MATERIA: MAQUINAS ELECTRICAS

PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRONOS

CATEDRATICO: MC. MARTINEZ LENDECH JOSE FRANCISCO

ALUMNO: LOZADA ZARATE JOSE MANUEL

22/NOVIEMBRE/2011

ndice Introduccin... Proteccin convencional de motores sncronos.. Tipos de protecciones de los generadores.. Proteccin del estator.. Proteccin diferencial para fallas entre fases.. Proteccin convencional para fallas a tierra. Rel diferencial. Esquema de sobretensin/corriente de neutro Proteccin convencional del 100%........................................................................ Tcnica basada en tensin de tercer armnico... Inyeccin de tensin residual o de neutro Proteccin contra cortocircuitos entre espiras de igual fase y fases abiertas Proteccin contra sobrecalentamiento del estator.. Proteccin contra sobretensiones.. Proteccin del rotor.. Proteccin del devanado de campo contra cortocircuitos a tierra

Mtodo potenciomtrico.. Mtodo de inyeccin de corriente alterna. Mtodo de inyeccin de corriente continua.. Proteccin para circuito abierto.. Proteccin contra sobrecalentamiento del rotor.. Otros tipos de protecciones Proteccin contra sobrevelocidad.. Proteccin contra vibracin. Contra motorizacin. Contra prdida de excitacin.. Tablero de proteccin, medicin y sincronizacin del generador. Proteccin del generador Generadores enfriados por aire.

Generadores enfriados por hidrgeno..

Generadores enfriados por hidrgeno / agua.. Esquema de protecciones elctricas.

Introduccin

El principio fundamental de operacin de los generadores sincrnicos, es que el movimiento relativo entre un conductor y un campo magntico induce un voltaje en el conductor. Una fuente externa de energa cd o excitador se aplica a travs de unos anillos colectores en el rotor: La fuerza del flujo, y por lo tanto, el voltaje inducido en la armadura se regulan mediante la corriente directa y el voltaje suministrado al campo. La corriente alterna se produce en la armadura debido a la inversin del campo magntico a medida que los polos norte y sur pasan por los conductores individuales. La disposicin mas comn es la de un electroimn cilndrico que gira dentro de un conjunto de conductores estacionarios. En las siguientes figuras se muestran tanto al electroimn o tambin llamado campo y los conductores que constituyen la armadura. La corriente que se genera mediante los alternadores descritos ms arriba, aumenta hasta un pico, cae hasta cero, desciende hasta un pico negativo y sube otra vez a cero varias veces por segundo, dependiendo de la frecuencia para la que est diseada la mquina. Este tipo de corriente se conoce como corriente alterna monofsica. Sin embargo, si la armadura la componen dos bobinas, montadas a 90 una de otra, y con conexiones externas separadas, se producirn dos ondas de corriente, una de las cuales estar en su mximo cuando la otra sea cero. Este tipo de corriente se denomina corriente alterna bifsica. Si se agrupan tres bobinas de armadura en ngulos de 120, se producir corriente en forma de onda triple, conocida como corriente alterna trifsica. Se puede obtener un nmero mayor de fases incrementando el nmero de bobinas en la armadura, pero en la prctica de la ingeniera elctrica moderna se usa sobre todo la corriente alterna trifsica, con el alternador trifsico, que es la mquina dinamoelctrica que se emplea normalmente para generar potencia elctrica.

Los generadores de corriente alterna de baja velocidad se fabrican con hasta 100 polos, para mejorar su eficiencia y para lograr con ms facilidad la frecuencia deseada. Los alternadores accionados por turbinas de alta velocidad, sin embargo, son a menudo mquinas de dos polos. La frecuencia de la corriente que suministra un generador de corriente alterna es igual a la mitad del producto del nmero de polos y el nmero de revoluciones por segundo de la armadura. Los generadores representan el equipo ms caro en un sistema elctrico de potencia y se encuentran sometidos, ms que ningn otro equipo del sistema, a los ms diversos tipos de condiciones anormales. Las razones que se exponen a favor de minimizar la cantidad de equipos de proteccin automtica son: - A razn de ms equipo automtico, mayor es el mantenimiento, y si el mantenimiento es defectuoso el equipo se torna menos confiable. - El equipo automtico puede actuar incorrectamente y desconectar el generador de forma innecesaria. - En algunas ocasiones, el operador puede evitar que un generador salga fuera de servicio en el caso de que su salida implique un trastorno significativo para el sistema elctrico al que se encuentra conectado. Asi la totalidad de las objeciones a los equipos de proteccin automtica no apuntan a que el rel no opere cuando debiera hacerlo, sino que lo haga incorrectamente poniendo al generador fuera del servicio. No puede negarse la gravedad que puede significar para un sistema elctrico la desconexin momentnea e innecesaria de un generador; pero tampoco puede evitarse ese dao mediante la falta de una proteccin necesaria. En casi la totalidad de los pases de nuestra Regin, la proteccin de los generadores frente a la posibilidad de daos significativos es ms importante que la proteccin a la continuidad momentnea del servicio del sistema elctrico al que estn conectados. Una consideracin a tener en

cuenta al analizar las protecciones de un generador y que no se manifiesta en los restantes equipos que conforman un sistema elctrico, es el hecho que la apertura de su interruptor principal es condicin necesaria, pero no suficiente para evitar la prolongacin de ciertos daos.

PROTECCIN CONVENCIONAL DE GENERADORES SNCRONOS

El sistema de protecciones de un generador sncrono se disea de acuerdo a su capacidad, tamao e importancia dentro del sistema de potencia. Para cada problema que presenta el generador hay un dispositivo de proteccin que se encarga de evitar los daos o percances que pueden provocar la salida de operacin de este. En la siguiente tabla se muestra la localizacin y los tipos de problemas que puede presentar un generador sncrono.

TIPOS DE PROTECCIONES DEL GENERADOR SNCRONO

2.1.1 Proteccin del estator 2.1.1.1 Proteccin diferencial para fallas entre fases Una falla de fase en el devanado del estator del generador es siempre considerada como seria debido a las altas corrientes encontradas y el dao potencial a los devanados de la mquina, as como a las flechas y el acoplamiento. Por lo tanto, es muy importante minimizar el dao debido a fallas en el estator. Para agravar esta situacin, la corriente de falla en un generador no se interrumpe cuando el campo del generador es disparado y el generador es separado del sistema. La energa almacenada en el campo contina alimentando la corriente de falla por varios segundos.

Un mtodo estndar para este tipo de fallas es la proteccin diferencial y comnmente se encuentra en unidades generadoras de 1 MVA en adelante. Para este tipo de generadores se utiliza el esquema de proteccin diferencial de porcentaje variable como se muestran en las figuras 2.1 y 2.2 [11]. Estos rels se identifican internacionalmente por el nmero 87 [8]. En estos elementos la pendiente puede variar desde 5% a 50%. Un rel de porcentaje fijo est normalmente entre el 10 y el 25%. Los transformadores de corriente usados en un esquema de rel diferencial deben tener preferentemente las mismas caractersticas; sin embargo, la proteccin diferencial de porcentaje variable es generalmente ms tolerante a errores de transformadores de corriente con altas corrientes. Debe notarse que usar la misma precisin normalizada no garantiza obtener las mismas caractersticas reales; las caractersticas reales deben, por lo tanto, ser verificadas.

2.1.1.2 Proteccin convencional para fallas a tierra El ncleo del estator se ve forzadamente comprometido cuando tiene lugar un cortocircuito entre fase y tierra de un generador, debido a que independientemente de la conexin del neutro del generador con respecto a tierra, la carcasa del generador se encuentra conectada a tierra. El dao que origina el cortocircuito a tierra en lminas del estator est sujeto a la intensidad de la corriente de cortocircuito y al tiempo que circula dicha corriente. La intensidad de la corriente que circula, para un cortocircuito de fase a tierra en el estator, est condicionada por el tipo de conexin que tiene el neutro del generador. Dicha intensidad es mxima en el caso en que el neutro est slidamente conectado a tierra y es mnima si el neutro se encuentra fsicamente desconectado de tierra . Las protecciones ms empleadas en estos casos son: A).- Rel diferencial: Para este tipo de falla es comn encontrar el rel diferencial 87N el cual est conectado para recibir una corriente diferencial en el circuito de la bobina de operacin mediante el transformador de corriente en los terminales (RCL) y corriente del neutro a travs del transformador de corriente (RCN) entre el neutro (3Io) del generador en su circuito de polarizacin (figura 2.3) .

La comparacin direccional es polarizada para asegurar que exista una restriccin positiva para una falla externa aunque los transformadores de corriente RCN localizados entre el punto neutro y aterrizaje y RCL ubicado en los terminales del generador, tienen caractersticas de funcionamiento sustancialmente diferentes. Este esquema proporciona excelente seguridad contra operacin incorrecta para fallas externas y proporciona una deteccin muy sensible de fallas a tierra internas. B).- Esquema de sobretensin/corriente de neutro. El esquema de proteccin ms ampliamente usado en sistemas puestos a tierra con alta impedancia, consiste en un rel de sobretensin con retardo de tiempo (59GN) conectado a travs del resistor de puesta a tierra para sensar tensin de secuencia cero, como se muestra en la figura 2.4. El rel usado para esta funcin est diseado para ser sensible a una tensin de frecuencia fundamental e insensible a una tensin de tercer armnico y a otras tensiones armnicas de secuencia cero, que estn presentes en el neutro del generador . Puesto que la impedancia de puesta a tierra es grande comparada con la impedancia del generador y otras impedancias en el circuito, la tensin total fase-neutro es vista a travs del dispositivo de puesta a tierra con una falla fase tierra en las terminales del generador. La tensin en el rel es funcin de la relacin del transformador de distribucin y del lugar de la falla. La tensin es mxima para una falla en terminales y disminuye en magnitud a medida que la falla se mueve de los terminales del generador hacia el neutro. Tpicamente, el rel de sobretensin tiene un ajuste de pickup mnimo de aproximadamente 5 V.

c. Proteccin convencional del 100%: La proteccin convencional para deteccin de falla a tierra del estator en sistemas puestos a tierra con alta impedancia es adecuada, pero slo proporciona proteccin sensible para nicamente alrededor del 90% del estator. Esto es debido a que la falla en el porcentaje restante del devanado, cerca del neutro, no causa suficiente tensin y corriente residual de 60 Hz para operar a estos rels. Es importante proteger todo el generador con un sistema de proteccin de falla a tierra adicional de tal forma que se cubra el 100% del devanado. Las tcnicas para la deteccin de fallas a tierra que cubran el 100% del devanado del estator pueden ser divididas en dos categoras: tcnica basada en tensin de tercer armnico e inyeccin de tensin residual o de neutro.

Tcnica basada en tensin de tercer armnico: Las componentes de tensin de tercera armnica estn presentes en las terminales de casi todas las mquinas en diferentes grados; se presentan y varan debido a las diferencias en el diseo y fabricacin. Si estn presentes en cantidad suficiente, estas tensiones son usadas por los esquemas de esta categora para detectar fallas a tierra cerca del neutro. Las tensiones de tercera armnica medidas en el neutro, en terminales del generador, o en ambos, son usadas para proporcionar proteccin (figura 2.5).

Las corrientes de tercer armnico en el generador se encuentran en fase y sus resultantes es el triple del valor del armnico (fundamental). Esta corriente pasa por el neutro y puede producir un disparo inesperado si el rel no incorpora un filtro que elimine el tercer armnico. En caso de falla externa, circula una

corriente por el esquema diferencial (para una proteccin convencional), y la tensin en bornes del rel es reducida. En el supuesto de falla interna, no puede establecerse esta circulacin de corriente y aparece una tensin elevada en bornes del rel de tensin. Este sistema no se ve afectado por el tercer armnico, las corrientes armnicas recorren de igual modo todos los transformadores de medida. Todos estos sistemas adolecen del mismo defecto. Si la falla es muy prxima al punto del neutro, es muy posible que la proteccin no detecte el desequilibrio de tensin o corriente producida. Si se quiere proteger el 100% de estator hay que buscar rels y sistemas ms complejos. Uno de estos sistemas consiste precisamente en trabajar con el tercer armnico. Cuando se produce un contacto a tierra del estator, la corriente del tercer armnico en el neutro, ser tanto menor cuanto ms cerca del neutro se produzca el contacto. En la figura 2.6 [9] se muestra el esquema de proteccin del 100% del devanado del estator basado en el tercer armnico.

Figura 2.6 Esquema de proteccin del tercer armnico

Por el neutro del generador circula la corriente del tercer armnico I3, que produce un voltaje de tercer armnico en la resistencia de puesta a tierra Rpt. El rel de mnima tensin que cubre el 100% del estator, dispone de un filtro que refuerza la tensin del tercer armnico. En cambio el rel de mxima tensin, que cubre el 90%, dispone del filtro de rechazo del tercer armnico. En condiciones normales, el contenido del tercer armnico mantiene abierto el contacto a. Para que se produzca el disparo es necesario que la tensin sea la de servicio, pues esto evita el disparo cuando la mquina est parada o cuando est regulando la velocidad. Inyeccin de tensin residual o de neutro: Otro sistema ms sofisticado consiste en la inyeccin de subarmnicos en la puesta a tierra del neutro [10]. Normalmente se trata de una tensin con una frecuencia distinta de la fundamental y que no coincida con ningn subarmnico. En condiciones normales, mientras no exista un contacto a tierra, apenas circula corriente de esta frecuencia. Solo en caso de contacto a tierra se cierra el circuito.

El esquema de inyeccin divide la resistencia de puesta a tierra en dos resistencias (R1 y R2), normalmente con una relacin N1:N2. En la resistencia de menor valor (R1) se inyecta la seal y en la resistencia de mayor valor (R2), se mide la tensin correspondiente a la frecuencia de inyeccin (normalmente un cuarto de la frecuencia fundamental).

2.1.1.3 Proteccin contra cortocircuitos entre espiras de igual fase y fases abiertas: Un cortocircuito entre espiras de una misma fase debe ser localizado y el generador desconectado del sistema, debido a que puede convertirse con facilidad en un cortocircuito de fase a tierra comprometiendo el ncleo del estator. Esta clase de cortocircuito no surge en grandes generadores que poseen una vuelta por fase por ranura; adems, no pueden ser detectados a travs de la proteccin diferencial longitudinal, debido a que sta se basa en el principio de comparacin serie, y en este caso, por ser una perturbacin serie no existe diferencia entre la corriente que circula por el comienzo de la fase y la que circula por el final. El sistema de proteccin que se aplica para esta clase de cortocircuito depende de la disposicin constructiva del generador. La proteccin difiere en el caso de un generador con dos enrollados por fase o con un solo enrollado por fase.

2.1.1.4 Proteccin contra sobrecalentamiento del estator:

Las principales causas del sobrecalentamiento del estator de un generador radican en: Desperfecto en el sistema de refrigeracin. Sobrecarga. Cortocircuito de varias lminas del estator. Es usual la proteccin contra sobrecalentamientos del estator mediante rels del tipo imagen trmica diseados para reproducir las condiciones de calentamiento que originan las corrientes estatricas y que al llegar a una cierta temperatura de ajuste cierra sus contactos. Esta proteccin cuenta con la desventaja de solamente operar para sobrecalentamientos originados por una sobrecarga y no protege contra los sobrecalentamientos producidos por desperfectos en el sistema de refrigeracin o por cortocircuitos de las lminas del estator. 2.1.1.5 Proteccin contra sobretensiones: La sobre velocidad originada por prdidas de carga o desperfectos en el regulador de tensin producen sobretensiones. Toda sobretensin asociada con una sobrevelocidad es controlada por un regulador automtico de tensin. No obstante, en las unidades hidrulicas, el flujo de agua no puede ser interrumpido o deflectado tan rpidamente y puede originarse una sobrevelocidad. En el caso de que la excitatriz se encuentre acoplada directamente a la mquina, la tensin tiende a crecer casi con el cuadrado de la velocidad.

Como consecuencia, suele instalarse una proteccin de sobretensin en generadores accionados por turbinas hidrulicas y tambin por turbinas de gas, pero no con turbinas a vapor. 2.1.2 Proteccin del rotor 2.1.2.1 Proteccin del devanado de campo contra cortocircuitos a tierra: Debido a que los circuitos de campo operan desconectados de tierra, un cortocircuito o contacto a tierra no ocasiona ningn dao ni afecta la operacin del generador. No obstante, la existencia de un cortocircuito a tierra incrementa la tensin a tierra en otros puntos del enrollado de campo cuando se inducen en ste tensiones debido a fenmenos transitorios en el estator. Como consecuencia, aumenta la probabilidad que ocurra un segundo cortocircuito a tierra. Si ocurre un segundo cortocircuito a tierra, parte del enrollado de campo estar cortocircuitado y la corriente en el resto se incrementar. Al cortocircuitarse parte del enrollado, debido a los dos cortocircuitos a tierra, se produce un desequilibrio del flujo en el entrehierro y esto origina un desequilibrio en las fuerzas magnticas en ambos lados del rotor. Dicho desequilibrio puede ser lo suficientemente grande como para torcer el eje del rotor y hacerlo excntrico, ocasionando vibraciones causantes de la rotura de descansos de pedestal, lo que origina que el rotor raspe contra el estator. Esta clase de falla origina daos muy extensos y costosos de reparar y capaces de dejar las mquinas fuera de servicio por perodos muy largos. A continuacin se muestran los mtodos de proteccin ms comunes ante este tipo de falla:

A).- Mtodo potenciomtrico: Este sistema abarca una resistencia con una derivacin central, la que se conecta en paralelo con el enrollado principal del campo. La derivacin central de la resistencia se conecta a tierra mediante un rel de sobretensin. Todo cortocircuito a tierra en el enrollado del campo originar una tensin mediante los terminales del rel. Dicha tensin es mxima para cortocircuitos que ocurran en los extremos del enrollado del campo, y se reduce a cero para cortocircuitos en el centro del enrollado (figura 2.8).

La desventaja de este sistema radica en que exista una zona de insensibilidad para cortocircuitos en el centro del enrollado de campo. Para conseguir detectar un cortocircuito en esta posicin, se suele desplazar la derivacin central mediante una botonera o interruptor.

B).- Mtodo de inyeccin de corriente alterna: Este sistema abarca un transformador de fuente auxiliar de corriente alterna y su funcionamiento implica que un extremo del primario de este transformador se conecta a tierra y en el otro extremo se conecta un rel de sobretensin y un condensador en serie a uno de los extremos del enrollado principal de campo. Al tener lugar un cortocircuito a tierra el circuito del rel se completa, siendo la corriente a travs del rel independiente de la tensin de la excitatriz y solamente una funcin de la resistencia en el punto del cortocircuito (figura 2.9).

Este sistema carece de zona de insensibilidad, pero posee la desventaja que siempre tiene lugar una pequea corriente de fuga que circula como consecuencia de la capacidad entre el enrollado de campo y masa del rotor (la que est conectada a tierra), y que puede tener consecuencias perjudiciales en los descansos de la mquina. La otra desventaja es que si llega a perderse la alimentacin auxiliar de corriente alterna, la proteccin se torna inoperativa. C).- Mtodo de inyeccin de corriente continua: Este sistema es similar al de inyeccin de corriente alterna y abarca un transformador/puente rectificador. El polo positivo de salida del puente se conecta a tierra, mientras que en el polo negativo se conecta un rel y hacia el polo positivo del enrollado principal de campo como se muestra en la figura 2.10. Este sistema posee todas las ventajas del de inyeccin de corriente alterna, sin la desventaja de la circulacin de las corrientes de fuga mediante los descansos del rotor.

2.1.2.2 Proteccin para circuito abierto: El circuito abierto en el rotor pocas veces sucede, pero de igual manera es necesario implementar una proteccin para esta situacin debido a que en la apertura se forma un arco elctrico que puede ocasionar daos en el ncleo del rotor. Un circuito abierto que no implique la tierra provoca una cada repentina de la corriente de campo que puede ser detectada por un rel de prdida de campo. 2.1.2.3 Proteccin contra sobrecalentamiento del rotor: La circulacin de corrientes de secuencia negativa en el estator de un generador, producidas por cortocircuitos asimtricos internos o externos al generador y cargas desequilibradas, originan un campo rotatorio que gira con una velocidad igual al doble de la sncrona con respecto al rotor e inducen en el hierro de este, corrientes de una frecuencia doble con respecto a la fundamental. Dichas corrientes originan un sobrecalentamiento del rotor y pueden producir importantes daos si el generador contina operando en esas condiciones. Esta situacin tiene lugar particularmente en los generadores accionados por turbinas a vapor con sus rotores del tipo cilndrico. 2.1.3 Otros tipos de protecciones 2.1.3.1 Proteccin contra sobrevelocidad: Es casi imposible que en un generador conectado a la red se produzca una sobrevelocidad, ya que estas se dan por fallo o lentitud del regulador. La deteccin de sobrevelocidad se puede hacer de forma mecnica, de un rel voltimtrico conectado al indicador de velocidad y tambin por un rel de sobrefrecuencia.

2.1.3.2 Proteccin contra vibracin: Se proporcionan contactos para disparar los interruptores principal y de campo si la vibracin es mayor que la asociada con transitorios de cortocircuito normales para fallas externas a la unidad. Algunas veces se utiliza tambin un esquema de verificacin de asentamiento de escobillas cuando stas son retrctiles. El esquema requiere dos escobillas con una fuente de energa, la cual por accin del rel indica si alguna de las escobillas no asienta y por lo tanto la deteccin de tierra no est funcionando. 2.1.3.3 Contra motorizacin: El efecto de un desperfecto en la mquina motriz es que el generador comienza a operar como motor tomando energa del sistema. El beneficio de instalar una proteccin contra motorizacin recae en la mquina motriz o el sistema elctrico y no en el generador. La seriedad de la condicin de motorizacin est sujeta al tipo de mquina motriz. En las turbinas de vapor, al ocurrir fallas en el abastecimiento de vapor, se produce un sobrecalentamiento como consecuencia de la friccin, con la posterior distorsin de los labes de la turbina. En turbinas del tipo condensacin la velocidad de subida de la temperatura es baja y no se requiere tomar una accin inmediata. No obstante, con unidades del tipo contra presin la temperatura puede aumentar rpidamente a niveles peligrosos. Por esto, debe tomarse una medida inmediata para evitar la motorizacin. En los motores diesel es adecuado instalar proteccin contra motorizacin, debido al peligro de incendio o explosin por el combustible no quemado. La proteccin contra motorizacin de generadores accionados por turbinas hidrulicas es adecuada en centrales inatendidas para evitar la cavitacin de los labes.

2.1.3.4 Contra prdida de excitacin: En el caso que un generador pierda su excitacin, trabaja como generador de induccin girando a una velocidad mayor a la sncrona. Los generadores con rotor cilndrico no estn adecuados para estas operaciones, debido a que no tienen enrollados amortiguadores que puedan llevar las corrientes inducidas en el rotor. El tiempo para alcanzar un sobrecalentamiento peligroso puede ser alrededor de 2 a 3 minutos. El estator de cualquier clase de generador sncrono puede sobrecalentarse debido a la sobrecorriente en los enrollados del estator mientras la mquina est operando como un generador de induccin. Algunos sistemas no pueden tolerar la operacin continuada de un generador sin excitacin. En el caso en que el generador no sea desconectado inmediatamente cuando pierde su excitacin pueden surgir problemas de inestabilidad y ocurrir una prdida de servicio mayor en el sistema elctrico, debido a que un generador sin excitacin adquiere potencia reactiva del sistema en una cantidad que puede ser dos a cuatro veces su potencia nominal. Adems, es probable que el generador antes de perder su excitacin haya estado entregando potencia reactiva al sistema. Como consecuencia de esta potencia reactiva tomada repentinamente del sistema y de la potencia reactiva que deja de entregar el generador, puede producirse una disminucin general de tensin en el sistema, la que a su vez, puede producir una gran inestabilidad a menos que otros generadores puedan automtica e inmediatamente tomar la carga reactiva adicional. Como consecuencia de lo expuesto, es recomendable la instalacin de un sistema de proteccin contra la prdida de excitacin. En el caso de que dicha prdida, sea originada por un desperfecto en la excitatriz, el circuito de campo permanece intacto y el rel no trabaja debido a que lo mantienen las corrientes inducidas producidas por el deslizamiento.

Protecciones auxiliares a los generadores Tablero de proteccin, medicin y sincronizacin del generador: El tablero de medicin, proteccin y sincronizacin para el generador, se debe instalar en el cuarto de control elctrico y contener como mnimo lo siguiente: Proteccin del generador: este tipo de protecciones se debe protecciones, son mas que nada tipos de endriamiento de los generadores, asi para evitar sobre calentamientos, y en todo caso evitar daos en el estator, rotor, embobinados, escobillas, carcasa.. etc. Los principales enfriamientos son los siguientes:

Generadores enfriados por aire:

Estos generadores se dividen en dos tipos bsicos: abiertos ventilados (OV, open ventilated) y completamente cerrados enfriados por agua a aire (TEWC, totally enclosed water to air cooled). Los generadores de tipo OV fueron los primeros construidos y que en algunas plantas de tamao pequeo se utilizan. El aire en este tipo de generadores pasa slo una vez por el sistema y considerable cantidad de materias extraas que pueden acumularse en las bobinas, interfiriendo la transferencia de calor y afectando adversamente al aislamiento. Se pueden usar filtros que puedan reemplazarse o limpiar, para mantener limpios los embobinados. En la siguiente figura se muestra un corte de un generador OV y el patrn de ventilacin.

Los generadores tipo TEWC (Figura N 78), son un sistema de enfriamiento cerrado, donde el aire recircula constantemente y se enfra pasando a travs del tubo del enfriador, dentro de los cuales se hace pasar agua de circulacin. La suciedad y materias extraas no existen en el sistema, y puesto que se tiene agua de enfriamiento disponible, la temperatura del aire puede mantenerse tan baja como se desee.

Generadores enfriados por hidrgeno:

Los generadores de mayor capacidad, peso, tamao y los ms modernos, usan hidrgeno para enfriamiento en vez de aire en circuito de enfriamiento cerrado. El peso del hidrgeno es aproximadamente 1/16 del aire y con una alta capacidad trmica, esto significa, que las prdidas de viento, se reducen por su uso y el calor removido y transferido a los enfriadores es satisfactorio. Cuando el hidrgeno se mezcla con el oxgeno en proporciones de 20 a 85% en total, la mezcla es explosiva, y se debe tener ciertas precauciones para evitar una avera. El enfriamiento convencional con hidrgeno puede usarse en generadores con capacidad nominal aproximada de 300 MVA o menos, mucho mayor a los generadores enfriados por agua (cuya construccin es mucho ms compleja) que llegan a un mximo de 250 MVA. Generalmente los generadores se construyen con sistema de enfriamiento por hidrgeno cuando son unidades con capacidades de 100 MVA o ms (Figura N 79).

Generadores enfriados por hidrgeno / agua

Pueden lograrse diseos de generadores aun ms compactos mediante el uso de enfriamiento con agua directo al devanado de la armadura del generador (Figura N 80). Estos diseos emplean torones de cobre a travs de los cuales fluye agua desionizada. El agua de enfriamiento se suministra va un circuito cerrado. El voltaje y la corriente de armadura de los generadores enfriados por hidrgeno / agua son bastantes mayores que los enfriados por aire o hidrgeno. Como resultado unidades de mayor capacidad tanto en los voltajes como en las fuerzas que experimentan las unidades generadoras. Esquema de protecciones elctricas: El generador debe contar con un esquema principal basado en protecciones diferenciales y con un esquema de respaldo para fallas de fase con relevadores. Adicionalmente, el sistema de excitacin debe contar con el recurso de desexcitacin rpida, que consiste en aplicar al campo un voltaje de polaridad inversa, para eliminar el campo sbitamente y por lo tanto, la aportacin de corriente de falla.

En la Figura 19.1 se muestra el esquema de protecciones requerido y en la lista se muestra la lista de protecciones que deben quedar habilitadas (esquema y lista ilustrativos ms no limitativos).

Figura 19.1 Esquema de protecciones requerido para el generador elctrico

Lista de protecciones que deben ser habilitadas en el generador elctrico

Referencias

IEC 60034-1:2004 Rotating electrical machines - Part 1: Rating and performance (Mquinas elctricas rotatorias - Parte 1: Rangos y desempeo).

NRF-019-PEMEX-2001 Proteccin contra incendio en cuartos de control que contienen equipo electrnico. NRF-052-PEMEX-2004 Rehabilitacin de generadores sncronos de polos lisos. Chapman, S.J. Mquinas Elctricas. Ed. McGraw-Hill/Latinoamericana, 2a Edicin, 1993. Std C37.102-2006 IEEE. Guide for ac generator protection. Mozina, C. J. IEEE Tutorial on the Protection of Synchronous Generators, IEEE Tutorial Course, IEEE Power Engineering Society Special Publication, No. 95 TP102, 1995. Ruiz, B. Proteccin del 100% del estator del generador sncrono ante fallos fasetierra utilizando el mtodo del tercer armnico. Tesis de Ingeniera Elctrica, Universidad Tecnolgica de Pereira, 2009.