En un sistema eléctrico, los alternadores constituyen un elemento claramente diferenciado del resto de equipos.
En el caso de que el sistema esté perturbado por cualquier causa (cortocircuito, pérdida de estabilidad, descenso de frecuencia, etc.) los alternadores han de mantenerse en servicio siempre que sea posible, en un intento de evitar el «apagón» general, de desastrosas consecuencias.
Por otro lado, los alternadoress, como máquinas rotativas, padecen los disturbios de la red de forma muy diferente a como los sufren el resto de equipos, no rotativos.
También pueden producirse averías internas en sus arrollamientos rotórico o estatórico. Algunas de estas averías, aunque de poca índole en cuanto a magnitud, son muy perjudiciales para la máquina.
1.- Componentes de un alternador
Un alternador se compone esencialmente de:
- Un rotor accionado por una turbina recorrido por una corriente continua que crea un campo magnético que gira con las bobinas del rotor.
- Un estator fijo dentro del cual gira el rotor, y el campo, constituido por bobinas montadas sobre un circuito magnético. Estas bobinas están recorridas por una corriente producida por la inducción. El bobinado está conectado a la red sobre la cual se evacúa la energía producida.
La parte más vulnerable de los alternadores está constituida por los aislantes que sufren solicitaciones:
- De orden mecánico:
- Esfuerzos centrífugos sobre los conductores del rotor.
- Vibraciones de conductores bajo el efecto de vibración del campo magnético,
- Esfuerzos electrodinámicos ejercidos entre los conductores,
- Esfuerzos debidos a la deformación de los conductores por variación de temperatura y a la diferente deformación de partes vecinas debida al calor (cobre, circuito magnético).
- De orden térmico:
- Degradación de los aislantes por efecto de calentamientos extremos (sobrecargas prolongadas o defecto de refrigeración).
- De orden eléctrico:
- Sobretensiones provocadas por maniobras o de origen atmosférico.
2.- Funciones de las protecciones en un alternador
Un alternador está equipado de numerosas protecciones que se complementan mutuamente. De una manera general:
- Todas las protecciones provocan la apertura del disyuntor de conexión a la red,
- Cuando una protección externa funciona el alternador queda con tensión y alimentando los servicios auxiliares,
- El funcionamiento de una protección interna provoca el disparo total del alternador: desexcitación rápida del alternador, falta de combustible, etc.
Los alternadores están protegidos contra fallos o condiciones anómalas siguientes (señalización sin disparo en algunos casos):
- Para el estator:
- Cortocircuitos entre conductor y masa (la masa está constituida por el hierro del estator y por toda pieza metálica en contacto con él),
- Cortocircuitos entre fases,
- Cortocircuitos entre espiras del arrollamiento sobre una misma fase,
- Cortocircuitos externos no eliminados,
- Elevación de tensión,
- Desequilibrio de carga,
- Sobrecargas.
- Para el rotor:
- Puesta a masa del circuito de excitación,
- Apertura accidental del circuito de excitación.
Ver esquema en el siguiente link:
2.2.- Clasificación de las protecciones en función de la potencia de los alternadores
Las protecciones varían en función de la potencia de los generadores.
Figura 1: Protecciones en generadores de potencia entre 20 y 100 MVA
Para los grandes alternadores, se instalan equipos de protección compactos, usualmente diseñados por el propio constructor de la máquina, que incorporan los relés de protección propiamente dichos, los transformadores auxiliares de intensidad y tensión, las fuentes de alimentación para los relés y las bobinas de disparo, el equipo de señalización, relés auxiliares y equipos de vigilancia de los circuitos de disparo.
Figura 2: Protecciones en generadores de potencia superior a 300 MVA
Para protecciones en minicentrales y autoproductores conectados a una línea de distribución M.T., se trata, normalmente, de generadores de muy baja potencia, alimentados por un salto de escasa altura. Estos generadores se conectan a una toma de distribución M.T. cercana. Las protecciones que incorpora el generador suelen ser las mínimas indispensables, pero deben añadirse algunas protecciones especiales que contemplen la forma en que el generador está conectado al sistema.
2.3.- Clasificación de las protecciones de un alternador según la naturaleza del defecto
Protecciones de un alternador según la naturaleza del
defecto
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Protecciones
externas
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Naturaleza del defecto
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Naturaleza de la protección
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Observaciones
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Sobrevelocidad
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Protección mecánica
de turbina
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Cortocircuitos
externos
Solicitaciones
mecánicas
Solicitaciones
térmicas
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Las corrientes de
cortocircuito permanentes están limitadas por la acción sobre la regulación
de la excitación.
Los alternadores
resisten los esfuerzos mecánicos producidos por un cortocircuito.
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Máxima intensidad
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Esta protección no
se utiliza actualmente ya que la sobreintensidad no representa por sí misma
un peligro.
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Sobrecargas
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Relé amperimétrico de máxima intensidad
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Poco empleado, pues
no representa las condiciones térmicas de funcionamiento del alternador.
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Sondas de control de temperatura del
bobinado del estator.
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Pares
termoeléctricos, sondas de variación de resistencia con la temperatura
conectadas a dispositivos de señalización. (inercia térmica de los
aislamientos).
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Imagen térmica del estator
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El relé es un
modelo térmico del estator (Ventaja d no tener sondas en el estator).
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Calentamiento del rotor
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Control de la
variación de la resistencia del bobinado del rotor con la temperatura.
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Sobretensión de frecuencia elevada
(rayo, arco a tierra)
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Ninguna
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Las redes están
equipadas para la protección contra sobretensiones de origen atmosférico:
conexión a tierra a través de autoválvulas o descargadores).
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Sobretensión de frecuencia industrial:
Maniobra
sobre la red
Descarga
brusca
Fallo del
regulador de tensión
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Relé voltimétrico de máxima tensión
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Desequilibrio entre
las tres fases de la red:
Ruptura de
fases sobre la red
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Protección
de desequilibrio
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Un relé amperimétrico detecta la
componente inversa de la corriente creada en la máquina por el desequilibrio.
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Protecciones internas
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Ruptura de
fases sobre el alternador
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Masa estator
Cortocircuito entre fases estator
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Protección de la masa funcionando sobre
corriente de tierra
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Ver Tabla 2
distintos esquemas posibles (puesta a tierra voluntaria y permanente del
neutro del alternador).
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Protección diferencial longitudinal
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Ver apartado 3.1
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Cortocircuito entre
espiras de una misma fase del estator
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Protección defecto entre espiras
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Ver Tabla 3
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Puesta a masa del rotor
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Rotor a masa
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Señalización de la
primera masa que aparece en el bobinado del rotor (ver apartado 3.2)
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Marcha fuera de
sincronismo
(apertura del
circuito de excitación)
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No existe
protección, solo señalización a partir del limitador de subexcitación.
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Tabla 1: Protecciones de un alternador según la naturaleza del defecto
3.- Protecciones internas del alternador
3.1.- Protección diferencial del estator
Esta protección detecta los defectos entre fases de un alternador. La protección diferencial controla la igualdad de las corrientes a la entrada y a la salida de cada fase del alternador.
Figura 3: Esquema de conexiones del relé diferencial
El relés está conectado de manera que reciba la diferencia de corriente, de donde se deduce el nombre de la protección, los relés utilizados son relés amperimétricos.
Figura 4: Funcionamiento del relé diferencial
La conexión esquematizada en la figura 3 es la misma para las tres fases.
3.2.- Protección de masa del rotor
El circuito de excitación de una máquina síncrona no está conectado a tierra: una puesta a tierra accidental de este circuito no constituye un cortocircuito. Al contrario una segunda puesta a masa sí lo provoca teniendo como consecuencia un desequilibrio y vibraciones. Es por esto que la primera puesta a masa debe ser señalizada con un dispositivo de alarma apropiado.
El detector de puesta a masa del rotor funciona no solamente con la puesta a masa del rotor, sino también con una masa o por una bajada importante del aislamiento, sobre todos los circuitos conectados al rotor: cables de conexión, inducidos de la excitatriz principal, etc…
El esquema más corrientemente utilizado es el siguiente, realizado ya sea en corriente continua, ya sea en corriente alterna; en los dos casos se conecta una fuente de corriente entre la masa y el circuito del rotor.
Figura 5: Esquemas de protección de masa del rotor
3.3 Sistema de realización de la protección de masa del estator del alternador
Tabla 2: Protecciones del estator a masa del alternador
Tabla 3: Protección contra defectos entre espiras de un estator de alternador
REFERENCIAS:
The English Electric Company Limited: Protective Relays Application Guide.-
ASINEL: Medidas y protecciones eléctricas
C.R. Mason.: El arte y la ciencia de la protección por relés.
IEEE 242: Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Sistems
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Excelente información, felicitaciones
ResponderEliminarMuy buen resumen,como siempre.
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