En este artículo se incluyen los sistemas de protección más utilizados en máquinas importantes en lo que a potencia se refiere.
Destacar que las descripciones de este texto no son exhaustivas y están limitadas a protecciones concretas.
Protección de Generadores
En un sistema eléctrico, los generadores constituyen un elemento claramente diferenciado del resto de equipos que constituyen el sistema. En el caso de que el sistema esté perturbado por cualquier causa (cortocircuito, pérdida de estabilidad, descenso de frecuencia, etc.) los generadores han de mantenerse en servicio siempre que sea posible, en un intento de evitar el corte general de suministro de energía eléctrica. Por otro lado, los generadores, 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 significación en cuanto a magnitud, son muy dañinas para la máquina
Clasificación en función de la potencia de los generadores
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
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.
Disparos de las protecciones
La actuación de las protecciones se debe traducir en acciones de disparo que estarán en función del esquema de conexionado del generador con el resto de equipos (transformadores elevadores, transformadores de arranque, barras, etc.) y del tipo de protección que ha actuado.
Como regla general, se puede afirmar que toda protección que detecta un cortocircuito debe disparar de forma instantánea los interruptores de máquina, excitación y bloquear la entrada de agua o vapor a la turbina. El resto de protecciones realizarán los disparos en función del esquema y de la posible gravedad del defecto detectado.
Cuando sea posible, interesa la parada gradual de la máquina en lugar del disparo, esto es, disminuir la carga para después desconectar el interruptor y evitar la sobrevelocidad con los consiguientes esfuerzos en el eje de la máquina.
En los generadores que no disponen de la posibilidad de quedar en «isla»*, el disparo del interruptor de máquina, sin previa reducción de carga, debe de ir acompañado del disparo del interruptor de excitación para evitar con ello sobretensiones peligrosas originadas por la pérdida brusca de carga y el tiempo de respuesta del regulador de tensión.
(*) en isla: funcionamiento de un generador aislado de la red pública de distribución
Consumo de vida por incidente
Protección de sobretensión
Se emplea para proteger las máquinas o los transformadores, en caso de servicio separado de red, frente a elevaciones excesivas de tensión, por funcionamiento anómalo del regulador de tensión o falsa maniobra con regulador manual.
Se incluye también esta sencilla protección en los turbogeneradores, ya que los reguladores de tensión, cada vez más complejos, pueden tener fallos de actuación. Por otro lado, los turbogeneradores poseen reactancias transitorias considerables que pueden ocasionar, en caso de desconexiones a plena carga, la aparición de puntas transitorias de tensión, que pueden estar próximas a las máximas solicitaciones de tensión admisibles en el generador y el transformador del bloque.
Figura 3: Protección de sobretensión
En un autoproductor, conectado en «T» sobre una línea de distribución, el relé de sobretensión es un relé de máxima tensión a tiempo independiente cuya principal finalidad es desconectar la central de la red en el caso de que la tensión de distribución alcance un valor elevado y sostenido. El relé de sobretensión suele conectarse a una tensión compuesta de forma que no le afecten las sobretensiones que se producen en las fases sanas en ocasión de falta a tierra.
Protección de subtensión
Esta protección se instala en minicentrales. Su misión consiste en detectar cortocircuitos polifásicos en la línea de distribución de media tensión. La mayoría de alternadores de estas minicentrales son de muy baja potencia, por lo que después del período subtransitorio su aportación de corriente al cortocircuito es, en general, débil y probablemente insuficiente para provocar el disparo de los relés de sobreintensidad.
Figura 4: Protección de subtensión
Tres relés de mínima tensión controlan las 3 tensiones compuestas del sistema -para detectar cualquier falta polifásica- y actúan independientemente sobre el interruptor.
Protección contra falta a tierra en la red exterior
Esta es también una protección típica de minicentrales conectadas a una línea de distribución M.T. Es usual que el transformador de la minicentral opere con neutro aislado a fin de no aumentar la corriente de falta a tierra en la red M.T.
En el supuesto de falta a tierra en la propia línea es preciso desconectar el generador de la minicentral para evitar que se mantenga el arco. La protección se basa en un relé de máxima tensión que mide la tensión residual -indicativa de desequilibrio a tierra- y tiene una temporización adicional de 5 a 10 s para lograr cierta selectividad en el caso de falta de tierra en otra línea de la red de distribución procedente del mismo embarrado.
Figura 5: Protección contra falta a tierra
Protección de cortocircuitos entre espiras
Los cortocircuitos entre espiras son roturas de aislamiento entre espiras pertenecientes al mismo arrollamiento o a arrollamientos paralelos de la misma fase.
Aparecen especialmente en alternadores con gran número de conductores por ranura, es decir, en unidades con tensión relativamente elevada y de baja potencia.
Las causas más corrientes de esos cortocircuitos son las sobretensiones producidas por fenómenos atmosféricos o deterioros mecánicos del aislamiento.
Cuando se produce un cortocircuito entre espiras pueden aparecer grandes corrientes de circulación, así como fuertes densidades de corriente; por ello tales defectos deben ser eliminados lo más rápidamente posible, a fin de evitar la destrucción de otras partes del bobinado.
A menudo, cuando se produce un cortocircuito entre espiras, también se produce un fallo de aislamiento contra el hierro del estátor, pudiendo provocar el funcionamiento de la protección contra defectos a tierra del estátor.
Figura 6: Neutro a tierra y varios arrollamientos por fase
Figura 7: Protección contra cortocircuitos entre espiras
Protección contra defectos en el estator
En el arrollamiento estatórico pueden ocurrir fallos entre fases, entre espiras y a tierra, entre ellas, la más perjudicial es sin duda el fallo a tierra. Cuando un fallo a masa se produce, además del daño en los conductores resulta perjudicado el núcleo, que bajo ciertos niveles de corriente de fallo obliga a reparaciones costosas. Es por ello, que resulta una práctica habitual, limitar en los generadores la corriente de fallo a tierra (por medio de resistencias o reactancias instaladas en el neutro del equipo) a valores del orden de pocas decenas de amperios como se indica en la figura 8.
Figura 8: Protección contra faltas a tierra de un generador
El límite de la corriente de fallo a tierra, no puede ser tan pequeño como se quiera, porque pueden producirse sobretensiones transitorias de importante valor, debido a ferroresonancia con las capacidades de fase a tierra del sistema.
Mediante ensayo se ha determinado que la resistencia de puesta a tierra del neutro no debería ser mayor que un tercio de la reactancia capacitiva mencionada, es decir:
Y si la resistencia se conecta al secundario de un transformador:
Con esta disposición, bastará conectar un relé de máxima tensión en los bornes de la resistencia para detectar la presencia de faltas a tierra en el estator.
Para máquinas de cierta importancia, es imperativo el empleo de protección diferencial que además de proteger contra fallos entre fases también lo hace para faltas a tierra. El circuito se dispone como se indica en la figura 13 mediante relés diferenciales de porcentaje. La pendiente de estos relés es del orden del 10% ya que siendo iguales los transformadores de intensidad instalados entre ambos lados de la protección, son las imprecisiones de intensidad de estos a nivel de faltas externas, los únicos factores a considerar. En cuanto a la característica de tiempo de estos relés, se utilizan unidades instantáneas de alta velocidad, aspecto éste fundamental a la hora de reducir al mínimo los daños después del fallo.
Cuando en un generador no están accesibles los seis terminales, no es posible el empleo de la protección diferencial. Para dar protección contra cortocircuitos es necesario contar con el aporte de corriente de falta desde el sistema, para ello se disponen relés de sobreintensidad direccionales para faltas fase-fase y uno de sobreintensidad no direccional para proteger contra faltas a tierra. Si el neutro del generador está puesto a tierra también el relé de tierra debe ser direccional.
Con el empleo de esta protección se puede evitar con antelación el contacto o cortocircuito entre espiras y sus catastróficas consecuencias. Por este motivo se debe intentar:
- Detectar contactos a tierra en toda la zona de los devanados, inclusive el centro de estrella,
- Desconectar el generador y su excitación lo más rápidamente posible, en caso de contacto a tierra en el estátor.
- Mantener las corrientes de contacto a tierra tan pequeñas que no produzcan daños en la chapa del estátor.
- Aumentar de tal forma la selectividad de la protección, que sea insensible frente a perturbaciones y contactos a tierra en la red.
Para cumplir con la premisa «baja intensidad de paso a tierra», se aconseja trabajar con el neutro de generador aislado o puesto a tierra a través de alta impedancia. En conexiones «en bloque», se tiene la ventaja de tener la máquina separada galvánicamente de la red externa, con lo cual las perturbaciones de la red no influyen directamente en la protección contra contactos a tierra en el estátor.
Protección contra desequilibrios o secuencia inversa
Cuando un generador funciona con carga desequilibrada, la componente de secuencia inversa o negativa de la intensidad, crea un campo giratorio que corta a la periferia del rotor a la velocidad doble de la de sincronismo. En estas condiciones y aún con pequeños desequilibrios se produce un calentamiento intenso del rotor que llegaría a destruirlo.
Ver descripción completa en el siguiente link:
Protección de pérdida de campo
Si un generador síncrono funcionando acoplado a un sistema llega a perder la excitación, pasará a funcionar como un generador de inducción; en estas condiciones tomará del sistema la reactiva necesaria, de tal manera que manteniendo la salida de potencia activa, la aparente crecerá de forma notable. Consecuencia del deslizamiento, la periferia del rotor sufrirá un calentamiento anormal e igualmente los arrollamientos del estator estarán sobrecargados por el incremento de la potencia aparente.
La condición de pérdida de campo puede ser motivada por fallos en el interruptor de excitación, disparo del mismo, cortocircuitos en el bobinado excitador, etc.
A primera vista, un sencillo relé de intensidad que mida la corriente de excitación, bastaría para detectar la esta condición, sin embargo, al considerar que la corriente de excitación puede estar en un amplio margen dependiendo de la condición de funcionamiento del generador, una solución semejante sólo se emplea en máquinas de pequeña potencia.
Una protección más adecuada, deberá distinguir entre capacidad de la máquina para trabajar en diferentes condiciones de excitación, y las condiciones límite de estabilidad de estado estacionario de cara a prevenir que el sistema se vea afectado. Los fabricantes proporcionan unas curvas como las indicadas en la figura 9 para la capacidad de generación como una función del grado de excitación. Tres curvas diferentes se muestran en el gráfico que corresponden a tres diferentes condiciones de refrigeración.
Figura 9: Curvas de capacidad de un gran generador
Para una mayor comodidad en el análisis de la protección las curvas anteriores se representan en un plano de impedancias (diagramas R-X) para ello cada punto de la curva definido por un ángulo y un valor de la potencia (kVA) se convierte al valor “Z” por la fórmula siguiente:
En ohmios primarios, o bien:
En ohmios secundarios al considerar la relación de transformación de los transformadores de intensidad (Ki) y de tensión (kV). La curva límite en el plano de impedancia adoptará una forma como la de la figura 10 en la que solamente se ha representado la condición de funcionamiento de máquina sub-excitada y donde los valores se impedancia calculados se expresan en p.u. de la impedancia base, obtenida por la expresión:
Figura 10: Capacidad del generador en diagrama R - X
Para el mismo plano representar el límite de estabilidad estacionario, precisamos la reactancia del sistema vista desde el relé “Xs” y la reactancia síncrona del generador “Xd”, ambos valores en ohmios secundarios y referidos a la impedancia base se llevan al diagrama R-X como se muestra en la figura 11. En esta misma figura a trazo discontinuo se muestra la característica de un relé empleado para la protección de pérdida de campo.
Figura 11: Ajuste de un relé de protección de pérdida de excitación
El relé en cuestión es uno de admitancia (mho), cuya descripción se sale de los límites de este texto. Digamos no obstante, que se trata de un relé perteneciente al grupo de los de distancia y que a partir de la tensión e intensidad en bornas del generador, opera cuando el vector impedancia, con origen en el del diagrama R-X toma un valor inferior al definido por la característica de trazo discontinuo en la figura 11
Protección de potencia inversa
Se trata de una protección de la turbina o motor de accionamiento más que de proteger al generador. Cuando la máquina de accionamiento deja de arrastrar el generador por pérdida de vapor, flujo de agua, etc. el conjunto continúa girando a la velocidad de sincronismo ya que el generador pasa a funcionar como motor tomando de la red la potencia activa necesaria para arrastrar a la máquina motriz.
Esta situación no es perjudicial para el generador, sin embargo puede resultar inadmisible para la turbina. En el caso de una turbina de vapor el flujo insuficiente de éste determina el calentamiento anormal de la máquina en un tiempo determinado. Si se trata de una máquina hidráulica, en condiciones de bajo caudal se llega a la cavitación de los álabes, y si de un motor térmico se tratara; el riesgo de incendio del combustible no quemado, amén de la elevada potencia necesaria para mantenerlo girando a velocidad síncrona resultan condiciones a evitar.
La protección más comúnmente utilizada para detectar la condición de motorización consiste en un relé de medida de potencia con característica direccional, el relé es monofásico ya que la condición es equilibrada, y se ajusta para arrancar por debajo de la potencia de arrastre de la máquina motriz. En la figura 12 se muestra el conexionado de uno de estos relés.
Figura 12: Protección de potencia inversa
Para ajustar adecuadamente esta protección se requieren dos datos:
a) Potencia necesaria para arrastrar la máquina motriz,
b) Tiempo de funcionamiento admisible en la condición “a”
A título de orientación, las potencias de motorización de diferentes máquinas en tanto por ciento de la nominal del generador son las siguientes:
- Turbina de vapor…………… 3%
- Motor diésel…………………. 25%
- Turbina de gas………………. 50%
- Turbina hidráulica…………. 0,2 a 2%
Protección diferencial
Es importante disponer de una protección de alta velocidad contra cortocircuitos en los devanados, ya sea entre fases o entre fase y tierra, debido a los graves daños que una falta de este tipo puede causar en la máquina en muy corto espacio de tiempo. La protección más efectiva para estos casos es la diferencial longitudinal.
Consiste en la comparación de las corrientes antes y después del devanado de cada fase, que en condiciones normales de funcionamiento han de ser iguales, siendo condición indispensable que la estrella del alternador sea accesible para poder instalar los correspondientes transformadores de intensidad.
Esta protección funciona cuando existe cortocircuito entre fases diferentes. En el caso de neutro puesto a tierra directamente o por medio de una resistencia de pequeño valor, funciona cuando se producen defectos a masa. Sin embargo, esta última disposición no es muy empleada y se reemplaza ventajosamente por dispositivos de protección especiales.
La protección diferencial de generador deberá incluir elementos de frenado a fin de evitar actuaciones intempestivas en caso de cortocircuitos externos debidos a errores de respuesta de los transformadores de intensidad, especialmente durante el período subtransitorio, originados por la componente asimétrica de la intensidad de falta.
Figura 13: Protección diferencial de un generador
Interesa, que los circuitos de corriente secundarios y los relés diferenciales sean de bajo consumo para que los transformadores de intensidad respondan mejor a las altas intensidades que pueden esperarse.
Modalidades de aplicación
Existen tres modalidades de aplicación en la protección diferencial del conjunto generador-transformador-barras:
Figura 14: Modalidad a
Figura 15: Modalidad b
Lo usual en grandes instalaciones es la utilización de la modalidad a.
Lo usual en pequeñas y medias instalaciones es la utilización de la modalidad b.
En la figura 17 se muestra la característica de porcentaje de estos relés comparada con uno de intensidad de valor fijo (a) y la de funcionamiento de un relé comercial (b)
Figura 17: características de relé diferencial porcentual a) comparada con uno de intensidad de valor fijo b) De un relé comercial
Protección de sobrevelocidad
En un generador acoplado a la red es prácticamente imposible que se produzca una sobrevelocidad, pero en los casos en los que se desacopla de la red mallada para funcionamiento sobre servicios auxiliares, o en casos de «islas», se pueden producir sobrevelocidades por fallo o lentitud del regulador.
Detección
La detección de la sobrevelocidad se puede realizar de varias formas:
- De forma mecánica: Por medio de un dispositivo centrífugo de bolas.
- Por medio de un relé voltímetro conectado al indicador de velocidad: Se trata de un generador de núcleo magnético permanente que suministra una tensión proporcional a la velocidad.
- Por medio de un relé de sobrefrecuencia.
La protección de sobrevelocidad no debe disparar el interruptor de máquina, pues con ello todavía provocarían un embalamiento adicional, y lo que se debe hacer es cerrar lo más rápidamente posible la entrada a la turbina.
Otras protecciones
Hasta aquí se han considerado aquellas protecciones que se consideran más peculiares en la protección de generadores.
En la figura 18 se muestran las protecciones recomendadas por un fabricante de relés en el caso de generadores de potencia elevada instalados en industrias.
Figura 18: Protecciones recomendadas para grandes generadores
de sistemas industriales
Artículo en pdf en la siguiente URL:
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