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PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE ALTERNADORES

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CAPÍTULO IX

PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE

ALTERNADORES

9.1 INTRODUCCIÓN

La protección de una central debe encararse desde dos puntos de vista, por

una parte se consideran elementos de protección destinados a prevenir la

instalación contra la acción de algunas fallas, esquivando o atenuando el

peligro que se cierne sobre ella, por otra parte la protección debe encargarse

de separar con la mayor rapidez posible el elemento dañado, no tan sólo para

evitar su destrucción completa, sino para impedir que la estabilidad del

sistema desaparezca y venga una interrupción general con todas sus

consecuencias.

Con el desarrollo de los sistemas interconectados la técnica de protección ha

evolucionado, considerándose en primer lugar las medidas tendientes a

mantener la estabilidad del conjunto por la eliminación rápida y efectiva de

los elementos con falla y dejando al último las que tienden a la conservación

de los elementos. Ahora se dispone de elementos duplicados y aun triplicados

de cada especie y, además, por que cuesta más una hora de interrupción

general que la separación de un elemento perjudicado por sobrecarga.

9.2 PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES

Sobretensión, es una variación del potencial hacia arriba con tendencia a

sobrepasar en mucho la tensión normal y su perfil puede ser estático, es decir,

de duración apreciable, o una descarga eléctrica de cortísima duración

formada por un tren de olas. Cuando la sobretensión es estática, su origen

está en el viento que arrastra iones escapados de la tierra, o nubes cargadas

sobre la línea o sobre un objeto distinto, pero situado bajo el mismo campo

eléctrico de la línea. La protección de la línea es importante porque la planta

sufre las consecuencias de una mala protección debiendo considerarse

medidas de protección como ser: Empleo de uno o varios cables de guarda y

elección de rutas para la línea de bajo nivel tempestuoso.

La defensa contra descargas atmosféricas se encara básicamente en función

de pararrayos y coordinación de aislamientos, haciendo que la descarga se

CENTRALES ELÉCTRICAS

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produzca, primero en los pararrayos de unidad, luego en las boquillas del

transformador o generador, y al final, sólo en el caso de una descarga de

intensidad excepcionalmente alta, en los devanados de la máquina. Por

fortuna el aceite eleva en gran proporción, el nivel de aislamiento de los

transformadores y no es difícil realizar la coordinación necesaria; pero en

transformadores secos, generadores y motores que no cuentan con ayuda

alguna, resulta difícil elevar el nivel de aislamiento, por lo cual se hace

indispensable que los pararrayos de unidad reduzcan el nivel de la falla para

que el aislamiento interior sea la ultima barrera que caiga bajo la potencia de

la descarga. Los pararrayos deben conectarse tomando en cuenta las

siguientes recomendaciones:

1.- Habrán de conectarse pararrayos, tanto en los bornes de los alternadores

como en los puntos neutros aislados de los arrollamientos de las máquinas.1

2.- Cuando la distancia en la instalación, medida en la línea de llegada, entre

la máquina y la entrada de la línea (la más alejada), exceda de 20 metros de

longitud (tomada al doble de su valor si se trata de cables), deberán instalarse

además pararrayos en las entradas de las líneas.

3.- Si la distancia hasta la entrada de la línea es inferior a 20 metros, se puede

suprimir los pararrayos en los bornes de las máquinas, pero no en los puntos

neutros, y ello cuando los pararrayos situados en las entradas de las líneas por

sus condiciones especiales sean aptos para la protección de las máquinas.

4.- Si en una instalación de muchos alternadores, la distancia máxima entre

sus bornes y las barras colectoras es inferior a 20 m.(o bien 10 m. para cable)

los pararrayos en los bornes de las máquinas pueden ser reemplazados por un

juego de pararrayos análogos, pero conectados a las barras colectoras. Por el

contrario, los pararrayos situados en los puntos neutros y en las entradas de

las líneas deben permanecer.

Los pararrayos como dispositivos de protección preventivos contra las

sobretensiones de origen atmosférico, no es preciso instalarlos cuando los

generadores van conectados con transformadores cuyo acoplamiento sea en

triángulo en el lado de menor tensión y en estrella en el mayor voltaje.

1 ZOPPETTY, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1978 Pag.230


257

Las sobretensiones estáticas pueden producirse cuando se corta la corriente

de un alternador, la tensión en los bornes se eleva bruscamente y con un

valor igual a la baja de tensión que la tensión de la carga provoca en el

arrollamiento del estator. Por otra parte, el campo del alternador y por

consiguiente la fuerza electromotriz de la máquina, comienzan a crecer desde

que desaparece la reacción producida en el estator; el proceso se acentúa por

las fugas del estator cuando se acentúa la corriente de la máquina, pero esta

queda cargada capacitivamente, como ocurre en una línea de alta tensión

conectada en vacío. En el momento del corte de la carga, la velocidad del

grupo comienza a crecer y esta aceleración y el refuerzo del campo que ella

provoca aumentan más todavía la sobreelevación de tensión. Este proceso se

acentúa cuando los alternadores son movidos por turbinas hidráulicas, sobre

todo las del tipo Kaplan, y alcanza su máximo si las excitatrices principales y

auxiliares automáticas de tensión y de velocidad, frenan por así decirlo el

aumento de tensión, por lo que este es pasajero. Pero si fallase el dispositivo

de regulación de la tensión del regulador, el alternador estaría sometido a una

sobreelevación permanente de la tensión, al menos durante la marcha en

vacío. En estas circunstancias, es preciso que un relé de máxima tensión

realice la desconexión del interruptor y desexcite la máquina, el cual debe ser

regulado relativamente bajo para funcionar con cierto retardo, al objeto de

evitar desconexiones intempestivas cuando se produzcan sobreelevaciones

pasajeras de tensión.

En caso de fallo del dispositivo de regulación de la turbina hidráulica que

acciona el alternador, se producirá un embalamiento y el aumento de

velocidad, hará que crezca rápidamente la tensión a un valor elevado. Se

emplean con este objeto relés especiales que comprenden dos relés de

máxima tensión de acción instantánea con una tensión de desbloqueo

independiente de la frecuencia. Uno de los relés tiene una tensión de

desbloqueo relativamente baja y da la orden de desconexión que es

transmitida por un relé temporizado, y el otro relé se regula más alto para que

funcione instantáneamente. Desbloqueando los relés de máxima tensión se

provoca la desconexión de los electroimanes de los disyuntores de los

alternadores, y de los de desexcitación.2

Si se produce un embalamiento y los órganos de regulación no trabajan el



258

conjunto turbina generador podrá alcanzar como máximo una velocidad igual

a la que tiene el agua al final de la tubería.

6.3 PROTECCIONES DE AISLAMIENTOS

El efecto de una sobretensión sobre un aislamiento es decisivo en el caso de

que aquella sobrepase la rigidez de éste y se repita durante cierto tiempo que

varía con la sobretensión en forma inversa. es decir para que un aislamiento

se perfore basta, o un solo impulso de potencial muy elevado, o dos impulsos

de valor más bajo, o tres aun menos intensos, etc. según la experiencia lo ha

demostrado en todos los casos, como si se tratara de fatiga de un resorte o de

un calor acumulado en un fusible.

La protección contra temperaturas elevadas se efectúa por medio de

termómetros, termostatos y otros dispositivos capaces de indicar al

personal de la planta la operación peligrosa, hacer funcionar una alarma, o

directamente, producir el disparo del interruptor que desconecta el elemento

en peligro. En virtud de la masa considerable de algunos elementos que

retarda la elevación de temperatura, se considera que el valor de ésta no es

suficiente, por si sola, para constituir una base de protección y generalmente

se asocia con la intensidad de la corriente que produce el calentamiento. De

este modo se prevé y corrige la elevación de temperatura antes de que sea

demasiado tarde. La combinación funciona como sigue:

a) Si la máquina o elemento por proteger tiene una temperatura baja, el

dispositivo no produce alarma o disparo, aunque pase por él una

corriente varias veces mayor que la normal, a condición de que no sea

por un tiempo tan largo que provoque, al final, calentamiento excesivo

por acumulación de calor.

b) Si el elemento tiene una temperatura cercana al límite de operación

normal, el dispositivo permitirá el paso de corriente normal; pero

producirá alarma o disparo si la intensidad excede a la normal.

El calentamiento de los arrollamientos de un alternador tiene lugar

esquemáticamente en dos escalones: es provocado por la sobreelevación de la

temperatura del hierro con relación al aire de enfriamiento, el cual se debe a

las pérdidas en el hierro, dependiendo esencialmente de la tensión de

servicio, y de la carga nominal y llega aproximadamente al 30% del

calentamiento del cobre, cuyo valor es proporcional al cuadrado de la


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corriente de carga y se suma al calentamiento del hierro. Las pérdidas en este

no son medidas en el relé térmico, pero se adiciona su valor, que es fijo a las

pérdidas en el cobre con objeto de que la temperatura indicada corresponda a

la temperatura del devanado, para el calentamiento a plena carga. Con cargas

parciales la temperatura que indica el relé es un poco débil, pero este error de

indicación se corrige verificando cuidadosamente la escala de temperatura a

la tensión nominal.

La protección contra deterioros internos del aislamiento puede encararse a

través de:

9.3.1 PROTECCIÓN DIFERENCIAL

La protección diferencial longitudinal, contrasta la igualdad de las

intensidades de las corrientes de fase, y la entrada y la salida en las dos

extremidades del dominio de protección. La protección diferencial es de

acción rápida; cuando las máquinas trabajan en paralelo, funciona

selectivamente y produce la apertura del interruptor del alternador averiado,

para que pueda haber seguridad contra esta clase de cortocircuitos, los dos

grupos de transformadores de corriente deben tener una característica

idéntica de sobreintensidad. Los relés diferenciales deberán ser además del

tipo llamado de compensación.3

En la figura 9.1 tenemos 1 alternador, 2 transformadores de corriente, 3 Relé

diferencial compensado tripolar y contactores con varios contactos de fuerte

capacidad para indicar la fase averiada, 4 Interruptor del alternador, y 5

Interruptor de desexcitación.

El funcionamiento de la protección diferencial actúa sobre el interruptor del

alternador y el interruptor de desexcitación, pero también, si existe, sobre el

dispositivos de protección contra incendio.

Por el principio de funcionamiento de este relé, no actuará en el caso de un

cortocircuito entre bobinas de la misma fase, puesto que la corriente no

variará en el dominio de la protección



260

Fig. 9.1 Protección diferencial compensada tripolar, de un alternador, de acción

rápida y selectiva en caso de cortocircuito entre fases y de dobles efectos a

tierra, y en que uno de ellos se encuentra entre los dos juegos de los

transformadores de corriente.

9.3.2 PROTECCIÓN POR POTENCIA INVERSA

Se emplea como protección contra los cortocircuitos entre fases, los

cortocircuitos entre espiras y también contra las puestas a masa de los

arrollamientos, para los alternadores sin punto neutro al exterior o de

pequeña potencia.

Los relés de potencia inversa son excitados por la componente inversa de la

potencia que aparece en caso de disimetría simultánea de las corrientes y de

las tensiones. Cuando se produce el cortocircuito, esta potencia se dirige

siempre del defecto hacia la red y se mide con filtros constituidos por

resistencias y por impedancias a 60o, derivadas de los transformadores de

intensidad y de tensión.4

En la figura tenemos 1 alternador, 2 transformador de intensidad, 3

transformadores de tensión, 4 filtros para la componente inversa de las

corrientes, 5 filtro para la componente inversa de las tensiones, 6 relé de

potencia, 7 disyuntor principal, 8 Interruptor de excitación. En servicio



261

equilibrado normal, el relé 6 no recibe ni corriente ni tensión, por lo que

puede hacerse muy sensible. Cierra el contacto cuando el origen del

desequilibrio, por la perturbación, está en la máquina.

Fig. 9.2 Protección por retorno de potencia accionado por las componentes

inversas de las corrientes y de las tensiones, y que actúa por cortocircuito

entre fases, arcos entre espiras y puestas a la masa con fuerte intensidad.

El relé señala en los alternadores los accidentes siguientes: cortocircuito entre

fases suficientemente alejado del punto neutro; cortocircuito entre espiras que

afecta al menos al 20% aproximadamente del arrollamiento de una fase;

puesta a masa a condición de que la disimetría producida sea bastante fuerte,

es decir, que se origine simultáneamente una segunda tierra en la red, o si el

punto neutro se halla conectado a tierra por débil impedancia. El

cortocircuito trifásico simétrico, no es acusado por el relé, si bien es cierto

que la simetría perfecta no se alcanza prácticamente. Con el empleo del relé

de potencia inversa es preciso prever también relés de máxima intensidad

como reserva para el cortocircuito trifásico, que son por otra parte, necesarios

para las barras colectoras.

La protección por potencia inversa es menos sensible que la diferencial y

también que las protecciones contra los defectos entre espiras y la masa, el

relé de protección por potencia inversa es temporizado por un contactor,

entre 0,1 y 0,2 segundos para evitar las oscilaciones simultáneas con una


262

variación de potencia.

El contacto del relé actúa sobre el interruptor del alternador y sobre el de

desexcitación y en su caso también sobre el dispositivo de protección contra

incendios.

9.3.3 PROTECCIÓN CONTRA LOS DEFECTOS A TIERRA DEL

ESTATOR Un defecto a tierra del estator es debido a la perforación del

aislamiento de las espiras hasta el hierro próximo, y según demuestra la

experiencia, son las averías más frecuentes en las máquinas giratorias. En

caso de un defecto a tierra con el neutro aislado, que en servicio normal tiene

el potencial de la tierra, la tensión de aquel punto con respecto a la tierra

aumenta proporcionalmente a la distancia que existe hasta el lugar del

defecto. De no existir ningún dispositivo apropiado contra las puestas a

tierra, pasará por el lugar del defecto solamente la corriente capacitiva de la

red o una corriente residual si hubiesen bobinas de extinción. Si esta

corriente dura cierto tiempo, el defecto de aislamiento aumentará aunque la

corriente sea relativamente débil y a ello seguirá un cortocircuito con una de

las otras fases. Por otra parte, la avería dará origen a quemaduras del hierro

del estator, lo que podrá exigir reparaciones importantes.

La protección contra los contactos a masa del estator se efectúa con relés

diferenciales, si el neutro del alternador no se pone directamente a tierra a

causa de la diferencia de potencial que se manifiesta entre el punto neutro y

la tierra, en caso de avería.

9.3.4 PROTECCIÓN CONTRA LOS CORTOCIRCUITOS ENTRE

ESPIRAS

Esta forma de perturbación aparece sobre todo en los alternadores que tienen

un gran número de conductores por ranura, es decir en las máquinas de

tensión relativamente elevada y de potencia media. Las causas directas de

estos defectos son, en general, sobretensiones de origen atmosférico y

también deterioros mecánicos del aislamiento.

Un defecto de esta clase pone una espira en cortocircuito en el estator, la cual

comprende un sólo paso polar en los alternadores con arrollamiento

imbricado y por el contrario, en las máquinas con arrollamiento ondulado se

extiende a toda la periferia del estator.


263

Cuando una espira está cortocircuitada, la tensión de la fase con averías se

reduce en el número de voltios que las espiras en cortocircuito producirían,

para contribuir a la tensión total (en servicio normal) con una máquina sana y

en las mismas condiciones de excitación. La resultante vectorial de las

tensiones de fase, normalmente nula, es igual a la reducción de la tensión

mencionada anteriormente.5

Fig. 9.3 Protección contra cortocircuitos entre espiras de un alternador.

En la figura 9.3 se tiene 1 alternador, 2 Transformador, 3 Relés tripolares

contra circuitos entre espiras con contactores auxiliares, 4 Interruptor del

alternador, 5 interruptor de desexcitación. El grupo 2 de transformadores

trifásicos de tensión, con retorno de flujo magnético por la culata, está

conectado al alternador 1, y el punto neutro del arrollamiento primario esta

unido electrónicamente al punto neutro del alternador. Los dos arrollamientos

de baja tensión alimentan los relés de protección contra cortocircuitos entre

espiras, 3 provisto de tres sistemas Ferraris separados, de modo que los

arrollamientos llamados de polarización del relé serán excitados cada uno

con una tensión compuesta, y los arrollamientos de trabajo, conectados en

serie, serán excitados por las resultantes de las tensiones de fase del

alternador. En funcionamiento normal, esta resultante es nula, pero si se

produce un cortocircuito entre espiras, una tensión a la frecuencia normal



264

actúa en el circuito de trabajo; su magnitud depende de la amplitud de la

avería, y su dirección de la fase averiada. En el relé, el órgano monopolar

cuyo arrollamiento de polarización está sometido a la tensión compuesta de

las dos fases sanas es el que funciona. El contactor auxiliar cierra el circuito

de desconexión del interruptor principal y del interruptor de excitación, y

también, si la hay, la protección contra incendio, e indica asimismo la fase

averiada.

9.3.5 PROTECCIÓN CONTRA DEFECTOS A TIERRA DEL ROTOR

Cuando el arrollamiento del rotor tiene su aislamiento averiado, puede

producirse un defecto a tierra. El circuito de excitación no está puesto a tierra

y por ello no es posible destacar un único defecto a la misma. Pero se

comprende que si una segunda puesta a tierra del rotor tiene lugar, una parte

del arrollamiento de excitación quedará cortocircuitado produciéndose

vibraciones peligrosas en el alternador, debido al desequilibrio que se

produce por la disminución del campo magnético en la fase averiada. Por

consiguiente, es necesario que una puesta a la masa en el circuito de

excitación de los grandes alternadores, sea señalada para evitar las

consecuencias a que podría dar lugar y proceder a reparar la avería en la

primera ocasión. En la figura 9.4 tenemos: 1 Alternador, 2 Excitatriz, 3 relé

de tierra del rotor con un pequeño transformador de tensión y condensador de

bloqueo, 4 bocina de alarma.

El arrollamiento secundario (unos 40 voltios) de un transformador inserto en

el circuito del relé de tierra, está conectado de un lado a la tierra y del otro

lado al circuito de excitación del alternador, a través de un relé de máxima

intensidad y de un condensador (todos estos aparatos van conectados en la

caja del propio relé). Puesto que la capacidad del circuito de excitación en

buen estado es débil, el relé es atravesado por una corriente muy inferior a la

de regulación para el desbloqueo. En caso de un defecto a tierra la capacidad

del circuito de excitación queda cortocircuitada y por ello el relé se

desbloquea y hace funcionar la bocina de alarma.


265

Fig. 9.4 Protección contra los defectos a tierra de un rotor, para señalar los

defectos de aislamiento en el circuito de excitación.

9.3 DESEXCITACIÓN RÁPIDA

El dispositivo de desexcitación de una máquina eléctrica (Fig. 9.5) tiene por

objeto anular lo más rápidamente posible el campo magnético. En

condiciones normales de funcionamiento es deseable que quede una cierta

imanación, llamada remanente cuando la máquina está parada, por que

gracias al débil campo creado por la imanación remanente la máquina se

excita de modo automático al ser nuevamente puesta en marcha en el

sentido conveniente. Lo mismo ocurre a la excitatriz piloto que suministra la

corriente inductora de la excitatriz principal de un gran alternador. El hecho

de que cuando la excitación se suprime el campo magnético desaparece, total

o parcialmente, no tiene por el contrario ninguna importancia para la

excitatriz principal y para el mismo alternador, mientras la máquina no sea

afectada por una avería interna. La formación del campo está siempre

encomendada a la excitatriz piloto.

Por el contrario, en el caso de un defecto en el aislamiento del devanado del

estator del alternador, es conveniente anular el campo tan rápidamente como

sea posible, y a la vez, tan completamente como es de desear, a causa de los

daños que un arco puede causar al cobre, a su aislamiento y a las planchas de

los circuitos magnéticos.6



266

Fig. 9.5 Montaje ordinario de desexcitación que comporta un conmutador de

campo, para alternadores de media y gran potencia.

El montaje de desexcitación más sencillo y también más económico es el que

separa el arrollamiento inductor de la excitatriz y lo pone en circuito con una

resistencia, conforme a la figura 9.5 En ella son: 1 Contacto principal, 1a

Contacto de cortocircuitado, 1b electroimán para la desconexión, 1c

electroimán para la conexión, 2 resistencia de descarga del inductor, 3

contactos de los relés de protección, 4 excitatriz.

9.4 RELÉS DE ÚLTIMA GENERACIÓN

Actualmente se han desarrollado los relés de ultima generación como el REL

561 producido por ASEA Brown Boveri, el mismo es un relé programable a

través de computadoras, que puede ajustarse a la necesidades del usuario y

ser utilizado como elemento de protección en diferentes partes de un circuito.

Es posible utilizar el mismo para la protección de plantas eléctricas

presentando varias ventajas en cuanto a su operación.

La función básica de REL 561 es una protección diferencial de corriente,

evaluando la corriente de cada fase separadamente en ambos extremos

utilizando ambos, la amplitud de corriente y el ángulo de fase (comparación

de vectores segregada).

Mediante filtrado Fourier, se extraen todas las corrientes las componentes de

seno y coseno. Las seis componentes, dos por fase, son incluidas en un


267

mensaje que es transmitido a cada 5 mseg. al terminal remoto por un canal de

datos sincrónico de 56/54 Kilobytes. El mensaje incluye también información

relativa a la supervisión, sincronización de terminales, disparo de

transferencia directa, etc.

Este relé tiene como funciones opcionales las siguientes:

- Protección de distancia.

- Función de supervisión de fallo de fusible.

- Detección de oscilación de potencia.

- Protección de sobreintensidad de faltas a tierra.

- Reenganche automático.

- Comprobación de sincronismo y energización.

- Protección contra falla del interruptor.

- Localizador de defectos.

- Registrador de eventos.

- Registrador de perturbaciones.

- Facilidades de entradas/salidas opcionales.

- Comunicación serie remota opcional.

9.5 ESQUEMAS DE CONEXIONES DE LOS APARATOS DE

PROTECCIÓN, PARA LOS GENERADORES SÍNCRONOS DE

POTENCIA REDUCIDA, DE MEDIANA Y GRAN POTENCIA

Se considera como alternadores de gran potencia los que tienen al menos de

15 a 20 MVA; de mediana potencia los comprendidos entre 3 y 15 MVA, y

los menores a 3 MVA de pequeña potencia.

Mostramos primeramente el caso de alternadores que teniendo gran potencia,

funcionan en paralelo mediante barras colectoras.

El esquema de la figura 9.6, muestra la conexión eléctrica de los diversos

aparatos y relés que están numerados y representan:

1a y 1b. Para las sobretensiones de origen atmosférico: 1a, tres pararrayos

derivados de las barras ómnibus; 1b, un pararrayos derivado del neutro del

transformador, en el caso de que la distancia de las barras al generador no

exceda de 20 m.


268

2 Relé de máxima tensión temporizado, con desconexión instantánea para la

tensión límite y para subvenir a las sobretensiones de frecuencia normal.

3 Tres relés térmicos con desconexión automática para la corriente límite

(caso de sobrecarga).

4 Un relé temporizado que trabaja conjuntamente con los relés indicados en

3, para cuando se produzcan cortocircuitos exteriores.

5 Para cada alternador un relé direccional, como protección de la puesta a

tierra estatórica.

5a También para proteger el alternador contra la puesta a tierra del estator y

por cada sistema de barras. Esta protección comprende los siguientes

aparatos: un transformador de puesta a tierra con dos arrollamientos

secundarios; un comprobador de tierra, tripolar; un relé temporizado; tres

contactores de tierra; dos resistencias; un transformador de tensión auxiliar;

un interruptor de ensayo.

6 Para cortocircuito entre fases; tres relés diferenciales compensados.

7 Para cortocircuito entre espiras; tres relés vatimétricos.

8 Protección contra la puesta a tierra del rotor; indicador de puesta a tierra del

circuito rotórico.

10 Interruptor principal.

11a Disyuntor de excitación en el circuito de excitación principal con mando

a distancia.

12 Resistencia de descarga separada para disyuntor 11a.

13 Protección contra incendios.7

Se examinará a continuación el caso de alternadores de MEDIANA

POTENCIA conectados a las barras ómnibus y que funcionan en paralelo.

El esquema de conexiones es análogo con la única diferencia de la exclusión

7 ZOPPETTY, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1978 Pag.250,253


269

del relé 7 (para cortocircuito entre espiras) y solamente conviene instalarlo

cuando se trata de alternadores importantes pero con varias barras por ranura

del arrollamiento inducido.

Fig. 9.6 Gran Potencia Mediana Potencia Pequeña Potencia

La figura 9.6, también muestra la protección de alternadores que funcionan

en paralelo o independientemente en el caso de PEQUEÑA POTENCIA.

Los números del esquema representan: 1 para las sobretensiones de origen

atmosférico: tres pararrayos conectados a la línea; y si el neutro del alternador

es accesible se conectará a ese neutro un pararrayos.

2 Para las sobretensiones a la frecuencia normal: un relé de máxima tensión

temporizado con desconexión instantánea a la tensión límite.


270

PARA LAS SOBREINTENSIDADES.

3 Para las sobrecargas: un relé térmico, y dos relés de máxima intensidad

temporizados.

PARA LOS CORTOCIRCUITOS.

4 Para los cortocircuitos exteriores: un relé térmico y tres relés de máxima

intensidad temporizados.

AVERÍA EN LOS ARROLLAMIENTOS.

6 Para la puesta a tierra de las fases y para el cortocircuito entre fases: un relé

de potencia inversa (retorno de potencia).

COMO ACCESORIOS.

10 Interruptor principal.

11 Disyuntor de excitación en el circuito shunt de la excitatriz.

Cuando se trata de alternadores de potencia inferior a 100 KVA, no se

instalan dispositivos de protección especiales contra las averías internas, por

su excesivo coste. Son los relés contra sobrecargas los que deben reaccionar

si hay avería en los arrollamientos, aunque para ello es necesario que la red

deba suministrar una corriente lo suficientemente elevada que baste para

alimentar un cortocircuito interior. Pueden suprimirse los transformadores de

intensidad y emplear relés primarios con desconexión mecánica. Es de interés

la protección contra las sobrecargas y por ello a menudo se emplea un relé

térmico secundario conectado a un transformador de intensidad (con circuito

de desconexión por medio de un manantial de corriente independiente,

excluido como tal manantial el transformador de intensidad precitado). Para

los relés de máxima tensión puede emplearse el transformador de tensión

como manantial auxiliar de desconexión.

9.6 ACOPLAMIENTO ELÉCTRICO DE LOS ALTERNADORES

El único acoplamiento eléctrico que admiten los alternadores es en paralelo.

Para acoplar dos alternadores debe existir igual tensión en sus bornes, las

curvas de las fem sinusoidales deben tener igual amplitud máxima, el mismo

período y coincidencia de fases. Estas condiciones se refieren al caso del

acoplamiento de alternadores que funcionan en vacío, es decir, no

suministrando corriente a la red exterior; por que si se trata de dos

generadores, uno de los cuales está en servicio y el otro sin carga, no es


271

necesario que las amplitudes de las fuerzas electromotrices sean iguales, ni

que haya concordancia en las fases de las mismas. En efecto, para el

alternador que está en funcionamiento y aportando energía a la red, podemos

construir el diagrama de Behn-Eschenburg, estudiado en electrotecnia y que

se refiere a un alternador ideal en el que tiene lugar que la caída de tensión

producida por la carga es debida, únicamente, a la resistencia óhmica y a la

autoinducción de su arrollamiento. Esto, como es sabido, no ocurre en la

práctica, por que la pérdida de tensión de un alternador es debida también a

otros factores ya conocidos. Con aquella sola consideración, la pérdida de

tensión es mayor que el valor práctico que se obtiene; en las siguientes

consideraciones admitiremos que, la caída de tensión de un alternador, como

consecuencia de la carga que suministra a la red, es debida solamente a la

resistencia y a la autoinducción de su bobinado.8

El siguiente diagrama vectorial (Fig. 9.7) muestra las condiciones para el

acoplamiento de dos alternadores, en él se tiene:

E = Fuerza Electromotriz producida en una de las fases (tensión estrellada).

r I = Caída de tensión óhmica (siendo r la resistencia del arrollamiento de

una fase, I la intensidad de la carga que lo recorre).

w L I = Fuerza electromotriz de autoinducción, en la que w es la pulsación

de la corriente (314 para 50 períodos por segundo); L el coeficiente de

autoinducción del arrollamiento correspondiente a una fase, I la intensidad.

U = Tensión en los bornes, por fase (tensión estrellada).

Fig. 9.7 Acoplamiento de dos alternadores uno con carga y otro en vacío.

8 ZOPPETTY, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1978 Pag.256-258


272

La diferencia entre E y U, cuyos vectores están retrasados un ángulo, será la

caída de tensión con carga, correspondiente a la intensidad I.

Para el acoplamiento de 2 alternadores 1 y 2 (Fig.9.7), el primero con carga y

el segundo en vacío, es necesario que, además de tener ambas sinusoides el

mismo período, sean iguales y estén en fase los vectores U y E1 aquel, es la

tensión en los bornes del alternador 1 y E1, el de la fuerza electromotriz del

alternador 2.

Cumplidas estas esenciales condiciones, el acoplamiento podrá efectuarse

normalmente. Observemos que ello tendrá lugar a pesar que entre E y E1 no

exista coincidencia de fase, y además siendo E > E1; por consiguiente,

cuando las sinusoides de la fuerza electromotriz tengan un mismo período,

para realizar el acoplamiento bastará que los vectores U y E1 sean iguales y

estén en fase, o lo que es lo mismo, será necesario que sean iguales las

tensiones eficaces en los bornes de los dos alternadores. Fácilmente se

comprende que en un alternador en vacío, es decir, que no suministre

corriente a la red, coinciden en magnitud y fase los vectores de su fuerza

electromotriz y la tensión de sus bornes.

Si los dos alternadores funcionasen con carga, el acoplamiento podría

realizarse cuando fuesen iguales y en concordancia de fases los vectores U1 y

U2.

En el diagrama vectorial de dos alternadores, iguales o no, la situación de los

vectores de la fem depende de la posición respectiva de sus cabezas polares,

con respecto a las bobinas del respectivo inducido. En las figuras 9.8a y 9.8b

se representan las coronas de dos alternadores cuyas fuerzas electromotrices

están una de otra con retraso de fase.


273

(a) (b)

Fig. 9.8 Representación de una rueda polar en relación con el estator de un

alternador.

En la figura 9.8 b se aprecia que la corona polar está retrasada con respecto a

la de la 9.8 a, en un ángulo ß formado por los ejes A-B y C-D , que tiene por

valor en el espacio ß /p, siendo p el número de pares de polos del alternador,

y ß el ángulo que forman los vectores de las fuerzas electromotrices

correspondientes.

Se deduce de lo expuesto y lo indicado, en relación con el retraso de los

vectores de las fuerzas electromotrices, que cuando dos alternadores iguales

trabajen en paralelo llevando cada uno su carga respectiva, el funcionamiento

tendrá lugar en condiciones normales, aun cuando las coronas polares no

ocupen en el espacio la misma posición respecto al bobinado inducido. El

ángulo ß no puede tener cualquier valor, y si pasara del conveniente llegaría

a desaparecer el sincronismo.

9.7 MANIOBRA PARA EL ACOPLAMIENTO DE LOS

ALTERNADORES.

De las condiciones expuestas y necesarias para efectuar la maniobra de

acoplamiento, se desprende que lo primero que ha de hacerse, una vez puesto

en marcha el grupo que se va a acoplar, es actuar sobre el regulador de su

máquina para conseguir que la frecuencia sea igual a la de los otros

alternadores en funcionamiento.

Para determinar el valor de dicha frecuencia se recurre a frecuencímetros


274

dobles, cuyo objeto, como se comprende es el de apreciar las frecuencias

existentes en los grupos en funcionamiento y el alternador que debe

acoplarse. Las lecturas de ambas escalas indican la forma como debe actuarse

sobre el regulador de la máquina motora del generador que se va a acoplar,

con objeto de aumentar o disminuir su número de revoluciones y para

obtener la igualdad de dichas frecuencias. Conseguido esto se excita el

alternador por medio del reóstato correspondiente, hasta alcanzar el voltaje

de los demás alternadores que ya están en marcha, y esto se aprecia por

medio de voltímetros de construcción corriente, siendo muy usados los

electromagnéticos tarados para trabajar con corriente alterna y que se

conectan derivados sobre el circuito del alternador respectivo.

Queda pues, para efectuar el acoplamiento, aprovechar los instantes en que

coinciden las fases de las tensiones de los bornes de los alternadores, y ello se

ha observado en la forma que a continuación se indica.

Supongamos dos alternadores que generan corriente a alta tensión, por lo

cual todos los aparatos de medida y maniobra deberán ser conectados a

transformadores de tensión para aislar aquellos del alto voltaje (Fig.9.9).

Sobre los citados transformadores, derivados de las mismas fases de ambos

alternadores, se conecta una lámpara, la cual se enciende y apaga

seguidamente funcionando con una frecuencia que es la resultante de las

correspondientes a las de las sinusoides de las tensiones en los bornes de los

alternadores.9

Fig. 9.9 Dispositivo para el acoplamiento de dos alternadores por el método de

9 ZOPPETTY, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1978 Pag.259-252


275

"Lámpara apagada".

Fig. 9.10 Curvas de las fem de dos alternadores que demuestran el momento que

existe coincidencia de fase.

Como indica la figura 9.10, en la que aparecen las dos curvas sinusoidales,

pero con frecuencia distinta, el apagado tendrá lugar en los instantes t1 y t3, y

el encendido máximo en los t2, etc. En los primeros las tensiones de ambas

curvas son iguales y coinciden en fase, por lo cual la diferencia de voltaje

aplicado a los bornes de la lámpara será nulo. En el instante t2, las tensiones

están en oposición, sumándose sus valores, y por ello la lámpara estará

sometida al mayor voltaje de trabajo.

Se desprende de lo expuesto que cuanto mayor sea la diferencia de

frecuencia, con mayor rapidez se efectuará el apagado y encendido de la

lámpara. Esta, por consiguiente, sirve también para observar la marcha de la

frecuencia, y cuanto más iguales sean las de ambos alternadores, con mayor

lentitud tendrá lugar la variación de voltaje en los bornes de la lámpara.

Cuando las frecuencias sean iguales, se producirá durante unos instantes la

concordancia de fases, siendo iguales V1 y V2, la lámpara permanecerá

apagada durante este corto tiempo, que debe aprovecharse para conectar el

alternador por medio de su interruptor correspondiente.

Durante la operación de acoplamiento, habrá que actuar sobre el regulador

automático de la máquina que se va a acoplar, ayudándose de las lecturas del

frecuencímetro y de las indicaciones de la lámpara. También es preciso afinar

la excitación, pues a medida que la máquina se va calentando, aumenta el

valor de la resistencia en los arrollamientos, originando una mayor caída de

tensión.

Si el acoplamiento se efectuara existiendo una ligera variación entre los


276

valores de las frecuencias o con una pequeña separación de fases, se

corregirán automáticamente ambos defectos por la acción de la potencia

sincronizante.

El acoplamiento indicado se conoce con el nombre de lámpara apagada, pero

puede hacerse también a lámpara encendida, bastando para ello invertir las

conexiones que salen del transformador de medida y entonces el momento de

coincidencia de las fases se obtendrá cuando la lámpara tiene su mayor

brillo.(Fig. 9.11)

Fig. 9.11 Esquema de conexiones para el acoplamiento de dos alternadores

"Método de la lámpara encendida".

En vez del empleo de lámparas para determinar la coincidencia de las fases,

se utilizan muy a menudo aparatos llamados sincronoscopios. Uno de ellos es

el indicado en la figura 9.12 que necesita, en el caso de alto voltaje, disponer

de transformadores trifásicos de medida para la conexión de las lámparas

que forman el aparato. Estas son tres y se conectan según aparece en la

referida figura. La lámpara a se emborna en las mismas fases de los

respectivos alternadores siendo conectadas las otras, a fases alternadas. En

este caso a lo esta entre 2 y 2, b entre 1 y 3, y c entre 3 y 1.


277

Fig. 9.12 Sincronoscopio para el acoplamiento en paralelo de dos alternadores.

Cuando no existe sincronismo las tres lámparas se encienden y apagan

sucesivamente, pero el sentido en que se van apagando depende de que la

frecuencia del alternador que trata de acoplarse, sea mayor o menor que la de

los grupos en servicio. Como este sentido resulta del modo en que se hayan

conectado las lámparas a las respectivas fases, será preciso hacer una prueba

por una sola vez, pudiendo así conocer en que sentido se produce el apagado

cuando existe mayor o menor frecuencia en el grupo que se trata de acoplar.

Las lámparas se instalan detrás de un vidrio deslustrado, y de esta forma

aparece una sombra que gira en uno u otro sentido con mayor o menor

velocidad.


278

Fig. 9.13 Secuencia de puesta en paralelo (La Chojlla)

Actualmente unidades modernas como las de las Plantas La Chojlla y

Yanacachi administradas por la empresa Hidroeléctrica Boliviana, poseen un

sistema completamente automatizado de la puesta en paralelo de una central,

la pantalla mostrada en la Fig. 9.13 permite observar toda la secuencia de

pasos que se siguen automáticamente para efectuar la maniobra, la misma se

inicia con sólo pulsar el ícono correspondiente de la pantalla.

Los 11 pasos de la secuencia de arranque tiene establecidos sus tiempos

máximos de duración, de tal manera que en un lapso muy corto de tiempo

(aproximadamente 15 minutos) la unidad puede ser conectada al SIN. De

todas maneras cuando uno de los pasos establecidos no se concreta, es

necesaria una inspección para establecer las causas del retardo o

imposibilidad de efectuar la maniobra.

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