Relé de Protección Contra Potencia Inversa
Integrantes: Ricardo Fonseca (97022) Martin Gonzalez ( IN I N G − 224) Facultad de Ingeniería Universidad Nacional del Comahue 2012
Índice
I
Índice 1. Introducción
1
2. Objetivos
1
3. Potencia en los Generadores Sincrónicos
1
4. Principios de las mediciones y la obtención porcentual del valor de potencia inversa
2
A. Anexo
5
Referencias
6
Máquina Eléctrica
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1. Introducción
1
1. Introducción Los generadores representan el equipo más costoso en un sistema eléctrico de potencia, y se encuentran sujetos a los más diversos tipos de condiciones anormales. A partir de este hecho es que existen diversos riesgos a los que se encuentran expuestos los generadores. En particular en este trabajo se estudiará el caso de las protecciones antes fallas del sistema: de potencia inversa (motoreo). El efecto de un desperfecto en la máquina motriz es que el generador comienza a operar como motor, tomando energía del sistema en lugar de entregarla. Esto representa una situación de significativa gravedad, no solo porque el generador deja de entregar energía a la red y pasa a consumir energía de ésta, sino porque este cambio en el flujo de energía (o de potencia) puede afectar gravemente a la máquina motriz. El beneficio de instalar una protección contra potencia inversa, recae justamente en la máquina motriz (o en el sistema eléctrico) y no en el generador mismo. Por supuesto que la seriedad de la condición de potencia inversa está sujeta al tipo de máquina motriz. Para proteger los equipos ante este tipo de desperfecto se utilizan los llamados Relés de Potencia Inversa. Los relés de protección juegan un papel muy importante en la seguridad y en la confiabilidad de operación de los sistemas de potencia. Los sistemas de protección inseguros o defectuosos pueden empeorar la situación e incluso llevar a que el sistema deje de funcionar. Algunas de las causas que pueden provocar estas fallas son sobrecargas, flujos de potencia inversa, etc. Un esquema de protección típico consiste en un arreglo de varios tipos de Relés: de sobrecorriente, de corto circuito, entre otros. En los años 90 la mayoría de los Relés en los sistemas de potencia eran electromecánicos, luego reemplazados por los de estado sólido. Hoy en día ambos han sido reemplazados por los Relés digitales, los cuales ofrecen ventajas como mayor velocidad de operación, tamaños más reducidos, y mayor confiabilidad de operación en caso de fallas del sistema.
2. Objetivos Recopilar, mediante varios medios, toda información relacionada con el tema en cuestión “Relés de potencia inversa”. Diseñar un circuito capaz de detectar el caso de potencia inversa y actué accionando un relé, el cual desconecta al generador de la línea.
3.
Potencia en los Generadores Sincrónicos
La fuente de potencia mecánica, el motor primario, puede ser un motor diesel, una turbina de vapor, una turbina hidráulica o un equipo similar. El motor primario debe cumplir la propiedad básica de que su velocidad sea casi constante, independientemente de la demanda de potencia, de no ser así la frecuencia presentaría fallas en el sistemas de potencias. La potencia eléctrica real de salida del generador sincrónico se puede expresar en cantidades de fase como Pout = 3 · V φ · I A · Cos θ
(1)
Despresiando la resistencia del inducido R A (puesto que X S >> R A ), se puede aproximar la potencia de salida de generador. Observando el diagrama fasorial que se muestra en la Figura 1 el segmento vertical bc se puede expresar como E A sen δ o como X S I A cos θ . Por lo tanto I A cos θ =
E A X S
sen δ
(2)
Al sustituir la expresión en la ecuación 1 se obtiene P =
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3 V φ E A sen δ X S
(3)
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2
4. Principios de las mediciones y la obtención porcentual del valor de potencia inversa c
a
E A c bs IA
Vb
c
a
a
c
E A sen c = bs IA os a
b
I A
Figura 1: Diagrama fasorial simplificado donde se ha ignorado la resistencia del inducido. Si δ > 0 la potencia activa generada por la máquina es positiva y corresponde al funcionamiento como generador síncrono o alternador, de otro modo, si δ , < 0 recibe potencia activa de la red y por ello trabaja como motor síncrono entregando potencia mecánica en el eje. Tomando como convenio generador, positiva la potencia activa cuando la máquina suministra energía eléctrica a la red y negativa cuando la máquina toma energía de la red, funcionando como motor. [2] Debido a que E A sin δ es positivo cuando el generador entrega energía a la red, podemos determinar de la igualdad presentada en la ecuación 2 que el cos θ es positivo si el ángulo θ se encuentra entre − 90o y 90o , en caso contrario el generador tomará energía de la red cuando el mismo ángulo este comprendido entre 90 o y 270o . Por lo tanto podemos conocer si el generador se encuentra entregando o consumiendo energía con el desfasaje de la tensión con respecto a la corriente.
4. Principios de las mediciones y la obtención porcentual del valor de potencia inversa Considerando las señales de tensión y corriente como señales sinusoidales, como describimos en las funciones 4 y 5, La potencia instantánea media esta dada por la integral en un periodo, dividido por ese mismo periodo como se muestra en la función 6. v(t ) = V max · Sen(ω t )
(4)
i(t ) = I max · Sen(ω t + θ )
(5)
p(t ) =
1 T
·
T
v(t ) · i(t ) dt
(6)
Si graficamos la tensión y la corriente con un desfasaje ( θ ) entre − 90o y 90o , observamos que la potencia presenta un area positiva mayor que el area negativa ( Figura 2 ). Podemos decir que si la potencia es positiva y por lo tanto esta funcionando en condiciones normales, el area positiva es mayor al area de potencia negativa. Veamos ahora que sucede cuando el generador comienza a funcionar en condiciones anormales es decir con un desfasaje fuera de la región indicada anteriormente. Podemos ver en la Figura 3 que el area bajo la curva
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4. Principios de las mediciones y la obtención porcentual del valor de potencia inversa
3
] 2 t [ i e t n e 1 i r r o c y 0 ] t [ v n ó 1 i s n e T
2 0.
0.01
0.02
5 ] A V [ , ] t [ p a i c n e t o P
4 3 2 1 0 0.
0.01 Tiempo t, [segundos]
Figura 2: En condiciones normales ( θ =
0.02
36o ). En azul la tensión y en rojo la corriente.
de potencia es en su mayoría negativa, cuestión que nos permitirá detectar cuando el generador esta tomando energía de la red. Por lo tanto para obtener el porcentaje de potencia inversa en un periodo buscamos la relación entre el area de potencia negativa y el area de potencia total, expresado analíticamente, queremos encontrar Pinv[ %] =
Area potencia negativa Area de potencia total
· 100
(7)
De esta forma podemos obtener el porcentaje de potencia inversa en un periodo de señal. ] 2 t [ i e t n e 1 i r r o c y 0 ] t [ v n ó 1 i s n e T
2 0.
0.01
0.02
1 ] 0 A V [ , 1 ] t [ p a 2 i c n e t o 3 P
4 5
0.
0.01 Tiempo t, [segundos]
Figura 3: En condiciones anormales ( θ =
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0.02
126o ). En azul la tensión y en rojo la corriente.
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A. Anexo
5
A. Anexo
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Referencias
Referencias [1] Stephen J. Chapman. Máquinas eléctricas. 3a. ed. ISBN: 954-41-0056-4., Colombia, 2000. [2] Jesús Fraile Mora. Máquinas eléctricas. 5a. ed. ISBN: 84-481-3913-5., España, 2003.
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