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Universidad de Guanajuato

Divisin de Ingenieras Campus Irapuato-Salamanca

Tarea

Proteccin a maquinas elctricas rotatorias

Prof. Ing. Miguel Angel Juarez Requena

Rangel Hernndez Heber David.

28 de Abril del 2015

INTRODUCCIN

La proteccin de los equipos rotativos implica la consideracin de ms fallas posibles o

condiciones anormales de funcionamiento que cualquier otro elemento del sistema. Aunque la

frecuencia de falla, en particular para generadores y motores grandes, es relativamente baja, las

consecuencias en el costo y el rendimiento del sistema son a menudo muy graves.

Paradjicamente, a pesar de muchos tipos de falla que son posibles, los principios de aplicacin

de la proteccin son relativamente simples. No hay ninguna de las complicaciones que requieren

un plan piloto. Estas fallas implican cortocircuitos que se detectan normalmente por algn tipo de

diferencial o rel de sobre-corriente. Muchos de los fallos son de naturaleza mecnica y el uso de

dispositivos mecnicos tales como lmite, la presin o interruptores de flotador, o dependen de

los circuitos de control para eliminar el problema. Algunas de las condiciones anormales que

deben ser tratados son los siguientes.

1. Fallas de bobinado:

Estator - fase y falla a tierra

2. Sobrecarga

3. Exceso de velocidad

4. Voltajes y frecuencias anormales.

Para los generadores debemos tener en cuenta lo siguiente.

5. Sobrexcitacin

6. Motor y puesta en marcha.

Para los motores que nos preocupa lo siguiente.

7. Stalling (rotor bloqueado)

8. Monofsico

9. Prdida de excitacin (motores sncronos). Desbalanceadas

COORDINACION DE PROTECCIONES

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Hay, por supuesto, cierta coincidencia en estas reas, en particular en las sobrecargas frente a

fallas, corrientes desbalanceadas y una sola fase, etc. Por lo tanto, los rels aplicados para un

peligro pueden funcionar para otros. Puesto que la solucin a un fallo o anomala dada no es la

misma para todos los fallos o anomalas, se debe tener cuidado de que se aplica la solucin

adecuada para corregir un problema especfico. En algunos casos de disparo de la unidad que se

requiere; en otros casos, la reduccin de la carga o la eliminacin de algunos equipos especficos

es la accin correcta.

DESARROLLO

FALLAS DEL ESTATOR

PROTECCIN DE FALTA DE FASE

Si hay cortocircuitos en un devanado del estator, es una prctica habitual de utilizar la proteccin

diferencial en los generadores nominales 1.000 kVA o superior y en los motores nominales 1.500

hp o ms grande o nominal 5 kV y superiores. Equipo de rotacin proporciona una aplicacin

clsica de esta forma de proteccin, ya que el equipo y todos los dispositivos perifricos

asociados, tales como transformadores de corriente (TC), interruptores, etc., estn generalmente

en estrecha proximidad entre s, minimizando as la carga y el posible error debido a los tramos

largos de cable. Adems, puesto que slo hay una tensin involucrada, las proporciones y tipos

de TC pueden ser los mismos, con caractersticas coincidentes. Ellos deben dedicarse circuitos y

no deben ser utilizados con cualquier otro rel, medidores, instrumentos o transformadores

auxiliares sin un cuidadoso control sobre el efecto en el rendimiento de la TC.

Las TC utilizados para el diferencial del generador se encuentran casi siempre en los buses y lleva

inmediatamente adyacente al generador bobinado. Esto se hace para limitar la zona de proteccin

por lo que un fallo en el generador es inmediatamente identificable para la evaluacin rpida de

los daos, la reparacin y la restauracin del servicio. Los buses propios se incluyen generalmente

en su propio diferencial o en algn esquema diferencial general.

En los circuitos diferenciales de motor, tres TC deben estar ubicados dentro del tablero con el fin

de incluir a los cables del motor dentro de la zona de proteccin. Los otros tres TC se encuentran

en la conexin del neutro del motor. Seis conductores deben ser llevados hacia fuera del motor:

tres en el lado de cable entrante para conectar con el dispositivo de conmutacin y tres en el motor

neutral para dar cabida a los TC antes de realizar la conexin del neutro. Por encima de 1.500 hp

esto es una prctica estndar de fabricacin. Por debajo de 1.500 hp el suministro y las conexiones

para los TC deben especificarse cuando se compra el motor.

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PROTECCIN DE FALLA A TIERRA

El mtodo de puesta a tierra afecta la cantidad de proteccin que se proporciona por un rel

diferencial. Cuando el generador est slidamente conectado a tierra, como en la figura 7.7, hay

corriente de fase suficiente para una falla fase-tierra para operar casi cualquier rel diferencial. Si

el generador tiene un neutro con impedancia para limitar la corriente de tierra, como se muestra

en la Figura 7.8, hay problemas de aplicacin de rel que deben ser considerados para los rels

diferenciales que estn conectados en cada fase. Cuanto mayor sea la impedancia de puesta a

tierra, menor es la magnitud de la corriente de fallo y lo ms difcil es para el rel diferencial para

detectar fallas a tierra de baja magnitud.

Si un TC y un rel estn conectados entre tierra y el punto del circuito neutro, como se muestra

en la Figura 7.9, se proporcionar proteccin sensible para una falla fase-tierra desde el rel neutro

(51N) ve todo de la corriente de tierra y se puede configurar sin tener en cuenta la corriente de

carga. Como la impedancia de puesta a tierra aumenta, la corriente de falla disminuye y se hace

ms difcil de configurar un rel de tipo corriente. Cuanto menor sea la activacin del rel, el ms

alto es su carga para el TC y el ms difcil es distinguir entre fallas a tierra y tercer desequilibrio

armnico normal. Esta corriente desbalanceada que fluye en el neutro puede ser de hasta un 10-

15% de la corriente nominal. Otra corriente de tierra falsa puede fluir debido a desbalances en el

sistema primario.

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La corriente falsa de tierra total fluye a travs del TC neutral y rel. Sin embargo, slo la diferencia

entre las corrientes secundarias fluir a travs del TC diferencial del generador. Dado que la

corriente falsa de tierra es pequea, no debera haber ningn efecto sobre la exactitud de los TC.

FALLAS DE ROTOR

Los circuitos de campo de motores y generadores modernos funcionan sin conexin a tierra. Por

lo tanto, un nico motivo en el campo de una mquina sincrnica no produce ningn efecto

perjudicial inmediato. Sin embargo, la existencia de una falla a tierra enfatiza otras partes del

devanado de campo, y la aparicin de una segunda tierra causar desequilibrio grave,

calentamiento del hierro del rotor y las vibraciones. La mayora de las empresas operadoras de

alarma en la indicacin de la primera falla a tierra y se preparan para quitar la unidad en un cierre

ordenado en la primera oportunidad.

Dos esquemas de deteccin tierra campo de aplicacin comn son como se muestra en la Figura

7.18. La tierra en el circuito de deteccin est conectado de forma permanente a travs de la

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impedancia muy alta del rel y circuitos asociados. Si se produce una tierra en el devanado de

campo o los buses y los interruptores de circuito externos al rotor, el rel acciona y activa una

alarma.

CORRIENTES DESBALANCEADAS

Fallas asimtricas pueden producir un calentamiento ms grave en mquinas que fallas simtricas

o funcionamiento trifsico equilibrado. Las corrientes de secuencia negativa que fluyen durante

estas fallas desequilibradas inducen corrientes 120 Hz del rotor que tienden a fluir sobre la

superficie de la forja del rotor y en las cuas no magnticas del rotor y los anillos de retencin.

La prdida I2R resultante eleva rpidamente la temperatura. Si el fallo persiste, el metal se derrite,

daando la estructura del rotor.

En el caso de motores, esa proteccin se reserva generalmente para los motores ms grandes. En

los motores ms pequeos, es ms comn el uso de un rel de balance de fase. Por ejemplo, en

un rel electromecnico, se utilizan dos unidades de disco de induccin: un disco respondiendo a

Ia + Ib, el otro a Ib + Ic. Cuando las corrientes se convierten suficientemente desbalanceada, el par

se produce en una o ambas unidades para cerrar sus contactos y disparar el interruptor apropiado.

Rels de estado slido y digitales pueden realizar de una manera similar al incorporar los

elementos lgicos apropiados o algoritmos en su diseo.

SOBRECARGA

Prcticas de proteccin son diferentes para generadores y motores. En el caso de los generadores,

proteccin contra sobrecargas, si se aplica en absoluto, se utiliza principalmente para proporcionar

proteccin de respaldo para fallas de bus o de salida en lugar de proteger directamente a la

mquina. El uso de un rel de sobre corriente solo es difcil porque la impedancia sncrona del

generador limita la corriente de falla de fallos sostenidos para aproximadamente el mismo o

menor que el mximo o corriente de carga nominal.

Proteccin de sobrecarga se aplica siempre a los motores para protegerlos contra el

sobrecalentamiento. Motores fraccionales suelen utilizar elementos de calefaccin termales como

tiras bimetlicas adquiridos con el arranque del motor. Motores de potencia Integral utilizan rels

de sobre corriente con retardo de tiempo. Sin embargo, curvas de calentamiento son difciles de

obtener y varan considerablemente con el tamao del motor y el diseo. Adems, estas curvas

son un promedio aproximado de una zona termal imprecisa, donde se pueden producir diferentes

grados de dao o la vida del aislamiento acortado. Es difcil, pues, para cualquier diseo de

retransmisin a la aproximacin de estas curvas variables de manera adecuada en el rango de la

luz, las sobrecargas a severa sobrecarga de rotor bloqueado sostenida.

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Un motor que est girando se disipa ms calor que un motor parado, ya que el medio de

refrigeracin fluye de manera ms eficiente. Cuando se aplica el voltaje completo, un motor con

un rotor bloqueado es particularmente vulnerable a los daos debido a la gran cantidad de calor

generado. La falla de un motor acelera cuando las bobinas del estator son energizadas pueden ser

causadas por muchas cosas. Los fallos mecnicos del motor o los rodamientos, tensin de

alimentacin baja o una fase abierta de una tensin de alimentacin trifsica son slo algunas de

las condiciones anormales que pueden ocurrir.

EXCESO DE VELOCIDAD

Exceso de velocidad no es un problema con los motores desde los rels de sobre corriente

normales los protegern.

BAJO VOLTAJE

Baja tensin impide motores de alcanzar la velocidad nominal en el arranque o les induce a perder

velocidad y dibujar sobrecargas pesadas. Mientras que los rels de sobrecarga eventualmente

detectan esta condicin, en muchas instalaciones de baja tensin puede poner en peligro la

produccin o afectar controles electrnicos o digitales, en cuyo caso, el motor debe ser

desconectado rpidamente. Proteccin de baja tensin de la lnea es una caracterstica estndar de

controladores de motores de corriente alterna. El contactor se desactivar de forma instantnea

cuando la tensin cae por debajo de la tensin de retencin de la bobina del contactor. Si la prdida

inmediata del motor no es aceptable, por ejemplo, en una planta de fabricacin, el contactor debe

tener una DC (o AC rectificado) de la bobina y un rel de mnima tensin de retardo de tiempo

pueden ser utilizados.

CURVA DE ARRANQUE

Las curvas caractersticas tiempo corriente de los motores estn constituidas por las siguientes

partes:

a) Corriente a plena carga: Es el valor de la corriente que demanda el motor en condiciones de tensin, potencia y frecuencia nominales. Normalmente este dato

aparece anotado en la placa del motor. En caso de que no se conozca, se pueden utilizar

datos tpicos proporcionados por los fabricantes.

b) Corriente de magnetizacin: Es el valor de la corriente que circula a travs de los devanados del motor, cuando este es energizado inicialmente. En forma aproximada su

valor alcanza 1,76 veces la corriente a rotor bloqueado para motores de tensin media y

alta y 1,5 veces para los motores de tensin baja, con una duracin de 0,1 s.

c) Tiempo de aceleracin: Es el tiempo de transicin entre la corriente de arranque y la de plena carga del motor. Depende de la capacidad nominal del motor, del par de arranque

y de la inercia de la carga.

d) Corriente a rotor bloqueado: Es la corriente del motor a velocidad cero. Si no se conoce su valor, se puede utilizar la letra cdigo NEMA para determinarlo.

e) Tiempo de atascamiento mximo permitido: El tiempo de atascamiento del rotor, representa en un motor, un punto en la curva lmite de calentamiento, definido por I2R

la corriente de rotor bloqueado. Generalmente este valor lo proporciona el fabricante del

motor. En la figura 3.2 se muestra la curva tpica de un motor.

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Fig.: Curvas de arranque de un motor

CONCLUSIONES

Muchos cambios y modificaciones tanto en las protecciones y en nuestra instalacin pueden

afectar varios parmetros, como cuando se modifica la impedancia conecta a tierra, ocasiona

varios cambios a nuestras protecciones.

Una de las cosas es que la mayora de nuestras protecciones estn basadas casi siempre en la

corriente, ya que hasta cuando baja el voltaje, el motor se forza, ocasionando mayor demanda de

corriente, activando la proteccin.

Un punto muy importante es que nuestra maquina se quede bloqueada, ocasionara serios daos,

y una mala seleccin o calibracin de nuestra proteccin ocasionando daos irreversibles como

la fundicin de varios materiales de nuestro equipo a proteger.

BIBLIOGRAFA

1. Power System Relaying Stanley H. Horowitz, Arun G. Phadke, Editorial: John Wiley & Sons, Ltd.

2. Network Protection & Automation Guide Grid. Editorial: Alstom Grid. 3. Coordinacin de Protecciones para un Sistema Elctrico Industrial Santana Garca

Jorge. ESIME Mxico.