Proteccion de Sistemas de Potencia 6

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PROTECCION DE SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIA CAPITULO 6PROFESOR: ING. BERNARDINO ROJAS VERAAREQUIPA, OCTUBRE, NOVIEMBRE 2004

PROTECCION DE GENERADORES

MAQUINAS SINCRONAS

Los generadores casi siempre son mquinas sncronas:El arrollamiento de campo esta en el rotor, alimentado con corriente contnua. El arrollamiento trifsico de armadura se encuentra en el estator y desarrolla la potencia elctrica al sistema. La potencia mecnica se alimenta al eje por una mquina prima, como una turbina.

MAQUINAS CON POLOS SALIENTES DE DOS POLOS

GENERADORES SINCRONOS (1) La mayoria de turbinas de vapor y gas se acoplan a generadores de dos polos (algunas veces cuatro polos) con rotor cilndrico. La mayora de turbinas hidraulicas son de velocidad inferior a las turbinas trmicas, por lo que los generadores tienen mas de cuatro polos. La frecuencia es proporcional a la velocidad.

GENERADORES SINCRONOS (2)

Si Np es el nmero de polos y f es la frecuencia elctrica en Hz, entonces la velocidad del eje es: 4 f/Np (rad/sec) o 120f/Np (rev/min)

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN GENERADOR DE ROTOR CILINDRICO EN ESTADO ESTABLE (1)

RESTO DEL SISTEMA

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN GENERADOR DE ROTOR CILINDRICO EN ESTADO ESTABLE (2)

Combinando las reactancias en serie se da el circuito equivalente: Xs (=Xd) es la reactancia sncrona

DIAGRAMA FASORIAL DE UN GENERADOR SINCRONO

CIRCUITO EQUIVALENTE POR FASE

Proteccin Digital de Generador Proteccin Digital de Generador

Management and ProtectionHerramientas De Anlisis de Fallas

Proteccin Fcil De Entender

Mediciones

Monitoreo & ControlAutodiagnstico & Herramientas de Puesta en Servicio

Comunicaciones

Series P340 Reles de Proteccin de Generador

Modelos

A) B) C)

Rel para Proteccin de Interconexiones Proteccin de Generador Proteccin de Generator con 87G

PROTECCIONES DIGITALES

Proteccin Fcil de Entender

Requerimientos de Proteccin

Las funciones de proteccin dependen:Del tamao de la mquina Del tipo de puesta a tierra del neutro Del tipo de conexin Del modo de OperacinGeneracin de base Generacin de Punta Generacin de reserva

Maquina de BT < 1 MW

27/59 81U/O 51V 32R

Mnima y Sobre Tensin Mnima y Sobre Frecuencia Respaldo del Sistema Inversin de Potencia

51N 64

Falla a tierra de respaldo Falla a tierra restringida

Mquina de 10 MW87G 27/59

Diferencial de Generador Mnima y Sobre Tensin Frecuencia

81U/O Mnima y Sobre 51V 32R

Respaldo del Sistema Inversin de Potencia Respaldo de falla a tierra Falla de excitacin Secuencia Negativa Sobretensin Residual

32LF/R Interbloqueo de Potencia 51N 40 46 59N

Mquina de 60 MW

24 49

Sobreflujo Trmico RTD Deslizamiento de Polos

27TN Falla a tierra estator 100% 78

Proteccin Redundante

Proteccin Redundante

Protection Redundante Fuente aux redundante Puede disparar luego de la falla de la fuente aux.

Mquinas embebidas en Co-generation

recierre?

Sistema De Potencia

81U/O Frecuencia 27/59 59N df/dt dV 50/51N Sobrecorriente de fases y Tensin Residual tierra ROCOF Desplazamiento del Vector tensin Tensin

Carga queda Alimentada de fuente aislada De tierra

Proteccin de Interconexin

64 67N 49 50 51 67 50N 51N 59N 81O 81U df dt dV 27 59

32

Proteccin de GeneradorVTS 27 59 RTD 50 51 51V 21 81O 81U 24

CTS 67N 50N 51N

32

40

46

49

64

59N

Mquinas de pequea Potencia Pseudo diferencial via 50

Proteccin de Generador: Funciones de Protecin (1)27 59 87G 81O 81U

67N

50N 51N

32

87G 50/51 51V/21 50 51V 50/51N 51 21 59N 67N 27TN 59N 27TN 27 & 59 81U/O 32

Diferencial de Generador Proteccin de Sobrecorriente Respaldo dependiente de tensin Falla a tierra estator Desplazamiento del Neutro Direccional a tierra Sensitivo 100% Falla a tierra de Estator Mnima & sobre tensin Mnima & sobrefrecuencia Potencia Sensitiva (1 ph)

Proteccin de Generador: Funciones de Proteccin (2)

24

RTD 40 32R 32L 320 78 46 49

32R 32L 32O 40 46 24 27/50 38/26 49 78

Inversin de Potencia (3ph) Potencia baja directa (3ph) Potencia de Sobrecarga (3ph) Falla de campo Secuencia Negativa Sobreflujo Mquina Muerta (GUESS) Proteccin Trmica RTD Imagen Trmica Deslizamiento de Polos

Proteccin Diferencial (87G)

Proteccin Unitaria Rpida Baja Impedancia (Z) Alta Impedancia (Z) Diseado para aplicaciones de reles redundantes

Conexiones para Proteccin Diferencial Polarizada

Rel TC Entradas

TC Entradas

Proteccin Diferencial Polarizada Caractersticas de Operacin 3eK 2 die nt

Corriente Diferencial (x In) 2 =I1 +I 2 1

Operacin

Alta sensibilidad (5%)0

RestriccinK1 1 2 3 4

Polarizacin efectiva (x In) = I1 + I2 2

Pe n

High Impedance Differential

TCs

TCs

Metrosil (si reqdo)

Resistencia De Estabilizacin Entradas de TC IA2, IB2, IC2

La resistencia de estabilizacin se dimensiona para asegurar la estabilidad ante fallas externas

Proteccin inter-espiras

IA2

IB2

IC2

Ajuste independiente de corriente por fase Temporizacin de tiempo fijo de una sola etapa

Proteccin de Falla a Tierra (E/F) (1)

E/F Medida Estandar E/F Direccional Sensitivo E/F 100% Estator E/F Direccional Derivada Desplazamiento Tension Neutro

E/F Estandar Derivada E/F Sensitivo E/F Wattimtrico REF Alta Impedancia REF Baja Impedancia

Proteccin Falla a Tierra Estator

0V

Tensin de Bornes, V

50N 51N

x50N Instantneo para generadores conectados indirectamente 51N Temporizado para generadores conectados directamente Tpicamente 95% del arrollamiento protegido (x = 5%)

Proteccin Sobretensin Residual/ Desplazamiento del Neutro Falla a Tierra

1 3 2

Rel

(1) Medicin Derivada desde un TT 3 x 1 fase (2) Medicin Directa desde un TT conexin delta abierto (3) Medicin Directa a travs de una resistencia de puesta a tierra

Conexion para un REF polarizado2000/1 ?

500/1 ?

Rel TC entrada BornesEntrada

Mquinas mas pequeas pueden tener solamente un TC en el neutro

TC E/F

Caracterstica de Operacin de una Proteccin REF Polarizada

3

Alta sensibilidad (5%) Proteccin Unitaria RAPIDA

1 K1 0 1

Pe n

=IA +I B +I C +k.I N

Restriccin2 3 4 N

Polarizacin Efectiva (x In) = Max. corriente de fase + k . I 2

die

nt

Corriente Diferencial (x In)

2

Operacin

eK 2

REF Alta Impedancia

TC Neutro

IF Metrosil (si se req.) Resistencia Estabilizante Entrada SEF

La resistencia estabilizante se dimensiona para asegurar la estabilidad para fallas externas

Proteccin de falla a tierra estator 100%

Metodo de la tensin de tercera armnica No se requiere inyeccin de seal alguna Unido con 59N provee 100% de proteccin ante fallas a tierra en el estator

Proteccin de falla a tierra estator 100%

1 3 2

Rel

(2) (3)

Sobretensin de 3ra armnica Mnima tensin de 3ra armnica Mnima tensin de 3ra armnica supervizada por mnima tensin trifsica y W/VA/Var en bornes del generador

Proteccin de falla a tierra estator 100%a) G N T 0 N 50% UNE UNE b) G N T 0 N 50% m UTE UTE T 100% m UTE UTE T 100%

c) G 0 N UNE UNE

N

T

50%

100%

mP2175ena

Distribucin de la tensin de 3ra armnica a lo largo del arrollamiento del estator (a) operacin normal (b) falla a tierra en el estator en el punto neutro (c) falla a tierra en el estator en bornes

Proteccin de Respaldo Sobrecorriente de fases 50/51

50

Mquinas Pequeas Proteccin de sobrec. temporizado Proteccin de sobrecarga simple Sobrec. Inst.,seudo diferencialFLCGen FL

51

Corriente De falla

Curva Tpica de decremento de una corr. de falla en el Generator

Corriente de plena carga 0.25s 0.5s

Tiempo desde El inicio de falla

La proteccin de sobrecorriente es respaldo para fallas externas Debe ser selectivo con las protecciones de los alimentadores Requiere ser dependiente de la tensin para corriente de fallas inferiores a la corriente de plena carga

Proteccin de sobrec. dependiente de la tensin y/o mnima impedancia

I> k.I> Falla Carga

I> k.I> Tension bornes Control de tensin Falla Carga

Tensin bornes Restriccin de Tensin X Falla Carga R Mnima impedancia

Tres mtodos Proteccin de respaldo para fallas en el sistema 2 etapas de mnima impedancia

Caractersticas de tiempo inverso de los elementos de sobrec. de fases y tierra

Curvas IECTiempo de Operacin (s) 1000

Curvas IEEEIEC SI IEC VI IEC EI IEC LTSTiempo de Operacin (s) 100 US MI US VI US EI US I US SI

100

10 10 1 1

0.1

0.1 1 10 100 Corriente (Multiplos de Is) 1 10 100 Corriente (Multiplos de Is)

Proteccin de falla de Excitacin

X

x

Carga R

Impedancia de falla de campo

Angulo de alarma Factor de Potencia

FFail2 FFail1Tipo Mho con Temporizacin Convencional Tipo Mho rpido adicional Alarma al exceder factor de potencia en adelanto

Proteccin Convencional de Deslizamiento de PolosX

Lnea de Reactancia

ZA

BlindajeZC

Zona 2 Zona 1

Lenticular

R

ZB

Proteccin de deslizamiento de polos - 78

Caracterstica Lenticular Convencional (lens) 2 Zonas definidas por la lnea de reactancia Zona 1 deslizamiento de polos en el generador Zona 2 deslizamiento de polos en el sist.de potencia Contadores Separados por zona (1-20) Ajustado para detectar desliz. de polos cuando: Genera Se Motoriza Ambos

Proteccin de deslizamiento de polos - 78

Deslizamiento de Polos cuando genera Posicin de Imp. en RHS de la caract. lenticular La impedancia cruza el lente por RHS Impedancia demora >T1 (15ms) en RHS del lente Impedancia demora>T2 (15ms) en LHS del lente Impedancia deja el lente en LHS Contador de Zona 1 y 2 se incrementa si esta en Z1 Contador Zona 2 se incrementa si esta en Z2 Dispara cuando el valor de contador de zona es excedido El deslizamiento de polos cuando se motoriza es todo lo contrario

Proteccin de Potencia 32R, 32L y 32O

Elemento de 2 etapas (3ph ajuste min 2% Pn) Seleccin del modo de operacin de Generador/Motor Cada etapa puede ser ajustado a: Inversin de potencia Sobrepotencia Potencia baja Interbloqueo para parada no urgente, (generando) LFP Disparo para falla de mquina prima, (generando) RP Alarma simple de sobrecarga, (generando) OP Proteccin de prdida de carga (motor) LFP

Proteccin Sensitiva de Potencia - 332R, 32L y 32O

Elemento de 2 etapas de potencia Cada etapa puede ser ajustado a: Inversin de potencia Sobrepotencia Potencia baja Potencia monofsica usando la entrada de SEF Ajuste mnimo de 0.5% Pn

Proteccin Trmica del Rotor

Cargas desbal. originan corrientes de sec. negativa Deslizamiento con frecuencia doble Sobrecalentamiento rpido del rotor

Proteccin Trmica del Rotor

Secuencia Negativa (46) La curva rplica trmica del P340 protege ante el sobrecalentamiento del rotor, modelando con precisin la temperatura del rotor Se aproxima a I22 t = K cuando I2 esta encima del lmite Caracterstica de reposicin ajustable en forma exponencial Salida de alarma separada con ajuste de tiempo fijo

Proteccin Trmica del Estator

Medicin de corriente Proteccin de sobrepotencia Elemento de sobrecorriente Rplica trmica Sondas RTD Sonda de platino PT100 Embebido en la mquina Alarma y disparo para cada RTD

Proteccin de Sobrecarga

Rplica Trmica para sobrecarga del estatorMedicin de corriente sobre I1 y I2 Constantes de tiempo de calentamiento y enfriamiento Memoria no-voltil del estado trmico Salida de alarma

Tiempo

Corriente

Frecuencia anormal y condiciones de tensin

Proteccin ante mala operacin del governador y AVR Baja Frecuencia (81U)4 Etapas de baja frecuencia Proteccin ante vibracin de turbina a bajas frecuencias Rechazo de carga multi etapa

Mnima Tensin (27)2 etapas de mnima tensin Alarma Etapa Final de respaldo

Sobrefrecuencia (81O)2 etapas de sobrefrecuencia Puede ser usado como adicional Se requiere etapas de mnima frecuencia

Sobre Tensin (59)2 etapas de sobre tensin Alarma Disparo despues de rechazo de carga

Proteccin de Sobreflujo

1000

Elemento de 2 etapasTiempo de Operacin (s)

100

Proteccin de generador y transformador

10

1

1

1.1

1.2

1.3

1.4

V / Hz Ajuste

Coordinar con la caracterstica de sostenimiento de la planta

Energizacin Intempestiva 50 27

&VTS

tPU tDO

&

Disparo

Elemento de sobrecorriente detecta el cierre del interuptor o la corriente de arranque (como motor) Se detecta mnima tensin trifsica La funcin VTS chequea que no se tienen anomalias en los TT

Proteccin P340 Adecuado a la Capacidad de la Mquina

MW

lmite de Corriente del estator

FP nominal Lmite de Potencia

1 Prdida de sincronismo

2 Corriente Max. de campo Atrazo 1 2 3 32O Sobrecarga 51P / RTD Trmico Alarma falla de campo MVar

3

Adelanto

Grupos alternativos de ajustes

Cuatro grupos de ajustes: 1 to 4 Cada grupo consiste de todos los ajustes de proteccin y esquemas Los grupos de ajustes 2/3/4 se pueden deshabilitar El grupo de ajuste activo se puede seleccionar desde:Entradas digitales o Ajustes del rel

Uso de Grupos de Ajuste Alternativo Ejemplo :Unidades bomba-generador Cuando trabajan como generadores, la proteccin puede ser como sigue: 87G 27 & 59 81U & 81O 32R 51N 40 51V 46 Diferencial de Generator Mnima y sobre tensin Mnima y sobrefrecuencia Inversin de potencia Falla a tierra del estator Prdida de excitacin Sobrecorriente dependiente de la tensin Secuencia negativa

1 2 3 4 Cuatro grupos disponibles

Cuando trabajan como bombas, las funciones de proteccin aplicadas pueden cambiar

Supervisin del TCA B C

O

VO

&

T

Alarmas Bloqueo Registro De Evento

Supervisin de los TTA B CLgica I y 2 Lgica 3 y carga Lgica 3 y energisacin Entrada Digital con MCB

VTS

Falla del interruptor

Trip respaldo

Retrip Trip BF inicio De otros relesMiCOM_60

Dos etapas Reposicin rpida Inicio externo Esquema de bloqueo compatible

Esquema lgico Programable

Optos

Puerta Logica

Contactos del rele

Elementos Protecin

Esquema Lgico Fijado

TemporisadoresLEDs

Esquema lgico programable del usuario

Ejemplo Esquema PSL: Supervisin del Circuito de disparo

Trip Interruptor Trip Opto 52a 52b Trip coil

Opto OR gate Opto 1 Opto 2 DDO Timer 400ms Contacto de salida LED Programable Alarma del Usuario Lgica de Blokeo

>1

Esquema Logico para el PSL

Superivisin del Disparo Usando el PSL (1)

Opto Seal agregada y seleccionada de la lista

Supervisin del Disparo Usando el PSL (2)

Temporisacin a la cada para prevenir la operacin Durante transitorios

Supervisin del Disparo Usando el PSL (3)

Falla del circuito de disparo, mapeo al Contacto, LED y Indicacin de Alarma

I/Os Variables (1)

ReleTamao 8 Case Minim 8 inputs / 7 output Opcional 8 opto inputs/8 relay outputs/4 optos+4 relays

Transformer Board

Relay(8) / Opto / 4+4

Relay Board (7)

Power supply

Input Board

IRIG-B

Power supply

Rele

Relay Board (7) Input Board Transformer BoardRTD / Relay(8) / Opto /4x4

IRIG-B

Power supply Relay Board (8) Relay Board (8) Opto Board Input Board Transformer Board

I/Os Variables (2)

Relay(8) /Opto RTD Board IRIG-B

Tamao 8 Case - Minimo 8 inputs / 7 outputs (opcional 8I/8O/4I+4O) Tamao 12 Case - Minimo 16 Inputs / 16 Outputs (opcional 8I/8O)

Power supply Relay Board (7) Relay Board (7) Opto Board Auxilliary Transformer Board Input Board Transformer BoardRTD / Opto / Relay(8)

Rele

IRIG-B

Power supply Relay Board (8) Relay Board (8) Relay Board (8) Opto Board Opto Board Auxilliary Transformer Board Input Board Transformer BoardRelay (8) / Opto

I/Os Variables (3)

Tamao 12 Case - Minimo 16 inputs / 14 outputs (opcional 8I/8O) Tamao 16 Case - Minimo 24 Inputs / 24 Outputs (opcional 8I/8O)

RTD Board IRIG-B

Opto Inputs Universal (1)

24-250V dc

Cada opto puede ser programado para la tensin nominal de bateria (24/27, 30/34V, 48/54V, 110/125V, 220/250V) Cada opto puede tener una tensin de entrada diferente Ejem. Para disparo, seales, etc

Opto Inputs Universal (2)

Especificacin On / Logic 1 at V>80% Off / Logic 0 at V< 60% Elimina el flikeo durante falla a tierra en las baterias.

Nuevos Outputs de reles

Manufacturer ALSTO M ALSTO M

Relay Phase 1 PX40 contacts Phase 2 PX40 contacts

Continuou Short term current (A) Dc power breaking s current (W) rating (A) 3s 1s 0.75s 0.5s Resistive Inductive 5 30 50 25 10 30 60 50 62.5

Los contactos nuevos en la familia de reles con mayor capacidad de interrupcin de corriente

2nd Puerto Posterior de Comunicacin

RS232/K-Bus/RS485 compatibleMenu selecionable de acuerdo al protocolo del 1er puerto de comunicacin

Seleccin de Menu del modo RS232/RS48511 bit para coneccin local (IEC60870 FT1.2) 10 bit (no parity bit) para modems

IRIG-B Courier Port (RS232/RS485)

Montado en el slot del IRIG-B y comunicacin de fibra existente

Intertripping Port (RS232) (Not supported yet)

2nd Puerto Posterior de comunicacinsMaster 1 Master 2

Protocolo Selecionado CourierDos puertos posteriores de comunicacions para dos estaciones maestra separadas configuradas segn esquema previo. Puertos para coneccin a:RTU, modem, PC Master Estacion etc.

Puerto Frontal conectado a Laptop PC

Beneficios de reles digitales

Mas integracin, menos espacio en panel, menos intercableado, costo de instalacin menor Registros y mediciones amplias reemplaza a los indicadores de cuadro/transductores/registradores de fallas Contactos NO y NC manejados en forma grafica con el PSL reemplaza las funciones del PLC El autochequeo, reduce la necesidad de las pruebas peridicas de inyeccin secundaria. Se puede aplicar proteccin redundante, por ser el costo menor.