miércoles, 29 de julio de 2015

Protección contra corrientes de secuencia inversa en grandes Generadores






En condiciones normales de estabilidad, el flujo en el entrehierro de un generador gira en la misma dirección y en sincronismo con el devanado de campo. Cuando en el sistema que alimenta se produce un cortocircuito a tierra o entre fases, el corte de una fase o un gran consumo monofásico, el generador funcionará con carga desequilibrada, en estas condiciones, la componente de secuencia negativa o inversa de la corriente, crea un campo giratorio que corta a la periferia del rotor a una velocidad doble de la de sincronismo, el efecto es como si de un frenado a contracorriente se tratara.

Si analizamos el problema desde el punto de vista mecánico, estas corrientes inducen fuerzas electromotrices que se oponen al giro normal del generador durante el tiempo que permanece el defecto.

Como el sentido de giro lo determina la turbina, los esfuerzos mecánicos se ejercen sobre el acoplamiento rotor-turbina. Los engranajes del reductor de velocidad funcionan como fusibles mecánicos, y se destruyen cuando se excede su capacidad, evitando así un daño mayor en los elementos principales como son la turbina y el propio generador.

Desde el punto de vista eléctrico las corrientes de doble frecuencia generadas circulan por la superficie del rotor donde se encuentran las cuñas y los anillos de retención.

-      El calentamiento de las cuñas da lugar a su flexión y la fuerza centrífuga del rotor terminará provocando su ruptura.
-       El calentamiento dilatará el anillo de retención liberándolo del cuerpo del rotor y provocará su desprendimiento.
En cualquier caso la avería del generador es grave y los medios de protección deben ser sensibles a la componente inversa de la corriente, se ha demostrado que los relés térmicos no son eficaces ante estos fenómenos.

Los fabricantes fijan límites al tiempo que una máquina puede trabajar en estas circunstancias, como una función del cuadrado de la corriente de secuencia negativa: K = I22t. El producto I22t es el cuadrado de la corriente de secuencia negativa (I22) y de la duración de la falta en segundos (t), la constante K es variable y depende del tipo de máquina con valores entre 5 para grandes turboalternadores y 40 para máquinas hidráulicas, lo que permite ajustar la característica del relé a la capacidad de la máquina a proteger.

El calentamiento del rotor no será excesivo siempre y cuando I22 t sea menor que K.

La figura 2 corresponde a las características I22 = f (t) de alternadores con diferentes sistemas de refrigeración.

Tipo de máquina
Refrigeración
Curva nº
(I2) permitida en % de In
K
(I22 t)
Turbo
Alternador
Hidrógeno
(directo)
2,1 kg/cm2
1
10
7
Hidrógeno
(convencional)
2,1 kg/cm2
2
15
12
Hidrógeno
(convencional)
1,05 kg/cm2
3
15
15
Hidrógeno o aire
(convencional)
0,035 kg/cm2
4
15
20
Polos salientes
Aire
(convencional)
5
40
60

Figura 2: Características I22t de diferentes tipos de alternadores

De la figura 2 se desprende que la capacidad de soportar desequilibrios en la corriente de fase está íntimamente relacionada con el sistema de refrigeración de la máquina.

Como protección para este fin, se emplean relés contra desequilibrios de fases o de máxima componente inversa (ANSI 46), obtenida a partir de un filtro de secuencia inversa como se representa esquemáticamente en la figura 3.

Figura 3: Protección contra corrientes de secuencia inversa

La magnitud de I2 se obtiene entre los puntos A y B, y se aplica a un relé con característica de tiempo extremadamente inversa, Fig. 4, lo que permite ajustarse a las características  de la figura 2. Estos relés suelen incorporar una unidad de alarma previa, que permite al operador intervenir en condiciones de débiles asimetrías.



         Figura 4: característica de tiempo de un relé de secuencia inversa

Ver regulación de protecciones en el post “Clasificación de las protecciones de un Generador según la naturaleza del defecto y sus regulaciones”


Disponible en pdf en la siguiente URL:


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