COORDINACION DE PROTECCIONES Tarea Protección a maquinas eléctricas rotatorias
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Prof. I ng. M iguel An gel gel J uarez Reque Requena na Rangel H erná ern ández H ebe eberr D avid. 28 de Abril del 2015
INTRODUCCIÓN La protección de los equipos rotativos implica la consideración de más fallas posibles o condiciones anormales de funcionamiento que cualquier otro elemento del sistema. Aunque la frecuencia de falla, en particular para generadores y motores grandes, es relativamente baja, las consecuencias en el costo y el rendimiento del sistema son a menudo muy graves. Paradójicamente, a pesar de muchos tipos de falla que son posibles, los principios de aplicación de la protección son relativamente simples. No hay ninguna de las complicaciones que requieren un plan piloto. Estas fallas implican cortocircuitos que se detectan normalmente por algún tipo de diferencial o relé de sobre-corriente. Muchos de los fallos son de naturaleza mecánica y el uso d e dispositivos mecánicos tales como límite, la presión o interruptores de flotador, o dependen de los circuitos de control para eliminar el problema. Algunas de las condiciones anormales que deben ser tratados son los siguientes. 1. Fallas de bobinado: Estator - fase y falla a tierra 2. Sobrecarga 3. Exceso de velocidad 4. Voltajes y frecuencias anormales. Para los generadores debemos tener en cuenta lo siguiente. 5. Sobrexcitación 6. Motor y puesta en marcha. Para los motores que nos preocupa lo siguiente. 7. Stalling (rotor bloqueado) 8. Monofásico 9. Pérdida de excitación (motores síncronos). Desbalanceadas
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Hay, por supuesto, cierta coincidencia en estas áreas, en particular en las sobrecargas frente a fallas, corrientes desbalanceadas y una sola fase, etc. Por lo tanto, los relés aplicados para un peligro pueden funcionar para otros. Puesto que la solución a un fallo o anomalía dada no es la misma para todos los fallos o anomalías, se debe tener cuidado de que se aplica la solución adecuada para corregir un problema específico. En algunos casos de disparo de la unidad que se requiere; en otros casos, la reducción de la carga o la eliminación de algunos equipos específicos es la acción correcta. DESARROLLO FALLAS DEL ESTATOR
PROTECCIÓN D E F AL TA DE F ASE Si hay cortocircuitos en un devanado del estator, es una práctica habitual de utilizar la protección diferencial en los generadores nominales 1.000 kVA o superior y en los motores nominales 1.500 hp o más grande o nominal 5 kV y superiores. Equipo de rotación proporciona una aplicación clásica de esta forma de protección, ya que el equipo y todos los dispositivos periféricos asociados, tales como transformadores de corriente (TC), interruptores, etc., están generalmente en estrecha proximidad entre sí, minimizando así la carga y el posible error debido a los tramos largos de cable. Además, puesto que sólo hay una tensión involucrada, las proporciones y tipos de TC pueden ser los mismos, con característi cas coincidentes. Ellos deben dedicarse circuitos y no deben ser utilizados con cualquier otro relé, medidores, instrumentos o transformadores auxiliares sin un cuidadoso control sobre el efecto en el rendimiento de la TC. Las TC utilizados para el diferencial del generador se encuentran casi siempre en los buses y lleva inmediatamente adyacente al generador bobinado. Esto se hace para limitar la zona de protección por lo que un fallo en el generador es inmediatamente identificable para la evaluación rápida de los daños, la reparación y la restauración del servicio. Los buses propios se incluyen generalmente en su propio diferencial o en algún esquema diferencial general. En los circuitos diferenciales de motor, tres TC deben estar ubicados dentro del tablero con el fin de incluir a los cables del motor dentro de la zona de protección. Los otros tres TC se encuentran en la conexión del neutro del motor. Seis conductores deben ser llevados hacia fuera del motor: tres en el lado de cable entrante para conectar con el dispositivo de conmutación y tres en el motor neutral para dar cabida a los TC antes de realizar la conexión del neutro. Por encima de 1.500 hp esto es una práctica estándar de fabricación. Por debajo de 1.500 hp el suministro y las conexiones para los TC deben especificarse cuando se compra el motor.
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PROTECCIÓN DE F AL LA A T I ERRA El método de puesta a tierra afecta la cantidad de protección que se proporciona por un relé diferencial. Cuando el generador está sólidamente conectado a tierra, como en la figura 7.7, hay corriente de fase suficiente para una falla f ase-tierra para operar casi cualquier relé dif erencial. Si el generador tiene un neutro con impedancia para limitar la corriente de tierra, como se muestra en la Figura 7.8, hay problemas de aplicación de relé que deben ser considerados para los relés diferenciales que están conectados en cada fase. Cuanto mayor sea la impedancia de puesta a tierra, menor es la magnitud de la corriente de fallo y lo más difícil es para el relé diferencial para detectar fallas a tierra de baja magnitud. Si un TC y un relé están conectados entre tierra y el punto del circuito neutro, como se muestra en la Figura 7.9, se proporcionará protección sensible para una falla f ase-tierra desde el relé neutro (51N) ve todo de la corriente de tierra y se puede configurar sin tener en cuenta la corriente de carga. Como la impedancia de puesta a tierra aumenta, la corriente de falla disminuye y se hace más difícil de configurar un relé de tipo corriente. Cuanto menor sea la activación del relé, el más alto es su carga para el TC y el más difícil es distinguir entre fallas a tierra y tercer desequilibrio armónico normal. Esta corriente desbalanceada que fluye en el neutro puede ser de hasta un 1015% de la corriente nominal. Otra corriente de tierra falsa puede f luir debido a desbalances en el sistema primario.
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La corriente falsa de tierra total fluye a través del TC neutral y relé. Sin embargo, sólo la diferencia entre las corrientes secundarias fluirá a través del TC diferencial del generador. Dado que la corriente falsa de tierra es pequeña, no debería haber ningún efecto sobre la exactitud de los TC.
FA LL AS DE ROTOR Los circuitos de campo de motores y generadores modernos funcionan sin conexión a tierra. Por lo tanto, un único motivo en el campo de una máquina sincrónica no produce ningún efecto perjudicial inmediato. Sin embargo, la existencia de una falla a tierra enfatiza otras partes del devanado de campo, y la aparición de una segunda tierra causará desequilibrio grave, calentamiento del hierro del rotor y las vibraciones. La mayoría de las empresas operadoras de alarma en la indicación de la primera fall a a tierra y se preparan para quitar la unidad en un cierre ordenado en la primera oportunidad. Dos esquemas de detección tierra campo de aplicación común son como se muestra en la Figura 7.18. La tierra en el circuito de detección está conectado de forma permanente a través de la
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impedancia muy alta del relé y circuitos asociados. Si se produce una tierra en el devanado de campo o los buses y los interruptores de circuito externos al rotor, el relé acciona y activa una alarma.
CORRIE NTES DESBAL ANCEAD AS Fallas asimétricas pueden producir un calentamiento más grave en máquinas que fallas simétricas o funcionamiento trifásico equilibrado. Las corrientes de secuencia negativa que fluyen durante estas fallas desequilibradas inducen corrientes 120 Hz del rotor que tienden a fluir sobre la superficie de la forja del rotor y en las cuñas no magnéticas del rotor y los anillos de retención. La pérdida I2R resultante eleva rápidamente la temperatura. Si el fallo persiste, el metal se derrite, dañando la estructura del rotor. En el caso de motores, esa protección se r eserva generalmente para los motores más grandes. En los motores más pequeños, es más común el uso de un relé de balance de fase. Por ejemplo, en un relé electromecánico, se utilizan dos unidades de disco de inducción: un disco respondiendo a Ia + I b, el otro a I b + Ic. Cuando las corrientes se convierten suficientemente desbalanceada, el par se produce en una o ambas unidades pa ra cerrar sus contactos y disparar el interruptor apropiado. Relés de estado sólido y digitales pueden realizar de una manera similar al incorporar los elementos lógicos apropiados o algoritmos en su diseño.
SOBRECARGA Prácticas de protección son diferentes para generadores y motores. En el caso de los generadores, protección contra sobrecargas, si se aplica en absoluto, se utiliza principalmente para proporcionar protección de respaldo para fallas de bus o de salida en lugar de proteger directamente a la máquina. El uso de un relé de sobre corriente solo es difícil porque la impedancia síncrona del generador limita la corriente de falla de fallos sostenidos para aproximadamente el mismo o menor que el máximo o corriente de carga nominal. Protección de sobrecarga se aplica siempre a los motores para protegerlos contra el sobrecalentamiento. Motores fraccionales suelen utilizar elementos de calefacción termales como tiras bimetálicas adquiridos con el arranque del motor. Motores de potencia Integral utilizan relés de sobre corriente con retardo de tiempo. Sin embargo, curvas de calentamiento son difíciles de obtener y varían considerablemente con el tamaño del motor y el diseño. Además, estas curvas son un promedio aproximado de una zona termal imp recisa, donde se pueden producir diferentes grados de daño o la vida del aislamiento acortado. Es difícil, pues, para cualquier diseño de retransmisión a la aproximación de estas curvas variables de manera adecuada en el rango de la luz, las sobrecargas a severa sobrecarga de rotor bloqueado sostenida.
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Un motor que está girando se disipa más calor que un motor parado, ya que el medio de refrigeración fluye de manera más eficiente. Cuando se aplica el voltaje completo, un motor con un rotor bloqueado es particularmente vulnerable a los daños debido a la gran cantidad de calor generado. La falla de un motor acelera cuando las bobinas del estator son energizadas p ueden ser causadas por muchas cosas. Los fallos mecánicos del motor o los rodamientos, tensión de alimentación baja o una fase abierta de una tensión de alimentación trifásica son sólo algunas de las condiciones anormales que pueden ocurrir.
EXCESO DE VEL OCI DAD Exceso de velocidad no es un problema con los motores desde los relés de sobre corriente normales los protegerán.
BAJO VOLTAJE Baja tensión impide motores de alcanzar la velo cidad nominal en el arranque o les induce a perder velocidad y dibujar sobrecargas pesadas. Mientras que los relés de sobrecarga eventualmente detectan esta condición, en muchas instalaciones de baja tensión puede poner en peligro la producción o afectar controles electrónicos o digitales, en cuyo caso, el motor debe ser desconectado rápidamente. Protección de baja tensión de la línea es u na característica estándar de controladores de motores de corriente alterna. El contactor se desactivará de forma instantánea cuando la tensión cae por debajo de la tensión de retención de la bobina del contactor. Si la pérdida inmediata del motor no es aceptable, por ejemplo, en una planta de fabricación, el contactor debe tener una DC (o AC rectificado) de la bobina y un relé de mínima tensión de retardo de tiempo pueden ser utilizados.
CURVA DE ARRANQUE Las curvas características tiempo corriente de los motores están constituidas por las siguientes partes: a) Corriente a plena carga: Es el valor de la corriente que demanda el motor en condiciones de tensión, potencia y frecuencia nominales. Normalmente este dato aparece anotado en la placa del motor. En caso de que no se conozca, se pueden utilizar datos típicos proporcionados por los fabricantes. b) Corriente de magnetización: Es el valor de la corriente que circula a través de los devanados del motor, cuando este es energizado inicialmente. En forma aproximada su valor alcanza 1,76 veces la corriente a rotor bloqueado para motores de tensión media y alta y 1,5 veces para los motores de tensión baja, con una duración de 0,1 s. c) Tiempo de aceleración: Es el tiempo de transición entre la corriente de arranque y la de plena carga del motor. Depende de la capacidad nominal del motor, del par de arranque y de la inercia de la carga. d) Corriente a rotor bloqueado: Es la corriente del motor a velocidad cero. Si no se conoce su valor, se puede utilizar la letra código NEMA para determinarlo. e) Tiempo de atascamiento máximo permitido: El tiempo de atascamiento del rotor, representa en un motor, un punto en la curva límite de calentamiento, definido por I 2R la corriente de rotor bloqueado. Generalmente este valor lo proporciona el fabricante del motor. En la figura 3.2 se muestra la curva típica de un motor.
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Fig.: Curvas de arranque de un motor CONCLUSIONES Muchos cambios y modificaciones tanto en las protecciones y en nuestra instalación p ueden afectar varios parámetros, como cuando se modifica la impedancia conecta a tierra, ocasiona varios cambios a nuestras protecciones. Una de las cosas es que la mayoría de nuestras protecciones están basadas casi siempre en la corriente, ya que hasta cuando baja el voltaje, el motor se forza, o casionando mayor demanda de corriente, activando la protección. Un punto muy importante es que nuestra maquina se quede bloqueada, ocasionara serios daños, y una mala selección o calibración de nuestra protección ocasionando daños irreversibles como la fundición de varios materiales de nuestro equipo a proteger. BIBLIOGRAFÍA 1.
“Power
System Relaying” Stanley H. Horowitz, Arun G. Phadke, E ditorial: John Wiley & Sons, Ltd. 2. “ Network Protection & Automation Guide” Grid. Editorial: Alstom Grid. 3. “Coordinación de Protecciones para un Sistema Eléctrico Industrial ” Santana García Jorge. ESIME México.
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