Curso IEEE Proteccion de Sistemas Electricos II

7/23/2019 Curso IEEE Proteccion de Sistemas Electricos II

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SECCION MEXICO

Enrique Daz de la Serna P.

PROTECCIN DE GENERADORES SCRONOS EN CENTRALESGENERADORAS

1.Proteccin de secuencia negativa

2.Proteccin de respaldo ante fallas externas

3.Proteccin de prdida de campo

4.Disparo de generadores sncronos


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SECCION MEXICO

Introduccin

El rotor de un generador elctrico puede ser sobrecalentado en un tiempo relativamente corto

por corriente de secuencia negativa causada por desbalance de corrientes en el estator.

Un generador est sujeto a los efectos de corrientes de secuencia negativa principalmente

durante ciertas condiciones de falla. La componente de secuencia negativa es mxima para

fallas en las terminales de la mquina. Entre los varios tipos de falla, la que causa la magnitud

mayor de corriente de secuencia negativa y las peores condiciones de operacin es la falla de

lnea-lnea. La corriente de secuencia negativa debida a fallas de doble lnea a tierra y de lnea atierra es menos severa pues su magnitud puede ser limitada a valores bajos por medio del

aterrizamiento del neutro del generador.

Las caractersticas del sistema al que est interconectado el generador y las condiciones previas

a la falla tambin influyen en la magnitud de I2. Puede mencionarse por ejemplo, que si la falla

ocurre a plena carga y con excitacin fija, se producir una I2mayor que la resultante sincarga porque el voltaje interno del generador es mayor. Las caractersticas del regulador de

voltaje tambin determinarn en cierto grado la duracin y magnitud de la componente de

secuencia negativa resultante.

PROTECCIN DE SECUENCIA NEGATIVA


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SECCION MEXICO

Efectos de las corrientes desbalanceadas en un generador sncrono

En un generador, el desbalance de corrientes del estator produce un campo magntico pulsanteque puede ser descompuesto en dos campos rotatorios, uno que gira en sincronismo con el rotor

y otro que gira en sentido opuesto, a la misma velocidad que el primero. El campo magntico que

gira en sentido contrario al rotor, corta a ste a una frecuencia igual al doble de la nominal,

generando as corrientes de 120 Hz en el rotor; estas corrientes fluyen en las trayectorias

disponibles, como son la superficie del rotor, devanados amortiguadores, cuas de retencin de

las ranuras y anillos terminales.La circulacin de estas corrientes de 120 Hz por elementos cuya resistencia elctrica es

comparativamente alta causa un calentamiento anormal, severo y rpido al rotor.

Puede verse que las condiciones de desbalance de corriente en ltima instancia significan un

problema de elevacin de temperatura de las diferentes partes del rotor. Por ejemplo, con

corriente sostenida de secuencia negativa en la armadura, la temperatura de las cuas de las

ranuras puede alcanzar un punto que las hace perder su resistencia mecnica y an fallar. Con

incrementos de temperatura menos severos, el aislamiento elctrico de las bobinas del rotor

puede ser daado.

PROTECCIN DE SECUENCIA NEGATIVA (cont.)


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SECCION MEXICO

La corriente de secuencia negativa en el estator de una mquina sncrona causa una prdida de

potencia en la mquina, la cual est determinada por la corriente de secuencia negativa y por la

resistencia de secuencia negativa. Prcticamente toda la prdida de potencia por la corriente desecuencia negativa aparece en el rotor, por lo que este hecho puede ser empleado para evaluar el

calentamiento relativo del rotor para diferentes magnitudes de la corriente de secuencia negativa.

La entrada de energa al rotor y su elevacin de temperatura en un intervalo de tiempo dado son

prcticamente proporcionales a:

donde i2es el valor instantneo de la corriente de secuencia negativa como funcin del tiempo, y t

es el tiempo en segundos. Para una cierta funcin de i2y un cierto intervalo de tiempo puede

encontrarse una corriente de secuencia negativa equivalente con la expresin:

Por lo tanto, el calentamiento del rotor durante

dicho intervalo es proporcional a:


2

2

t

o

K i dt=

2

2

2

t

o

i dtI

t

=

2

2 K I t=


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SECCION MEXICO

De lo anterior se establece que el efecto de calentamiento del rotor de una mquina sncrona

para varias condiciones de falla desbalanceada puede ser evaluado como una funcin de la

corriente de secuencia negativa.

Por lo tanto, se concluye que la capacidad de una mquina sncrona para soportar fallas

desbalanceadas est limitada por su capacidad para soportar los efectos del calentamiento por

las corrientes de secuencia negativa. Esta capacidad entonces puede ser adecuadamente

representada por el valor permisible de K, de acuerdo a su definicin, dada lneas atrs.

Cada mquina en particular tiene as un valor definido de su constante K, el cual establece

sus lmites trmicos (en tiempo y magnitud de I2) para operar con corrientes desbalanceadas.



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SECCION MEXICO

Normalizacin sobre operacin desbalanceada de mquinas sncronas

Las normas ANSI C50.10 y C50.13 (Requerimientos generales para mquinas sncronas y

Requerimientos para generadores sncronos de rotor cilndrico, respectivamente) establecen, entreotras cosas, ciertas caractersticas aplicables al estudio de condiciones desbalanceadas en

generadores.

Primeramente es importante estudiar el tipo de enfriamiento del generador bajo anlisis, pues,

como se ver ms adelante, es determinante de la capacidad para operar con corrientes

desbalanceadas. La norma C50.13, inciso 2, clasifica las mquinas sncronas por su enfriamiento

como sigue:

Devanados enfriados indirectamenteson aqullos en que el calor generado en la parte

principal de los mismos debe fluir a travs del aislamiento a tierra antes de alcanzar el medio

de enfriamiento.

Devanados enfriados directamenteson aqullos en que el medio de enfriamiento fluye encontacto estrecho con los conductores, de tal forma que la mayor parte del calor generado en los

devanados alcanza el medio de enfriamiento sin fluir por los aislamientos a tierra.



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SECCION MEXICO

Por otro lado, la parte 6, Requerimientos para condiciones anormales, de la norma ANSI C50.13

indica en 6.3 los requerimientos trmicos de tiempo corto del rotor para fallas desbalanceadas. Se

indica aqu que el rotor del generador ser capaz de soportar sin dao corto-circuitos

desbalanceados u otras condiciones desbalanceadas que produzcan valores deI22tcomo sigue:

I22tes el producto de I2al cuadrado, expresada en por unidad de la corriente del estator a los

KVA nominales, y del tiempo de falla expresado en segundos.

La capacidad del generador expresada comoI22tse aplica para tiempos hasta de 120 seg y se

basa en un incremento constante del calor almacenado y en una disipacin despreciable de calor.


Tipo de enfriamientoCapacidad mnima expresada en

trminos deI22t

Indirecto 30

Directo Hasta 800 MVA

Entre 800 y 1600 MVA

10

10-(0.00625) x (MVA-800)


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La misma norma C50.13 indica en el inciso 6.5 que un generador ser capaz de soportar sin

dao los efectos de un desbalance continuo de corrientes que corresponda a una corriente de

secuencia negativa, expresada en porciento de la corriente nominal del estator, de acuerdo a

lo siguiente:


Tipo de enfriamiento I2permisible (%)

Indirecto 10

Directo

Hasta 960 MVA

961 a 1200 MVA

1201 a 1500 MVA

8

6

5


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Relevador de proteccin contra secuencia negativa

El relevador que protege contra desbalance de corrientes es clasificado por ANSI con el

nmero 46; es un relevador que funciona cuando las corrientes polifsicas son

desbalanceadas o contienen componente de secuencia negativa que excede cierto valor.

Este relevador es del tipo de sobrecorriente de tiempo inverso y funciona a partir de la salida

de un filtro de corriente de secuencia negativa, que a su vez se alimenta de los

transformadores de corriente del generador.

Como la fuente del desbalance se encuentra en el sistema y se afectan todos los generadores

cercanos, no deben stos ser desconectados, a menos que esta condicin permanezca sin

correccin durante un tiempo que signifique riesgo de daos a los generadores. Por ello, la

proteccin de secuencia negativa debe incluir una caracterstica de tiempo tan cercana como

sea posible a la caracterstica trmica de la mquina protegida, dando as al personal deoperacin el mayor tiempo posible para localizar y aislar la falla antes de que el disparo se

vuelva necesario y obligado.


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SECCION MEXICO

PROTECCIN DE SECUENCIA NEGATIVA(cont.)

El relevador tiene un generador de funcin

que determina la magnitud de K, o sea el

valor de I22tque se desea obtener en la

caracterstica de operacin del relevador. En

la figura se muestran las curvas tiempo-

corriente de un relevador para diversosvalores de K.

Curvas tiempo-corriente de un

relevador esttico ANSI 46.


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PROTECCIN DE RESPALDO CONTRA FALLAS EXTERNAS

La funcin de la proteccin de respaldo de un generador es sacarlo de servicio si una fallaen el sistema no ha sido librada por otros dispositivos de proteccin despus de que ha

transcurrido suficiente tiempo para ello.

Este relevador protege los componentes del sistema de distribucin contra daos excesivos

y evita que en el generador y sus auxiliares se excedan sus limitaciones trmicas.

Esta proteccin puede ser proporcionada porrelevadores de distanciaANSI 21 porrelevadores de sobrecorriente con control o restriccin de voltaje, con denominacin ANSI

51V. Normalmente en generadores con transformadores elevadores a tensiones de

transmisin se usan relevadores de distancia, para coordinar con los relevadores de

distancia de las lneas de alta tensin alimentadas por ellos; en sistemas comerciales o

industriales, con generadores conectados directamente a un bus a la misma tensin que

las cargas, es frecuente que se empleen para la proteccin de respaldo relevadores 51V,para coordinar con las protecciones 50/51 de los alimentadores derivados del bus.


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PROTECCIN DE RESPALDO CONTRA FALLAS EXTERNAS (cont.)

PROTECCIN CON RELEVADOR ANSI 51V

Esta alternativa es ms econmica que los relevadores de distancia, y se aplica generalmente con

generadores pequeos y de capacidades medias; consiste de un relevador de sobrecorriente de

tiempo inverso concontrol de voltajeo conrestriccin de voltaje, 51V. La funcin del voltaje es

evitar o moderar la operacin por sobrecorriente hasta que el voltaje del generador sea reducido

por una falla, puesto que la corriente de falla trifsica sostenida es generalmente menor que la

corriente de carga mxima; esto ocurre si el regulador no incrementa el voltaje ante condiciones de

voltaje reducido por la falla sostenida.

La razn de utilizar un relevador 51V, en lugar de un relevador de sobrecorriente simple, es que laimpedancia sncrona del generador es comnmente mayor a 1 p.u., lo que significa que la

corriente de falla puede ser del mismo orden, o an inferior a la corriente nominal.

El uso de un relevador de sobrecorriente ordinario presenta un dilema al tratar de determinar los

ajustes de corriente y de tiempo; si estos ajustes son bajos, el relevador puede disparar el

generador innecesariamente con sobrecargas normales; si los ajustes son demasiado altos para

permitir los intervalos de tiempo de coordinacin para dar la selectividad con los dispositivos deproteccin inferiores, el relevador puede no responder debido al decaimiento de la corriente de

falla del generador. As, los relevadores ordinarios de sobrecorriente no pueden ser aplicados sin el

riesgo de operaciones en falso.


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PROTECCIN CON RELEVADOR ANSI 51V (cont.)El relevador de sobrecorriente que se emplea es diseado especialmente para que su caractersticade operacin sea una funcin tanto de la tensin como de la corriente. A medida que la magnituddel voltaje aplicado baja del valor nominal, la caracterstica tiempocorriente es modificada de talforma que el relevador se vuelve ms sensible. Este relevador puede ser de dos tipos: "con

restriccin de voltaje" y "con control de voltaje".El tipo de "control de voltaje" evita la operacin de la unidad de sobrecorriente, hasta que el voltajecaiga por abajo de un valor especificado, tpicamente de alrededor del 80% del normal. El otro tipo(con "restriccin de voltaje") cambia las caractersticas tiempo-corriente con el voltaje; noresponder as a la carga mxima si el voltaje es normal, pero operar a menores corrientes cuandola falla reduzca el voltaje.

El relevador de sobrecorriente con restriccin de voltaje consiste de un disco de induccin

convencional con un elemento de voltaje construido de tal forma que produce un par que se oponeal par de operacin producido por la bobina de corriente. Este par de restriccin es proporcional alvoltaje y controla la corriente de pickup del relevador en un rango de 4 a 1. El relevador es calibradoy denominado con un rango de ajustes del tap (por ejemplo 416 A) con 100% de voltaje aplicado ala bobina de restriccin; a medida que el voltaje se reduce, la corriente requerida para operar elrelevador (con cierto tap) se reduce tambin, dando una serie infinita de curvas caractersticas; lossiguientes son datos tpicos de un relevador:

% DE VNOMINAL PICKUP, % DEL TAP100 10078 7848 52

0 25


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PROTECCIN CON RELEVADOR ANSI 51V (cont.)

El relevador de sobrecorrientecon control de voltajees tambin un relevador de disco de

induccin, pero del tipo "par controlado" por un relevador de voltaje ajustable entre

aproximadamente 65 y 83% del nominal. Cuando el voltaje aplicado est arriba del valor de

ajuste, su contacto controla la bobina de corriente, impidiendo la aparicin del par, sin

importar la magnitud de la corriente; cuando el voltaje aplicado es menor que el de ajuste, la

unidad de voltaje permite que el relevador produzca un par y opere como un relevador de

sobrecorriente convencional; si la corriente est arriba del tap seleccionado, operar de

acuerdo con sus propias caractersticas tiempocorriente. As puede realizarse una clara

distincin entre condiciones normales sin falla y condiciones anormales de falla. Algunos

fabricantes ofrecen la versin de estado slido del relevador de sobrecorriente con control de

voltaje, la cual consiste de circuitos lgicos de tiempo y sobrecorriente que tienen el

funcionamiento aqu descrito.


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SECCION MEXICO

PROTECCIN CON RELEVADOR ANSI 21

La proteccin de respaldo para fallas en el generador y en el transformador, y particularmente paraproteccin de los mismos ante fallas no libradas en el sistema de potencia, puede ser proporcionada conla aplicacin de un relevador de distancia ANSI 21. Este relevador, conectado como se muestra en lafigura, se ajusta para un alcance en el sistema elctrico a travs del transformador de la unidad, o conalcance sobre el sistema para unidades en conexin directa al sistema. Un "timer" fijo proporciona el

retraso de tiempo necesario al relevador de distancia, para coordinarse con todos los relevadores quetengan sobrealcance.

Como se muestra en la figura, el usode TC's en el lado de neutro delgenerador proporciona proteccin derespaldo al generador; esto es lopreferido, pero si no se tienendisponibles estos TC's, el relevador 21

puede ser conectado a TC's en el ladode alta tensin del generador. Con laseal de potencial tomada de los TP'sdel generador, como se muestra, elajuste del relevador 21 se consideradesde esta localizacin,independientemente de la localizacinde los TC's; as, slo la impedancia

del transformador de unidad en lafigura, ms la impedancia deseadadel sistema de alta tensin, son losparmetros involucrados.


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SECCION MEXICO

Se indic antes que es conveniente que laproteccin de respaldo de generadores sea

proporcionada por relevadores de distanciacuando se alimenten lneas protegidas porrelevadores de distancia.

Estos relevadores utilizan la corriente y elvoltaje del generador para medir laimpedancia entre el generador y la falla, lacual es proporcional a la distancia elctrica

hasta el corto circuito.

A continuacin, y a manera de ejemplo, sedescribe la aplicacin de un relevador dedistancia ANSI 21 para proteccin derespaldo de un turbogenerador; el diagramaunifiliar correspondiente se muestra en lafigura.

PROTECCIN CON RELEVADORANSI 21 (cont.)

D IA G R A M A U N IFILA R D E U N G E N E R A D O R C O NP R O T E C C IO N D E R E S P A LD O D E L T IP O A N S I 2 1

25 0 00:5A

G

120-69V14 4 00-72VT P s AU X .

,3 TP s

Z = 6.76% , X/R = 33.821.5 - 40 0 K VT R A N S F . E LE V A D O R E SB A N C O D E 3

=

IL

IL

IT

IT

K =

Z L

F A L L A

X

3T C s

A

AA

A

A

A

A

A

B

B

B

BB

B

B

B

C

C

C

CC

C

C

C

2 1 G


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SECCION MEXICO

El relevador utilizado es el modelo12CEB13C21A, trifsico,caracterstica mho, marca GeneralElectric, cuyas caractersticas semuestran en el diagrama de lafigura derecha.

PROTECCIN CON RELEVADOR ANSI 21 (cont.)

IM P E D A N C IA C A R A C T E R S TIC A D E L R E LE V A D O R 2 1G

1

3200

1

2

3

4

R - O H M S, -N

A JU S T E 7 5 , 4 oh m s,desplazam iento 0 ohm s

A JU S T E 7 5 , 4 oh m s,desplazam iento 1 oh m

A JU S T E 6 0 , 3.4 oh m s,desplazam iento 0 ohm s


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SECCION MEXICO

PROTECCIN CON RELEVADOR ANSI 21 (cont.)

Los elementos de corriente estn alimentados por medio de 3 transformadores de corriente

(TC's) con relacin de transformacin 25,000:5 A. Los elementos de voltaje se alimentan por

medio de tres transformadores de potencial (TP's) con relacin 14400 72 V (N) en conexin

estrella en el devanado de alta tensin y estrella aterrizada en el devanado de baja tensin.

Debido a que la conexin del banco de transformacin principal es deltaestrella, se requierentransformadores auxiliares de potencial para que el relevador detecte correctamente los

ngulos y voltajes entre fases en el lado primario del banco; por ello, se tienen 3 TP's

auxiliares con relacin de transformacin 12069 V en conexin deltaestrella.

Para poder coordinar esta proteccin con las protecciones primarias de las lneas, se requiere

dar un retraso de tiempo, por lo que se tiene un relevador de tiempo (62/21G) Marca G.E.,

modelo 12SAM11C22A con rango de tiempo de 0.053 seg.


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SECCION MEXICO

PROTECCIN CON RELEVADOR ANSI 21 (cont.)CALCULO DE AJUSTES

Puesto que el relevador est midiendo la impedancia en el lado primario de un transformadordeltaestrella, la impedancia real, vista desde el primario, debe ser corregida para tomar esto enconsideracin; por lo tanto, el relevador "ver" la impedancia siguiente:

donde:

ZRELEV= Impedancia a que debe ajustarse el relevador para que proporcione proteccin derespaldo eficiente al generador contra fallas en las lneas de transmisin, en caso de que lasprotecciones primarias de las mismas no operen (ohms). ZT=Impedancia del Banco principal de transformadores elevadores, referida al lado de alta

tensin (ohms). ZL= Impedancia de la Lnea (ohms).

k = Relacin (infeed) entre la corriente total de falla en una lnea (contribucin del sistema) yla contribucin del generador, referida al lado de alta tensin (secundario) del

transformador elevador. VL=Voltaje nominal entre fases del banco de transformacin en el lado de baja tensin(generador). VH=Voltaje nominal entre fases de los devanados de alta tensin del banco detransformacin.

La relacin de transformacin de los TC's es 5000 (25000: 5 A).

La relacin de transformacin de los TP's es 200 (14400 72 V).

sTP'deRelacin

sTC'deRelacinx

V

V)Zk(Z0.866Z

2

H

LLTRELEV

+=


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SECCION MEXICO

Introduccin

La prdida parcial o total de la excitacin de una mquina sncrona debe ser detectada de inmediato, ya

que produce condiciones anormales que significan riesgos para la mquina.

En el caso especfico de un generador sncrono, el sistema al cual est interconectado se ve tambin

sujeto a condiciones riesgosas como consecuencia de la prdida de excitacin del generador.

En la medida de lo posible, un generador sncrono debe ser mantenido dentro del sistema,

suministrando carga, en particular cuando la mquina, representa una parte considerable de la

capacidad del sistema; el aviso oportuno de una reduccin de excitacin puede dar al operador la

posibilidad de restablecer el campo y de evitar el disparo. El disparo innecesario de la unidad, con la

prdida resultante de KW, puede precipitar disturbios mayores en el sistema, tales como un apagngeneral. Sin embargo, cuando el generador o el sistema estn amenazados de inestabilidad causada por

la prdida de excitacin, la mquina debe ser disparada automticamente a la mayor brevedad.

Los relevadores que detectan los diversos niveles de baja excitacin ejecutan las siguientes funciones:

Avisar al operador de cualquier baja excitacin que pudiera daar la mquina o causar inestabilidad.

Avisar cuanto antes al operador de la condicin de prdida de campo, dndole tiempo de corregir esta

situacin.

Disparar la mquina automticamente en caso de inestabilidad potencial del sistema.

PROTECCIN DE PRDIDA DE CAMPO


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SECCION MEXICO

Comportamiento de un generador sncrono con prdida de excitacin

La prdida parcial o total de campo de un generador puede ser resultado de alguna de las

siguientes causas:

Prdida de campo del excitador principal.

Disparo accidental del interruptor de campo.

Corto-circuitos en devanado del campo.

Contacto deficiente en escobillas del excitador.

Interruptor de campo bloqueado.

Prdida del suministro de C. A. al sistema de excitacin.

PROTECCIN DE PRDIDA DE CAMPO (cont.)


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SECCION MEXICO

La falla en el sistema del campo de un generador sncrono hace que pierda el sincronismo,

operando por arriba de la velocidad sncrona; as, operar como generador de induccin, cuyo

flujo principal es producido por corriente reactiva del estator, tomada del sistema; en estas

condiciones, la mquina continuar generando potencia activa, cuyo valor ser determinado por

el ajuste de carga del gobernador de la turbina.

La operacin como generador de induccin requiere el flujo de corriente a la frecuencia del

deslizamiento en el rotor; adems, la excitacin en estas condiciones requiere de una componente

reactiva considerable que puede exceder la capacidad nominal; si el sistema es capaz de

suministrar esta componente reactiva, no hay riesgo de inestabilidad; sin embargo, el generadorno est diseado como una mquina de induccin, y se producir una elevacin excesiva de

temperatura en el rotor y sobrecarga en los devanados del estator.

La operacin como generador de induccin no produce necesariamente daos inmediatos al

turbogenerador; la componente de potencia activa ser ligeramente inferior a la carga pre-falla,

debido a la caracterstica de regulacin de velocidad del gobernador; la corriente en el rotor es

proporcional a la potencia de salida y el calentamiento, proporcional al cuadrado de la corriente,

es por tanto limitado con carga reducida; muchas unidades han operado en estas condiciones

durante varios minutos, sin dao.



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SECCION MEXICO

Es recomendable considerar las caractersticas particulares de cada mquina; sin embargo y

a manera de ejemplo, puede mencionarse que en una unidad de 60 MW con enfriamientoconvencional no se producir elevacin excesiva de temperatura por operacin asncrona a

plena carga durante 5 minutos, aproximadamente.

Las capacidades superiores de mquinas sncronas se obtienen ms por medio de tcnicas

intensivas de enfriamiento (agua, hidrgeno, etc.) que por el incremento en tamao fsico; el

efecto de ello es la reduccin de constantes trmicas, lo que implica menor capacidad desoportar condiciones anormales; por esta razn, una unidad de 500 MW no debe operar en

forma asncrona por ms de 20 segundos, aproximadamente.

Otra consecuencia posible de la reduccin de excitacin en un generador sncrono es que el

voltaje terminal se reduce, haciendo que se tome potencia reactiva del sistema; una cada

excesiva del voltaje indica que el sistema puede volverse inestable; por ello, la reduccin del

voltaje terminal de la mquina es otra de las manifestaciones de la prdida parcial o total del

campo que se emplean para la deteccin oportuna de la falla.



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SECCION MEXICO

Descripcin del generador

El generador de la unidad 1 de la Central

Nucleoelctrica Laguna Verde es trifsico, 750 MVA,

675 MW, F.P. 0.9, 60 Hz, 1800 RPM, 22000 V, tipo

sncrono, enfriado por hidrgeno, con una presin

nominal de 4.0 kg/cm2.

En la figura se muestra el diagrama unifilar de la

unidad 1 de la Central Nucleoelctrica Laguna Verde,

su conexin al sistema de 400 kV, los elementos ms

importantes del sistema de excitacin y los 2

relevadores ANSI 40 con los transformadores de

corriente y de potencial que los alimentan.

Proteccin de prdida de campo

En principio, la forma ms simple para detectar la

reduccin de excitacin es el empleo de un relevador

de baja corriente en el circuito del campo. Esta forma

tiene la seria desventaja de que la corriente de campo

mnima que puede considerarse como aceptable

depende de la potencia activa y reactiva generadas;por ello, se emplea slo en generadores de poca

capacidad y que operan comnmente alimentando

cargas de factor de potencia atrasado.



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SECCION MEXICO

En generadores de capacidad mayor se emplean relevadores del tipo de distancia, conectados a

transformadores de corriente y potencial, ya que la impedancia vista por relevadores de distancia

indica con mucho mejor precisin las condiciones de excitacin en que opera el generador. As,

puede detectarse con mayor precisin cuando las condiciones de excitacin tienden a la

inestabilidad.


La figura muestra varias trayectorias de la

impedancia ante prdida de excitacin y la

caracterstica de operacin de un relevador de

distancia, en un diagrama R-X.

Independientemente de las condiciones iniciales en

que se pierde la excitacin, la impedancia

equivalente del generador traza una trayectoria

hacia una regin del cuarto cuadrante, que slo es

alcanzada cuando la excitacin se reduce

drsticamente o se pierde; si esta regin es

encerrada por la caracterstica del relevador, ste

operar cuando el generador pierde el sincronismo y

aparece el deslizamiento.

Caractersticas del relevador deprdida de excitacin y del sistema.


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SECCION MEXICO

Cuando ocurre una prdida parcial o total del campo en una mquina sncrona fluye

potencia reactiva del sistema hacia la mquina; debe recordarse que la salida en kW de un

generador sncrono est controlada por la entrada de potencia al impulsor primario, mientras

que la salida en KVAR est controlada por la excitacin del campo. Por esta razn,

habitualmente los relevadores de prdida de campo incluyen una unidad direccional que

detecta el flujo de KVA reactivos desde el sistema hacia el generador.

La perdida de sincronismo causada por la operacin asncrona como generador de induccin

no obliga a un disparo inmediato, a menos de que se produzca un decaimiento simultneo

del voltaje terminal de la mquina, el cual indica que est en peligro la estabilidad del

sistema.



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SECCION MEXICO

Operacin del relevador

La unidad de impedancia cierra su contacto cuando, como resultado de la reduccin en la

excitacin, la impedancia de la mquina, vista desde sus terminales, es menor que un

valor predeterminado, con cierto ngulo; en otras palabras, esta unidad opera cuando la

impedancia que ve, se ubica dentro de su crculo caracterstico en el diagrama R-X.

La unidad de bajo voltaje est diseada para cerrar su contacto cuando el voltaje sensado

es menor que el valor de ajuste. La unidad es ajustable de manera que su contacto N. A.

cierre en el rango de 65 a 85% del voltaje normal del sistema.



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SECCION MEXICO

Ajuste de la unidad de impedancia

Los esquemas de proteccin de prdida de campo de una mquina sncrona pueden ser de 1

zona o de 2 zonas. En aplicaciones consideradas como crticas es recomendable la proteccinde 2 zonas, ya que, al igual que otros elementos de proteccin del generador, el relevador de

prdida de campo necesita un respaldo para evitar un dao mayor causado por la falla de

operacin de un dispositivo o componente asociado al mismo.

Cuando se emplea el esquema de 2 zonas, el crculo de impedancia del relevador de la zona 1

debe ser pequeo y completamente desplazado hacia la regin de la reactancia negativa; esto

significa que el relevador de zona 1 detecta condiciones drsticas de prdida de campo, alver valores pequeos de impedancia de la mquina. Este relevador proporciona proteccin

de respaldo al relevador de zona 2. El alcance largo del relevador de zona 1 debe ser igual a la

reactancia sncrona del generador, Xd; el alcance corto debe ser igual a la mitad de la

reactancia transitoria del generador, Xd. El circuito de disparo debe disparar la unidad

directamente, sin retraso adicional de tiempo; el circuito de alarma puede energizar un

relevador de tiempo con ajuste de a 1 segundo; si la condicin de baja excitacin persiste,este relevador de tiempo dispara el generador.



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SECCION MEXICO

El relevador de zona 2 es ms sensible que el de zona 1 y puede ser ajustado con una caracterstica

de impedancia mayor que detectar condiciones de prdida parcial del campo. Es recomendable

ajustar este relevador de manera que permita a la mquina operar a la mxima presin de

hidrgeno y a un voltaje en por unidad de 0.95. Si se presenta la condicin de bajo voltaje, el

disparo del generador debe efectuarse a travs de un timer de de segundo; este tiempo, sumadoa los 0.25 segundos que proporciona el relevador X, hace un retraso total de 1 segundo. Por el

contrario, si el voltaje se sostiene, el circuito de alarma arranca un timer con ajuste de 10 a 60

segundos.


Zonas 1 y 2 de la proteccin de prdida de campo.

La figura muestra un diagrama R-X con las

caractersticas de operacin de los relevadoresde prdida de campo de zona 1 y de zona 2;

ntese que el crculo caracterstico del

relevador de zona 2 est cortado por la lnea

a 13 que representa la operacin de la

unidad direccional.


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SECCION MEXICO

Clculo de ajuste del relevador de zona 1

Como se describe antes, se emplean aqu los valores de reactancia sncrona y transitoria del generador; parael caso del generador 1 de la C. N. Laguna Verde, estas reactancias son las siguientes, segn dato del

fabricante: Xd= 1.59 p.u. Xd= 0.321 p.u.

La impedancia base en el lado secundario de transformadores de corriente y potencial se calcula con lasiguiente expresin:

donde: KV = Voltaje nominal del generador, entre fases (22)

KVA = KVA nominales de la mquina (750,000)

Rc= Relacin de transformadores de corriente (5000)

Rv= Relacin de transformadores de potencial (200)

Por lo tanto:

Las reactancias, en ohms, en el secundario de TCs y TPs, son:

Reactancia sncrona: Xd= 1.59 x 16.13 ohms = 25.64 ohms

Reactancia transitoria: Xd= 0.321 x 16.13 ohms = 5.17 ohms

El alcance largo ser igual a la reactancia sncrona: 25.64 ohms.

El alcance corto ser igual a la reactancia transitoria dividida entre 2: 5.17/2 = 2.59 ohms.


ohmsRkVA

RkVZ

v

c

BASE)(

)(1000 2=

21000 22 5000

750,000 200

16.13

BASE

x xZ

x

ohms

=

=


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Curvas de capabilidad de generadores sncronos

Los generadores sncronos se caracterizan en general en trminos de la potencia mxima

aparente, kVA o MVA, a determinado voltaje y factor de potencia (a menudo de 80, 85 o 90%atrasado) que pueden manejar continuamente sin sobrecalentarse. La produccin de potencia

activa del generador se limita por lo general a un valor comprendido en la potencia aparente,

por la capacidad de su mquina de accionamiento. En virtud de su sistema de regulacin de

voltaje, la mquina trabaja en general a un voltaje constante cuyo valor se mantiene dentro del

5% del voltaje nominal. Cuando estn fijos la potencia suministrada y el voltaje, la carga

permisible de potencia reactiva se limita ya sea por el calentamiento del devanado dearmadura o del devanado de campo.



Para determinar el ajuste de impedancia del relevador de zona 2 se requieren las curvas decapabilidad y de estabilidad de estado estable del generador.


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SECCION MEXICO


Para determinar el ajuste de impedancia del

relevador de zona 2 se requieren las curvas

de capabilidad y de estabilidad de estado

estable del generador.

La figura muestra las curvas del generador

de la unidad 1 de la Central de Laguna

Verde.


Curvas de capabilidad y de estabilidad de estado

estable del Generador 1 de la Central Laguna Verde.


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SECCION MEXICO

La unidad de distancia debe ajustarse para operar antes de que el lmite de estabilidad de

estado estable de la mquina sea excedido. Este ajuste debe tambin permitir la operacin dela unidad con la mxima presin de hidrgeno y, de ser posible, con un voltaje de 0.95 p.u.,

que es comnmente el voltaje mnimo con el cual se aplican las curvas de capabilidad. Si la

operacin a capacidad mxima significa exceder el lmite de estabilidad de estado estable, la

unidad de distancia debe ajustarse para actuar antes de alcanzar dicho lmite.

Para determinar el ajuste del relevador, se requiere que las curvas de capabilidad seantransformadas en curvas de impedancia aparente del generador, para lo cual se aplica la

frmula:

donde VTes el voltaje terminal en p.u. y KVA es la capacidad en p.u. en un punto especficode la curva; el ngulo en la curva de impedancia es el mismo que en la curva de capabilidad.


( )2

. .TV

Z p uKVA

=


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SECCION MEXICO

Para ilustrar el mtodo, se da el siguiente ejemplo:

De la figura se obtiene un punto de la curva de capabilidad

a 4 kg/cm2de hidrgeno: 100 MW, 427 MVAR.

Potencia aparente:

La potencia base se escoge como la capacidad nominal dela mquina, 750 MVA.

Potencia aparente: 438.55/750 = 0.5847 p.u.

Impedancia aparente con V = 1.0 p.u.:

Impedancia aparente con V = 0.95 p.u.:

Estos dos valores de Z se grafican con un ngulo de 76.8.


Curvas de capabilidad y de estabilidad esttica

del Generador 1 de la Central Laguna Verde.

2 2100 427 438.55 MVA+ =

427arc tan 76.8

100ngulo= =

( )2

1.01.71 . .

0.5847Z p u= =

( )2

0.951.543 . .

0.5847Z p u= =


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SECCION MEXICO

DISPARO DE GENERADORES

INTRODUCCIN

Una unidad generadora representa una muy alta y significativa inversin para una empresa

suministradora. La unidad generadora se compone de la turbina, el generador, el transformador, elsistema de excitacin y los interruptores de subestacin. Los objetivos generales en el diseo de los

sistemas de proteccin y de sus esquemas de disparos asociados son:

Remover la seccin fallada del sistema de potencia, evitando o minimizando as el efecto del

disturbio sobre las partes no falladas en el sistema.

Minimizar o evitar el dao al equipo.

Asegurar hasta el mayor grado posible, que ninguna contingencia simple deshabilitar

totalmente la proteccin en ningn sistema.

Proporcionar los medios para permitir el retorno rpido a servicio del equipo afectado.

Ms especficamente, el objetivo de los esquemas de disparo y proteccin de la unidad generadora es

asegurar que los efectos de las fallas y los disturbios son restringidos a reas locales. Los esquemas de

disparo deben ser capaces de cumplir este requerimiento aun ante la presencia de una contingencia de

primer orden, tal como la falla de operacin de un relevador de proteccin simple o la falla de un

interruptor al disparar.


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SECCION MEXICO

Seleccin del esquema de disparo

Intervienen varios factores en la decisin sobre laseleccin del esquema de disparo apropiado; se

enlistan abajo algunos de ellos:

Tipo de impulsor primario: Mquinadiesel/gas, turbina de gas, turbina de vapor,turbina hidrulica.

Impacto de una prdida repentina depotencia de salida sobre el sistema elctrico y

sobre el impulsor primario. Seguridad al personal.

Experiencias de operacin.

Manejo de cargas auxiliares de la unidaddurante disparos de emergencia.

La figura 8 anexa muestra la proteccin tpica paraun generador en conexin unitaria.

Fig. 8. Configuracin tpicagenerador-transformadoren conexin unitaria

Seleccindelesquemadedisparo(cont)


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SECCION MEXICO

Seleccin del esquema de disparo (cont.)

Tabla 2. Lgica de disparos sugeridos

Notas:

1.El relevador 59 puede ser conectado para disparar en unidades hidrulicas

2.Si el generador est fuera de lnea, disparar slo el interruptor de campo.

3.Referirse a la Seccin de Tierra en Estator para proteccin de tierra de 100%.

4.Puede ser conectado para disparar, segn fabricante del generador.

RelevadorDisparo deinterruptor degenerador

Disparo deinterruptor de

campo

Transferenciade auxiliares

Disparo delimpulsor

primario

Alarmasolamente

21 51V X

24 X Nota 2 X X32 X X X X

40 X X X X

46 X

49 X

51GN X X X X

51TN X X X X

59 Nota 1 X

59GN X X X X Nota 361 X

63 X X X X

64F Nota 4 Nota 4 X

71 X

78 X

81 X

87G X X X X

87T X X X X87U X X X X


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SECCION MEXICO

Enrique Daz de la Serna P.

PROTECCIN DE GENERADORES SCRONOS ENCENTRALES GENERADORAS

Sistemas de excitacin


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SECCION MEXICO

Introduccin

La importancia del sistema de excitacin de un generador sncrono es muy grande; la prdida de

excitacin de una unidad en un sistema interconectado puede causar un disturbio ms serio an

que la misma desconexin del generador, pues las unidades restantes deben alimentar la carga de

dicho generador yadems suministrar la gran potencia reactivatomada por el generador que perdi

su excitacin.

La excitacin es controlada bajo condiciones de operacin normal por el regulador automtico de

voltaje, identificado habitualmente por sus siglas en ingls, AVR; el sistema del AVR entrega energa

de C.D. al campo del generador y debe tener capacidad de potencia adecuada y suficiente velocidad

de respuesta (los tiempos de respuesta son generalmente menores a 0.1 seg). La funcin bsica delAVR es proporcionar una caracterstica constante en el voltaje terminal del generador durante

cambios pequeos y lentos en la carga; sin embargo, es prctica comn disear los excitadores con

suficiente margen para tambin proporcionar refuerzos intensos en el nivel de excitacin durante

situaciones de emergencia.

En este punto, es pertinente mencionar la existencia de la norma IEEE Std 421, "Criterios y

Definiciones para Sistemas de Excitacin para Mquinas Sncronas", la cual enlista los elementos ycomponentes esenciales comnmente empleados en los sistemas de control de excitacin aplicados

a generadores sncronos, con capacidades generalmente superiores a 5000 KVA.

SISTEMAS DE EXCITACIN DE GENERADORES SNCRONOS


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SECCION MEXICO

Clasificacin de sistemas de excitacin

Existen varios tipos de excitadores; a continuacin se describen las caractersticas ms

relevantes de los sistemas ms usuales.

a. Excitador acoplado en el eje del generador

Este sistema, empleado en mquinas generadoras antiguas, consiste de un generador de

corriente directa impulsado por el eje del generador principal; este arreglo requiere la

transferencia de potencia de C.D. al campo del generador a travs de escobillas y anillos

deslizantes y tiene las desventajas de que las fluctuaciones de velocidad producen variaciones

de voltaje de salida del excitador y de que su tiempo de respuesta es alto; por lo anterior, los

excitadores modernos tienden a ser del tipo "brushless" (sin escobillas), o de diseo esttico,

los cuales se describen a continuacin.

SISTEMAS DE EXCITACIN DE GENERADORES SNCRONOS (cont.)


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SECCION MEXICO

b. Excitador tipo "Brushless"

Es designado por la norma IEEE Std 421 como "Sistema de Control de Excitacin conGenerador/Rectificador Excitador, con Rectificadores Rotatorios No Controlados", y es mostradofuncionalmente en la figura 6 de dicha norma.

El sistema "brushless" no tiene conmutadores ni anillos deslizantes; toda la energa es tomadadirectamente del eje del generador; un excitador de C.A., impulsado por el eje, suministra corriente alternaa un puente rotatorio trifsico de rectificadores, montados en el eje, cuya salida en C.D. es entregada alcampo rotatorio del generador principal. El control de la excitacin del excitador de C.A. y, por tanto, delgenerador principal, es efectuado por medio del control de la energa suministrada por un generador deimanes permanentes, a travs de amplificadores de tiristores, al campo estacionario del excitador de C.A.

Las principales ventajas del sistema de excitacin "brushless" son las siguientes:

a.Obtiene toda la energa necesaria, incluyendo la de excitacin, del eje del generador principal,asegurando as un sistema muy confiable.

b.Al no haber escobillas ni conmutadores, se elimina el polvo de carbn, lo que alarga el tiemporequerido entre limpiezas y disminuye la posibilidad de fallas de aislamiento a tierra.

c. El sistema no es afectado por contaminacin atmosfrica, puesto que todos los componentes sonsellados.

d.Se elimina el mantenimiento a escobillas y colectores.

e.Se elimina el restato de campo, el interruptor de campo de alta capacidad y el alambrado entre elexcitador y el campo del generador principal.

f.En ningn punto se requiere tener conexiones elctricas entre un elemento fijo y un elementorotatorio.




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SECCION MEXICO

b. Excitador tipo "Brushless (cont.)

En la figura 1 se muestra un sistema deexcitacin "brushless"; la armadurarotatoria del excitador de C.A. es

montada en el mismo eje que el campodel generador principal; la salida de laarmadura, determinada por unregulador de voltaje de alta velocidadque controla la corriente en elcampoestacionariodel excitador de C.A., esconvertida a C.D. por diodos de silicioque rotan en el eje; la corriente,

controlada y rectificada, es conectada enforma directa al campo rotatorio delgenerador principal.

SS S C C G O SS C O OS(co t.)

G E N . IM A N E S

P E R M A N E N T E S

A V R

S H U N T

P M G

N

S

G

IN T E R R U P T O R

D E C A M P O

E L E M E N T O SR O TA TO R I O S

4 1 EA M P L I F IC A D O RD E T IR I S TO R E S

E X C I TA D O RD E C A

R E G U L A D O R A U TO M T IC OD E V O L T A J E

F I G . 1 D I A G R A M A U N I F I L A R Y D E E X C I T A C I N D E U NG E N E R A D O R S N C R O N O C O N S I S T E M A B R U S H L E S S

A J U S TA D O R

C IR C U I TOD E P U L S O S

TR A N S F O R M A D O R E SD E P O T E N C I A L

TR A N S F O R M A D O R E SD E C O R R IE N TE

A L A R E D


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SECCION MEXICO

c. Excitador esttico

Este tipo es clasificado por la norma IEEE Std 421 como "Sistema de Control de Excitacin conFuente de Potencial-Rectificador Excitador"; es descrito funcionalmente en la figura 11 de dichanorma.

En este sistema, la potencia de excitacin se obtiene directamente de las terminales del

generador, por medio de un transformador de excitacin, cuyo secundario alimenta a puentesde rectificadores, usualmente del tipo SCR (rectificador controlado de silicio), que rectifican yregulan la corriente alterna trifsica de baja tensin y la entregan al campo del generador atravs de anillos deslizantes; la regulacin del voltaje es realizada por el AVR por medio depulsos de disparo que se envan a los amplificadores de tiristores, con lo cual se controla elvoltaje de excitacin del generador. Este sistema de excitacin requiere de un sistema debateras para proporcionar la excitacin inicial.




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SECCION MEXICO

b. Excitador esttico (cont.)

En la figura 2 se muestra un sistematpico de excitador esttico, con loscomponentes descritos anteriormente,empleado en una unidad

turbogeneradora de 300 MW.

( )

Los excitadores del tipo "brushless" y deltipo esttico tienen una gran velocidadde respuesta, por lo que contribuyen demanera muy importante a mejorar laestabilidad transitoria de los sistemas de

potencia; esta rapidez de respuesta sedebe a que la regulacin de voltaje noinvolucra elementos mecnicos coninercia, pues el control de voltaje esefectuado con los amplificadores detiristores en los dos sistemas.

F I G . 2 D I A G R A M A U N I F I L A R Y D E E X C I T A C I N T P I C O D E U NG E N E R A D O R S N C R O N O C O N S I S T E M A D E E X C I T A C I N E S T T I C O

A V R

A M P L IF IC A D O RD E T IR I S TO R E S

R E G U L A D O R A U TO M T IC OD E V O L TA J E

A J U S T A D O R

G

IN TE R R U P T O RD E C A M P O

C A M P O D E L

G E N E R A D O R

G E N E R A D O R

A N I L L O S D E S L IZ A N T E S

C IR C U I T OD E P U L S O S

TR A N S F O R M A D O RD E E X C I TA C I N

2 0 0 0 0 ! 0 0 V , " F A S E S,# 0 H Z , " ! 0 0 $ V A

TR A N S F O R M A D O R E SD E P O T E N C IA L

TR A N S F O R M A D O R E SD E C O R R IE N T E

A L A R E D

E X C I TA C I N I N I C I A L

4 1 E


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Documents

Curso IEEE Proteccion de Sistemas Electricos II