UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERA INDUSTRIAL PROYECTO FIN DE CARRERA SISTEMA DE PROTECCIONES GENERADOR CENTRAL DIESEL LVARO GARCA GARCAMADRID, septiembre de 2007 Autorizada la entrega del proyecto al alumno: lvaro Garca Garca EL DIRECTOR DEL PROYECTO Juan Carlos Larraaga Horna Fdo:Fecha: V B del Coordinador de Proyectos Toms Gmez San Romn Fdo:Fecha: Resumeniii Resumen Elpresenteproyectoesunsistemadeproteccionesparaungeneradordeuna centraldiesel.Lasproteccioneselctricasconstituyenunsistemaindispensablepara todotipodeinstalacinelctrica,enelcasoquenosocupadeunsistemade protecciones para un generador, la proteccin de generadores supone la consideracin delasmximasposibilidadesdecondicionesdefuncionamientoanormalenel generador,encomparacinconlaproteccindecualquierotroelementodesistema. Losgeneradoresrepresentanelequipoconunodeloscostesmaselevadosenun sistemaelctricodepotenciayseencuentransometidos,msqueningnotroequipo delsistema,alosmsdiversostiposdecondicionesanormales,deahelespecial cuidadoquehabaqueprestarparalarealizacindelsistemadeprotecciones necesarias a aplicar al generador. Unadelasconsideracionesmsimportanteatenerencuentaalanalizarlas proteccionesdeungeneradoryquenosemanifiestaenlosrestantesequiposque conformanunsistemaelctrico,eselhechodequelaaperturadesuinterruptor principalescondicinnecesaria,peronosuficienteparaevitarlaprolongacinde ciertos daos tanto en el sistema como en el generador. Paraprotegerelgeneradorseutilizaronequiposdeproteccinmultifuncinque permiten duplicar las funciones de proteccin principales de tal forma que un eventual fallo en uno de los equipos no deja desprotegido el sistema. Ennuestrocaso,paralaproteccindelgeneradorseutilizarondosequiposREG 316*4deABBenconfiguracinredundante(CANALA,CANALB),dejandola proteccin tierra-rotor y de vigilancia de fallo de fusibles en dos rels independientes, ascomolaproteccindiferencialdebloqueysobreintensidaddeltransformador principal, que se incorporaran en el SPAD 346 C2-AA.En cuanto a la REG 316*4 pertenece a la generacin de los dispositivos de proteccin degeneradorenteramentenumricos,esdecirempleanlaconversin analgica/numricadelosvaloresdeentradainmediatamentedespusdelos transformadoresdeentradayprocesanposteriormentetodaslassealesnumricasa travsdemicroprocesadores,deformaquelassealesbinariasdelaconversinse Resumeniv derivanalasentradascorrespondientesdelaunidaddeentrada/salidaydeesta manera controlan los rels auxiliares de salida y las seales de los LED. Generalmenteessatisfactorioqueunsistemabiendiseadoyconbuen funcionamientoseacapazdesoportarunacortasalidaimprevistadelaunidadde generacin sin necesidad de disparo de las protecciones mientras no se ponga en riesgo elequipo,eltamaodelgeneradornoeselquedeterminademaneranecesariala calidaddelaproteccin;loimportanteeselefectodeunafaltaprolongadaenel generador, en el resto del sistema, as en nuestro caso se trabaj con el supuesto de que nos encontrabamos en lo que es conocido en el argot tcnico, como una isla energtica,esdecir,queellugardondeseencuentrelacentral,cuentaconunsolopunto generador de electricidad y no est conectada a la red general del resto del pas. Si en un punto de la red general se cae una central, la falta de energa se suple con las otras adyacentesqueestnconectadasalamismared,situacinimposiblederealizarenel supuesto anterior. Todo esto hace de especial importancia una instalacin correcta del sistemadeprotecciones algeneradorparaque noocurrauna innecesariaeliminacin delmismoporundisparoenlasprotecciones,peroestonosedebetratardeevitar mediantelaomisindelaproteccinautomticaindispensable,sinoconunosajustes que nos ayuden a mantener simultneamente la seguridad de que no le ocurra ningn daoalequipoprotegidoyevitaresosdisparosinnecesariosportenerunosajustes excesivamente estrictos. Lasprincipalescaractersticasquesedebantenerpresentesparalarealizacindel proyecto y de todo sistema de proteccin son esencialmente: - Fiabilidad:Capacidaddeoperarcorrectamentecuandoesnecesarioy evitar la operacin incorrecta del sistema. - Velocidad:Debenoperarlomsrpidoposible,cuandoelloes necesario. - Selectividad: Capacidad de un rel de discriminar entre una falta en la seccinprotegidaycondicionesnormalesofaltasencualquierotra parte del circuito. - Simplicidad:Aumentalafiabilidadyaquedisminuyeelnumerode elementos que pueden fallar. - Economa: Mxima proteccin al mnimo costo. Resumenv - Robustez:Capacidaddesoportarduranteaoslascondiciones ambientales y de trabajo al que el sistema es sometido. Una vez hemos tenido presentes las caractersticas anteriores para la realizacin del proyecto,ypartiendodeunosdatosinicialescomoladisposicinexistentedelos transformadores auxiliares y de proteccin en el unifilar facilitado, se estudi la posible disposicindetodoslosaparatosdentrodelmismoylasnecesidadesdecadaunode estos transformadores para la instalacin de los aparatos y de las distintas funciones de proteccinquefueronimplantadasenelmismo.Conocidoestosecomenzconel diseodelaingenieraqueenelpresenteproyectoseencuentraenelsegundotomo delmismoyenlacualsepuedenapreciartodaslasconexionesnecesariasdesdeel unifilar,altrifilar,aundesarrollomascompletoparapoderapreciarelsistemade alarmas,relsdedisparodelsistemaetcParasurealizacinfueutilizadoel programa de diseo CIM-Team Dos C-Guide. Enestepuntodelproyecto,elpasosiguientefueeldesarrollodeotrosapartados, talescomoellistadodelcableadonecesarioparaelarmarioypoderasayudaral operarioarealizarelmontajedelmismoyencasodeexistenciadealgntipode problemaenelmomentodelarealizacindepruebasenfbricastesepueda solventardemanerarpidayeficazsabiendoelcablequeestaraerrneopuestoque en estas pruebas se prueban cada uno de los cables del armario. A continuacin lo que se hizo fue el clculo de ajustes de cada una de las funciones deproteccindelsistema,parallevarloacabo,separtandedatostalescomo intensidadesmximasdecortocircuito,datosrelativosalgeneradorcomolas reactancias,olascurvasdecalentamientodelmismoetc...Unavezfinalizadoscada uno de los ajustes de las distintas funciones, hubo que programarlas en las REG 316*4, para llevar a cabo dicha programacin se utiliz el software CAP2_316, versin 6.5b de ABB,staprogramacinsefacilitaenelanexoCdeltomoIdelproyecto,dndese encuentra tanto la programacin del canal A como la del canal B. Para realizar el ajuste del resto de aparatos del sistema tales como la SPAD o el ITE 60, no fueron necesarios la programacin mediante software de ningn tipo, si no que para ellos dichos ajustes se introducen manualmente y son mostrados en los displays de los propios aparatos. Unavezconocidostodoslosdatosanterioreselltimopasollevadoacabofuela realizacin del estudio econmico del proyecto y los distintos ensayos sobre el armario enelquesecomprobelcorrectofuncionamientodelarmarioydeloscorrectos disparos de cada una de las funciones de proteccin implantadas en el mismo. Summaryvi Summary Thisprojectreferstoasystemfortheprotectionofageneratorinadieselstation. Theelectricalprotectionsrepresentanessentialsystemforanykindofelectrical installation,inthiscase,asystemfortheprotectionofagenerator.Theprotectionof generatorsconstitutesthemaximumpossibilitiesofabnormaloperationconditionsin the generator in comparition to the protection of any other system. The generators are equipmentswithoneofthehighestcostsinaelectricpowersystemandaresubject, morethananyotherequipmentofthesystem,tomanydifferentkindsofabnormal conditions.Thus,thespecialcaretobetakenfortheperformanceofasystemthat renders the necessary protection to a generator. Oneofthemostsignificantconsiderationstobearinmindwhenanalysingthe protectionsofagenerator(whicharenotapplicabletotheremainingequipments formingtheelectricsystem)isthefactthattheopeningofthemaininterruptorisa condicion precedent, but not sufficient, to avoid the extension of certain damages both in the system and in the generator. Toprotectagenerator,multi-funtionprotectionequipmentsareused.These equipmentsallowtheduplicationofthemainprotection functionssothatshould any fail occur in any equipment, the system does not become unprotected. Inthisproject,twoABBequipmentsREG316*inredundantconfiguration (CHANNELA,CHANNELB)areusedfortheprotectionofthegenerator. Additionally,theland-rotorprotectionandtheprotectiontowatchoveranyeventual failinthefusesareleftintwoindependentrelays,aswellastheblockdifferential protection and the overcurrent in the main generator, which are incorporated inSPAD 346 C2-AA.REG316*4pertainstothegenerationofentirely numericdevicesforthe protection ofgenerators.Itmeansthattheyusetheanalogical/numericconversionoftheinput values inmediately after the input transformer and process then all the numeric signal throughmicroprocessors,sothatthebinarysignalsofconversionarederivedtothe relevantinputwhichcorrespondtotheinput/outputunitsothattheycontrolthe auxilary relays of output and the LED signals. Summaryvii Itisgenerallysatisfactorythatasystemproperlydesignedandwithagood operationisabletobearanunexpectedshortoutputfromthegeneratorunitwithout triggeringtheprotectionsasfarastheequipmentisnotseriouslyaffected.The generator's size does not necessarily determine the quality of the protection; what it is reallyimportantistheeffectofaprolongedlackinthegenerator,intherestofthe system.Ourprojectisbasedonwhatitisknown(undertechnicaljargon)asan "energeticisland",whichmeansthattheplaceinwhichthestationislocatedcounts with a single point for the generation of electricity and it is not connected to the general net of the country.If in a specific point of the general net the station breaks down, the lack of energy is replaced with other adjacents that are connected to the same net. This situationcannotbeanalisedundertheformerscenerio.Alltheabovemakesaproper installation of the protection system of the generator be extremely important, so that an unnecessarily suppression of the same does not occur as a result of the triggering of the protections.However,thiscannotbeavoidedbythesuppresionoftheessential automaticprotectionbutwithsomeadjustmentsthatallowtomaintainthecertainty thatnodamagewillaffecttheprotectedequipmentandatthesametimeavoid unnecessary triggers due to very strict adjustments. The main characteristics to be taken into account in the execution of the project and in any other protection system are essentially the following: - Reliability: Capacity to properly operate when necessary and avoid the unproper operation of the system. - Velocity:It must operate as fast as possible, when necessary. - Selectivity:Relay'scapacitytodistinguishbetweenafailureina protected section and normal conditions or failures in any other part of the circuit. - Simplicity:Increasethereliabilitysincethenumberofelementsthat might fail decreases. - Economy: Maximum protection at the minimum cost. - Robustness:Capacitytobeartheenvironmentalandworking conditions under which the system is subjected through the years. Oncewehavetakenintoaccounttheabovementionedcharacteristicsforthe executionoftheproject,onthebasisofinitialdataastheexistingdispositionofthe auxiliaryandprotectiontransformersintheprovidedsinglewireline,westudiedan eventualdispositionofalltheequipmentswithinthesameandtheneedsofallthese Summaryviii transformersfortheinstallationoftheequipments,aswellasthedifferentprotection funtionsimplementedinthesame.Beingawareofthis,weinitiatedtheengineering design,asdescribedinthesecondvolumeofthisproject,inwhichallthenecessary connectionsfromthesinglewirelinetothethreewireline,untilamoredefined description showing the alarm system, relays for the triggering of the system, etc can be noted. For that purposes, the design program CIM-Team Dos C-Guide was used. Inthispointoftheproject,thefollowingstepwastheperformanceofother paragraph, such as the list of the necessary wiring for the locker and in order to assist theoperatortocarryouttheassembly,sothatintheeventofanyproblemwhen carrying out the testing in the plant, he is able to solve it quickly and efficiently as he is aware that the wire is not the correct one, since in the testing all the wires of the locker are tested. Then,thecalculationoftheadjustmentofeveryprotectionfunctionofthesystem wascarriedoutonthebasisofsomedatasuchasthemaximumintensityofthe shortcircuit, the data related to the generators as the reactances or the heating curves of thesame,etc...Oncecompletedtheadjustmentsofthedifferentfunctions,theywere programmedintheREG316*4.Forsuchpurposes,ABBsoftwareCAP2_316,version 6.5bwasused.ThedetailsinconnectionwiththeprogrammingofchannelAand channel B are included in annex C volume I of this project.To execute the adjustment oftheremainingequipmentsofthesystemsuchasSPADorITE60,noprogramming through any kind of software was necessary, since the adjustments are manually made and appear in the displays of the equipments. Beingawareoftheabove,thelaststeptocarryoutwastheeconomicstudyofthe projectandthe testingofthelockerto checkthe properoperationofthe sameaswell as of the triggers of every protection function implemented in the same. ndiceix ndice 1 CARACTERSTICAS DE UN SISTEMA DE PROTECCIONES............................................... 21.1 Objeto de las protecciones................................................................................. 2 1.2 Caractersticas de las protecciones................................................................... 4 1.3 Zonas de proteccin. .......................................................................................... 6 1.4 Algunas clasificacines de las protecciones. .................................................. 81.4.1 Clasificacin segn su tiempo de actuacin 91.4.1.1 Rel instantneo y rel temporizado ...................................................................................... 91.4.2 Clasificacin segn su magnitud de medida. 121.4.2.1 Rel de sobreintensidad. ........................................................................................................ 121.4.2.2 Rel direccional ....................................................................................................................... 131.4.2.3 Rel de mnima impedancia. ................................................................................................. 161.4.2.4 Rel de sobretensin. .............................................................................................................. 171.4.2.5 Rel diferencial. ....................................................................................................................... 181.4.2.6 Rel de frecuencia. .................................................................................................................. 201.5 Tipos de defectos. ............................................................................................. 20 1.6 Actuacin de las protecciones. ....................................................................... 21 1.7 Distribucin de actuaciones. ........................................................................... 24 2 PROTECCIN DE GENERADORES........................................................................................... 282.1 Regulacin y funcionamiento generador...................................................... 29 2.2 Defectos en el generador. ................................................................................ 30 2.3 Descripcin de los equipos de proteccin utilizados para la proteccin del generador. ................................................................................................... 30 2.3.1 Faltas a tierra en el estator (F11). 302.3.2 Faltas a tierra en el rotor (F14) . 332.3.3 Faltas entre fases (F10 y F11). 352.3.4 Sobrecargas en estator y rotor (F10 y F11). 382.3.5 Carga desequilibrada (F10 y F11). 392.3.6 Sobretensiones (F10 y F11). 402.3.7 Prdida de excitacin (F10 y F11). 412.3.8 Sobreexcitacin (F10 y F11). 432.3.9 Retorno de energa (F10 y F11). 432.3.10 Sobrefrecuencia y subfrecuencia (F10 y F11).442.3.11 Corrientes en el eje F10 y F11. 452.3.12 Fallo de interruptor (F10 y F11). 45ndicex 2.3.13 Prdida de sincronismo. 472.3.14 Desequilibrio de tensiones (F13). 483 PROTECCIN DEL TRANSFORMADOR PRINCIPAL ......................................................... 503.1 Defectos en el transformador.......................................................................... 50 3.1.1 Causas externas. 503.1.2 Causas internas. 513.2 Descripcin de los equipos de proteccin utilizados para la proteccin del transformador. ........................................................................................... 52 3.2.1 Protecciones propias del transformador. 523.2.1.1 Protecciones trmicas. ............................................................................................................ 523.2.1.2 Indicador del nivel de aceite.................................................................................................. 533.2.1.3 Liberador de presin............................................................................................................... 533.2.1.4 Rel Buchholz. ......................................................................................................................... 533.2.1.5 Rel Buchholz Jansen.............................................................................................................. 543.2.2 Protecciones elctricas incluidas en los equipos de proteccin.543.2.2.1 Proteccin diferencial (F12).................................................................................................... 543.2.2.2 Proteccin de sobreintensidad (F12)..................................................................................... 563.2.2.3 Proteccin tierra trafo 15 kV (F11). ....................................................................................... 564 CLCULO DE AJUSTES ................................................................................................................ 594.1 Objeto clculo de ajustes ................................................................................. 59 4.2 Datos de entrada............................................................................................... 59 4.3 Ajustes protecciones elctricas. ...................................................................... 63 4.3.1 Clculo de los valores de referencia. 634.3.1.1 Valores de referencia de las intensidades. ........................................................................... 644.3.1.2 Valores de referencia de las tensiones. ................................................................................. 654.3.2 Clculo de corrientes de cortocircuito. 664.3.2.1 Cortocircuito en el punto A................................................................................................... 674.3.2.2 Cortocircuito en el punto B. ................................................................................................... 684.4 Ajustes protecciones generador ..................................................................... 70 4.4.1 Proteccin diferencial generador (87G) 704.4.2 Proteccin sobreintensidad temporizada generador (51V)724.4.3 Proteccin sobreintensidad instantnea generador (51V)724.4.4 Proteccin secuencia negativa (46G). 734.4.5 Proteccin sobrecarga trmica (49G) 754.4.6 Proteccin retorno de energa (32G). 764.4.7 Proteccin sobretensin (59G) 774.4.8 Prdida de excitacin (40G) 78ndicexi 4.4.9 Proteccin tierra estator 95% (59NG 95%). 794.4.10 Proteccin de sobreexcitacin (24) 804.4.11 Proteccin sobrefrecuencia generador (81M) 814.4.12 Proteccin subfrecuencia generador (81m) 824.4.13 Proteccinfaltas a tierra zona 15 kV (64T) 834.4.14 Proteccin fallo interruptor (62). 834.5 Protecciones transformador principal (50TP) .............................................. 84 4.5.1 Proteccin sobreintensidad instantnea transformador principal (50TP).844.5.2 Proteccin sobreintensidad temporizada transformador principal (51TP)854.5.3 Proteccin diferencial de bloque (87GT) 864.6 Desequilibrio de tensiones (60) ...................................................................... 88 4.7 Proteccin tierra rotor (64R)............................................................................ 88 5 CABLEADO PROTECCIONES ..................................................................................................... 905.1 Objetivolistas de cableado............................................................................. 90 5.2 Nomenclatura utilizada................................................................................... 90 5.3 Cableado planos. .............................................................................................. 91 6 PLIEGO DE CONDICIONES....................................................................................................... 1046.1 Introduccin.................................................................................................... 104 6.2 Descripcin tcnica......................................................................................... 104 6.2.1 Descripcin sistema de excitacin 1046.2.1.1 Introduccin........................................................................................................................... 1046.2.1.2 Regulacin y control ............................................................................................................. 1056.2.1.3 Transformador de excitacin............................................................................................... 1056.2.1.4 Compundaje serie ................................................................................................................. 1056.2.1.5 Desexcitacin......................................................................................................................... 1066.2.2 Descripcin tcnica sistema de proteccin 1066.2.2.1 Introduccin........................................................................................................................... 1066.2.2.2 Descripcin de equipos. ....................................................................................................... 1076.2.3 Caractersticas constructivas. 1096.3 Alcance del suministro. ................................................................................. 110 6.3.1 Armario de sistemas de proteccin y excitacin.1106.3.1.1 Sistema de excitacin. ........................................................................................................... 1106.3.1.2 Sistema de proteccin........................................................................................................... 1136.3.2 Ingeniera. 1156.4 Ensayos en fbrica. Recepcin. ..................................................................... 116 6.5 Hojas de datos................................................................................................. 117 ndicexii 6.6 Repuestos recomendados.............................................................................. 118 6.6.1 Repuestos sistema de excitacin. 1186.6.2 Repuestos sistemas de proteccin. 1186.7 Plazo de entrega.............................................................................................. 119 6.8 Garantas.......................................................................................................... 119 6.9 Limitacin de la responsabilidad. ................................................................ 119 6.10Resto condiciones. .......................................................................................... 119 7 ESTUDIO ECONMICO ............................................................................................................. 1217.1 Coste Materiales ............................................................................................. 121 7.1.1 Materiales Proteccin 1217.1.2 Materiales Excitacin 1227.1.3 Coste Armario 1237.1.4 Coste Total Materiales 1237.2 Coste Armario Completo .............................................................................. 124 7.3 Coste total armario y Repuestos................................................................... 125 7.4 Coste total proyecto incluyendo el margen bruto..................................... 126 7.5 Coste total proyecto despus de Impuestos ............................................... 126 AUNIFILAR INSTALACIN ......................................................................................................... 130A.1 Condiciones iniciales...................................................................................... 131 A.2 Condiciones finales. ....................................................................................... 131 B CURVAS CARACTERSTICAS .................................................................................................. 132B.1 Capacidad Trmica Estator. .......................................................................... 133 B.2 Capacidad Trmica Rotor. ............................................................................ 133 B.3 Curva de Calentamiento................................................................................ 133 B.4 Diagrama de Potencia. ................................................................................... 133 B.5 Datos Generador............................................................................................. 133 B.6 Curvas Caractersticas. .................................................................................. 133 C PARAMETRIZACIN EQUIPOS............................................................................................... 134C.1 Programacin CANAL A.............................................................................. 135 C.2 Programacin CANAL B............................................................................... 135 DAPARATOS UTILIZADOS.......................................................................................................... 136D.1 Proteccin numrica generador 316*4......................................................... 136 ndicexiii D.2 Circuit shield type 60. .................................................................................... 136 D.3 Field ground detector relay 64F. .................................................................. 136 D.4 SPAD 346C. ..................................................................................................... 136 D.5 Fieldbus Adapter with DC-Drives. .............................................................. 136 D.6 Trip circuit Supervision relay SPER 1B1 C4. .............................................. 136 D.7 Miniature circuit-breakers S280 UC series.................................................. 136 D.8 Rels Arteche................................................................................................... 136 D.9 Rels auxiliares biestable BF. ........................................................................ 136 D.10 Rels instantneos RF......................................................................... 136 ndice de Figurasxiv ndice de Figuras Figura 1. Zonas de actuacin de las Protecciones de forma ideal. ..................................................... 7Figura 2. Caractersticas rels temporizados ....................................................................................... 10Figura 3. Rel direccional ....................................................................................................................... 14Figura 4. Actuacin rel direccional ..................................................................................................... 14Figura 5.Caractersticas rel distancia Mho y Ohm............................................................................ 17Figura 6. Esquema proteccin diferencial ............................................................................................ 19Figura 7. Sistema de desexcitacin........................................................................................................ 23Figura 8. Rel Maestro............................................................................................................................ 25Figura 9. Matriz de programacin de disparos................................................................................... 26Figura 10.Relacin intensidad de Falta daos provocados a la mquina........................................ 31Figura 11. Rel corriente continua 64 ................................................................................................... 34Figura 12. Esquema proteccin diferencial 87G.................................................................................. 36Figura 13. Caracterstica actuacin proteccin diferencial ................................................................ 36Figura 14. Variaciones temperatura en funcin de la carga .............................................................. 38Figura 15.Caracterstica de rel de imagen trmica............................................................................ 39Figura 16. Escalones discretos ............................................................................................................... 40Figura 17. Ejes P-Q subexcitacin y sobrexcitacin............................................................................ 42Figura 18. Caracterstica prdida de excitacin................................................................................... 43Figura 19. Caracterstica potencia inversa ........................................................................................... 44Figura 20. Lgica fallo interruptor ........................................................................................................ 47Figura 21. Caracterstica prdida de sincronismo............................................................................... 48Figura 22. Puntos estudio cortocircuitos.............................................................................................. 67Figura 23. Corrientes de cortocircuito .................................................................................................. 70Figura 24. Ajustes proteccin diferencial ............................................................................................. 71Figura 25.Caracterstica Secuencia Negativa....................................................................................... 74Figura 26. Caracterstica sobrecarga trmica....................................................................................... 75Figura 27. Caracterstica retorno de energa........................................................................................ 76Figura 28. Caracterstica prdida de excitacin................................................................................... 79Figura 29. Lgica fallo de interruptor................................................................................................... 84Figura 30. Caracterstica diferencial de bloque ................................................................................... 88 ndice de Tablasxv ndice de Tablas Tabla 1. Hoja de Datos excitacin ....................................................................................................... 117Tabla 2.Coste materiales Protecciones................................................................................................ 121Tabla 3. Coste materiales Excitacin................................................................................................... 122Tabla 4. Coste Armario......................................................................................................................... 123Tabla 5. Coste Total Materiales............................................................................................................ 123Tabla 6. Coste Armario Completo....................................................................................................... 124Tabla 7. Coste Total Armario y Repuestos......................................................................................... 125Tabla 8. Coste Total incluyendo Margen Bruto................................................................................. 126Tabla 9. Coste Total Despus de Impuestos ...................................................................................... 126 1Caractersticas de un sistema de ProteccionesCaractersticas de un sistema de protecciones2 1 Caractersticas de un sistema de Protecciones 1.1 Objeto de las protecciones La calidad de servicio en el suministro se mide bsicamente en trminos de nmero delasinterrupcionesenelsuministro,ascomoporelmantenimientodelas magnitudes de tensin y de frecuencia dentro de los lmites prefijados o nominales. Peroanenloscasosenquelossistemaselctricosestnptimamente proyectados,explotadosyconservados,siempreexistelaposibilidaddequese produzcanaverasy,entalcaso,estasdebensereliminadasdeformaquelas consecuencias y daos que puedan causar sean los mnimos posibles y adems, quede desconectadadelsistemalamenorpartedelainstalacin,afindequestasiga funcionandoenlamayorproporcinposible.Estoselogramediantelaimplantacin generalizada de equipos de proteccin. La misin de un sistema de protecciones elctricas consiste, por tanto en: - Identificar y localizar el defecto o falta en cuanto a su tipo y lugar. -Ponerenprcticaautomticamentelasactuacionesydesconexionesnecesarias paraaislarlafaltadelamaneramsrpida,reduciendolosefectosdestructivosdela falta,yponiendofueradeserviciolapartemspequeadelainstalacinquebasta para dejar la falta aislada y al equipo fuera de peligro. -Sealizareldefectodetectadoylasactuacionesefectuadas,suministrandola informacin necesaria para la operacin segura y el anlisis posterior de la incidencia. Desarrollo histrico para lograr tales fines fue que con la irrupcin hacia finales del siglo XIX, de los primeros sistemas elctricos de corriente alterna, empezaba una etapa entoncesapenasinsospechableparaeldesarrollodelaenergaelctrica.El descubrimientodeltransformadorpermitialrededorde1885,vislumbrarla posibilidaddeexpansinagrandesreasgeogrficasdeltransporteydistribucinde la energa elctrica. Caractersticas de un sistema de protecciones3 Elcrecimientodelossistemaselctricosfuegenerandounasnecesidades auxiliares, entre las cuales se incluyen los sistemas de proteccin. Los rels se pueden clasificar de distintas maneras. Como presentacin vamos a elegir una general en base a la funcin que realizan: Relsdeproteccin:Detectanalternacionesdelascondicionesnormalesdelos equipos que la protegen, indicando o permitiendo disparos y/o activando alarmas. Relsdesupervisin:Verificancondicionesdelsistema,ensuzonaasignada.Las condiciones que no implican disparo pueden ser monitorizadas por este tipo de rels. RelsdeAngulo:Establecenodetectansecuenciasdesfasesentremagnitudes elctricas. Relsderegulacin:Seactivancuandounavariablesuperaunrangoprevisto. Operan sobre equipos auxiliares para devolver la variable a su valor de consigna. Rels auxiliares: Se utilizan para multiplicar seales y activar equipos. Responden a la apertura o cierre de contactos de los rels principales y equipos diversos. En cuanto a los sistemas de proteccin podemos distinguir dos a grandes rasgos los sistemasdeproteccindirectoseindirectos,losprimerossebasanenlosqueel elementodemedidaes,generalmente,elmismoqueeldecorte,oestincorporadoa l,ylamagnitudquehayquecontrolar,normalmentelaintensidad,seaplicaala proteccin sin ningn tipo de proteccin, este tipo de sistema de protecciones hoy por hoy est casi en desuso.Mientraslossistemasdeproteccinindirectos,sonaquellosenlosquelas magnitudesquehayquecontrolar(tensin,intensidad,frecuencia,temperatura)se transformanenvaloresnormalizadosantesdeinyectarsealreldeproteccin.En generalestossistemassonmscostososperosondondeelconceptodeproteccin alcanzasuplenitud,ylosquemayoritariamenteseutilizanenlaactualidad.Eneste tipo de protecciones se usan distintos tipos de rels en los que podemos distinguir: Relsdeatraccinelectromagntica:Respondeninstantneamentealvaloreficaz delatensinqueselesaplica,intensidadotensin,queesconvertidaenunafuerza capaz de cerrar un par de contactos. Caractersticas de un sistema de protecciones4 Relselectromagnticosdeinduccin:Respondendeformatemporizadaalvalor eficaz de la magnitud que se les aplica. En estos rels, el campo magntico generado en unabobinaproduceunparproporcionalenundiscoocopa,quesonlosquecierran loscontactos.Eltiempodeactuacinesinversamenteproporcionalalamagnitud medida, o al producto vectorial de las dos, en el caso de copa de induccin. Rels de cuadro mvil: Son el primer paso hacia los rels estticos. El valor medio de la magnitud de entrada se mide por integracin y se rectifica. El resultado alimenta un cuadro mvil que cierra contactos. Rels estticos: Son rels totalmente electrnicos. Existen dos tipos principalmente: -Analgicos:Sonestticosconelementosconvencionales.Sonelprimertipode rels estticos y su construccin es generalmente modular. Tienen una gran fiabilidad, duracin y precisin -Digitales:Estndotadosdemicroprocesador,yencaminadosalautilizacinde fibraptica,loquegarantizalatransmisindegrancantidaddeinformacinaalta velocidad.Incorporanfuncionesdeautodiagnstico,mejoranlascaractersticasde software, tiene mayor flexibilidad, menor mantenimiento y reducen el conexionado. 1.2 Caractersticas de las protecciones. Unsistemadeproteccionesdebidamenteconcebidodeberaposeerenlamayor medida posible, las siguientes caractersticas: Sensibilidad:Capacidaddedetectarlasvariacionesmaspequeasenlos parmetrosmedidos,dentrodeunazonaoelementoprotegido.Elsistemade proteccionesdebedisponerdelasuficientesensibilidadparaladeteccinrpiday segura de todos los defectos o faltas que puedan existir en la zona protegida. Selectividad:Capacidaddediscriminarcuandosedebeactuar,esperaro bloquearse, en funcin del lugar y del tipo de falta sucedida, con objeto de originar la desconexin de la parte de la instalacin afectada por la avera y evitar la puesta fuera de servicio de la parte no afectada. Caractersticas de un sistema de protecciones5 Rapidez: Se persigue el tiempo mnimo en el proceso deteccin-seleccin-actuacin, tratando de minimizar los posibles daos en la instalacin, producidos por la falta. En cualquiercasodebedetenerseencuentaquealaumentarlavelocidadpuede disminuirlafiabilidadyelevarelpreciodelosequiposdeproteccin,ydebeser estimada para cada aplicacin. Fiabilidad: Nivel de confianza en el comportamiento correcto: Seguridad:Probabilidaddenoactuarcuandonotienequehacerlo.Antela existenciadelasfaltaslocalizadasfueradelazonaprotegida,elsistemade protecciones no debe activarse; es decir, no deben producirse disparos indeseables por esta causa que reduciran la disponibilidad de la instalacin. Obediencia:Probabilidaddeactuacincuandositienequehacerlo.Antela existencia de un determinado defecto o falta dentro de la zona protegida, el sistema de proteccionesdeberdetectarloeiniciarlasaccionesoportunasdelasprotecciones,de forma que se eviten daos en la instalacin. La operacin incorrecta puede ser motivada por una de las siguientes causas, diseo incorrectoparaunaaplicacinconcreta,instalacinincorrectadeunaproteccin, ajustesincorrectosdelosvaloresdeoperacin,deteriorodeequiposenserviciopor falta de un adecuado mantenimiento, manipulacin indebida etc Robustez:Capacidaddesoportarduranteaoslascondicionesambientalesyde trabajo a que son sometidos. Autonoma: El fallo de cualquier otro elemento de la instalacin, ajeno al sistema de proteccin, no debe afectar a sta. El sistema de proteccin debe ser independiente, en susfuncionesprimordiales,delrestodesistemas,conelobjetodequelas consecuencias de la propia avera no afecten a la capacidad para despejarla. Simplicidad:Unsistemadeproteccinsimpleeslapruebadeunbuendiseo.La simplicidaddeunsistemaaumentalafiabilidad,porqueelnmerodeelementos que puede fallar es menor, y se produce un menor nmero de funcionamientos anmalos. Economa: Un sistema debe proporcionar la mxima proteccin al mnimo costo. A la hora de elegir un sistema o elementos en concreto, debe sopesarse su precio entre los Caractersticas de un sistema de protecciones6 demsfactoresdedecisincomofiabilidad,selectividad,etc,yaquesedebentener muyencuentaquelosequiposdeproteccinsuponenunainversininicialmuy elevada en cualquier proyecto. 1.3 Zonas de proteccin. Paraobteneraladeterminacindelasproteccionesnecesariasenunainstalacin cualquiera,esprecisodisponerdeunainformacincompletadesta.Yconocer debidamentelainfluenciadelamismasobreelrestodelsistemaelctricoalqueest conectada.Portanto,serprecisohacerunadefinicinconcretadelaszonasde influencia de la proteccin, que puede entenderse bajo dos puntos de vista: Desde el punto de vista de maniobra, se define la zona de proteccin como la parte mspequeadelainstalacin,delimitadaporlosinterruptores,quedebequedar aislada cuando en algn punto de ella se produce un defecto. De cara a la medida, se define como la parte de la instalacin donde una proteccin es capaz de localizar una falta, con un determinado ajuste. Lasproteccionesmuyselectivastalescomodiferenciales,distancia,etcslo actanparafaltasdentrodeuntramodelainstalacindelimitado.Sinembargo,las protecciones menos selectivas actan al superarse su ajuste, independientemente de la situacin de la falta; y por tanto ser necesaria la definicin concreta de los mrgenes y zonas de solapamiento, es decir, aquellas zonas de la instalacin en las cuales existe la posibilidad de actuacin de varias protecciones, de cada sistema de proteccin. Caractersticas de un sistema de protecciones7 Figura 1. Zonas de actuacin de las Protecciones de forma ideal. Porrazonesprcticas,lonormalesencontrarsetransformadoresdeintensidadaun solo lado de cada interruptor, a veces, en el lado de la lnea. Esta disposicin deja una zona en la que la falta localizada entre el transformador de intensidad y el interruptor no es despejada por la proteccin que la detecta. Por este motivo es necesario ampliar el concepto de zona de proteccin. Porotrolado,losinterruptores,olaspropiasproteccionespuedenfallarenel despejedeunafalta.Estomotivalanecesidaddedotaralasproteccionesdeuna segunda o incluso de una tercera zona que cubra los riesgos mas arriba descritos. Esta operacin esta normalmente temporizada para permitir la operacin en la zona 1 de las protecciones.Aunqueunaoperacinenlaszonas2y3implicaeldisparodems interruptores, y la puesta fuera de servicio de un mayor nmero de equipos, siempre es ms deseable que mantener una falta en el sistema. La fiabilidad de un sistema elctrico depende siempre de sus protecciones. Muchos factorespuedencausarunfallodeprotecciones,oelfallodeuninterruptor.Poresta razn, es usual suplementar la proteccin principal con otros sistemas para apoyar la operacin de una falta del sistema. A este sistema redundante se le llama proteccin de reserva,ypuedecumplirlasfuncionesencomendadasalaproteccinprincipal, teniendo las mismas caractersticas o no. Caractersticas de un sistema de protecciones8 1.4 Algunas clasificacines de las protecciones. Dispositivoqueprovocauncambiobruscoenunoovarioscircuitosdecontrol cuandolacantidaddecontrolocantidadesalasquerespondencambiande determinada manera. Seestablecenvariasclasificaciones,atendiendoadistintosconceptos,quellevana dar diferentes denominaciones a los equipos de proteccin: Segn su funcin: Sobreintensidad Sobrefrecuencia Mxima mnima tensin etc Segn su magnitud de entrada o medida: Intensidad Rels de intensidad o mxima intensidad Rels de mnima intensidad Tensin Rels de sobretensin o de mxima tensin Rels de subtensin o de mnima tensin Rels de tensin nula o falta de tensin Impedancia Rel de impedancia Frecuencia Rel de frecuencia Caractersticas de un sistema de protecciones9 Potencia producto Rel vatimtrico Segn su conexionado de medida Fase Neutro Segn su actuacin sobre el interruptor: Directos Indirectos o secundarios. Rels directos e indirectos: Relsdirectossonaquellosqueactandirectamentesobreledispositivode disparodelinterruptor.Casitodosellossonrelsprimariososeaquenoutilizan transformadoresdealimentacinintermediosyporlotantosonaccionadosporla misma corriente que circula por el elemento a proteger. Tambin existen rels directos secundarios,quesonaquellosqueestnalimentadosdesdelacorrientesecundariade un transformador de intensidad. Mientrasentendemosporrelsindirectosaquellosqueactanatravsdesus contactossobrelabobinadeaperturadelosinterruptores.Todoslosrelsindirectos son secundarios pues toman su alimentacin del secundario de los transformadores de intensidad. 1.4.1 Clasificacin segn su tiempo de actuacin 1.4.1.1 Rel instantneo y rel temporizado El rel de proteccin puede actuar instantneamente o despus de un cierto tiempo, aunque la decisin la toma en el momento inicial. Se entiende por rel instantneo aquel cuyo tiempo de operacin, otes lo ms rpidoposible,atendiendoalaslimitacionestcnicasyconstructivasdelpropiorel. Caractersticas de un sistema de protecciones10 Hoy en da se consideran rels de alta velocidad aquellos que actan dentro de los dos primeros ciclos desde la ocurrencia de la falta. Los rels temporizados tienen un retardo aadido, tras la decisin, para realizar la actuacin. Hay dos tipos de temporizaciones: 1.-Detiempofijooindependiente.Eltiempoesindependientedelvalordela magnituddeentrada;unavezsedecideactuar,tardaenhacerlountiempoque siempre es fijo, de acuerdo a un ajuste determinado. 2.-Detiempoinversoodependiente.Losretardossoninversamente proporcionales al valor de la magnitud de entrada. Las curvas que representan el valor del retardo en funcin de la entrada suelen ser similares a hiprbolas, con una asntota paralela al eje de tiempos definida por el valor de arranque del rel. Existenvariasfamiliasdecurvasdeactuacincaracterizadasportener pendientesmsomenosacusadas,yqueseagrupanbajolasdenominacionesde tiempo inverso, muy inverso o extremadamente inverso. Figura 2. Caractersticas rels temporizados Caractersticas de un sistema de protecciones11 Se definen a continuacin algunas magnitudes en relacin a la actuacin del rel en funcin del tiempo: Arranque del rel o rel arrancado: Se dice que un rel arranca cuando se supera el nivel mnimo de la magnitud de actuacin o ajuste. Una vez que el rel ha arrancado. Seproducirsuactuacindependiendodelatemporizacindequesedisponga,oel cumplimiento de otros criterios adicionales cuya suma determina el disparo. Actuacin del rel o rel actuado: Un rel acta cuando posteriormente el arranque se dan los condicionantes necesarios para dar una seal de salida. Recadadelrelorelrecado:Unavezelrelhaarrancado,sidesaparecela condicinquedetermindichoarranque,elrelrecaeynodasealdesalida.Como ejemplopuedehablarsedelassituacionestransitoriasqueenuninstantedado provocan el arranque del rel, pero se restablece la normalidad y el rel no acta. Relacin de recada: En ciertos casos el valor de la magnitud de arranque de un rel nocoincideconelvalorderecada,detalmodoqueexisteunaciertahistresis,que puedeinclusoserdeseableenunoscasoseindeseablesenotros.Comoindicadorde esta circunstancia se define la relacin de recada del rel como el cociente: % 100___ _ Re =recaida Magnitudarranque Magnitudrecaida de lacinTiempoderecada:Eseltiempoquetranscurredesdequelamagnituddeentrada desaparece hasta que el rel deja de dar seal de salida de arranque o disparo. Se suele definir en las siguientes condiciones: Se excita el rel con una magnitud de entrada un 50% superior al valor de arranque o de disparo. Se anula la entrada de forma instantnea. Semideeltiempoquetranscurredesdequeseanulalaentradahastaque desaparece la seal de arranque o disparo en su salida. Esta magnitud puede ser importante frente al tiempo de temporizacin del rel. Caractersticas de un sistema de protecciones12 1.4.2 Clasificacin segn su magnitud de medida. 1.4.2.1 Rel de sobreintensidad. El objeto de la proteccin de sobreintensidad es detectar toda elevacin anormal de laintensidaddelelementoprotegido,ordenandoladesconexindelared,enel momentoqueporcortocircuitoosobrecargasesobrepasanloslmitesmximos tolerables de intensidad. Enprincipio,lasproteccionesdesobreintensidadadmitenunaclasificacinen dos grandes grupos, en funcin del tiempo de operacin: a) Instantneos b) Temporizados b.1) A tiempo independiente: un rel de este tipo operar siempre en el mismo tiempo para todo valor de intensidad superior al ajustado en el propio rel. b.2)Atiempodependienteotiempoinverso:enestecasoelreloperarenun tiempoqueesfuncindelvalordelacorriente,deformaquecuantomayorseaesta, menorsereltiempodeactuacin.Losfabricantespuedensuministrarrelscon distintas caractersticas de operacin: Tiempo normal inverso (N.I) Tiempo muy inverso (M.I) Tiempo extremadamente inverso (E.I)El tiempo de operacin y la intensidad estn relacionados por una ecuacin que define la curva de operacin caracterstica del rel: 1 =apIIKtDonde: Caractersticas de un sistema de protecciones13 pI = Intensidad de paso aI= Intensidad de ajuste = Constante de diseo que define el tipo de caracterstica K= Constante de diseo que define el tipo de actuacin Lonormalesqueunreldesobreintensidad,dentrodesucaracterstica,el fabricante ofrezca una familia de curvas de actuacin, fe forma que se puede acceder a diferentescurvascomprendidasentreloslmitessuperioreinferiordelafamilia, adecundose as la proteccin a las necesidades particulares de la instalacin. Casitodoslosrelsdesobreintensidadincorporanunaunidadinstantnea, colocada en serie con el rel de sobreintensidad a tiempo independiente, de forma que ambas estn recorridas por la misma corriente. Usualmente esta unidad se ajusta a un valor muy superior al de la intensidad de arranque del rel a tiempo independiente. 1.4.2.2 Rel direccional El rel direccional acta para las mismas faltas que el anterior, contra cortocircuitos y sobrecargas, pero con la diferencia de hacerlo cuando la intensidad de falta forma un ngulodeterminadoenrelacinaunamagnituddereferenciaopolarizacin, normalmentelatensin.Deestaforma,elcriteriodeactuacinnosolodependedel valordelaintensidad,sinotambindelnguloporelvectordelaintensidadyla magnitud de polarizacin. Esta proteccin es ms selectiva que la de sobreintensidad, por ejemplo: Caractersticas de un sistema de protecciones14 Figura 3. Rel direccional Siocurreunafaltaen1elrelladetectara,perosilafaltatienelugaren2,an siendo mayor la intensidad de falta, el rel estar bloqueado y no la ver. Unaproteccindesobreintensidaddireccionalsueledividirseendos elementos: Unelementodireccional,quecontrolaelnguloformadoporlamagnitudamedir con la magnitud de polarizacin. Un elemento de sobreintensidad, que controla la magnitud de la corriente. Elelementodireccionalpermitelaactuacindelelementodesobreintensidad cuandoestaformaunngulodeterminadoconlamagnituddepolarizacin.Estose puede representar en un diagrama, segn se indica en la figura siguiente: Figura 4. Actuacin rel direccional Caractersticas de un sistema de protecciones15 Elngulo eselngulocaractersticoongulodemximopar.Suvaloresta comprendidonormalmenteentre0y90.Alahoradeajustarelrelparaunafalta determinada, el nguloque interesa es el de la impedancia equivalente del esquema deavera.Parafaltasatierratieneunaespecialrelevancialaimpedanciadepuestaa tierra del sistema. La magnitud ms crtica para un rel direccional es la magnitud de polarizacin oreferencia.Interesaqueencualquiercasollegueapolarizarseelrelcon,almenos, un valor mnimo de dicha magnitud para asegurar la correcta direccionalidad. En este sentidosedefinelasensibilidaddireccionaldelrelcomoelvalormnimodela magnitud de polarizacin que asegura el funcionamiento correcto del rel. Algunosrelsestticosdisponendeunsistemadememoriadetensinque permitelacomparacindelaintensidadconlatensinquehabaenelcircuitode polarizacin un instante antes. As por ejemplo, en caso de un cortocircuito en el que la tensinsehacenula,semantendraladireccionalidadporqueelrelharala comparacinconlatensinexistenteantesde queocurralafalta,teniendoencuenta, porsupuesto,lavariacindelargumentodelatensinenrelacinalaintensidad durante ese tiempo. En el caso de una proteccin direccional de fases, si el rel controla la corriente de la fase R y esta polarizado con la tensin R-tierra, al producirse una falta en bornes deltransformadordetensinquealimentalaproteccin,esposiblequelatensin aplicadaalrel noseasuficienteparagarantizarsuactuacin adecuada. Portanto,en este caso se utilizan tensiones de fase para polarizar. Los posibles tipos de conexin se definen por el desfase existente entre la tensin aplicada y la tensin de la fase a la que se conecta el elemento de sobreintensidad. Por los rels direccionales de tierra, la tensin que se utiliza para polarizar es la homopolardelsistema,quepuedeobtenersepormediodelaconexinentriangulo abierto de los secundarios de los transformadores de tensin. En aquellos casos en que noseaposiblepolarizarelreldeestaforma,sepuedetomarcomomagnitudde referencialacorrientedelneutrodelapuestaatierradeuntransformadoro transformadores de potencia prximos. Caractersticas de un sistema de protecciones16 1.4.2.3 Rel de mnima impedancia. Laproteccindedistanciaodeimpedancia,englobatodaunagamaderelscuya unidaddemedidaactaenfuncindelvalordelaimpedanciaporfasedelelemento protegido. Normalmente el objeto de la proteccin de distancia es desconectar rpida y selectivamentelasfaltasdelneas,haciendoqueeltiempodedisparodependadela direccinydistanciadelpuntodelocalizacindelafalta,elcualsedetermina mediante la medida de las corrientes y tensiones en el extremo de la lnea. Lasproteccionesdesobreintensidad,tantolassimplescomolasdireccionales, seleccionansuactuacinpormediodeunescalonamientoprogresivoeneltaradode las intensidades y tiempos de actuacin. Para sistemas mallados, este mtodo selectivo presentadificultadesparasucorrectaaplicacin.Adems,estosrelstienenuna sensibilidadmuylimitada.Estosinconvenientessesolucionanmediantelosrelsde distancia. Estos rels miden la relacin entre intensidad y tensin: Presentandistanciascaractersticasdeactuacin,dependiendodeltipode defecto para que se utilicen. A continuacin vemos algn ejemplo de ellas: Caractersticademnimaimpedancia:Seajustaelrelsegnelvalordeuna impedanciaZm,deformaquesiseproduce uncortocircuitoaumentalaintensidad y disminuye la tensin, con lo cual la impedancia medida es menor que la ajustada y el rel acta. La caracterstica de actuacin del rel de mnima impedancia en el plano R-X,respondeaunacircunferenciacentradaenelorigenyderadioelvalorla impedanciaajustadaZm.Siemprequesepresentensituacionesenlasqueelcociente entre tensin e intensidad sea inferior al valor de impedancia ajustada el rel actuara. Caracterstica de mnima impedancia direccional: El rel de mnima impedancia noes direccional y, por tanto, ante una falta externa si el valor de la impedancia que mide es inferior a la de ajuste se producir una actuacin incorrecta del rel. Si se aade a la unidaddemnimaimpedanciaunaunidaddireccionalquelacontrole,elrelno actuara en caso de que la direccin de la falta no sea la correcta. IVZ=Caractersticas de un sistema de protecciones17 CaractersticaMho:LosrelsdedistanciaconcaractersticaMho,combinanlas caractersticasdeloselementosdemnimaimpedanciaydireccional.Lacaracterstica queseobtieneenelplanoR-Xesuncrculoquepasaporelorigenydedimetroel valor de la impedancia de ajuste. En funcin del argumento de la impedancia de falta seobtienelalneademximopardelrely,dependiendodelargumentoentrela diferencia de la impedancia ajustada y de la falta, el rel actuara o no. CaractersticaMho-Offset:Lacaractersticadeesterelesigualaladelanterior perodesplazadasobreelejedereactanciasunvalorZr,queseajustaenelrel.Este desplazamientoseconsiguenormalmente,aadiendolaimpedanciaZralcircuitode medida del rel. Figura 5.Caractersticas rel distancia Mho y Ohm 1.4.2.4 Rel de sobretensin. Latensinjuntoconlafrecuencia,esunacaractersticanominaldeunsistema elctrico.Portanto, los diferentesequiposconectadosadichosistemasediseanpara una tensin nominal determinada y soportan sobretensiones de un cierto porcentaje sin averiarse. Losgeneradores,sonelementosmuysensiblesasobretensiones,mientrasque losmotores,reguladoresetc.Nodebenfuncionarcontensionesmuyinferioresala nominal. Caractersticas de un sistema de protecciones18 Losrelsqueseutilizanparasobreysubtensindebensertemporizadospara queoperendentrodeuntiempoprudencialquepermitalaposiblecorreccindela desviacindelamagnitudnominalqueintentaranrealizarlosdispositivos reguladores. Normalmente se usan rels de tiempo inverso o de tiempo independiente con tiempos de operacin comprendidos entre 2 y 20 s. A veces incorporan uno o dos elementos de disparo instantneo. 1.4.2.5 Rel diferencial. La proteccin diferencial tiene por objeto detectar faltas internas al objeto protegido (cortos entre fases de un transformador o generador, desviaciones a tierra) as como las faltas que se encuentren dentro de la zona de proteccin definida como todo objeto elctricamente comprendido entre dos transformadores de intensidad, utilizados por la medidadeproteccin.Seutilizanpreferentementeparaprotegersistemasdondela cualidaddeselectividadyrapidezesmuynecesaria,yladistanciaentrelos transformadores utilizados en la medida no es excesiva. Sufuncionamientosebasaenlacomparacindelasintensidadesenlosdos extremos a proteger, aunque puede hacerse de dos formas distintas: a) Rels diferenciales simples. La proteccin diferencial solo ve faltas en el interior de la zona de proteccin debido a que si la falta es externa, la intensidad que circula a ambos lados del diferencial es la misma y por lo tanto Id=0. Los transformadores de intensidad deben ser idnticos para evitarposiblesaparicionesdeintensidaddiferencialqueprovocaradisparos intempestivos. Caractersticas de un sistema de protecciones19 Figura 6. Esquema proteccin diferencialb) Rels diferenciales a porcentaje o con frenado. Enlaprctica,lostransformadoresdeintensidadnosonidnticosporrazones constructivas,yportantolasintensidadessecundariastienenunciertoerrorentres. As,encondicionesnormaleslabobinadeoperacindetectaunapequeaintensidad, laintensidaderror,queconstituyeunacomponentediferencial.Porotrolado,enel casodeproducirseunafaltaexternaalazonadeproteccin,detipocortocircuito,se establecenfuertescorrientesquepuedensaturarlosncleosmagnticosdelos transformadoresdemedidautilizadosporeldiferencial,yqueacentanladiferencia deintensidadessecundariaspropiciandounfuncionamientoincorrectodela proteccin. Tambinhayquetenerencuentaqueenlosprimerosciclosdeunafaltanoslo puedeproducirseunafuerteintensidad,sinoademsdeunafuerteasimetraenla formadeondadela corriente, loque favorece anenmayormedida la saturacinde lostransformadoresde medida. Paratratar depaliarestosinconvenientesseutilizael rel diferencial de tanto por ciento. Disponedeunabobinaderetencinofrenadoconectadaenserieconlos transformadoresdeintensidad,acuyatomaintermediaseconectalabobinade operacin,deformaquelamitadlaatraviesaI1ylaotraI2,siendoelesfuerzode retencin proporcional a (I1+I2)/2 Se denomina (I1+I2)/2 corriente de paso o frenado. Caractersticas de un sistema de protecciones20 I1-I2 corriente de operacin. Esnecesario quelaintensidaddeoperacinalcanceunaciertaproporcindelade frenado para que el rel acte. Normalmente se considera entre el 5% y el 50%. 1.4.2.6 Rel de frecuencia. En los sistemas elctricos de corriente alterna la frecuencia es una de las magnitudes quedefinenlacalidaddelservicio,yparamantenerestablesuvalornominales necesariopermanentemente,unequilibrio,esnecesariotomaraccionesinmediatas sobre la red, emplendose para ello rels de sobre o subfrecuencia. Porotrolado,encasodesistemasnoconectadosalaredpreviamenteasu acoplamiento, es necesario vigilar la frecuencia del sistema en vaco o en isla, de modo que la frecuencia se mantenga dentro de unos ciertos lmites. Porrazonesdeutilizacin,losrelsdefrecuenciasuelenbloquearsecuandola tensin de medida disminuye por debajo del 50% de su valor nominal. Normalmenteseutilizanrelstemporizadosquepermitenunciertorgimen transitorio, y en algunos casos permiten un disparo rpido cuando la pendiente df/dt de la bajada de la frecuencia supera un valor determinado. 1.5 Tipos de defectos. CORTOCIRCUITOS - A tierra - Entre fases (bifsicos y trifsicos) FUNCIONAMIENTOS PELIGROSOS PARA EL ALTERNADOR - Errores de regulacin del alternador - Perdidas de excitacin. Caractersticas de un sistema de protecciones21 - Sobretensiones, etc FUNCIONAMIENTO PELIGROSO PARA LA TURBINA O MOTOR PRIMARIO. Ademsdelaproteccinmecnicaseincluyeproteccinelctricadelaturbina cuando los defectos son: - Detectables elctricamente. - Producidos por causas elctricas. PERTURBACIONESDEREDOFUNCIONAMIENTOANMALOSDEL ALTERNADOR COMO ELEMENTO CONECTADO A LA RED. - Prdida de sincronismo. - Prdida de estabilidad. - Desequilibrio de carga etc Esnecesariosealarquedesdelepuntodevistamecnico,generalmenteel alternadoresmasrobustoquelaturbinaoelgrupodiesel,esteltimo,casoque estamos tratando. Para el alternador, el funcionar como motor no le afecta, pero para la turbinaquellevaacoplada,ydependiendodeltipodeturbina,puedeser extremadamente peligroso. Este problema se puede solucionar conun rel direccional de potencia. 1.6 Actuacin de las protecciones. Una vez que la proteccin opera, se desencadenan una serie de actuaciones que van desdelaalarmahastalaparadadeemergenciadeungrupoylaactuacincontra incendios.Lamayoromenormedidaenquelafaltaseaperjudicialparaelsistema determinar lasdiversasactuaciones quesellevaranacabo,entre lascualespodemos distinguir: a) Alarma y/o sealizacin. Cuando el defecto no repercute en la continuidad de la operacin del generador, basta con avisar al operador de que existe dicho defecto para Caractersticas de un sistema de protecciones22 queseareparado,mediantealarmasysealizacionesoportunas.Elconceptode sealizacin es ms amplio que el de alarma. Las alarmas pueden ser: a.1) Segn su situacin: -Locales:Aparecendelapropiaproteccin,ynormalmenteprecisanreposicin manual. -Adistancia:Sesitaenunpaneldealarmas,enlamismainstalacinoenotra, facilitando una visualizacin rpida. a.2) Segn su naturaleza: -Preventivas:Detectanundefectoquenoestraumticoparaelsistema,obien, permitentomarunadecisineneltiempoquelaalarmapuedaestarmantenida.No haypeligroinmediatoparalainstalacin.Ej.:unrelquedetectasobretemperatura puede dar alarma de forma que avise al operador cuando se alcanza un valor todava no peligroso, y este baje carga para evitar un posible defecto. Si no se corrige la causa de la alarma, la proteccin disparar. - De Actuacin: La alarma indica cuales fueron las protecciones que dispararon, una vezquehayanactuado.Danideadelapartedelainstalacinenlaquetuvolugarel defecto y el tipo de defecto. b) Disparo del interruptor de grupo o desconexin de la red. En la mayora de los casos en los que aparece una falta, es necesario proceder al desacoplo del grupo tanto paraeliminarlaaportacindecorrientedelaredaldefecto,enelcasodequesea interno, como para eliminar la aportacin del generador cuando la falta es externa. Si la falta es externa al generador o est motivada por un funcionamiento anormal de la red, bastarcondesconectarelgeneradordelaredparaeliminaresefuncionamiento defectuoso, y de algn otro interruptor ms, si no existe seguridad de donde ocurri el defecto. c) Desexcitacin o disparo de campo. Si se produce una falta dentro de la zona de generacin,nobastarcondispararelinterruptordeacoplamientoared,yaquela maquina quedar alimentando la falta. Ser necesario anular la tensin generada por el alternador, para lo que hay que anular la excitacin abriendo el interruptor de campo. Caractersticas de un sistema de protecciones23 Debidoa laautoinduccindel arrollamientorotrico,al abrirelinterruptordecampo se producira una sobretensin (E= - L di/dt), y para evitarla, generalmente, se conecta enparaleloalarrollamientodecampounaresistenciaantesdeabrirelinterruptorde desexcitacin.Enotrassituacionessedisponedeunsistemaactivoparadesexcitarel alternador. Figura 7. Sistema de desexcitacin d) Parada mecnica. En todos los defectos graves que se producen en un generador esnecesariopararlamquinaparaaislareldefectoyponesstefueradepeligro. Dependiendodelanaturalezaymagnituddeldefectosepuedeprocederadistintos tiposdeparadas,dentrodelascualesladiferenciamassignificativalaconstituyela posibilidadonodebajarcargaantesdeprocederalaparadadegrupo.Podemos distinguir las siguientes:- Parada normal: - Bajada de carga. - Desacoplo de red. - Desexcitacin. - Cierre de vlvulas. Caractersticas de un sistema de protecciones24 - Actuacin de frenos mecnicos o elctricos. -Paradarpida:Desacoploderedsinbajarcarga.Seproducensobrevelocidades que el alternador debe soportar. Consiste en: - Desacoplo de red. - Desexcitacin. - Actuacin de frenos. - Cierre de vlvulas. -Paradadeemergencia:Siguelamismasecuenciabsicaquelaanterior,perocon algunas diferencias mecnicas tales como cierres de compuertas de seguridad, vlvulas esfricas etc. e)Actuacincontraincendios.Ciertostiposdedefectosquetienenlugardentro delgenerador,comouncortocircuitoentrefasesdelestator,puedenprovocarun incendiodentrodelgenerador.Paraevitarlo,enelmomentoenquelasprotecciones detectanestosdefectos,ademsdeiniciarseotrasactuaciones,seinundalasaladel alternadorconCO2oalgnotrogasinerte.Algunosalternadoresnodisponende actuacincontraincendiosporquelostiemposdedespejesoncadavezmenores(el calorqueseproduceesfuncindelaintensidadalcuadradoporeltiempo,ycont pequeolaenergaproducidatambinloser),ylosaislantessoportanmayores temperaturas antes de iniciar su combustin. Nosiempreesnecesariodesencadenarunaparadamecnica.Porejemplo,encaso desobretemperaturabastacondisminuirlaintensidadparaeliminarelfocodecalor. Ademselquelamquinaestegirandosuponemayorventilacinyenestecasoes favorable. 1.7 Distribucin de actuaciones. CuandounReldispara,debedesencadenarunaseriedeactuacionesque,porun lado, no son las mismas para todos los Rel y, por otro lado precisan para su mando un nmero elevado de contactos libres de potencial, de los cuales el Rel no dispone. Por Caractersticas de un sistema de protecciones25 tanto,esprecisorecurrirasistemasquemultipliquenydistribuyanlassealesde salida de los elementos de proteccin. Son dos principalmente: -Relsmaestros:Sonrelsmulticontactos,multiplicadoresderdenes alexterior. Pueden ser de disparo y reposicin manual, disparo y reposicin elctrica y disparo y reposicin automtica. Elnmeroderelsmaestrosnecesariosquedadeterminadoporelnmerode conjuntos de actuaciones diferentes que pueden darse en un disparo. ElnmerodecontactosquedebertenerelRelmaestroquedaradefinidoporel nmero de elementos a actuar por el mismo. Figura 8. Rel Maestro - Matrices de programacin de actuaciones:Se componen de una serie de barras verticales a cada una de las cuales se asigna una proteccin,ydeunasbarrashorizontalesquetienenasignadasunaaccincadauna, mediante un contacto. Las barras estn unidas a travs de diodos para evitar retornos deloscanaleshorizontalesalosverticales.Lasbarrasverticalesseasociana sealizaciones para saber que la proteccin ha actuado. Caractersticas de un sistema de protecciones26 Figura 9. Matriz de programacin de disparos Sus principales ventajas son: - Simplifican el cableado - Evitan elementos intermedios - Son fciles de modificar y variar la programacin. 2Proteccin del generadorProteccin del generador28 2 Proteccin de generadores Enunsistemaelctrico,losgruposgeneradoresconstituyenunelemento claramentediferenciadodelrestodeequiposqueformanelsistema.Anteuna situacindeperturbacinprovocadaporcausas diversas,losgruposgeneradoreshan de mantenerse en servicio, siempre que sea posible, para evitar mayores consecuencias paraelsistema.Estonoseconsiguesiempredebidoprincipalmentealaslimitaciones elctricas,mecnicasytrmicastantodelaturbinacomodelalternadorodelos serviciosauxiliaresdelacentral,frenteaunassolicitacionesdemasiadoseveras impuestas por propia avera. Porotraparte,losalternadoresalsermaquinasrotativas,sevenafectadospor las perturbaciones de la red de forma muy distinta al resto de los equipos no rotativos. Tambinpuedenproducirseaverasinternasensusarrollamientosrotricoy estatrico, que pueden ser muy dainas para la maquina. La deteccin de este tipo de faltas precisa en ocasiones de sistemas de cierta sofisticacin. El sistema de proteccin de un grupo generador debe disearse en consonancia con su potencia nominal. Conforme aumenta la potencia de las maquinas, aumenta los requerimientoscualitativossobresussistemadeproteccin,hacindoseestos, normalmente mas complejos. El nivel de proteccin que se les da a los generadores vara segn la filosofa del fabricante.Esimportantemencionarquetantoelcostodelosgeneradorescomoelde laspuestasfueradeservicio,songeneralmentemuyaltos,porloquesenecesita protegercorrectamenteestetipodemquinas.Porotrolado,aumentardemasiadoel nmero de protecciones incrementa la probabilidad de salidas de servicio no deseadas, locualmuestraquesololaexperienciapuedeindicarelgradodeproteccinms optimizado. Lossistemasdeproteccinsontambin dependientesdelaformadeconexin delgeneradoralared.Encentralesconvariosgeneradorescomoeselcasodela central de Ceuta, es relativamente frecuente encontrarse con los generadores operando, Proteccin del generador29 atravsdelinterruptor,sobreunasbarrasatensindegeneracin,desdelasquese conectan los transformadores elevadores. 2.1 Regulacin y funcionamiento generador. Maniobra de acoplamiento Condiciones iniciales - Maquina de parada0 = w- Interruptor de campo abierto,0 =excU ,0 =genU . - Interruptor de grupo abierto,0 = I , P=0, Q=0 Maniobra 1.- Admisin turbina %D [RT]nomw w =2.- Excitacin, Interruptor de campoexcU , genU . 3.- SincronizacinredU , redfCierre interruptor grupoI=0, P=0, Q=0 4. - Reg. CargaI, P, Q. Maniobra de desacoplamiento Maniobra 1.- Bajar CargaI=0, P=0, Q=0 2 Abrir interruptor grupoI=0, genU , redfw 3.- Desexcitacin, abrir interruptor de campo 0 =excU ,0 =genU , w Proteccin del generador30 4.- Parada mquinaw=0 2.2 Defectos en el generador. En el presente proyecto el generador se proteger para las siguientes faltas, faltas a tierra en el estator, faltas a tierra en el rotor, faltas entre fases, sobrecargas en el rotor y enelestator,cargadesequilibrada,sobretensiones,prdidadeexcitacin,retornode enrga, sobrefrecuencia y subfrecuencia, corrientes en el eje, fallo de interrutor, prdida desincronismoydesequilibriodetensiones.Dichasfaltassedesarrollanmas concretamenteacontinuacinindicandoademaselaparatoencargadodeprotegeral sistema de dichas faltas. 2.3 Descripcindelosequiposdeproteccinutilizadosparalaproteccindel generador. 2.3.1 Faltas a tierra en el estator (F11). Apesardelasmejorasintroducidasenlaelaboracindeaislamientosdelas maquinaselctricas,elcontactocontierrasiguesiendounadelasaverasmas frecuentes.Loscontactosentreespirasyentredevanadosseinician,enlamayorade loscasos,comoconsecuenciadeunapreviafaltaatierraenelestatorseguidadeuna segundafalta.Ademsestasfaltasseproducenatravsdelcircuitomagntico,que puede quedar seriamente daado por la circulacin de la intensidad de falta. Por estas razones debe intentarse detectar las faltas a tierra en el 100% del devanado estatrico,limitarlasintensidadesdefaltaparaevitardaosenlachapamagnticae insensibilizar la proteccin frente a tierra de la red exterior. Elsistemadegeneracinpresentaunaparticularidad,consistenteenqueel transformador de acoplamiento a red se conecta en triangulo-estrella con neutro y esto supone el aislamiento del sistema homopolar del grupo respecto del lado de red. Esta caractersticaesimportanteporqueimplicaunaselectividadintrnsecadelsistemade generacin frente a las faltas a tierra que tiene lugar fuera de l. La problemtica ligada a las faltas a tierra en el estator se estudia atendiendo a dos factores fundamentalmente: Proteccin del generador31 - La intensidad de falta. -Lassobretensionesqueaparecenenlosarrollamientosestatricosa consecuencia de la falta. Encuantoalaintensidaddefalta,estudiosexperimentalesponendemanifiestola relacinentrelaimportanciadelosdaosocasionadosalamquinaylamagnitudy duracindedichafalta,sueleseraconsejablelimitarelvalordelaintensidaddefalta por debajo de 20 A. Figura 10.Relacin intensidad de Falta daos provocados a la mquina Porotroladolassobretensionesqueaparecenseproducendebidoadoscausas principalmente: Una sobretensin permanente, que se produce al poner una fase a tierra puesto que las otras dos fases sanas se ponen a tensin compuesta. Proteccin del generador32 Losarrollamientosdelosalternadoressoncircuitosinductivosy,portanto,la variacinsbitadeintensidadenelinstantequetienelugarlafaltaatierraproducen sobretensiones transitorias de pico que se suman a la tensin compuesta. El valor de la intensidad de falta y las sobretensiones dependen, en gran proporcin, del modo de puesta a tierra del generador. En principio, el objetivo de la puesta a tierra delosgeneradoresesconseguirunaproteccinadicionaldelalternadory,portanto, delsistemaelctrico,sinintroducirconelloriesgosdesproporcionados.Todosistema de puesta a tierra debe cumplir las siguientes condiciones bsicas: - Disponer una forma rpida, segura y fiable de detectar una falta a tierra en el sistema de generacin. - Evitar sobretensiones que pueden daar el aislamiento de la mquina. - Reducir las corrientes de falta a valores no destructivos. En el modelo de puesta a tierra elegido para el generador de la central diesel es una puestaatierramediantetransformadordepotencia,deestemodoseevitanutilizar resistencias hmica de valores elevados y aislada para la tensin de fase del generador. Lasventajasquepodemosobtenermedianteestemododepuestaatierrasonlas siguientes: - El valor hmico de la resistencia es menor porque el transformador sirve de amplificadordedichovalorproporcionalmentealcuadradodesurelacinde transformacin. - El propio transformador proporciona el aislamiento de la resistencia. - Se consigue una mayor facilidad para la medida de la tensin en el neutro. -Elsistemaesmejortambindesdeelpuntodevistaeconmicoyaquela fabricacinderesistenciasconniveldeaislamientoera,hastatiemposrecientes,poco habitualyesorepercutaensucoste.Porelcontrario,eltransformadordepotencia necesarioesigualalosquesesueleutilizarendistribucin(15,8kV./220V),yse fabrican en mayor serie. Proteccin del generador33 Para la proteccin contra este tipo de faltas utilizaremos un rel de mxima tensin, quemidelatensinhomopolarenelneutrodelamquina.Alproducirselafalta circulaunaintensidadporelneutroyseelevalatensindeesterespectodetierra, utilizndoseestatensinparadetectarlafaltaatierra.Ademssesueleutilizarcon filtrodeltercerarmnicoparaevitarqueelrelseasensibleatensionesdeesta frecuencia. Latensindelneutrocuandoseproduceunafaltaatierraesproporcionalal nmerodeespirasdelasbobinasdelafaserespectoalneutrodesdelepuntodel devanadodondeocurrelafalta.Lamximatensinserparafaltasen bornesofuera delestator,mientrasquesiseproduceenlasproximidadesdelneutrolatensines prcticamentenula.Ademssepuedenproducirpequeosdesequilibriosenlas tensionesdegeneracinqueprovocaranlaaparicindetensinhomopolarenel neutro, an cuando no se ha producido una falta real. Para conseguir proteger el 100% delarrollamiento,elajustedelreldeberaser muybajoyportanto,podraprovocar disparos intempestivos, por ello el ajuste del mismo se realiza al 95% del arrollamiento estatrico, contando a partir de las bornas de salida a lnea, del alternador. El aislamiento galvnico entre el lado de alta tensin y el lado de generacin evitar laaparicindetensioneshomopolaresenelladodegeneracinparafaltasenellado dealtatensindemodopermanente.Transitoriamenteydebidoalacoplamiento capacitivoentreambosarrollamientosdeltransformador,aparecentensiones homopolares.Lacapacidadexistenteentreambosdevanadosdeltransformador, permiteenestasituacinlaaparicindeunacomponentehomopolarenelladode generacin.Laduracindeestetransitoriodependedelvalordelasconstantesde tiempo de los elementos del circuito, y ser necesario temporizar el rel para evitar que acte como consecuencia de este fenmeno. 2.3.2 Faltas a tierra en el rotor (F14) . Elarrollamientodecampoesuncircuitoalimentadoencorrientecontinuasin puestaatierra,portanto,siexisteunpuntodestequeseponeatierranoocurrir nada,yaquenohaycaminoparalacirculacindelacorrientedefalta.Encambio,si sondoslospuntosdepuestaatierrasecortocircuitarpartedelarrollamiento, circulando una intensidad de falta, y aparte de los daos que produce la intensidad de Proteccin del generador34 falta,mecnicamentesecreaundesequilibriomagnticoquepuedehacervibrarla mquina. Laprobabilidaddequeocurraunadoblefaltaatierrasimultneaenelrotores pequea,perolaposibilidaddequeocurraunasegundafaltadespusdequehaya tenido lugar la primera, si esta no ha sido detectada, es muy probable y los daos que puede ocasionar son importantes. Existen varios mtodos para detectar la aparicin de un punto de contacto con tierra enelarrollamiento,todosellosbasadosenelhechodequeantesdeaparecerlafalta existe una capacidad entre el rotor y tierra que se anula al aparecer el defecto. En el caso que nos ocupa el mtodo utilizado para la deteccin de este tipo de faltas eseldereldecorrientecontinua,elcual consisteenquelafuentealternaauxiliarse rectificayelpositivodelatensinrectificadaseconectaalpolonegativodela excitacinmedianteunaresistencialimitadoraR.Elnegativodelatensinrectificada se conecta a tierra a travs del rel 64. Encondicionesnormalesdefuncionamiento,lacorrientequecirculaporelreles muypequeayproporcionalalgradodeaislamientodelarrollamiento,perocuando ocurre la falta el aumento de la corriente har actuar el rel 64. Figura 11. Rel corriente continua 64 Proteccin del generador35 2.3.3 Faltas entre fases (F10 y F11). Lasfaltasentrefasesdelestatorsondecarctergrave,yaquepuedenprovocar daos serios en aislamientos, arrollamientos y chapa magntica del estator y esfuerzos mecnicos de torsin en el rotor. Senecesitaunsistemadeproteccin queseamuyselectivodadoqueelsistemade generacin no tiene zonas definidas de por s contra faltas entre fases, como ocurre en elcasode lasfaltas atierra.Ademsdebesermuyrpido,yaquelasintensidadesde faltasonbastanteelevadasporquenohayimpedanciasadicionalesquelaslimiteny conviene despejarlas cuanto antes. Dada la importancia de estas faltas se dispondr en general de una proteccin primaria (con redundancia o no) y otra de reserva. La proteccin primaria que se utiliza son los rels diferenciales de alta velocidad. Laintensidaddefaltallevaasociadaunacomponentecontinuaquepuedesaturar lostransformadoresdeintensidad,introduciendoerroresenlamedida.Silafaltaes interna, los errores no afectan porque la intensidad es suficientemente grande para que laproteccinacte.Lasfaltasexternas,tericamentedeberanproducirunacorriente diferencial nula. Debido a los errores de medida de los transformadores de intensidad yprincipalmentedebidoalosfenmenosdesaturacin,seproducenenlaprctica corrientesdiferencialesquepuedensermayoresqueelumbraldeajustedelrely hacerloactuar.Paraevitaresteproblemaseutilizanrelsdiferencialesdependiente porcentualquesonmuysensiblesaintensidadesdbilesypocosensiblesa intensidades grandes. Proteccin del generador36 Figura 12. Esquema proteccin diferencial 87G Figura 13. Caracterstica actuacin proteccin diferencial Lafiguraanteriormuestralascaractersticasdeactuacinparaelcasodeunvalor diferencialdetransformador.Enlosgeneradoresseutilizancurvassimilaresperoel valor de g es inferior, normalmente entre el 5% y 10% de la intensidad nominal, y no se requierenpendientesdefrenadotanfuertes.Seutilizancaractersticasquebradas porquelosparavaloresdeintensidadprximosalanominallostransformadoresde intensidadnosesaturan,mientrasqueparavaloressuperioressevaaumentandola pendiente, es decir, insensibilizando el rel. Proteccin del generador37 Siempreconvienequelostransformadoresdeintensidadseanidnticos,como ocurre en nuestro caso y podemos apreciar en el unifilar de la instalacin, lo que si es realmenteimposiblees queapesardetener las mismasrelacindetransformacines que ambos transformadores saturen a la vez. Como protecciones de reserva utilizaremos varios sistemas como: - Rel de sobreintensidad. - Rel de mnima impedancia. Laproteccindesobreintensidadsecolocaenelneutrodelamquina,porque interesamedirlaaportacindelgeneradoralafaltaynoladelared.Noesuna proteccinselectiva,velasfaltasencualquierparte.Esunaproteccintemporizaday que en nuestro caso existir tanto de tiempo inverso como instantnea para corrientes muy elevadas. Laprincipalventajadelaproteccindesobreintensidadessusencillez,pero presenta un inconveniente en el caso de las mquinas autoexcitadas en el que hubiera sido necesario un rel de sobreintensidad con memoria de tensin. Por otro lado, la proteccin de mnima impedancia es mucho mas selectiva y rpida, y por tanto, como la intensidad no tiene tiempo de recaer, no presenta el inconveniente delasmaquinasautoexcitadasquesepresentabaparaelcasoanterior.Estetipode proteccin de reserva, se encarga de evaluar la impedancia de la lnea entre dos puntos y si esta cae por debajo del ajustado significa que existe una falta ya que IUZ =Si IZ y nos encontramos en falta. El temporizado de esta proteccin no hay que coordinarlo con las protecciones externas, sino solamente con las de la propia central. Proteccin del generador38 2.3.4 Sobrecargas en estator y rotor (F10 y F11). Una situacin de sobrecarga es aquella en que existe un rgimen de carga superior al nomina, no provocado por un cortocircuito. Esta sobrecarga estar motivada no solo porqueelalternadorestsuministrandolamximapotenciaactivaquelepermitesu accionamiento(yaqueelalternadorestsuficientementedimensionadoparahacerlo) sinoporqueademsestconsumiendoogenerandounacantidadmuyimportantede potencia reactiva. Un alternador puede sufrir daos serios en el estator por efectos trmicos debidos a intensidadeselevadasdurantetiemposcortos,oaintensidadessuperioresala nominal, funcionando en rgimen permanente. Sedefinenengeneraltreszonasdelmargendetemperaturasenelquepuede funcionar un alternador: -Funcionamientonominal:Enunrgimendecorrientesigualomenorala nominal. -Sobrecargaadmisibleenrgimenpermanente:Enesterangoseproducen temperaturasnopeligrosasparaelalternador,peroquenodebeserutilizadoenla explotacinnormalyaqueacortalavidadelalternadorporenvejecimientodelos compuestos aislantes. - Sobrecarga transitoria: An sobrepasando el valor lmite de la intensidad que paratiemposlargosdaralugaratemperaturasinadmisibles,silasobrecargase produce durante un corto periodo, no se llegan a temperaturas peligrosas. Figura 14. Variaciones temperatura en funcin de la carga Proteccin del generador39 Paraprotegerelalternadorcontralassobrecargasexistendistintosmtodos,el utilizado por la REG316*4 es el de imagen trmica, estoes que se construye un modelo conlamismaconstantedecalentamientoqueelgenerador,conunelementoquese alimenta con la intensidad del generador. Se mide la temperatura en el modelo que se ha construido de forma que sea uniforme en l. Figura 15.Caracterstica de rel de imagen trmica 2.3.5 Carga desequilibrada (F10 y F11). Lasintensidadesdesequilibradasenunalternadorpuedenaparecerpordiversas causas, entre las cuales podemos sealar: - Asimetras de reactancias en el sistema de transporte - Cargas desequilibradas. - Faltas desequilibradas. - Fases abiertas, por aperturas de conexiones. Lasintensidadesinversasdeladescomposicinencomponentessimtricasdel sistemadesequilibrado,inducenintensidadesdefrecuenciadobleenelrotor.Estas corrientes inducidas provocan prdidas que, por efecto Joule, calientan el rotor en poco tiempo. Proteccin del generador40 Adems del problema trmico, otro de los problemas que conlleva este tipo de fallos eseldevibracionesenelconjuntorotrico,debidosalcampomagnticogiratoriode 100Hz.Producidoporelsistemainverso.Alserlasfrecuenciaspropiasprximasa estafrecuencia,lasamplitudesdevibracinpuedensergrandesymuypeligrosas, provocando la aparicin de grietas por fatiga. Por tanto a la hora de realizar el ajuste de estaproteccinvamosquetenerencuentalaposibleaparicindeestefenmeno, adems del lmite trmico impuesto por el fabricante. El sistema de proteccin empleado por la REG 316*4 contra este tipo de faltas es, un rel de sobreintensidad temporizado con escalones discretos, el cual habr que ajustar siguiendodeterminadasespecificaciones.Estetipoderel,midelaintensidadde secuencianegativaydisponededosescalonesdetemporizacin.Elprimeroajustado al valor de la intensidad mxima de secuencia inversa en rgimen permanente, actuar dandoalarmaparaqueeloperadorpuedabajarlacargaycorregireldefecto.El segundotemporizadomascorto,estarajustadoaunvalormayordeintensidad inversa y su actuacin provocar el disparo de las protecciones. Figura 16. Escalones discretos 2.3.6 Sobretensiones (F10 y F11). Dossonlostiposdesobretensionesquepuedenafectaralfuncionamientonormal del alternador: Proteccin del generador41 - Sobretensiones transitorias. Son tensiones transitorias rpidas. Pueden ser: - Sobretensiones de maniobra. - Sobretensiones de origen atmosfrico. -Defectosderegulacin.Sondeorigeninterno,producidasporun funcionamientoanmalodelreguladordetensinporaveraoporineficacia,opor falsamaniobradelmismoenmodomanual.Estefenmenoesmasimportanteen grupos hidrulicos que en trmicos. Enelsistemadeproteccionesparaestetipodefaltas,seutilizarnrelsde sobretensincondosescalonesdeactuacin.El primeroinstantneoyelsegundode tiempo fijo o definido segn se convenga. Estosrelsdebernmantenersuscaractersticasdeformainsensiblealvalordela frecuencia. 2.3.7 Prdida de excitacin (F10 y F11). La prdida de excitacin en los generadores puede producirse por diversos motivos: aperturaaccidentaldelinterruptordeexcitacin,falloenelsistemaderegulacin, prdidadelaalimentacindelaexcitacin,etc.Estasituacinpuedeprovocardaos serios en el alternador y en el sistema elctrico, en especial en aquellas condiciones de funcionamientoenlasqueelalternadorseencontrabatrabajandoaplenacargaantes de producirse el defecto. Al perder excitacin, el grupo generador consume potencia reactiva de la red, para absorber de sta su excitacin, lo cual puede desestabilizarlo. La magnitud de potencia reactiva consumida esta prxima al valor de la potencia nominal de la mquina. Proteccin del generador42 Figura 17. Ejes P-Q subexcitacin y sobrexcitacin Ademsungrupoquehaperdidosuexcitacintiendeaembalarseyatrabajar asncronamente. Laproteccinmassencillacontraestetipodedefectoesunreldemnima intensidad en el rotor, pero en el caso de la REG 316*4, el tipo de proteccin empleado contraestetipodefaltas,esunrelsensiblealaumentodelacorrientereactiva potencia reactiva que consume el generador. Lomsprcticoesmedirlaimpedanciadelsistemaenbornasdelgenerador, detectando cuando la impedancia del sistema es tal que se est consumiendo reactiva, es decir, cuando el generador se comporta como una reactancia capacitiva. El rel de impedancia se ajusta siguiendo la siguiente caracterstica: Proteccin del generador43 Figura 18. Caracterstica prdida de excitacin Hacer notar que adems de por perdida de excitacin, el rel podra actuar en caso deoscilacionesdelapotenciadelamquina.Paraevitarestaactuacinincorrectase temporiza, de forma que le de tiempo a recaer en caso de una oscilacin. 2.3.8 Sobreexcitacin (F10 y F11). Estafaltaproduceenelgeneradorunexcesivoflujomagnticoquepodracausar daos a los ncleos de hierro de las mquinas. Para su proteccin, no mide el flujo directamente, sino que lo calcula por medio de la relacin U/f. La funcin 24 estincorporada en las protecciones F10 y F11. 2.3.9 Retorno de energa (F10 y F11). Laproteccincontraretornodeenergatienecomofinalidadsepararelgenerador delaredcuandofallesuenergamotriz,esdecir,cuandostepaseafuncionarcomo motor sncrono para mover la turbina. Estaproteccines,enrealidad,unaproteccindelaturbina,yaqueesestalaque puedeestarsometidaaesfuerzosanormalesdepresinenlosalabesbajoestas condiciones de funcionamiento, tales como calentamientos por ausencia de ventilacin, Proteccin del generador44 dilataciones e incluso rozamientos de la corona fija con la mvil, adems en el caso que nos encontramos de un generador diesel el peligro es an mayor, puesto que existe en casodefuncionamientoincorrectoynodispararanteestetipodefallos,elriesgode explosin del generador. Para proteger el generador ante este tipo de faltas, utilizamos un rel direccional de potencia, el cual debe ser muy sensible. Se ajusta a un valor inferior al correspondiente de la suma de las prdidas mecnicas y elctricas de la mquina, y poseer dos tipos de actuaciones diferentes: Actuacin rpida, condicionada al estado de cierre del distribuidor o inyector de la turbina. Actuacin lenta, con una temporizacin ms lenta que permite un cierto rgimen de oscilaciones de potencia y evita disparos intempestivos, como podra ocurrir durante el instante de sincronizacin de la mquina. Figura 19. Caracterstica potencia inversa 2.3.10 Sobrefrecuencia y subfrecuencia (F10 y F11). Esunaproteccindeusomuylimitadodadoquelasvariacionesdefrecuenciano sueledarsenormalmente,salvocuandoseproducendeslastresbruscosenloscuales Proteccin del generador45 lostransitoriospuedensermuyfuertes,comoporejemplo,enunaparadade emergencia en la cual no da tiempo a bajar carga. La proteccin de variacin de frecuencia de un generador no debe confundirse con la proteccin de sobrevelocidad que puede ser mecnica o elctrica. 2.3.11 Corrientes en el eje F10 y F11. La circulacin de corrientes en el eje de la mquina es un problema ligado al campo magntico que crea el rotor del alternador. En condiciones de funcionamiento ideales, estecampomagnticoesradial,ynoinducefuerzaselectromotricessobreeleje.Sin embargo, son muchas las causas que pueden producir un desequilibrio de este campo, comopuedensererroresconstructivos,magnetizacindelaturbinaporrozamiento, imantacin de los materiales, etc Como consecuencia de estos desequilibrios aparece una fuerza electromotriz inducida que provoca la circulacin de corrientes en el eje. El eje de la mquina se conecta a tierra generalmente por medio de una escobilla de puesta a tierra en la zona de acoplamiento turbina-alternador, mientras que el cojinete queestaalotroladodelrotorsedejaaislado.Encasodequetenganlugarlos desequilibriossealadosanteriormente,seproducelacirculacindecorrientes inducidas por el eje, que provocan un chisporroteo continuo en el material de friccin del cojinete, deteriorndolo en poco tiempo. 2.3.12 Fallo de interruptor (F10 y F11). Se considera fallo de un interruptor la no obediencia a la orden