5.0 Proteccin de generadores sncronosPor: Csar Chilet Lencchilet@energiaingenierosol.com

Generador sncronoPrimo Motor (Entrada Mecnica)Ia Ib Ic

Gen

3-Salida Elctrica

Fuente DC de campo

371

1

Tipos de generadores sncrono

Rotor cilndrico

Rotor de polos salientes372

Generador en conexin directa con el sistema de potenciaSISTEMA DE POTENCIA

BUS DE CARGA

G

CARGA AUXILIAR

CARGA

CARGA

373

2

Generador en conexin unitaria con el sistema de potenciaSISTEMA DE POTENCIA

GCARGA AUXILIAR 374

Aterrizamiento de baja impedancia

DEVANADOS DEL GENERADOR

*

* RESISTOR OREACTOR375

3

Aterrizamiento de alta impedancia HiZ

DEVANADOS DEL GENERADOR

* * RESISTOR376

Esquema de aterramiento hbrido

377

4

Esquema de aterramiento hbrido Generator normally grounded by low impedance Provides ground source for system relays Provides ground source to limit transient overvoltages

Uses 51N for system back up when operating normally (low-Z ground) Uses 87GD to declare internal ground fault Ground switched from low to high impedance, limiting current to 10A Helps save the generator from arcing damage

Uses 59N once high impedance-grounded All elements available in M-3425A Not in competitors (87 and 87GD are mutually exclusive)

378

Corriente de cortocircuito del generador

379

5

Corriente de falla en terminales del generador

380

Caractersticas Diferente de otros componentes de los SEP, requieren ser protegidos no slo contra los cortocircuitos, sino contra condiciones cortocircuitos anormales de operacin. operaci

381

6

Condiciones anormales1. 2. 3. 4. 5. 6. Sobreexcitacin, Sobrevoltaje, Prdida de campo, Corrientes desequilibradas, Potencia inversa, y Frecuencia anormal.

Bajo estas condiciones, el generador puede sufrir daos o una falla completa en pocos da segundos, Se requiere la deteccin y el disparo detecci automtico.382

Protecciones ms usuales1. Proteccin diferencial del generador. 2. Proteccin de sobrecorriente. 3. Proteccin de sobrecorriente dependiente de la tensin. 4. Proteccin de mnima impedancia. 5. Proteccin de mnima tensin. 6. Proteccin de sobretensin. 7. Proteccin de mnima frecuencia. 8. Proteccin contra prdida de campo. 9. Proteccin contra desbalance.383

7

Protecciones ms usuales10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. Proteccin contra potencia inversa. Proteccin contra fallas a tierra. Proteccin de sobreexcitacin. Proteccin contra energizacin inadvertida. Proteccin trmica con resistencia dependiente de la temperatura. Proteccin de deslizamiento de polo. Proteccin de fallo del interruptor. Proteccin de cortocircuito de interruptor. Proteccin de sobreintensidad bloqueada.384

Proteccin diferencial (87)

8

Proteccin diferencial del generador (87) Proporciona proteccin: contra defectos de fase. Fallas a tierra en caso de aterrizamientos moderados.

Tcnicas: Diferencial porcentual. Diferencial de HiZ.

386

Proteccin diferencial porcentual El ajuste del umbral de corriente diferencial IS1 puede ser tan bajo como 5%ING. IS2 > ING tpicamente, digamos 120%. El ajuste del porcentaje de polarizacin K2, tpicamente se ajusta al 150%.387

9

Proteccin diferencial de HiZ La impedancia el TI saturado es muy pequea en comparacin con la impedancia del circuito de la bobina rel, al que se le ha sumado una resistencia externa de estabilizacin.388

Proteccin diferencial de HiZ Ajuste, Gen dif I s1, lo ms bajo posible. Normalmente, 5% ING. La intensidad de funcionamiento de la proteccin primaria.I OP = (TI RATIO ) (Gen dif I S 1 + n Ie )

389

10

Estator multiespiras Para bobinados de esttor multiespiras, existe la posibilidad de que se produzca un cortocircuito entre espiras del bobinado. A menos que este falta se transforme en una falta a tierra del esttor, no se detectar a travs de las disposiciones de proteccin convencionales.390

391

11

Protecciones de respaldo a la proteccin 87

Protecciones de respaldo al 87

Las protecciones de respaldo a la proteccin diferencial son: La proteccin de sobrecorriente. Proteccin de mnima impedancia.

393

12

Proteccin de sobrecorriente 51/51V Respaldo para fallas entre fases Pueden tomar dos formas . Proteccin de sobrecorriente 51puede ser proteccin principal para generadores pequeos, y como proteccin de respaldo para grandes unidades

Proteccin de sobrecorriente dependiente de la tensin 51Vdonde la proteccin del 87 no es justificable, o donde existen problemas al aplicar 51.

394

Capacidad tpica de sobrecarga de corta duracin del estator 51: proporciona proteccin contra sobrecarga trmica(I2t). El rel usa I2t = K para calentamiento de corta duracin. Segn : ANSI C50.13-1977, ANSI C37.102-1987 226% IN, 10 s. 154% IN, 30 s. 130% IN, 60 s. 116% IN, 120 s.

395

13

Capacidad tpica de sobrecarga de corta duracin del estatorPORCENTAJE DE LA CORRIENTE DE ARMADURA NOMINAL

300

TYPICAL GENERATOR200

SHORT-TIME THERMAL CAPABILITY FOR BALANCED 3-PHASE LOAD (from ANSI C50.13)

100

20

40

60

80

100

120

TIEMPO - SEGUNDOS 396

Proteccin 51/50IEC CurvasOperating Time (s) 1000

100

IEC SI IEC VI IEC EI IEC LTS

10

1

0.1 1 10 100 Current (Multiples of Is)

Constituida por un elemento de sobreintensidad no direccional de dos etapas (51/50). Dificultad: el decrecimiento de la corriente de falla en el tiempo.397

14

Unidad 51 Respaldo para fallos en el generador y el sistema. El ajuste de corriente, debe estar coordinada con la proteccin aguas abajo.

398

Unidad 50 Proteccin, contra fallos internos del generador. Caracterstica de funcionamiento en tiempo definido. El ajuste de intensidad, puede establecerse como el 120% IMAX FALLA, normalmente 8 x ING. Funcionamiento instantneo. Es estable ante fallos externos. En el caso de fallos internos, la intensidad de fallo estar suministrada desde el sistema y ser superior al segundo ajuste.399

15

Proteccin 51V Proporciona respaldo para fallas entre fases en el sistema.

400

Proteccin 51V

Difcil de ajustar: Debe coordinarse con la proteccin de respaldo del sistema Criterio de ajuste general coordinado: Tiempo de relevadores de respaldo. Tiempo de falla de interruptor.

401

16

Proteccin 51V A fin de superar la dificultad de discriminacin, con la tensin en terminales se puede modificar dinmicamente la caracterstica bsica t-i para faltas cercanas.

CB

TP U2% la cavitacin de turbinas (paletas fuera del agua) paletas y ruedas hidrulicas con un largo >2,0% periodo de (Paletas en el agua) motorizacin. La potencia es baja cuando las paletas estn por encima del nivel del canal de desage. Los dispositivos de deteccin de flujo hidrulico son a menudo los mejores medios para detectar una prdida de control. Se recomienda la desconexin automtica.

456

Proteccin contra potencia inversa (32)Motor primo Potencia de motorizacin Posibles daos

Pueden aparecer daos por 0,5% - 3% fatiga trmica en las paletas (con condensacin) de turbinas de baja presin Turbinas cuando el flujo de vapor no de vapor 3% - 6% puede disipar las prdidas (sin condensacin) por rozamiento. Pueden producirse daos rpidamente en los conjuntos sin condensacin o si se pierde el vaco en conjuntos con condensacin. Se debe utilizar proteccin de potencia inversa como mtodo secundario de deteccin, debindose utilizar exclusivamente para producir una alarma.457

44

Proteccin contra potencia inversa (32) El ajuste del valor de arranque debe ser el recomendado por el fabricante de la turbina lo mismo que el retardo del rel. Estos valores deben ajustarse de un modo tan sensible, que el rel detecte cualquier condicin de potencia inversa.

458

Proteccin contra fallas a tierra (64)

45

Objetivo Detectar contactos a tierra en todo el devanado, inclusive en el centro de la estrella. Liberar la falla desconectando el generador y su excitacin lo mas rpido posible Limitar las corrientes de contacto a tierra, para que no produzcan daos en la chapa del estator. Que sea insensible a perturbaciones y fallas a tierra en la red.

460

Fallas a tierra en el estatorAntecedentes : Se tiene la ventaja de tener separada galvnicamente a la maquina del resto de la red (las perturbaciones en ella no influyen directamente en la proteccin). Sin embargo, siempre existe una cierta influencia a travs de la capacidad del transformador de bloque (de forma que una falla a tierra externa provoca una tensin entre el neutro y tierra).461

46

Puesta a tierra de alta impedanciaPara cumplir con la premisa baja intensidad de paso a tierra, se aconseja trabajar con el neutro del generador aislado o puesto a tierra a travs de alta impedancia.GeneradorZg Zg Zg

InVR VR VT

Vo

rpt

U>

Puesta a tierra de un generador

462

GENERADOR x.Zg InVT (1 - x) . Zg

Tx.Zg(1 - x) . Zg

VS

Sx.Zg(1 - x) . Zg (1-x).VR

Vo

Rpt

x.VR

R

INx.Vr

Generalmente se desprecia la resistencia de la porcin del devanado (xZg).463

47

Vo

Rpt In

Zona protegida0% 13% (0V) (825V) 100% (11000 V) 3

Cuanto menor sea el ajuste del rel de tensin, mayor ser la zona protegida del arrollamiento.464

Fallas a tierra en el estator La proteccin diferencial no brinda proteccin de falla a tierra para todo el devanado de fase del estator, es una prctica comn utilizar, como complemento, una proteccin sensible para fallas a tierra.

465

48

Tensin de tercer armnico

Full Load

VN3 sin falla a tierra

No Load

VP3

466

Corriente de tercer armnicoContenido de tercer armnico en las corrientes del generador. Esta corriente pasa por el neutro y podra operar el rel si este no incorpora algn filtro.467

49

A.T. B.T.Vr Vs

Esquema diferencial de neutro

A este tipo de esquema se le conoce como diferencial de neutro o de falta tierra restringida. No se ve afectado por la 3ra Armnico.471

51

Proteccin de fallas a tierra Todos los sistemas adolecen del mismo defecto. si la falta es prximo al neutro, es muy posible que la proteccin no la detecte. Si se quiere proteger el 100% del estator hasta buscar rels y montajes mas complejos. Un sistema, trabaja con el 3er armnico. cuando se produzca un contacto a tierra del estator, la corriente de 3er armnico ser tanto menor cuando la falla sea prximo al neutro.472

~ ~

Esquema basado en el tercer armnicoU>v v

~ ~v

473

52

Proteccin al 100% del estator Uno de los mtodos es usar un rel de subtensin de tercera armnica (27TN). Los componentes de voltaje de tercera armnica estn presentes, en diverso grado, en el neutro de casi todas las mquinas; ellos surgen y varan debido a diferencias en el diseo, la fabricacin, y la carga de la mquina. Este voltaje, de estar presente en suficiente magnitud, puede usarse para detectar fallas a tierra cerca del neutro.474

Esquema de proteccin 59N/27TN59 Rel Supervisor de Sobrevoltaje Instantneo 59N Rel de Sobrevoltaje Sintonizado a la Frecuencia Fundamental (60 Hz) 27TN Rel de Bajo Voltaje Sintonizado a la Frecuencia de 3TH (180 Hz) 2-1, 2-2 Temporizadores475

53

476

477

54

Generador sin falla a tierra

Full Load

VN3 sin falla a tierra

No Load

VP3

478

Generador con falla a tierra

No Load

Con falla a tierra

VN3 VP3479

55

Proteccin 64 al 100% del estator

59N V3d

0%

100%480

Ejemplo de Elemento 64 G 789 MW, 25 kV Unit VP3_FL = 8 V VN3_FL = 8 V VP3_NL = 2.7 V VN3_NL = 2.5 V

481

56

Tensin de tercer armnico10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 Full Load Line No Load Line

482

Lmites del elemento Vs. la carga60% 50%

40%

30%

20%

10%

0% 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 Lower 64G2 64G1 27N3 Upper 64G2

483

57

Proteccin de sobreexcitacin V/Hz (24)

Sobreexcitacin V/Hz (24)Lmites del generador (ANSI C50.13) Plena carga V/Hz = 1.05 pu Sin carga V/Hz = 1.05 pu Lmites del transformador (terminales de HV) Plena carga V/Hz = 1.05 pu Sin carga V/Hz = 1.10 pu

485

58

Sobreexcitacin V/Hz (24)Causas de problemas de V/Hz Problemas en el regulador de voltaje. Error de operacin durante la operacin del regulador manual fuera de lnea. Falla de control. Prdida del TP que suministra voltaje al regulador. Sobre-excitacin cuando el generador esta en lnea.

Problemas en el sistema Rechazo de carga de la unidad: rechazo a plena carga o con carga parcial. Formacin de islas en el sistema de potencia durante disturbios mayores.486

Sobreexcitacin V/Hz (24)Seales fsicas Como el voltaje se eleva arriba del nominal el flujo de dispersin se incrementa El flujo de dispersin induce corrientes en la estructura de soporte del transformador causando un calentamiento rpido localizado.Flujo en el Ncleo

Vp

Vs

Flujo de Dispersin

487

59

Sobreexcitacin V/Hz (24)Curvas tpicasCurva de limitacin para operacin de V/Hz para generador

Curva de limitacin para operacin de V/Hz para transformador

488

Sobreexcitacin V/Hz (24) La funcin 24 V/Hz debe ser ajustada de acuerdo a la norma C37.102, si no existe una curva de ajuste V/Hz vs t, para el transformador elevador del generador. Resumen de ajustes Setpoint #1 = 106%, 10s Setpoint #2 = 110%, 5s Curva INV=Deshabilitada489

60

Sobreexcitacin V/Hz (24)Relevador V/Hz de tiempo inverso Un relevador V/Hz con una caracterstica inversa puede ser aplicado para proteger un G y/o T, de un nivel excesivo de V/Hz.

490

Sobreexcitacin V/Hz (24) Un nivel de operacin mnimo de V/Hz y de retardo de tiempo pueden normalmente ser ajustados para igualar la caracterstica V/Hz combinada del generador-transformador. Si se puede, se deben obtener las limitaciones V/Hz del fabricante y usarlas para determinar las caractersticas combinadas.491

61

Proteccin contra energizacin inadvertida (27/50)

Proteccin contra energizacin inadvertida (27/50)Cmo ocurre? Errores de operacin. Flameo (flashover) de los contactos del interruptor. Mal funcionamiento de los circuitos de control. Alguna combinacin de los anteriores.

493

62

Energizacin inadvertida (27/50) Respuesta del generador y daos. El generador se comporta como un motor de induccin. El flujo rotatorio se induce dentro del rotor del generador. La corriente resultante en el rotor es forzada dentro de la trayectoria de secuencia negativa en el cuerpo del rotor. La impedancia de la mquina durante la energizacin inicial es equivalente a su impedancia de secuencia negativa. 2 Ocurre un rpido calentamiento del rotor.

I2 t = K

494

Energizacin inadvertida (27/50) Circuito equivalente.

495

63

Energizacin inadvertida (27/50) Muchas veces la proteccin convencional es deshabilitada cuando la unidad est fuera de lnea Se remueven los fusibles o cuchillas de los transformadores de potencial. Se remueve la alimentacin de DC para el control. El contacto auxiliar (52a) del interruptor o cuchillas pueden deshabilitar el disparo.496

Energizacin inadvertida (27/50) Esquemas de proteccin empleados. Esquemas de sobrecorriente supervisados con frecuencia. Esquemas de sobrecorriente supervisados con voltaje. Esquema de sobrecorriente direccional. Esquema de relevadores de impedancia. Esquema de sobrecorriente habilitado con contacto auxiliar.

497

64

Energizacin inadvertida (27/50)Respuesta de la proteccin convencional. Algunos relevadores podran detectar la energizacin inadvertida del generador pero pueden: Ser marginales en su habilidad para detectar la condicin. Operar tan lentos que no puedan prevenir el dao.

498

Energizacin inadvertida (27/50)

499

65

Energizacin inadvertida (27/50)Conclusiones La energizacin inadvertida es un serio problema. Daos ocurren en segundos.

La proteccin convencional del generador. Marginal en la deteccin del evento. Deshabilitada cuando la mquina es energizada inadvertidamente. Opera muy lento para prevenir dao.

Se necesita instalar un esquema de proteccin dedicada.500

Proteccin trmica con resistencia dependiente de la temperatura

66

Proteccin con resistencia dependiente de la Temp.Causas: Sobrecarga prolongada. El desgaste o la falta de lubricacin de los rodamientos puede provocar tambin calentamientos localizados en el interior de la carcasa de rodamiento. Efectos: envejecimiento prematuro de su aislamiento o, en casos extremos, un fallo de este.502

Proteccin con resistencia dependiente de la Temp.Sensores trmicos. Para proteger contra cualquier calentamiento localizado o generalizado, los rels tienen la capacidad de admitir entradas de hasta 10 dispositivos de deteccin de resistencia de temperatura. Las resistencias detectoras de temperatura (RTD) o termopares se colocan en diferentes partes del arrollamiento para detectar los cambios de temperatura.503

67

Proteccin con resistencia dependiente de la Temp. Las resistencias detectoras de temperatura pueden ser: de cobre (valor 10 W a 25), platino (valor 100 W a 0) nquel (valor 120 W a 0).

El ajuste depender de la capacidad trmica del aislamiento del generador.504

Proteccin con resistencia dependiente de la Temp.ParmetroTemperatura de rodamientos de generadoresTemperatura tpica de servicio en carga total

Sobrecarga a corto plazo60-80C+Se asume normalmente del aceite un gradiente de temperatura a partir de la temperatura del devanado de tal modo que los RTD del aceite superior pueden proporcionar proteccin al devanado

60-80C, dependiendo del tipo de rodamiento

Temperatura superior de los transformadores

80C (50-60C por encima de la ambiental).

Temperatura del foco caliente del devanado

98C para una edad normal del aislamiento. Se debera dar una sobrecarga cclica.

140C+ durante emergencias.505

68

Proteccin de deslizamiento de polo (78)

Proteccin de deslizamiento de polo Proporciona disparo del generador cuando este pierde sincronismo con el sistema de potencia, esto es el generador se desliza un polo Esto ocurre cuando los corto circuitos en el sistema no son librados con la suficiente rapidezES S

TEg g

G

XCorto Circuito

Sistema De Potencia

507

69

Proteccin de deslizamiento de polo La ecuacin de transferencia de potenciaP=(EGES/X) sen(S - G)

Flujos de potencia real pequeos hacia el sistema durante una falla trifsica El ngulo de fase del voltaje interno se adelanta durante un corto circuito Si la falla permanece en el sistema mucho tiempo el generador pierde sincronismo aunque la falla se libre despus508

Proteccin de deslizamiento de polo Grfica de la trayectoria de la impedancia equivalente de dos generadores

509

70

Proteccin de deslizamiento de poloCundo es necesario OSP? Cuando un tiempo de Switcheo crtico del generador es lo suficientemente corto para garantizar la accin. Cuando la trayectoria de la oscilacin pasa a travs del generador o su transformador elevador. Cuando la trayectoria de la oscilacin pasa a travs de las lneas de transmisin cercanas a la planta pero los relevadores de las lneas no pueden detectar el evento.510

Proteccin de deslizamiento de poloAplicacin: Para generadores relativamente pequeos que funcionan en paralelo con fuertes suministros pblicos. Podra ser el de un cogenerador en paralelo con el sistema de distribucin de una utilidad pblica, en la que no se proporciona proteccin de alta velocidad para fallos del sistema. El retardo en la reparacin de los fallos del sistema puede suponer una amenaza para la estabilidad de la central del cogenerador.511

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Proteccin de fallo del interruptor (50BF)

Fallo del interruptor (50BF) Cuando el sistema de rels de proteccin opera para disparar el interruptor automtico del generador pero el interruptor no funciona, es preciso activar un esquema de falla del interruptor. Dadas las sensibilidades requeridas, hay importantes diferencias entre la manera de aplicar un esquema de falla local del interruptor en un interruptor de generador y en un interruptor de lnea de transmisin.513

72

Fallo del interruptor (50BF) El diagrama funcional de un esquema tpico de falla del interruptor usado en un interruptor de lnea de transmisin.

514

Fallo del interruptor (50BF) Cuando los rels de proteccin detectan una falla, van a intentar disparar el interruptor primario de la lnea de transmisin e iniciar a la vez una falla del interruptor. Si el interruptor de lnea no despeja la falla durante un intervalo de tiempo especificado, el temporizador va a disparar los interruptores de respaldo necesarios para sacar de servicio al interruptor automtico que ha fallado. El disparo exitoso del interruptor primario est determinado por el desaccionamiento de su detector de corriente, que detiene el temporizador de falla del interruptor (62).515

73

Fallo del interruptor (50BF) Sin embargo, cuando el esquema de falla del interruptor se aplica a un interruptor de generador, su disparo puede no ser iniciado por un corto circuito sino por una condicin anormal de operacin en la que puede haber muy poca, o no haber, corriente de corto circuito. Las condiciones anormales de operacin como el sobrevoltaje, la sobreexcitacin, la baja frecuencia excesiva, la potencia inversa y las fallas a tierra del estator, no producirn suficiente corriente para operar los detectores de corriente.516

Fallo del interruptor (50BF) El conmutador del interruptor 52a deber usarse en paralelo con los detectores de falla para dar indicaciones adicionales en un esquema de falla del interruptor para interruptores de generador.

52a - Contactos Auxiliares del Interruptor Automtico CD - Detector de Corriente 62- Temporizador de falla del interruptor con retardos ajustables de enganche y cero desenganche.

517

74