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PROTECCION DE SISTEMAS ELECTRICOS ELECTRICOS DE POTENCIA POTENCIA

PROTECCION DE SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIA VI CICLO Sección A “PROTECCION DE MOTORES ELECTRICOS” ALUMNOS:    

PROFESOR:

COSSIO RUBINES; Oliver B. GUTIERREZ GONZALEZ, José L. MEDINA RAMIREZ; Saira N. ALVAREZ CCAHUA, Eber

CHILET LEÒN, César

FECHA DE ENTREGA: 12-06-2006

2006-I

PROTECCION DE MOTORES ELECTRICOS ELECTRICOS

PROTECCION DE SISTEMAS ELECTRICOS ELECTRICOS DE POTENCIA POTENCIA

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INTRODUCCIÓN La protección eléctrica es necesaria para detectar e iniciar de forma rápida la desconexión de los equipos en caso de fallas importantes asociadas a la planta y con menos urgencia para detectar condiciones de funcionamiento anormales que, en caso de persistir, podrían dañar la instalación. A la par del aumento de la potencia y el tamaño de las redes, aumenta también la necesidad de desconexión rápida y seguro en caso de fallo y disparar seguidamente el interruptor. Si no se desconecta el fallo, pueden producirse serios daños. La desconexión deberá hacerse selectivamente, es decir, que solo deberá desconectarse la parte de la red donde se encuentre el fallo. También es importante que los reles de protección puedan distinguir entre los casos de funcionamiento correcto e incorrecto. Se debe deben n evit evitar ar las las inte interr rrup upci cion ones es inju injust stif ific icad adas as.. Po Porr ello ello,, la protección no deberá reaccionar ante magnitudes inferiores a un cierto nivel, el límite de disparo.

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NECESIDAD DE LA PROTECCIÓN DE MOTORES Es asumible que los dispositivos motrices que han sido adecuadamente planificados, dimensionados, instalados, operados y ma mant nten enid idos os no han han de sufr sufrir ir aver avería ías. s. En la vida vida real real,, sin sin embargo, dichas condiciones rayan en lo ideal. La frecuencia de averías de los diferentes motores difiere, puesto que depende de las diferentes condiciones específicas de funcionamiento. Las estadísticas nos muestran que es de esperar unos intervalos de paradas paradas anuales anuales entre .5 a 4%. La mayoría mayoría de los problemas problemas son debidos a sobrecargas. Los fallos en el aislamiento de los cond co nduc ucto tore res, s, defe defect ctos os a tier tierra ra,, co cort rtoc ocir ircu cuit itos os entr entre e es espi pira rass o cortocircuitos en el bobinado, son debidos a una tensión excesiva, o también a la contaminación por humedad, aceite, grasa, polvo o productos químicos. El porcentaje aproximado de cada una de estas causas individuales es de: • • • • • •

Sobrecarga: 30% Daños del aislamiento: 20% Fallos de fases: 14% Daños en cojinetes: 13% Envejecimiento: 10% Daños en el rotor: 5%

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Otros: 8% En la siguiente tabla veremos las características de funcionamiento del motor, la protección que se requieren y sus aplicaciones en la industria. •

Características de Operación

Protección Requerida

Aplicaciones en la Industria Típicas

Condiciones normales de arranque y operación: Aplicaciones que usan motores con corrientes típicas de arranque y de plena carga, instaladas en sistemas de suministro eléctrico estable.

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Sobrecarga Cortocircuito Perdida de fase

Arranque y operación especiales: Aplicaciones con altas inercias que requieren tiempo adicional para que el motor llegue a la velocidad nominal, carga variable o intermitente, uso de arranque a tensión reducida variadores de velocidad.

Carga optima del motor: Aplicaciones con operación intermitente, carga variable, operación continua o requisitos específicos de eficiencia.

Condiciones ambiéntales Rigurosas: Aplicaciones con alta humedad, lavados frecuentes, amplia variación de temperatura ambiente y atmósferas con alta concentración de polvo y otras partículas.

Comunicaciones Aplicaciones de control de proceso donde se requieren datos en tiempo real, datos histéricos, funciones de medición y diagnósticos para optimizar el

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sobrecarga clase 10, 15, 20 o 30 Cortocircuito Periodo de fase

Sobrecarga clase 10, 15, 20 o 30 Cortocircuito Pérdida de fase Sobre temperatura Subtensión Carga Baja Sobrecarga clase 10, 15, 20 o 30 Cortocircuito Pérdida de fase Sobre temperatura Subtension Carga baja Falla a tierra Condensación del motor Sobrecarga clase 10,15, 20 o 30 Cortocircuito Perdida de fase, Sobre temperatura Subtension Carga baja Falla a tierra

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Maquinaria de envasado Puertas elevadas Máquinas herramienta

Centrifugas Mezcladoras Rodillo y prensa Trefiladotas Transportadoras cargadas Sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Minería, trituradoras de rocas, transportadores Montacargas y grúas Ventiladores Bombas sumergibles

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Textil y procesamiento de fibras - Minería y metales fundición y laminado - Manej9o de materia a granel - Procesamiento de alimentos.

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Procesamiento químico y petroquímico, bombas - Tratamiento de aguas residuales, bombas - Sistemas de calefacción, ventilación y aire


proceso.

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Condensación del motor Bloqueo

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acondicionado Procesamiento de alimentos integrado de computadora/sistema s Motores grandes Motores eléctricos

Por lo tanto, se han de observar los siguientes puntos para garantizar un trabajo libre de averías por parte de un dispositivo motriz eléctrico: •

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Diseño adecuado, se ha de seleccionar el motor adecuado a cada aplicación. Operación profesional, la instalación profesional y el mantenimiento regular son condiciones previas para una operación libre de averías. Adecuada protección del motor, esta ha de cubrir todas las posibles áreas de problemas. •

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No se disparará antes de que el motor se encuentre en situación de riesgo. Cuando dicha situación se dé, el dispositivo de protección se activara antes de que se produzca cualquier tipo de daño. Si el daño es imprevisible, el dispositivo de protección se activara rápidamente para restringir al máximo la extensión de los daños.

A continuación se presenta cuadro resumen con las condiciones adversas más frecuentes que podrían afectar la operación de un motor eléctrico y una guía de los dispositivos de protección diseñados para salvaguardar el motor y su maquinaria asociada. En cada caso el dispositivo se inserta en la línea o circuito del motor a ser protegido.

Condiciones adversas

Bajo voltaje

Condiciones adversas Esta condición puede causar que el motor trabaje forzado o se detenga y cause sobrecalentamiento. Esto induce que el motor se deteriore o se queme.

Protección El relé de bajo voltaje desconecta el motor de la fuente de energía, con la capacidad de restablecer el suministro cuando el voltaje vuelva a su condición normal.


Recierre automático del sistema de distribución, después de la pérdida inicial

Desbalance en el nivel de tensión

Pérdida de una fase del sistema

Inversión de la fase

Esta condición es especialmente peligrosa para los motores que operan cargas de compresores. Porque la reenergización de los motores con cargas pesadas puede ocasionar sobrecalentamiento, lo cual induce una disminución en la vida útil del motor o provoca que se queme. Esta condición ocasiona que la temperatura se incremente en el embobinado del motor, lo que causa una disminución en la vida útil y desperdicio de energía. Esta es la peor condición de un desbalance de fase. Puede ocurrir cuando un fusible se quema. Esta condición puede causar sobre calentamiento, lo que induce un deterioro en la vida útil del motor. Si esta condición permanece un periodo de tiempo largo, causará que el motor se queme. Esta condición ocasiona que los motores roten en dirección opuesta, lo cual puede causar lesiones al personal de operación y desperfectos al equipo.

Un relé temporizado podría prevenir la reenergización del motor, cuando se restablece el suministro de energía eléctrica. Este relé debe ser ajustado en el tiempo de tal manera que el compresor regrese a su condición de operación adecuada, antes de que reinicie su operación. Un relé de desbalance trifásico (relé de secuencia negativa) para desconectar la fuente. El ajuste y calibración de este relé requiere de ayuda profesional.

Relé de pérdida de fase para desconectar la fuente, hasta que las condiciones vuelvan a la normalidad

Relé de protección de inversión de fase para desconectar la fuente.


Sobre corriente

Sobrecarga (Stalling)

Relé de sobre corriente Corrientes excesiva en para dar una alarma o el circuito provocan desconectar el motor sobrecalentamiento y de la fuente, hasta que deterioro en la vida útil las condiciones vuelvan del motor. a la normalidad Esta condición ocurre cuando el motor no tiene la capacidad para mover la carga conectada. Esto causa un calor excesivo en el motor, lo cual induce un deterioro en la vida útil del motor y/o que el motor se queme.

Relé sobrecarga (stalling) para desconectar el motor de la fuente.

PROCEDIMIENTO A continuación se realiza la implementación de la protección de un motor con las siguientes características utilizando un Relè de protección que en este caso en el Relè MULTILIN 269 Plus de GE. El 269 Plus es un producto con microprocesador diseñado para proporcionar la protección completa y exacta para los motores industriales y sus sistemas mecánicos asociados. El 269 Plus monitorea las temperaturas de la bobina del rotor y del estator y apagan el motor cuando se exceden los límites termales. También cierra el motor cuando detecta una condición potencialmente perjudicial o peligrosa. Todas las entradas de RTD no solo son usadas para la protección de la bobina del estator, también pueden tener ajustes individuales para las funciones de supervisión de temperatura. Esto permite que el motor, los cojinetes y demás se supervisen por el Relè. Algunas opciones de Protección y control Temperatura excesiva de la bobina del estator Sobrecargas 8 curvas estándares de la sobrecarga Sobrecarga definida por el usuario Rotor bloqueado Desequilibrio/desbalance de carga. Cortocircuito Falla a tierra Mínima carga Pérdida de Fase Tiempo variable del cierre • • • • • • • • • • •


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Relè principal trabado de Disparo, relè de alarma. 2 relès auxiliares advertencias de alarma de Pre-Trip

El relé digital 269Plus de General Electric, cuenta con un software el cual permite tener acceso desde un PC, mediante un interfaz RS232 y de esta manera podemos realizar todos los cambios de parámetros desde la PC. Comunicación entre el Rele de proteccion y la PC por medio de un convertidor RS232/RS485.

En las figuras siguientes se presenta imágenes que correspondes al entorno del software GE Power Management – 269PC

VISTA GENERAL DEL ENTORNO DEL SOFTWARE GE Power Management – 269PC

Esta imagen corresponde a la vista general del software, de donde podemos acceder a cualquiera de los parámetros para poder modificarlo o ver el estado de funcionamiento las protecciones que se esta utilizando.

VISTA DE LA OPCIÓN Setpoints/Motor Ampers


En esta vista puede ser accedida desde la opción Setpoints/Motor Amps, en la cual se puede configurar opciones como corto circuito, fallas a tierra, baja corriente, etc.

En esta vista CT Imputs, se configura los transformadores de corriente, específicamente su relación de transformación, para nuestro caso los transformadores tienen la relación de 100/5 Amps.

En esta vista de Motor Specs permite configurar las corriente nominal, número de arranques por hora, la corriente pico de arranque, el tiempo de aceleración y la forma como el Relé va actuar frente a las fallas de los parámetros antes mencionados.


En la vista de Current U/BN, podemos configurar el porcentaje de desbalance admitido por el motor, tanto para que actué ALARM o TRIP después del un tiempo (Relay), el cual tienes que estar relacionado con el motor, para que este no sufra ningún daño por el desbalance.

En esta vista de Ground Fault, podemos configurar la corriente de falla a tierra que va ser admitida por el Relé, tanto para que actué después de un tiempo (Delay) como ALARM o TRIP.


En la vista de Undercurrent, podemos configurar la configurar la mínima corriente que va admitir el motor, este caso se puede dar por una disminución o perdida de carga, tiene dos opciones, la cual permite que actué como TRIP o ALARM, después de un tiempo de producido el evento.

Esta vista de Short Circuilt, permite configurar la corriente de cortocircuito admita por el motor, como también el tiempo y la forma de actuar el relé, una vez producida la producida la falla.


En esta vista de Other, permite configurar el porcentaje de sobrecarga admitida del motor y la forma de actuar cuando se produce este el evento.

VISTA DE ACTUAL VALUES En la vista de de ACTUAL VALUES, nos permite ver en tiempo real el estado del motor, como su corriente a la que esta operando, porcentaje de desbalance, el histórico de fallas o operaciones del motor, etc.


En esta vista de Status, podemos observar si el motor esta en operando o si a actuado alguna de las protecciones y el motivo correspondiente.

En esta vista de Phase Current Date, nos permite observar la corriente a la que el motor esta operando como también su temperatura, porcentaje de desbalance o la corriente de juga a tierra.

En esta vista de Motor Capacity Data, nos permite observar si el motor esta operando a su carga nominal


En esta vista de Atatistical Data, nos permite ver el histórico de operación y fallas del motor, esta aplicación solo permite registrar fallas de tipo TRIP, mas no el numero de operaciones de Alarm, los registros que se puede observar son el numero de arranques, horas de operación, numero de fallas totales, falla por sobrecarga, falla a tierra, falla de por sobre temperatura, falla por corto circuito, falla por baja corriente, ect.


En esta vista de Product Information, se puede observa las características del relé como su numero de serie, versión de firmware , modelo del relé, etc.

En esta vista de podemos observar las corrientes de cada fase, porcentaje de sobrecarga del motor, otra operaciones que podemos realizar desde este vista son reset del relé después de una falla, como también borrar el históricos o estadísticas de fallas registradas.


En esta vista de Trending, permite registrar los valores tanto de corriente por fase, temperatura del estator o corrientes de falla a tierra, lo cual puede ser impreso para su análisis.

VISTAS DE LA SIMULACIÓN DE PRUEBAS DEL RELÉ Estas vistas representas a las diferentes pruebas que fue sometido el relé.

En esta vista de Custon Curve, se observa la curva de protección del relé, esta curva puede ser variada por el operador de acuerdo a las características que se ajuste al motor a proteger.


En esta vista de falla se observa, que actúa la Alarm del relé falla de baja de corriente y muestra que va actuar abrir el circuito después de un tiempo de 227 seg.

En esta vista de falla se observa, que actuó el del relé por una falla de sobre corriente, y muestra el tiempo que no va a permitir que el motor pueda ser puesto en marcha, este tiempo esta en relación con el tiempo necesario para que el motor pueda enfriarse hasta que llegue a su temperatura normal de funcionamiento.


En esta vista de falla muestra, que el relé actúo por una pérdida de la tercera fase de la alimentación del motor. Aquí se puede observar que por la falta de esta fase las otras dos fases están asumiendo la carga y por tanto se eleva la corrientes por dichas fases; gracias a la protección este del Relé esta falla es detectada y abre el circuito de alimentación al motor sacándolo de servicio.

En esta vista de falla, se observa que el relé actuó por que su tercera fase se estuvo a tierra, esto puede ser producido por fallas en el circuito de potencia como por ejemplo un falso contacto en algún terminal.


En esta vista de Pre-Trip Date, se observa la última falla por la que el relé opero, esto nos sirve para registrar cual fue la ultima falla y buscar la posible causa e instalar la protección necesario para evitar fallas por esta causa en el futuro.

En esta vista de Status, se puede observar el estado actual del motor o si actuó por alguna falla como lo de muestra la figura, en este caso el relé activo la Alarm por una falla desconocida.


En esta vista de falla, se puede observar que el relé opero abriendo el circuito de alimentación al motor por una falla de baja corriente.

Los RTD son sensores de temperatura resistivos. En ellos se aprovecha el efecto que tiene la temperatura en la conducción de los electrones para que, ante un aumento de temperatura, haya un aumento de la resistencia eléctrica. .


A través de esta condición el RTD manda una señal de corriente la cual es sensada por el Relé de protección, el cual manda una alarma por posible sobrecarga, desgaste mecánico de las chumaceras o armónicos en la red. A continuación presentamos la configuración de los RTDs y la activacion de ellos mismos

En este cuadro se presenta la temperatura o falla del motor a través de los RTDs ya que nos presenta un indicador para cada RTD, haciendo un monitoreo constante de la temperatura del motor, esto hace mas sencillo la detección de la condición anormal de funcionamiento pues cada RTD se ubica en puntos estratégicos del motor sin dejar un punto sin protección.


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