados.
Wcc = perdidas Joule
Prueba de Potencial Aplicado
Con este ensayo se comprueba si efectivamente el aislamiento del transformador
se encuentra en perfecto estado; la tensión a aplicar depende de la tensión para la cual
se ha diseñado el transformador la tabla 3.2. define la magnitud de esta tensión.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
64
Tabla 3.2. Niveles de tensión a aplicar par los ensayos de potencial aplicado
Tensión Primaria
(KV)
Tensión aplicada
(KV)
2.4 15
4.8 19
6.9 26
7.2 26
12.47 34
13.8 34
14.4 34
34.5 70
El procedimiento consiste en aumentar paulatinamente la tensión aplicada al
transformador a ensayar hasta alcanzar el voltaje de prueba en un tiempo no mayor de
15 segundos, mantener este valor durante 60 segundos y al final de este lapso
disminuir gradualmente la tensión y desconectar la fuente, una vez se llegue a mínima
tensión, el transformador se encuentra con aislamiento adecuado si en ese lapso y con
la tensión aplicada el spinterometro no se dispara, la conexión se especifica en la
figura 3.13.
Figura 3.13. Esquema de montaje para la prueba de potencial aplicado.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
65
Prueba de Potencial Inducido
Esta prueba consiste en hacer funcionar el transformador en vació, con una tensión el
doble de la tensión nominal del devanado de B.T. y con un tiempo de duración
correspondiente a una frecuencia no inferior a 120 Hz para completar 7200 ciclos, es
decir:
(seg)f
7200t = [3.1.]
La tabla 3.3. nos indica los tiempos de duración de este ensayo en función de la
frecuencia usada.
Tabla 3.3 Duración del ensayo dependiendo de la frecuencia de prueba.
Frecuencia (Hz) Duración (seg.)
120 60
180 40
240 30
360 20
480 18
Esta prueba tiene por objeto comprobar el estado de aislamiento entre espiras y
entre las secciones que tiene un mismo devanado. La prueba realmente consiste en
observar si se produce: absorción anormal de corriente, humo en los devanados,
fuertes vibraciones, o ruidos anormales exceptuando el producido por el fuerte ruido
magnético propio de la elevada inducción a que se somete al transformador.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
66
Prueba de Calentamiento
Esta prueba se realiza para determinar la temperatura que alcanzan los devanados
y el aceite cuando el transformador trabaja a plena carga, y verificar si esta
temperatura no supera los límites preestablecidos a fin de garantizar el tiempo
estimado de vida.
Dicho ensayo se realiza por el lado de A.T. con el devanado de B.T. en
cortocircuito, a tensión reducida y a una corriente tal, que corresponda a la potencia
de perdidas totales corregidas a la temperatura de diseño del transformador (55°C o
65°C).
Prueba de Impulso
Esta prueba sirve para determinar si el aislamiento del transformador esta en
capacidad de soportar las ondas provenientes de descargas atmosféricas. Para simular
estas descargas es necesario el uso de un generador de impulso, que es en realidad la
conexión de condensadores en paralelo los cuales se cargan al nivel de tensión
deseado y súbitamente se conectan en serie por medio de explosores en forma de
esferas (gaps).
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
67
CAPITULO IV
PROPUESTAS DE DISEÑO
4.1. PREPARACION DEL SISTEMA PARA EL ESTUDIO DE CORTOCIRCUITO Y ANALISIS DE PROTECCIONES
Para el estudio de cortocircuito, es necesario reparar la red, por lo que para tal fin,
se seguirá el siguiente procedimiento, basado en la combinación de un diagrama
unifilar y un diagrama de impedancias representado en cantidades en por unidad,
referidos a un valor base común de potencia (MVA) y los niveles de base de voltaje:
1. Preparar el diagrama unifilar del sistema, incluyendo todas las componentes
significativas y los datos de cada componente, como son: potencia, voltaje e
impedancia. Este diagrama es simplificado en su estructura, pero representa
las partes de interés para el estudio, como se muestra en la figura 4.1
2. Luego de obtener el diagrama unifilar, obtenemos el diagrama de
impedancias, el cual se obtiene remplazando cada elemento por su
impedancia, conservando su interconexión.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
68
Figura 4.1. Diagrama unifilar para el estudio de cortocircuito
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
69
La única fuente de potencia que se tomara para el estudio de cortocircuito en el
laboratorio de potencia de la empresa SERVIMAR son los dos generadores, debido a
que estos trabajan independientemente de la red de suministro de ENELCO, es decir,
los transformadores a los cuales se les realizan los diferentes ensayos, son
alimentados exclusivamente por los generadores.
Como se sabe, los generadores eléctricos están accionados por motores DC, de
modo que cuando ocurre un cortocircuito en el circuito alimentado por el generador,
este tiende a seguir produciendo voltaje, debido a que la excitación del campo se
mantiene y el motor continua accionando al generador. El voltaje generado produce
una corriente de cortocircuito de gran magnitud que circula del generador al punto de
cortocircuito. El valor de esta corriente, se encuentra limitada solo por la impedancia
del generador y la del circuito entre el generador y el punto de falla. Si se trata de un
cortocircuito en los terminales del generador, la corriente solo esta limitada por la
propia impedancia de este.
4.2. PROPUESTAS DE PROTECCIÓN PARA LOS GENERADORES
Los generadores son los equipos más costosos de un sistema de potencia y a su
vez los que pueden sufrir los más variados tipos de fallas y anomalías; por esta razón
se requieren de un gran número de protecciones para detectar todas estas situaciones
potencialmente peligrosas.
La avería en el aislamiento de los conductores de un generador puede conducir a
fallas entre fases o fallas a tierra en el estator y a fallas a tierra en el rotor. Uno de los
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
70
problemas detectados inicialmente por el estudio hecho a las protecciones del
sistema, fue la falta de protección interna de los generadores.
Según estudios hechos por el Dr. Helmut Ungrad de ABB Relays AG, llamado
“Concepto de protección y de vigilancia para pequeños alternadores y para servicios
auxiliares de centrales”, en donde se muestra un concepto posible de protección y de
vigilancia, considerando la potencia del alternador, como se ilustra en la Tabla 4.1.
Tabla 4.1. Concepto de protección y de vigilancia para pequeñas centrales
Potencia del Alternador (MW)Función de Protección ANSI
0,5–1 1-5 5-10 > 10
Rotor: Sobrecarga
Cortocircuito a tierra
49R
64R
O
O
O
O
X
X
X
X
Protec. Diferencial del alternador
Del bloque transformador
87G
87T
O
O
X
X
X
X
X
X
Frecuencia mínima y máxima 81 X X X X
Sobretensión 59 X X X X
Estator: Sobrecarga
Corto circuito a tierra 95%
49S
59N
X
O
X
X
X
X
X
X
Falla de la excitación 40 O O X X
Retorno de potencia activa 32 O O X X
Impedancia mínima 21 - - O O
Carga desequilibrada 46 O X X X
Sobreintensidad 51 X X X X
Subtensión 27 X X X X
X) Función recomendada O) Función opcional
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
71
En vista de que la tabla anterior se basa en un concepto de diseño para
alternadores en general, se debe adaptar este estudio al requerimiento del convertidor
de frecuencia de la empresa y determinar cuales son las protecciones que realmente se
ameritan. Los generadores en estudio entran en el rango de capacidad entre 1 y 5
MW, como se resalta en la tabla 4.1.
En el análisis de las protecciones de los generadores se despreciaran las fallas
debidas al Rotor, falla de excitación y retorno de potencia activa, debido a que no
son necesarias por la capacidad y utilidad de los mismos.
La investigación se centrara en el estudio de las protecciones del estator de los
generadores, debido a que estos carecen totalmente de algún dispositivo que proteja
los devanados en caso de una falla a tierra de los mismos
4.2.1. Selección de Puesta a Tierra de los Generadores
Los generadores tienen conectado el neutro a tierra rígidamente (a través de una
impedancia nula), las corrientes de falla entonces dependen del sistema y del punto de
falla. Las corrientes de falla son relativamente elevadas, las tensiones de falla para
que no sean peligrosas exigen impedancias de las conexiones a tierra muy bajas. El
sistema no puede funcionar con falla, y la corriente de falla se utiliza como orden de
actuación de las protecciones, y se aísla la falla. Si se utiliza este sistema se debe:
Eliminar rápidamente la falla.
Controlar las tensiones peligrosas en caso de falla.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
72
En los sistemas con corrientes de falla elevadas se presenta el inconveniente de
que deben realizarse ciclos de mantenimiento frecuentes sobre los aparatos, y en
especial los interruptores.
Es conveniente entonces tratar de limitar de alguna manera las corrientes de falla,
y en especial las que tienen mayores probabilidades de ocurrencia, fallas monofásicas
a tierra, para esto se conecta el neutro a tierra a través de una impedancia (resistencia
o reactancia).
La limitación de la corriente de falla monofásica es necesaria también para evitar
solicitaciones dañinas en los generadores, e interferencias en las redes de
comunicación.
4.2.2. Protección contra Falla a Tierra en el 95% del Estator a través de un
Transformador Monofasico de Distribución
En la puesta a tierra de alta resistencia del neutro del generador, se utiliza un
transformador de distribución y una resistencia secundaria. La resistencia secundaria
es usualmente seleccionada de modo que en una falla entre fase y tierra en los
terminales del generador, la potencia disipada en la resistencia sea aproximadamente
igual a los voltamperios reactivos en la reactancia capacitiva de secuencia cero de los
devanados del generador, sus conductores, y los devanados de los transformadores
conectados a los terminales del generador. Usando este método de puesta a tierra, una
falla entre fase y tierra estará generalmente limitada entre 3 y 25 amperios primarios.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
73
El esquema de protección contra falla a tierra del estator usado más
comúnmente en sistemas con puesta a tierra de alta impedancia, es un relé de
sobrevoltaje con retardo de tiempo (59N) conectado a través de la resistencia de
puesta a tierra para detectar el voltaje de secuencia cero, como se muestra en la
Figura 4.2. El relé que se usa para esta función está diseñado para ser sensible al
voltaje de frecuencia fundamental e insensible a los voltajes de tercera armónica y
otros voltajes armónicos de secuencia cero presentes en el neutro del generador.
Típicamente, el relé de sobrevoltaje tiene un ajuste mínimo aproximado de enganche
(pickup) de 5 V. Con este ajuste y las relaciones típicas de los transformadores de
distribución, este esquema es incapaz de detectar fallas a través de todo el devanado
del estator.
Figura 4.2. Generador con puesta a tierra de alta impedancia
El esquema de protección con 59N es claro y confiable, sin embargo este relé
protege únicamente un 90-95% del devanado del estator. Esto es así pues una falla
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
74
entre el 5 y 10% restante del devanado, cerca del neutro, no produce suficiente voltaje
residual de 60 Hz. Es importante dotar a los principales generadores con un sistema
de protección adicional contra fallas a tierra, para obtener una cobertura del 100% del
devanado. Sin embargo en nuestro estudio basta con proteger el estator del generador
en un 95%
La protección 59N se puede suplementar con una protección de respaldo de
sobrecorriente conectada de cualquiera de las dos formas indicadas en la figura 4.3. Si
el transformador de corriente va conectado en el neutro del generador su relación
puede ser de 5/5 (o de 5/1), y si va conectado en el secundario del transformador de
distribución su relación debe ser tal que la máxima corriente por el relé sea igual a la
máxima corriente primaria de falla en el generador.
Figura 4.3. Protección de respaldo de un generador contra fallas a tierra
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
75
Con el fin de evitar sobretensiones por fallas intermitentes, se escoge el valor de
la resistencia de acuerdo a la siguiente desigualdad:
3X
R
C 3ω1R
cp
p
≤
≤
[4.1]
Donde R es la resistencia referida al primario del transformador de distribución y
CP es la capacitancia total por fase (incluyendo las capacitancias parásitas y las
concentradas, si existen), tal como se indica en la figura 4.4.
Figura 4.4. Determinación de la resistencia del neutro en función de la
capacitancia por fase
Muchas veces el criterio que se sigue para determinar el valor de R es fijar la
corriente de falla a un valor determinado, pero debe tenerse presente que si la
resistencia es muy alta pueden presentarse sobretensiones por fallas intermitentes, de
manera que siempre es conveniente verificar que se cumpla la desigualdad [4.1]
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
76
4.2.2.1. Sobretensiones por Fallas Intermitentes en un Generador
Cuando ocurre una falla de línea a tierra en un sistema con neutro aislado, el
neutro toma una tensión con respecto a tierra. Como la única corriente de falla es la
que puede retornar por las capacitancias de las dos fases sanas, su valor es muy
pequeño y puede extinguirse al pasar por cero, es decir, cuando la tensión es máxima,
ya que el voltaje y la corriente estarían desfasados 90° como se muestra en la figura
4.5.
Figura 4.5. Voltaje y corriente de la fase A cuando ocurre un fallo en ella.
Figura 4.6. Interconexión de las redes de secuencia.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
77
Si la corriente se extingue al pasar por cero (condición simulada con S
abierto), el capacitor Cp de la red de secuencia cero quedaría cargado a la tensión
máxima (E) del generador y el neutro quedaría con una tensión –E con respecto a
tierra. Medio periodo después de extinguida la corriente la tensión de la fuente es
igual a –E, lo cual implica que la tensión a través de S (abierto) sea máxima e igual a
-2E, haciendo que las probabilidades de que el arco se reencienda sean máximas. El
capacitor de la red de secuencia cero recibe una carga adicional aumentando
nuevamente su voltaje. Si el fenómeno de extinciones y reencendidos (falla
intermitente) se repite varias veces, la tensión del neutro aumenta progresivamente,
haciendo que las tensiones de línea a tierra también aumente, llegándose
irremediablemente a una falla polifásica de muy alta corriente.
El problema descrito se puede evitar conectando el neutro a tierra solidamente
(lo cual no es aconsejable en un generador debido a las elevadas corrientes que se
presentarían durante un cortocircuito monofasico), o a través de una impedancia. Si
se coloca una resistencia en el neutro, la red simplificada de secuencias quedaría
como se indica en la figura 4.7.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
78
ppp CRCRt
RCtt
eeee ωπ
ωω
τ 333−−−−
===
13 ≤pCRω
Figura 4.7. Circuito equivalente de un generador con neutro conectado a tierra a
través de una resistencia, durante una falla a tierra.
La carga acumulada en el capacitor Cp de la red de secuencia cero puede
descargase a través de la resistencia 3R durante el tiempo que no hay corriente de
falla, es decir, mientras S este abierto. Si se supone que los reencendidos ocurren a
intervalos de medio periodo, el voltaje de Vng se habría reducido proporcionalmente
a:
[4.2]
Si se obliga a que 3RωCp sea menor o igual a 1, el voltaje se reduce por lo
menos a un 4,3% del valor que tenía al finalizar el último reencendido.
0.043πe =− [4.3]
El valor anterior se considera bastante seguro, de ahí la costumbre de escoger la
resistencia de tal manera que:
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
79
4.2.2.2. Calculo del Modelo de Protección del 95% del Estator del Generador de
2 MVA de la Empresa SERVIMAR
Inicialmente necesitamos la capacitancia total a tierra del sistema donde incluye:
Las bobinas del generador, el devanado de bajo voltaje del transformador de potencia,
el devanado de alto voltaje del transformador reductor, las bobinas de los
transformadores de instrumentos, la capacitancia de la línea de conexión entre el
generador y el transformador.
Figura 4.8. Capacitancia total a tierra del sistema.
Debido a que no se cuenta con los datos necesarios para hacer un cálculo preciso
de la capacitancia a tierra del sistema, se opto por tomar un valor experimental que se
ajustara a los generadores de la empresa.
Capacitancia total a tierra = 0,53 µf
Como en todo calculo en un sistema se debe tomar una base de potencia y su
respectivo valor de voltaje referido al punto del cálculo.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
80
BASE: 10MVA y 13,8 KV en los terminales del transformador
19,044Ω10
213.8
baseMVA
2baseKV
baseZ ===
418,37A1000*13.8*3
10
baseKVA3baseMVA
baseI ===
5004,86Ω60)(0.53)2(3.1416)(
610jC f 2π
610jXc =−=−=
pu8,26286,5004*213,8
10
baseXcXcXcpu ==
Ω=
Como se expuso en la parte 4.2.1.1 con el fin de evitar sobretensiones por fallas
intermitentes, se escoge el valor de la resistencia de acuerdo a la siguiente
desigualdad:
En la figura 4.9. se muestra el diagrama de conexión equivalente de la red de
secuencia Cero.
pu8,2623R3
XcR
≤
≤
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
81
Figura 4.9. Red de Secuencia Cero.
De este diagrama se puede obtener la impedancia equivalente para la red,
mediante la simplificación en paralelo:
°∠=°∠
=+
= 45-185,83j262,8-262,8
)90-(262,8*262,8XoC3RXoC*3R
oZ
Zopu1.0IoI2I1 ===
pu°∠=°∠
= 4500538,045-185,83
1.0Iopu
A25,237,418*00538,0baseI*Iopu Io ===
6,75A2,25*33IoFallaI ===
1668,28Ω3
5004,863
XCprimarioR ===
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
82
El valor de resistencia conectado al secundario del transformador se obtiene de la
siguiente manera:
2
13800120
secundarioR
= primarioR
Ω=
= 1262.0
2
13800120*28,1668secundarioR
En la figura 4.10. se puede observar como se distribuye la corriente de falla
Figura 4.10. Distribución de la corriente de Falla.
1,59ACos45*IoIoR =°=
4,77A1,59 *3 3IoR ==
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
83
AIoR 55,548120
13800*77,4120
13800*3secundarioI =
=
=
69,227V0,1262*548,55secundarioR*secundarioI3Vo ===
La potencia de la resistencia durante la falla es:
undarioRundarioI sec*sec2aresistenciW =
KW97,37)1262,0(*2)55,548(aresistenciW ==
De forma similar para el transformador:
KVAIoR 38313800*3
dortransformaKVA ==
4.2.2.3. Calculo del Modelo de Protección del 95% del Estator del Generador de
1,3 MVA de la Empresa SERVIMAR
Para los cálculos de las protecciones del generador de 1,3 MVA se asumirá que
cuando ocurra una falla entre un devanado y el estator, esta tendrá un valor de 5 A.
BASE: 1,3 MVA y 1,17 KV en los terminales del generador
1,053Ω1,3
21,17
baseMVA
2baseKV
baseZ ===
641,5A1000*1,17*3
1,3
baseKVA3baseMVA
baseI ===
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
84
En la figura 4.11 se puede observar como se distribuye la corriente de falla
Figura 4.11 Distribución de la corriente de Falla.
5A3IoFallaI ==
35
3FallaI
Io ==
Io = 1,67 A
1,179ACos45*IoIoR =°=
3,54A1,179 *3 3IoR ==
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
85
190,82Ω3,54
3/11703IoR
3/FallaVprimarioR ===
El valor de resistencia conectado al secundario del transformador se obtiene de la
siguiente manera:
2
13800120
secundarioR
= primarioR
Ω=
= 01443,0
2
13800120*82,190secundarioR
AIoR 59,406120
13800*54,3120
13800*3secundarioI =
=
=
5,87V0,01443*406,59secundarioR*secundarioI3Vo ===
La potencia de la resistencia durante la falla es:
undarioRundarioI sec*sec2aresistenciW =
2385,5W0,01443)(*2)59,406(aresistenciW ==
De forma similar para el transformador:
28,2KVA313800*3IoR
dortransformaKVA ==
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
86
De forma similar y con el fin de evitar sobretensiones por fallas intermitentes, se
debe cumplir la siguiente desigualdad:
3X
R
C 3ω1R
cp
p
≤
≤
Si tomamos Capacitancia a Tierra = 0,53µf
5004,86Ω60)(0.53)2(3.1416)(
610jC f 2π
610jXc =−=−=
1668,29190,823
5004,86190,82
3XcR
≤
≤
≤
Cambiando la relación de transformación se puede obtener diferentes valores
de resistencia en el secundario y voltajes de operación del relé.
Relación de transformación = 1200/120
Nt=10
190,82Ω3,54
3/11703IoR
3/FallaVprimarioR ===
2
1200120
secundarioR
= primarioR
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
87
Ω=
= 91,1
2
1200120*82,190secundarioR
AIoR 4,351201200*54,3
1201200*3secundarioI =
=
=
-
67,614V1,91*35,4secundarioR*secundarioI3Vo ===
La potencia de la resistencia durante la falla es:
undarioRundarioI sec*sec2aresistenciW =
2393,54W1,91)(*2)4,35(aresistenciW ==
De forma similar para el transformador:
2,46KVA31200*3IoR
dortransformaKVA ==
4.2.3. Protección contra Falla a Tierra en el 95% del Estator a través de un
Transformador Trifásico de Distribución
En la figura 4.12. se representa un esquema de protección que cumple con las
mismas finalidades que el diseño planteado anteriormente (protección con un
transformador monofasico), su uso se limita a generadores que no poseen el neutro
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
88
aterrados, ya que esta conexión se realiza a través del transformador trifásico de
distribución.
Figura 4.12. Protección de un generador a través de un transformador
trifásico.
Para los cálculos se procede de forma análoga al método anterior por lo cual se
obtiene valores idénticos para:
Capacitancia total a Tierra: 0,53 µf
Xc = 5004,86Ω Xcpu = 4046,95 pu referida a 1,45 KV
Iopu = 0,0003495∠45° Io = 0,23654 A (1,45 KV)
Ia = 3Io = 0,7096 A
IoR = Io cos45° = 0,1673 A
19.2395A
12013800*0,1673
12013800*IoRsecundarioIoR =
=
=
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
89
Ω=
= 135,1
2
13800120*86,5004*3secundario3R
21,837V1,135*19,2395secundarioR*secundarioI3Vo ===
La potencia de la resistencia durante la falla es:
undarioRundarioI sec*sec2aresistenciW =
W420)135,1(*2)2395,19(aresistenciW ==
De forma similar para el transformador:
2,3KVA13800*0.1673dortransformaKVA
VLL*IoRdortransformaKVA
==
=
4.2.4. Protección contra Falla a Tierra en el 95% del Estator a través de la
conexión de una baja resistencia en el neutro.
La conexión a tierra de resistencia baja usa una resistencia que produce una
corriente de perdida a tierra de tal magnitud que asegure la activación adecuada de los
relevadores de conexión a tierra. La mayoría de los sistemas de conexión a tierra de
baja resistencia tienen niveles de corriente de falla de 50 a 1200 A.
En la figura 4.13. se muestra el diagrama de este tipo de protección, donde la
corriente de falla se detecta a través de un transformador de corriente tipo ventana
conectado al conductor de la conexión a tierra del neutro del sistema.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
90
Figura 4.13. Protección de un generador mediante una baja resistencia.
Se utiliza un relevador de sobrecorriente con retardo que se conecta al
secundario de un transformador de corriente de secuencia cero, cuyo primario esta en
el neutro del generador conectado en Y.
El valor de la resistencia del neutro se obtiene seleccionando la máxima corriente
permisible de perdidas a tierra y dividiendo el voltaje del generador fase a neutro
entre la corriente de falla seleccionada, se puede omitir la reactancia del generador
3IoNLE
ohmsR −=
La corriente que fluye a través de la resistencia del neutro se restringe entre
100A. y un máximo de 1,5 veces la corriente nominal del generador. El límite
superior de 1,5 veces la corriente nominal se establece debido a las perdidas en la
resistencia durante la falla a tierra. Si la corriente fuera mayor a 1,5 veces la corriente
nominal del generador, se utilizaría una resistencia de menor valor óhmico con una
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
91
perdida de varias veces la carga total de la maquina, ocasionando una resistencia de
muy alto costo.
Generador 2 MVA - 13,8 KV:
Se restringe la corriente de falla a tierra a un valor de: 100 A.
Ω== 67,79100
313800/ohmsR
La potencia de la resistencia durante la falla es:
ohmsR*2)o(3IaresistenciW =
,7KW796)67,79(*2)100(aresistenciW ==
Generador 1,3 MVA – 1,17 KV:
Se restringe la corriente de falla a tierra a un valor de: 100 A.
Ω== 76,6100
31170/ohmsR
La potencia de la resistencia durante la falla es:
ohmsR*2)o(3IaresistenciW =
67,6KW)76,6(*2)100(aresistenciW ==
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
92
4.2.5. Protección Diferencial restringida a falla a tierra para Generadores que
Disponen de 4 Terminales
En el caso de generadores pequeños que dispongan de 4 terminales solamente
(tres fases y neutro) se puede utilizar una protección diferencial de alta impedancia,
restringida a fallas a tierra, tal como se muestra en la figura 4.14. La corriente IR por
el relé es diferente de cero únicamente cuando se presenta una falla a tierra en el
generador. La relación de los Tc se escoge en base a la corriente nominal del
generador, y todos los transformadores, incluido el del neutro, deben tener la misma
relación.
Figura 4.14. Protección diferencial de un generador, restringida a fallas a
tierra.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
93
Al igual que la sección anterior el cálculo de la resistencia se basa
principalmente en el enunciado de sobretensiones intermitentes (sección 4.2.2.1).
Capacitancia total a tierra = 0.53 µf
5004,86Ω60)(0.53)2(3.1416)(
610jC f 2π
610jXc =−=−=
De manera análoga al análisis hecho al sistema de protección anterior se obtiene
la corriente de secuencia cero (Io), y la corriente de falla por la resistencia (IoR)
A2365,0Io =
0,7096A0,2365*33IoIa ===
0,1673ACos45*IoIoR =°=
0,5018A0,1673 *3 3IoR ==
La potencia de la resistencia durante la falla es:
R*2(3IoR)aresistenciW =
420,08W(1668,29)*2(0,5018)aresistenciW ==
Para los Transformadores de corriente:
676,89A1000*1,45*3
1,7KV3
nMVAnI ===
Relación TC = 700/5
Ω≤
≤
29,1668R3
XcR
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
94
Este tipo de protección cumple las mismas funciones que la descrita en la
sección anterior (Protección contra fallas a tierra en el 95% del estator), estando
limitada debido a que se necesita una resistencia de puesta a tierra que el sistema de
la empresa no posee.
Para efectuar en el generador una verdadera protección diferencial que detecte
fallas entre devanados de diferentes fases se necesita tener acceso a los dos
terminales de cada bobina, es decir se necesita los seis terminales de los devanados
del generador.
4.2.6. Protección de Generadores Mediante la Conexión a Tierra de una
Reactancia.
Este tipo de puesta a tierra limita la corriente de falla a valores aproximados
entre 50 y 600 A. La forma típica de este tipo de protección se hace con la conexión
de puesta a tierra a través de una reactancia con el neutro, como se observa en la
figura 4.15.
Figura 4.15. Puesta a tierra de baja impedancia mediante la conexión de un
reactor en el neutro del sistema.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
95
Para el análisis de este tipo de protección se toma en cuenta exclusivamente la
impedancia equivalente del generador, quedando esta como impedancia del sistema.
Cuando ocurre una falla a tierra en el sistema, la corriente que circulara por el neutro
será equivalente a la corriente de secuencia cero, quedando de esta forma la red como
se muestra en la figura 4.16.
Figura 4.16. Red de secuencia cero equivalente.
Donde:
Zs = impedancia equivalente del sistema (generador).
3Z = reactancia de puesta a tierra * 3 (equivalente de red de secuencias).
Para obtener el valor de la reactancia deseada se supone un valor de corriente de
falla que se quiere que circule por el neutro, teniendo en cuenta que se encuentre
dentro de los parámetros de este tipo de protección (50-600 A).
Se quiere limitar la corriente de falla a 200 A. y tenemos que la impedancia del
generador es de 22%
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
96
Xs = 0,22 pu
Xototal = 3Z + Xs = j (0,22 + 3X) pu
Para Ifalla = 200 A
I1 = I2 = Io = 200/3 = 66,67 A
676,89A1000*1,45*3
1,7
baseKVA3baseMVA
baseI ===
pu0985,0676,8966,67IoI2I1 ====
Zopu1.0Io =
pu3107,3X =
4,094Ω1,7
3,3107*2(1,45)
baseMVA
Xpu*2baseKV
ΩX ===
4.2.7. Protección de Generadores Mediante Puesta a Tierra de Baja
Impedancia a través de un Transformador Tipo Zig-Zag
Este tipo de protección se utiliza para obtener una conexión de neutro en
sistemas que no lo tienen, con el propósito de aterrizarlos. Corresponde básicamente a
un transformador trifásico de dos enrollados por fase, conectados entre si en conexión
zig-zag, quedando tres terminaciones por fase y un terminal de neutro. De esta
manera, deberá presentar una alta impedancia al ser alimentado con tensiones de
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
97
secuencia positiva o negativa, y una baja impedancia al ser alimentado con tensión de
secuencia cero. En la figura 4.17. se puede ver el diagrama de conexiones.
Figura 4.17. Diagrama de conexiones de un transformador de puesta a
tierra (zig-zag).
El valor de impedancia del transformador se obtiene al igual que el método
anterior suponiendo o restringiendo la corriente de falla a un valor específico,
teniendo de nuevo en cuenta que este valor se encuentre dentro de los límites
establecido para este tipo de protección (50-600 A). En la figura 4.18. se muestra el
diagrama de un sistema de baja impedancia mediante un transformador zig-zag.
Restringimos la corriente de falla = 200 A
Impedancia de la Fuente (generador) = 22%
I1 = I2 = Io = 200/3 = 66,67 A
676,89A1000*1,45*3
1,7
baseKVA3baseMVA
baseI ===
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
98
pu0985,0676,8966,67IoI2I1 ====
Figura 4.18. Conexión del neutro a tierra mediante transformador zig-zag.
En la figura 4.19. se muestra la red de secuencia cero equivalente para la
protección de baja impedancia a través de un transformador conexión tipo zig-zag.
Figura 4.19. Red de secuencia cero equivalente (Transformador zig-zag).
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
99
Xototal = j XT pu
X1 = X2 = j (Xs + XT) = j (0,22 + XT)
X1 + X2 + Xo = j (0,44 + 3XT)
Zpuj1.0Iopu =
3XT)j(0,44j1.00,0985+
=
XT = 3,238pu
4,005Ω1,7
3,238*21,45
baseMVA
Xpu*2baseKV
ΩXT ===
En el caso que se cuente con un transformador que tenga una impedancia
diferente a la requerida, se puede utilizar dicho transformador, pero se necesita
acoplar una impedancia conectada en el neutro del transformador, de modo que logre
compensar la impedancia requerida. En la figura 4.20. se observa este tipo de
conexión.
Figura 4.20. Impedancia adicional al Transformador zig-zag.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
100
El valor de dicha impedancia depende de si esta es una resistencia o es una
reactancia, en la siguiente figura 4.21. se puede ver la red equivalente de secuencia
cero, para dicho sistema de protección.
Figura 4.21. Red de secuencia cero equivalente (zig-zag con impedancia
adicional).
Para adicionar una Reactancia:
Xototal = j (XT + 3 Xadicional)
X1 = X2 = j (Xs + XT)
Zo = j (2Xs + 3XT + 3Xadicional)
De esta forma si tenemos la corriente de secuencia cero y los valores de
impedancia de la fuente (Xs) y del transformador zig-zag (XT), se puede obtener la
impedancia adicional mediante la siguiente ecuación:
( )
3
3XT2XsjIopuj1.0
adicionalX+−
=
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
101
Para adicionar una Resistencia:
Xototal = 3 Radicional + j XT
X1 = X2 = j (Xs + XT)
Zo = 3Radicional + j ( 2Xs + 3XT )
Zpuj1.0Iopu =
Si restringimos la Ifalla=200A y tenemos KVAbase=1,45 y MVAbase=1,7
Obtenemos: Iopu =0,0985 pu
De esta forma 3XT)j(2Xs3R
j1.0?0,0985++
=∠
Se puede resolver mediante la suma de los cuadrados
(3R)2 + (2Xs+3XT)2 = (10,152)2
( )
3
23XT2Xs2
Iopu1
puR+−
=
4.3. PROPUESTA DE PROTECCIÓN DE FALTA DE AISLAMIENTO DE
LOS GENERADORES
El mantenimiento predictivo se puede definir como una herramienta de
planeación usada para determinar la necesidad de acciones correctivas de
mantenimiento. Los datos obtenidos en un programa de mantenimiento predictivo,
proporcionan información para aumentar capacidad de producción, calidad del
producto y efectividad de la planta.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
102
Algunas herramientas usadas son: análisis de aceite, termografía, monitoreo de
vibración, análisis de gas, parámetros del proceso, monitoreos ultrasónicos,
inspecciones visuales y mediciones eléctricas.
Una de las mayores fallas en equipos eléctricos es causada por falla de
aislamiento. El aislamiento es afectado por envejecimiento, humedad, polvo,
condiciones ambientales, parámetros operacionales y prácticas de mantenimiento o
limpieza.
Las paradas inesperadas de equipos eléctricos debido a las fallas en aislamiento,
no sólo afectan la producción sino que también ocasionan daños potenciales a
equipos, riesgos al personal y mayores tiempos de reparación entre otros.
Se puede supervisar el deterioro del aislamiento y predecir las condiciones de
falla con las herramientas y técnicas adecuadas. Un método usado ampliamente en la
industria para medir el estado del aislamiento ha sido la prueba del megger. Aunque
este método ha demostrado durante los años su eficacia, es una operación manual y
pueden mencionarse varias desventajas en su uso: disponibilidad de un técnico para
tomar lecturas, consumo de tiempo, riegos de seguridad para el personal involucrado,
el cuidado y precisión del megger.
Debido a estos factores, se desea implementar un equipo para lectura de
aislamiento en línea, que use un voltaje reducido para probar los dispositivos
eléctricos mientras están en condiciones de reposo.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
103
4.4. REVISIÓN DE LAS PROTECCIONES EXISTENTES EN EL SISTEMA
Mediante inspecciones hechas a los relés de protecciones (R1-R14) existentes en
el centro de control remoto se logro detectar conexiones erróneas en los mismos, que
evitan el correcto funcionamiento del sistema de protección. Debido a esto se
procedió a hacer los debidos ajuste en las conexiones y se realizaron ensayos a los
diferentes tipos de relés, para obtener sus curvas de trabajo y de esta manera dar el
correcto ajuste de la protección.
Estos relés son los encargados de proteger al sistema de: sobretensiones,
Sobrecorrientes y Puesta a tierra. (ver tabla 3.1. Relés de protección del control
remoto).
El sistema consta de 14 relés (10 sobrecorriente y 4 sobrevoltaje), de todos estos
se encontró que solo 5 de ellos tenían su cableado conectado correctamente, a
continuación se especifica la conexión de cada uno de ellos y sus respectivas
observaciones.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
104
Relé de Protección de Sobrecorriente R1:
Tabla 4.2. Situación del relé R1.
PLC Entrada
TC
Regleta X4
(Cable) IN OUT Observaciones
R92 am
S93 am
T94 am
X95 am
590
589
588
587
00 50
Protección I>>TC1A
Entrada baja tensión
TX1
Conexión OK.
Figura 4.22. Diagrama de conexión del relé de protección R1.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
105
Relé de Protección de Sobrecorriente R2:
Tabla 4.3. Situación del relé R2.
PLC Entrada
TC
Regleta X4
(Cable) IN OUT Observaciones
R235 r
S236 v
T237 v
X238 v
594
593
592
591
01 51
Protección I>>TC2A
Pórtico de Salida a la
carga.
Conexión OK.
Figura 4.23. Diagrama de conexión del relé de protección R2.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
106
Relés de Protección de Falla a Tierra R3, R4 y R5:
Tabla 4.4. Situación de los relés R3, R4 y R5.
PLC Entrada
TC
Regleta X4
(Cable) IN OUT Observaciones
R96 v
S97 v
T98 v
X99 am
598
597
596
595
04 54
Protección I>>TC3A
Bandeja de
reactancias
Conexión OK.
Figura 4.24. Diagrama de conexión de los relés de protección R3, R4 y R5.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
107
Relés de Protección de Falla a Tierra R6, R7 y R8:
Tabla 4.5. Situación de los relés R6, R7 y R8.
PLC Entrada
TC
Regleta X4
(Cable) IN OUT Observaciones
R246 r
S201 v
R100 v
T202 v
600
601
602
599
05 55
Protección I>>TC4A
Bandeja de
reactancias
T202 intercambiado
Falta Tierra
Figura 4.25. Diagrama de conexión de los relés de protección R6, R7 y R8.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
108
Relé de Protección de Sobrevoltaje R9:
Tabla 4.6. Situación del relé R9.
PLC Entrada
TC
Regleta X4
(Cable) IN OUT Observaciones
33 v
73 v
603
604 02 52
La entrada de la
bobina no se
encuentra conectada,
el PLC emite señal de
sobrecorriente
Mal conectado
Figura 4.26. Diagrama de conexión del relé de protección R9.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
109
Relés de Protección de Sobrevoltaje R10, R11 Y R12:
Tabla 4.7. Situación de los relés R10, R11 y R12.
PLC Entrada TC
Regleta X4
(Cable) IN OUT Observaciones
X3-22/ X3-21
X3-21/ X3-20
X3-20/ ?
580
581
582
06 56
Protección
V>>TT1-TT2
Salida Generador 2,
entrada de bobina sin
conexión
Mal conectado
Figura 4.27. Diagrama de conexión de los relés de protección R10, R11 y
R12.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
110
Relé de Protección de Sobrecorriente R13:
Tabla 4.8. Situación del relé R13.
PLC Entrada
TC
Regleta X4
(Cable) IN OUT Observaciones
X3-20 g
X3-21 g
X3-22 g
67 n
606
607
608
605
03 53
Protección
I>>TC6A-TC7A
Salida Generador 1 y
Generador 2
respectivamente
Conexión de TC de
entrada mala
Figura 4.28. Diagrama de conexión del relé de protección R13.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
111
Relé de Protección de Sobrecorriente R14:
Tabla 4.9. Situación del relé R14.
PLC Entrada
TC
Regleta X4
(Cable) IN OUT Observaciones
R211 am
S212 am
T213 am
X217 am
632
633
634
631
X X
La entrada en la
bobina, pertenece al
TC4 (capacitancias)
No posee conexión
de salida al PLC
Figura 4.29. Diagrama de conexión del relé de protección R14.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
112
4.4.1. Conexiones Realizadas en las Protecciones Existentes
Las modificaciones realizadas en las conexiones fueron las siguientes:
Modificaciones Realizadas en R6, R7 y R8:
Se conecto correctamente la entrada del TC, en este caso pertenece al TC4A
(banco de reactancia).
Tabla 4.10. Modificaciones de R6, R7 y R8.
Anterior Actual
Fases TC / Regleta
Tierra TC / Regleta
Fases TC / Regleta
Tierra TC / Regleta
R246 / 600 R100 / 600
S201 / 601 T202 / 599 S201 / 601 X99 / 599
R100 / 602 T202 / 602
Modificaciones Realizadas en R9:
El relé R9 es del tipo de sobrevoltaje monofasico, que protege la salida del
Generador 1, donde se encuentra TP1 (transformador de voltaje monofasico). Se debe
tener en cuenta que la conexión entre los cables del TP1 (603-604) y la bobina de
disparo del relé (111-221) no se encontraban conectados al momento de la inspección
(ver figura 4.29), esta puede ser una causa de la falla en la protección al momento del
cortocircuito en el generador 1 que provoco el incendio y posterior salida de servicio
del mismo.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
113
Se desconecto la salida de señal hacia el PLC, ya que esta emite una alarma de
sobrecorriente, no existe en el PLC una señal de sobrevoltaje en TP1, pero se podría
utilizar la señal de sobrevoltaje de TP2 y TP3 que emite el PLC (IN 06), ya que el
TP2 queda inhabilitado si el TP1 se encuentra en funcionamiento. La entrada de este
relé, por ahora no se conecta debido a que no se cuenta con el TP1, tan pronto se
ponga en servicio el Generador 1, se debe conectar dicha entrada con los cables del
respectivo TP.
Tabla 4.11. Modificaciones de R9.
Anterior Actual
Fases TC / Regleta
Salida PLC IN / Cable
Fases TC / Regleta
Salida PLC IN / Cable
33 v / 603
73 v / 604 02 / 220 Nada 06 / 220
Modificaciones Realizadas en R10, R11 y R12:
Los relés R10, R11 y R12 están conectados a un relé de control (R23) que permite
seleccionar entre TP2 (Salida Generador 2) y TP3 (Entrada alta tensión
Transformador 1). Tanto TP2 y TP3 los constituyen tres transformadores de voltaje
monofasicos conectados en estrella con neutro a tierra.
Las entradas de las bobinas de disparo (carga de los transformadores) no tenían
una conexión específica (delta o estrella), se escogió realizar esta del tipo estrella ya
que permite obtener los tres voltajes de línea.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
114
Tabla 4.12. Modificaciones de R10, R11 y R12.
Anterior Actual
Fases TC / Regleta
Fases TC / Regleta
Fases TC / Regleta
Tierra TC / Regleta
R88 / 580
R218
S89 / 581
S219
R88 / 580
R218
S89 / 581
S219
R88 / 580
R218
S89 / 581
S219
X91 / 561
X221 T90
/ 582 T220
? / ? T90
/ 582 T220
Modificaciones Realizadas en R13:
El relé R13 esta conectado a un relé de control (R24) que permite seleccionar
entre TC2b (Salida Generador 2) y TC3b (Salida Generador 1). TC2b y TC3b los
constituyen tres transformadores de Corriente monofasicos conectados en estrella con
neutro a tierra.
Se chequeo las conexiones de TC2b y TC3b de la siguiente manera:
Figura 4.30. Conexión del TC3b (HKK).
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
115
Figura 4.31. Conexión del TC2b Salida Generador 2
Tabla 4.13. Modificaciones de R13.
Anterior Actual
PLC / HKK TC2b
PLC / TC TC3b
PLC / HKK TC2b
PLC / TC TC3b
70 v / 562 84 v / 84v 70 v / 564 84 v / 85v
71 v / 565 85 v / 87 v 71 v / 565 88 n / 86 v
72 v /566 86 n / ? 72 v /566 85 v / 87 v
73 v / 563 67 n / 85 v 73 v / 563 67 n / 84 v
Modificaciones Realizadas en R14:
En este caso la entrada del TC a la bobina de disparo esta correctamente
conectado y estas pertenecen a TC4 (banco de condensadores). El error en la
conexión surge en que el Relé R14 no tiene conexión de salida al PLC. Se procedió
entonces a conectar la salida del relé R14 a la entrada (IN 02) del PLC, dicha entrada
pertenecía a la salida de R9, pero esta fue desconectada en modificación anterior,
quedando a disposición del R14.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
116
Tabla 4.14. Modificaciones de R14.
Anterior Actual
Salida PLC IN / Cable
Salida PLC IN / Cable
Ninguna / 220 02 / 220
4.4.2. Ensayos Realizados para el Ajuste de las Protecciones Existentes
Prueba de Curva de Disparo de relés de Sobrecorriente y Sobrevoltaje
Las pruebas de curvas de disparo para los relés de Sobrecorriente y Sobrevoltaje,
se desarrollaron en el laboratorio de Sistemas de Protección de la Universidad de los
Andes. El ensayo se realizó con un equipo de prueba de relés universal (Multi-Amp
SR-51) que se puede observar en la figura 4.32, este es un dispositivo capaz de medir
el tiempo de cierre de los contactos de un relé una vez que su bobina se encuentre
correctamente energizada.
Figura 4.32. Multi-Amp SR51A
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
117
En la tabla 4.15. se tienen los datos obtenidos para el ensayo a el relé de
Sobrecorriente Marca ASEA tipo RXIG-21
Tabla 4.15. Datos del ensayo del relé de Sobrecorriente.
TAP x 1 = 2,5 A IDISPARO(MÍNIMO) = 2,6 A
IDISPARO (A) TDISPARO (Ciclos)
3 4,2
3,5 3,6
4 3,3
5 3,1
6 3,0
TAP x 1.25 = 3,125 A
IDISPARO(MÍNIMO) = 3,2 A
IDISPARO (A) TDISPARO (Ciclos)
3,5 5
4 4
5 3,4
7,5 3
8 3
TAP x 1.5 = 3,75 A
IDISPARO(MÍNIMO) = 3,85 A
IDISPARO (A) TDISPARO (Ciclos)
4 5
6 3,4
7,5 3,1
10 3
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
118
TAP x 2 = 5 A IDISPARO(MÍNIMO) = 5,1 A
IDISPARO (A) TDISPARO (Ciclos)
5,4 5 6 4
7,3 3,4 8 3,2 10 3
TAP x 2.5 = 6,25 A
IDISPARO(MÍNIMO) = 6,3 A
IDISPARO (A) TDISPARO (Ciclos)
6,5 5,8 7,5 4 10 3,3
12,5 3 15 3
TAP x 2,75 = 6,875 A IDISPARO(MÍNIMO) = 7 A
IDISPARO (A) TDISPARO (Ciclos)
7,5 5 8,5 4 10 3,4
12,5 3 15 3
TAP x 3 = 7,5 A
IDISPARO(MÍNIMO) = 7,65 A
IDISPARO (A) TDISPARO (Ciclos)
7,8 5,8 9 4 10 3,5
12,5 3,1 15 3
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
119
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
120
En la tabla 4.16. se tienen los datos obtenidos para el ensayo a el relé de
Sobrevoltaje Marca ASEA tipo RXEG-21
Tabla 4.16. Datos del ensayo del relé de Sobrevoltaje.
TAP x 1 = 80 V VISPARO(MÍNIMO) = 82 V
VDISPARO (V) TDISPARO (Ciclos)
Para cualquier valor de
Voltaje 3
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
121
CAPITULO V
PLANES DE APLICACIÓN DE LA PROPUESTA
5.1. FACTIBILIDAD ECONÓMICA DE LAS PROTECCIONES DEL
GENERADOR
Los diseños propuestos en el capitulo anterior para los generadores de la empresa
SERVIMAR, se centraron en protecciones contra corto-circuito del estator, debido a
que estos carecen de algún dispositivo que monitoree internamente los generadores.
A continuación se analizara desde el punto de vista práctico y económico la
implementación de cada una de estas:
• Propuesta 1: Protección contra falla a tierra del estator a través de un
transformador monofasico de distribución.
Esta protección es del tipo de conexión a tierra de alta resistencia, este diseño
puede ser implementado en sistemas de baja y media tensión. La conexión a tierra por
medio de una alta resistencia limita las corrientes de perdida a tierra a un valor muy
bajo, generalmente a menos de 0,1 por ciento de la corriente de falla trifásica. Por lo
común la corriente se mantiene entre 1 ampere a un máximo de 10 amperes. Esta
resistencia de alto valor amortiguara el circuito resonante hasta un punto tal que
impedirá el desarrollo de sobrevoltajes excesivos. Este tipo de sistema permite que la
primera perdida a tierra actué hasta que se detecte y elimine, por esta razón se usa
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
122
frecuentemente en servicios importantes donde la alimentación continua de energía es
esencial.
Debe permitirse el flujo suficiente de corriente de perdida a tierra para compensar
la corriente de carga de la capacitancia a tierra del sistema, de otra manera, podrían
generarse sobrevoltajes transitorios durante las conexiones que alteren el circuito.
La disposición protectora asociada con la conexión a tierra de alta resistencia es
de detección y alarma, sin embargo, en el diseño implementado para la empresa
SERVIMAR, la disposición de esta protección será de desconexión inmediata al
ocurrir la primera falla, ya que es primordial la integridad del equipo y del personal
que opera cerca de el.
• Propuesta 2: Protección contra falla a tierra del estator a través de un
transformador trifásico de distribución.
Este tipo de protección es similar en funcionalidad y aplicación a la propuesta A,
su diferencia radica en que se implementa en sistemas que no tienen una conexión
física del neutro a tierra, principalmente en sistemas conectados en delta. En
comparación con la propuesta A, tiene la desventaja económica que utiliza un
trasformador trifásico, mientras que la propuesta A, posee un transformador
monofasico.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
123
• Propuesta 3: Protección contra falla a tierra del estator a través de la
conexión de una baja resistencia en el neutro.
La conexión a tierra de baja resistencia se recomienda para sistemas entre 1000 y
15000 V. Produce una corriente de perdida a tierra de tal magnitud que asegure la
activación adecuada de los relevadores de conexión a tierra. La mayoría de los
sistemas de conexión a tierra de baja resistencia, la corriente de perdida de fase a
tierra se mantiene por lo general en el 20% de la corriente trifásica de falla y menor a
400 Amperes. El circuito se vuelve resistivo al conectarse la corriente de perdida a
tierra y tiene corrientes y sobretensiones insignificantes. En consecuencia, las
sobretensiones y corrientes transitorias relacionadas a las perdidas a tierra son
mínimas y están bajo control.
Este tipo de protección brinda mayor esperanza de vida en los aislantes de los
motores, transformadores y otros componentes por que reduce la magnitud y duración
de las sobretensiones. Además se tienen conexiones mejoradas de protección, ya que
las fallas de tierra se pueden detectar en forma rápida y selectiva por medio de
relevadores sensibles.
• Propuesta 4: Protección Diferencial restringida a falla a tierra.
Este tipo de protección es del tipo de alta resistencia, implementándose en
aquellos generadores que posean solo 4 terminales (3 fases y 1 neutro), cumpliendo
las mismas funciones que la propuesta A. De esta manera no se justifica una inversión
adicional en equipos de detección.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
124
• Propuesta 5: Protección contra falla a tierra del estator a través de la
conexión a tierra de una Reactancia.
La conexión a tierra por reactancia se utiliza comúnmente en generadores de bajo
voltaje, es decir menores de 600 V. Este método permite el uso de dispositivos
protectores al neutro que hacen que sea útil donde la exposición a rayos es severa.
Para minimizar los sobrevoltajes transitorios, el reactor se debe seleccionar para
que limite la corriente de perdida a tierra a un mínimo de 25% de la corriente trifásica
de falla. En menos de un 25% del valor de un fallo trifásico, pueden volverse
peligrosos los sobrevoltajes transitorios debido a la reconexión repetitiva en un arco
de un circuito con perdida a tierra. La característica indeseable es que puede producir
daños en el punto de falla. La desventaja es la posibilidad de que se queme el hierro
debido a las posibles corrientes elevadas de perdidas a tierra. Por lo tanto la conexión
a tierra por medio de un reactor usualmente no se considera como una alternativa para
la conexión a tierra del neutro en sistemas de voltaje medio.
• Propuesta 6: Protección contra falla a tierra del estator a través de la
Conexión a Tierra de un transformador tipo Zig-Zag.
La conexión del neutro a tierra a través de un transformador zig-zag, se
implementa en sistemas ya instalados con conexión delta, este procedimiento se usa
en particular en los sistemas existentes mas viejos de 600 V o menos, e igualmente,
en muchos sistemas ya instalados de 2400, 4800 y 6900 V.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
125
Los transformadores para conexión a tierra en zig-zag proporcionan un punto
neutro estable, lo que los hace adecuados para conectar a tierra un sistema con neutro
aislado. Los transformadores para conexión a tierra se diseñan para soportar un
régimen de corriente determinado solo durante un tiempo limitado: alrededor de 10
segundos. En consecuencia, un transformador para conexión a tierra puede ser de una
décima del tamaño físico de un transformador común y trifásico para la misma
capacidad.
Tabla 5.1. Análisis económico comparativo entre las propuestas estudiadas.
Propuesta Aplicación Costo
Inicial Mantenimiento Disponibilidad Sumario
1 A AA B A A
2 C BB C B B
3 A DD A C C
4 C DD C D D
5 D BB B B C
6 C CC C B C
A = Muy Bueno B = Bueno C = Regular D = Malo
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
126
En la tabla 5.1. se muestra un breve análisis comparativo entre las propuestas de
protección hechas para los generadores de la empresa SERVIMAR. En dicha tabla se
puntuó las propuestas de acuerdo a su aplicación en el sistema ya existente, costo
inicial de los dispositivos requeridos para dicha propuesta, mantenimiento de los
equipos de protección y disponibilidad de la empresa en adquirirlos. Como se puede
observar en el renglón de costo inicial se dio una puntuación doble debido a la
importancia de este a la hora de una implementación.
5.2. IMPLEMENTACIÓN DEL DISPOSITIVO GEN-GUARD™
(PROTECCION BAJO AISLAMIENTO EN GENERADOR)
El probador de resistencia de aislamiento automático GEN-GUARD™, es un
dispositivo que supervisa la condicion de los generadores electricos de corriente
alterna, mediante la aplicación de un voltaje operativo potencial con limitación de
corriente al dispositivo supervisado. Se conectan al interruptor del generador y a la
tierra del equipo.
Aplica un voltaje de prueba DC fijo al bobinado mientras el generador se
encuentre en reposo o mínima carga. Los voltajes de la prueba típicos son 500, 1000,
2500 o 5000 dc. El voltaje seleccionado se aproxima al voltaje operativo del equipo.
El probador mide la corriente de fuga a tierra actual, la cual se relaciona con la
rigidez dieléctrica del aislamiento del equipo. La corriente de la prueba limita a
350µA para evitar sobre esforzar el aislamiento debido a la aplicación prolongada de
voltaje.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
127
Un circuito comparador de estado sólido será el encargado de supervisa
cualquier corriente de fuga. El punto de alarma o disparo se puede ajustar de 0.5 a 30
megohm para satisfacer la aplicación Cuando la corriente de fuga excede el punto de
ajuste, el probador puede activar una alarma y bloquear el equipo supervisado. Los
equipos no pueden arrancar hasta que la falla se aclare. Los contactos de alarma o
falla permanecen retenidos mecánicamente y permanecen asegurados hasta que el
personal de mantenimiento accione un botón de "reset" o restablecimiento.
El punto de disparo de pre-alarma se puede ajustar de 15 a 50 megohms. Esta
información anticipada permite que el personal de mantenimiento programe una
investigación. Sin embargo el generador continua disponible para operar sin riesgo de
disparo del interruptor principal o daño al generador. Una pre-alarma proporcionara
información par permitir que personal de mantenimiento empiece a supervisar el
deterioro de aislamiento en sus fases incipientes.
5.2.1. GEN-GUARD™ Modelo GP500G1
El verificador de resistencia de aislamiento automático GP500G1 posee un
medidor analógico que visualiza e indica la resistencia de aislamiento en megohms
con un dial colorido que indica los rangos verde, amarillos y rojos; dos LED que
muestran las condiciones “test on" y “ alarma”, junto con dos salidas para la
indicación remota, y una para prueba interior, además posee botón de calibración y
otro para reset manual, un contacto para una alarma externa y otro que puede usarse
para bloquear el generador cuando se presente la condición de alarma.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
128
En la figura 5.1. se muestra el probador GP500G1 junto con su medidor de
megohm.
Figura 5.1. Probador de resistencia de aislamiento automático
GEN-GUARD™
La fuente de poder y control de señal serán de 120 VAC con fusibles de 1,5
amperios. El voltaje de salida de prueba será de 500 VDC y corriente limitada a
200µA máximos. El verificador de resistencia de aislamiento automático sólo
supervisará la resistencia del generador cuando este se encuentre apagado y activará
una señal de alarma cuando la resistencia de aislamiento en el estator cae a 1,5
megohm.
En los generadores conectados a tierra se instalará un interruptor de tierra para
desconectar el cable neutro automáticamente de la tierra cuando el generador este
apagado, y permitir al verificador de resistencia de aislamiento automático probar los
bobinados del estator, en la figura 5.2. se puede ver un interruptor de tierra usado por
el probador automático.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
129
Figura 5.2. Interruptor de Tierra Meg-alert™
El interruptor de tierra tendrá un circuito de seguridad para asegurar que el
generador no operare a menos que el cable neutro se reconecte a tierra. El interruptor
de tierra incluye una lámpara indicadora de que la tierra esta cerrada y un contacto de
salida que activa el sistema de alarma/bloqueo. El interruptor de tierra tendrá su
fuente de poder y control de señal a 120VAC con fusibles de 3 amperios.
En la figura 5.3. se observan las dimensiones del probador automático GP500G1
Figura 5.3 Dimensiones del probador GP500G1
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
130
En la tabla 5.2. se muestran las especificaciones del probador de resistencia de
aislamiento automático GP500G1.
Tabla 5.2. Especificaciones Probador automático GP500G1
Entrada de Poder 115-125 VAC 50/60 Hz @ 0,15 A máx.
Señal de Control 120 VAC 50/60 Hz
Contactos Alarma/Bloqueo
5A @ 240 VAC o 28 VDC
LED Display Test on: Verde (Flash)
Falla: Rojo (Flash)
Precision 2%
Temp. ambiente -10ºC a 60ºC
Montaje Especificaciones UL 508
El Plano del Montaje del probador automático GP500G1 se puede Observar en el
anexo #1
5.3. APLICACION DE UN CONVERTIDOR DE FRECUENCIA ESTATICO
Gracias a los avances que han tenido los dispositivos semiconductores en el área
de potencia, es posible implementar hoy en día convertidores de frecuencia estáticos,
de gran capacidad de potencia. El laboratorio de alta tensión con el que cuenta la
empresa SERVIMAR, fue concebido como un convertidor de frecuencia, del tipo con
maquinas rotativas, ya que para la época en que fue ensamblado no se contaba con la
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
131
disponibilidad o en su defecto implementar un convertidor estático implicaba un coste
mayor que uno del tipo rotativo.
Debido a esto se plantea la posibilidad de adquirir un convertidor estático, de
modo de suplantar al generador averiado. Si bien los convertidores de frecuencia
estáticos, se implementan en plantas donde se desea controlar la velocidad de motores
de jaula de ardilla, estos pueden cumplir funciones extras, como en el caso de la
empresa SERVIMAR donde se quiere obtener una señal de salida sinusoidal, con
valores de frecuencia de salida mayores a los que provee la red (60 Hz), dependiendo
del tipo de ensayo y los términos de este.
Un convertidor de frecuencia estático rectifica la tensión alterna de alimentación
en tensión continua, después de lo cual dicha tensión continua se convierte en
corriente alterna variable con amplitud y frecuencia variable. De este modo, el motor
recibe una tensión y frecuencia variable, lo que permite una regulación infinitamente
variable de la velocidad de motores CA trifásicos estándar.
Una representación funcional de un Cambiador de frecuencia, se muestra en la
Figura 5.4. una fuente de voltaje AC sinusoidal teniendo una amplitud Vi y
frecuencia angular fi, que se conecta al terminal de entrada del cambiador de
frecuencia. Este voltaje sinusoidal es convertido en una onda de voltaje con amplitud
V0, y frecuencia angular fo, que se aplica a la carga.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
132
Figura 5.4. Representación funcional simplificada de un Convertidor de
Frecuencia Estático.
Donde:
1.- Alimentación de red
3 x 200 – 240 VAC, 50/60 Hz.
3 x 380 – 500 VAC, 50/60 Hz.
3 x 550 – 600 VAC, 50/60 Hz.
2.- Rectificador
Puente rectificador trifásico que convierte la tensión alterna en tensión continua.
3-. Circuito intermedio
Tensión continua = 1.35 x tensión de alimentación [V]
4.- Bobinas del circuito intermedio
Nivelan la intensidad del circuito intermedio y limitan la carga de la red y de los
componentes (transformador de red, cables, fusibles y contactores).
5.- Condensador del circuito intermedio
Nivela la tensión del circuito intermedio.
6.- Inversor
Convierte la tensión continua en tensión alterna variable con frecuencia variable.
7.- tensión de motor
Tensión alterna variable, un 0-100% de la tensión de alimentación.
Frecuencia variable: 0,5-132 / 0,5-1000 Hz.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
133
8.- Tarjeta de control
Aquí se encuentra el ordenador que controla el inversor, el cual genera el tren de
impulsos que convierte la tensión continua en tensión alterna variable con frecuencia
variable.
5.3.1. Especificaciones y Características del Convertidor Estático
Al momento de evaluar una solución con convertidor de frecuencia se debe referir
a una serie de características y especificaciones que debe cumplir dicho dispositivo
para lograr un correcto funcionamiento del sistema.
Características de la Carga
Antes de especificar un convertidor estático se debe revisar las características de
la carga de tal forma que pueda manejar la carga desde su arranque y en todo el rango
de trabajo sin ningún problema.
o Se debe conocer el comportamiento del torque y de la potencia en todo el
rango de velocidad.
o Se debe conocer el rango normal de trabajo para el torque y velocidad.
Una vez que las características de la carga han sido determinadas, están nos
ayudaran a calcular el calibre y las características de operación del Convertidor,
partiendo por la corriente nominal y/o potencia a la salida.
Especificaciones del Convertidor
o Alimentación de Red.
o Datos de Salida.
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
134
o Características del Torque.
o Salidas y Entradas de Control Programables.
o Características de Control.
o Longitud de Cable y Temperatura Ambiente.
o Grado de protección.
o Hardware.
o Filtro RFI.
-. RFI, son oscilaciones eléctricas con frecuencias entre 10 KHz y los GHz,
se emite por conducción o radiación y se acoplan a las señales de tensión y
corriente de baja frecuencia generando alteraciones en dichas señales.
o Filtro LC.
-. Se ubica externo al convertidor y entre este y la carga, permite generar
una onda casi senoidal al reducir el tiempo de crecimiento de la tensión
dV/dt y los rizados de corriente dI/dt, reduce el ruido acústico, reduce el
desgaste del aislamiento del devanado.
Condiciones Extremas de Funcionamiento.
El convertidor debe estar diseñado para manejar ciertos eventos de peligro y
proteger al sistema de:
o Cortocircuito
o Falla a Tierra
o Conmutación a la salida
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
135
o Sobretensión generada por el Motor
o Corte en la Alimentación
o Sobrecarga Estática
Factores que reducen la Potencia.
Es importante tener en cuenta los siguientes factores que pueden afectar el
rendimiento del convertidor si no son considerados en el momento de especificar
dicho convertidor.
o Temperatura Ambiente
o Presión Atmosférica
o Velocidad Baja
o Cable de Motor
5.3.2. Variador de frecuencia Danfoss tipo VLT®-5500 VVC Plus
Este tipo de variador posee un sistema de control del inversor denominado
VVCPlus, el más reciente desarrollo de control del vector tensión, el sistema controla
los motores de inducción al alimentarlos con una frecuencia y una tensión variables
para cada instante. Si se modifica la carga del motor, también cambia la
magnetización del motor y, por lo tanto, la velocidad. La frecuencia y la tensión del
motor se ajustan para asegurar que el punto de funcionamiento del motor sigue siendo
óptimo en condiciones variables.
Este tipo de variador posee las siguientes características:
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
136
o Ajuste Automático al Motor (función AMA): el VLT se adapta al motor
conectado sin hacerlo girar y muestra la parte activa y reactiva del motor, optimiza la
eficiencia del motor; mejoras las capacidades de arranque asegurando el mejor
torque; compensa las variaciones debidas a las características propias de los cables
del motor.
o Optimización Automática del Motor (AEO): minimiza el consumo de energía;
maximiza la eficiencia del motor controlando la corriente de magnetización; el VLT
entrega la energía necesaria en el tiempo real necesario.
o Supresión de Armónicos: Viene con las inductancias de entrada y salida
incorporadas, lo cual garantiza una excelente limitación de armónicos de voltaje y
corriente; factor de potencia verdadero cerca de la unidad; la I rms verdadera ≈ a la I
nominal del motor lo que significa una alta supresión de armónicos; una muy alta
limitación de armónicos significa ahorro de energía.
o Compactibilidad Electromagnética (EMC): cumple normas EMC; mueble
metalito; rechazo contra interferencias radiadas y conducidas.
o Amistoso: Todos los parámetros son preprogramados y optimizados para
diferentes aplicaciones; menú rápido en la puesta en marcha; idioma español, display
alfanumérico extraíble sin que se apague el VLT; no se requiere de personal
altamente capacitado para su operación.
o Extremadamente Rápido y Preciso: El VLT tiene una velocidad 3 milisegundos
par compensar todo tipo de respuesta o falla; alta resolución de la frecuencia de salida
= 0,003 Hz; precisión en lazo abierto de ± 0,5% y en lazo cerrado de ±0,1%
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
137
o Protecciones al Motor: Contra cortocircuito; falla a tierra; inversión de fase y
tierra; bajo y alto voltaje; perdida de fase (muestra en display cual de las fases del
motor esta fallando o si esta bajo el aislamiento); alta temperatura; transientes;
aislamiento galvánico.
o Estabilidad: Compensación precisa de deslizamiento; alta estabilidad de la
velocidad del motor; alta estabilidad de la frecuencia de salida; estabilidad de torque
lineal hasta 1000 Hz.
o Controlador PID: Puede manejar variables de procesos por si mismo sin
necesidad de un PLC; puede manejar procesos normales o inversos en lazo
cerrado/cerrado; fuente propia de 24 VDC; manejo de unidades de ingeniería (bares,
GPM, RPM, etc.).
o Aplicaciones: Cubre la mayoría de las aplicaciones bajo su configuración
estándar (torque constante, velocidad constante, otras); otras opciones de
sincronización, posicionamiento, wobbler y otras más.
o Software de Programación protocolos: Interfase de comunicación RS-485;
software en español bajo ambiente Windows; intercambio dinámico de datos DDE;
registro histérico, tendencias de variables de proceso; como opción protocolos de
comunicación Device Net, Profibus y otros.
El convertidor de frecuencia incorpora de forma estándar un número de
componentes que, normalmente, deben adquirirse por separado. Estos componentes
integrados (filtros RFI, bobinas CC, abrazaderas de apantallamiento y puerto de
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
138
comunicación serie) sirven para ahorrar espacio y simplificar la instalación, ya que el
convertidor de frecuencia cumple la mayoría de los requisitos sin necesidad de
componentes suplementarios.
Corriente de fuga a Tierra: La corriente de fuga a tierra esta causada
principalmente por la capacidad entre las fases del motor y el apantallamiento del
cable del motor. Cuando se utiliza un filtro RFI, este contribuye a una corriente de
fuga adicional, ya que el circuito del filtro se conecta a tierra mediante
condensadores. El tamaño de la corriente de fuga a tierra depende de los factores, en
este orden de prioridad: longitud del cable de motor, cable del motor con o sin
apantallamiento, frecuencia de conmutación, utilización o no de un filtro RFI,
conexión a tierra del motor o no en su instalación.
La corriente de fuga es importante para la seguridad durante el manejo y
funcionamiento del convertidor de frecuencia si no se ha establecido una conexión a
tierra del mismo (por error). Debido a que la corriente de fuga es >3,5 mA, debe
establecerse una conexión a tierra reforzada, que se requiere par cumplir la norma
EN50178. En los convertidores de frecuencia trifásicos, solo se deben utilizar relés
para corriente con defecto a tierra que sean adecuados para la protección contra
intensidad CC (DIN VDE 0664). Los relés RCD de tipo B cumplen estos requisitos
de acuerdo con la norma IEC755-2.
En la figura 5.5. se tiene un Diagrama clave para VLT serie 5000 380-500V
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
139
Figu
ra 5
.5. E
sque
ma
del C
onve
rtid
or d
e fr
ecue
ncia
Est
átic
o V
LT
550
0
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
140
Datos Técnicos del convertidor de frecuencia estático marca Danfoss
modelo VLT5500:
Alimentación de Red (L1, L2, L3)
Tensión de alimentación 380-500 V ±3,0%
Factor de potencia real (λ) 0,9 a la carga nominal
Factor de pot. de desplazamiento (cosϕ) Cerca de la unidad (>0,98)
Régimen máx. de cortocircuito 1000.000 A
Datos de Salida (U, V, W)
Tensión de salida 0-100% de la tensión de red
Frecuencia de salida 0-132 Hz, 0-1000 Hz
Conmutación en la salida Ilimitada
Intensidad de salida máx. 745 A
Intensidad de salida máx. (60s) 820 A
Salida SVLT,N 516 KVA
Salida máx. constante (150% sobrecarga) 456 KVA
Características de Par
Par de arranque VLT 150% durante 1 min.
Par de arranque 180% durante 0,5 seg.
Par de aceleración 100%
Para obtener una mejor apreciación del convertidor estático en el anexo #2 se
presenta un los datos técnicos generales de la serie VLT 5000.
141
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La protección de generadores varía en forma considerable y se puede decir
que es menos estandarizada que la protección de otros aparatos o componentes de un
sistema eléctrico. Esto es como resultado de la variedad de tamaños, tipos y
aplicaciones de los mismos. La protección se basa principalmente en la importancia
del generador, la cual se encuentra también estrechamente ligada al tamaño del
mismo.
A pesar de los inconvenientes presentados durante el desarrollo de este
trabajo, tales como falta de datos técnico de las maquinas y equipos, así como la
carencia de planos de los sistemas de control remoto del laboratorio, este estudio se
centro en la protección del estator contra fallas a tierra de los generadores, debido a
que estos no poseen un dispositivo que los proteja internamente. Si bien debido ala
potencia de los generadores, estos necesitan de una protección diferencial, se presento
el problema de no poseer los seis terminales de los devanados, siendo imposible
aplicar dicha protección. Es muy importante que al momento de seleccionar una
propuesta de protección contra fallas a tierra en generadores, se debe conocer de
antemano el método de conexión de puesta a tierra del neutro, así como los datos de
sus parámetros y elementos conectados en sus terminales.
142
De todos los diseños analizados, para la protección contra fallas a tierra, se
recomienda la implementación de la protección mediante la conexión de un
transformador de distribución monofasico en el cable neutro a tierra (Propuesta 1),
por ser esta la más factible en cuanto a la funcionalidad del generador y economía de
la empresa.
Teniendo en cuenta que el laboratorio de alta tensión, fue implementado en
un principio para realizar pruebas a transformadores de subestaciones, que ameritaban
una gran demanda de potencia, y ahora este se implementa para pruebas de
transformadores de distribución que no demandan tal cantidad de potencia se propone
para la puesta en funcionamiento del laboratorio:
• Realizar un mantenimiento completo al grupo motor-generador #2 que posee
una capacidad de 1,3 MVA. Este grupo se encargara de realizar pruebas a
transformadores de subestaciones, y también realizara las pruebas donde se
requieran valores de frecuencias mayores a 60 Hz.
• Adquirir un tercer grupo motor-generador, de capacidad de potencia alrededor
de 50KVA, que se encargara de realizar los ensayos de rutina (Vació y
cortocircuito) a los transformadores de distribución.
• Realizar un estudio detallado de las protecciones existentes a fin de lograr una
perfecta coordinación entre estas y las protecciones sugeridas en este trabajo.
• Realizar mantenimiento, a todos los demás dispositivos que integran el
laboratorio, como son, Transformadores, banco de condensadores, banco de
reactancia, interruptores principales, seccionadores, aisladores, etc.
143
• Chequear el correcto funcionamiento de los paneles de control tanto del motor
(FIAB), como del generador (AROS), para lograr la adecuada calibración de
las tarjetas electrónicas, que permitan lograr la correcta señal de disparo de los
tiristores.
• Tratar de acondicionar el área del laboratorio, para impedir el acceso de
partículas de polvo u otros materiales que dejen residuos en los equipos
eléctricos, vulnerables a este.
Para la implementación del dispositivo de medición de aislamiento
automático, se cree que no se justifica la inversión, debido a que este se implementa
en aquellos generadores que operan continuamente y donde las pausas son cortas. Se
recomienda realizar un mantenimiento predictivo periódicamente, mediante la prueba
del Megger, y llevar un control de estas mediciones para tener un historial del
comportamiento del aislamiento.
La implementación de un convertidor estático, estará condicionada, en
cuanto que este vendrá a suplantar al grupo #1 que tenia una capacidad de 2 MVA. Si
se logra que el grupo #2, sea reacondicionado, para lograr un desempeño optimo, el
convertidor estático deberá por lo menos tener una capacidad mayor que este
(1,3MVA), para que sea el convertidor quien realice pruebas donde se requiera mayor
potencia. Pero el costo de este equipo, tendría que venir con una cantidad
considerable de ensayos, esto quiere decir que la empresa debe tener un contrato
grande en donde deba realizar pruebas a transformadores, para justificar la inversión.
144
Sin embargo si no se logra poner en correcto funcionamiento o en su defecto si se
avería el grupo #2, el convertidor estático vendría a suplantar a los dos grupos, y
entonces se puede hacer una inmersión por el convertidor propuesto en este trabajo,
además que las ventajas que ofrece, como mayor confiabilidad, menor ruido, menor
mantenimiento, etc.
145
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Romero C., Stephens R., Sistemas de Protecciones, Universidad de Los Andes,
Mérida, Venezuela, 1998.
Pedro O. Mora, Maquinas Eléctricas y Transformadores, Universidad de Los
Andes, Mérida, Venezuela, 1991.
Pedro O. Mora, Maquinas Sincrónicas, Universidad de Los Andes, Mérida,
Venezuela, 2004.
Ruiz C., Control industrial de Motores Eléctricos, Universidad de Los Andes,
Mérida, Venezuela, 1990.
MYRÉN & Co. AB, Especificaciones Técnicas Laboratorio Alta Tensión,
Suecia, 1986.
J. Lewis Blackburn, Protective Relaying Principles and Applications, New
York, USA, Marcel Dekker, Inc., 1987.
Irwin Lazar, Electrical Systems Analysis and Design for industrial Plants, New
York, USA, McGraw-Hill, Inc., 1988
R. Willheim, M. Waters, Neutral Grounding, Amsterdam, Holanda, Elsevier
Publishing Company, 1956.
Enríquez Harper, Protección de Instalaciones Eléctricas Industriales y
Comerciales, México DF., Limusa Noriega Editores, 2002.
146
REFERENCIAS DE FUENTES ELECTRÓNICAS EN LÍNEA
Medidor de resistencia de aislamiento automático. [Página Web en línea]. Disponible: http://www.megalert.com [Consulta: 2004, Abril]
Convertidor de Frecuencia Estático. [Página Web en línea]. Disponible: http://www.danfoss.com [Consulta: 2004, Abril]
Convertidor de Frecuencia Estático. [Página Web en línea]. Disponible: http://www.vacon.com [Consulta: 2004, Abril]
Dispositivo de protección y monitoreo automático. [Página Web en línea]. Disponible: http://www.powerlogic.com [Consulta: 2004, Marzo]
147
ANEXO 1
148
ANEXO 2
Recommended