Protección - Generadores

8/16/2019 Protección - Generadores

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Protección de Sistemas de Potencia


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Protección de Generadores


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Contenido

1. Protección Para fallas en la maquina (fallas

eléctricas y fallas mecánicas)

2. Protección Para fallas externas

3. squemas de !rotección de "eneradores


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Proteccion de GeneradoresProteccion de Generadores

El generador núcleo del sistema de potencia.

Una unidad de generación moderna:Es un sistema complejo que comprende los devanadosdel estator y su transformador asociado, el rotor con sudevanado de campo y la excitatriz, la turbina, etc.

e pueden presentar fallas de diversas dentro de un sistematan complejo como !ste, por lo que se requiere un sistemade protección muy completo cuya redundancia depender" deconsideraciones económicas, del tama#o de las m"quinas y

de su importancia dentro del sistema de potencia.


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Contenido

1. Protección Para fallas en la maquina (fallas

eléctricas y fallas mecánicas)




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Protección Para fallas en la maquinaProtección Para fallas en la ma

quina

Existen dos tipos de fallas:$%allas El!ctricas:

e da en devanado del estator, en el devanado del rotor, oen la excitación.

$%allas &ec"nicas

e da por temperatura o por vibración.'or temperatura: por falla en los devanados, en el rotor o enlos cojinetes, debido a sobrecarga, refrigeración, deterioro oda#os mec"nicos.'or vibración: debido a desbalance mec"nico o el!ctrico.


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Protección Para fallas en la maquinaProtección Para fallas en la maquina

A) Protección contra fallas en el arrollamiento del estator.

(Rele diferencial – 87G)

#$%%$S %C&'C$S

El rel! diferencial es usado generalmente para protección defallas de fase de los devanados del estator, a menos que la

m"quina sea muy peque#a.El rel! diferencial detecta fallas trif"sicas, fallas bif"sicas,fallas bif"sicas a tierra y fallas monof"sicas a tierra, !stasúltimas dependiendo de qu! tan sólidamente est! aterrizadoel generador.El rel! diferencial no detecta fallas entre es!iras en una

fase porque no (ay una diferencia entre la entrada y la salidade corriente de la fase, por lo cual se debe utilizar unaprotección separada para fallas entre espiras.


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A) Protección contra fallas en el arrollamiento del estator.

(Rele diferencial – 87G)

#$%%$S %C&'C$S


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B) Protección contra fallas entre espiras.

(Fase Partida)

#$%%$S %C&'C$S

'ara fallas entre espiras no (ay una diferencia de corriente en losextremos de un arrollamiento con espiras en corto.

Esta protección es propia de los generadores de turbinas (idr"ulicas,dado que las bobinas de los grandes generadores de turbinas a vapor,por lo general sólo tienen una espira.i el devanado del estator del generador tiene bobinas multiespiras ydos o m"s circuitos por fase, el esquema de rel! de fase partida puede

ser usado para dar protección de fase partida.

El rel!usado en este esquema usualmente consiste en un rel! desobrecorriente instant"neo y un rel! de sobrecorriente de tiempoinverso.


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(Fase Partida)

#$%%$S %C&'C$S


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(Fase Partida)

#$%%$S %C&'C$S

)tras formas es comparar las tres corrientes para detectardesbalances.

*esbalances ecuencia negativa.

i se usa reles de secuencia negativa se debe coordinarconsiderando fallas externas al generador.


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C) Protección contra fallas a tierra del estator.

#$%%$S %C&'C$S

En una puesta a tierra de resistencia baja, dic(a resistencia esseleccionada para limitar la contribución del generador a fallas a tierramonof"sicas en sus terminales a un rango de corriente entre + - y/ 0 de la corriente total de carga.1on este rango de corrientes de falla disponibles, el rel! diferencialalcanza a dar protección de fallas a tierra. in embargo, como laproteccióndiferencial no brinda protección de falla a tierra para todo el devanado

de fase del estator, es una pr"ctica común utilizar, comocomplemento, una protección sensible para fallas a tierra.2 estaprotección puede se puede implementar con un rel! direccional decorriente polarizado o con un rel! de sobrecorriente temporizado.


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#$%%$S %C&'C$S

1uando se usa un rel! desobrecorriente direccional, la bobinade polarización es energizada

desde un transformador de corrienteen el neutro del generador mientrasque la bobina de operación est" enel esquema de la proteccióndiferencial del rel!.


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#$%%$S %C&'C$S

1uando se usa un rel! de sobrecorriente,se conecta un rel! sensible desobrecorriente temporizado en el neutro

del esquema diferencial.En ambos casos, la protección desobrecorriente a tierra solo detecta fallascubiertas por la zona diferencial, de all3que se elimina la necesidad de coordinar el tiempo del rel! con otros rel!s del

sistema.


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#$%%$S %C&'C$S

)tros tipos de protección contra falla a tierrason: 'elé de tensión !ara falla a tierra del

"enerador 1uando se utiliza el puesta a tierra de altaimpedancia para el neutro delgenerador la corriente de falla a tierra eslimitada a valores que el rel! diferencialno detecta. 'or esto se usa protección de

falla a tierra principal y de respaldo.


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#$%%$S %C&'C$S

)tros tipos de protección contra falla a tierra on: 'elé de sorecorriente tem!ori*ado


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) Protección contra fallas a tierra del rotor

#$%%$S %C&'C$S

4ormalmente el sistema de corriente continua que alimenta el rotorest" aislado de tierra lo cual implica que una primera falla a tierra noorigina ningún efecto da#ino, sin embargo, !sta debe ser detectada y

aislada dado que una segunda falla podr3a cortocircuitar una parte delcampo, produciendo vibraciones muy perjudiciales para el generadorpor los desequilibrios que se presentan en el flujo del entre(ierro.

1era forma

5nyección de una se#al de corriente alterna por medio de un circuito

adicional puesto a tierra por un extremo, de tal modo que la corrientesólo podr3a circular por este circuito cuando ocurra una falla a tierra, y!sta a su vez, activar3a el rel! de protección


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) Protección contra fallas a tierra del rotor

#$%%$S %C&'C$S

2da forma

*ivisor de tensión formado por dos resistencias lineales y una no lineal,cuyo valor resistivo var3a con la tensión aplicada. Existe un punto ciego por

el divisor de tensión. -lgunos fabricantes no utilizan la resistencia no lineal, sino un pulsador manual que cortocircuita parte de una de las resistencias y para detectarfallas en el punto ciego es necesario presionar el pulsador periódicamente.


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!) Protección contra perdida de e"citación

#$%%$S %C&'C$S

1uando un generador sincrónico pierde la excitación, funciona como ungenerador de inducción que gira por encima de la velocidad sincrónica.1uando el generador pierde la excitación, extrae potencia reactiva del

sistema, aumentando de dos 6+7 a cuatro 687 veces la carga nominal delgenerador.En consecuencia, la gran carga reactiva demandada al sistema en estascircunstancias, puede causar una reducción general de la tensión, que asu vez puede originar inestabilidad.


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#$%%$S %C&'C$S

9a excitación se puede perder por: 1ircuito abierto del campo -pertura del interruptor del campo 1ortocircuito en el campo &al contacto de las escobillas *a#o en el regulador de tensión %alla en el cierre del interruptor de campo '!rdida de la fuente de alimentación de 1- 6Excitación est"tica7

9a proteccion usada para detectar la perdida de excitacion es:E7 *etección de &3nima 1orriente

1onsiste en ubicar un rel! de baja corriente en el campo o algún rel! de tipodireccional. 1uando el rel! detecta poca o m3nima corriente, conecta unaresistencia de descarga en paralelo con el devanado del rotor y apenas sedescarga el devanado, abre el interruptor de campo.


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#$%%$S %C&'C$S

E+7 ;ele de impedanciaEste es el m!todo m"s utilizado para proteger el generador contrap!rdida de excitación. e utiliza un rel! de impedancia capacitiva 6rel!

de distancia del tipo &(o off set7 para detectar el cambio del punto detrabajo de la m"quina. - este rel! se le ajustan b"sicamente dosvalores: a y b, los cuales se definen como:

a?+2 b: ;eactancia @ransitoria de eje directo

=d: ;eactancia incrónica de eje directo


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F) Rele de so#ree"citacion

#$%%$S %C&'C$S

El generador debe operar satisfactoriamente con los AB-, la frecuencia yel factor de potencia nominales a una tensión un /0 por encima o pordebajo de la tensión nominal. 9as desviaciones en frecuencia, factor de

potencia o tensión por fuera de estos l3mites, puede causar esfuerzost!rmicos a menos que el generador est! espec3ficamente dise#ado paraestas condiciones. 9a sobreexcitación puede provocar estas desviacionespor lo cual los esquemas tienen vigilancia y protección por esto.


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#$%%$S %C&'C$S

terminales ocurre cuando la relación entre la tensión y la frecuencia 6volts ?Cz7aplicada a los terminales del equipo excede el ,/ p.u. 6base generador7 paraun generador2 y el ,/ p.u. 6base transformador7 a plena carga o , p.u. sin

carga en los terminales de alta del transformador. 1uando estas relacionesvolts?Cz son excedidas, puede ocurrir saturación magn!tica del núcleo delgenerador o de los transformadores conectados y se pueden inducir flujosdispersos en componentes no laminados los cuales no est"n dise#ados parasoportarlos. 9a corriente de campo en el generador tambi!n puede aumentar.Esto puede causar sobrecalentamiento en el generador o el transformador y el

eventual rompimiento del aislamiento.


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#$%%$S %C&'C$S

%7 ;ele de sobreexcitacion de tiempo fijo:

e encuentran diferentes formas de protección disponibles.Una forma de protección de tiempo fijo utiliza dos rel!s, el primer rel! es fijado a D$+0volts?Cz y energiza una alarma y un temporizador que dispara de + a seg. El segundo rel!es fijado a 0 volts?Cz y energiza una alarma y un temporizador que dispara despu!s deltiempo de operación permisible del ajuste de sobreexcitación del primer rel! 6p.e., 07para el generador o el transformador.Este tiempo es t3picamente 8 s a s


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#$%%$S %C&'C$S

%+7 ;ele de sobreexcitacion de tiempo inverso:

e puede utilizar un rel! de sobreexcitación con una caracter3sticainversa para proteger el generador o el transformador. 4ormalmente sepuede utilizar un m3nimo nivel de operación de excitación y un retardo

para dar una aproximación de la caracter3stica de sobreexcitacióncombinada para la unidad generador $ transformador.


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A) Protección contra so#recalentamiento del estator

#$%%$S +C$,C$S

En el estator se puede sobrecalentarse por una sobrecarga o falla delsistema de enfriamiento.'ara proteger el estator contra sobrecalentamiento se colocan

resistencias detectoras de temperatura 6;@*7 o termopares endiferentes partes del arrollamiento paradetectar los cambios de temperatura.Barios de estos detectores se pueden utilizar con un indicador oregistrador de temperatura, que puede tener contactos paratemperaturas m"ximas y dar alarma.

1omo complemento se puede usar un rel! de imagen t!rmicaconectado al secundario de un transformador de corriente.


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B) Protección de ima$en termica

#$%%$S +C$,C$S

Este tipo de rel! opera con el principio de integración de la corrientedel generador, calculando el efecto de calentamiento debido a lageneración en la m"quina 65F; G t7. e debe anotar que esta

protección solo detecta sobrecargas reales de la m"quina y nooperar" por problemas t!rmicos originados por deficiencias en elsistema de refrigeración. e utiliza en generadores peque#os.


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C) Protección de %i#raciones

#$%%$S +C$,C$S

9a vibración de la m"quina puede ser originada por desbalanceselectromagn!ticos, debidos a da#os en los devanados del estator odel rotor, a desbalances mec"nicos originados por da#os en la

m"quina tales como desprendimientos de partes rotativas y adesajustes mec"nicos causados por elementos flojos en la estructurade la m"quina o por da#os en los cojinetes.e emplean tradicionalmente dos principios de detección. 9ossensores acelerom!tricos detectan la aceleración de la pieza sobre lacual est"n instalados mientras que los sensores magn!ticos de

proximidad miden el movimiento relativo entre dos piezas. 9osprimeros son m"s utilizados para las funciones de alarma ydisparo, mientras que los segundos son m"s empleados para lamedida y an"lisis de las vibraciones, aunque tambi!n pueden serutilizados para protección.


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Contenido

1. Protección Para fallas en la maquina (fallaseléctricas y fallas mecánicas)




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Protección contra falla e"ternasProtección contra falla e"ternas

Estas protecciones protegen al generador contra fallas en la redexterna, que produzcan exigencias t!rmicas o diel!ctricaselevadas y largas, en caso de que el sistema primario deprotecciones de la red no actúe por alguna circunstancia.

-7 'roteccion contra sobretensionesH7 'roteccion contra baja tension17'roteccion contra motorizacion o potencia inversa*7'roteccion contra corrientes desbalanceadas del estator E7'roteccion de respaldo contra fallas externasE.7 'roteccion de distancia

E.+7 'roteccion de sobrecorriente con restriccion de tensionE.I7 ;ele de baja frecuenciaE.87 'roteccion contra perdida de sincronismo


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En condiciones normales, los reguladores de tensión asociadoscon los generadores evitan que se presenten sobretensiones.'or lo tanto, muy a menudo, esta protección se suministra juntocon el equipo de regulación de tensión. i no es as3, se disponede un rel! de sobretensión con una unidad retardada que se

ajusta al 0 Bn con un retardo entre s y I s, as3 como deuna unidad instant"nea que se ajusta entre el I0 y el /0de Bn. 9o m"s indicado es conectar dic(o rel! a untransformador de potencial diferente al deregulación de tensión.

$) Proteccion contra soretensiones


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Es adecuado disponer de un rel! de protección de baja tensiónque desconecte el generador para evitar que los motores de losservicios auxiliares sufran perturbaciones y antes que el nivel detensión, en el caso de excitación est"tica, sea insuficiente para laactivación de los tiristores. 9a tensión baja, normalmente no es

un problema para el generador en s3 mismo, excepto si conllevauna sobrecorriente 6falla externa por ejemplo7.Este rel! deber" dar disparo instant"neo para tensionesinferiores al 0 de la tensión nominal y disparo retardado oúnicamente alarma para tensiones entre el 0 y el J0 de latensión nominal.

-) Proteccion contra aa tension


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'ara prevenir la motorización del generador se instala un rel! de potenciainversa.Un generador se comporta como un motor cuando no recibe potenciamec"nica suficiente de la turbina y absorbe potencia el!ctrica del sistema.*ependiendo del tipo de turbina se requieren unos porcentajes de potencia

inversa para la motorización del generador, as3:K @urbina a vapor: $ I0K @urbina a gas: $ /0K @urbina Cidr"ulica: .+ $ I0K *iesel: +/0El da#o que puede ocurrir en tales condiciones se relaciona con la turbina y

no con el generador o el sistema el!ctrico, as3:En las turbinas a vapor, la reducción del flujo de vapor reduce el efecto derefrigeración de los "labes de la turbina, present"ndosesobrecalentamiento.En las turbinas a gas se requiere una gran potencia para que se produzca lamotorización, por lo tanto, la sensibilidad de la protección contra potencia

inversa no es muy importante.

C) Proteccion contra motori*acion o !otencia in/ersa


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En las turbinas (idr"ulicas, la motorización del generador puede producir lacavitación de los "labes, especialmente en aquellas que trabajansumergidas o por debajo del nivel de la descarga.En las m"quinas *iesel, durante la motorización se producen grandesesfuerzos en el eje que pueden producir deformaciones permanentes.

-dem"s, existe el peligro de incendio o explosión del combustible noquemado.El rel! de potencia inversa es un rel! de potencia orientado en dirección delgenerador. 4ormalmente este rel! tiene una unidad direccional instant"neaque controla una unidad de tiempo inverso o tiempo definido. El ajuste delvalor de arranque debe ser el recomendado por el fabricante de la turbina lo

mismo que la temporización del rel!. Estos valores deben ajustarse de unmodo tan sensible, que el rel! detecte cualquier condición de potenciainversa.

C) Proteccion contra motori*acion o !otencia in/ersa


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Cay varias condiciones del sistema que pueden causar corrientesdesbalanceadas en el generador. Estas condiciones producencomponentes de secuencia negativa de corriente, las cuales sereflejan en el rotor de la m"quina como corrientes de frecuencia doble6+ Cz7 en las caras rotóricas, en los anillos de retención del

devanado en los bordes de las ranuras, en el devanado amortiguadory en menor grado en el devanado de la excitación. Estas corrientespueden causar temperaturas altas y posiblemente peligrosas en muycorto tiempo.Es normal tener un protección externa para prever condiciones dedesbalance que puedan da#ar el generador. Esta protección consiste

en un rel! de sobrecorriente que responde a las corrientes desecuencia negativa, esta protección utiliza la curva 5+F G t según lacapacidad de corriente de secuencia negativa 65+7 de cada tipo degenerador.

0) Proteccion contra corrientes desalanceadas en el estator


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0) Proteccion contra corrientes desalanceadas en el estator


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9os generadores usualmente est"n provistos de un rel! de respaldoque desconectar" la m"quina cuando el esquema de proteccionesexterno falle en despejar las fallas. Leneralmente se utiliza una de dosalternativas2 rel!s de sobrecorriente controlados por voltaje o rel!s dedistancia. Mstos últimos se utilizan cuando los rel!s de sobrecorriente

controlados por voltaje no brindan suficiente seguridad, como en elcaso de generadores con excitación est"tica, en los cuales la ca3dadel voltaje ocasionada por la falla en terminales del generador, impideque el sistema de excitación suministre suficiente campo para que elgenerador produzca la corriente de falla que (aga operar el rel!.

) Proteccion de res!aldo contra fallas externas


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Este rel! es usado como respaldo para fallas de fases del sistema.Leneralmente el rel! de distancia es de caracter3stica &(o.


1) Proteccion de distancia


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Existen dos tipos de rel!s de sobrecorriente utilizados para dar respaldo,un rel! de sobrecorriente temporizado con restricción de tensión o un rel!de sobrecorriente temporizado con control de tensión. -mbos est"ndise#ados para restringir la operación bajo condiciones de sobrecarga ydar sensibilidad durante la ocurrencia de fallas.En el rel! con restricción de tensión, la corriente de arranque var3a enfunción de la tensión aplicada al rel!. 'ara un tipo de rel!, con una tensiónde restricción cero la corriente de arranque es el +/0 del valor dearranque con tensión de restricción del 0.En el rel! con control de tensión, el arranque del rel! de sobrecorriente es

controlado por un nivel m3nimo en un rel! de tensión. En niveles detensión de operación normal el rel! de tensión est" accionado y restringela operación del rel! de sobrecorriente. Hajo condiciones de falla, el rel!de tensión permite la operación del rel! de sobrecorriente.


1) 'ele de sorecorriente con restriccion de tension


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1) 'ele de sorecorriente con restriccion de tension


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1uando (ay p!rdida de generación, la frecuencia baja a valores pordebajo de los normales.En general la operación de una turbina del generador a frecuenciabaja es m"s cr3tica que la operación a frecuencia alta ya que eloperador no tiene opción de controlar la acción. *e all3 que se

recomienda protección de baja frecuencia para turbinas de gas ovapor.9a turbina es usualmente considerada m"s restringida que elgenerador a operar con frecuencia reducida, ya que !sta es la causade resonancia mec"nica en sus "labes. 9as desviaciones de lafrecuencia nominal pueden generar frecuencias cercanas a la

frecuencia natural de los "labes y por lo tanto incrementar losesfuerzos vibratorios. 9os incrementos en los esfuerzos vibratorios,pueden acumularse y agrietar algunas partes de los "labes.


3) Proteccion de aa frecuencia


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El generador puede perder estabilidad por: tiempos largos de fallas,baja excitación de la m"quina, baja tensión del sistema, altaimpedancia entre el generador y el sistema u operaciones deconmutación en alguna l3nea.1uando un generador pierde el sincronismo, los picos de corrientes y

la operación a frecuencia diferente a la de la red, causan esfuerzos enlos devanados, torques de pulsación y resonancia mec"nica quepotencialmente da#an el generador.1on el fin de minimizar el da#o, el generador debe dispararinstantáneamente, preferiblemente durante la primera mitad del ciclode deslizamiento de una p!rdida de sincronismo.


) Proteccion contra !erdida de sincronismo


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El rel! de p!rdida de excitación brinda protección contra la p!rdida desincronismo, !ero no detectar la !érdida de sincronismo !aratodas las condiciones del sistema. se debe suministrar unaprotección adicional si durante la p!rdida de sincronismo el centroel!ctrico est" localizado en la región entre los terminales de alta

tensión del transformador elevador del generador y el generador. Estaprotección puede tambi!n ser necesaria si el centro el!ctrico est"afuera en el sistema y las protecciones sist!micas son lentas o nopueden detectar la p!rdida de sincronismo.En lo correspondiente a una p!rdida de sincronismo debido a una fallaexterna, contrario a la creencia intuitiva que los cortocircuitos en la red

frenan los generadores, las fallas externas aceleran las m"quinas, alperderse la capacidad de transportar energ3a activa que continuaaplicada mec"nicamente al generador. Esta situación puede llevar aldeslizamiento de polos y a la p!rdida de sincronismo.


) Proteccion contra !erdida de sincronismo


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Contenido

1. Protección Para fallas en la maquina (fallaseléctricas y fallas mecánicas)




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!squemas de proteccion de $eneradores!squemas de proteccion de $eneradoresConfi"uracion nidad de Generador &ransformador

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