Derivaciones (canalizaciones) de grandes generadores

Este post se complementa con el publicado con el nombre: “Interruptores de grandes generadores”, disponible en el siguiente link:

https://imseingenieria.blogspot.com/2019/10/interruptores-de-grandes-generadores.html

Derivaciones (canalizaciones) de grandes generadores

Las derivaciones de los generadores son parte integrante de la instalación eléctrica en una planta generadora; estas derivaciones por regla general comprenden las siguientes componentes (foto de cabecera y figura 4):

• interconexión eléctrica del generador con el (los) transformador(es) principal(es), incluida la unión del punto de estrella (neutro) del generador;
• conductores de derivación a los transformadores de consumo propio y de excitación;
• montaje y conexión de los dispositivos de medición, señalización y protección de intensidad, tensión y otros valores de servicio; instalación y conexión de los aparatos de maniobra correspondientes; - equipos adicionales de servicio, como por ejemplo de puesta a tierra, un sistema para mantener la presión o una refrigeración forzada.

Figura 4:

Instalación de distribución de generador: 1, generador; 2, punto neutro del arrollamiento; 3. dispositivo de puesta a tierra y de corto circuito; 4, armario de medida; 5, transformador de excitación; 6, interruptor del generador; 7, celda de condensador y transformadores de medida; 8, transformador de autoservicio: 9, punto de dilatación de la derivación del generador: 10, descargador de sobretensión; 11 transformador de máquina.

Exigencias técnicas

El dimensionamiento de los generadores con tensiones nominales situadas entre los 10 y 30 kV y potencias máximas de 1300 MW, produce unas corrientes de servicio de hasta 40 kA. Al darse unas capacidades de tal magnitud, las canalizaciones de los generadores deberán soportar unas elevadas pérdidas térmicas y unos campos magnéticos considerables.

Adicionalmente, tales potencias de bloques pueden, conjuntamente con las altas potencias de derivaciones a red de los generadores, exigir el dominio de intensidades de corto circuito de hasta 750 kA.

Finalmente, la seguridad y disponibilidad de una derivación de generador deben corresponderse con el alto nivel de las otras componentes de la central eléctrica. Esto se refiere al aislamiento, así como a la protección contra sobretensiones, humedad y ensuciamiento.

Por lo tanto, las exigencias técnicas están determinadas por:

●         las temperaturas límites prescritas;

●         una suficiente resistencia contra cortos circuitos;

●         un apantallamiento magnético suficiente y un aislamiento y protección contra influencias externas.

Hay que añadir a lo anteriormente citado que este producto deberá construirse como sistema simple para una planificación y montaje racionalizados, con una técnica actual de montaje y conexión para máquinas, aparatos de distribución, medición, protección e instalaciones de servicio.

Formas constructivas

En intensidades nominales de hasta 4 kA las canalizaciones de los generadores se siguen construyendo en la mayoría de los casos todavía con barras ómnibus. La construcción más sencilla consiste en el empleo de barras planas o de sección en U de aluminio o cobre, colocadas al descubierto con una protección adecuada contra los con-tactos casuales, estando permitida su aplicación en recintos eléctricos cerrados.

Al colocar las barras dentro de un conducto común de aluminio, aquéllas se encuentran protegidas contra los contactos casuales y la contaminación. Se obtiene una medida de protección adicional al instalarse paredes intermedias, con lo cual se impiden cortos circuitos directos y una reducción de las fuerzas dinámicas entre fases.

No obstante, con estas formas constructivas, y al aumentar las intensidades nominales, las influencias indicadas a continuación serán más difíciles de eliminar.

• notables corrientes parásitas en los conductos con una distribución no homogénea y unos recalentamientos locales del material;
• calentamiento de las armaduras de hormigón y demás material conductor situado en las proximidades, debido al campo magnético de los conductores;
• elevadas fuerzas de fases principales y parciales en el caso de un corto circuito,

Actualmente, y para eliminar o compensar estas influencias, a partir de aprox. 5 kA, se emplean derivaciones de generadores compuestas de perfiles conductores tubulares (Al, Cu), las cuales se llevan sobre aisladores (resina fundida, porcelana), dentro de unos blindajes continuos, metálicos y monofásicos (Al).

Canalizaciones para generadores. Características y tipos

El blindaje monofásico es el tipo estándar, siendo además hermético, interconectado como conductor continuo, provisto de puesta a tierra y cortocircuitado trifásicamente en ambos extremos del conductor. Debido a ello, el sistema de blindaje-conductor trabaja de la misma forma que un transformador: cada corriente de conductor induce una corriente en el blindaje de la misma magnitud, pero de dirección opuesta (figura 5).

Con ello, este tipo tiene las siguientes características importantes:

•  protección contra los contactos casuales, con lo cual no se hacen necesarios recintos eléctricos cerrados;
• protección contra la suciedad y la humedad. Además, el mantenimiento queda limitado a una simple inspección visual;
• ausencia de campos magnéticos en la parte exterior del blindaje (ninguna fuerza de corto circuito entre las fases; no existen pérdidas de inducción en el material conductor situado en las proximidades, como p. ej. en los enrejados, barandillas, armaduras de hormigón, conductos y tuberías, etc.);
• reducción de posibles cortos circuitos a pérdidas a tierra.

Normalmente, los diversos tipos, comprenden ocho tamaños de hasta 25 kA, o hasta 40 kA con refrigeración de aire. El espesor de la pared de los tubos es variable. Tanto las dimensiones como los datos técnicos pueden ser deducidos de las tablas 3 y 4.

Figura 5:

Esquema de canalización de generador con conducción eléctrica de uniones desmontables blindadas: 1, corriente en blindaje; 2, corriente de conductor; 3, unión entre blindajes.

Tabla 3: Datos técnicos de canalizaciones de generadores (ejecución sin ventilación de aire)

Tabla 4: Dimensiones principales de canalizaciones de generadores 

Dimensionado

Los criterios a seguir para el dimensionado de una canalización de generador están determinados por los siguientes factores:

• intensidad de servicio;
• tensión de servicio;
• temperaturas de servicio;
• resistencia a los cortos circuitos;
• división de los grupos de la instalación;
• requisitos adicionales para diversos componentes e instalaciones de servicio.

La resistencia a las tensiones alternas y de choque de los diferentes grupos, así como de todos los tipos de aisladores, en estado húmedo y estado seco, son garantizados por los ensayos de tipo realizados según IEC. Adicionalmente, todos los aisladores son comprobados individualmente con tensión alterna, según las normas IEC. Las partes de la instalación no normalizadas están dimensionadas cumpliendo con las separaciones determinadas por las normas, esto hace innecesarias comprobaciones adicionales.

La corriente de servicio y la temperatura ambiente, así como las temperaturas máximas admisibles en el blindaje y en los conductores, determinan las dimensiones y el espesor de la pared de la canalización. Debido al desplazamiento de la corriente (efecto skin), ésta fluye principalmente a lo largo de la superficie del conductor. Los espesores de pared por encima de 20 mm apenas reducen más la resistencia a la corriente alterna, siendo por dicho motivo antieconómicos. Las dimensiones y la sección transversal de cada canalización son calculadas mediante programas de red calorífica y, en el caso de que haya que emplear ventilación, también lo serán las potencias de enfriador y ventilador. Las temperaturas límite mantenidas (temperatura ambiental 40 °C, blindaje 65 °C, conductores 85 °C) cumplen todas las normas de VDE, IEC y ANSI. Las pruebas térmicas de hasta 36 kA realizadas en canalizaciones de varias fases con los aparatos incorporados y las conexiones de máquinas correspondientes han confirmado en la demostración práctica el modelo matemático referido.

La resistencia al corto circuito exigida precisa un dimensionado suficiente en lo que respecta a las corrientes de corta duración y de choque, es decir, hacer frente a las considerables fuerzas mecánicas, así como al recalentamiento del conductor. La línea principal está sujeta únicamente a un fallo de corriente en el lado del generador o en el lado de la red de alimentación, pero la suma de ambos fallos de corriente puede producirse en las derivaciones y, por tanto, éstas son las partes más afectadas de la instalación en el caso de un corto circuito.

El blindaje y el conductor están sometidos a un esfuerzo mutuo de rechazo entre sí, ofreciendo los tubos coaxiales para estos casos la resistencia más favorable.

Una canalización principal, dimensionada de acuerdo con la intensidad nominal, tendrá inevitablemente una resistencia al corto circuito tanto térmica como dinámica mucho más elevada que la necesaria. Las líneas secundarias deberán ser dimensiona-das, por el contrario, para dicha intensidad de corto circuito y de choque, según normas, quedando con ello igualmente garantizado el mantenimiento de las temperaturas permisibles con la corriente nominal. La capacidad térmica de la intensidad de corta duración (1 s) queda situada en 80 ... 100 A/mm² (v. tabla 3). Mediante diversos ensayos de tipo de hasta 750 kA (onda) y 160 kA 4,6 s realizados en canalizaciones de generadores BBC de varias fases, incluyendo aparatos de conexión y demás accesorios de la instalación, ha quedado también demostrada en la práctica la resistencia a los cortos circuitos.

La división de los grupos de una canalización de un generador resulta de su disposición (tramos rectos, ángulos, ramificaciones, etc.), de las condiciones locales de acceso y montaje, así como de las longitudes máximas de aprox. 9 metros.

Construcción

Los conductores y tubos blindados están compuestos de material E-Al 99,5 F7-F10 (DIN 40 501), siendo moldeados por extrusión o, en el caso de grandes diámetros, laminados y soldados. Las uniones de dilatación —cintas de lámina en el conductor y fuelles de aluminio en el blindaje—, absorben las dilataciones debidas al calor en las secciones largas. La aplicación de esmaltes especiales en el blindaje y conductor mejoran sensiblemente la disipación del calor producido.

Tres aisladores de resina fundida, por cada punto de apoyo, sostienen y aíslan al conductor del blindaje, siendo éstos fácilmente desmontables desde el exterior. Según su ejecución, posibilitarán o, por el contrario, bloquearán el desplazamiento del conductor debido al calor en sentido del eje (axial). La alta resistencia de los perfiles tubulares permite una separación entre soportes de hasta aprox. 7 metros.

Las patas fijadas en el blindaje para su asiento sobre los bastidores pueden ser construidas igualmente como puntos deslizables o fijos, e independientes de los puntos de apoyo. También en este caso el perfil tubular permite una separación de las mencionadas patas de 10-20 m según sea el espesor de pared.

Las conexiones a las máquinas y a los aparatos de maniobra deberán absorber las tolerancias correspondientes y permitir un montaje sencillo, pero hermetizar también al mismo tiempo el punto de la unión contra el ambiente circundante. Este requisito se cumple mediante la utilización de cordones o cintas de lámina de cobre, atornillamientos antimagnéticos correctamente dimensionados, así como juntas blindadas elásticas. Esta construcción blindada es de especial importancia principalmente en las conexiones de las máquinas, debido a sus pequeñas separaciones entre terminales. En las instalaciones pequeñas y medianas, unos armarios del punto neutro y de terminales trifásicos, provistos de aperturas de montaje y mirillas de observación, facilitan el control y la accesibilidad a las conexiones. En lo que respecta a intensidades nominales más elevadas, únicamente una construcción con canalizaciones blindadas monofásicas podrá garantizar una compensación suficiente del campo magnético, la eliminación de corrientes parásitas y, con ello, unas condiciones de recalentamiento controladas.

Los transformadores de intensidad, destinados a la medición y protección, se construyen para ser montados en la caja de bornes o bien integrados en el punto apropiado dentro de la canalización, debiendo hacerse unos orificios en la conducción, para la instalación o extracción de los mismos. Los transformadores de tensión pueden estar incorporados en la canalización, o bien conexionados en unos armarios de medición separados a través de líneas de derivación. Esto es válido también para los condensado-res de protección para la limitación de las tensiones capacitivas.

Los descargadores de sobretensiones protegen al generador y a la canalización, incluso también contra descargas de tensión en el transformador; siendo, no obstante, sometidos en la mayoría de estos casos a un esfuerzo que sobrepasa el valor normal de la tensión de descarga. El empleo de descargadores a prueba de explosiones, así como una construcción correctamente calculada y comprobada de las carcasas de los descargadores, con un sistema de descarga de presión, garantizará la seguridad tanto del personal como de la instalación.

El dimensionado de la puesta a tierra se efectúa según norma VDE 0141, cumpliendo con ello también las normas internacionales más usuales (IEC, ANSI, BS). La corriente de pérdida máxima aceptable será la de derivación doble a tierra con 0,85 I’’_k3. El sistema de puesta a tierra de la derivación incluye la canalización de las tres fases en forma de línea colectora de tierra. Las secciones transversales de las canalizaciones son mayores que las previstas para las líneas de tierra; con ello, en caso de corto circuito a tierra, la carga térmica y la caída de tensión por contacto serán bajas. Otras líneas a tierra, y con ello la desventaja de formación adicional de circuitos a tierra, quedan suprimidos en gran parte; la canalización deberá ser unida únicamente con las conexiones de tierra del generador o del transformador, así como con la instalación de puesta a tierra de la central eléctrica. Los demás elementos, como por ejemplo los armarios de maniobra, etc., están unidos con la canalización y puestos a tierra, formando ramales.

El suministro de aire seco y filtrado a la canalización supone otra medida adicional factible para un aumento de la seguridad de servicio. Este aire seco y filtrado facilita en la canalización un intercambio de aire únicamente desde el interior hacia el exterior, evitando de esta forma un ensuciamiento; el grado de sequedad de este aire impide, además, la formación de condensación de agua. El aire de alimentación (aprox. 2 a 3 % del volumen de la canalización/hora), es obtenido a través de una válvula de reducción de 30 a 50 mbar de una instalación propia de aire a presión, de la red de aire a presión de la central eléctrica, o bien de un compresor que alimente interruptores.

A partir de aprox. 25 kA, se aplicará una ventilación forzada en circuito cerrado, con una refrigeración de retorno, mediante un intercambiador de calor agua-aire (fig. 6). Las velocidades de aire de hasta aprox. 25 m/s no requieren ningún dispositivo hidráulico o amortiguador de ruidos, aumentando por otra parte la capacidad de carga de corriente de los tipos sin ventilación en un valor de hasta el 100%. El grupo de refrigeración BBC está integrado en la canalización, formando un grupo para ser montado en la parte superior o inferior. Las partes activas, como el enfriador y el ventilador, existen por duplicado y, en caso de necesidad, se hallan inmediatamente disponibles mediante una conmutación motorizada. En caso de anomalía en la instalación de refrigeración, la canalización podrá soportar entre el 50 al 70 % aprox. de la corriente nominal.

Los conductores enfriados interiormente (como p. ej. los que tienen integrados un sistema de refrigeración por agua dentro del circuito de circulación de refrigeración del generador) hacen posible una considerable reducción de material. Por la mayor precisión técnica, por las mayores pérdidas de calor y por la escasa disponibilidad de una canalización de este tipo en el caso de fallo del grupo de refrigeración, la canalización refrigerada por aire será considerada como la solución más económica para corrientes de hasta unos 40 kA.

Figura 6:

Esquema de flujo del aire de refrigeración: 1, canalización del generador; 2, grupo de refrigeración con dispositivos de aireación a; ventiladores de reserva b; válvulas de conmutación a los ventiladores de reserva c; enfriador d; enfriador de reserva e; 3, válvulas de regulación para la distribución del caudal del aire; 4, circuito de circulación de agua refrigerante con válvulas motorizadas f para la alimentación del refrigerador y del refrigerador de reserva; 5, sustitución del aire de fuga mediante un elemento de filtrado y secado simultáneo g; 6, variante de 5: sustitución del aire de fuga procedente de la red de aire a presión a través de la válvula de reducción h y contador del caudal de aire i.

Para el ajuste de la protección del generador, así como para una puesta a tierra de trabajo, se hace necesaria la aplicación de dispositivos de puesta a tierra y cortocircuitado en la canalización. Puentes y piezas de unión accionadas manualmente serán suficientes para pequeñas instalaciones: en grandes instalaciones se recomiendan seccionadores de puesta a tierra motorizados. Estos pueden ser:

• accionados en aprox. 4 s de forma monofásica o con varias fases;
• con ensayo de tipo hasta 625 kA;
• suministrados a elección, con poder de corte para la remanencia del generador y con marcha en vacío.

FUENTE:

Manual de las Instalaciones de Distribución de Energía Eléctrica (BBC Brown Boveri)