Protección de Alternadores y Motores Síncronos

PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA

12. PROTECCIÓN DE ALTERNADORES Y MOTORES SÍNCRONOS

1.1. INTRODUCCIÓN

Los alternadores del tipo síncrono son los convertidores más utilizados para la

generación de energía eléctrica ya que la inmensa mayoría de la energía eléctrica

utilizada es obtenida a través de este tipo de máquinas.

El alternador Síncrono, o también llamado generador, es un tipo de máquina eléctrica

rotativa capaz de transformar energía mecánica (en forma de rotación) en energía

eléctrica. Es capaz de convertir energía mecánica en eléctrica cuando opera como

generador y energía eléctrica en mecánica cuando operada como motor. La razón por la

que se llama generador síncrono es la igualdad entre la frecuencia eléctrica como la

frecuencia angular es decir el generador girara a la velocidad del campo magnético a

esta igualdad de frecuencias se le denomina sincronismo.

Son los encargados de generar la mayor parte de la energía eléctrica consumida en la

red, y su respuesta dinámica resulta determinante para la estabilidad del sistema

después de una perturbación. Por ello, para simular la respuesta dinámica de un sistema

eléctrico es imprescindible modelar adecuadamente los generadores síncronos.

Funcionan bajo el principio de que en un conductor sometido a un campo magnético

variable crea una tensión eléctrica inducida cuya polaridad depende del sentido del

campo y su valor del flujo que lo atraviesa. Esta máquina funciona alimentando al rotor o

circuito de campo por medio de una batería es decir por este devanado fluirá CC.

Mientras q en el estator o circuito de armadura la corriente es alterna CA. Cuando un

generador síncrono está sometido a carga, la tensión inducida sufre cambios por lo que

se deberá utilizar equipos auxiliares que garanticen una óptima operación del mismo.

Para predecir con cierta precisión el comportamiento de la maquina síncrona en

cualquier estado estacionaria o transitoria se deben de manejar circuitos equivalentes

bastantes elaborados, requiriéndose un conjunto de parámetros:

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Reactancia longitudinal (Xd)

Relación de cortocircuito

Reactancia síncrona transversal (Xq)

Reactancia transitoria longitudinal (X’d)

Reactancia subtransitoria longitudinal (X’’d)

Reactancia subtransitoria transversal (X’’q)

Reactancia inversa (X2)

Resistencia inversa (R2)

Reactancia homopolar (R0)

Resistencia homopolar (R2)

Reactancia de Potier (Xp)

Resistencia en corriente continua del inductor y el inducido

Resistencia de secuencia directa del inducido (R1)

Constante de tiempo transitoria longitudinal en cortocircuito.

Constante de tiempo subtransitoria longitudinal en cortocircuito.

Estos parámetros deben de ser facilitados como datos por el suministrador de la

maquina en el momento de su adquisición, en caso necesario pueden ser determinados

por ensayos.

1.2. DISPOSICIÓN DE ALTERNADORES

La forma de conectar los generadores a la red depende del tamaño de los mismos, para

alternadores de pequeñas centrales (20-100 MVA) o de grupos industriales generando

en MT (3-6 kW) la conexión puede ser directa a barras a través de un interruptor

automático si la tensión de generador coincide con la del sistema de MT en caso

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contrario es necesario un transformador de acoplamiento.

En grupos de cogeneración de industrias, en los cuales los alternadores pueden ser BT

(<1000V entre líneas) se requiere un transformador elevador para la conexión a la red de

MT a no ser que el suministro se realice también en BT.

En grandes alternadores de centrales térmicas o hidroeléctricas, la conexión a la red se

hace a través de un transformador elevador (transformador principal) desde el nivel de

generación al de transporte , si no hay un interruptor automático entre ellos al conjunto

generador – transformador se le denomina bloque , en este caso el interruptor de

acoplamiento está en el lado de AT del t.p. si entre el alternador y el transformador

principal existe interruptor del generador la maniobra de acoplamiento se realiza

cerrando este.

Durante el funcionamiento de la central la alimentación a los servicios auxiliares puede

tomarse desde la propia generación a través de un generador auxiliar del grupo TAG,

para el arranque (alimentación de los servicios auxiliares antes de producirse la

sincronización del grupo con la red) cuando hay interruptor del generador se hace a

través del TP manteniendo el I.G abierto y cerrándolo cuando se cumplan las condiciones

de sincronización, cuando no se dispones de I.G es necesario recurrir a un transformador

de arranque (T.A) para realizar esta maniobra. Pueden existir ambos (TAG Y TA) pero

solo uno de ellos es imprescindible, en ese caso uno de ellos es de reserva y están

enclavados eléctricamente entre sí.

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Estos alternadores son en estrella con el neutro puesto a tierra a través de resistencia

para limitar y evitar de esa forma daños por esfuerzos térmicos y dinámicos en el

alternador.

1.3. CONSIDERACIONES PREVIAS

Como en otros casos de protección de elementos o sistemas, el coste y complejidad de

las protecciones del alternador depende de su tamaño e importancia.

Según el documento preparado por la red eléctrica S.A. compañía d la red de transporte

en colaboración de las demás compañías eléctricas clasifica los alternadores atendiendo

a su importancia en el comportamiento y estabilidad del sistema eléctrico en los

siguientes grupos:

Grupo A: turboalternadores de más de 200 MVA

Grupo B: turboalternadores entre 50 y 200 MVA

Grupo C: generadores hidráulicos de más de 50 MVA

Grupo D: grupos de bombeo de más de 25 MVA

Pequeños grupos disponen de un conjunto de protecciones que se trata de mantener al

mínimo para reducir costes mientras que en las grandes unidades algunas protecciones

pueden estar duplicada o bien una función de protección puede tener su complemento

en otra función de forma que si una protección se encuentra fuera de servicio el

alternador no quede desprotegido no suele ser necesario duplicar todos los relés de

protección pero en grandes maquinas se suelen disponer las protecciones en dos

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paneles independientes alimentados a su vez desde equipos auxiliares independientes

(baterías rectificadores ).

Un criterio seguido en la protección de alternadores es el de no confiar todas las

funciones de protección a un solo equipo por si este falla, así aunque los actuales relés

digitales pueden incorporar un gran conjunto de funciones de protección es aconsejable

mantener alguna de las consideraciones como principales de forma independiente. Los

grandes alternadores son uno de los elementos más protegidos de la red eléctrica por

el gran coste que suponen su reparación y la perdida de la energía, sin embargo la

actuación de sus protecciones debe de tener alto grado de fiabilidad ,una desconexión

intempestiva supone que la energía que deja de producir tiene que ser asumida por

otros grupos para mantener el equilibrio entre la producción y el consumo ya que eso

puede sobrecargar otras partes de la red, alternadores, líneas, provocando a su vez su

desconexión.

1.4. TIPOS DE DEFECTOS

Los alternadores se ven afectados por dos tipos de situaciones:

1.4.1. Defectos que tienen su origen en él, faltas internas

Cortocircuitos entre fases o fase-tierra en el estator, su zona de protección

asociada (hasta el primario del T.P).

Cortocircuitos en el rotor.

1.4.2. Condiciones de operación anormales

Sobrecarga

Desequilibrio de corrientes, apertura de una fase

Pérdida de sincronismo

Alta o baja frecuencia

Sobretensión

Motorización

Pérdida de excitación

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1.5. PROTECCIÓN CONTRA FALLAS INTERNAS

1.5.1. PROTECCIÓN DIFERENCIAL

Es la protección principal contra cortocircuitos trifásicos y bifásicos. Con el principio diferencial, la corriente que circula hacia el interior de cualquier parte de un sistema eléctrico a ser protegido, sea normal o anormal, de be ser igual a la corriente hacia el exterior, en la medida que no exista falla entre las partes.

Este tipo de relevadores de protección, usualmente se aplican en la protección de equipo, tales como generadores, reguladores, transformadores, barras y motores, es quizás el más frecuentemente usado en la protección de transformadores de cierta capacidad, opera abriendo los interruptores en ambos extremos del elemento protegido.

1.5.1.1. Protección diferencial de pequeños alternadores

Puede llevarse a cabo con T.I toroidales y relés de sobreintensidad

instantáneos.

1.5.1.2. Protección diferencial con T.I bobinados y relé diferencial.

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Protección diferencial (87). Esta protección es capaz no solo de

eliminar todos los tipos de cortocircuito internos, sino también

entre espiras.

En el esquema diferencial, se comparan las corrientes de entrada

con las de salida del elemento protegido, siendo que el relevador

denominado diferencial, opera cuando a través del mismo, circulan

una corriente cuya diferencia entre la entrada y la salida rebasa

cierto valor ajustado y denominado corriente diferencial.

Un juego de T.I se conecta en el neutro, el otro juego de T.I en el

lado de línea, la zona protegida puede incluir el interruptor (caso

de que exista interruptor de generador, si solo existe interruptor

del bloque , la zona de protección abarca hasta el primario del T.P)

La zona protegida son exclusivamente los devanados del estator

pero no los vértices del triángulo.

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Los seis T.I deben ser de las mismas características, incluida la rt. La

conexión de los mismos debe de realizarse de forma que en

condiciones sanas los circuitos de frenado del relé sean por

corrientes iguales y en fase.

En ambos casos esta protección diferencial puede tener un % de

frenado bajo (5%-10%) dado que las corrientes a la entrada y salida

de las fases son iguales a diferencia de lo que sucede en los

transformadores.

1.5.1.3. Protección diferencial del bloque

Para este caso el alternador queda incluido en la zona de protección de un relé diferencial del conjunto generador + T.P. este relé ha de ser de protección de transformador.

1.5.1.4. Protección diferencial del conjunto generador + T.P +

transformador auxiliar del grupo.

Los T.I de los secundarios en estrella de los transformadores TP Y

TAG deben de ir conectados en triangulo, mientras que los T.I del

lado de triangulo deben de ir conectados en estrella, en este caso

en vez de usar un juego de T.I se utiliza un juego único en Y con

una corriente primaria igual a la suma de corrientes del T.P y TAG

el hecho de que el alternador este presente no modifica nada ya

que al ser en estrella la corriente es la misma entre la entrada y la

salida , con ello en vez de conectar los T.I en el lado de línea del

alternador se pueden colocar en el lado de neutro.

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Para la protección del bloque y en este de protección conjunta la

razón para unas zonas de protección diferencial abarca más de un

elemento es que puede puede que no haya interruptores entre

ellos para aislar al elemento en falta. En caso de falta en el interior

del T.P se produce la apertura del interruptor del lado de A.T, el

disparo de turbina y la excitación, lo mismo ocurre con el TAG, a su

vez el alternador puede puede disponer de otra protección para el

solo.

Las protecciones diferenciales del bloque o la conjunta sirven de

respaldo a la diferencia del generador ya que es un fallo interno en

él es visto por todas ellas.

Tanto la protección diferencial del bloque como esta del conjunto

Gen+TP+TAG al incluir a menos un trasformador D-Y debe de ser

cableada de forma que se compensen los desfases.

1.5.1.5. Protección diferencial trasversal.

En máquinas (motores como alternadores) de gran potencia puede

ser necesario que cada fase este formado por dos o más bobinas

en paralelo, en condiciones normales la corriente por fase se

reparta por igual en las distintas secciones.

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La situación cambia cuando se produce un corto circuito entre

espiras (bien de la misma sección, o más improbable entre

distintas secciones) ya que se produce un desequilibrio en el

reparto de corriente, esta falla no es detectada por una protección

diferencial dado que la corriente que entra es diferente a la

corriente que sale, esta falla debe de ser detectada y eliminada

porque puede producir daños en la bobina y circuito magnético y

producir a su vez una falla a tierra.

En la práctica aun en condiciones sanas se pueden producir

desequilibrios de corriente debido a que las fracciones de

devanado no sean exactamente iguales, por esta razón no puede

hacerse demasiado sensible.

Como elementos detectores podrían usarse relés de

sobreintensidad, pero también un relé diferencial.

A esta forma de protección diferencial se le denomina

“transversal”.

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1.5.2. DETECCIÓN DE CORTOCIRCUITO ENTRE ESPIRAS EN BOBINADO SIMPLES

La forma de detectar corto circuitos con disposición anterior no es

aplicable a maquinas con una única bobina por fase. Para este caso

se detecta midiendo la tensión homopolar que aparase como

consecuencia del desequilibrio de tenciones dado que en la fase

que este en falla la tensión es menor que en las sanas.

El relé debe de ser insensible al tercer armónico de tensión y de be

de estar temporizado para evitar que actué de forma instantánea

ante una puesta a tierra externa al alternador dado que esa falla

también puede producir la aparición de una tensión homopolar

pero no debe provocar la desconexión del alternador.

1.5.3. PROTECCIÓN DE SOBREINTENSIDAD (DISPOSITIVO 51 O 51V)

Son usados como protección de respaldo de la protección diferencial ante fallas

internas bifásicas o trifásicas se pueden usar la protección de sobre intensidad

temporizada bien a tiempo definido o tiempo inverso. En pequeños

generadores esta puede ser la protección principal.

Su principal ventaja es su simplicidad pero su inconveniente es que no es una

protección muy selectiva, un cortocircuito interno debería de ser eliminada de

forma inmediata, sin embargo una falla externa al alternador debe de ser

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despejada por la protección más próxima al defecto, para prever los disparos

prematuros es preciso imponer un tiempo de retardo.

Para una falla como la señalada, la protección de sobreintensidad del alternador

ve prácticamente la misma corriente que si la falla se produjera justo en sus

bornes de salida, sin embargo no se debe de producir la apertura de I.A 52G

sino del 52L1 por medio de las protecciones de la línea de salida

correspondiente al más próximo a la falla, por ello es necesario retardar la

actuación del relé de sobreintensidad del alternador para procurar un disparo

selectivo.

La protección de sobreintensidad temporizada no es tanto una protección del

alternador como último recurso en caso de una falla no despejada.

Para evitar que actué en caso de falla externa (en la red) su ajuste debe de ser

superior a la corriente que se puede aportar desde el alternador al defecto y

para que actué en caso de falla en la parte de generación su ajuste debe de ser

inferior a la corriente aportada desde la red si se cumple esta condición se

puede dar un disparo rápido.

Como se puede apreciar los T.I se sitúan en el lado de A.T del T.P y se utiliza un

relé trifásico.

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Pero la protección más utilizada se denomina “protección de sobreintensidad

controlada (o frenada) por tensión” (dispositivo 51V).

Se utiliza una protección de sobreintensidad que no responde solo al módulo de

la corriente sino que su actuación viene condicionada también por el valor de la

tensión (pero no es una protección direccional).

1°) En un alternador la corriente de cortocircuito permanente puede ser inferior

a la carga.

En funcionamiento normal la maquina trabaja con una introducción

correspondiente a la zona del codo de saturación y la impedancia que presenta

es la reactancia síncrona saturada, en caso de cortocircuito permanente la

corriente de cortocircuito está limitada por la reactancia síncrona no saturada

que es mayor que la anterior y la corriente (siempre que la excitación se

mantenga en el mismo valor anterior al defecto) es menor.

Si ante la caída de tensión que supone el cortocircuito el regulador de tensión

actúa en el sentido de aumentar la excitación, la corriente de cortocircuito

permanente puede ser superior a la de carga.

2°) En las maquinas autoexcitadas la corriente de cortocircuito permanente es

inferior a la nominal.

El circuito de excitación se obtiene de la rectificación controlada de la tensión

en bornes, si la tensión en bornes se anula por un cortocircuito, la tensión de

excitación se anula y también lo hace la corriente de excitación.

Por esta razón (corriente de cortocircuito permanente del mismo orden o

incluso menor ala nominal) la actuación de relé solo se lleva a cabo si la tensión

es inferior a la nominal.

Porque no se produce la actuacion el periodo subtransitorio o transitorio en los

cuales la corriente de cortocircuito mantiene un alto valor, la razón está en la

temporización necesaria para producir un disparo selectivo, para entonces la

corriente puede haber decaído por debajo del valor nominal.

Disposición que se puede dar esta protección.

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En (a) los T.I se sitúan en el lado del neutro miden la aportación desde el

alternador a un defecto, se pueden detectar defectos externos a la máquina y

defectos internos excepto en las proximidades del neutro.

En (b) se mide la corriente aportada desde la red en caso de defecto interno y la

aportada desde el alternador en caso de defecto externo, en caso de que la red

conectada sea pasiva (solo cargas) no podrían detectarse defectos internos.

En (c) se pueden detectar tanto defectos internos como internos a cada

máquina por la aportación que hace la otra máquina (sin embargo para evitar la

desconexión simultanea de los dos alternadores en caso de defecto interno en

uno de ellos es más conveniente usar protecciones direccionales).

Las características de intervención del relé 51V también pueden ser varias

dependiendo del fabricante.

En (a) la característica de intervención de un relé de sobreintensidad a tiempo

definido reduce su valor de intervención si la tensión es muy inferior a la

nominal.

En (b) el relé dispone de una unidad de sobreintensidad instantánea y otra de

mínima tensión, si se produce un cortocircuito arrancan la unidad de

sobreintensidad y la de mínima tensión, si al cabo del tiempo ajustado no se

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repuso la tensión se produce el disparo aunque la unidad de sobreintensidad

haya caído.

1.5.4. PROTECCIÓN DE MÍNIMA IMPEDANCIA. (DISPOSITIVO 21)

Como protección de respaldo a la protección diferencial ante fallas bifásicas y

trifásicas se puede utilizar una protección de impedancia cuya característica de

intervención es una circunferencia centrada en el origen de impedancia.

El radio del circulo puede ajustarse y de su magnitud dependerá que la

protección pueda ser muy rápida (disparo instantáneo) o que sea necesario

temporizarla. en la figura se ve la conexión de los T.I y TT para alimentar la

protección, de momento se razonara en base a que los T.I se encuentran en el

lado de línea del alternador, también se muestran las características de

actuación del relé que es cuando la impedancia medida se encuentra dentro del

círculo, se puede apreciar que esta característica puede medir tanto

impedancias desde bornes del alternador hacia la red como hacia su propio

neutro, también se muestra el esquema unifilar y la representación de la

alimentación al relé.

Supongamos que al relé se le da un ajuste tal que el radio del círculo se hace

igual a la impedancia del transformador principal (para ello es necesario pasar a

magnitudes secundarias de los T.I y T.T el cociente Unom/Icc del trasformador),

el relé actuaria siempre que viera una impedancia aparente inferior al ajuste, el

límite de operación del relé sería justo cuando se produce un cortocircuito en

bornes de A.T del T.P, para faltas más allá la impedancia medida sería superior y

el relé no actuaria y para faltas en el interior del T.P la impedancia sería menor y

actuaria.

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Dado que la característica de actuación del relé es circular, también operara

para cualquier falta trifásica interna dentro del alternador que suponga que el

módulo de la impedancia desde las bornes de salida es igual o inferior a la de

cortocircuito del T.P.

Por lo tanto hay una fracción “x”<100% del devanado del alternador que es tal

que la impedancia vista desde las bornes de salida tiene el mismo modulo (o

inferior) que la del T.P y las faltas que se produzcan en esa zona serán

detectadas por el relé de impedancia.

Esta protección no puede dar cobertura al 100% de los devanados del estator,

hay que pensar que un cortocircuito en el neutro no es un defecto sino la propia

conexión del neutro.

Si el ajuste del relé se hace mayor entonces se pueden detectar fallas

producidas más allá del lado de A.T del T.P, es decir en las líneas de salida, en

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este caso es preciso temporizar la actuación del relé para permitir que actúen

las protecciones de la línea afectada para despejar la falla, si el ajuste se hace

menor a Zcc del T.P la actuación puede ser instantánea (sin retardo adicional)

dado que la falla es interna al sistema de generación.

La zona protegida comprende el 90% del TP, parte del alternador y parte del

transformador auxiliar (< del 90% ya que su Zcc es superior a la del T.P al ser de

menor potencia).

Sin embargo la situación de los T.I no suele ser el lado de línea del alternador

sino que van colocados en el lado del neutro, eso modifica el valor de la zona

protegida del alternador contra fallas internas pero el principio en que se basa

sigue siendo el mismo.

Aunque los razonamientos anteriores están hechos a base de suponer fallas

trifásicas, el relé detecta fallas entre fases dado que sus unidades internas de

medida no están alimentadas por las tenciones simples y las corrientes de línea

sino por tensiones compuestas y diferencia de corriente de línea, esta

disposición permite cubrir todas las fallas bifásicas y trifásicas.

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Para evitar que el decrecimiento de la corriente pueda afectar a la operación del

relé este debe de arrancar por subimpedancia en lugar de hacerlo por

sobrecorriente.

1.5.5. PROTECCIÓN DE FALLAS A TIERRA DEL ESTATOR (<100%)

Las faltas a tierra en el interior del estator pueden empezar como fallas entre

espiras o bien directamente por perdida del aislamiento de una bobina respecto

al núcleo magnético, el núcleo está rodeado por la carcasa y está puesto a

tierra. Si los devanados están conectados en triangulo o en estrella con el

neutro aislado, la puesta a tierra de un devanado no supone una corriente de

falla inmediata (excepto una pequeña corriente capacitiva que puede

aparecerá), sin embargo es importante detectarla ya que una segunda puesta

atierra en otra fase conduce a un cortocircuito bifásico.

Los alternadores conectados en estrella pueden tener el neutro aislado respecto

a tierra o bien puestos a tierra, por lo general la puesta a tierra del neutro

incluye algún tipo de impedancia que limita la corriente de falla atierra esto se

realiza por que en los alternadores la impedancia homopolar puede ser inferior

a la impedancias de secuencia positiva y negativa y en consecuencia la corriente

de falla monofásica superior a la de defecto trifásico.

Una corriente de defecto a tierra no limitada puede producir la rotura de

espiras por esfuerzo dinámico que aunque es una avería importante es

(relativamente) fácil de subsanar sustituyendo la bobina, el efecto más

perjudicial es la fusión de la chapa del circuito magnético debido a las altas

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temperaturas alcanzadas por el arco antes de eliminar la falla, esto es mucho

más seria que el anterior.

Es necesario limitar por medio de una resistencia en el neutro la corriente de

falla a tierra, en pequeñas maquinas se puede limitar con una puesta a tierra de

baja impedancia.

En grandes maquinas es necesario limitar mucho más, lo habitual es bajar la

corriente a un nivel de 200A aproximadamente pero aun con un valor tan bajo

(respecto a la nominal) se produce daños importantes y la practica actual es

limitar la corriente a unos niveles mucho más pequeños, entre 1 y 20A con una

puesta a tierra de alta impedancia.

Para una falla que afecte a un x% de devanado se tendría de forma similar

La corriente de falla en este caso se puede suponer proporcional a la porción de

devanado afectado por la falla, es máxima cuando se produce en bornes y nula

cuando se produce en el mismo neutro.

1.5.5.1. Detección de faltas a tierra con baja impedancia

La corriente de defecto puede ser suficiente para ser detectada con

facilidad por protecciones basadas en corriente, la protección

diferencial puede ser una de ellas.

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Es más sensible la protección diferencial de neutro, y protegeremos el

alternador con disparo automático.

Como respaldo se puede usarse un relé de sobreintensidad, y el

neutro alimentado desde un T.I.

Con un corriente nominal primaria igual a la mitad de la corriente

de falta a tierra, y un ajuste del relé muy bajo.

Si el alternador está conectado a un devanado en ∆ de un

transformador se podría usar un relé instantáneo.

Si el alternador está conectado sin transformador elevador, y a su vez

parten a líneas, es necesario temporizar la actuación.

Si existen varios alternadores en paralelo sobre barras comunes,

cualquier falta a tierra se cierra por los neutros disponibles.

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1.5.5.2. Detección de faltas a tierra con alta impedancia

En grandes alternadores se limita a un valor muy bajo la corriente de

falta a tierra. Se dificulta la detección de la falta por medio de relés de

corriente, y se hará por medio de la tensión.

En un transformador de relación 10000/5 A apenas varía las corriente

de salida de que circule una corriente de falta de 10 A superpuesta a

la nominal de 10000, y con ello se descarta el uso de relés

diferenciales de baja impedancia.

La disposición mostrada en la figura, los arrollamientos en ∆ de los

trafos principal y auxiliar aíslan las faltas que se pueden producir.

Los elementos de protección solo pueden actuar en caso de una falta

a tierra que afecte el alternador, o la conexión con los trafos.

a. Disponer una resistencia de A.T entre el neutro y tierra.

Caso: La tensión generada es 20 kV, y queremos limitar la

corriente de defecto a 10 A, la resistencia debe de presentar

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un alto nivel de aislamiento en tensión simple (11,54 kV) y un

valor de 1150 .

b. Disponer un transformador en el neutro con salida a B.T y

una resistencia a esta tensión en el secundario.

El neutro no debe de entrar en saturación cuando el

alternador funcione a una tensión de 105% de la nominal y un

margen de seguridad.

La corriente de falta circula en un tiempo pequeño antes de

ser despejada y puede reducir la potencia. La condición es que

el transformador la soporte.

Puede existir una pequeña corriente en el neutro, porque en

los devanados y conductores de salida de los devanados

presentan unas capacidades parásitas pequeñas pero no

nulas.

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Las f.e.m inducidas no son senoidales perfectas debido a la

presencia de armónicos o bien con campo rectangular debajo

de los polos la disposición de las espiras.

1.5.5.3. Detección de faltas a tierra con neutro aislado

En el caso infinito de impedancia alta(∞), neutro aislado, muy

frecuente en pequeñas centrales, puede ser la conexión directa a

barra.

La disposición mostrada presenta varios problemas, como la

presencia de una tensión homopolar y no permite un disparo

selectivo.

Como también el neutro aislado la corriente de defecto es

únicamente las corrientes parásitas, y producen sobretensiones

transitorias o permanentes por ferroresonancia.

Puede ser difícil determinar el valor de las capacidades parásitas y por

ende de la resistencia. Debemos de dar un valor adecuado a la

resistencia para detectar con seguridad la corriente de entrada al lado

de A.T.

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En la figura mostrada se representa una falta a tierra que afecta al

alternador, que supone que la corriente de falta resistiva introducida

es muy superior a la capacitiva de forma que esta última no se

muestre ni se tiene en cuenta.

La corriente resistiva está producida por la tensión aplicada a la

resistencia del secundario del triángulo abierto.

La corriente de defecto pasa íntegra a través de un T.I toroidal y

puede ser detectada por el relé de sobreintensidad, y la actuación se

produce si hay tensión y corriente homopolar simultáneamente.

1.5.6. PROTECCIÓN DEL 100% DEL ESTATOR

Los procedimientos anteriores presentan la misma limitación de no detectar

puestas a tierra en el neutro que no pasa del 90 o 95%.

Queda en el último tramo en el cual una falta a tierra no produce ni corriente ni

tensión suficiente para ser detectada.

1.5.6.1. Medida de la tensión armónica entre el neutro y tierra

En condiciones normales circulas corrientes de tercer armónico, y en

caso de una puesta a tierra del neutro la tensión se hace

prácticamente nula, y se puede detectar por un relé de mínima

tensión (27).

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Para que actué es necesario además que la tensión se la de servicio

evitándose así que se señalice falta con la máquina parada.

1.5.6.2. Inyección de una corriente subarmónica

La inyección de una corriente en el neutro es un tipo de protección

más compleja y sofisticada que la anterior.

Se basa en aplicar por medio de un T.T una tensión de una frecuencia

inferior a la fundamental entre neutro y tierra.

1.5.7. Protección contra faltas a tierra en el motor

El circuito de excitación está aislado de tierra sin embargo la parte estructural

esta puesta a tierra mediante un anillo rozante y una escobilla.

El procedimiento más simple para detectar la primera puesta a tierra del rotor

es el conocido como el del potenciómetro.

Consiste en poner en paralelo con la bobina inductora una resistencia elevada

con una toma intermedia la cual a su vez se conecta al relé de tensión continua

y a tierra.

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Al producirse una puesta a tierra el relé queda sometido a la tensión existente

entre los puntos donde se produjo el defecto y la tensión en el punto medio de

la resistencia y actúa para dar una alarma.

Se presenta un «punto ciego» que es cuando la puesta a tierra se produce en las

proximidades del punto medio de la bobina inductora ya que en este caso la

tensión en el relé es nula o muy pequeña.

El inconveniente del «punto ciego» se supera de dos formas:

a. Se dispone de otra toma en el resistencia y se conmuta a esa

posición periódicamente.

b. Se pone en serie con la resistencia un varistor, la resistencia

varia con la tensión.

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Otros métodos de detección consisten en inyectar en el rotor una corriente

continua o alterna de baja frecuencia, que se cierra a través de la falta en el

rotor siendo esta detectada por un relé de corriente o de tensión.

1.6. PROTECCIÓN ANTE SITUACIONES ANORMALES DEL ALTERNADOR

1.6.1. Protección de sobretensión

Los alternadores pueden estar expuestos a sobretensiones por distinta causas:

Sobretensiones de origen atmosférico

Sobretensiones de maniobra

La protección contra este tipo de sobretensiones se efectúa por medio de

pararrayos.

Adicionalmente pueden aparecer sobretensiones por

a. Perdida brusca de carga

b. Fallo en el equipo de regulación de tensión

En el caso a) la aparición de la sobreintensidad esta originada porque para

mantener un estado de carga generalmente se requiere de una tensión interna

superior a la nominal, a la desconexión de una carga importante aumenta la

tensión hasta que el regulador disminuya la intensidad de excitación.

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Simultáneamente puede aparecer una sobre velocidad (embalamiento) este

efecto es más acusado en los alternadores hidráulicos que en los

turboalternadores, la razón es que la potencia se tiene que reducir en la

magnitud desconectada, para ello es preciso regular la posición de la válvula de

admisión de potencia primaria en la maquina motriz, los grupos hidráulicos la

inercia de la masas de agua entrando en la turbina no permite una acción tan

rápida como en las turbinas de vapor

En el caso b) cada vez los reguladores son am complejos y eso aumenta la

posibilidad de fallo o un funcionamiento incorrecto.

Los alternadores están diseñados para que soporten en permanencia una

sobretensión, normalmente 105%, pero tensiones superiores pueden ser

perjudiciales tanto por razones dieléctricas de aislamiento como por

sobreexcitación, hay que pensar que la f.e.m. inducida es Eo= 4.44.N.f.Ø y que

un aumento de tensión manteniéndose la frecuencia requiere un aumento de

flujo que contribuye a saturar el circuito magnético, estableciéndose en partes

no almenadas creando fuertes pérdidas por corrientes parasitas que se pueden

traducir en daños al hierro.

Por las razones expuestas se pueden encontrar dos tipos de relés de

sobretensión, uno independiente de la frecuencia (dispositivo 59/81).

Los primeros responden únicamente al módulo de la tensión, pueden disponer

de dos escalas de actuación, el ajuste superior produce actuación instantánea y

el escalón inferior tiene un tiempo de intervención que puede ser fijo o con una

característica de tiempo inverso, valores típicos de disparo instantáneo pueden

estar comprendidos entre 1.2-1.4 Un y el diaspro retardado entre 1.05-1.2Un.

Otra ovación en la que se emplean relés de sobretensión es en el caso de

pequeñas centrales o grupos de generación de industrias, en este caso para

desconectar el grupo del enlace de M.T. cuando se produce una sobretensión

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mantenida durante cierto tiempo en la línea, la alimentación al relé debe de

darse desde una tensión compuesta para evitar que actué por una puesta a

tierra en la línea, situación en la que las fases sanas pueden experimentar un

aumento de la tensión

La protección contra sobreexcitación (59/81) sirve para el bloque Generador

+TP, ya que ambos sufren problemas similares con el aumento del flujo, el

alternador con menor capacidad de soportar efectos que el transformador, los

valores admisibles de sobreexcitación y tiempo deben de ser facilitados por el

fabricante.

1.6.2. Protección de potencia inversa (32)

Esta protección es en realidad de la maquina motriz más que del alternador, se

denomina también de “retorno de potencia” o “anti motorización” porque evita

que la maquina trabaje como motor síncrono arrastrando a su máquina

primaria (turbina o motor diesel).

Cuando una maquina síncrona está conectada a una red (es decir, no trabaja

aislada) y la excitación esta en servicio, funciona como generador si recibe

potencia mecánica, si al entrada de potencia se reduce o anula sigue trabajando

a la misma velocidad pero en este caso como motor síncrono recibiendo de la

red potencia mecánica necesaria para mantener el movimiento para vencer las

perdidas mecánicas. Desde el punto de vista de la maquina esta situación no

supone ninguna anomia, sin embargo la turbina o motor primario se puede ver

gravemente dañado.

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La situación de motorización no afecta a todas la maquinas motrices por igual,

en turbinas de vapor se pueden producir deformación de alabes por un

enfriamiento rápido, en algunos tipos de hidráulicas (Kaplan, Francis) aparecen

problemas de cavitación, en los motores diesel existe riesgo de incendio de

explosión.

Las maquinas primarias incluyen distintos dispositivos mecánicos para detectar

la motorización, sin embargo esta generalmente aceptado disponer de algún

tipo de relé que actué en este caso.

Si la entrada de potencia a la maquina motriz no se anula totalmente pude

suceder que sea insuficiente para compensar la pedidas mecánicas, el moviente

se mantiene pero a base de que al red aporta la potencia restante, la cual pude

ser muy pequeña, esto presenta problemas de detección para cualquier tipo de

relé que se utilice ya que debe de re muy sensible en este caso pero

permanecer inoperante cuando el flujo de potencia activa sea el nominal en el

sentido de actuación como generador

Si la entrada de potencia se anula totalmente entonces la potencia necesaria

para que se produzca la motorización varia con el tipo de máquina, los valores

(aproximados) en % respecto a la nominal, la cual coincide aproximadamente

con la del alternador , son los indicados a continuación:

Turbina de vapor de condensación: 3%

Turbina de vapor de contrapresión: 3%

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Motor diésel: 25%

Turbina de gas: 50%

Turbinas hidráulicas: 0.2 al 2+% dependiendo de los tipos

Como tipos e relés se pueden utilizar relés de sobreintensidad direccionales

(67), actúan cuando la corriente retrasa (o adelanta) una ángulo mayor de 90° a

ala tensión en borne, es muy importante la capacidad de detección de

pequeños valores de corriente ya nulos de exceso (dado el pequeño valor de la

corriente).

El tipo más extendido de protección es sin embargo un relé que mide

propiamente el sentido de la potencia activa, relé direcciona vatimetrico muy

sensible que actúa normalmente al 0.5% de la potencia nominal de la máquina.

Puesto que la situación es equilibrada basta con utilizar un relé monofásico

Muestra la característica de intervención en el plano G-B, equivalente al plano

de potencias P-Q.

La actuación no debe de ser instantánea ya que de lo contrario podría actuar

intempestivamente en el caso de oscilaciones pendulares estables o durante la

sincronización, existen distintas versiones que condiciones la actuación del relé

al estado de las válvulas d admisión

Por ejemplo, se tiene las siguientes temporizaciones:

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Con válvula cerrada (1 er escalón de temporización): 2s

Con válvula abierta (2° er escalón de temporización): 30s

1.6.3. Protección contra perdida de excitación (40)

La potencia por fase que un alternador puede transmitir a la tensión en bornes

“U” depende de su tensión interna, dela ángulo de desfase entre la tensión

interna y la tensión en bornes y de la reactancia síncrona P=U EO sin δ

X s.

Para transmitir una determinada potencia y mantener el sincronismo con la red

se necesita una excitación mínima, en esta condiciones le ángulo interno es de

90°

En l figura se representa el diagrama fasorial para una potencia de salida

constante y distintos estados de excitación.

La recta señalada con “1” es el lugar geométrico de la corriente necesaria para

transmitir la potencia considerad y al señalada con “2” es el lugar geométrico de

las tensiones internas.

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Nótese que la corriente de salida puede adelantar a la tensión en bornes, eso

significa que la impedancia apronte de salida es de tipo capacitivo, es decir la

maquina tomas potencia reactiva desde la red, esta sobrexcitada.

Si se reduce la potencia suministrada por la maquina motriz, se pude reducir la

excitación, el diagrama fesoria seria el mismo pero ahora con un valor de

“I.cosɸ” menor, es decir, la recta “1” más próxima al origen. En definitiva, si se

reduce la potencia de entrada se puede reducir la excitación y la maquina

mantener el sincronismo, pero si al excitación baja por debajo de un valor

mínimo o se anula por completo entonces el rotor se acelera adelantase al

campo giratorio creado por las corrientes del estator.

En esa situación pueden pasar dos cosas:

La velocidad del rotor aumenta progresivamente, si no se reduce la entrada de

potencia por medio del regulador podría originar situación de sobre velocidad y

tendrían que actuar las protecciones mecánicas para evitar el embalsamiento

de la máquina.

L a velocidad del rotor aumenta y se hace superior a la del sincronismo pero

llega un momento en que se estabiliza, la maquina llega a funcionar como un

generador asíncrono, rotor accionado a la velocidad del campo. Para que se

produzca esto es necesario que haya un equilibrio entre la potencia mecánica

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de entrada y la potencia eléctrica que la maquina la maquina puede suministrar

en esas condiciones, de lo contrario se estaría en el caso anterior.

La situación de funcionamiento como generador asíncrono no requiere un

disparo inmediato y, dependiendo de cada máquina, puede permanecer en ese

estado por espacio de algunos minutos.

Si la corriente de excitación se anula por completo como consecuencia de un

fallo en el circuito de excitación (cortocircuito, apertura del interruptor de

excitación, fallo del regulador, etc.) el campo inductor se reduce al campo

remanente que prácticamente no interacciona con el del estator debido a su

pequeño valor, el rotor es llevado a una velocidad superior a la del sincronismo

y al girar el rotor con respecto al campo que da a un campo variable.

En las máquinas de rotor de polo salientes dotados de arrollamiento

amortiguados, este actúa como un devanado de jaula de ardilla, y la maquina

puede funcionar como generador asíncrono con una potencia del orden del 10-

15% de la potencia nominal.

En las maquinas del rotor liso (turboalternadores) el rotor suele ser de acero

macizo con ranuras en la superficie para alojar las bobinas inductoras y no lleva

arrollamiento amortiguador, en condiciones asíncronas se inducen corrientes

parasitas y la potencia que puede trasmitir de forma asíncrona es muy pequeña,

del orden del 2 o 3% de la nominal.

Dado que el rotor de las maquinas síncronas no están diseñados para funcionar

sometidos a un campo variable, se producen fuertes perdidas magnéticas que

origina calentamientos y esa situación se tiene que limitar a periodos breves.

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Este comportamiento de la maquina síncrona, aunque fuera a de sincronismo

no es una actuación tan perjudicial como la perdida de sincronismo por

problemas de estabilidad comentada anteriormente. Si se representa en el

mismo de gráfica utilizado en aquella ocasión se pude ver que al ser la tensión

interna nula no hay oscilaciones de tensión, sin embargo la maquina esta

subexcitada y necesita potencia reactiva desde la red y la corriente en la

máquina que puede producir una reducción importante de la tensión en bornes

y calentamientos adicionales con respecto al estado de funcionamiento en

condiciones nominales.

La forma más simple detectar la perdida de excitación es vigilar propiamente la

corriente en el inductor suele formar parte del sistema de excitación, consiste

en un shunt (resistencia calibrada), el cual alimenta un relé de tensión muy

sensible. El ajuste que se debe de dar es muy bajo, del orden del 5% de la

corriente de excitación nominal para asegurarse de que no actúa cuando la

maquina todavía puede mantener el sincronismo.

En los alternadores de potencia considerable se suele detectar la pedida de

excitación por medio del impedancia aparente vista es esas circunstancias, es

decir, se utiliza un relé de medida de impedancia.

De nuevo hay que recurrir al plano de impedancias tal como se vio al tratar la

protección de perdida de sincronismo.

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Suponiendo de momento solo reactancias, el lugar geométrico de las

impedancias visto desde el alternador es el siguiente.

La característica de protección contra perdida de excitación más usada es una

circunferencia centrada en el eje negativo delas reactancias (Mho desplazado)

que alcanza en la parte superior al 50-75% de la reactancia transitoria

longitudinal y en la parte inferior a la reactancia síncrona no saturada.

Se usan también otros valores distintos de radio y centro, pero todas tienen en

común la forma y el alcance inferior

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1.7. OTRAS PROTECCIONES MECANCIAS Y ELECTRICAS

1.7.1. Protección de mínima tensión (Dispositivo 27)

Esta protección no es propiamente del alternador ya que este puede funcionar

sin peligro alguno por debajo de su tensión nominal. Se utiliza en caso de grupos

de generación de industrias o en pequeñas centrales hidráulicas pero como

medio para aislar el grupo de la red en caso de faltas en la línea a la que están

conectados.

Detección de una falta se lleva a cabo por tres relés alimentados a las tensiones

de línea. La reconexión del grupo a la red se lleva a cabo después de que

transcurra un cierto tiempo considerado seguro con tensión correcta.

También se utilizan para detectar subtensión en barras de los servicios

auxiliares actuando con una característica escalonada, los ajustes típicos son

disparo por debajo de 70% al cabo de 5seg y al cabo de 0.5seg. Para tensión del

30%, con estas temporizaciones se evita el disparo en situaciones de oscilación

de potencia. La actuación de estos relés provoca la desconexión de los servicios

auxiliares y la parada de la central.

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1.7.2. Comprobación de sincronismo (Dispositivo 25

Esta protección impide el cierre del interruptor de acoplamiento si las tensiones

a ambos lados no tienen sus módulos, fases y frecuencias iguales o con unas

discrepancias muy pequeñas.

La sincronización solo es posible si las tensiones se encuentran dentro de la

zona de perimisio para ello.

1.7.3. Equilibrio De Tensiones (Dispositivo 60)

La función llevada a cabo por esta protección también se llama de vigilancia de

fusibles. Algunos relés o equipos pueden actuar cuando la tensión se anula, para

asegurarse que la actuación se lleva a cabo por una reducción real de la tensión

y no por la fusión de algún fusible de los transformadores de tensión se puede

utilizar el relé de equilibrio de tensión.

En la figura se ilustra que un relé 51V podría actuar ante la pérdida de un fusible

del T.T del que se alimenta. El relé de vigilancia de fusibles detecta que la

pérdida de tensión no es debida a una falta, ya que hay una de las entradas de

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tensión de una misma fase que tiene un valor nulo, un contacto de este relé en

serie con otro de 51V evita una actuación incorrecta de este último.

1.7.4. Otras

Otras protecciones que se usan en ocasiones son la protección contra la

energización accidental (o maquia muerta) esta protección actúa de forma

instantánea cuando por una falsa maniobra se ordena el cierre del interruptor

de acoplamiento con la maquina parada o girando a baja velocidad, la actuación

rápida esta impuesta para proteger a los cojinetes por baja presión de aceite

más que a los devanados.

La protección contra fallo de interruptor detecta si existe circulación de

corriente en uno o más de los polos interruptor de maquina o de grupo cuando

esta debe de ser nula.

Hay dos situaciones que pueden producir este estado, por una parte que una

orden de disparo prospere por un fallo en algún punto del circuito que lleva la

orden de la bobina de disparo del disyuntor, en este caso se da una nueva orden

de disparo a la misma o a otra bobina de disparo (caso que este duplicado) en

caso de nuevo fallo hay que producir el disparo de los interruptores adyacentes,

de la excitación y la turbina.

Otra situación es cuando el interruptor abierto y la maquina girando y en

tensión (p. ej previamente a la sincronización), por efecto de una sobretensión

se produce un cebado entre los contactos fijo y móvil de uno o más polos de un

disyuntor, en este caso es inútil ordenar la apertura del interruptor dado que

está abierto, es preciso disparar la excitación y la turbina para evitar que el arco

se mantenga con la aportación de corriente desde la máquina.

Protecciones Mecánicas.

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Tanto el Alternador como su máquina motriz están provistos de un conjunto

más o menos amplio de protecciones cuyo funcionamiento es mecánico o

hidráulico, sobre velocidad, baja presión de aceite en cojinetes, etc. Las

protecciones de este tipo varían según la potencia y el tipo de maquina primaria

y no son objeto de tratamiento.

1.8. PROTECCIONES RECOMENDADAS SEGÚN POTENCIAS

Las protecciones de los alternadores no están estandarizadas, en la práctica unos

alternadores van dotados de más elementos de protección que otros, como siempre hay

una relación entre el coste e importancia del objeto protegido y el coste de los

elementos de protección.

En las protecciones contra defectos eléctricos será necesario, para generadores de

cualquier potencia, instalar protección de sobreintensidad contra cortocircuitos o

sobrecargas, protección contra sobretensiones de origen atmosférico o internas y

protección de falta a tierra del estator.

Para potencias superiores a 5MVA se aconseja disponer, entre otras, protección

diferencial, protección de máxima y mínima frecuencia, inversión de potencia, falta a

tierra del rotor y defecto de excitación, aunque siempre estarán dotados de dispositivos

de control de la temperatura de los bobinados y del circuito magnético, tales q puedan

provocar en caso necesario la desconexión de la máquina de la red.

En los generadores de potencia superior a los 5MVA es muy aconsejable instalar un

sistema de protección contra incendios accionado por el relé de protección diferencial o

por termostatos adecuadamente situados. En los grandes generadores q utilicen como

fluido de refrigeración el hidrogeno, será obligado la instalación de este sistema de

protección contra incendios.

Se deberá prestar atención, en el proyecto y montaje, a los problemas de vibraciones

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Los generadores asíncronos conectados a redes públicas, equipados con baterías de

condensadores, estarán protegidos contra las sobretensiones de autoexcitación en caso

de falta de tensión en la red pública.

Hay cierta coincidencia entre distintos fabricantes de relés de protección recomendando

las protecciones con que se pueden dotar los alternadores según potencias.

A continuación les mostraremos algunas recomendaciones generales:

Protecciones en generadores <5MVA

Potencia inversa (32).

Sobreintensidad (50/51).

Máxima tensión (59).

Mínima tensión (27).

Falla a tierra red exterior.

Protecciones en generadores de 20 - 100 MVA

Diferencial del generador (87G).


Tierra del estator al 95% (64G).

Sobretensión (59).

Carga desbalanceada (46).

Tierra en el rotor (64F).

Mínima impedancia (21).

Pérdida de excitación (40).

Protecciones en generadores >300 MVA

Diferencial del generador (87G).


Tierra del estator al95% 64G)

Sobretensión (59).

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Subfrecuencia (81).

Tierra del estator al 100% (64G).

Tierra en el rotor.

Mínima impedancia

Pérdida de excitación.

Carga desbalanceada (46).

Sobreexcitación (24).

Sobretemperatura estator (49)

Sobreintensidad del rotor.

Algunas funciones de protección pueden estar duplicadas con relés iguales o diferentes o

bien con relés cuya zona de actuación contenga a otra en su interior por ejemplo el

diferencial del generador y el diferencial del bloque, protección del 95% del estator y del

100%. Se denominan redundancias.

1.9. PROTECCIÓN DE MOTORES SÍNCRONO

Los motores síncronos se utilizan en casos en los cuales es imprescindible mantener

constante la velocidad del rotor independientemente de cambios de par resistente. La

utilización de equipos muy precisos de regulación de velocidad para maquinas

asíncronas hace cada vez menos necesario el empleo de motores síncronos más caros

que los anteriores.

La máquina síncrona como otras máquinas eléctricas rotativas puede funcionar como

generador o como motor, en este caso la f.e.m. interna creada por la intensidad de

excitación (Eo) retrasa con respecto a la tensión en bornes, eso corresponde físicamente

a que el rotor retrasa un ángulo interno respecto al campo giratorio resultante.

Un aspecto a considerar en la protección del motor síncrono es el método de arranque,

existen varios procedimientos:

a. Con motor auxiliar:

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El rotor, sin carga mecánica acoplada, es arrastrado por medio de un motor auxiliar, este

puede ser de c.c o c.a, el rotor es llevado a una velocidad próxima a la de sincronismo y

en esa situación se produce la sincronización por los medios habituales (doble

voltímetro, doble frecuencímetro, sinocroscopio, etc.)

b. Arranque asíncrono:

El motor arranca como un motor asíncrono hasta una velocidad inferior a la de

sincronismo, cuando la diferencia de velocidad(deslizamiento)es pequeña se conecta la

excitación, lo que produce un par sincronizante que lleva al rotor a la velocidad de

sincronismo, el arranque asíncrono puede realizarse:

Por medio de devanados

Por medio del circuito inductor cerrado sobre una resistencia elevada

c. Con arrancador progresivo

El motor en vacío se conecta a una fuente que proporciona una tensión y frecuencia

creciente con lo que el rotor acelera suavemente hasta la velocidad síncrona, una vez

alcanzada se desconecta de la fuente auxiliar y se sincroniza con la alimentación.

En lo que respecta a las protecciones, la del estator es iguales a la de los motores

asíncronos y a las de los alternadores síncronos de igual o similar potencia, protección

diferencial, protección de sobreintensidad térmica, detectores térmicos incorporados,

protección contra corrientes desequilibradas. La protección de sobreintensidad contra

cortocircuitos internos ha de tener en cuenta el procedimiento de arranque y en su caso

ser ajustada por encima de la corriente de arranque asíncrona o de la corriente

sincronizante que se produce cuando la maniobra de sincronización se hace sin ser

exactamente iguales en modulo, fase y frecuencia la tensión de alimentación y la interna

del motor.

d. Protección contra pérdida de sincronismo:

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Basada en detectar una corriente alterna superpuesta a la corriente continua del circuito

de excitación, la corriente alterna está producida por la f.e.m. inducida debido al

movimiento del rotor respecto al campo giratorio del estator.

e. Protección de mínima potencia:

Cuando el motor es la única carga de las barras, la perdida de alimentación supone la

anulación de la potencia consumida. El ajuste debe de hacerse a un valor inferior de las

perdidas mecánicas cuando trabaja en vacío.

f. Protección de potencia inversa:

(En este caso actuando en el sentido de potencia saliente) cuando hay otras cargas en

paralelo con el motor y susceptibles de ser alimentadas desde el actuando como

generador.

g. Protección de sobretensión:

Si la tensión interna es superior a la tensión de red y se queda sin alimentación, la

tensión en barras aumenta.

h. Protección de mínima frecuencia:

Al quedar sin alimentación el motor pierde velocidad y disminuye la frecuencia de la

tensión interna, esta pérdida es más brusca cuando el motor está en carga que cuando

está en vacío.

2. PROTECCIÓN DE BARRAS

2.1. INTRODUCCIÓN

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Las barras son el equivalente a los nodos en un circuito. Confluyen diversos elementos

como las líneas de distintas partes.

Haremos referencia a barras de subestaciones de A.T.

Las subestaciones se pueden clasificar de la siguiente manera:

Tipo A. Subestaciones de interconexión, unen líneas a la misma tensión (transporte).

Tipo B. Subestaciones de interconexión pero con transformación de tensión a un nivel

inferior.

Tipo C. Estaciones de transformación pura.

Tipo D. Subestaciones de central.

A continuación se describen distintos tipos de configuración:

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2.2. DIFERENCIAL DE BARRAS

La protección más utilizada en barras de A.T es la diferencial (esta protección sin

embargo no es aplicable a la configuración en anillo); como en todo tipo de protección

diferencial su fundamento es que en condiciones sanas del elemento a proteger (no

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defecto o defecto externo a la zona protegida) la corriente entrante es la misma ala que

sale en las barras y que esta situación cambia cuando se produce una falla en la zona

protegida.

En el caso de barras la zona protegida incluye los I.A y los T.I que alimentan a la

protección deben de situarse en la parte del I.A más alejada de barras.

La ocurrencia de una falla en la zona protegida debe de ser despejada abriendo todos los

I.A incluidos en la zona de protección mientras que una falla externa a lo sumo debe de

producir la apertura del I.A que pertenezca simultáneamente a la zona de protección de

barras y de la línea en falla.

2.2.1. Protección diferencial de baja impedancia o de equilibrio de corrientes.

En la figura se representa unas barras (una fase) que interconectan tres

secciones de un sistema de A.T, (en general pueden haber “n”) cada una de ellas

puede contar con fuentes de alimentación a un defecto que vendrían

determinadas por el equivalente Thévenin de sus extremos respectivos.

Los sentidos indicados de las corrientes a una posible situación de intercambio

de potencia, en la gráfica se supone un flujo de potencia desde la fuente 1 hacia

2 y 3 con corrientes I1=3000A, I2=1000A, I3=2000A.

En ese estado de carga la corriente en el relé se anula o es tan pequeña como

sea posible, pues en los secundarios de los T.I no hay una reproducción exacta

de las corrientes primarias, siempre hay error.

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Los T.I deben cumplir con una misma relación de transformación, sus

características de r.t iguales, factor de sobreintensidad, etc. La longitud de los

cableados secundarios hasta el relé presente la misma resistencia.

La protección diferencial de baja impedancia puede ir dotado de circuitos de

frenado en la figura se representa dos opciones, en el caso a) se dispone de un

circuito de frenado para cada una de las conexiones al relé pero presenta el

inconveniente que si hay muchos circuitos no resulta practico, en el caso b) el

frenado se realiza en un único circuito alimentado por la corrientes secundarias

rectificadas, su suma no será nunca nula, mientras que la operación es función

de la suma fasorial de las corrientes secundarias alternas.

2.2.2. Inconvenientes de la protección diferencial de baja impedancia

Todo lo anterior resultaría eficaz si el comportamiento de los T.I fuera ideal y la corriente en el secundario fuera una copia fiel de la primaria.

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La saturación puede afectar muy negativamente al comportamiento de la protección diferencial de baja impedancia, cuando la corriente de excitación disminuye por debajo del valor correspondiente al codo de saturación el valor de la inductancia es muy elevada y se produce una rápida variación de flujo con la corriente hasta que en el siguiente semiciclo de la corriente de excitación se vuelve a alcanzar el valor correspondiente al codo en que nuevamente la variación de flujo es nula. Una consecuencia de las fuertes variaciones de flujo es la aparición de valores pulsantes de la f.e.m alrededor de valores nulos de la corriente de excitación con valores de pico elevado e incluso peligroso para la integridad de los T.I.

2.3. PROTECCIÓN DIFERENCIAL DE MEDIA O ALTA IMPEDANCIA

2.3.1. Estabilidad ante faltas externas

La protección diferencial de media o alta impedancia aprovecha en beneficio de la seguridad el hecho de que algún T.I se sature, forzando a que la corriente procedente de los restantes se cierre.

En la figura se representa la condición de saturación ,si la resistencia del T.I saturado más la del cableado pasa a ser muy inferior a la que presenta la protección entonces toda la corriente se cierra por el T.I saturado con lo cual no se produce la actuación manteniéndose la estabilidad ante una falla externa.

Existen dos procedimientos para esta forma de protección indicados en la figura:

En la figura el relé utlizado es de tipo amperimetrico(baja impedancia) al que se opone en serie una resistencia de estabilización.suponiendo para concretar que el ajuste del rele es de 1ª es decir el rele actuara siempre que por el pase por lo menos una corriente de 1 A ,eso correspondería en un sistema de baja impedancia (sin resistencia de estabilización) a una corriente de defecto interna de 600A aproximadamente lo que se trata es determinar cual debe ser el valor de la resistencia de estabilización para que en caso de falta externa mas desfavorable la corriente en el rele no alcance el valor de 1A .

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En la figura el relé es de tipo voltímetrico, su impedancia interna es muy alta y la corriente que toma es despreciable, se supone que toda la corriente que suministran los T.I 1 y 3 se cierra por el T.I saturado.

2.3.2. Actuación ante una falta interna

La ocurrencia de la falla interna supone dos cosas importantes:

Las corrientes primarias en los T.I actúan de forma que tratan de inyectar sus corrientes secundarios en la protección.

La corriente primaria a través de cada T.I es la adoptada por su propia fuente de alimentación al cortocircuito y no suma de aportaciones

Se ve que para proporcionar una corriente suficiente para la actuación se requiere un nivel de tensión elevado en el circuito del relé y esa tensión solo puede ser proporcionada por los T.I a base de una corriente de excitación significativa, por lo tanto la intensidad en el circuito del relé nunca podrá alcanzar el máximo teórico sino un valor notablemente inferior. Para la actuación es suficiente que la tensión sea superior al valor correspondiente al ocasionada por la corriente de ajuste circulando en relé y resistencia de estabilización y aunque los relés se saturen cíclicamente por ser la carga secundaria muy superior a la carga de precisión, la tensión obtenida es más que suficiente para que por el relé circule una corriente que produzca su actuación.

En caso de relés voltímetros el régimen de los T.I en caso de falta intensa e similar al de circuito abierto , en este caso se produce saturación por alta impedancia de carga ,para limitar los picos de tensión se pone en paralelo con el relé un varistor ,resistencia variable con la tensión, de forma que a mayor tensión aplicada menor se hace se resistencia y más corriente circula por ella, con lo cual se disminuyen los picos de tensión a valores admisibles por los aislamientos y se disminuye la intensidad de excitación manteniendo sin embargo en el relé una tensión que permite su actuación segura.

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Para faltas internas comprendidas entre el valor mínimo y un valor tal que haga trabajar a los T.I en el codo de saturación (si se conocen las características de los T.I y la resistencia del cableado el valor de falta se puede determinar) los T.I no se saturan y producen una tensión senoidal suficiente para producir la actuación de la protección.

En resumen la protección diferencial de barras de media o alta impedancia resulta más segura (estable) ante faltas externas que la de baja impedancia aunque es menos sensible que esta ante faltas internas siendo la falta mínima detectable superior. Para faltas internas comprendidas entre el valor mínimo y un valor tal que haga trabajar a los T.I en el codo de saturación(si se conocen las características de los T.I y las resistencias del cableado el valor de falta se puede determinar)los T.I no se saturan y producen una tensión senoidal suficiente para producir la actuación de la protección; para faltas internas muy elevadas se produce saturación por causas de que la impedancia del circuito del relé es muy superior a la carga de precisión del T.I sin embargo aunque la tensión puede dejar de ser senoidal alcanza un valor mas que suficiente para que se produzca la actuación del relé.

2.4. COMBINACIÓN DE ZONAS DE PROTECCIÓN

La actuación de una única protección de barras tiene como consecuencia la apertura de

todos los interruptores automáticos que conectan los distintos circuitos lo que puede

producir una pérdida masiva de servicio.

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Para evitar esta situación cuando el número de circuitos conectados a unas mismas

barras es elevado se puede producir una agrupación de circuitos y una partición de

barras mediante un I.A. tal como se indica en la Fig. anterior.

El funcionamiento normal es con el I.A. de barras cerrado, la aparición de una falta en la

sección A o B produce la apertura de los I.A. de la zona en falta y del I.A. de

acoplamiento, este pertenece simultáneamente a las dos zonas de protección,

pudiéndose mantener cerrados los I.A. de la otra sección.

En la figura anterior se representa un juego de barras doble, cada circuito pude estar

conectado a la barras 1 o 2, según la posición de los seccionadores asociados a cada I.A.

Los seccionadores correspondientes a un mismo I.A. no pueden estar cerrados

simultáneamente, en la figura se indica que un seccionador cerrado en la posición 1

conecta al secundario del T.I. del correspondiente circuito a la protección diferencial 1 y

otro tanto ocurre en la posición 2 , se omiten detalles que complican la representación y

su interpretación.

Las zonas de protección cambian dependiendo de los circuitos que se conectan a cada

barra.

A mayor complejidad en la configuración de barras mayor complejidad en la asignación

de circuitos y mayores cautelas para evitar disparos erróneos.

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Protección de Alternadores y Motores Síncronos

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