tesis cogeneracion

8/14/2019 tesis cogeneracion

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DISEO Y CLCULO ELCTRICO DE UNAPLANTA DE COGENERACIN AL CAMP DE

TARRAGONA

TITULACIN:IngenieraTcnicaIndustrial en Electricidad

AUTOR: Eduardo Barbero.DIRECTOR: Sr. Llus Massagues.

FECHA:Mayo del 2012


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DISEO Y CLCULO ELCTRICO DE UNA PLANTA DE COGENERACIN AL CAMP DE TARRAGONA

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1. NDICE. 3

2. MEMORIA DESCRIPTIVA. .... 6

2.1 Hoja de identificacin....... 72.2 Antecedentes.... 82.3 Situacin y emplazamiento... 92.4 Justificacin de la unidad de cogeneracin 102.5 Descripcin general del proceso de cogeneracin..... 112.5.1 Caractersticas de la turbina de gas...... 172.5.2 Caractersticas del alternador....... 192.5.3 Caractersticas caldera recuperacin de calor...... 202.5.4 Caractersticas tcnicas motor de arranque de la turbina..... 22

2.6 Descripcin proceso de cogeneracin........ 232.7 Control y protecciones....... 252.7.1 Protecciones elctricas del alternador...... 27

2.7.1.1 Las protecciones de apoyo........... 292.7.1.2 Proteccin de generador y transformador........ 30

2.7.1.2.1.1 Proteccin contra fallos entre fases.... 302.7.1.2.1.2 Proteccin contra desequilibrios.... 302.7.1.2.1.3 Proteccin contra retorno de potencia.... 312.7.1.2.1.4 Proteccin contra fallos a tierra..... 312.7.1.2.1.5 Proteccin contra prdida de excitacin.... 112.7.1.2.1.6 Proteccin contra sobretensiones... 322.7.1.2.1.7 Proteccin diferencial del transformador... 322.8 Canalizaciones de cables... 35

2.8.1 Zanjas... 352.8.2 Tubos.... 362.8.3 Cable 15 KV..... 372.8.4 Cable 66 KV..... 38

3. MEMORIA DE CLCULO.... 39

3.1 Clculos de las protecciones ajustes de cada rel y coordinacin..... 403.1.1 Rel 32 Direccionalidad de potencia... 403.1.2 Rel 46 Desequilibrio o inversin de fases estator.. 443.1.3 Rel 87G Diferencial del generador..... 523.1.4 Rel 64G Proteccin de fase a tierra generador... 563.1.5 Rel 64B Proteccin falta a tierra cables y transformador... 593.1.6 Rel 59G1 Proteccin sobretensin del generador.. 633.1.7 Rel 59G2 Proteccin sobretensin del generador.. 663.1.8 Rel 40 Rel de prdida de excitacin..... 693.1.9 Rel 27 Rel de mnima impedancia o falta de tensin (subtensin) . 74

3.1.10 Rel 21 Mnima impedancia.... 773.1.11 Rel 64T Circulacin por cuba transformador..... 81


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3.1.12 Rel 51G Proteccin sobreintensidad generador..... 853.1.13 Rel 87T Diferencial del transformador.. 903.1.14 Rel 87B Diferencial del transformador.. 953.1.15 Rel 64F Falta a tierra Rotor.. 1003.1.16 Rel 64TN Circulacin por neutro de transformador.... 1033.2 Clculos de cables.... 1053.2.1 Clculo de cable 15KV.. 106

3.2.1.1 Seccin mnima por intensidad cortocircuito..... 1063.2.1.2 Comprobacin por intensidad de la seccin elegida.. 1073.2.1.3 Comprobacin por cada de tensin de la seccin elegida..... 1083.2.1.4 Comprobacin de la seccin de la pantalla metlica..... 109

4. PLANOS.. 110

4.1 Situacin.. 1114.2 Emplazamiento ... 1124.3 Emplazamiento Cogeneracin ....... 113 4.4 Esquema de la instalacin de Cogeneracin con turbina de gas ..... 114 4.5 Esquema unifilar de potencia ...... 115 4.6 Esquema multifilar protecciones grupo cogeneracin..... 116 4.7 Esquema multifilar de potencia ....... 117 4.8 Esquema multifilar de protecciones y ajustes. .... 118

5. PRESUPUESTO.... 119

5.1 Cuadro de Descompuestos... 1205.2 Resumen del presupuesto..... 125

6. PLIEGOS DE CONDICIONES... 126

6.1 Normas legales y reglamentos aplicables a las especificaciones tcnicas.....127


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7. ANEXOS.... 130

7.1 Decreto 19384/ 5 setiembre 1985

7.2 Rel LGPG 1117.3 Rel sobreintensidad

7.4 Funciones de los dispositivos7.5 Excitacin


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2. MEMORIA DESCRIPTIVA

TITULACIN:Ingeniera tcnica industrial especialidad electricidad

AUTOR: Eduardo Barbero.DIRECTOR: Sr. Llus Massagues.

FECHA: 1 / 02/ 2012


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2.1 HOJA IDENTIFICACIN

Titulo del proyecto:Diseo y clculo elctrico de una planta de cogeneracin alCamp de Tarragona

Encargado por:REPSOL PETROLEO SA.

Autor del proyecto:Eduardo Barbero Espinosa, estudiante de ingeniera tcnicaindustrial especialidad electricidad con DNI 39923649-L; con direccin profesionalAvinguda del Casteller n32 (Reus), tlfno 650666584email: [email protected]

Direccin del proyecto: Dr. Lluis Massagues Vidal, tlfno: 977559695email: [email protected]

Fecha y firma:

1 / 02/ 2012


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2.2 ANTECEDENTES

El complejo industrial de REPSOL PETROLEO SA. se encuentra en los trminosmunicipales de La Pobla de Mafumet y El Morell en la provincia de Tarragona.

REPSOL PETRLEO tiene el objetivo de transformar el petrleo en sus derivadoscomo por ejemplo gasolina, gasoil, nafta, etileno, etc.

Este complejo industrial dispone de dos unidades de cogeneracin y en este proyectonos centraremos en la unidad de cogeneracin n2.

En el Complejo Industrial de REPSOL PETROLEO SA. se compraba electricidad enlos aos 80 a la red elctrica de FECSA- ENDESA y se produca vapor (109,8 Tm/h a 40Kg/cm).

Las calderas funcionaban con combustible fuel-oil y la empresa REPSOLPETROLEO SA. para poder mejorar su rendimiento energtico y conseguir un importanteahorro econmico (ver apartado 2.4) construy dos unidades de cogeneracinconstituidas por turbina de gas, caldera de recuperacin, alternador, transformador y losservicios auxiliares.

El alternador accionado por la turbina de gas tiene las siguientes caractersticas:

Potencia nominal: 53,1 MVAFactor Potencia: 0,9Tensin nominal: 11 KV 10%Intensidad nominal: 2780 A

La energa generada es transformada mediante un generador de 50/60 MVAONAN/ONAF a 11/66 KV para su conexin a la red de 66 KV.

La conexin se realizar por medio de cables aislados 36/66 KV de 4 (1 x 500 mmAl).


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2.3 SITUACIN Y EMPLAZAMIENTO

El complejo industrial de REPSOL PETROLEO SA. se encuentra en los trminos

municipales de La Pobla de Mafumet y El MORELL en la provincia de Tarragona.

Las vas principales de comunicacin ms importantes del complejo desdeTarragona son la carretera Nacional 240 y la autopista AP-7. Para acceder al complejoindustrial se tendr que utilizar la carretera T-721.

En el plano n1 podr consultar la situacin del complejo y en el plano n2 elemplazamiento.

En los planos n 3 y n4 podr ver el emplazamiento de la unidad de cogeneracindentro del complejo industrial.


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2.4 JUSTIFICACIN DE LA UNIDAD DE COGENERACIN

REPSOL PETRLEO tiene el objetivo de transformar el petrleo en sus derivados

como por ejemplo gasolina, gasoil, nafta, etileno, etc.

La transformacin del petrleo en sus derivados se consigue mediante la aportacinde calor en forma de vapor. Este sistema fue implantado en los aos 70, y se produca elcalor mediante calderas de gas.

Con la implantacin de una planta de cogeneracin se pretende introducir en lascalderas de gas, el vapor producido en la planta de cogeneracin-

Por este motivo, se tiene que dimensionar la turbina para producir el vapor y laenerga necesaria suficiente para poder arrastrar el generador elctrico.

Con la instalacin de las unidades de cogeneracin se consigue:

Reducir el coste de operacin al reducir el coste de la energa elctrica consumidapor REPSOL PETRLEO SA.

Mejorar el rendimiento energtico Reducir el impacto ambiental.


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2.5 DESCRIPCIN GENERAL DEL PROCESO DECOGENERACIN

El sistema de cogeneracin est principalmente compuesto por una turbina de gascon su alternador y una caldera de recuperacin de calor de los gases de escape de laturbina.

La turbina realiza dos funciones: Producir energa elctrica a travs del alternador que arrastre Ceder a la caldera de recuperacin de calor los gases de escape de alta temperatura.

La turbina se alimentar con gas natural con una presin de 23 Kg/ cm y la calderade recuperacin de calor producir vapor de media y alta presin.

Los gases calientes tras la combustin se expanden en la turbina que arrastra algenerador elctrico, enfrindose hasta una temperatura de 542 C, y son conducidos hastala caldera de recuperacin de calor donde son expulsados a la atmsfera a una temperaturade 187 C.

La planta de cogeneracin permite al Complejo Industrial de REPSOL PETROLEOSA. operar en modo isla. El modo isla consiste en que el complejo industrial no recibeninguna corriente elctrica de las lneas de alta tensin de FECSA-ENDESA y toda laelectricidad que necesita el complejo se produce en las dos plantas de cogeneracin con lasque cuenta el complejo.

En modo isla los interruptores de lnea estarn abiertos.

Si se produce un corte elctrico o alguna perturbacin en las lneas elctricas deFECSA-ENDESA el complejo pasara a funcionar el modo isla permitiendo el correctofuncionamiento de las instalaciones sin recibir electricidad del exterior del complejo.


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Figura 1 Esquema Planta de Cogeneracin con turbina gas


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Como el complejo industrial funciona las 24h del da, habitualmente las unidades decogeneracin funcionan en paralelo con la red elctrica durante las horas punta deconsumo elctrico y en cambio el complejo industrial funcionar conectado a la redelctrica de FECSA-ENDESA durante las horas valle.

Con esta medida se puede conseguir un importante ahorro econmico a la empresadebido a que el precio de la electricidad en las horas valle es muy inferior al precio de laelectricidad en las horas punta (ver Fig. 2).


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Figura 2 Precio medio del mercado elctrico


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DISEO Y CLCULO EL CTRICO D

Demanda elctrica en el Es

Figura 3 Curvas de

E UNA PLANTA DE COGENERACI N AL CAMP DE TARRA

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tado Espaol segn Red Elctrica de Espaa

arga de potencia media horaria

GONA

(REE):


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2.5.1 Caractersticas de la turbina de gas

La turbina de gas es del modelo PG 6541 (B) de EGT-GEC ALSTHOM depotencia 185.000 W y que gira a una velocidad de 5114 rpm.

Temperatura mxima: 1106CVelocidad mxima en el extremo: 438 m/s

El grupo turbina de gas consta de:

Compresor con labes de entrada variable y adaptado para lavado (off-line online) Turbina de gas tipo Heavy Duty Sistema de adaptacin para inyeccin de vapor (aumento de potencia) Sistema de combustin para gas natural, gas de refinera, destilado ligero y pesado Dos detectores de gas Sistema deteccin incendios

La potencia generada por la turbina depende de las condiciones ambientales y de lacarga a la que est trabajando. La carga habitual de trabajo ser la carga base,aunque puede operar a cualquier carga por debajo de esta e incluso por encima desta, en carga pico y durante periodos cortos.

En operacin normal de la planta no se realizar inyeccin de vapor, pero si eloperador lo desea puede inyectar vapor a 19 1kg/cm y 260 8C procedente dela caldera de recuperacin de calor. El objeto de sta inyeccin de vapor es elaumento de la potencia generada por la turbina, logrndose como efecto adicionaluna reduccin en la emisin de NOx.

La turbina de gas requiere de una fuente externa de energa elctrica para arrancar.Para arrancar la unidad de cogeneracin se puede utilizar tanto la red elctrica deFECSA-ENDESA como el sistema elctrico de emergencia del polgono formadopor generadores diesel.

Este sistema es usado para alimentar el motor de arranque y los dems sistemasauxiliares de la turbina. Una vez la turbina de gas est en servicio, todos losconsumos propios del paquete turbina, proceden del alternador de la turbina de gastras pasar por el trasformador de auxiliares.

Durante el arranque, aumento de carga y operacin normal, los sistemas de laturbina de gas son controlados por el centro de control de la turbina, que ser unSPEEDTRONIC MARK V.


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Las entradas y los ajustes de valores de referencia del operador podrn introducirseen el MARK V por medio de rdenes dadas en la cabina de control local de laturbina de gas o por medio de pulsadores dedicados para las seales principales enla sala de control.

La mezcla o cambio de combustible no afecta al funcionamiento de la turbina degas siempre que la velocidad de variacin del ndice de Wobbe sea inferior o iguala 0,3% por segundo.

El control del sistema de inyeccin de vapor antes mencionado est incorporado enel Mark V y puede ser ajustado o puesto en fuera de servicio desde la cabina decontrol local o desde la sala de control de la planta.

El aire que llega al compresor de la turbina ha de haber sido filtrado previamentepor un filtro (modelo GDX DONALDSON).

Figura 4 Rendimiento de una turbina de gas

Relacin Potencia elctrica/trmica: 0,5-0,8Rendimiento elctrico: 25-40%Rendimiento trmico: 40-60%Combustible: gas natural, lquidos ligeros


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2.5.2 Caractersticas del alternador

El alternador accionado por la turbina de gas tiene las siguientes caractersticas:

Potencia nominal: 53,1 MVAFactor Potencia: 0,9Tensin nominal: 11 KV 10%Intensidad nominal: 2780 AVelocidad: 3000 rpm.Peso total aproximado: 92200 Kg

La energa generada es transformada mediante un generador de 50/60 MVAONAN/ONAF a 11/66 KV para su conexin a la red de 66 KV.

Ver ANEXO para ms informacin sobre la excitacin del alternador.


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2.5.3 Caractersticas caldera de recuperacin de calor

La caldera de recuperacin de calor de los gases de escape de la turbina de gas esuna unidad horizontal de construccin modular y circulacin natural (no requiere deninguna bomba para conseguir la circulacin de los gases) que dispone de un quemadorpostcombustin de gas natural (ver plano n4) y est prevista para una instalacin a laintemperie.

Las condiciones de la salida del vapor generado en esta caldera son:

Vapor de alta presin: 40 kg/cm 390C

Vapor de media presin a suministrar a la turbina de gas: 20 Kg/cm 260CVapor de media presin a suministrar a la red de la refinera: 16 Kg/cm 235C

El equipo de recuperacin de calor propuesto est diseado para recuperar el calorsensible de los gases de escape de una turbina de gas de aproximadamente 38 MWelctricos para producir vapor a dos niveles de presin.

Los gases de escape de la turbina sern llevados a travs de un conducto hasta lacaldera de recuperacin, en donde cedern su calor en las diversas secciones deintercambio de las que est constituida, para producir vapor tras lo que son enviados a laatmsfera a travs de una chimenea.

Con el fin de adecuar la produccin de vapor de la unidad a los requerimientosestablecidos, se instalar en el conducto de paso de gases de turbina a caldera, unquemador de postcombustin en el conducto, que permita elevar la temperatura de losgases hasta el valor deseado.

Este quemador aprovechara el contenido en oxgeno de los gases de escape de laturbina, aunque puede requerir en algn caso puntual del aporte de aire exterior.

La instalacin est diseada para funcionar con un sistema de aire ambiente.

Para ello la potencia del quemador ha sido aumentada en relacin a la necesaria deno haberse contemplado este requerimiento, ya que en este modo de funcionamiento no secuenta con la aportacin trmica de la turbina.


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Para este modo de operacin se instalar un ventilador de aire ambiente que introducir uncaudal de aire ambiente similar al flujo de gases de la turbina cuando sta se encuentra ensu carga base.

La produccin mxima de vapor en operacin normal, es decir turbina con cargabase y caldera funcionando sin postcombustin, ser de 70Tm/h a 40kg/cm y 390C y 6,1Tm/h a 16kg/cm y 235C.

El combustible a emplear en postcombustin ser gas natural con presin dealimentacin de unos 3,5kg/cm.


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2.5.4 Caractersticas tcnicas del motor de arranque de la turbina

Potencia nominal: 450 KWTensin Nominal 6 KVFrecuencia: 50 HzVelocidad: 3000 rpmCos PHI: 0,9Rendimiento: 91,8 %Par nominal: 2,35 NmPar arranque: 0,85 Nm


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2.6 DESCRIPCIN DEL PROCESO DE COGENERACIN

La cogeneracin es un sistema alternativo, de alta eficiencia energtica, que permite

reducir de forma importante la factura energtica de ciertas empresas, sin alterar su procesoproductivo.(Ver Plano n5)

Se define la cogeneracin como la produccin conjunta, por el propio usuario, deelectricidad o energa mecnica y energa trmica til.

Este aprovechamiento simultneo del calor, que conlleva un rendimiento global mselevado, es lo que la distingue de la autogeneracin, en la cual no hay aprovechamientotrmico como efecto til secundario.

Un compresor alimenta aire a alta presin a una cmara de combustin en la que seinyecta el combustible, que al quemarse generar gases a alta temperatura y presin, que asu vez, alimentan a la turbina donde se expanden generando energa mecnica que setransforma en energa elctrica a travs de un generador acoplado a la flecha de la turbina.

Los gases de escape tienen una temperatura que va de 500 a 650 C. Estos gases sonrelativamente limpios y por lo tanto se pueden aplicar directamente a procesos de secado, opueden ser aprovechados para procesos de combustin posteriores, ya que tienen un

contenido de oxgeno de alrededor del 15%. Debido a su alta temperatura, estos gasessuelen ser empleados a su vez, para producir vapor, que se utiliza en los procesosindustriales e inclusive, como veremos ms adelante, para generar ms energa elctricapor medio de una turbina de vapor.

La cogeneracin con turbina de gas resulta muy adecuada para los procesos en losque se requiere una gran cantidad de energa trmica, o en relaciones de calor/electricidadmayores a 2. Esto quiere decir, que esta turbina resulta adecuada para procesos industrialesen los que se necesita el doble de energa en forma de calor que electricidad.


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Tabla 2 Datos de la cogeneracin en diferentes modos de funcionamiento


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2.7 CONTROL Y PROTECCIONES

En un sistema elctrico, los generadores constituyen un elemento claramentediferenciado del resto de equipos que constituyen el sistema. Obviamente, en caso de queel sistema este perturbado por cualquier causa (cortocircuito, perdida de estabilidad,descenso de frecuencia, etc.) los generadores han de mantenerse en servicio siempre quesea posible, en un intento de evitar un apagn general, que puede tener consecuenciasimportantes.

Esto no siempre es posible debido, principalmente, a sus limitaciones mecnicas ytrmicas-. Por otro lado, los generadores, como maquinas rotativas, padecen los disturbiosde la red de forma muy diferente a como los sufren el resto de equipos no rotativos.

Naturalmente tambin pueden producirse averas internas en los arrollamientosrotrico y estatrico. Algunas de estas averas, aunque de poca significacin en cuanto amagnitud, son muy dainas para la maquina. La deteccin de tales faltas internas precisade sistemas de proteccin de una cierta sofisticacin.

Los rels de proteccin no deben actuar durante el funcionamiento normal de lossistemas mientras que deben estar dispuestos a dominar de forma inmediata las situacionesanormales.

Cuando se produce una falta las intensidades generalmente aumentan y las tensionesdisminuyen. Adems de estos cambios una falta tambin puede provocar cambios enpotencia reactiva, en la potencia activa, en la frecuencia, y los armnicos, etc. Los relsbasados en estas perturbaciones deben detectar estas perturbaciones.

La informacin necesaria para detectar una falta la reciben a travs de lostransformadores de medida instalados en la instalacin a proteger. Esta informacin esrecibida por los rels, y en caso de ser necesario, transmitida a travs de unos contactos alos circuitos de disparos de los interruptores automticos.

Estos abren los circuitos de la instalacin a proteger, aislando los equipos y partes dela instalacin, cortando toda la alimentacin que pudieran recibir de cualquier fuente dealimentacin.

Todos los rels o equipos de proteccin tienen una parte que va acoplada a travs delos transformadores de medida y otra parte que va acoplada a los circuitos auxiliares dedisparo y control.


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Tericamente un sistema de proteccin debera ser capaz de responde a todas lasanormalidades del circuito protegido. En la prctica se debe disear una proteccinbasndose en los siguientes factores:

- Fiabilidad: grado de certeza de que el rel o sistema de rels funcionarcorrectamente.

- Economa: Se ha de conseguir la mxima proteccin posible al coste mnimo.Considerando el coste del equipo protegido, el coste del rel o sistemas de rels ytambin la importancia estratgica del equipo protegido, estos es, las consecuenciasdel fallo (perdidas produccin, energa no distribuida etc.)

- Selectividad: Interrelacin de rels e interruptores automticos, (o fusibles), de

modo que su actuacin en caso en caso de sobreintensidad deje un mnimo deabonados o cargas fuera de servicio.

- Velocidad: Se desea conseguir el mnimo tiempo en despejar la falta y reducir aslos desperfectos del material.

- Simplicidad: Realizacin de la proteccin con el mnimo de aparatos y cableadoposible.


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2.7.1 Protecciones elctricas del alternador

El alternador est protegido por los rels de proteccin del armario de control yproteccin del alternador (armario A 502). Las salidas de los rels estn conectadas a lamatriz de diodos para seleccionar las alarmas y las ordenes de disparo apropiadas.

La presencia de un fallo hace encender el piloto S4 del panel de mando del armario.Al pulsador S4 permite rearmar los rels de disparo.

El fallo de puesta a tierra del rotor es detectado en el armario de excitacin yregulacin del alternador (armario A 501) por el rel K91 que manda un electroimn. Elelectroimn aplica un contacto en el anillo del rotor durante 10 s El electroimn tambinpuede ser activado manualmente mediante un pulsador.

El armario A502 nos permitir:

- Recibir las informaciones lgicas y analgicas desde los captadores de la mquina.

- Visualizar los parmetros lgicos o analgicos

- Control y mando del generador

- Visualizar en el armario faltas y alarmas

- Detectar ordenes de disparo a los disyuntores o a la turbina


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Figura 5 Vista delantera Armario 502


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2.7.1.1 Las protecciones de apoyo

Las protecciones de apoyo se instalan para cubrir los posibles fallos en los propiosequipos de las protecciones primarias y, tambin, los posibles fallos en el interruptor. Todoesquema de proteccin de apoyo, debe de servir de apoyo tanto para el rel, como para elinterruptor o interruptores que acciona.

Las causas que pueden producir fallos en el rel son:

- Fallo en los circuitos de alimentacin de C.A. por defecto en los transformadoresde medida o en sus cables de conexin.

- Fallo en la fuente de alimentacin de los circuitos de disparo y control.

- Fallo en los dispositivos auxiliares

- Fallo en el propio rel.

Las causas que pueden contribuir al fallo de un interruptor son:

- Fallo en el circuito de disparo

- Bobina de disparo en cortocircuito o en circuito abierto

- Fallo mecnico en el dispositivo de disparo

- Fallo en los contactos principales del interruptor

La proteccin de apoyo ideal debe ser instalada de forma que cualquier elemento odispositivo que produzca, en un algn momento, un fallo en la proteccin primaria no seamotivo tambin de fallo en la proteccin de apoyo. Es por eso que, en casos muy

concretos, se pueden duplicar los circuitos de disparo, control y los transformadores demedida.

Una condicin bsica es que la proteccin de apoyo no opere hasta que la primariahaya tenido la oportunidad de hacerlo. Por ellos, siempre existe una demora asociada a laoperacin de las protecciones de apoyo. Cuando se produce un cortocircuito arrancan lasdos protecciones para operar, pero si la primaria despeja la falta, la de apoyo debereponerse antes de completar su ciclo de disparo. Si la falta no es despejada por laprimaria, al cabo de un cierto tiempo actuara la proteccin de apoyo, disparando losinterruptores necesarios para despejar la falta y aislar el elemento del sistema.


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2.7.1.2 Proteccin de generador y transformador

2.7.1.2 .1 Proteccin contra fallos entre fases

La proteccin contra fallos internos del generador, debe asegurarse en lo posible porun rel de proteccin diferencial.

En caso de fallo externo, los rels de sobreintensidad clsica pueden dar problemas ala hora de proteger el generador contra sobreintensidades.

En efecto, en el momento del cortocircuito la corriente del generador cambiarpidamente desde unos valores subtransitorios hasta unos valores permanentes, pasando

por el periodo transitorio. Si bien la corriente subtransitoria es muy elevada, de 5 a 10 In),la corriente permanente de cortocircuito puede llegar a ser inferior a la nominal de lamquina. Como los rels de sobreintensidad que estn en el alternador debern estartemporizados para poder coordinar con las protecciones aguas abajo, solamente vern lascorrientes permanentes.

Con lo cual la solucin idnea para poder proteger a los alternadores en estos casos,es poner rels de sobreintensidad. Estos rels desplazan su curva en funcin de la tensin.De esta forma se pueden detectar los cortocircuitos ya que la tensin en barras disminuir yel rel desplazara su curva.

2.7.1.2.2 Proteccin contra desequilibrios

Segn la teora de componentes simtricas, los desequilibrios producen corrientes denaturaleza inversa, que calientan anormalmente las maquinas.

Para proteger los generadores contra este tipo de fallo, conviene poner rels decorriente inversa que sigan:

K In Ii

=

2

Siendo K la constante de ajuste del rel e inferior a la constante k de la mquina.


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2.7.1.2 .3 Proteccin contra retorno de potencia

La proteccin contra retorno de potencia, o anti-motorizacin, ha de detectar unainversin del sentido de la potencia activa. Este cambio de sentido indica que el alternadorest funcionando como motor y est arrastrando a la maquina primaria (turbina de gas).Esta motorizacin es sntoma de un fallo en el sistema de propulsin y puede producirgrandes daos a la maquina arrastrada. Este retorno de potencia puede variar desde un 5%en turbinas de vapor hasta un 25% en motores diesel.

2.7.1.2 .4 Proteccin contra fallos a la tierra

Contra cortocircuito entre fase y tierra:

El ncleo del estator se ve forzadamente comprometido cuando tiene lugar uncortocircuito entre fase y tierra del estator de un generador, debido a que,independientemente de la conexin del neutro del generador con respecto a tierra, lacarcasa del generador se encuentra conectada a tierra. El dao que originar elcortocircuito a tierra en las lminas del estator estar supeditado a la intensidad de lacorriente del cortocircuito y al tiempo que circule dicha corriente.

La intensidad de la corriente que circula, para un cortocircuito de fase a tierra en elestator, est condicionada por el tipo de conexin que tiene el neutro del generador. Dichaintensidad ser mxima en el caso de que el neutro est slidamente conectado a tierra yser mnima si el neutro se encuentra desconectado fsicamente de tierra y se opera con unsistema de tipo bloque.

Las normas de fabricacin de los generadores determinan que los mismos resistirnlos esfuerzos trmicos y mecnicos que surgen al producirse un cortocircuito de una fase atierra en sus bornes, siempre que el valor de la corriente de cortocircuito de una fase atierra se limite al valor del cortocircuito trifsico a travs de la utilizacin de reactores oresistores entre neutro y tierra.


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2.7.1.2 .5 Proteccin contra perdida excitacin

La prdida de excitacin puede producirse por:

- Apertura no intencional del interruptor de campo

- Circuito de Campo abierto o en Cortocircuito

- Avera en el regulador automtico de tensin

Cuando un generador de cierta carga pierde su excitacin, pierde tambin elsincronismo con la red y pasa a funcionar a una frecuencia superior a la del sistema.

En el caso de un generador de polos salientes est dentro del 15 25 % de la potencianominal. En el caso de turbo alternadores puede ser solo de 3 5 %

El resultado es un sobrecalentamiento de la parte final del estator y de rotor si lamaquina gira as durante un cierto tiempo. La tensin en bornes del generador variaperidicamente debido a la variacin de corriente reactiva absorbida por la red. En losmomentos en que la tensin baja podran fallar los motores de induccin auxiliares loque ocasionara la perdida de la central.

La prdida de sincronismo tambin puede producirse con el circuito de excitacin enperfectas condiciones. En este caso, sera debido a cortocircuitos en la red exterior.

En estas condiciones el par de la maquina sufrir fuertes oscilaciones, con variacin decorriente, potencia y factor de potencia. Podra recuperarse el sincronismo si la carga seredujese drsticamente, pero si esto no ocurre en pocos segundos, ser necesariodesconectar el generador de la red y volverlo a sincronizar.


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2.7.1.2 .6 Proteccin contra sobretensiones

Se emplea para proteger mquinas o los transformadores, en caso de servicioseparado de red, frente a elevaciones excesivas de tensin, por funcionamiento anmalodel regulador de tensin o falsa maniobra con regulador manual.

Los turbogeneradores poseen reactancias transitorias considerables que puedenocasionar, en casos de desconexiones en plena carga, la aparicin de puntas transitorias detensin, que pueden estar prximas a las mximas solicitaciones de tensin admisible en elgenerador y transformador y en estos casos es necesario supervisar la rapidez deintervencin del regulador de tensin.

La proteccin de sobretensin puede emplearse en dos etapas, la instantnea y latemporizada.

2.7.1.2 .7 Proteccin diferencial del transformador

La proteccin diferencial es muy til para detectar faltas que se producen tanto en elinterior del transformador como en sus conexiones externas.

Hay que tener en cuenta un detalle muy importante, la proteccin diferencial de untrasformador debe disponer de elementos de filtrado que eviten desconexionesintempestivas debidas a la corriente de excitacin. Estos elementos de filtrado son otrosrels que actuarn antes que el rel de diferencial del transformador, para evitardesconexiones intempestivas.

En las protecciones diferenciales de transformadores se dan algunas circunstancias quedificultan su planteamiento:

- Las corrientes a uno y otro lado del transformador son de distinta magnitud

- Los transformadores de intensidad al emplear relaciones de transformacindistintas no compensan esa diferencia

- El grupo de conexin del transformador induce un desfase entre las corrientesprimaria y secundaria

- Si los transformadores de intensidad se conectan en estrella no pueden compensareste desfase

- Si uno de los arrollamiento da falta y el otro no, ser preciso filtrar las corrienteshomopolares solo en un lado del transformador


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La proteccin diferencial no solo cubre exclusivamente el transformador, sino quecubre la zona comprendida entre los transformadores de intensidad. Por lo tanto,quedan protegidos todos los equipos que forman parte del bloque de transformacin.

Los inconvenientes antes citados conducen a introducir en el circuito unas conexionessecundarias complejas debido a la introduccin de transformadores de intensidadauxiliares necesarios para compensar las diferencias angular y de magnitud en lascorrientes.


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2.8 CANALIZACIONES DE CABLES

La instalacin de cables se efectuara, en lo posible, haciendo los cambios de direccinen ngulo recto.

En todas las zonas los cables tendrs que ir debidamente protegidos

2.8.1 Zanjas

En zonas sin pavimentar el tendido de los cables se efectuara directamente en zanjasabiertas en el terreno.

Despus de tendidos los cables, rellenada y compactada la zanja, se sealizara elrecorrido colocando en el eje de la zanja cada 30 meros y siempre que se cambie dedireccin, unos carteles indicadores; tambin se colocaran sealizadores en las crucesde recorrido y paso de calles. En las zanjas que tengan ms de 1m de ancho secolocaran carteles a ambos lados de la zanja

En zonas pavimentadas se har una zanja con paredes de hormigos y fondo de tierracompactada. Una vez tendidos los cables y compactada la arena de rellenos, se rematala zanja con una losa continua de hormigos convenientemente sellada. La resistencia dela losa puede ser la misma que la del resto del pavimento.

La zanja tendr una altura de 1,2m y una anchura de 1,25m

El fondo de la zanja se rellenara con una capa de gravilla clasificada, mas una capa de150 mm de arena ya que se trata de cables de la misma tensin. Entonces se colocaranlos tubos y se aadira otra capa de 150 mm de arena. Encima se colocara una cubiertade hormigos coloreado rojo de 50 mm de espesor mnimo, con juntas dilatacin cada2m. El resto de la zanja se llenara con arena de canto rodado.

En zonas pavimentadas se suprimir dicha capa de hormign.


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2.8.2 Tubos

Se utilizaran bloques de tubo de 150 mm de PVC embebidos en hormign. Se evitaraen lo posible el empleo de tubos con longitud inferior al paso de calles y cuando estosea inevitable se emplearan tubos abocardados.

Por cada tubo pasara un solo cable de MT.


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2.8.3 Cable de 15 KV

Las caractersticas especficas de los cables de media tensin de 15 KV son las

siguientes:

Fabricante: Roque

Tensin nominal: 8,7/15 Kv

Seccin a emplear: 3x150 mm

Material del conductor: Cobre

Material de la pantalla: Cobre

Seccin mnima de la pantalla: 16 mm

Formacin de la pantalla: Cinta helicoidal

Aislamiento: Polietileno reticulado

Armadura: Corona de alambres acero

Cubierta: PVC resistencia hidrocar


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2.8.4 Cable de 66 KV

Las caractersticas especficas de los cables de alta tensin de 66 KV son las siguientes:

Fabricante: RoqueTensin nominal: 36/66 KV

Seccin a emplear: 1x500 mm

Material del conductor: Aluminio

Material de la pantalla: Cobre

Seccin mnima de la pantalla: 25 mm

Formacin de la pantalla: Cinta helicoidal

Aislamiento: Mezcla a base de etileno-propileno de altomdulo (HERP)

Armadura: Corona de alambres acero

Cubierta: Mezcla termoplstica a base de poliolefina(Z1)


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3. MEMORIA DE CLCULO


AUTOR: Eduardo Barbero.DIRECTOR: Sr. Lluis Massagues.

FECHA: 1 / 02/ 2012


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3.1. CLCULOS DE LAS PROTECCIONES, AJUSTES DE CADAREL Y COORDINACIN

3.1.1 REL 32 Direccionalidad de potencia

FUNCION:Direccionalidad de potencia

TI: 3000/1 A - 5VA - 5P10 TV: 11000/ 3 V : 100/ 3 V - 5VA - cl3P

GAMA DE AJUSTE:

Umbral: 0.2 a 8 W (pasos de 0,05 W)Temporizacin: 0.5 a 10 s (pasos de 0.5 s)

AJUSTES ADOPTADOS:

-Pm: 2.70 WT: 2.5 s

DESCRIPCION DEL REL Y SU FUNCION

Puede suceder que ante un mal funcionamiento del regulador de velocidad u algunaotra razn similar, la inyeccin de combustible a la turbina de gas descienda por debajo delo necesario para mover el compresor. En estas condiciones el generador absorbe potenciadel sistema, aun cuando la combustin puede mantenerse estable. (La turbina utiliza hastaun 23% de la potencia desarrollada para mover el compresor en rgimen permanente).

El rel instalado mide la potencia consumida por el generador elctrico y cuando estasupera un valor separa la maquina del sistema.


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REQUERIMIENTOS DE COORDINACIN

Por su caracterstica este rel no necesita coordinar con ningn otro rel del sistema.

Debe garantizarse que el rel no dispare ante ninguna oscilacin de la maquinaimpuesta por disturbios en el sistema. Para garantizar esto se debe realizar una simulacinen la instalacin para garantizar que no se producirndisparos espreos.

Figura 6 Rel 32 Proteccin del generador contra proteccin inversa. 1. Generador2.Transformador de tensin 3.Transformador de intensidad 4. Rel de retorno 5.Reltemporizado 6. Contacto de dispositivo de desconexin rpida 7. Interruptor Generador 8.

Disyuntor Excitacin 9. Dispositivo alarma


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CLCULOS REL 32

Con el objeto de obtener una sensibilidad aceptable, el rel se ajustar a -5% de lapotencia nominal. Como esta proteccin no necesita una gran precisin, no tomaremos encuenta los errores debidos a los transformadores de medicin.

Para evitar disparos no justificados debidos a variaciones transitorias de potenciatemporizaremos este rel a 2,5 s

VT CT

nG

K K S

PmPm =3

%

donde:

Pm = Potencia a ajustar en el relPm% = Potencia requerida al primario de los transformadores de medicin

nGS = Potencia nominal generador: 53,1 MVA

CT K = Relacin transformadores corriente: 3000

VT K = Relacin transformadores de tensin: 110

11030003101,5305,0

6=Pm

= -2,68 WPm


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Figura 7 Caracterstica de funcin de proteccin contra inversin de potencia.

Tabla 3 Rango del ngulo operativo de la funcin de proteccin contra inversin de

potencia del LGPG111.


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3.1.2 REL 46 Desequilibrio o inversin de fases estator

FUNCION:Desequilibrio o inversin de fases estator

TI: 3000/1 A - 5VA - 5P20 TV: 11000/ 3 V : 100/ 3 V - 5VA - cl3P

GAMA DE AJUSTE:

Alarma:I 2>: 0,03 a 0,5 In (pasos de 0,01)

T: 2 a 60 s (pasos de 1 s)

Disparo: I2>>: 0,05 a 0,5 In (pasos de 0,01)k: 2 a 40 s (pasos de 1 s)tmin: 0,25 a 40 s (pasos de 0,25 s)tmax: 300 a 2000 s (pasos de 0,25 s)

I 2>>: I2 mximo requerido (rel)k: Capabilidad trmica de operacin (constante de capacidad trmica requerida por el

rel)tmin: Tiempo mnimo de operacintmax: Tiempo mximo de operacin

AJUSTES ADOPTADOS:

Alarma:I 2>: 0,05 Int: 10 s

Disparo: I2>>: 0,07 In


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k: 6 stmin: 2 stmax: 420 s


El objeto de esta proteccin es de detectar la componente inversa de la corriente (I2),debida al funcionamiento en desequilibrio del generador y que tendra como consecuenciael calentamiento anormal de este.

Las corrientes estatricas pueden ser desequilibradas cuando los circuitos quealimenta no son equilibrados o cuando se abre alguna fase.

Este desequilibrio influye sobre el generador produciendo vibraciones ycalentamiento del hierro rotrico por circulacin de corriente de secuencia inversa. Lacomponente inversa de la intensidad est dado por:

donde IR, Is, IT son las corrientes por cada una de las fases y

a = e j (2 /3)

Cuando la corriente que pasa por el generador supera el valor de 23 In el reladiciona automticamente una pendiente para insensibilizar al rel y as evitar disparosintempestivos ante perturbaciones externas.

El rel utiliza la medida de corriente del estator para determinar el valor de lacomponente inversa a comparar con el umbral ajustado sobre el rel.


Por tratarse de una proteccin propia del generador y que no tiene correspondenciacon ninguna otra proteccin de la red no es necesario ningn tipo de coordinacin conotras. Si bien las faltas monofsicas en la red ocasionan corrientes de secuencia inversa, las


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temporizaciones de un rel de este tipo son muy superiores a las de cualquier dispositivoque deba eliminar la falta.

Figura 8. Rel 46, desequilibrio o inversin de fases estator.


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CLCULOS REL 46

Los ajustes de este rel son funcin de las constantes trmicas del generador.

La corriente de secuencia inversa tiene como efecto fundamental el calentamiento, yla disipacin del mismo es quien gobierna los valores mximos de I2 admisibles.

Datos del generador (ver curva):

- capabilidad de componente inversa permanente: %8In

I2 =

- constante de tiempo: s8TInIk

22 ==

- corriente nominal: In= 2780 A

Figura 9 Caracterstica trmica de secuencia inversa.


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Figura 10 Componente inversa admisible

Umbral de alarma:

Para asegurar un margen de seguridad suficiente, se intentar ajustar el umbral de

alarma a alrededor del 80% del valor de la componente inversa permanente del generador.

In%88,0I8,0I 22 ==>

==> 3000

278010088,0I2 59,3 mA

Esta proteccin deber operar despus de todas las protecciones contracortocircuitos. Por eso, este umbral se temporizara a: t = 10 s


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Umbral de disparo a tiempo dependiente:

Figura 11 Umbral disparo a tiempo independiente.

I 2>>: I2 mximo requerido (rel)

K: Capabilidad trmica de operacintmin: Tiempo mnimo de operacintmax: Tiempo mximo de operacin

Los parmetros del rel (I2>>, K, tmin, tmax) deben ser elegidos para obtener una curvade disparo que este localizada bajo la curva de capabilidad del generador.

La orden de disparo se da cuando el conjunto (I2 /In; t) alcanza la curva decapabilidad del generador. El valor de arranque de la temporizacin a tiempo dependientees:

In%8II 22 ==>>

mA13,7430002780

1008I2 ==>>


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%413,72 =>> I de la corriente nominal de entrada del rel.

Tenemos que determinar el factor k para obtener una curva de disparo situada debajo

de la curva de capabilidad generador.

Determinaron factor k:

2

generadorkK

=

TC

generador

In

In

s86,6300027808K

2=

=

Para garantizar un cierto margen de seguridad y obtener un tiempo en el cual las doscurvas se cruzan en un punto superior al valor mnimo de ajuste del rel, el factor k seajustara a 7. La validez de la curva ajustada se puede comprobar en el diagrama siguiente:

In= 2780 A - I2 /In = 8% - (I2 /In)2 T= 6,86 s

I2 /In

MINUTOS Figura 12


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Dado que las formulas matemticas del generador y del rel son diferentes,deberemos determinar el tiempo para el cual ambas curvas se cruzan y as ajustar laconstante de tiempo tmax.

Sabemos que para este tipo de mquina el cruce se ubica a alrededor de los 7minutos.Entonces, vamos a determinar este tiempo de manera grfica haciendo un zoom entre 6,8 y7,3 minutos.

I2 /In

MINUTOSFigura 13.

Vemos k tmax. Debe ser inferior a 7 minutos. Tomando en cuenta un margen deseguridad:

tmax 7 60 420 s


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3.1.3 REL 87 G Diferencial del generador

FUNCION:Diferencial del generador

TI: 3000/1 A - 35VA - 5P20 TV: -----

Transformador de corriente: 3000/1 A 35 VA 5P20

GAMA DE AJUSTE:

IS1 = 0,05 a 0,1 In (pasos de 0,01 In)k1 = 0% a 20% (pasos de 1%)IS2 = 1 a 5 In (pasos 1 In)K2 = 10% a 150% (pasos 10%)

AJUSTES ADOPTADOS:

IS1 = 0,05 Ak1 = 0%IS2 = 1 AK2 = 10%


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Este tipo de rel protege al generador contra faltas entre fases y de fase a tierra.

Debido a la elevada resistencia de puesta a tierra en el neutro, este rel no llega adetectar faltas a tierra si el generador no est conectado a la red. Por esta razn secomplementa con la proteccin 64G (proteccin de fase a tierra generador) que si nos daesta proteccin.

Cuando est acoplado a la red ambos rels pueden llegar a disparar para faltas atierra, dependiendo del lugar donde se produzca la misma.

El principio de funcionamiento de esta proteccin es: la diferencia entre las medidas

de corriente lado neutro y lado del transformador se compara al umbral ajustado sobre elrel.

Figura 14 Rel 87G, funcionamiento de la funcin de proteccin diferencial

del generador


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Figura 15 Caracterstica de funcionamiento de la funcin de proteccin diferencial.


Por tratarse de una proteccin unitaria debe mandar disparo inmediatamente, por lo

que no hay ninguna razn para temporizar este disparo.

CLCULOS REL 87G

Las recomendaciones del fabricante del rel indican que la proteccin se debe ajustarsegn los siguientes paramentos:

IS1 = 0,05 In

IS1 = 0,05 2780 /3000 = 0,046 A

Por tanto IS1 = 0,05 A

k1 = 0%IS2 = InIS2 = 2780 /3000 = 0,92 A


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Por tanto IS2 = 1 A

k2 = 10%

Si I 0,1 A - 0,05 ASi I 0,95 A el rel disparar.


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3.1.4 REL 64 G Proteccin de fase a tierra generador

FUNCION:Proteccin de fase a tierra generador

TI: 5/1 A - 10 VA - cl 1 TV: -----

GAMA DE AJUSTE:

Umbral: 0.005 A a 0.5 (pasos 0.005A)

Temporizacin: 0.1 a 10 s (pasos 0.1 s)

AJUSTES ADOPTADOS:

Umbral: 0.110 ATemporizacin: 0.2 s


El objeto de esta proteccin es de detectar un fallo a tierra localizado en losarrollamientos del estator del generador y/o un fallo a tierra en barras 11kV, cables 11kV yarrollamientos 11kV.

El neutro del generador se conecta a tierra por medio de una resistencia de limitacinteniendo por funcin limitar la corriente homopolar a 10A. Dado que los arrollamientos delgenerador deben ser protegidos al 95%, la proteccin actuara en cuanto se detecte 5% dela corriente de limitacin.

El mtodo de puesta a tierra afecta el grado de proteccin obtenida por los relsdiferenciales. Cuanta ms alta es la impedancia del neutro, menor es la corriente de falta yes ms difcil detectarla.

En los casos de generadores puestos a tierra con alta impedancia como en este caso,los rels diferenciales pueden llegar a no actuar para faltas a tierra de una fase. Se


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conseguir una proteccin adecuada colocando un rel muy sensible en el neutro delgenerador.


Dado que esta proteccin slo acta ante faltas en el generador, cables deinterconexin o parte del transformador de elevacin y no acta ante faltas externas, nohay ninguna razn para temporizar mucho su disparo.

La corriente de falta (limitada a 10 A) es del mismo orden de los fusibles conectados(6.3A). Por ello este rel disparar para faltas tambin en los TV o el trasformador deservicios auxiliares. Por tanto, la temporizacin de 0.2 s Se considera correcta y, en caso deproducirse esta falta (fase a tierra generador) no se producirn daos (fusin) entre laslaminaciones del estator.

Figura 16 Proteccin 64G con el neutro del generador conectado a tierra mediante unaresistencia.


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CLCULOS REL 64 G

El valor mnimo de la corriente a ajustar es:

Rp1)Ra1()CTa1(

51IIe )0( ++

Donde:

)0( I = corriente de fallo visto al primario TC

CTa = precisin del TC = 1%Ra = precisin del rel = 5%Rp = porcentaje de retorno del rel = 95 %

Cuando ocurre un fallo, la corriente mnima vista por el rel es:

A5,0)95,01(10I )0( ==

Entonces:

A112,095,01)05,01()01,01(

515,0Ie =++


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3.1.5 REL 64B Proteccin falta a tierra cables y transformador

FUNCION:Proteccin falta a tierra cables y transformador

TI: ---TV: 11000/ 3 V : 100/ 3 V - 20 VA - cl 10,5

GAMA DE AJUSTE:

Umbral: 1 a 25 V (pasos 1 V)Temporizacin: 0.5 a 5 s (pasos 0.1 s)

AJUSTES ADOPTADOS:

Umbral: 12 VTemporizacin: 1,6 s


El objeto de esta proteccin es de detectar un fallo a tierra en el 11kV (barras 11kV,generador, cables 11kV y arrollamientos transformadores).

La proteccin diferencial no permite detectar faltas entre espiras, excepto cuandosta se produce entre bobinados de distintas fases que comparten la misma ranura. Estasfaltas pueden producir corrientes elevadas y, eventualmente pueden llegar a daar elncleo. La nica forma de detectarlas es basarse en las componentes de secuencia cero delas tensiones causadas por la reduccin de la f.e.m. en la fase en falta. En este sentido, laproteccin 64B es un respaldo de la proteccin 64G.

Esta proteccin (64B) es adems til cuando existe interruptor entre el generador y eltrasformador (52G) ya que el transformador elevador puede permanecer en tensin cuandoel generador est desconectado.

De esta forma los cables, que conectan el generador con el transformador, y elmismo transformador estn protegidos contra falta a tierra por esta proteccin.


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Este rel es un rel electrnico de sobretensin, con un circuito de medicinsintonizado a la frecuencia fundamental. Est diseado para medir tensiones de frecuenciacero en presencia de tensiones armnicas importantes.

El principio de funcionamiento es el siguiente: la medida de las tensiones 11kV atravs de los transformadores conectados en triangulo abierto cargado por una resistenciase utiliza para determinar el valor de la tensin homopolar a comparar con el umbralajustado del rel.


Este rel se temporizara para evitar disparos intempestivos debidos a variacionestransitorias. La temporizacin deber superar el tiempo de disparo del rel de la proteccin64G que es de 0,2 s El ajuste de tiempo de este rel ser de 1,6 s

Figura 17 Proteccin falta a tierra cables y transformador


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CLCULOS REL 64 B

El valor de la tensin homopolar es:

3321 V V V V h

++=

Tomaremos en cuenta el caso ms desfavorable, es decir una fase directamente atierra.

Figura 18 Diagrama de tensiones sin fallo y durante el fallo

En fallo

321 V V V h

+=


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Entonces

3

V2

3V2

3

V21

h

+

=

Como

10033V

33VVV h21 ===

V7,57Vh =

Con el objeto de obtener una buena sensibilidad y de evitar alcanzar el valor mximode la tensin homopolar, el rel se ajustara a 20% de Vh

Ve = 0,2 57,7 =11,55 V

El ajuste elegido ser Ve = 12 V.


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3.1.6 REL 59G1 Proteccin sobretensin del generador.

FUNCION:Proteccin sobretensin del generador.

TI: ---TV: 11000/ 3 V : 100/ 3 V - 5VA - cl3P

GAMA DE AJUSTE:

Umbral: 105 a 185 V (pasos 1 V)Temporizacin: 0 a 10 s (pasos 0.1 s)

AJUSTES ADOPTADOS:

Umbral: 122 VTemporizacin: 3.2 s


Las sobretensiones que pueden aparecer ya sea por desconexiones o islas en la redexterior y/o por un fallo en el regulador de tensin pueden llegar a daar el aislamiento.Este rel detecta sobretensiones y desconecta el generador cuando estas sobretensionesexceden un cierto valor durante un tiempo excesivo.


El rel debe disparar ante valores de tensin anormalmente altos en la red o laplanta, pero no debe hacerlo ante las sobretensiones que aparecen posteriores a unareaceleracin importante, y antes que el regulador de tensin estabilice la misma,especialmente durante un paso a isla.


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Figura 19 Proteccin de sobretensin.

Figura 20 Caracterstica de sobretensin


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CLCULOS REL 59G1

El valor mnimo de ajuste de la proteccin es el siguiente:

paa R

1)R1()VT1(pUnV ++

donde:

Un = Imagen de la tensin generador al secundario del transformador de tensinUn = 100 Vp = Tensin mx. permanente (1.1xUn), ajuste a: 1,1

aVT = Precisin del transformador de tensin: 3%

a R = Precisin rel: 2.5%

p R = Porcentaje de retorno del rel: 95%

V2.12295.01)025.01()03.01(1.1100V =++

Ajustaremos el rel a 122 V y temporizaremos el rel a 3.2 s con el objetivo de filtrarlas sobretensiones transitorias.


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3.1.7 REL 59G2 Proteccin sobretensin del generador.

FUNCION:Proteccin sobretensin del generador.

TI: ---TV: 11000/ 3 V : 100/ 3 V - 5VA - cl3P

GAMA DE AJUSTE:


AJUSTES ADOPTADOS:



Este rel y su funcin complementan a las del rel 59G1. Posee un ajuste mselevado y una Temporizacin ms rpida que el rel 59G1 para disparar el generador antesobretensiones anormalmente rpidas.


El ajuste debe ser superior a la mxima sobretensin que aparecera ante un rechazode carga total, tal como una apertura intempestiva del transformador estando el generadorgenerando su potencia nominal. Por lo tanto, ser del orden de entre 125% y 130% de latensin nominal. El ajuste existente de este rel cumple estas condiciones.


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Figura 21 Proteccin de sobretensin.

Figura 22 Caracterstica de sobretensin


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CLCULOS REL 59G2

Este rel y su funcin complementan a las del rel 59G1. Posee un ajuste mselevado y una Temporizacin ms rpida que el rel 59G1 para disparar el generador antesobretensiones anormalmente rpidas.

El ajuste debe ser superior a la mxima sobretensin que aparecera ante un rechazode carga total, tal como una apertura intempestiva del transformador estando el generadorgenerando su potencia nominal. Por lo tanto, ser del orden de entre 125% y 130% de latensin nominal.

Ajustaremos el rel a 130 V y temporizaremos el rel a 0.8 s con el objetivo de filtrarlas sobretensiones transitorias.


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3.1.8 REL 40 Rel de prdida de excitacin.

FUNCION:Rel de prdida de excitacin.

TI: 3000/1 A - 5 VA - cl5P10 TV: 11000/ 3 V : 100/ 3 V - 5VA - cl3P

GAMA DE AJUSTE:

Xa: 2,5 a 25 (pasos de 0,5 )Xb: 25 a 250 (pasos de 1 )

t: 0 a 25 s (pasos de 0.1 s)

AJUSTES ADOPTADOS:

Xa: 9,25Xb: 135,25t: 1,6 s


El objeto de esta proteccin es de detectar un funcionamiento en modo asncrono delgenerador, debido a la perdida de excitacin, y de evitar un calentamiento anormal delrotor.

Cuando la excitacin de un generador sncrono falla, la f.e.m.. interna cae. Esto sedebe a que la salida de potencia activa de la mquina falla y al aumento de nivel de lapotencia reactiva que extrae el sistema elctrico.

A medida que la salida de potencia activa disminuye, la traccin mecnica mantenidaacelerar la mquina de forma que se producir el deslizamiento de polo y funcionar avelocidad supersncrona.


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Cuando la mquina empieza a funcionar de forma supersncrona, se inducenintensidades de deslizamiento en el rotor, en los bobinados amortiguadores y en losbobinados de campo.

Las intensidades de rotor de baja frecuencia inducidas por deslizamiento generarnun flujo en el rotor.

La mquina se excitar entonces a partir del sistema elctrico pudiendo funcionarcomo un generador de induccin. Si por alguna razn el control de excitacin falla, elbobinado de la excitatriz piloto queda sin tensin, y la mquina pierde su capacidad demantenerse en sincronismo. Pasa entonces a comportarse como un generador asncrono.

En estas condiciones la mquina puede sufrir un recalentamiento del rotor, puestoque las barras de amortiguacin no han sido diseadas para llevar corriente dedeslizamiento.

Como generador asncrono ste toma de la red potencia reactiva necesaria paraestablecer el campo magntico.

Si esta potencia reactiva puede ser aportada sin provocar excesivas cadas de tensinesta situacin no ser detectada ni por los rels de sobreintensidad, subtensin nisobrevelocidad.

Este rel detecta esta situacin a travs de la medicin de la tensin e intensidad enbornes del generador. Comparando la impedancia con la ajustada por el rel, puededetectarse la prdida de excitacin.


Se ha de garantizar que esta proteccin no dispara ante oscilaciones ocasionadas porfaltas en la red elctrica. Por esta razn el disparo debe temporizarse para que no seproduzca en estas condiciones.

La Temporizacin existente de 1.6 s es la adecuada para evitar este tipo de disparos.


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COMENTARIOS A El disparo del rel de

instantneo. Pueden pasargenerador.

Figura 23 Protecci


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DICIONALES

prdida de excitacin del generador no debearios segundos sin que exista riesgo para el

contra subexcitacin

GONA

ser necesariamentefuncionamiento del


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CLCULOS REL 40

Las caractersticas del generador en el punto CEI 40C

Xd: reactancia sncrona 218%Xd: reactancia transitoria 30,1%SrG: potencia aparente 53,1 MVAXL: impedancia al punto de 5,00

limitacin (0MW/-24,2MVAR)

=== 96,410x1,53

11000100

0,218SU

100(%)XdXd 6

2

rG

2rG

=== 685,010x1,53

11000100

1,30SU

100(%)d'Xd'X 6

2

rG

2rG

Estos valores deben ser traslados de lado de los secundarios de los transformadores

de medida

VT

CTp

CTp

VTp

KKX

K / IK / V

IsUsXs ===

pp X27,271103000XXs ==

Entonces las reactancias sincrona, transitoria y de limitacin:

Xds = 27,27 4,96 = 135,25 Xds = 27,27 0,685 = 18,579 XLs = 27,27 5,00 = 136,3

Para asegurarse que el rea del rel es correcta, tenemos que ajustar Xa y Xb.


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== 25.135XdsXb

Figura 24 Caracterstica de fallo de campo


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3.1.9 REL 27 Rel de mnima tensin o falta de tensin (subtensin).

FUNCION:Rel de mnima tensin o falta de tensin (subtensin).

TI: ---TV: 11000/ 3 V : 100/ 3 V - 5VA - cl3P

GAMA DE AJUSTE:


AJUSTES ADOPTADOS:



El rel de subtensin tiene por objeto desconectar al generador si en sus bornes existeun valor de tensin inferior al nominal durante un periodo prolongado. En este sentido estaproteccin es un respaldo de los rels de sobreintensidad y/o mnima impedancia.

En el caso de generadores que alimentan un sistema industrial, que normalmente sesuministra desde un sistema elctrico pblico, debera tener los ajustes de proteccin desobreintensidad del sistema por encima de los niveles mximos de intensidad de carga delsistema con el suministro normal disponible. Si falla el suministro pblico, la produccinde la generacin local podra alimentar el sistema completo.

En el caso de un sistema elctrico en isla, con generadores conectados a lneas demedia tensin, quiz la proteccin de mnima tensin fuera la nica forma de proteccinque pudiera detectar de modo fiable una falta trifsica remota en la lnea al fallar laproteccin o el interruptor de dicha lnea.

Este rel detecta esta mnima tensin y habilita un temporizador que desconecta algenerador si la tensin no se ha recuperado durante ese tiempo.


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El principio de funcionamiento de este rel es: se compara la medida de tensin con

el umbral ajustado sobre el rel. Dado que los motores de baja tensin pueden funcionarcon un valor de tensin mnima de 0,8xUn, el umbral se ajustara tomando en cuenta este

valor, es decir a 75%.


Este rel no debe disparar para los siguientes casos:

- Faltas externas eliminadas por protecciones propias

-

Faltas externas que ocasionen un paso a isla. Este tipo de faltas suelen durar comomximo 3 segundos por lo tanto el rel de mnima tensin estar ajustado a ms de3 segundos para garantizar que no se producir disparo para este tipo de falta.

- Faltas internas despejadas en tiempos de la proteccin principal o de respaldo.

Figura 25 Caracterstica de mnima tensin.


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Figura 26 Esquema

CLCULOS REL

)R1(100V as +=

025.01(100Vs +=

Donde:

a R =

p R =

aVT =


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roteccin subtensin

27

75.0)VT1(1 ap

+

V4,75U75.0)03.01(05.11) s =+

precisin rel: 2,5%

porcentaje retorno rel: 105%

precisin TP: 3%

GONA


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3.1.10 REL 21 Mnima impedancia

FUNCION:Mnima impedancia

TI: 3000/1 A 5 VA - 5P10TV: 11000/ 3 V : 100/ 3 V 5VA - cl3P

GAMA DE AJUSTE:

Umbral: 10 a 40 Temporizacin: 0.04 a 4.4 s (pasos 0.4 s)

AJUSTES ADOPTADOS:

Umbral: 25 Temporizacin: 1.2 s


Este rel es una proteccin de respaldo del generador tanto para faltas internas comoexternas.

Para faltas internas acta como respaldo de la diferencial de generador (faltas entrefases) o el de sobreintensidad homopolar (faltas a tierra).

Para faltas externas acta como respaldo de todo el resto de protecciones deltransformador y la red, evitando que el generador quede acoplado si la falta no eseliminada.

Este tipo de rel puede llegar a actuar (aunque no hay seguridad) durante una prdidade sincronismo del generador.

Este rel (mnima impedancia) acta tanto si la corriente de falta es inferior a la

corriente nominal, como puede ocurrir en el caso de generadores si la falta es persistente.


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Este rel mide la tensin en bornes y la corriente en cada una de las fases y manda disparotemporizado cuando el cociente U/I es menor que un cierto valor.


Por tratarse de un rel de respaldo, debe garantizarse que su actuacin sea posterior ala actuacin de los rels primarios.

En este caso los rels primarios son:

- Falta interna:

Diferencial: instantneoFalta a tierra estator: 0.2 sFalta en cables: 0.8 s

Por lo tanto su actuacin debe ser como mnimo de 1.2 s para

mantener un margen de coordinacin.

- Falta externa:

En este caso debe garantizarse que el rel no acta antes de que lohagan las protecciones de red. Con el ajuste de alcance escogido (25) esposible que este rel puede llegar a actuar ante oscilaciones y/o una vez quese pasa a isla, durante la reaceleracin.

COMENTARIOS ADICIONALES

Como se trata de una proteccin de respaldo se debe temporizar en unos pocossegundos.


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Figura 27 Proteccin 21 de mnima impedancia


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CLCULOS REL 21

Normalmente se ajusta a valores de 1/2 a 1/3 de la impedancia que ve el generadoren terminales para la potencia nominal.

En este caso sera:

SN = 53.1 MVAUN = 11000 V

== 27.21.53

11Z2

primarios

Tomando en cuenta la relacin de transformacin entre los TI y TV:

91.6111000100

1300027.2Z )REL(CARGA =

=

= 95.3091.6131

= 63.2091.6121

Por lo tanto en un ajuste tpico, debe estar en el orden de 20.63 y 30.95.


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3.1.11 REL 64T Circulacin por cuba del transformador

FUNCION:Circulacin por cuba del transformador

TI: 100/5 A TV: -----

GAMA DE AJUSTE:

Umbral: 1.2 a 8.8 A (pasos 0.4 A)Temporizacin: 0.02 a 2.2 s (pasos 0.2 s)

AJUSTES ADOPTADOS:

Umbral: I = 2.4 ATemporizacin: 0.2 s


Esta proteccin es un complemento a la diferencial del transformador para detectarfaltas del bobinado en la cuba. Este es un sistema tpico de deteccin de faltas a tierra yconsiste simplemente en la medicin de la corriente que fluye desde la cuba a tierra atravs de un transformador de intensidad.

Aparte de esta conexin de la cuba a tierra no debe existir ninguna obra de ningntipo (incluyendo las accidentales). Es decir, la cuba debe estar aislada y solo puesta a tierrapor la conexin de este rel.

Esto debe hacerse para que:

- La conexin a tierra y el transformador de intensidad no estn cortocircuitados,incrementando artificialmente el setting (ajuste) del rel.

- Las corrientes de tierra, originadas en una falta cualquiera externa fluyan por lacuba (debido a las diferentes tierras) y originen as disparos en el rel.


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En principio esta proteccin solo detectara faltas internas en el trasformador, por loque no existen requerimientos especiales de coordinacin que exijan temporizar el disparo.


Para el adecuado funcionamiento de esta proteccin es necesario que toda la cubaeste aislado de tierra a travs de calzos. Si esto no fuese as, en caso de una falta externaparte de la corriente podra circular por la cuba y disparar el rel.

Como que en caso de falta externa las corrientes de tierra serian del orden de decenasde KA, la resistencia de aislamiento entre cuba y tierra (excluyendo la conexin del rel)debera dar del orden de 1 k para garantizar que nunca vayan a existir disparos en caso defaltas externas.


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Figura 28 Proteccin 64 TN, proteccin circulacin por neutro de transformador


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CLCULOS REL 64T

Si la cuba est totalmente aislada no hay razn para que circulen corrientes por lacuba y por lo tanto el umbral puede reducirse tanto como se desee siempre y cuando esteest por encima de las corrientes originadas por las capacidades parasitas.

Por norma general este rel se suele ajustar por debajo de la mnima corriente decortocircuito monofsico.

El ajuste ser a 2.4 A (48 A primarios) y 0.2 s

A484.25100

=


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3.1.12 REL 51 G Proteccin sobreintensidad generador.

FUNCION:Sobreintensidad generador

TI: 3000/1 A - 5VA - 5P20 TV: ------

GAMA DE AJUSTE:

Umbral alto: 1.2 a 8.8 A (pasos 0.4 A)Temporizacin: 0.02 a 2.2 s (pasos 0.2 s)

Umbral bajo: 0.6 a 1.55 A (pasos 0.05 A)Temporizacin: 0.08 a 8.8 s (pasos 0.8 s)

AJUSTES ADOPTADOS:

Umbral alto: 2.8 A, 0.4 sUmbral bajo: 1.1 A, 4 s


Este tipo de proteccin es un respaldo a otra serie de dispositivos de proteccin del

generador. Este tipo de rels no est directamente relacionado con las caractersticastrmicas del generador y su funcin es fundamentalmente operar ante faltas.


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Este rel debe actuar ante:

- las sobreintensidades que aparecen por faltas en la red externa, siempre con unatemporizacin adecuada (varios segundos)

- Faltas en el transformador o cables de alimentacin con una Temporizacin baja

El rel no debe actuar ante:

- Ante las sobretensiones originadas por la reaceleracin ante un paso a isla- Las oscilaciones de corriente originadas por alguna falta en la red, eliminada

adecuadamente y sin paso a isla

En las siguientes faltas se obtendran las siguientes intensidades:

Faltas Ipico I0.3 seg I3seg Falta trifsica permanente en bornes del generador 5.8 A 2.9 2.8Falta trifsica permanente en bornes de 66 KV

transformador

3.6 A 2.4 2.4

Falta trifsica permanente en Perafort 66KV 3 A 2.3 2.4

Tabla 3

Por lo tanto los ajustes son correctos porque garantizan una seguridad adecuada.

Si el ajuste del umbral alto fuese por ejemplo de 2.4 A 0.4 s este rel podra detectar

faltas trifsicas ms all del transformador, en este caso, podra disparar para faltas en lalnea elctrica de Perafort y no nos interesa que esto ocurra.


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La temporizacin a 0.4 s es un poco alta y no garantiza el disparo (por decrecimientode la Icc) ante faltas en bornes del transformador. El siguiente valor ms bajo al que sepodra ajustar el rel es 0.2 s pero con esta Temporizacin es posible que el rel llegase aver faltas en la red y perdiera selectividad. Dado que el generador est bien protegido porotra serie de protecciones (diferencial, falta a tierra) es ms recomendable que en algncaso el rel no llegase a actuar antes que se disparasen simultneamente este rel y lasprotecciones de paso a isla.

Figura 29 Proteccin 51G, proteccin sobreintensidad generador


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CLCULOS REL 51G

A la curva 10 le corresponden los tiempos nominales a los cuales se refieren el resto decurvas. Los tiempos de la curva 1 son el 10% de la curva 1, los tiempos de la curva 2 son el20 % de la curva superior, etc.

Elegiremos la curva normal inversa 1 (se puede ver en la grfica de la pginasiguiente).


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Figura 30 Cu


90

va caracterstica normal inversa

GONA


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3.1.13 REL87T Diferencial del transformador

FUNCION:Diferencial del transformador

TI: 3000/1 A - 35VA - 5P20600/1 A - 15VA - 5P20

TV: -----

GAMA DE AJUSTE:

Ir/In primario: 0.6 Ia 1.26 In (pasos de 0.06 In) + 0 0.03 In

Ir/In secuandario: 0.6 Ia 1.26 In (pasos de 0.06 In) + 0 0.03 InId/I: 25, 37-5 o 50%Id: 20 - 40 - 60 - 80 % de Ir

T50: Desfase 0 o + 1800 o + 120

Amplitud 1 o + 1/ 3

T51: Desfase 0 o + 1800 o + 120

Amplitud 1 o + 1/ 3

AJUSTES ADOPTADOS:

Ir/In 11 KV: 0.98 + 0.03Ir/In 66 KV: 0.84 + 0.03Id/I: 25%Id: 20% Ir

T50: 1 = 0 2 = 0

X = 1


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T51: 1 = 0

2 = 0

X = 1/ 3


La proteccin diferencial de transformador tiene por objeto despejarinstantneamente faltas entre fases o a tierra ocurridas dentro de la zona protegida evitandosu actuacin si la falta est fuera de esta zona.

Este rel (modelo TDP) con sus equipos asociados T50 y T51 permiten cumplir conesta funcin, a travs de la medicin de las diferencias entre las corrientes de entrada ysalida.

Para evitar falsos disparos ante faltas externas la corriente (I1-I2) es comparada con

el valor medio de ambas2

II 21 + , producindose disparo si I1-I2 p donde p

es la pendiente de bloqueo. Para evitar disparos por desequilibrios en los TI y/o corrientesde magnetizacin ante cargas bajas, tambin debe cumplirse que I1-I2 > R IR donde R esel valor mnimo de actuacin en % de la corriente nominal.

Los mdulos T50 y T51 tienen por funcin ajustar las fases y amplitudes de lascorrientes de modo que en condiciones normales y sin falta I1 y I2 sean iguales.

AJUSTES DE LOS TRASFORMADORES DE ADAPTACIN:

Como los TI de los lados de 66 y 11 KV estn conectados en estrella, debeseleccionarse:

11 KV: Modulo T50 (conexin estrella/estrella).66 KV: Modulo T51 (conexin estrella/tringulo).

Los ngulos1 y 2 del T50 y T51 y la compensacin 1/ 3 en la amplitud del T51parecen correctos.

2II 21 +


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No es de aplicacin.


En la proteccin diferencial de transformadores hay que tener cuidado con el tipo deconexin del transformador, ya que es necesario intercalar transformadores de adaptacinpara corregir los desfases entre el primario y el secundario.

Es importante a la hora de compensar los desfases, que al rel le lleguen doscorrientes en triangulo de ambos lados, ya que de esta forma borramos las corrienteshomopolares externas a la zona.

Los rels diferenciales de proteccin de transformadores deben tener retencin yadems, deben tener un filtro de armnico 2, para evitar el disparo del rel durante laconexin del transformador (corriente en un solo devanado).

Figura 31 Proteccin diferencial del transformador


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Ajuste de la pendiente:

Se debe contemplar tanto las diferencias esperadas en el comportamiento de los TI,como los errores de igualacin y los efectos introducidos en los reguladores bajo carga.

En este caso particular al existir estos ltimos slo se toman en consideracin los 2primeros.

Errores en los TI: Como son de clase 5P20, el error de cada uno de ellos es R IR donde R esel valor mnimo de actuacin en % de la corriente nominal.

Los mdulos T50 y T51 tienen por funcin ajustar las fases y amplitudes de lascorrientes de modo que en condiciones normales y sin falta I1 y I2 sean iguales.

AJUSTES DE LOS TRASFORMADORES DE ADAPTACIN:

Como los TI de los lados de 66 y 11 KV estn conectados en estrella, debeseleccionarse:

11 KV: Modulo T50 (conexin estrella/estrella).66 KV: Modulo T51 (conexin estrella/tringulo).

Los ngulos1 y 2 del T50 y T51 y la compensacin 1/ 3 en la amplitud del T51parecen correctos.

2II 21 +

2II 21 +


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No es de aplicacin.


En la proteccin diferencial de transformadores hay que tener cuidado con el tipo deconexin del transformador, ya que es necesario intercalar transformadores de adaptacinpara corregir los desfases entre el primario y el secundario.

Es importante a la hora de compensar los desfases, que al rel le lleguen doscorrientes en triangulo de ambos lados, ya que de esta forma borramos las corrienteshomopolares externas a la zona.

Los rels diferenciales de proteccin de transformadores deben tener retencin yadems, deben tener un filtro de armnico 2, para evitar el disparo del rel durante laconexin del transformador (corriente en un solo devanado).

Figura 32 Proteccin diferencial bloque transformador/generador.


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CLCULOS REL 87B

Los ajustes de esta proteccin dependen del tipo de transformador TI escogidos.

Ajustes de factores Ir/IN

- Lado 11 KV (neutro):

A314910113

6010U3

SI 36

N

TT ===

A049.13000

1II TR ==

A1IN =

Por lo tanto se selecciona:

- Lado 66 KV:A525

106636010

U3SI 3

6

N

TT ===

A874.06001II TR ==

A1IN =

Por lo tanto se selecciona:

05.1IR = N I

0.031.0205.1IR +== N I

874.0IR = N I

0.0384.0874.0IR += N I


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Ajuste de la pendiente:

Se debe contemplar tanto las diferencias esperadas en el comportamiento de los TI,como los errores de igualacin y los efectos introducidos en los reguladores bajo carga.

En este caso particular al existir estos ltimos slo se toman en consideracin los 2primeros.

Errores en los TI: Como son de clase 5P20, el error de cada uno de ellos es 71 A

288 A > 71 A intensidad nominal de los transformadores 16000 KVA 1,15 =18400 KVA


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3.2.1.3 Comprobacin por cada de tensin de la seccin elegida

La cada de tensin la verificamos mediante la siguiente formula

U = L In 3 (R cos PHI + X sen PHI)

U= Cada de tensin en voltios

L= longitud del cable en km

In Intensidad nominal de la carga en Amperios

R/X = Resistencia/Reactancia del cable en /km

Para el cable seleccionado i segn los datos del fabricante ser 0,169 y 0,100respectivamente.

Cos PHI = factor de potencia de la carga

La cada de tensin admisible es del 1% del mximo, es decir:

La longitud del cable es de 520m por lo que la cada de tensin tendr el siguientevalor:

U= 0,520 71 3 (0,169 0,9 + 0,100 0,43)= 12 V

Que es claramente inferior al admisible

>12 V


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3.2.1.4 Comprobacin de la seccin de la pantalla metlica

La seccin de la pantalla metlica la calcularemos con la siguiente frmula:

S= Seccin de la pantalla en mm

t= Tiempo de operacin del elemento de desconexin en segundos

Ik = Intensidad de defecto a tierra en A

k= constante, 115 para conductores de cobre aislados con PVC

La intensidad de defecto a tierra est limitada a 400 A por la resistencia de puesta atierra del sistema de 15 KV.

El tiempo de operacin del elemento de desconexin es de 0,5 segundos


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4. PLANOS


AUTOR: Eduardo Barbero.DIRECTOR: Sr. Lluis Massagues.

FECHA: 1 / 02/ 2012


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La empresa propietaria de la documentacin solicita la no inclusin en este documento del p lano 6


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5. PRESUPUESTO

TITULACIN:Ingeniera tcnica industrial especia

Documents

tesis cogeneracion