egruposdmime

Protecciones de Sistemas Elctricos

Proteccin de Mquinas 1-1 Apuntes preparados por: Prof. Sr. Ral Saavedra Cossio

PROTECCIN DE MAQUINAS

1. Proteccin de Generadores 1.1 Introduccin Se puede afirmar que, en general, todos Ios elementos de un sistema elctrico de potencia. merecen el mismo grado de atencin en cuanto a sus sistemas de proteccin, debido a que todos ellos tienen una finalidad muy especfica en un S.E.P. Sin embargo, en generadores las protecciones revisten una especial importancia debido a que como elemento suministrador de potencia, implica que una falla en l podra causar gran cantidad de problemas. El gran tamao de los generadores y su todava mayor incremento en la entrega de energa, debido a la aplicacin de mtodos de enfriamiento ms eficientes, hacen imprescindible protegerlos contra todo tipo de falla. La prdida de una unidad, dado su gran capacidad de generacin (30 a 50 MW), pueden ocasionar la sobrecarga de las unidades generadoras que trabajan en conjunto con ella y la eventual inestabilidad del sistema.

- Sobrecargas- Cortocircuitos- Desbalance de tensiones

Fallas de Estator

- Sobrecargas- Cortocircuitos- Apertura o prdida de la excitacin

Fallas del Rotor

- Prdidas de sincronismo - Motores - Sobretensiones - Fallas externas 1.2 Proteccin del Estator a. Proteccin de Fallas a Tierra Las corrientes de las fallas a tierra en el estator estn generalmente limitadas por la resistencia ( )nR en el neutro del generador. En estos casos es imposible proteger el 100% del devanado del estator, queda aproximadamente el 10% de ste sin proteccin, esto depender del valor de la resistencia ( )nR instalada en el neutro del generador y del ajuste del rel. El valor de la capacitancia distribuida entre el estator y tierra fija el valor de la resistencia ( )nR adems del valor de corrientes de falla a tierra que se requiere limitar, para evitar la sobretensin que se puede producir por efectos de resonancia. La corriente de falla a tierra se limita a los siguientes rangos: a) De 4 a 10 amp. en caso de aterrizaje por medio de un transformador de distribucin. (figura 1) El valor mximo de la resistencia est dado por:

( ) [ ] CN f 6/10R 26n < donde N = es la relacin de vueltas del transformador f = frecuencia C = la capacitancia por fase del circuito del estator a tierra



RN

~

59

Figura N1.

Es recomendable, que para impedir grandes valores de corrientes de magnetizacin en el transformador de distribucin cuando ocurre una falla a tierra, la tensin en el lado de alta tensin deber ser a lo menos 1,5 veces la tensin nominal de fase a neutro del generador. El valor de tensin en el lado de baja tensin puede ser de 120, 240 o 480 volts, dependiendo de la disponibilidad o valor de tensin nominal de los rels de proteccin. Los KVA del transformador de distribucin y los KW de la resistencia se determinan de:

n2

TG3

RN 3

VV10KVA =

Si el rel se ocupa solamente para accinar una alarma.

Los KW de la resistencia: n

2

2G

3

RN 3

V10KW =

donde: V = tensin nominal del generador de fase a fase en Kvolts.

TV = tensin nominal en KV de fase a neutro del transformador en el lado de alta tensin. N = razn de transformacin del transformador de distribucin

nR = Ohms valor de la resistencia. b) De 200 a 250 amp., en caso de aterrizaje mediante resistencia. (Fig.2).

51No

50N

RN

~

Figura N2

En la prctica se acostumbra a proteger de 80 a 85% del devanado del estator.



La corriente de falla a tierra.

( )n

F RV

d0.1I =

Sea n

g RV

I = la mxima corriente que se permite circular por la resistencia nR entonces:

( ) gF I d0.1I =

RN

d(/1) devanado que seprotege

(1-d) (/1) devanado que no seprotege

IF

Figura N3 Luego, el porcentaje del devanado protegido est dado por (figura 3)

100 II

1dg

F

=

Ejemplo. Sea %85d = y suponiendo que el ajuste de falla a tierra (calibracin) sea de un 20%. Determine el valor de nR .

100 MVA15 kV

RN = ?

~

Dibujo N4.

Solucin El (0/1) del devanado no protegido es

( )g

F

II

15.0d1 ==

pero la corriente a plena carga es: ( ) ( )KA 849,315 3/100I N == , luego la corriente de ajuste es de: ( )KA 0,76893.849 x 2.0II SF ===

por lo tanto : 15,0

7698.015,0

I15,0

II SFg ===



ohms 1,690,15 0,7698 3

15

I 3

VR

g

Gn ===

Otro ejemplo: Si se admite una corriente de ajuste de desbalance de 2 amp., como mximo en el rel.

100 MVA20 kV~

53000

40

.amp2IS =

a) Qu % del devanado queda protegido? b) Qu valor de nR se requiere para proteger el 85% del devanado? Solucin: a) amp. 12003000/5 2I S == en el neutro

luego ( )/1 42,0320000

4 12003

VR I

d1G

nS ===

( )1/58,0d =

b) ( )ohms 44.1R 320000

R120015,085,01d1 n

n ====

El caso (a), usando un transformador de distribucin en el neutro, es generalmente aplicado a grupo generador-transformador. (Fig. .4).

Falla

NR59

~

Figura N4. El valor de resistencia se selecciona de manera que los KW disipados por ella sea menor que los KVA capacitivos del sistema. Circuitos equivalentes a secuencias sern (figura 5).



+ZT1G

E

~ ~1GZ 1F

ZS1 ES+

XCZTA1

ZT22GZ 1FZS2

XCZTA2

1N

ZT20GZZS2

XC0

N2

F0

N0

IR0

MSP

MSN

MSO

1N

1F

N2

F0

F1I

XC

XC

XC0

F2I

F0I

Figura N5

La resistencia nR debe tener un valor tal que lmite los transientes a 2,5 o menos del valor de tensin nominal del sistema. Para ello se debe cumplir que: a) La potencia de la resistencia debe ser igual a:

C02C0

20Rn

R X I 31000IR

KW ==

b) Que la potencia del transformador debe ser:

RKW 3KVA= En sistemas donde se limitan las sobretensiones transitorias a 2,5 veces, o menos, el valor peak de la tensin nominal de fase a neutro del sistema, se debe cumplir que:

10 X 20X o 00 X 2R

luego ( ) 10

X 20j40Z +

( ) 110 X

066.0X 20j40

3I3I =

+== 8,28

pero F3F1 I 066,0I3I

0.1X ==

Las resistencias son de acero inoxidable con un factor de potencia aproximada de 0,98. 1.3 Rel Diferencial 1.3.1 Induccin Tipo RID 1A



5000

o m

s49

9922

0021

99

0

-500 1000 -1999 0 -500 1500 -2999

501-989 501 - 1499

KVA KVA o HP

VOLTS

0

Figura N6

1.3.2 Aplicacin A los efectos de lograr una proteccin efectiva es necesario que la mquina tenga accesibles todos los terminales de sus fases; resulta conveniente especificar este requisito cuando se ordena la fabricacin de dicha mquina debido a que normalmente en unidades de potencia reducida no todos los terminales son accesibles desde el exterior. La proteccin diferencial tambin se recomienda para mquinas de potencias menores que la indicadas en la figura 6 en los siguientes casos: a) Cuando se trate de mquinas que funcionan en paralelo sobre la misma barra con otras mquinas dotadas de proteccin diferencial; esto se debe a que muchas veces una falla en una mquina pequea, funcionando en paralelo con otras de mayor potencia, puede resultar tan perjudicial para el servicio como una falla similar en una unidad grande. b) Cuando se trate de mquinas que son importantes para la operacin del sistema con prescindencia de la potencia de las mismas. El rel diferencial RID 1A protege contra cortocircuitos del tipo fase a fase a tierra entre conductores externos o a internos a la mquina., dentro de la zona de proteccin diferencial, y siempre que la corriente en la bobina de operacin del rel, provocada por dicha falla, sea mayor que el valor mnimo requerido para el funcionamiento del mismo. La proteccin no comprende en cambio los casos de circuitos abiertos o cortocircuitos entre espiras. Si el sistema tiene neutro aislado, la proteccin por fallas del tipo fase a tierra slo se lograr con la aparicin de una segunda falla de igual tipo en la misma fase. Debido a esto se recomienda que, cuando se use proteccin diferencial, el neutro de la mquina est puesto a tierra, o por lo menos que as ocurra con el neutro de otra mquina que funciona en. paralelo con la misma. Cuando esto no sea posible, ser necesario conectar un transformador de puesta a tierra. Cuanido no exista ninguna impedancia entre neutro y tierra, la proteccin diferencial detectar toda falla a tierra en cualquier parte del devanado de la mquina, excepto una pequea zona prxima al neutro que, por lo reducido de su tensin con respecto a tierra, no alcanza producir la corriente mnima de operacin del rel. Se pues, que todo medio que tienda a reducir la corriente de neutro a tierra, har que la zona del devanado sin proteccin aumente.



b.1 Mquinas Conectadas en Estrella La figura 7, ilustra la aplicacin de la proteccin diferencial a una mquina conectada en estrella. b.2 Mquina Conectadas a Tringulo Como se indica en la figura 8, las mquinas conectadas en tringulo se protegen comparando las corrientes en los dos extremos de cada devanado con las corrientes en las fases respectivas (al igual que las mquinas conectadas en estrella). b.3 Mquinas con dos o ms Arrollamientos en Paralelo por Fase Cuando s trata de mquinas con dos o ms arrollamientos en paralelo por fase, cuyos terminales son accesibles, se recomienda complementar la proteccin diferencial con la proteccin por desbalance de corriente en cada una de las secciones en paralelo. Este tipo de proteccin y la conexin para lograrlo se indica en la figura 9. M4ediante la conexin indicada en la figura 9, se obtiene proteccin contra cortocircuitos entre partes de un mismo arrollamiento de una misma fase y tambin por circuito abierto de uno de los arrollamientos (para lo cual no operara la proteccin diferencial). Resulta entonces que la combinacin de protecciones aqu comentadas, cuando se aplica a mquinas con los arrollamientos divididos, brinda proteccin por desequilibrios de corrientes tambi funciona para el caso de cortocircuitos entre fases o entre una fase y tierra (en la zona en que los devanados est conectados en paralelo), pero no en forma tan sensible como la proteccin diferencial, sobre todo cuando la zona afectada est prxima al neutro. La proteccin de desequilibrio de corriente se logra mediante rels del tipo RIC 1 de sobreintensidad, conectados como se indica en la figura 9, con el nmero 61. b.4 Proteccin Diferencial del Generador y Transformador Operados como una Unidad Cuando un generador y su correspondiente transformador de potencia se operan como una unidad, se recomienda normalmente utilizar proteccin diferencial separada en cada uno de ellos. En este caso es posible reducir el nmero de transformadores de corriente utilizando un conjunto con funciones comunes a cada uno de los elementos, generador y transformador, tal como se indica en la figura 10. La recomendacin en el sentido de efectuar esta proteccin tal como aqu se describe, se basa en el -hecho de que es recomendable para el transformador de potencia, considerando cada uno aisladamente. b.5 Desenganche Automtico de los Interruptores de Descarga de Campo En los casos en que se utiliza proteccin diferencial, el interruptor de campo debe desconectarse en forma automtica al mismo tiempo que se produce el desenganche del interruptor principal y la mquina se desconecta del sistema. Para tal aplicacin se suelen utilizar interruptores operados elctricamente o contactores, aunque en algunos casos se emplean tambin interruptores en aire de operacin manual con bobina de desenganche de descarga. b.6 Desenganche Automtico del Interruptor de Neutro Si el neutro de la mquina est puesto a tierra, es recomendable disponer de un interruptor de neutro que pueda ser desenganchado automticamente en caso de falla interna. Esto evita que, debido a que el flujo de la mquina se reduce lentamente (luego que ya se ha desenganchado de campo) y a la presencia del magnetismo remanente, se produzca arcos prolongados en casos de fallas a tierra. b .7 Seleccin de los Transformadores de Corriente A los efectos de evitar falsas operaciones por los rels diferenciales, los transformadores de corriente deben ser elegidos de manera que la corriente diferencial, provocada por el error de relacin y fase de los mismos, no exceda del 5% del valor de la corriente que existe durante el funcionamiento



normal o anormal de la mquina. Esto incluye. todos los valores de intensidad hasta la mxima que podra entregar la mquina en caso de fallas externas a la zona de proteccin. Al efectuar tales verificaciones, se deben tener en cuenta las cargas reales de los transformadores de intensidad incluyendo las conexiones En general, es recomendable que los transformadores de corriente empleados para la proteccin diferencial no se utilicen simultneamente para otros fines.

RC17R

52

GEN

Igual aFase I

41

Igual aFase I

123

HC107

R7-1 R7-1

86

86

Igual aFase I

C1

52

457

C1

52

441 Alarma

86 86 86

1S187

(+)

(-)

Referencias Nmeros 1, 2, etc. Numeracin de los

terminales del rel. 42) Interruptor de campo 52) Interruptor principal 86) Rel auxiliar 87) Rel diferencial tipo RID

a) Contacto auxiliar, cerrado cuando el interruptor principal est cerrado

O.C. Bobina de Operacin R.C. Bobina de Frenado S.I. Unidad indicadora T.C. Bobina de Disparo.

Figura N7. Diagrama Tpico de Proteccin Diferencial Aplicada a un Generador Trifsico

Conectado en Estrella. c) Funcionamiento El rel RID-1A tiene dos electroimanes en forma de "U", provistos con espiras de cobre en cortocircuito sobre una parte de las expansiones polares a los efectos de originar las correspondientes cuplas de rotacin en zonas diametralmente opuestas del disco. Uno de estos electroimanes, el de operacin, tiende a hacer girar el disco en el sentido de cerrar los contactos de operacin, y el otro, el de frenado, tiende a hacer virar el disco en la direccin contraria. A continuacin describimos la operacin del rel en un caso especfico de aplicacin: La figura 11 es un diagrama esquemtico de un generador conectado en estrella; en l puede verse que los secundarios de los transformadores de corriente estn conectados en serie con las bobinas de frenado y que la bobina de operacin se conecta entre el punto medio de los devanados de frenado y el otro polo del circuito. En condiciones normales de operacin, la corriente secundaria de los transformadores de corrientes es idntica, circulando Por las bobinas de frenado y creando una diferencia de potencial nula a travs de la bobina de operacin. En estas condiciones el electroimn de frenado mantendr los contactos abiertos. En el supuesto de que se produzca una falla externa a la zona de proteccin, las condiciones sern similares a las descritas, siempre que los transformadores de corriente hayan sido elegidos correctamente (tal como se indic oportunamente) y, por lo tanto, no existir corriente o sta tendr un valor muy pequeo a travs de la bobina de operacin. Si ocurre una falla en los devanados del generador, las corrientes 1I e 2I no sern iguales y la diferencia de las mismas circular por las bobinas de operacin. Si esta corriente diferencial es suficiente, la accin del electroimn de operacin vencer el efecto del de frenado y se cerrarn los contactos del rel. Puesto que la bobina de operacin tiene aproximadamente 10 veces ms espiras que las de frenado, para que el rel acte, la intensidad en la primera deber ser algo mayor que el 10% de la corriente en las bobinas de freno.



Unidad de Autorretencin y Elemento Indicador Estos rels estn provistos con una unidad de autorretencin y de indicacin con derivaciones de 0,2 y 2 amperes. La eleccin entre ellos depende de la corriente que necesite el circuito de desenganche. La derivacin de 0,2 amperes se usa principalmente para rels auxiliares que necesitan 0,2 amperes con la mxima tensin de control (70 volts para una batera de 125 volts). Esta deriva. Esta derivacin puede conducir en forma segura la corriente hasta de 5 amperes. El lmite superior queda determinado en la prctica por la cada de tensin permitida que preferiblemente no debera exceder del 10% de la tensin normal de la fuente. Si esta bobina se utiliza con bobinas de desenganche que tomen ms de amperes volts, existe la posibilidad que la resistencia de 7 ohms reduzca la corriente de desenganche a un valor tan bajo que el interruptor no pueda ser desenganchado. Para esto se ha previsto la derivacin 2 amperes, que se deber utilizar en todos los casos en que la corriente que necesite la bobina de desenganche sea de 2 amperes o ms a la tensin mnima de control y siempre que la corriente no exceda de 30 amperes para la tensin mxima de la fuente. Si la corriente de desenganche excede de 30 amperes, deber utilizarse un rel auxiliar, efectundose el conexionado de manera que la corriente de desenganche no pase a travs de los contactos, ni tampoco por la bobina de la unidad de auto-retencin.

1

52

23 '2

'1 ii

'3

'2 ii

'4

'3 ii

21 ii OC

187

RC187

RC187

'2

'1 ii

i3i2

i1

'1i

'2i

'3i

'1i

'2i

'2i

'4

'3 ii

'3

'2 ii

21 ii

3

13 ii

2

132 ii

+3

2

1

Figura N8.

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