NOMBRE: NORMANDO DOMÍNGUEZ RODRÍGUEZ. ÓSCAR MACHÍN ARMAS. ÓSCAR RODRÍGUEZ PEÑATE. ASIGNATURA: INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA II.
1.- PROTECCIÓN DE FALLO A TIERRA EN EL DEVANADO DEL ESTATOR.
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1.1.- Introducción.
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1.2.- Guías ANSI/IEEE de protección de generadores.
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1.3.- Puesta a tierra del estator de baja impedancia.
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1.4.- Puesta a tierra del estator con alta impedancia.
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1.5.- Métodos de protección para fallo a tierra en 100% del devanado del estator:
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1.5.1.- Técnicas basadas en la tensión de tercer armónico. 1.5.2.- Detección de fallos por el método de tensión residual.
2.- PROTECCIÓN DE FALLO A TIERRA EN EL ROTOR.
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2.1.- Introducción.
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2.2.- Método potenciométrico.
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2.3.- Método de inyección de corriente alterna.
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2.4.- Método de inyección de corriente continua.
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2.5.- Contra sobrecalentamientos del rotor.
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2.6.- Contra pérdida de excitación.
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1.- PROTECCIÓN DE FALLO A TIERRA EN EL DEVANADO DEL ESTATOR. 1.1.- Introducción: De forma general, los generadores síncronos se componen del estator que es la parte fina, el rotor que es la parte móvil que gira dentro del estator y el entrehierro o espacio de aire que los separa. En el estator existen bobinas que se representan en forma de tres devanados concentrados y desfasados 120º. Los tres devanados del estator se conectan normalmente en estrella, con un neutro que se conecta a tierra de diferentes formas, tal y como se muestra en la figura1.
Las averías internas de un motor eléctrico, como los contactos entre espiras y entre devanados son causados mayoritariamente por un contacto a tierra en el estator. Por ello se utilizan métodos de detección de estos contactos a tierra para evitar males mayores. Siendo los métodos de detección los siguientes: 1. Detectar contactos a tierra en todos los devanados. 2. Desconectar el generador de su alimentación lo más rápido posible, en caso de contacto a tierra. 3. Mantener las corrientes a tierra lo mas pequeñas posibles, evitando daños. 4. La selectividad de la protección debe ser tal que no se perturbe por causas exteriores.
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El método de alta impedancia de puesta tierra es el más utilizado; normalmente el generador se aterriza a través de un transformador y una resistencia secundaria o también con la resistencia directamente a tierra, tal como se muestra en la figura 1. Ante fallos a tierra del estator, se utilizan protecciones que miden la corriente por el neutro para determinar la presencia o no de fallo. Cuando el fallo a tierra ocurre muy cerca del punto de neutro, las corrientes no son suficientes para detectar la presencia de la situación anormal (2). Es por esta razón que se deben analizar otros métodos de protección no dependientes de la corriente, para proteger el 100% del estator de generador, tal como el método del tercer armónico. Un fallo inicial en el estator de un generador aterrizado con una alta impedancia no causa problema, pero un segundo fallo origina corrientes muy altas que afectan el núcleo, causando daños de un alto costo de reparación. La tensión generada por la máquina, medida en los terminales del estator, contiene componentes armónicos, debido a que las bobinas no está exactamente distribuidas en el estator. Entre los armónicos existentes solo se encuentran los de tercer armónico debido a la simetría del semiciclo positivo y negativo de la onda. Como resultado, los devanados del estator de generadores grandes son puestos a tierra de tal forma que reduzcan las corrientes de fallo y las sobretensiones y proporcionen un medio de detectar la condición de falla a tierra lo suficientemente rápido para prevenir el calentamiento del hierro. Dos tipos de puesta a tierra son ampliamente usados en la industria, los denominados como puesta a tierra de alta y de baja impedancia.
1.2.- Guías ANSI/IEEE de protección de generadores. C37.102 Guía para la protección de generadores de C.A. C37.101 Guía para la protección de tierra del generador. C37.106 Guía para la protección de frecuencias anormales para plantas de generación.
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1.3.- Puesta a tierra del estator de baja impedancia. Este método de puesta a tierra es ilustrado en la figura.
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El resistor o reactor de puesta a tierra es seleccionado para limitar la contribución del generador par un fallo SLG a un rango de corrientes generalmente entre 200 A y 150% de la corriente de carga nominal. Con este amplio rango de corriente de fallo disponible, los relés diferenciales de fase pueden proporcionar alguna protección de fallo a tierra con altos niveles de corrientes de tierra. Sin embargo, el relé diferencial no proporcionará protección de fallo a tierra para todo el devanado del estator. Por ello, es práctica común proporcionar alguna protección complementaria. La figura 2 es una ilustración de un esquema diferencial a tierra que puede ser usado para proporcionar esta mejora en la sensibilidad. El esquema usa un relé de aplicación es descrita completamente en la Referencia 5. El relé está conectado para recibir corriente diferencial en el circuito de la bobina de operación y corriente del neutro (3Io) del generador en su circuito de polarización.
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1.4.- Puesta a tierra del estator con alta impedancia. La puesta a tierra del neutro del generador con alta impedancia es ilustrada en la figura 3. Este es principalmente utilizado en sistemas en conexión unitaria, sin embargo, puede también ser usado en generadores cross-compound donde un devanado está generalmente puesto a tierra a través de alta impedancia.
La puesta a tierra del neutro del generador con alta resistencia utiliza un transformador de distribución con un valor de tensión primaria mayor o igual al valor de la tensión línea-neutro del generador y una tensión secundaria de 120 V ó 240 V. El transformador de distribución debe tener suficiente capacidad de sobretensión de forma que no se sature con fallos SLG con la máquina operada al 105% de tensión nominal. El resistor secundario es usualmente seleccionado de manera que para un fallo SLG en los terminales del generador, la potencia disipada en el resistor sea aproximadamente igual a los volts-amperes reactivos en la reactancia capacitiva de secuencia cero de los devanados del generador, sus conductores, y los devanados de todos los transformadores conectado a los terminales del generador. Usando este método de puesta a tierra, un fallo SLG es generalmente limitado de 3-25 amperes primarios. Como resultado, este nivel de corriente de fallo no es suficiente para operar los relés diferenciales del generador.
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1.5.- Métodos de protección para fallo a tierra en 100% del devanado del estator: La protección convencional para detección de falla a tierra del estator en sistemas puestos a tierra con alta impedancia ha sido discutido en la sección previa. Estos esquemas, aunque adecuados, sólo proporcionan protección sensible para únicamente alrededor del 95% del estator. Esto es debido a que la falla en el 5% restante del devanado, cerca del neutro, no causará suficiente tensión residual y corriente residual de 60 Hz para operar a estos relés. Es importante proteger todo el generador con un sistema de protección de falla a tierra adicional de tal forma que se cubra el 100% del devanado. Las técnicas para la detección de fallos a tierra que cubran el 100% del devanado del estator pueden ser divididas en dos categorías: Técnicas basadas en tensión de tercera armónica. Inyección de tensión residual o de neutro.
1.5.1.- Técnicas basadas en la tensión de tercer armónico. Las componentes de tensión de 3ª Armónica están presentes en las terminales de casi todas las máquinas en diferentes grados; se presentan y varían debido a las diferencias en el diseño y fabricación. Si están presentes en cantidad suficiente, estas tensiones son usadas por los esquemas de esta categoría para detectar fallos a tierra cerca del neutro. Las tensiones de tercera armónica medidas en el neutro, en terminales del generador, o en ambos, son usadas para proporcionar protección. Antes de discutir las técnicas y sus principios de operación, es importante ver las características de las tensiones de tercera armónica que usan estos esquemas como señales a los relés para la detección de fallos. La figura 4 muestra las tensiones del tercer armónico (V3RD) presentes en el neutro y terminales de un generador típico durante diferentes condiciones de carga: (a) bajo operación normal (b) para una fallo en el extremo del neutro y (c) para una fallo en los terminales del generador.
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Las siguientes observaciones pueden ser hechas a partir de la figura 4: 1.- El nivel de tensión de tercera armónica en el neutro y terminales del generador es dependiente de las condiciones de operación del generador. La tensión es mayor a plena carga que en condiciones sin carga como se muestra en la figura 4; sin embargo, dependiendo del diseño del generador, podría también ser al revés. 2.- Existe un punto en los devanados donde la tensión de tercera armónica es cero. La ubicación exacta de este punto depende de las condiciones de operación y del diseño del generador. 3.- Para un fallo a tierra en el neutro, la tensión de tercera armónica en el neutro se hace cero. Para una falla cercana al neutro, el nivel de tensión de tercera armónica en el neutro disminuirá y el nivel en las terminales del generador se incrementará. La cantidad de decremento o incremento depende de las condiciones de operación y de la ubicación de la fallo. 4.- Para un fallo a tierra en las terminales, la tensión de tercera armónica en las terminales, se vuelve cero. Si ocurre una falla cerca de las terminales de generador, el nivel de tensión de tercera armónico en el neutro se incrementará y el de las terminales disminuirá. La cantidad de decremento incremento depende otra vez de las condiciones de operación prevalecientes y de la localización del fallo. 5.- Los niveles de tensión de tercera armónica varían de una máquina a otra, dependiendo del diseño. Los niveles de tercera armónica de cualquier generador deben ser medidos con el generador conectado y desconectado del sistema de potencia, antes de instalar cualquier esquema de protección basado en tercera armónica, para asegurar que existen los niveles adecuados para operar los diversos elementos de protección.
Las técnicas basadas en el uso de la tensión del tercer armónica pueden ser divididas como sigue: • Técnica de baja tensión de tercera armónica en el neutro. • Técnica de tensión terminal residual de tercera armónica. • Técnica de comparador de tercera armónica.
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1.5.2.- Detección de fallos por el método de tensión residual. En la siguiente figura tenemos un bloque generador-transformador, en él el valor de V 0 es usualmente nulo, excepto cuando haya una falta a tierra. Tal falta se puede deber al alternador en sí o a algún bobinado.
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Ahora en una representación vectorial podemos entender lo que sucede perfectamente: Como puede apreciarse en esta figura, el Neutro y la Tierra están al mismo potencial. Éste es el estado de equilibrio de nuestro sistema. Observar que la tensión de fase a neutro es la misma que la de tierra a Neutro. Así mismo cada una de estas tensiones de fase coincide con la tensión que cae sobre cada bobinado del estator. Ver que la sumatoria de: V = V + V + V es nula al estar en equilibrio. n
R
S
T
Ahora supongamos que existe una falta a tierra en uno de los bobinados del estator, a una distancia ´x´ del neutro. Representada por la siguiente figura:
Lo que sucede a continuación es que ahora la Tierra queda desplazada del neutro y la corriente de falta ´In´ circula por Rpt generando una d.d.p. Notar que Vnt o tensión entre Neutro y tierra depende de donde ocurre la falta. Como siempre ´x´ representa distancia de la falta al Neutro en tantos por uno.
Finalmente, para mostrar como quedan las tensiones al desequilibrarse nuestro sistema tenemos la figura:
Vemos ahora que la suma de las tensiones entre fase t tierra ya no es cero, y que su resultante nos da el valor final de la tensión entre el neutro y tierra, de tal forma que podamos detectarla por cualquiera de los métodos explicados anteriormente. Comentar finalmente que ante el problema del tercer armónico, los fabricantes de los relés para Rpt incluyen en éstos un filtro adecuado.
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2.- PROTECCIÓN DE FALLO A TIERRA EN EL ROTOR. 2.1.- Introducción. Debido a que los circuitos de campo operan desconectados de tierra , un cortocircuito o contacto a tierra no ocasionará ningún daño ni afectará la operación del generador. No obstante, la existencia de un cortocircuito a tierra incrementa la tensión a tierra en otros puntos del enrollado de campo cuando se inducen en éste tensiones debido a fenómenos 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 estará cortocircuitado y la corriente en el resto se incrementará. Al cortocircuitarse parte del enrollado, debido a los dos cortocircuitos a tierra, se producirá un desequilibrio del flujo en el entrehierro y esto originará un desequilibrio en las fuerzas magnéticas en ambos lados del rotor. Dicho desequilibrio puede ser lo suficientemente grande como para torcer el eje del rotor y hacerlo excéntrico. Debido a esta excentricidad surgen vibraciones causantes de la rotura de descansos de pedestal, lo que ha originado que el rotor raspe contra el estator. Esta clase de fallo origina daños muy extensos y costosos de reparar y capaces de dejar las máquinas fuera de servicio por períodos muy largos.
2.2.- Método potenciométrico. Este sistema abarca una resistencia con una derivación central, la que se conecta en paralelo con el enrollado principal del campo. La derivación central de la resistencia se conecta a tierra mediante un relé de sobretensión. Todo cortocircuito a tierra en el enrollado del campo originará una tensión mediante los terminales del relé. Dicha tensión será máxima para cortocircuitos que ocurran en los extremos del enrollado del campo, y se reducirá a cero para cortocircuitos en el centro del enrollado. La desventaja de este sistema radica en que existirá una zona de insensibilidad para cortocircuitos en el centro del enrollado de campo. Para conseguir detectar un cortocircuito en esta posición, se suele desplazar la derivación central mediante una botonera o interruptor.
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2.3.- Método de inyección de corriente alterna. Este sistema abarca un transformador de fuente auxiliar de c. a. y su funcionamiento implica que un extremo del primario de este transformador se conecta a tierra y el otro extremo se conecta vía en relé de sobretensión 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 relé se completa, siendo la corriente a través del relé independiente de la tensión de la excitratriz y solamente una función de la resistencia en el punto del cortocircuito. Este sistema carece de zona de insensibilidad, pero posee la desventaja que siempre tiene lugar una pequeña corriente de fuga que circula como consecuencia de la capacidad entre el enrollado de campo y masa del rotor, la que está conectada a tierra, y que puede tener consecuencias perjudiciales en los descansos de la máquina. La otra desventaja es que si llega a perderse la alimentación auxiliar de c.a. la protección se torna inoperativa.
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2.4.- Método de inyección de corriente continua. Este sistema es similar al de inyección de c.a. y abarca un transformador puente rectificador. El polo positivo de salida del puente se conecta a tierra, mientras que el polo negativo se conecta vía relé y al polo positivo del enrollado principal de campo. Este sistema posee todas las ventajas del de inyección de c.a., sin la desventaja de la circulación de las corrientes de fuga mediante los descansos del rotor.
2.5.- Contra sobrecalentamientos del rotor. La circulación de corrientes de secuencia negativa en el estator de un generador, producidas por cortocircuitos asimétricos internos o externos al generador y cargas desequilibradas, originan un campo rotatorio que gira con una velocidad igual al doble de la síncrona con respecto al rotor e inducen en el hierro de éste corrientes de una frecuencia doble de la fundamental. Dichas corrientes originan un sobrecalentamiento del rotor y pueden producir importantes daños si el generador continúa operando en esas condiciones. Esta situación tiene lugar particularmente en los generadores accionados por turbinas a vapor con sus rotores del tipo cilíndrico.
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2.6.- Contra pérdida de excitación. En el caso que un generador pierda su excitación, trabaja como generador de inducción girando a una velocidad mayor a la síncrona. Los generadores con rotor cilíndrico no están 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 tan corto como 2 a 3 minutos. El estator de cualquier clase de generador síncrono puede sobrecalentarse debido a la sobrecorriente en los enrollados del estator mientras la máquina está operando como un generador de inducción. Algunos sistemas no pueden tolerar la operación continuada de un generador sin excitación. En el caso de que el generador no sea desconectado inmediatamente cuando pierde su excitación pueden surgir problemas de inestabilidad y ocurrir una pérdida de servicio mayor en el sistema eléctrico, debido a que un generador sin excitación adquiere potencia reactiva del sistema en una cantidad que puede ser 2 a 4 veces su potencia nomina. Además, es probable que el generador antes de perder su excitación 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 disminución general de tensión en el sistema, la que a su vez, puede producir una gran inestabilidad a menos que otros generadores puedan automática e inmediatamente tomar la carga reactiva adicional. Como consecuencia de lo expuesto, es recomendable la instalación de un sistema de protección contra la pérdida de excitación. En el caso de que dicha pérdida, sea originada por un desperfecto en la excitatriz, el circuito de campo permanece intacto y el relé no trabaja debido a que lo mantienen las corrientes inducidas producidas por el deslizamiento.
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