Tesis previa a la obtención del Titulo de Ingeniero...
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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL COORDINACIÓN ÜE LA PROTECCIÓN DE LOS GENERADORES DE LA CENTRAL ALLURIQUIN (PROYECTO TOACHI-PILATON) Tesis previa a la obtención del Titulo de Ingeniero Eléctrico en la Especialización de Potencia PATRICIO GERARDO PAZ JACOME Quito* Febrero de 1977
Transcript of Tesis previa a la obtención del Titulo de Ingeniero...
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
COORDINACIÓN ÜE LA PROTECCIÓN DE LOS
GENERADORES DE LA CENTRAL ALLURIQUIN
(PROYECTO TOACHI-PILATON)
Tesis previa a la obtención del Titulo de
Ingeniero Eléctrico en la Especialización
de Potencia
PATRICIO GERARDO PAZ JACOME
Quito* Febrero de 1977
CERTIFICADO
Certifico que el presente trabajo ha sido realizado
en su totalidad por si Señor PATRICIO G. PAZ JACOM3
IMG. VICTOS H. ORiJir3IADirector de Tesis
Al Señor Ingeniero Víctor Orejuela mi imperecedero agradeci-
miento, por el profundo sentido de responsabilidad y gran -
solvencia científicaí con los que dirigió el presente traba-
jo*
A los Señores Ingenieros Gabriel Arguello y Patricio Guerre-
ro que en todo momento me brindaron su decidida colaboración
y apoyo»
A los Señores Profesores del Departamento de Potencia quie -
nes supieron impartirme sus conocimientos con generosidad y
dedicación.
Mi especial reconocimiento a Jorge Fernanda quien con su ca
riño filial entrego su aporte en esta Tesis«
Finalmente mi recuerdo emicionado para todos quienes en una
u otra forma prestaron su contingente en mi formación profe
sionale
D E D I C A T O R I A
Al sacrificio y abnegación de mis padres
Al ejemplo de mis Hermanos
Fagina
ÍNDICE DE MATERIAS
ÍNDICE DE ANEXOS
ÍNDICE DE ESQUEMAS O FIGURAS -
CAPITULO I
INTRODUCCIÓN " 1
Irl* ' Objetivo ' - '• '1*
Ir0.* Alcance
1-3, Antecedentes y descripción de la Central 2
1-4 * Calculo de Corriente de Falla 6
1-5. Equipo de Transformación'para Protección 15
I-69 Tipo de protección -24
CAPITULO I-I
PROTECCION PREVENTIVA 35
II-1« Contra calentamientos -excesivos . 35
II-2* Contra sobretensiones • 43
II-3« Esfuerzos mecánicos anormales - 53
II
CAPITULO III
PROTECCIÓN DEL GENERADOR
III-l. Contra fallas en el Rotor
III-2» Contra fallas en el estator
Pagina
59
59
66
CAPITULO IV
PROTECCIÓN DE LA TURBINA
IV-1* Contra Perdida Súbita de Carga
IV-2. Motoreo
80
80
83
CAPITULO V
OTRAS PROTECCIONES
V-l* Carga Asimétrica
V-2« Oscilaciones de la red
V-3* Sobrecorriente
V~48 Contra Incendios
85
85
86
8?
89
CAPITULO VI
COORDINACIÓN PE LA PROTECCIÓN.
VI-1* ' Protección de la Zona A
VI~2« Protección de la Zona B
92
97
109
III
Pagina
VII-2. Equipo de Protección 110
CAPITULO VIII
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
VIII-1« Conclusiones
VIII-2* Recomendaciones
131
131
133
Pagina
CAPITULO I
INTRODUCCIÓN ' 1
1-1. OBJETIVO ' • 1
1-2. ALCANCE ' 1
1-3. ANTECEDENTES Y DESCRIPCIÓN DE LA CENTRAL 2
1-3-1* Antecedentes ' 2
1-3-2. Descripción de la Central 2
1-3-3* Resistencias y Reactancias • - 5
1-4. CALCULO DE FALLAS ' •
1-4-1» Falla a los Bornes del Generador : 7
1-4-2. Falla en la Barra 9
1-4-3* Conclusiones . 13
1-5. EQUIPO'DE TRANSFORMACIÓN PARA PROTECCIÓN 15
I-5-l.i Transformador de Corriente . 16
1-5-2* Transformador de tensión 21
1-5-3. Aplicación 23
1-6. TIPO DE PROTECCIÓN - 24
CAPITULO II
PROTECCIÓN PREVENTIVA 35
II-l* CONTRA CALENTAMIENTOS EXCESIVOS 35
I I - .
Fagina
II-l-l* Protección Contra Sobrecalenta-mientos del Estator 35
II-1-2. Protección Contra Sobrecalenta-mientos del Rotor 37
II-1-2-1* Corriente Asimétricasen el Estator . 38
II-1-2-2» Sobreexcitación ' 41
II-1-3, Sobrecalentamiento de los Cojinetes 42
IIr2« SOBRETENSIONES' 43
II-2-1* Descargas Atmosféricas 44
II-2-1-1» Pararrayos 45
II-2-1--2* Capacitor de Protección 40
II-2-2. Perdida Súbita de Carga' 51
II-3. ESFUERZOS MECÁNICOS ANORMALES. ' ' 53
CAPITULO III "
PROTECCIÓN DEL GENERADOR 59
III-l. PROTECCIÓN CONTRA FALLAS EN EL ROTOR • 59
IIIrl-1a Contacto a tierra del campo 59
III-l-l» Perdida de excitación 61
III-2« PROTECCIÓN CONTRA- FALLAS EN EL ESTATOR ' 66
III-2-I» Falla a tierra 67
III-2-2* Cortocircuito entre fases 72
III-2-3. Cortocircuito entre espiras de unamisma fase 74
III
Fagina
CAPITULO IV
PROTECCIÓN DE LA TURBINA ' 8 0
IV-1» PERDIDA SÚBITA DE CARGA 80
IV-1-1. Sobrevelocidad 80
XV-1-2. Sobretensiones 83
IV-2, MOTOREO 83
CAPITULO V
OTRAS•PROTECCIONES 85*
Vrl. CARGA ASIMÉTRICA - - 85
V-2. OSCILACIÓN DE LA RED 86
V-3, SOBRECORRIENTE ' 87
V-4* CONTRA INCENDIOS ' 89
CAPITULO VI •
COORDINACIÓN DE LA PROTECCIÓN 91
VI-1. PROTECCIÓN EN LA ZONA A 92
VI-2. PROTECCIÓN EN.LA ZONA B 97
CAPITULO VII ,
ESPECIFICACIÓN DEL EQUIPO 109
VII-1. CONDICIONES GENERALES t 109
VII-26 EQUIPO DE PROTECCIÓN • - 110
- IV - .
Pagina
VII-2-1, Interruptor 110
VII-2-2« Pararrayos 112
VII-2-3. Condensador de protección 113i
VII-2-4, Transformador de distribución ' 114
VII-2-5. Resistencia '• . 115
VII-2-68 Transformador de corriente 115
VII-2-7* Transformador de tensión 117
VII-2-8* Tablero de protección 118
VII-2-9* Relés de protección 119
CAPITULO VIII . . "
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ' . . . 131
VlII-rl. CONCLUSIONES ' ' 131
VIII-2» RECOMENDACIONES ' . ' .133
ANEXO I m 137
ANEXO II ' ' - 145
ANEKO III ' 151
ANEXO IV 155
ÍNDICE HE ANF3COS
Pagina
I* PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO DEL GENERADOR A
TRAVÉS DE.UN TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCIÓN ' 137
II» REGULADOR DE VELOCIDAD 145
III, REGULADOR DE TENSIÓN -151
IV, PROTECCIÓN DE GENERADORES - -•- . 155
JM>ICF &$ ESQUEMAS y FIGI1BAS ''
Pagina
CAPITULO I
1-1. SITUACIÓN GEOGRÁFICA • 27
1-2. DISPOSICIÓN DEL EQUIPO . 28
1-3. DIAGRAMA ELÉCTRICO UNIFILÁR 29
1-4.30
1-4-1, Falla a los bornes del generador
1-4-2. Falla-en la barra
1-5. COMPONENTE SIMÉTRICO DE LA CORRIENTE DE CORTO-CIRCUITO DE LA ARMADURA 31
1-6. PRECISIÓN DEL TRANSFORMADOR - 32
1-6-1A. Diagrama fasorial para el'transforma-dor de corriente
1-6-1B. Limite de exactitud para un transfor-• mador de corriente clase 1.2
1-6-1C* Límite de exactitud para un transfor-mador de tensión clase '0,3
1-7, DIAGRAMA DE PROTECCIÓN 33
•1-8. PROTECCIÓN DEL GENERADOR 34
CAPITULO II
2-1. LOCALIZACION DE LOS DETECTORES TÉRMICOS 55
2-2, DIAGRAMA DE PROTECCIÓN DEL GENERADOR POR SOBRETENSIONES 55
- II -
página
2-3. DISMINUCIÓN DEL FRENTE DE ONDA PARA DIS-TINTOS VALORES PE CAPACITOR "CT 56
2-4. VARIACIÓN DEL VOLTAJE & .FRECUENCIA 57
2-5» . POTENCIA DE SALIDA DEL GENERADOR POR REDUCCION DE .LA FRECUENCIA ' ' 58
2-6. VOLTAJE TERMINAL DEL CAMPO VARIAS CARGAS ~Y CONDICIÓN DEL CAMPO FORZADO " . 58
CAPITULO III
3-1. DETECCIÓN DE FALLA A TIERRA 77
3-2. LUGAR GEOMÉTRICO DE LA IMPEDANCIA POR PERDIDADE EXCITACIÓN . . 7 7
3-3» VARIACIÓN DEL VOLTAJE TERMINAL, POTENCIA ACTI_VA Y REACTIVA POR PERDIDA DE EXCITACIÓN 77
3-4. TRAYECTORIA DE LA IMPEDANCIA - 78
3-5. CURVA CARACTERÍSTICA DE GENERACIÓN DE POTEN-CIA PARA UN GENERADOR SINCRÓNICO 79
CAPITULO V
5* CAPACIDAD TÉRMICA DEL GENERADOR 90
CAPITULO VI
6* ZONA DE PROTECCIÓN 100
6-1. Curva característica del relé de secuencía negativa
6-2» 6-3* Curva característica del relé di-ferencial porcentual
- III T - -
Pagina
6-4, Curva característica del relé desobretensión 102
6-5» Curva característica de la re-sistencia de Ni y Pt . -102
6-6* Curva característica del relé -de sobrecorriente " 103
6-7, Curva característica del relé -'de frecuencia 104-
6-8, Curva característica del relé -de sobretensión lOfc
6-9* Curva.característica del relé -de detección a tierra del campo IOS
6-1Q« Curva característica del relé -de mho • 105
6-llt Curva característica dei relé -direccional de potencia - 106
6-12* Curva característica del relé -diferenciaba tierra 106
6-13. Curvas de coordinación de los -relés para la Zona A 107
6-14. Curva de coordinación de los reles para la Zona B
CAPITULO VII
7-1a Circuito de conexión del relé desobrecorrientes 124
7-2 * Circuito de conexión del relé desecuencia negativa t 124
7-3« Circuito de conexión del disposjltivo de protección térmica 125
- IV -
CAPITULO VIII
7-4* Circuito de conexión del relé diferericial - 126
¡7-5» Circuito de conexión del relé de so-br.etensión
7-6« Circuito de -conexión del relé de . so-bretensión
7-7* Circuito de conexión del relé a tie -rra del campo
7-8. Circuito de conexión del relé de fre-cuencia.
7-9, Circuito de conexión del relé de mho 139
7-10. Circuito de conexión del relé direc -- cional de potencia _ 130
7-11. Circuito de conexión del relé diferericial a tierra
ZONA DE~ PROTECCIÓN PARA EL GENERADOR 136
CAPITULO I
I N T E O D.U C C I O M_
Irl» Objetivo ' . •
El objeto del presente trabajo es determinar las pos¿
bles fallas que se pueden presentar en un generador? analizar la
protección más adecuada y coordinar los tiempos de operación dé-
los relés aquí seleccionados. Por lo tanto » el presente trabajo
será aplicable para la Ceñtra'l en estudio y en forma general, pa-
ra cualquier otra Central Hidroeléctrica, con ligeras modificacio
Ir2* Alcance ,
El trabajo aquí desarrollado se lo ha hecho en base de
los datos obtenidos en el "Estudio de Factibilidad del Proyecto -
Toachi-Pilatón" (REF 1) y en caso de -inexistencia de estos datos »
se han asumido valores tomados de otras fuentes de información*
El análisis del equipo más apropiado para la protección del gene -
rador* se lo ha desarrollado en base al tipo de falla que se pue-
de presentar y los. posibles danos que ésta puede causar. No es -
el alcance del presente trabajo analizar en forma exhaustiva las
fallas y los efectos que estas pueden causar sobre el generador»
1-3-1« Antecedentes
En Ecuador dado .su relieve geográfico* ha per-
mitido que utilicen sus ríos para generar energía eléctrica» Por
ésta razón en los últimos años se han desarrollado estudios de -
factibilidad para utilizar estas fuentes de energía*
El Instituto Ecuatoriano de Electrificación (INECEL) ha desarro-
llado programas para el uso de éstas fuentes de energía? uno de
esos programas es el "Proyecto Toachi-Pilaton"? que utiliza el -
embalse del río Toachi con el río Pilaton para generar energía -
eléctricas •
1-3-2* Descripción de la Central
La "Central.Alluriquín" se encuentra situada a
1*3 Kraa al Este del pueblo Alluriquín* que está entre la carrete .,
ra Quito-Santo Domingo y la margen izquierda del río Toachi, co-
mo se indica en la figura 1-1*
I-3«-2A« Características geográficas del sitios
La zona del Proyecto está situado en -
la Provincia de Pichincha* en las estribaciones de la Cordillera
Occidental»
— 3 **
La Central utiliza las aguas provenientes üe los
Ilinizaj» Corazón y Atacazo&
La temperatura media anual es de 22 C? siendo la temperatura
máxima al día 35 C y mínima 11 «5 C.
La contaminación del aire es nula.
La altura a la que se instalará el equipo es menor a 1000 metros
sobre el nivel del mar»* ' - .
Q
El caudal medio mensual de valores de 13«5 m /s y máximo de' 27 -
m / s» .
I-3-2B* Características del equipo Electro-me
cánico a utilizarse!
1« Casa de máquinas (ver figura 1-2)5
- Tres turbinas Francis de eje vertical
- Cámara en caracol
- Grupo turbina-generador
2« Turbina Francis
- Caída neta máxima (1 grupo en operación) 313 m
- Caída neta media ( 3 grupos en operación) 290 m
3- Caudal nominal por turbina . 3689 m /s
~ Potencia de cada unidad 78 Mw
- Velocidad de rotación • ASO RPM
3» Equipo eléctrico (ver figura 1-3)
- Alternadores
. - Tranaformadores de potencia
- Transformadores auxiliares
y, ' •. \ Barras auxiliares y equipo de 13*8 KV
- Subestación de 13»8 KV y suministro de energía a la
• presa» - - _
4* Alternadores
- De eje vertical por turbina Francis
. - Potencia de -cada alternador 90 MVA
^ ~ Características eléctricas?
1» Tensión nominal 13«8 Kv
! 2. Frecuencia nominal • 60 Hz
3» Velocidad" sincrónica ' 45.0 RPM
4. Factor de .potencia nominal 0,85
5í Máximo desbalance continuo de
carga 20% -
^ 6. Nivel de aislamiento (bobina del
estator) 110 KV
7* Conexión del neutros Neutro pues
to a tierra a través de un trans -
; formador de distribución (ver Á-.
nexo 1)
¿a Slst&ua G^ exei tac! osas C¿©si t'eeti.f icra "
dores estacionarios tipo thyristor ja
liraentado por un alternador trifásico
coaxial con el generador»i
1-3-3» Resistencias .y. Reactancias
Dadas las caracterísiticas del equipo a utilizarse -
en la "Central "Alluriquín" y la no existencia de datos específi
eos de las máquinas? se han escogido valores característicos que
se encuentran dentro de los rangos de valores apropiados para má
quinas de polos salientes (REF 2), .
I-3-3A* Reactancias del generador»
- Reactancia subtransistoria <X"d); .0.20 pu
- Reactancia transitoria (X*d)t '0,30 pu
- Reactancia sincrónica (Xd)s 0*91 pu
- Reactancia de secuencia negativa OC )* 0*20 pu
- Reactancia de secuencia cero (X., )s 0*18 puGO ^
- Resistencia de puesta a tierra (Rp)s 732 pu
1-3-3B» Constantes de tiempo del generador?
- Constante de tiempo subtransitoria (T"d)s .08035
- Constante de tiempo transitoria (T*d)s 1,5
X-3-3C* Reactancias del transformador 1398/>¡3 -230/13
- Reactancia de secuencia positiva (XT-): 0*10 pu
- Reactancia de secuencia negativa (XTÍ))Í Oe10 pu
- Reactancia de secuencia cero (X™ )s 0*10 pulo
I-3-309 Reactancias del Sistema Nacional ínteráonectadog pa-
ra la Barra de 230 KV en la base de 100 MVA (B~38) -
año de 1.987. (REF 3)s
- Reactancia de secuencia positiva (xswi)* 0*047 pu
- Reactancia de secuencia negativa (X-™)? 0*047 pu
- Reactancia de secuencia cero (XSN )s 0«057 pu
1-4* Calculo de Fallas . .
Como anteriormente se ha descrito* la Central "Al'luri -
quín"* posee tres unidades generadoras de capacidad individual de
90 MVA nominales» El diagrama unifilar de la Central se indica -
en la figura 1-4.
Con el objeto de determinar la corriente máxima y mínima de falla»
se ha hecho el presente análisis*
r Falla a los bornes del generador.
- Falla en la barra de 230 KV*
Para el presente cálculo se tomaron los siguientes datoss
Vaosess
Valores baseí - Potencia bases 100 MVA.
- Corriente bases 4184 A« (lado de 13«í
KV) y
251 A* ílado de 230
- Voltaje bases 13*8 KV y 230 KV
1-4-1 * Falla a los bornes del generador
El presente análisis se hace para una falla en el genera
dor 1 (G-t)* como se indica en la figura 1-4-1*
I-4-1A» Falla trifásicas
Las condiciones de falla som
Va=VB«Vc =0
Ia=Ib=Ic
Utilizando componentes simétricas!
Va =Va0= Va^1 2 o
V = = - Va.-í- la.X, j de dondeu 1 1 1
- To - JÍSL . 1 '•La.— -. 9 J1C""1. a
1 *1
La corriente de falla ess
- 8
» De Ec»l? obtenemos
fallas
0*081-
IF a 12837 pu
-..Calculo de las corrientes componentes de
0,136 IE =
IE a 7,37 pu
I £1 = .5«° PU .
- Como 1 _ I~ + Iw* I^w s obtenemos*
IfSN * 5a66 PU
If2 « 0,85 pu
Aíro •. v«wj ¿Ji-i
I-4-1B* Falla fase-tierras
Las condiciones de falla som
Ib a Ic » O .
la $ O
Va « O
Utilizando componentes simétricas!
Va l a Iax (Xo + XI + 3Rp)
3 ÜI Ec~2<X^* X -f Xo + 3Rp
corriente de falla ess
- De Ec- 2* obtenemos
38QXF" 2197 "
IF * 0.001365 pu
• Las componentes de secuencia sons
la. = = lao =_
Ec-3
- De Ec-3í obtenemos
la. = la- = lao - 0«00045A9 puJL ¿j
Calculo de las corrientes componentes de
fallas
I = °*0082 PU "
f2 pu
If3 = O «000129 pu
_k» = 0*00054 'pu
Ifsíí = 0*00028 pu
1-4-2» Falla en la barra de 230 KV
El presente análisis se hace para la falla en la ba-
rra de 230 KV, como se indica en la figura 1-4-2•
I-4-2A* Falla trifásicas
De Ec-1* obtenemos
1*0
XF "QT032 *
IF * 31*28 pu
Cálculo da las corrientes componentes de
IfSN(0*Ó47) « (31,28 -
= 21«28 pu
I- TOACHI - 10.0 pu
Como If TOÁCHI
Ifl a 3*33 pu
I¿2 a 3*33 pu
If3 * 3.33 pu
0.10
If3 f obtenemosi
I-4-2B» Falla fase tierral
- De Ec-2í obtenemos
3,0LF 0,032 -f 0.0032 4- 09021
IF= 35»3 pu
- Calculo de las corrientes componentes.de fallas
«• O"7 O- 27,8
•fTOACHI= 7*5 pu
,._
LfTOACHI
=2*5 pu
=2*5 pu
=2-5 pu
A continuación se indica los diferentes aportes de corriente de -
falla en amperios de cada uno de los generadores y del Sistema Na
cional Interconectado (SNI)*
TIPO DE FALLA
COMPONENTES DE FALLA
Corriente de falla (I_) r
Corriente de falla del
SNI (IfsN)
Corriente de falla del
TOACHI (IfTOACHI)
.
Corriente de falla del
generador 1 (Ifl)
Corriente de falla del
generador 2 (I
Corriente de falla del
generador 3 (Ifo)
FALLA A L
DÉL'GE
TRIFÁSICA
51756
23722
28034 '
20920
'
3557'
3557
OS BORNES
NERADOR
FASE - TIERRA
5,71
1.19
4.52
3,44
0.54
0.54
FALLA E
BARRA
DE
TRIFÁSICA
7851
5341
2510 837
837
•837
N LA
230
Ktf
FASE - TIERRA
8863
6980
1883 627
627
627
- 13 -
Los resultados obtenidos pueden ser analizados -
en dos grupos? que son*
I-4-3A* Falla Simétricas En presencia de un re-
pentino cortocircuito a los bornes del generador? la corriente del
inducido está limitado únicamente por la impedancia de dispersión -
(2a) del debañado del inducido*
La corriente del inducido esi
JL2a1= •ST— 9 siendo 1= Corriente en el inducido
V= Tensión a los bornes del generador
Za=J RaH-jXa (impedancia de dispersión),
Cuando Ra^Xas se obtienes
V o. • i el valor de la .corriente se retrasa en 90J **a
con respecto de la tensión del inducido
consecuencia del retraso de la corriente con respecto de la ten
sión en el inducido* se crea una fuerza magneto motriz desmagnetizan,
te en el eje directo y tiende a reducir el flujo por polo a un valor
por debajo del original» debido a que el flujo representa una gran -
cantidad de energía almacenada que no puede disiparse instantáneamejí
tes por lo cual el flujo tecrece en forma logarítmica muy lentamente
dependiendo de las constantes de tiempo de los circuitos eléctricos
asociados $ como se indica en la figura 1-5.
Un cortocircuito simétrico trifásico aplicado a los bornes del ge-
nerador no _perturba la naturaleza equilibrada del 'circuito del in-
ducido? siendo su suma algébrica igual a cero.
En los primeros ciclos después de haberse producido el cortocircui
to? la corriente de falla puede llegar a ser de 10 á 20 veces la -
corriente nominal a plena carga, dependiendo del diseño de la má -
quinal -para la Central en estudio* la máxima corriente de cortocir
cuito? es de 5 veces la corriente nominal a plena cargas
I-4-3B, Falla Asimétricas
Estando un generador girando a velocidad
sincrónica? un cortocircuito asimétrico en cualquiera de sus bor
la obliga a funcionar como una máquina monofásicas
La corriente monofásica en el inducido produce una fuerza magneto
motriz alterna a frecuencia normal* pero que es fija con respecto
al devanado del inducido. Esta fuerza magneto motriz tiene dos -
componentes* una que- gira en el mismo sentido que el rotor y otra
en sentido contrario»
t
La componente que gira en el mismo sentido del rotor f produce el -
efecto qiae wn cortocircuito
La componente que gira en sentido contrario al rotor? produce un
flujo que varía desde un valor máximo cuando está, alineado a los
polos 9 hasta un valor mínimo cuando se encuentra en posición in -
termedia entre polos*
Por lo expuesto anteriormente # se inducirá en el arrollamiento de
la exitacion del rotor una fuerza magneto motriz de doble frecuen
cia* cuya amplitud decrece exponencialraente hasta las magnitudes
características de una máquina monofásica en régimen permanente*
La presencia de fallas asimétricas en la máquina resulta peligro-
so* por la circulación de corrientes de secuencia negativa (ver -
punto '2-2-1)9
1-5, Equipo de Transformación para Protección
En un Sistema Eléctrico de Potencia* no es posible conec
tar los aparatos de medida y protección directamente a los circuí
tos de potencia debido a las grandes magnitudes de corriente y -
voltaje que ellos poseen»
Se ha visto la necesidad de utilizar transformadores de corriente
y tensión para obtener en el secundario valores adecuados» ya que
con pequeñas magna, tud&s üe c
del transformador obtenemos.entre otras ventajass unificación del
tipo de relé de protección, la fácil inspección y vigilancia? me -
ñor costo en el equipo de control» medición y protección*
A continuación se hará una breve descripción de cada uno de los -
transformadores a utilizarse*
í-5-1* Transformador de Corriente
1. Tipos;
Los transformadores de corriente según el tipo
de construcción pueden clasificarse en*
- Tipo bobinado o barra pasante*- se caracteriza porque sus en -
rollados (primario y secundario) están completamente 'aislados -
y fijos al núcleo en forma permanente*
- Tipo ventana y bushing*- Se caracteriza porque el lado prima -
rio del transformador de corriente es el conductor del.Sistema
de Potencia y el secundario un enrollado completamente aislado
y fijo al núcleo del transformador*
2« Conexión?
El lado primario del transformador se conecta
- 17
en serie con el circuito de potencia que se quiere medir o prote-
ger f obteniéndose en el secundario una corriente proporcional a -
la corriente primaria.
La corriente del lado secundario del transformador, se ha normal!
zado a valores de 1 y 5 amperios? empleándose comunmente el de 5
amperios ya que da valores asequibles a instrumentos de medida o
protección»
- 3* Aislamientos*
Los niveles de aislamiento de los transforma
dores de corriente* se encuentran normalizados» tanto para ondas
de impulso y de baja frecuencia (Ref 4)
4 a- Burderu
Se entiende como carga nominal b burden de -
un transformador de corriente, a la impedancia (en ohmios) en se
rie de cada uno de los elementos que forma el circuito de medida
o protección* - *
5« Error?
En un tranformador de corriente, la corrienteí
de su lado primario posee dos componentesí la corriente secunda-
ria que.está en relación directa al numero de vueltas y la corrien
18 -
depende delmaterial del 'núcleo del transformador*
Como se indica en la figura 1-6'* debido a la corriente de magnetiza-
ción se obtienen dos tipos de error que son.í
5A* Error de' Transformación
Es la diferencia de magnitud entre la co -
rriente del secundario referida al primario y la corriente del secun
dario*
El error de transformación está determinado por*
; siendo: F
xi*2N
error de transformación euporcentaje
corriente en el lado primario
corriente en el lado secundario
relación de transformación
5B« Error angular
Es el desvío angular» medido en minutos de
arco» que la corriente del lado secundario experimenta con respecto
al lado primario del transformador*
En un transformador que tenga en el lado secundario un valor de co-
rriente constante (5A,)l el aumentar el valor de la impedancia del
lado secundario, aumenta consecuentemente el flujo y de hecho el ya
lor de la corríeríte de magnetización, dando origen a un mayor error»
debe limitar el valor de la carga en el secundario del transforma ~
dor*
Entre los métodos comunmente utilizados para la disminución del -™
error en los tranformadores podemos citars
- Compensación! Se debe corregir con un cierto factor para obte -
ner la verdadera lectura.. Por ejemplos un error del 3%? causará
un error del 3%* siendo el factor de corrección!»03 para obtener
la verdadera lectura* -
- Variación artificial de la permeabilidad! Trabajando bajo el co
do de la curva de magnetización del tranformadori con un bajo -
flujo magnético aumenta la permeabilidad»
Con el propósito de tener una idea más precisa del concepto de error?
las HORMAS ANSÍ <REF 4) ha establecido lo que se denomina el parale-
logramo error s dentro del cual un transformador se mantiene en una -
.cierta clase de precisión*
Una lectura menor a la verdadera determina un error transformación
en porcentajes por el contrario, una lectura mayor a la verdadera -
determina un error .angular en adelanto. En base de los conceptos ~
antes mencionados» el utilizar ambos * nos permite disminuir el errorí
- 20-
ya que por ejemplo la variación de 2 «6 minutos de error angular en
adelanto se compensa el 1%- de error de transformación.
El paralelogramo de error para un transformador de corriente se in
dica en la figura 1-6-1B*
de precisión!
La clase de precisión de un transformador -
de corriente se encuentra designado por los símbolos C y TS y está
determinado por la aplicación que se lo quiera dar*»
- Cs Se caracteriza porque el grado de pre-
cisión está determinado por fórmulas (REF 4)«
- Ts Se caracteriza porque el grado de pre-
cisión se determina experimentalmente.
El voltaje del secundario del transformador de corriente está deter
minado por el burden del transformador»
Por ejemplo? el grado de precisión para un transformador clase C100
es de 10% de error para cualquier corriente de 1 a 20 veces la co-
rriente nominal del secundario y del burden nominal (el burden de
1 ohmio con corriente nominal de 5 amperios y para 20 veces la co -
rriente nominal? da un voltaje de lOü voltios)»
1-5-2* Transformador de Tensión
Por las características de su construcción
los transformadores de tensión, pueden ser*
- Transformadores secos
- Transformadores en aceites
- Transformadores en resina
El dimensionamiento de los transformadores de tensión no represen
ta mucha dificultad como los de corriente, ya que la presencia de
cortocircuitos no producen esfuerzospeligrosos en sus enrollados»
puesto que se encuentran protegidos en el lado primario del trans
formador de tensión por un fusible. .
2B Conexión*
El lado primario del transformador se conec
ta en paralelo con el circuito de potencia que se quiere medir o .
proteger? obteniéndose en el secundario un voltaje proporcional
al primario»
22 - '
3» jílBÍ.cuiíl»SUjtOS
Los niveles de 'aislamiento de los transforma-
dores de tensión* se encuentran normalizados tanto para ondas de -
impulso y de baja frecuencia»
La carga o burden de un transformador de ten
sión* a tensión nominal» es igual a la suma aritmética de las car
gas conectadas en paralelo» En el transformador de tensión se es
pacifica su potencia nominal en voltamperios? que es la potencia
que consumen las cargas> si ésta potencia es superior a la noml -
nal se sobrepasarán los límites de error»
5* Errors
Como se analizo para el transformador de co-
rriente» el transformador de tensión posee los mismos tipos de e-
rror debido a la corriente de magnetización? y a las caídas de -
tensión por las resistencias • y reactancias de los enrollados* El •
error de transformación es determinado pors
' mn - v.vi
siendos F= error de transformación
en porcentaje
N= relación de transformación
V = tensión primaria
V= tensión secundaria
- 23
El paralelograma de error para un transformador de tensión se indi-
ca en la figura 1~6-1C*
1-5-3» Aplicación
Entre los requerimientos generales para la selec
ción del equipo de transformación para la protección* se debe ana-
lizar las condiciones de servicio en las que va a operar*
Para la "Central Alluriquxn" en lo que se refiere a las condicio -
nes generales de trabajo? como son la temperaturaj altitud y fre -
cuencia* estas se encuentran dentro de los rangos establecido*» por
las normas <KEF 4).«
Como conclusión se anota que el equipo de transformación aquí uti-
lizado no necesita de ningún requerimiento especial de diseno para
su normal funcionamiento (ver figura.1-7)0
1-5-3A» Transformador de Corrientes
- Voltaje nominal que operará es de 13*8/Í3 KVj. necesitándose un
transformador de clase de aislamiento 15H KV3
- Frecuencia nomináis 60 Hz
- La relación de transformación! 4000/5 (la corriente nominal de
cada unidad es de 3765 A9)«
- El máximo burden esi B-4; debido as
- 24 -
- Cable (tf 10 AHG para 200 nú) s 36 VA '
- Relé de sobrecorrienteí 8 VA
- Relé de impedancia 17 VA
La clase de precisión ess G4008 •<
t-5~3B¿ Transformador de tensión?
- Voltaje nominal que operará es de ISaS/O KVS necesitándose un -
transformador de clase de aislamiento 15H KVft
- La relación de transformación ess 13a8/í3/ 0»120 KV«
r El burden es* "Y s debido as
- Cable (# 10 ÁWG para 200 BU), 42 VA ;
- Relé de sobretensión 31 «3 VA
X-S* Tipo de Protección
Dado _el 'elevado costo de una Central Hidroeléctrica y
siendo los generadores el equipo mas caro de un Sistema Eléctrico
de Potencia* se ve la necesidad de que 'el sistema de protección . -
sea lo más seguro y confiable» Una posible salida de una de las ti
nidades? debido a cualquier tipo de falla? causaría el consiguien-
te perjuicio a la empresa -ya sea por la venta de energía ó en el -
costo de reparación de la unidad»
En nuestro país los programas de construcción de Centrales y los -
requerimientos de potencia y energía * van en forma paralela o exis
- 25 -
te üefleiencia con respecto a la p^lmctfai %&&& Cí&asGCüeueia üs--
be evitar al máximo la salida de una unidad generadora* Dado el -
bajo costo del Kw-h, la "Central Álluriquín11 será programada como
"Central Base" 9 lo cual aumenta la importancia del grado de proteo
ción que se debe adoptar»
El grado de conf labilidad de un Sistema de Potencia debe ser alto*
ya que mas peligroso resulta una protección no confiable que la -
inexistencia de esta* La confiabilidad del Sistema Eléctrico de ~
Potencia debe ser tanto del circuito y de* sus elementos componen -
tes 8 • •
La misión fundamental de un sistema de protección* es evitar la po
sible presencia de desperfectos en las unidades generadoras! la e-
leccion de la protección se hace de tal manera que cuando aparezca
una determinada falla? sea despejado por el relé apropiado para su
función* Como conclusión a lo anteriormente expuesto el tipo de -
protección elegida será eminentemente selectiva»
En capítulos subsiguientes se hace la descripción de las posibles
fallas que ocurren en un generador y la selección del relé :mas a-
decuado para la protección? teniendo presente que un sistema de -
protección debe sen sensible» simple,» veloz* selectivo y económico*
En el Anexo 4 se indica a manera de información general los reque-
26 -
rimíentos de protección en generadores según su potencia? debiendo
se analizar en cada caso en particular la selección del relé mas SL
decuado*
En la figura 1-8* se indica en forma esquemática las principales -
protecciones con que debe contar un alternador de caracterisiticas
similares a los generadores de la Central en estudio»
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EIG. 1-6-1A DIAGRAMA FASORIAL PARA EL TRANSFORMADOR-
DE CORRIENTE
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, RG. 1-6-1B LIMITE DE EXACTITUD; ' PARA UN TRANSFORMADOR
DE CORRIENTE CLASE 1.2,.
FIG 1-6-1C LIMITE DE EXACTITUD•PARA UN TRANSFORMADORDE TENSIÓN CLASE 0.3
A: paralelogramo'alioo% de corriente continua
B; para le log ramo para el io% de e r ro r
FI G, 1-6 PRECISIÓN DEL TRANSFORMADO*
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PROTECCIÓN DE LOSCOJINETES
PROTECCIÓN DEL ESTATOR
SOBRETENSIÓN
CORTO CIRCUITOSENTRE FASES
SOBRECARGA
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CORTOCIRCUITOENTRE E S P l R A S
CORTOCIRCUITOFASE-T I E R R A
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PROTECCIÓNDE LA TURBINA
PERDIDA DE iEX1TACIO N
SOQREVELOCIDAD
CONTACTO A TIERRADEL C A M P O '
F t /•-* i t*t s~íf~^/~sTr~i^*í**if^ñ.í F^r™i *~»f*&ar™ í~í A f~í /^ r™*I G. 1-8 PRUT E C C 1 ON DEL b EN ERA DOR
- 35 -
PROTECCIÓN PREVENTIVA
Los dispositivos de prevención aquí analizados, protegen al ge-
nerador por aquellas fallas .o perturbaciones externas» las cua-
les pueden sers
1« Calentamientos excesivos
2« Sobretensiones
3* Esfuerzos mecánicos anormales
II-l» Contra Calentamientos Excesivos
Para hacer una descripción más detallada y objetiva*
se ha dividido en los siguientes tipos de protección,
II-1-1« Protección contra sobrecalentamiento del
Estator
La presencia de exceso de calor en el estéi-
tor* se debe fundamentalmente a la sobrecarga que se encuentra ex
puesto el generador.
La presencia de corrientes de servicio demasiado altas y de larga
- 36 -
excesiva y al final si ésta continua? puede producir una- falla a -
tierra o un cortocircuito entre fases*
Entre los dispositivos mas utilizados para la protección* se tie-i '
nen termoelementos (49) que se colocan internamente. en el estator
o relés de imagen térmica «
Con el propósito de utilizar el margen de sobrecarga de los gene-
radores sin causar danos al aislamiento, se recomienda el uso de
termoelementos para la protección» ya que vigila en forma perma -
nente la elevación de la temperatura en el estator* Generalmente
se utilizan- termoelementos de resistencia* que son metales puros
cuya resistencia- varía en forma lineal con la temperatura y que -
sigue fielmente la elevación de la temperatura. en el generador,
Los termoelementos que generalmente se utilizan son de níquel y -
platino» por su variación regular y reproductibilidad en función
del tiempos éstos elementos tienen escalas contrastadas directa -
mente en grados centígrados»
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Para los generadores de la "Central Alluriquin" asumiendo que la
clase de aislamiento es "H" * la máxima temperatura que podría so~
portar el aislamiento es de 125 C. (medido por medio de un detec-
tor embebido en el estator) » límite de temperatura en la cual em-
_ 0*7 _J /
Dadas las características de resistencia de niquel* es recomenda -
ble su utilización? ya que se encuentra en los rangos de temperatu
ra aquí estipulados.
El incremento de la resistencia en el níquel es de 6«17 ohmios por
cada 10 °C*
Los detectores de temperatura pueden estar dispuestos en la siguien
"te forma (ver figura 7-3)s
- Dos detectores térmicos por fase en las bobinas del estator
- Tres detectores térmicos en el núcleo del estator! el sitio es-
pecifico estará determinado por el diseño de la máquina* ya que
se colocarán en cavidades previstas de las chapas del núcleo :-
del estator.
Al sobrepasar , el límite máximo de temperatura* 125 C? el dispo-
sitivo de protección hará sonar una alarma»
II-1-2* Protección contra sobrecalentamiento del ro-
tor
La presencia de sobreteinperaturas del rotor
- 38
del generador» pueciea deberse a las siguientes causáis*
la Corrientes asimétricas del estator
2» sobrexcitación.
II-1-2-1* Corrientes asimétricas del estator
La circulación de corrientes asimé* -
tricas en el estator se deben principalmente as
- Cortocircuito asimétrico exterior al generador
- Una fase abierta o mal contacto del interruptor principal
- Falla interna en.el devanado del estator*
La presencia de corrientes asimétricas en el estator originan la -
circulación de corrientes de secuencia negativa que inducen volta -
jes de doble frecuencia en los circuitos del rotor* produciendo so
brecalentamiento y fuerzas electromecánicas entre los conductores -
paralelos que dan origen al dañó y rotura del aislamiento^
La curva característica de sobreteraperatura de la maquina debido a
corrientes asimétricas* es del tipo adiabático* siguiendo la ecuación*
39 -
pu« de la corriente del estator)
t = tiempo de duración de la corriente
de secuencia negativa (en segundos)
k = constante que depende del tipo de -
máquina*
2La NORMA AIEE recomienda como un valor aceptable de I- t* K
para generadores accionados por turbinas hidráulicas (RBF 9)
La protección del generador se lo realiza con un relé de secuencia
negativa (46)» como se indica en la figura 7-2? ya que la curva carací
terística del relé se asemeja a la de la maquina? como puede anali-
zarse en la figura 6-1«
Para los generadores de la "Central Álluriquín" que son accionados
2por turbinas hidráulicas» el valor de 1 t se ha escogido igual a
40 (K- 40). '
El valor de la corriente de secuencia negativa para la falla fase-
fase es igual!
1* Del diagrama unifilar de la figura 1-4-19 la corriente de fa -
lia a los bornes del generador 1 (G:) ess
" VG = 1.0x, + x* o.ii + 0.11
Ia2 = 4*55 pu* (corriente de falla a los bornes del genera-
dor)
2« El aporte de corriente de falla del generador más próximo a
la falla (G-) ess
0.25v t - —x
Ia0 = 2,52 pu*
3« El tiempo de operación del relé serás
2(2*52) x t -as* 405 siento t *? 6«3 segundos
La calibración del relé de secuencia negativa (46) será tal que el
tiempo de operación para una falla fase-fase a los bornes de un §e
nerador, sea menor a 6«3 segundos»
Al operar el" relé dará la orden de apertura del interruptor- princl
pal y el de campo.
- 41 -
XX-l-¿£-5¿« sobreexcitación
Los factores que afectan el buen fun
cionamiento de un Sistema Eléctrico de Potencia son los efectos pro
ducidos por un sobrevoltaje> baja frecuencia y una combinación de -i
estos.dos 9
El efecto producido por un sobrevoltaje y baja frecuencia se ident¿
fica con el termino de sobreexcitación (REF 25), La sobreexcita -
ción se describe como un exceso de flujo en las máquinas u otro ti-
po de aparatos electromagnéticos. Una medida conveniente para di-
mensionar el flujo es la relación* en pus -del voltaje con la frecuen
ciaj comunmente se utiliza la expresión de voltios-herzios.
Las variaciones permisibles de voltios-herzios está considerado por
los esfuerzos dieléctricos* influencias térmicas y vibraciones en -
los equipos dé potencia. '
En condiciones de emergencia o durante disturbios en un SEP* se pro
ducen flujos de hasta el 140% y produciendo una sobreexcitación y'-
por ende un calentamiento excesivo de la maquinal la prevención de-
bido a este tipo de falla se lo realiza con dispositivos que midan
la magnitud voltios-herzios? con el propósito de limitar el valor -
del flujo«
42
Para la protección de los generadores de la "Central Álluriquin"? da
bido a una sobreexcitación se lo realiza con un relé de voltaje&fre-
cuencia«
Como un valor adecuado para la protección de los generadores en estxi
dio? se prevé "que sea del orden del 120% de voltios-herzios para un
tiempo de 2 segundos? siendo éste un valor típico para los generado-
res? como se indica en la figura.2-4* En el presente caso no se in-
cluyen los circuitos de conexión y la curva de operación del relé ' -
por no disponer la suficiente información»
Al operar el relé hará sonar una alarma»
IX-1-3. Sobrecalentamiento de los cojinetes
" Para la Central de Álluriquín (REF 1) las tur
binas son de eje vertical y poseen tres tipos de cojinetess dos co-
jinetes guíasí uno en la parte superior y otro en la parte inferiori
y un tercero que es el cojinete de empuje»
Dependiendo del tipo de cojinetes a utilizarse? estos deben estar gjx
rantizados para su normal funcionamiento bajo cualquier rango de ve-
locidads inclusive para velocidad de embalamiento para un determina-
do tiempo? por ejemplo 5 minutos? y trabajar normalmente sin circula
ción de agua de enfriamiento» durante un cierto tiempo? por ejemplo
- 43.-
La temperatura diaria en el materia babit no debe excederse de -
190 C (REF 8)j temperatura límite en que se dañaría el cojinete»
Los detectores de temperatura se colocaran como se indica en la
figura 2-19 y son;
1. Cojinete guía superior e inferiora un detector térmico -
puesto a la altura del material babit.
* . ,
2« Cojinete soporte: un detector térmico puesto en un patín»
El límite máximo de temperatura será de 190 C# que al sobrepa -
sar' este límite los detectores darán una señal para hacer sonar
una alarma.
II-2* Sobretensiones
La presencia de sobretensiones de una máquina> se
debe principalmente ai
1* Descargas atmosféricas
2, Pérdida súbita de carga
- 44 -
II-2-lt Descargas atmosféricas
La onda de propagación debido a una descarga
atmosférica posee un frente de onda muy escarpado» que oscila en -
tiempos de 2 a 10 micro segundos*
Cuando menor es el frente de onda, de una onda de propagación, 'me-
nor es el esfuerzo dieléctrico y mecánico que sufre el asilamien -
to»
El grado de aislamiento de la maquina está influenciado por el ti-
po de aislamiento utilizado; el cual tiene ciertos requerimientos
térmicos y mecánicos t" . .
Cuando una onda de sobretensión entra a los bobinados de un gene -
rador produce esfuerzos localizados en las bobinas* los cuales si
no poseen dispositivos de protección» dañan el aislamiento*
A frecuencia de 60 Hz las impedancias de los bobinados pueden ser
considerados como inductancias puras; pero existen capacitancias
entre espiras de una misma fase» que a frecuencia de 60 Hz es muy
pequeña* pero en presencia de altas frecuencias estas capacitan-
cias son significativas»
En presencia de una onda de propagación que entra a los bobinados
del generador* este se comporta como una pequeña línea de transmi-
sión*
La impedancia característica de una máquina se obtiene mediante os
cilograraas» * '
Un valor adecuado de impedancia característica para los generado -
res de la "Central Alluriquín" debido a su potencia y tensión es -
del orden de 365 ohmios (REF 26)*
Para la protección de los bobinados de los. generadores de la Cen -
tral en estudio* es necesario capacitores.de protección y pararra-
yos* A continuación se hará la descripción de cada -uno de ellosz
II-2-l-le Pararrayos
Debido a posibles sobretensiones de
origen atmosférico o de maniobra que pueden superar las tensiones
de prueba del aislamiento? se da la necesidad de colocar pararra -
•yos para la protección* La conexión de estos dispositivos de pro-
tección se lo hace como se-indica en la figura 2-28
Para seleccionar las características del pararrayos debe analizar-
se el voltaje nominal y la corriente.de descarga*
1* Voltaje nominal!
Para la Central de Allúriqu£n> el sistema es efectivamente
puesto a tierras pues cumples
Xo0.032 3| y,
Ro _ 0.020
X, - Oe032
Como consecuencia el máximo voltaje que se puede presentar en el -
pararrayos es (Pag* '9 626j SEF 2)s
Vmax = 0.7 x Vf-f = 0.7 x 13*8 KV
. ¥max « 9966 KV .
El voltaje nominal del pararrayos es 12 KVj ya que es el voltaje -
mas próximo normalizado*
2* Corriente de descarga
La corriente de descarga del pararrayos está determinada pors
~ 47 ~
2Vs - VpZo
3ien<i0j x = corriente de descarga del pararrayos
VS = voltaje de la onda de incidencia
Vp = voltaje de descarga del pararrayos ?
que está en función del tipo y; de -
la corriente de descarga del pararrayos-
Zo « impedancia característica de la barra -
de conexión desde el generador al trans
formador de potencia.
Vs'= lfl2V__.| siendos V--* = voltaje crítico de contorneoUrU * UrU
Zo = ijL/C$ siendos L - inductancia de la barra
C « capacitancia de la: barra
Zo = 1 Ln Lt J .siendoj a. - radio de la barra de co-nexión
EU = radio del ducto de la ba-rra
M, = permeabilidad
e. * capacidad especifica de -inducción*
Cálculo de la impedancia características
1 , 1_2»_73.6
Zo = 77*3 ohmios
4 x 10 '8,85 x 10-12
- Calculo de la onda de propagacióm
VCF_ = 110 ÍCV (BIL de la barra de conexión)
Vs . - 1.2 x 110 KV =
Vs ;= 132 KY
- Cálculo de la corriente de descargas
T £-.* 132 - 40 «1 " 77,3
. I = 3 KA " .
La corriente nominal normalizada es de 5 KA
3« Margen de proteccións
El margen, de "protección dado por el pararrayos al generador es-
tá determinado por la relación?
y = «Z—S | siendo s M « margen de protección
WMA - nivel mínimo de aislamiento
Vp ~ voltaje de descarga del pararra
yos (para la corriente normali-
zada de 5 KA* el voltaje de des
carga es de 40 KV) (KEF 26),
- 49 ~
110 ~ 40M - ————40
M = 175%
IX-2-1-2* Capacitor de protección
Cuando una onda de sobretensión en-
tra en los bobinados de una maquinas ésta onda aparece entre las e£
piras adyacentesí las mismas que* dependiendo del espaciamiento e-
léctrico y del tipo de aislamiento* pueden ser dañados» Para prote
ger el aislamiento entre espiras? es necesario disminuir el frente
de onda? para lo cual se conecta un capacitor de protección*
La velocidad con.que se carga un capacitor* depende de la impedan -
cia característica de la barra de conexión? del generador y del va-
lor de cresta de la onda, de sobretensión* •
Los fabricantes han estandarizado el valor del capacitor de protec-
ción dependiendo de la conexión del neutro y del nivel de tensión -'
del generadora Entre los valores normalizados de capacitores de - .
protección se tienen* ,/
Tensión del generador Valor del capacitor
294 a 6,9 KV Oa5 micro faradios
11.5 a 13*8 KV 0,25 micro faradios
1484 KV en adelante Oa125 micro faradios
- 50
La forma como el capacitor de protección disminuye el frente de on-
da está determinado por la siguiente fórmulas
2x(s) = -1 + CSZg
I siendos Ec= Voltaje del ca
pacitor*
Vs= Voltaje de la
onda de incidencia!
Zx= Impedancia equi-
valente «
Zo= Impedancia carao
terística de la
barra*
I siendo* Zg = Impedancia característica del g.e
nerador
C = Valor del capacitor de protección
S « Operador de LaPlace
La fórmula en función de las impedancias características ess
2g i* Zo pu| t en se-
gundos «1-K SZg
En la figura 2-3, se indica para los distintos tipos de capacitores de
protección* la proporción en que disminuye el 'frente de onda para los?
generadores en estudio» De esta gráfica se puede analizaé'que mientras ma
- 51
onda que se presenta en los debanados del estator«
Tomando en consideración el amplio margen de protección que se tie-
ne con el empleo del pararrayos* para el nivel de aislamiento del -
generadori estimamos suficiente el empleo de un capacitor de O«25 -
micro faradios* tal como lo recomiendan los fabricantes*
II-2-2* Perdida súbita de carga
. En generadores debido a perdida súbita de carga?
aparece a sus bornes una sobretensión asociada a una sobreveloci&ad/
por tanto la protección debe realizarse contra sobretensiones y co
tra sobrevelocidad*
Para el presente caso no se ha podido hacer un análisis del compor-
tamiento del generador por pérdida súbita de carga? por no disponer
de los suficientes elementos*
Si un generador está trabajando a plena carga y ésta decrece brus -
camente* la tensión a los bornes del generador aumentas debido a -
que la tensión tiene que permanecer constante* obliga a que' la co -
rriente de excitación deba disminuir rápidamente*
La regulación de la tensión se lo realiza mediante un regulador
transductor* que necesita corriente alterna para su funcionamiento
52 -
y posee un limitador de corriente para desexcitar. a la máquina cuan-
do la corriente del generador supera -un valor determinado.
Dadas las características de la "Central Alluriquín" (REF 1)* los g£
- + + *neradores podran operar con el - 5% de sobretensión en condiciones
normalesj siendo necesario un regulador y sistema de-excitación pro-
visto para una desexcitación rápida? debiendo en 1*5 segundos disminuir
la corriente de excitación desde.su valor nominal al 10% (REF 6)«
El regulador debe estar calibrado para operar en variaciones del 1%
de tensión con respecto a la nominal (ANEXO 3)*
La protección eléctrica debido a sobretensiones? se lo' realiza con -
un relé de sobretensión (59), que con respecto al regulador de ten -
sión sería una protección de respaldo para el generador! para lo cual
es necesario dos unidades?
1* Una unidad instantánea calibrado para el 140% de la tensión nozni
nal» debido a que para ésta tensión no opera el regulador de tensión*
resultando peligroso para el aislamiento de la máquina»
2« La unidad de tiempo para los generadores de la "Central Alluri -
quín"? será calibrado para el 110% de la tensión nominal para un tiem
po de 8 segundos*.
53 -
Seara determinar el tiempo de operación del relé de sobretensión* -
se lo realiza analizando las curvas-de la figura 2-6 y 5 i que obe-
dece la máxima tensión permisible a los bornes del generador y de
la tensión de excitación.
Al operar el relé dará la orden de apertura del interruptor princi
pal y el de campo»
**~3« Esfuerzos mecánicos anormales
Las vibraciones.en el alternador tiene su origen en fa
lias mecánicas y/o eléctricas»
Los esfuerzos mecánicos debido a fallas eléctricas se deben a$
Perdida súbita de. carga
Corrientes asimétricas!9 3 »
- Contacto a tierra del c-arapo.
Al utilizar relés de protección.para despejar la falla* se limita
el valor y daño que puede causar las vibraciones»
En el punto anterior se describió lo referente á perdida súbita -
Corrientes asimétricaá del estators La presencia de corrientes a-
simetricas en el estator» origina corrientes de doble frecuencia -
que las del sistema* las mismas que se inducen en el rotor* la fo£
ma como se protege.contra este tipo de fallas.se describe en el -
punto 2-1-2-1»
Contacto a tierra del campos Debido a que el rotor del generador -.
no es puesto a tierra? un primer contacto del campo no representa
graves problemasi en el caso de producirse un segundo contacto a
tierra* quedaría una"parte del bobinado del rotor en cortocircuito
dando origen a un aumento de corriente» Estos dos cortocircuitos*
van a determinar un desequilibrio de los flujos en el entrehierro*
que se reflejan en fuerzas suficientemente grandes que pueden tor -
cer al eje del rotor, y hacerlo excéntrico»
Como consecuencia de la excentricidad puede producirse esfuerzos -
sobre los cojines guias que lograría dañarlos y podría ocurrir qué
entren en contacto físico el rotor y el estator causando serios da
ños* La presencia de este tipo de falla y la forma como se prote-
ge* se describe en el punto 3-1-1«
•55-
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0.81 ' N o r m a l2 Dimite do c o r r i e n t e reactiva [baja-exciíacionj3 A u t o e x c i t a c i ó n
Tiempo ¡segundos)
FIG, 24 VARIACIÓN DE VOLTAJE a FRECUENCIA
CKSt-58-
SZSKf -KV aa«aiJ 3E«aU!atóiitíJaTi tW «S3Saíír-'najs!a«u Jiss»*>»::< .i.: TH¡SBB3e,.> *v*i*«í'»t «»"*«•
g-5 PpTEMCIA Og SAUDA OSi GEMgfíADO^l POSfR£CU£ttClA
tl D£
VOLTAJE 72y CONOlCiOM DHí. CAMTQ ^f'
59 .-
PítOTECCION DEL GENERADOR
En el presente capítulo se analizará la protección debido a fallas
que se producen internamente en el generador» las cuales sons
1« Fallas en el rotor •
2» Fallas en el estator •
*
III~1* Protección contra fallas en el rotor
Las principales fallas a las que se encuentra sujeto
el rotor sons
1, Contacto a tierra del campo
2» Perdida de excitación
II1-1-1 * Contacto a tierra del campo
Un primer contacto a tierra del campo no reV ~~
sulta peligroso> pero un segundo contacto ocasiona daños* como se -
describió en el punto 2-3-2.
El sistema de protección consiste en un transformador puente rec -
tificadors la salida positiva del puente se conecta a tierra y la
negativa se conecta a través de un relé de sobracorriente al polo
positivo del campo* como se indica en la figura. 3-1*
Para la protección de la excitatriz de los generadores de la "Cen-
tral Alluriquín"* se ha elegido un circuito de protección como se
indica en la figura 7-7| si el qampo se conecta a tierra* en el -
punto M va a existir un cierto potencial que hará operar el relé -
(64F).
s
La magnitud de tensión'que detectara el punto Mj dependerá del pun
to de" contacto a'tierra del devanado del campo y de la tensión; la
máxima tensión en M se deberá a un contacto a tierra del extremo -
del devanado»
Como se puede analizar el punto M en condiciones normales? su po —
tencial es ceros cuando varía la tensión de la excitatriz, el varis
tor R_. también varía cambiando el punto nulo de referenciaP pudiejí
do detectar la falla en el punto dónde ocurre (ver figura 6-9)*
Para los generadores de la Central en estudio y al ser detectado un
contacto a tierra del campo ¡i el relé debe operar en forma ins tanta
nea y hará sonar, una alarma»
IIX-1-2» Perdida de excitación
Debido a la perdida de excitación de un gene-
rador sincrónico* este funcionará como generador de inducción si -
no posee bobinas de amortiguamiento*
Entre los efectos mas importantes que afectan el buen funcionamiejii
to del generador sincrónico por pérdida de excitación son:
1* Perdida de, sincronismo del generador* que dependiendo del sis
tema donde se halla actuando» puede aumentar la velocidad entre 2
y 5% de la sincrónica (REF 10) $ pudiendo actuar como generador de
inducción*
2* Posibles daños en el rotor por la circulación de corrientes -.
de Eddy. ' • -
3, Reducción del voltaje* como se indica en la figura 3-3* que -
consecuentemente produce un flujo de potencia reactiva desde el sis.;
tema a la unidad» La máxima potencia reactiva que puede absorver
un generador depende de su curva característica de potencia (fi u
ra 3-5),
Por lo anteriormente expuesto* la protección contra pérdida de ex
citación de un generador es de las más importantes| entre los rae
- 62 - .
todos más utilizados para la protección de los generadores por -
perdida de excitación som
1« El uso de un relé de baja corriente conectado al circuito de
campo* que debe-estar supeditado a la corriente nominal mas baja
de excitación del campo, tanto para la calibración 'cuanto p'ara ja
vitar la operación falsa del relé*
Un inconveniente del uso del relé de baja corriente, es que en -•
presencia de un daño en la excitatríz* el circuito de campo per-
manece intacto y el relé no opera ya que se encuentra alimentado
por corrientes inducidas por deslizamiento*
2s El empleo de un relé rano* con su centro ubicado en el eje X
negativo del diagrama R-X| con esto se consigue que la protección
sea selectiva*
En la figura 3-2» se puede ver el lugar geométrico que describe
la impedancia cuando el generador pierde, la excitación* la cual
varía generalmente desde un valor en el primer cuadrante hasta -
el cuarto cuadrante«
Para la protección de los generadores de la "Central Alluriquin"
se ha elegido un relé mho (40), que se conecta-a un transforma -
dor de corriente y tensión para medir la impedancia a los bornes
- 63 -
del generador»
La impedancia que mira el relé varía con la carga del sistema, du
rante la operación normal y en condiciones transitorias? razón -
por la*: cual para la calibración del relé se analizas
1* El offset del relé (X'd/2)* que permite detectar una pérdida
de sincronismo por pérdida de excitación, En todo caso el relé -
no detecta pérdida de sincronismo por otras condiciones del sist£
ma» salvo la indicada* siendo necesario una protección por pérdida
de sincronismo para ésas condiciones. .,
2* La característica del relé para un diámetro igual a la reac -
tancia sincrónica en el eje directo* ^-.l pu* que detecta pérdida -
de excitación* apertura o cortocircuito del campo en su proceso jL
nicial de carga del generador»
Para la determinación del tiempo de operación del relé debe cono-
cerse las trayectorias de impedancia del sistema tanto para fallas
trifásicas? cuanto para pérdida de excitación* Sn vista que es -
tos valores no son posibles de disponer * pues su estudio estaría
fuera del alcance del presente trabajo* se presenta a manera de -
información el análisis hecho por la REFERENCIA 28* para una falla
trifásica y pérdida de excitación? mediante la cual se obtiene la
trayectoria H-X de una máquina* siendo el tiempo de trayectoria •
64 -
debido a perdida üe excitación entre 21 y 54 ciclos i como se Indi-
ca en la figura 3-4»
3« La caracterísitica del relé para un diámetro igual a la reac-
tancia .sincrónica del eje directo? que detecta pérdida de excita •
ción«
Para determinar el tiempo de operación del relé* se debe analizar
los parámetros del sistema y la operación del regulador de tensión!
estando el tiempo de operación en el rango de 1.5 a 2S0 segundos -
(REF 28) 8 ;
Con las tres combinaciones antes analizadas? el relé mho protege -...
al generador por "pérdida de excitación y de sincronismo, así como
apertura o cortocircuito del campo*
A continuación se determinan los parámetros para la calibración - .
del relé mho para la protección de los generadores de la "Central
Alluriquín"«
1» Datos necesarios: , ' • .
- X'd a 0*30 pu*
- Xd « 0.20 pu» •
- Zb » 2.12 pu¿ • •
- Relación de transformación del transformador de corriente (TC)t
- 65 -
TC - 400Q/5 * 800
- Relación de transformación del transformador de tensión (TP)s
TP a 13. 8/ O/ 0.120 « 66
2. Calculo del tap del relé mhos
- Resistencia, en el- secundario (Zb)
íiU ~ ¿.9\,& X ' r> < f '"' ~~66Zb = 25-. 6
- Reactancia transitoria (X'd) en el secundario del transforma.
dors
X'3= p.3 x 25,6 =
.. . X'd« 7.7
- Reactancia sincrónica (Xd) en el secundario del transformador!
Xd = 0,91 x 25,6 *
Xd « 23.3 '
3a Calculo del offset del relé (X1 d/2)s
- Offset = 7.71/2 =
Offset « 3a855
- Escogemos el offset normalizado' más cercano* que es igual- a 4.0,
4« Calculo de la primera zona de protección j cuyo diámetro es 1 pus
10 x 100
Tap = 39 II
- Escogemos el tap normalizado más próximo al calculado
Tap » 40%
5* Calculo de la segunda zona de protección* cuyo diámetro es la
reactancia sincrónica del generador (xd)j
_ „ 10 x 100- Tap - 25.7 x 0.91
Tap * 42,75
- Escogemos el tap normalizado más próximo al calculado
T a p = 6 0 % " • ' . . -
Un tiempo conveniente para la calibración del relé mho es del orden
de 0*5 segundos* como se puede analizar en la figura. 3-4, debido a
que es la primera zona de protección*
El tiempo de operación para la segunda zona de protección estará en
el orden de 2 segundos! pero debido a que esta segunda zona "se en —
cuentra dentro de la primera zona de protección* por el valor de la
reactancia sincrónica (0*9 pu), no es necesario su calibración*
Al operar el relé dará la orden de apertura del interruptor princi' -
pal y -el de campo»
•III-2* Protección contra fallas en el estator
s fallas a las que se encuentra sujetas las bobinas
del estator soni
1* Falla a tierra
- 67 -
2* Cortocircuito entre fases
3« Cortocircuito entre espiras
III-2-1. Falla a tierra( - mi i i n-iii IMITU i—..n i ii m. i i
Cuando ocurre un cortocircuito en el genera-
dor* independientemente de la conexión del neutro del generador -
con respecto a. tierra* tiene su efecto sobre el núcleo del estator!
el daño causado por la corriente de cortocircuito en las láminas -
del estator dependerá de la magnitud de la corriente y del tiempo
'de duración*
Las normas de los fabricantes* determinan que los generadores pue-
den soportar esfuerzos térmicos y mecánicos debido a un cortocir -
cuito trifásico momentáneo. Ya que el generador se cuentra sujeto
a cortocircuitos a "tierra y principalmente fase-tierra*'siendo esta
última de mayor maginitud en relación a otro tipo de falla en nues-
tro caso8 Por lo cual es necesario- reducir el valor de la corrien
te de cortocircuito a valores adecuados para que no causen daños al
generador» •
Uno de los métodos utilizados para disminuir el valor de la co —
rriente de cortocircuito fase-tierra* es conectar resistencias y -
reactancias entre el neutro del generador y tierra» A continuación
se hará una descripción de los métodos más adecuados*
III-2-1A. Neutro flotante
Se da esta denominación cuando el neutro -
del generador no tiene conexión a tierra»
El método de protección consiste en medir la tensión entre el neu-
tro y la t,ierra con un transformador de tensión e instalar en el ~
secundario un relé de sobretensión»
Entre las desventajas de este método? cabe anotar que la protec -
ción cubre el 95% del bobinado del generador en caso de cortocir -
cuitof ya que no detecta fallas cercanas al neutro; también es ne-
cesario la presencia de un filtro dé terceras armónicas para que no
opere falsamente el relé»
IIX-2-lBfl Conexión del neutro a través de una resis-
tencia o reactancia
El objeto de conectar el neutro del genera-
dor a través de un resistencia o reactancia es limitar el valor de'
la corriente de cortocircuito fase-tierra a valores iguales o meno-
res a la falla trifásica.
Como práctica general se reduce el valor de la corriente de corto -
circuito fase-tierra a valores de cientcsde amperios* razón por lo
cual la protección diferencial no puede detectarlo* Asociada a la
resistencia de puesta a tierra se conecta un relé de sobrecorriente
de secuencia cero*
Entre las limitaciones que tiene este método sons la protección a¿
canza a cubrir el 95% de los bobinados del estator? no pudiendo de-
tectar una falla cercana al neutro del generador y para un valor a-
decuado de.resistencia es necesario considerar los efectos transito
rios que produce la impedancia del neutro* El valor de la resisten
cia o de la reactancia* para la conexión del neutro del generador a
tierra* debe ser de diseño especial para cada tipo de máquina*
III-2-1C» Conexión del neutro a través de un trasfor-
dor de distribución
Al poner a tierra el neutro del generador a
través de un transformador de distribución? se obtiene una proteo -
ción más selectiva y sensible para los bobinados del estator* Este
método es el más utilizado cuando se conecta directamente desde el
generador al delta del transformador de potencia (REF 24);
En el secundario del transformador de distribución se conecta en p¿
ralelo una resistencia y un relé de sobretensión <64G)? como se in-
dica en la figura 7-6*
70
Este tipo de conexión se lo considera del tipo resistivo? anterior-
mente descrito, ya que al conectarlo a través de un transformador -
de distribución se reduce el valor óhmico y la capacidad de disipa™
ción de la resistencia*
Entre las principales ventajas que proporciona este método sons
1« Se limita los valores de la corriente de cortocircuitos Con un
valor adecuado de resistencia en el secundario del transformador
de distribución* se limita las corrientes de falla fase-tierra a
valores del orden de 10 amperios? que-para nuestro caso es de" 6
amperios« El valor óptimo de la resistencia está determinado -
por su capacidad de disipación qué sea igual a la corriente capa
citiva almacenada del sistema de generación*
2, Se limita'voltajes transientes y arcos a tierra.
Como se indicó en párrafos anteriores> se debe escoger un relé cuya
operación sea lo más selectiva9 para evitar una salida innecesaria
del generador del sistema»
Para los generadores de la "Central Alluriqúín119 los valores de la
capacidad del transformador de distribución y el de la resistencia
para la conexión del neutro del generador a tierra* se indica en -
- 71 -
el ANEXO Ij siendo el valor de la resistencia igual a 1*06 ohmios
y la capacidad.del transformador de 10 KVA*
Para la calibración del relé de sobretensión <64G)j se analiza la
falla fase-tierra* con lo cual se obtiene la máxima sobretensión
que hará operar al relés
1» La corriente de falla fase-tierra ess
I. v:, = 3,44 amperios
28 La tensión que aparece en la resistencia ¿el momento de fa-
lla esí
Vraax = 3.44 x 36 x 1.06 =
Vmax = 132 voltios.
3. Dadas las características del relé de sobretensión (ver figura
6-4), la tensión máxima continua es de 67 voltios y de 140 vc¿
tios para dos minutos* La. máxima tensión que aparece'en el se
cundario- del transformador de distribución es de 132 voltios -
en presencia del cortocircuito fase-tierra? que representa el
200% en condiciones normales»
í
Siendo el relé calibrado para el 200% de la tensión nominal y para
- 72
un tiempo del orden de 0.5 segundos (REF 23)*
Al operar el relé dará la orden de apertura del interruptor princi-
pal 9 el de campo y datener la turbina.
m-2-2, Cortocircuito entre fases
La presencia de este tipo de cortocircuito ijn
terno en el generador produce daños considerables en el estator» de-
bido a la circulación de grandes corrientes de cortocircuito con re£
pecto a la nominal» Si este cortocircuito no es despejado rapidamen
te, destruye las láminas del estator donde se encuentra actuando*'
El método más utilizado para la protecci6ns es el diferencial * que -
se basa en la comparación de las magnitudes de corriente entre los -
bornes del generador y el extremo del neutro»
En condiciones normales de funcionamiento del generador* el resulta-
do de comparar las dos magnitudes de corriente da un valor que tien-
de a cero? en presencia de un cortocircuito o condiciones internas a_
normales del generador» al comparar estas dos magnitudes da un valor
diferente de cero* que detectará el relé y hará disparar el interrup
tor principal.
Para alimentar el relé diferencialf se prefiere que los transformado
73
res de corriente que alimentan al relé sean del mismo tipo* ya que
al poseer diferentes características» las corrientes de magnetiza-
ción son diferentes y podría dificultar la calibración permitiendo
la operación falsa del relé» • .
Al utilizar relés de sobrecorriente para la protección diferencialj
este debe ser correctamente calibrados para así evitar una opera -
ción falsa del relét
Por Ib anteriormente expuesto» para los generadores de la "Central•
Alluriquín" se ha escogido para la protección relés diferenciales
de porcentaje constante (87G)«
La existencia de relés diferenciales de porcentaje constante nos -
permite determinar .cuál tipo de relé es el más aconsejado.utilizar
para la protección del generador?entre los valores normalizados? -
según el tipo de relé y casa fabricante y son del 10 y 25%.
La selección del porcentaje está determinado por la curva de satu-
ración del transformador de corriente en presencia de un cortocir-
cuito» Para las Características del relé diferencial de la figura
6-2 y 6-3 dadas por los fabricantes? indican que debido a la satu-
ración del transformador de corriente en presencia de un cortocir-
cuito? si el error excede del 1% se aconseja utilizar un relé di-
- 74 - . -
ferencial porcentual del 25%,
Según las normas ASA? el error admitido para los transformadores de
corriente es del orden del 2%*
Como conclusión se indica que para la protección de los generadores
de la "Central Álluriquín11 * se ha escogido relés diferenciales de -
porcentaje .igual al 25%| estando esto supeditado a las característjl
cas propias de los transformadores a utilizarse y que. el barden no
exceda as
Np Vcd/133.| siendoi Np relación entre el tap del-trans -
formador de corriente utilizado yt . .
la relación nominal del- transfor-
mador»
Ved = Voltaje secundario del transfornia
dor de corriente»
Para un máximo desbalance de corriente del 25% í para los generado- -
res en estudio» el relé dará laorden de apertura del interruptor -
principáis el dé campos detener la turbina e inyectar C0oa
III-2-3* Cortocircuitos entre espiras
75 -
: Cuando ocurre un eortoeiereuito entre espiras Ue una misma fase» la
protección diferencial no detectará la falla» De allí la necesidad
de tener otra protección para este tipo de falla* ya que al no pro-
teger al generador por cortocircuito entre espiras puede producir -
la rotura y perforación del aislamiento que daría origen a una fa-
lla fase-tierra»
La protección contra este tipo de fallas* dependerá de las caracte-
rísticas constructivas del "generador* dependiendo del numero de en-
rollados por fase que tenga«*
1« Cuando el generador posee un solo enrollado por fase* la proteo
"W- ción se lo realiza con un relé de sobretensión residual* el mis
mo que protege contra cortocircuitos entre espiras y también -
cuando una fase está abierta-
Los valores de tensión debido a un cortocircuito entre espiras*
depende de las características propias del generador$ que es da
. to del fabricante* de allí que no es posible determinar las ca-. -*• . .
racterísticas específicas de la protección y de su calibración,
2« Cuando el generador posee dos enrollados que constituyen la fa-
se* la protección más utilizada es la diferencial a tierra* —i
siendo el circuito de protección el que se indica en la figura
7-11,
Cuando existe una falla a tierra* circulará una corriente en el
propio sentido (en polaridad) hacia el transformador y el relej
que detectará la bobina polarizada (upper pole) que hará operar
al rele8
Debido a no poseer las características especificas del genera -
dor* los fabricantes recomiendan utilizar el tap de 1/2 (como -
se indica en la figura 6-12)» tap que será escogido para el pre
senté.trabajo; debiéndose anotar que el relé no operará para -
cortocircuitos externos y condiciones transientes*
Al operar el relé hará sonar una alarma*
-77-
FIG. 3-1 DETECCIÓN DE FALLA
A TIERRA
FIG. 3-2 LUGAR GEOMÉTRICO DELA IMPEDANCIA POR'PERDIDA DE EXCITACIÓN
-Í2.0
-tl.o
ú
-f,ü
-2.0
-
1-^ -4 í--.
V
I - i3 4 9 í
- . íiem
1-.V^VOLTAJE TE_p= POTENCIA AQ= POTENCIA RE
RMINALC TI YA:ACT/VA
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6-to ta^-
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Xa-"•w.'"1
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1 ' ' í 'ioí' ^y *! ' li1 1 IIi ' \^i s i
1 1 1 t 'v ; i/ i .
0
FIG. 3-3 VARIACIÓN DEL V O L T A J E TERMINAL, POTENCIA ACTIVA
- .Y REACTIVA POR PERDIDA DE EXCITACIÓN
Figure 7. fmpcdance trajectory flagging PF) forPíC =* 0.9, QIQ = 0.252, tc = 0.19,
XL = 0.088
Figure 8. fmpt'dance trajectory (PF ncar iinity) for
PlC ír 0.9, QÍC = 0.05, tc = 0.1S,
X!f = O.OSS
Í«.I6
IOPU
Figure 10. Itnpedance trajectory {reduced power level)for P¡c - 0.751 QIC = 0.071 íc = 0.1S,XL = 0.088
1.0 R U.
Figure ¡I, Iwpedance trajeetory (reduced power level andleaditis Pl?) for 1>¡C = 0.75, Qlc = -0.25
•íC = 0.18, XL - 0.088
-fX-•I.OP.U.
Figure 9.! Impedance tmjccínry flcadius PF) for
\ " (>-9' QtC = "0.13, tc - O.J7, Figure 12.. Imtwlancü trajeclnry fottowíng losa of fivld
\¡f ---• O.OfíS ''for r¡c = 0.9. Q¡c --• O, XL - O.OSS
FIG» 3-A T R A Y F . C T L l R T A DE LA TMPFJIAK'C1. A (. REF ?8)
7 9 -
.1 - . 2 .3 .4 .5 .6 .71. .9
A D E L A N T O RETARDO
FIG. 3-5 CURVA CARACTERÍSTICA DE G E N E R A C I Ó N
PARA UN GEMERADOR ; S f i
- 80
CáPXTULO I'v
P R O T E C C I O 'N P E LJV T U R B I N A
Para proteger a la turbina* es necesario una protección mecánica -
más que una eléctrica* siendo las principales protecciones?
1» Pérdida súbita de carga
2* Motoreo
IV-1t Pérdida súbita de carga
En los alternadores* debido a la pérdida súbita de car-
ga* aparecen los siguientes fenómenos?
IV~l-la S obreveloci dad
En alternadores es necesario analizar el efec-
to producido por pérdida de carga* ya que puede causar serios daños
en el generador* principalmente la velocidad de embalamiento»
El regulador de velocidad actúa para variaciones de cargas permitien
do el aumento o disminución del flujo de agua a la turbina (ANEXO
2)s dando estabilidad a la máquina*
como protección de respaldot frente a la mala o no operación del re
guiador de velocidad* Para la protección de los alternadores de la
"Central Alluriquín" se ha previsto la utilización de relés de baja
y sobrefrecuenciat
1. Relé de sobrefrecuencia* que protege al generador por una sobre-
velocidad.
Para la Central en estudio, la máxima velocidad permisible para las
turbinas í es del 125% de la velocidad sincrónica! razón por lo cual .
el relé deberá estar calibrado para operar para una sobrefrecuencia
menor al 125% de la nominal*
El tiempo de operación del relé será de 0*5 segundos* ya que para -
tiempos mayores* el incremento de la velocidad resultará peligroso -
para laa máquina*
2* Hele de baja frecuencia? que protege al alternador debidos
18 Vibraciones de la turbinas Las vibraciones de la turbina es-
tán en relación directa con la velocidad y del tipo de material uti-
lizado para la construcción de los alabes de la turbina»
Conociendo la propiedad de los materiales a utilizarse para la cons-
trucción de la turbina> es posible determinar el mínimo tiempo en
que se produce el agrietamiento de -las estructuras de los alabes*
siendo este tiempo característico en cada máquina*
En ausencia de datos? un cálculo conservador del tiempo y límite
de frecuencia? se tabula a continuación (REF 25)í •-
Frecuencia a
carga - CPS
59,4
58*8
58,2 •
•57,6
Lena Mínimo tiempo
para causar daños
Continuo
90 minutos
10 minutos
T minuto
Z» ' Reducción de los KVA de salida del generador: La reducción
de los KVA de salida de un generador> varía con "la velocidad al cua
drado? como se indica en.la figura 2-5; como ejemplo, la disminución
al 95% de la velocidad, se refleja en un decremento al 93% de los -
KVA de salida (REF 25).
La calibración del relé de baja frecuencia,? para los generadores de
la "Central Álluriquín"9 es del 95% de la frecuencia nominal y pa-
ra un tiempo no mayor de 2 segundos! siendo estos valores típicos -
para la protección de generadores <REF 25),
- 83 -
AI operar el relé üara la ©rd@¡a Ue apdrUut-a, del j
pal* al de campo y detener la turbina.
IV-1-2» Sobretensión
En alternadores la pérdida de carga origina s£
bretensiones a los'bornes del generador! la protección contra este
tipo de fallas se indicó en el punto 2-2-2.
:•: IV-2. Motoreo
La elección de protección contra motoreo se debe a las
posibles capitaciones de los alabes de la' turbina para bajos flu '-
jos de agua» cuando las Centrales no son'atendidas.
La protección eléctrica es netamente de respaldo frente a disposi-
tivos mecánicos que'desconectan al generador del sistema' en caso -
de valores insuficientes de flujos de agua para mantener la generai
ción eléctrica*
Para la protección de las turbinas de la "Central Alluriquin" s se
ha previsto un relé de baja potencia (37)«
El relé será calibrado para valores menores al 2% de la potencia -
nominal (REF 12)» potencia para la cual se evita vibraciones peli-
grosas de las hojas de la turbina* siendo este un valor típico pa-
ra Centrales Hidráulicas *
El tiempo de operación será del orden de 9 segundos * tiempo sufi -
cíente para que haya operado el regulador de velocidad*i
Al operar el relé dará la orden de apertura del interruptor princi
pal y el de campo*
- 85 -
O T R A S P R O T E C C I O N E S
Bajo ésta nominación se describe el estudio de protección por fa-
llas externas al generador y que repercuten en els
V-l* Carga Asimétrica
La presencia de carga asimétrica a los bornes del gene-
rador» a dado origen a que los fabricantes den un cierto margen -
para el diseño de generadores*
El grado de' asimetría de un generador está determinado por la corrien
te de secuencia negativa} siendo el grado de asimetría para una ma
quina igual as
S =Y— x 100% | siendo; S = grado de asimetrían
= corriente de secuencia negativa
I = corriente nominaln
Como.se analizo en 2-1-2-1» debido a corrientes asimétricas»• se pro
tege con un relé'de secuencia negativas La protección aquí utili-
zada será de respaldo para fallas desbalanceadas y protección prin
cipal frente a un exceso de carga -asimétrica* .
3?ara los generadores de la "Ceafcr«*X AlXuriqulrí'' » «1 grauo ue asi-
metría es del 20% (REF 1) > corriente para la cual se calibrará el
relés
S = 20% = -£ fn
2 2I2 t = (1*2) t & AOj siendo* t * 27*8 segundos
El tiempo de operación del relé de secuencia negativa será menor'
a 27«8 segundos? para el grado de asimetría del 20%} como conse -
cuencia el relé de secuencia negativa* analizado en 11-1-2-1* ten
drá como máxima corriente de operación la correspondiente a. la fa
lia fase-fase y como mínima debida a una carga asimétrica» -
V-2* Oscilación de la red
Debido a oscilaciones de la red, por aumento o disminu
cion de la carga en el sistema» se refleja en el aumento o dismi-
nución del caudal de agua que entra en la turbina*
El regulador de velocidad responde cuando existe oscilación de la
red, ver ANEXO 2* mediante un dispositivo de amortiguamiento, es~
te dispositivo depende de la característica de la carga y del si£
tema al cual está conectado*
El relé de impedancia analizado en 3-1-2? considera los efectos -
87 -
de oscilación permanente y la acción del regulador de tensión
(REF 11) í como consecuencia' el relé mho provee de protección al -
generador en su proceso de carga y descarga*
V~3« Sobrecorriente
La protección debida a sobrecorriente es de respaldo*
ya que impide que el generador siga alimentando con corriente de
cortocircuito al sistema eléctrico externo* sin que la protección
principal haya actuado*
La protección mediante un relé de sobrecorriente con control de -
tensión* es el más adecuado* ya que protege de cortocircuitos ex-
teriores manteniendo un torque negativo para que no opere en for-
ma falsa*
La utilización de relés simples de sobrecorriente no es aconseja-
ble por la posibilidad de operación falsa o la no operación* deb¿
do a los valores de la corriente de cortocircuito trifásico (ver
figura 1-5)* ya que llega a valores inferiores de corriente antes
de que opere el relé*
Para la protección de los generadores de la "Central Alluriquín"*
se utiliza relés de sobrecorrientes con retención de tensión (51V),
como protección de respaldo para el generador*
cual se calibrará el relé de sobrecorriente*
1» Del punto 1-4s se obtiene la corriente de falla a los bornes -
del generador?
If « 20920 A»j que representa aproximadamente el 500% de la -
corriente nominal del generador»
2« Para el 500% de la corriente nominal del estator* como se indi
ca en la figura ,5* la sobre temperatura que se podría presentar en
•el generador es alta> pudiendo causar dañosi razón por lo cual el
relé de sobrecorriente deberá operar en forma instantánea*
3* Dadas las características del relé de sobrecorriente (ver fig u
ra 7-1}» el mínimo tiempo de operación es de 003 segundos» tiempo
al cual se debe añadir lo que se demora en disparar el interruptor
(3 ciclos)8
Con el tiempo de operación del relé de 0,3 segundos? nos permite u
na mejor coordinación con el resto de equipo de protección*
Al operar el relé dará la orden de apertura del interruptor princi
pal y el de campo*
La presencia de una protección contra incendios» es de -
suma importancia* por"la posible aparición de éste, debido a corto
circuitos o fenómenos que dañarían al generador y/o a las instala-
ciones en general*
La descarga del dióxido de carbono se realiza cuándo opera el relé
diferencial o por otras condiciones especiales? puediendo también
ser operado en forma manual desde los tableros de control y/o me -.
diante suiches de control de temperatura colocados en los ductos -
de aire del generador*
- 91 -
C O O R D I N A'C I O N D E LJV P R O T E C C I OH
El objetivo det evitar daños en los equipos.de potencias se logra e£'
tableciendo una adecuada- correlación entre las distintas condtcio -
nes que debe resistir el equipoi las fallas a las que se encuentra
sujeta y las características de los dispositivos de protección*
Se entiende como "Coordinación de la Protección en un Sistema Eléc-
trico" al conjunto de disposiciones tendientes a evitar daños en -
los equipos .debido a"cortocircuitos? sobretensiones o fenómenos va-
rios que aparecen en él? aislando la falla y sacando de servicio el
menor numero de elementos posibles en forma rápida y selectiva? exi
tiendo dos clases de protección en un Sistema de Potencia (REF 15)j
1. Protección principal! Es aquella protección que en presencia -
de una falla deberá operar en forma inmediata y ordenar la apertura
del menor numero de interruptores, para aislar solo el elemento fa-
llosoa
Cuando dos zonas de protección se superponen? la protección princi-
pal operará ordenando'la apertura del o de los interruptores más -
cercanos con el propósito de aislar la falla y sacar de servicio el
menor numero de elementos posible. '
92 -
Cuando ocurre una falla donde se
rán el mayor numero de interruptores
2« Protección de respaldos La protección de respaldo operará cuan-
do la protección, principal no ha actuado y deberá tener un retardo
de tiempo mayor que el tiempo 'de operación de la protección princi-*
pal*
Para la coordinación de los generadores de la "Central Álluriquín" f
se analizarán dos zonas ¡
1« Una primera "zona A" > que representa la protección principal -
para una falla en el generador? como se indica en la figura 6*
2* Una segunda "zona B"> que superpone a la Zona A y cubre el trans
formador de potencia * corno se indica en la figura 6*
A continuación se hace una descripción de la forma como operarían -
las diferentes protecciones? en presencia de una falla«
.VI-1. Protección en la "Zona A"
En capítulos anteriores se ha descrito el tipo de falla*
la utilización del relé mas adecuado • para su función y el tiempo de
operación»
- 93 - . •
El sistema de protección aquí utilizado $ üe'oe operar tie la manera
más veloz y selectiva debido a una falla en el generador.'
VI-1-1. . Generador sirvi endo una carga
; '• Para el presente análisis se considera que el
generador está trabajando en condiciones normales* asumiendo, un -
proceso de carga y descarga en forma homogéna» Bajo estas condi -
ciones los diferentes dispositivos de protección operarán en la si
guíente secuencias
la El dispositivo de sobrecarga (figura 6-5A y 6-5B) vigila en -
forma permanente la elevación de la temperatura en el estator*
cuando llega al máximo permisible (125 C)* hará sonar una alarma*
2« El relé de secuencia negativa (figura 6-1)'* deberá operar pa-
ra una carga asimétrica del sistema! la presencia de corrientes a~
simétricas* se reflejan con la elevación de la temperatura en el -
generador»
Al no -operar el relé de secuencia negativa* será el dispositivo de
sobrecarga el que opere, dando una protección de respaldo* como se
indica en la figura 6-13A*
3« El relé de baja frecuencia (figura 6-7B) vigila al generador
cuando se halla sobrecargado* ya que la presencia de ésta tratará
de disminuir .-la velocidad* lo que detectará el relé*
Si un generador G- estaba entregando potencia al sistema? su sali-
da de éste, determinará que otro generador G2 absorva su potencia
dando origen a que se-sobrecargue! por éste proceso violento será
el relé de baja frecuencia el que lo detecta y luego será el 'dijs
positivo de sobrecarga*
As El relé de voltaje&frecuencia* protege al generador debido a u
na sobrexcitación.
5» El relé mho (figura 6-10) vigila en forma permanente el compor
tamiento del generador en su proceso de generar notencia* debiendo
el relé operar en caso de cortocircuito del campo y pérdida de exci
tación*
VI-1-20 Perdida súbita de carga
Si el generador está entregando potencia al -
sistema en su capacidad nominal» la pérdida de ésta? determina que
el. generador aparezca una sobrevelocidad y sobretensión» Debido a
la pérdida súbita de carga? tanto en el regulador de velocidad co-
mo el de tensión deben operar siendo necesario una protección eléc
trica como respaldo»
1» El relé de sobrefrecuencia (figura 6-7A)* deberá operar en -
•; - 95 -
caso de sobreyelocidad en la turbina*
2.a El relé de sobretensión (figura 6-8)operará para dos condicio-
ness
1* La unidad instantánea para el 140% de la tensión nominal*
2* La unidad de tiempo (8 segundos) para el 110% de la tensión
nominal»
En la figura 6-133* se' indica la forma como operarían los distin -
tos relés debido a la pérdida súbita de carga*
3» El relé de potencia inversa (figura 6-11)¡ debe operar para ba
jo caudal de agua con el objeto de evitar posibles cabitaciones y
vibraciones de los alabes de la turbinal siendo ésta una protección
de respaldo por pérdida de generación
VI«l-3e Cortocircuitos
La presencia de cortocircuitos internos en el -
generador son peligrosos9 razón por lo cual es necesario que la pro
tección sea sensible* selectiva y veloz» •
1* El relé diferencial a tierra (figura 6-12)? operará para corto-
circuitos entre espiras de una misma faseí debiendo tener un tiem-
po de operación pequeño (0*5 segundos)» para evitar que este corto-
circuito se convierta en una falla fase-tierra»
- 96 -
2 e La conexión del neutro a tierra a través de un transformador de
distribución* permite disminuir la corriente de falla fase-tierra*
siendo necesario un relé de sobretensión (figura 6-4) sensible para
operar en este tipo de falla*
En el caso de que el cortocircuito entre espiras se convierta en u-
na falla fase-tierra* será el relé de sobretensión la protección de
respaldo para el relé diferencial a tierra»
-•o
3* El relé diferencial porcentual (figura 6-2 'y 6-3)* deberá ope-
rar para cortocircuitos entre fases y a tierra* siendo 25% el máxi
rao desbalance de corrientes6 Para el presente caso no puede detectar
la corriente de cortocircuito fase-tierra*. por las pequeñas magni-
tudes de corriente que circularáne
4» El relé de secuencia negativa» será una protección de respal -
do frente a cortocircuitos asimétricos*
5e El relé de sobrecorriente (figura 6-6) necesariamente es una -
protección de respaldo frente a cortocircuitos exteriores del sis-
tema y para la protección del generador f como se indica en la figja
ra 6-130,
Ge oí ¿reltí U*- ^^'ceeoion cíe -contacto a tierra aei campo (figura 6-
9)f protege el generador por cortocircuito a tierra de la excita -
97 -
ción* dando una protección principal*
VI-2 Protección de la "Zona B"
Para.el presente análisis se indicará la forma como ope-
raría los distintos relés de protección en presencia de una falla
en la "Zona B"6
Será detectado tanto por el dispositivo de sobrecar-
ga del transformador (por lo general se calibra para una temperatu-
ra de 105 C) y por el dispositivo del generador, como se indica en
la figura 6-14A*
*2* Cortocircuitos Asimétricos •
En.el .lado de alta del transformador de potencia,
deberá ser detectado por el relé de protección del transformador* -
debiendo ordenar la apertura del interruptor D?.
- Como protección de respaldo debe operar el re-
lé de secuencia negativa, debiendo ordenar la apertura del interrup
tor D«e En la figura 6-14 B se indica la forma como operaría la piro
tección*
Una falla en él lado de" baja del transforma-
dor de potencia? debe operar la protección del generador y abrir el
interruptor D. •
3* Cortocircuitos .
La protección diferencial opera cuando existe un cor
tocircuito dentro de su zona de protección*
La práctica general es tener una protección diferencial en bloque -
esto quiere decir una protección" diferencial que cubre tanto el trans
formador como el generador y generalmente calibrado para el 10% de
desbalance de corriente (el relé diferencial aquí empleado es de al
ta velocidad y con retención de armónica)! siendo necesario también
una protección diferencial en el generador*
- En presencia de una falla en el lado de alta del transformador -
de potencia* deberá operar la protección diferencial en bloque y or
denar la apertura del interruptor D?0
La protección diferencial del generador no detectará la falla* siejn
do el relé de secuencia negativa primero y luego el relé de sobreco
rriente el que opere en caso de falla del relé de protección dife-
rencial en bloque* como se indica en la figura 6-14B*
- La presencia de una falla en el lado de baja del transformador -
w 90 _
de potencia? deberá operar la protección diferencial en bloque y co
mo protección de respaldo la protección diferencial del generador,
la cual dará la orden de apertura del interruptor D- y D *
¿u Las sobretensiones debido a descargas atmosféricas o de manió -
bras se descargarán a través del pararrayos del transformador 5 en -
caso de que la onda aparezca a los bornes del generador* será la -
protección del generador la que opere»
VI-3* Curvas de operación de .los relés
Los relés aquí utilizados han sido analizados en fun
ción de sus características y curvas de operación*
A continuación se indica las curvas de operación para cada uno de
los relés aquí utilizados para la protección y las curvas de coor-
dinación de la protección,,
-100-
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONALTESIS DE GRADO
Diseñodo-
Oioujado1
Revisado;iNf,. v.
Fecho:e/ 7G
ZONAS DE-PROTECCIÓN
Descripción^ j Fecho Por Aprobado pon Escola > Roforancia' L-14
R E V I S I O N E S Gráfico
-101-
Flg. 6-1 CURVA CARACTERÍSTICA DEL RELÉ DE - SECUENCIA NEGATIVA í Tipo COQ
2Q 3O JÓ SO 60CORRIENTE DE RESTRICCIÓN í Amperios)
Fig.6-2 CORRIENTE DE OPERACIÓNRELÉ DIFERENCIAL (Tipo CA)
O 1 g 5 A "* 6 t 8" V lo l| -f?..
BOSIWA DE OPERACIÓN DE CQRRIEÍÍTE
Fig.6.3 TIEMPO DE OPERACIÓN RELÉDIFERENCIAL ÍTípoCA)
-102-
200 40O 800 1200 1600
.VOLTAJE DE OPERACIÓN (%)
Fig.6-4 Curvo característica del relé Cíipo C V-8) sobretensión
-300-
R-200-
Ni
P^
-200 -too o 100 aso soo 400 5oo°c
. 6-5A Características de las resistencias de Platino yen función de la temperatura
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-104-
CURVA N9
i23
RfcLE A J U S T A 8 L E A CIERRE
1 I9V -6 I CICLOSI 1 5 V - 63 CICLOSI I 5 V - G 5 CICLOS
CURVA
I23
HELE AJUSTABLE
I I5V-55CICLOSM O V - 5 7 CICLOSi 15 V - 5 9 CICLOS
A CIERRE
64 65 66 67F R E C U E N C I A
54 55 56C I C LOS
Fíg 6-7A CURVA CARACTERÍSTICA DELRELÉ (Tipo IJF5IAJ
Fíg. 6-78 CURVA CARACTERÍSTICA DELRELÉ (Tipo IJF5IBÍ
TIEMPO DE OPERACIÓN DE LOS CONTACTOSPARA SOañEVOLTAJE
CALIBRACIÓN DE LOS CONTACTOSDE BAJO VOLTAJE EN %
L
T>S JjQS CONTACTOS E CIENTO
6-8 CURVA CARACTERÍSTICA DEL RELÉ OE TENSIÓN. (Tipo IAVSÍO) .
-105-
S oZi O.
* o
°" o
-1<
H >
O Q
O
o wQ. Í3
_r<iE
_JUl
100 IZO 14O
iQ 6-9 CURVA CARACTERÍSTICA DEL RELÉ DE DETECCIÓNA TIERRA DEL CAMPO. "(Tipo
Fig. 6-10 CURVA CARACTERÍSTICA DEL RELÉ MHO (Tipo CEH52A)
I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 U 12
=¡9:6-11 CURVA CARACTERÍSTICA. DEL RELÉ DIRECCIONAL DE
POTENCIA'(Tipo CRN-I)
' 20
10
oCL
-01 ,
2 . 3 4 5 6 B 10 20 30 40 6O 100 2CO .400SO 80 30O
MÚLTIPLOS DEL TAP
-12 CURVA CARACTERÍSTICA DEL RELÉ D1RECCIONÁL(Tipo CWC).
T..5 2 . 3 4 ..5__6J20.U.
0.7
0.6
05
~ 04
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FIG. . 6-13D
Duacri.pcton Fecho Por
R E V I S I O N E S
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONALTESIS DE GRADO
Diseñado*P. PAZ
Dibujado:
Revisado:ING. V. OREJUELA
Fecho íNoviembre/76
Aprobado pon
CURVAS DE COORDINACIÓN
DE LOS RELÉS PARA LA'ZONAA"
£ccala> Roferoncio'
Gráfico
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UJ
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200 400 600 800 XXX)
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Dfi3Cf ipcÍQn Pacho Por
R E V I S I O N E S
ESCUELA . POLITÉCNICA NACIONAL- , TESIS DE GRADO
Diseñado*-P. PAZ
OiUujodoi
Revisado:ir.'Cr .V. OREJUELA
Fecho-Novígmbre/7fi
Aprobó do por'
" C U R V A S DE COORDINACIÓN
DE LOS RELÉS PARA U'ZONAÉS
Escola'
Gráfico
Referencia!
do
L - I 4
- 109 -
" CAPITULO VII
ES PE C I F I C A C_I_0 N D E L E Q U I P O D E
P R O T E C C I O H
Para efectos del presente capítulo* la especificación del equipo a
utilizarse para el sistema de protección, eléctrica» se ha hecho en
base de las características más importantes dados por las diferen-
tes Normas? debiéndose anotar que en nuestro país las "Normas y Co
digo Eléctrico11 se encuentra en estudio 0
VII-1« Condiciones generales
1. Ubicación? La "Central Alluriquín" se instalará
bajo los 1000 metros sobre el nivel del mar;
siendo la temperatura media al día de 22 0$
El equipo aquí utilizado será diseñado para el BIL necesario y con
las respectivas correcciones para la altura en que deberá funció -
nar* para lo cual se tomará los respectivos factores de corrección
según las Normas* Las especificaciones aquí anotadas serán las mí
nimas aceptables» debiendo el fabricante indicar las posibles co-
rrecciones»
2* . Requerimientos constructivos^ Todas las partes
•; - 110 -
del equipo a utilizarse deben ser de construcción adecuada y que -
presten facilidad para desarmar* inspeccionar y montare Los mate-
riales aquí empleados se deben seleccionar en base a buenos mate -
riales usados en .equipos similares«
3* Normass Todos los requerimientos en lo que se -
refiere al equipo eléctrico y demás condiciones
que no se presten dentro de éstas "Especificaciones Tecanicas" de-
berán estar de acuerdo entre otras a las siguientes NORMAS?
- ANSÍ (AMERICAN NATIONAL STANDAR INSTITUTE)
- IEE (INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS)
-* NEMA (NATIONAL ELECTRICAL MANUFACTURES ÁSSOCIATION)
- IEC
Las normas aquí anotadas son las asumidas por INECEL en sus especi-
ficaciones técnicas! existiendo otras normas que satisfacen estos -
requerimientos y pero para el objetivo del presente trabajo se ha in
dicado las de mayor uso en nuestro medio* sin que implique exclusi-
vidad de cualquier otra norma similar.
VII-2. Equipo de protección
Interruptor
1* Numero requerido • 1 Tripolar
2t" Tipo¡ Interior» aire comprimido para
la extinción del arco* con todos los -
dispositivos necesarios para sus valo-
res nominales»
3« Usos Para conectarse entra el genera-
dor y el transformador de potencia*
4* Características nominales?
- Voltaje nominal 13*8 KV
- Máximo voltaje de diseño 15B0 KV
- Corriente continua 4000 A
- ' Capacidad de interrupción 20000 A (simétrico)
- Corriente momentánea 40000 A
~ Sistema de neutro: sólidamente puesto
a tierra
- Tiempo de interrupcións . 3 Ciclos
- Frecuencia ' 60 Hz
5* Características de construcción:
- El interruptor debe resistir los siguiejri
tes voltajes de prueba
Voltaje de impulso " 110 KV (1.5 x 40 LÜS)
- 112 -
— Debe poseer mecanismos para la operación a
distancia y accionados bajo cualquier posi^
ción ya sea manual o con telemando* debe -
estar equipado con lámparas para indicar -
la posición de abierto o cerrado;•con con
tactos auxiliares para la señalización des
de los tableros de controle
- Debe poseer todcfs los accesorios estándar
como son; placa de identificación? herra
mientas para el mantenimiento? terminal -
de puesta a tierra* etc.
2« Pararrayos
1B Numero requerido' 1 juego
2. Tipo válvula interior? monofásico* clase
estación
3* Usos Se conecta uno por fase* se utiliza
para proteger al generador contra -
sobretensiones* El sistema es trifa
sica con neutro a tierra.
4* Características nominales?
- Tensión nominal 12 KV
- Máxima' tensión' fase-fase 15 KV
- Voltaje dg descarga *0 KV (onda
- Frecuencia • 60 Hz
- 113
Voltaje de descarga 40 KV (corriente de des
carga de 5000 A*}
44 KV (corriente de des
carga de 10000 A*)
5* Características de construcción!
- El pararrayos debe soportar los siguientes volta,
jes de pruebas
Voltaje a 60 Hz
Voltaje de impulso
50 KV (1 minuto)
110 KV (1,5 x 40 /¿-s)
- Se debe suministrar a.cada pararrayos con sus
respectivos accesorios estándar*
Transformador de distribución
1» Numero de requeridos 1
2B Tipo OAs monofásico
3e Usos Se conecta al neutro del generador
4e Características nominales?
- Voltaje nominal 12 KV
- Clase de aislamiento 15 KV
- Frecuencia 60 Hz
- Capacidad continua . 10 KVÁ
5. Características de construcción!
- La temeratura no debe exceder de los siguien -
tes valores 'en condiciones normales de servi-
cios
En los devanados 55 C
En el aislante * 55 C
- Debe resistir los siguientes voltajes de prue-
bas
Voltaje a 60 Hz 17 KV (1 minuto)
Voltaje de impulso 110 KV (1*5x40 tts)
La relación de transformación será
Condensador de protección
la Numero requeridos 1 juego
2B Tipos Condensador de construcción especial para
protección» monofásico*
3 a Usos Para conectarse en paralelo al pararrayos
lo más cercano al generador y uno por fa-
se e Se utiliza para disminuir el frente
de onda»
. A¡ Características nominales?
- Voltaje' nominal: 13a8/ {3 KV
- Corriente nominal 4000 A*
- Frecuencia . 60 Hz
- Clase de aislamiento 15 KV
- Capacitancia . 0»25 micro faradios
Resistencia
1* Numero: . 1
2* Tipos resistencia de puesta a tierra
3É Usos Para protección contra contacto a tierra
del estator» se conecta al secundario -
del "transformador de distribución
4 o Características nominaless
- Voltaje nominal 0,22 KV
- Frecuencia ' 60 Hz
- Valor de la resistencia 1*06 ohmios
- Capacidad de disipación 10 Kw (en 1 minuto)
Transformador de corriente !
1* Numero requeridos 12
2& Tipos Barra pasante» para instalarse en el inte
rior* mónofásicof aislamiento de resina -
epoxi B
- 116 '-
3* Uso: Para protección
4, Características nominaless
• i- Relación de transformación
- Corriente nominal secundaria
- Frecuencia
- 'Clase de aislamiento
- Barden
- Clase de presición
800/1
5 A,
60 Hz
15H KV
8-4 y B-2
C800 (6 transformadores)
C200 (6 transfor;
madores)
56 Características de construcción:
- La temperatura no debe excederse de los valo-
res para condiciones norraaless
En los devanados
En el aislante
55°C
55°C
Debe resistir los siguientes voltajes de pruj2
baí '
Voltaje a 60 Hz 17 KV (1 minuto)
Voltaje de impulso 110 KV
Debe ser diseñado para soportar los siguientes
componentes de la corriente de cortocircuitos
- 117 -
Corriente térmica (Ith) 100l.Tfí
Corriente dinámica (Id) 2«51th
- Con todos los transformadores se debe suministrar
todos los accesorios estándar
7* Transformador de tensión
1 e Numero' 5
2* Tipos Para instalación en el interior» monofási -
coj aislamiento con resina epoxi* con fusi-
ble en el primario*
3* Usos Para protección
4* Características nominales:»
- Voltaje nomináis • 13 B8/ {~3 KV
- Clase de aislamiento 15H. KV
- Relación de transformación 13B8/ {~3/0812 KV
- Frecuencia 60 Hz
- Burden Y
5e Característica de construcción;
- La temperatura no debe exceder de los valores- a
condiciones normales de ¿servicios
En los enrollados 35 C
En el aislante • 55 C
- 118 - . •
- uebe resistir los siguientes voltajes de pruebas
Voltaje a 60-Hz 17 KV (1 miauto)
Voltaje de impulso 110 KV
-r Con cada transformador debe venir con sus respec
tivos accesorios estándar-.
- El transformador debe estar equipado con su ter-
minal apropiado para su conexión»
Tablero de protección
Los tableros de protección donde se colocarán los re-
lés de protección serán de lámina de acero con un es-
pesor no menor de 3*2 nú .5U (NORMA ANSÍ) laminado al
fr£o y pintado de color gris* ' Todo el alambrado de -
conexiones comunes cornos corriente continua» alarma*
sincronización» se debe hacer con cable aislados tam-
bién se debe proveer de juegos individuales de fusi -
bles para circuitos de -control de interruptores, re-
lés auxiliares» alarmas, etc*
La señalización será mediante lámparas semiempotrados
con cubierta blanca y letras gravadas con color negro»
La conexión se hará por la parte posterior, con los -
. 11Q .JL¿.<7
relés auxiliares atontados en el mismo gabinete»
Los anunciadores luminosos se deben proveer de un bo
ton para pruebas de los focos del tableros la alarma
acústica debe estar en el tablero y será una sola pa
ra los distintos anunciadores* .
El tablero de control en lo que se refiere a protec-
ción estará equipado con los siguientes relés de pro
teccions
9, Relés de protección
Los relés de protección deberán ser del tipo-semiem-
potrado para su montaje en los tableros de control |
su conexión se hará desde la parte posterior del ta-
blero y serán ubicados de tal manera para evitar po-
sibles vibraciones y una operación errónea» Los re-
lés permitirán su extracción sin la necesidad de des
conectar los cables y sin- abrir el circuito secunda-
rio de los transformadores de corriente <,
Los relés deberán tener los suficientes contactos p¿
ra su disparo» así como los contactos auxiliares que
se requiera*
~ 120 -
la parte frontal de .los relés tendrán una cubierta
transparente para permitir su chequeo y poseer un
dispositivo de señalización que consistiría de una
bandera con mecanismo de restauración desde el ex-
terior* • . .
RELÉ DE SQBRECQRRIENTE CON RETENCIÓN DE TENSIÓN (SIV)
Cantidad; 3
Tensión de operación de los contactos; 125 Y
Curva de tiempos inversa
Con bobina de .operación instantánea
Usos Como protección de respaldo
Similar al tipo COVS* ver Gráfico #7-1*
RELÉ DE SECUENCIA NEGATIVA (46)
Cantidad: 3
Tensión de operación de los contactos; 125 V
Corriente nomináis 5 A
Con bobina de operación instantánea y retardada»
Usos Como protección principal*
Similar al tipo COQ ? ver Gráfico// 7-2 *
T JLcl *"*
RELÉ DE TEMPERATURA (4'9)
Cantidads 9
Tensiaa de-operación; 220 VOC
Termoelement'os que operan para una temperatura de; 65 C
Uso: Como protección principal debida-a sobrecarga
Similar al de NÍQUEL (DIH 43760), ver Gráfico # 7-3,
RELÉ DIFERENCIAL PORCENTUAL (87G)
Cantidadt 3 . -
Tensión de operación de los contactos;. 125 V
Con bobina de operación instantánea
Calibrado para; el 25%
Usos Como protección principal
Similar al'tipo CA> ver Gráfico 7-4»
RELÉ DE SOBRETENSIÓN (59)
Cantidads 1
Tensión de operación de los contactos; 125
Con bobina de operación instantánea y retardada
Curva de tiempo; inversa
Uso: Como protección de respaldo
Similar al tipo IAV51D, ver Gráfico 7-5
- 122 -
RELÉ DE FALLA A TIERRA DEL ESTATOR (64G>
- Cantidadí 1
- Tensión ;de operación de los contactosí 220
- Con bobina de operación instantánea
- Usos Como protección principal
- Similar al tipo CV8, ver Gráfico 7-6*
RELÉ DE DETECCIÓN Á TIERRA DEL CAMPO (64F)
*- Cantidads 1
- Tensión operación contactos: 125
- Con bobina de operación instantánea
- Usos Como protección principal
- Similar al tipo DGF> ver Gráfico 7-7
RELÉ DE FRECUENCIA (8IG)
- Cantidads 1 de sobrefrecuencia y 1 de baja frecuencia
- Tensión de operación de los contactos: 125 V
- Con bobina de operación instantánea
- Usos Como protección cíe'respaldo
- Similar al tipo IJF51A* ver Gráfico 7-8
- 123 -
RELÉ Olí PE&HÚ& ÜH CAMPO <40)
- Cantidad* 2
- Tensión de operación! 125 V
- Con bobina de operación instantánea
- Usos Como protección.principal
- Similar al tipo CEH52A* ver Gráfico 7-9
RELÉ DIRECCIQNAL DE POTENCIA (37)
- Cantidad; .1
- Tensión de operación línea-linea y corriente de fases 125 V* 5 A,
- Con bobina de operación instatánea*
- Usos Como protección de respaldo
-• Similar al tipo CRN1, ver Gráfico 7-10 • '
RELÉ DIFERENCIAL A TIERRA (87N)
- Cantidad* 1
- Tensión dé operación de los contactos 125V
- Con bobina de operación instantánea
- Usos Como protección principal
- Similar al tipo CWC, ver Gráfico 7-12
-124-
Pos
Fig 7-1 CIRCUITO DE C O N E X I Ó N DEL R E L É DE S O B R E C O R R I E N T E ( t i poCOV) .
_2 USADO- ÚNICAMENTE CUAN153 /FvrEnt? PM n* POR untir
í
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¡ 1 I -\ £QQ \ \/~a~ - /WNJ-» " "V r.
QO LA CORRIENTE DE SECUENCIA CEROJAD. '
0 A U A C
- '
Fig. 7-2CIRCUITO D£ CONEXIÓN DEL RELÉ DESECUENCIA NEGATIVA ( f i p o COQ).
-125-
220
DETALLE^ -UBICACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS TÉRMICOS (49)
I TERMÓMETRO DE RESíSTE&JCIA.
?. HILO DE COBRE.
4 CONMUTADOR DE LUGARES DE MEDIDA.
5 INDICADOR.
O RESISTENCIA DE PRUEBA.
7 ALIMENTACIÓN,
7-3 CIRCUITO DE CONEXIÓN DEL DISPOSITIVO DE PROTECCIÓN TÉRMICA-
-126-
3
7-4 CIRCUITO DE CONEXIÓN DEL RcLE DIFERENCIAL ( t ipo C A Í ,
-127-
FÍQ. 7-5 CIRCUITO' DE CONEXIÓN DEL RELÉ DE VOLTAJE ( í ípoIAVSlA)
3V ¡-UMIDAD DE SOBRETENSIÓN
1 : 1 1
I
Fíg 7-6 CIRCUITO DE CONEXIÓN DEL RELÉ DE SOBREVOLTAJE £ H p o C V - B )
-128-
710
1 92
o-. O
uw¿-a<o<
Fig.7-7 CIRCUITO DE CONEXIÓN DEL REUE DE DETECCHON A TIERRA DEL CAMPO(tipo D,GF:J.
RESISTOR3 CAPACITOR EXTERNO
52TC
C-V
Fig.7-8 CIRCUITO DE CONEXIÓN DE REUE DE FRECUENCIA (tipo 2 J F 5 2 A Í
Fig.7-9 CIRCUITO DÉ CONEXIÓN DEL R'ELE DE MHO (t ipo CEH52A).
-130-
r.2.3
ti tí
ii-
Ar i.V
i - ¿
0 Tr-ll— ~TT^
ff-f- 0 f? 7— O-iMi- ^ -cri r-4-«<) — 1
Fig. 7-10 CIRCUITO DE CONEXIÓN DEL RELÉ DIREGCIONAL DE POTENCIA ífipo CRN-1)
BOBINA DIFERENCIAL ÍLOWER POLE)
,7-11 CIRCUITO DE CONEXIÓN DEL RELÉ DIRECCIONAL • /' T iA TIERRA í t í p o C W C J . 1^aiaattrL^^^^^«^^^^
- 131 -
C O N C L U S I O N E S Y R E C O M E N D A C I O N E S
Debido a que la Central Álluriquín será importante dentro del Siste-
ma Nacional Interconectado* el grado de confiabilidad debe ser ópti-
mo»
En el presente trabajo se ha hecho un análisis de varios tipos de re
les que puedan cumplir con las funciones deseadas> debiendo anotarse
que un estudio más exhaustivo implicaría un análisis económico entre
los equipos de las diferentes casas fabricantes, completándose con -
el criterio de la persona que diseñe los circuitos de protección pa-
ra escoger el más adecuado*
En la figura 8-1? se puede analizar para distintos tipos de falla el
uso del relé y el área de protección'que cubriría en presencia de -
una falla; así mismo se Índica el tiempo de operación de los relés,
VIII-1» Conclusiones
Las fallas más frecuentes en un generador sons'
1. Sobrecargast
La presencia de sobrecarga en el generador* se -
- 132 -
2. Cortocircuitos;
Dependiendo de la magnitud y'tiempo de duración
de la corriente de cortocircuito en el generador* puede producir -
daño y perforación del aislamiento en la máquina»
3* Sobretensiones s
Debido a sobretensiones> que puedan superar el
nivel "de aislamiento del generador* pueden producir el daño de es-»
te; por lo cual las protecciones básicas que debe tener un genera-
dor som
A« Protección por perdida de excitación
B* Protección por contacto a tierra del campo
Gfl Protección diferencial
D. Protección de contacto a tierra del estator y la conexión del
neutro del generador.
E. Protección por sobrecarga
F« Protección por sobre y baja frecuencia? así como de sobreten-
sión debido a pérdida súbita de carga; que seria protección -
de respaldo frente a otros dispositivos de protección*
- 133 -
YIII-2, Re come ndaelones
De las características de los generadores de la" Cen-
tral en estudio? del tipo de falla que se puede presentar y de las
características de los relés analizados» se recomienda que los ge-
neradores tengan los siguientes dispositivos de protección!
1* Relé térmico (49): Protege al generador contra fallas debidas
a sobrecargas y sobreteraperaturas*
2a Relé de secuencia negativa (46)$ Protege al generador debido
a sobrecarga asimétrica y como protección de respaldo deb^ do -
a cortocircuitos asimétricosa . .
3- Relé de falla a tierra del rotor (64F); Protege al circuito -
de excitación por contacto a tierra,
4a Relé mho (40): Protege al generador por pérdida de excitación'.
5a Relé de falla a tierra del estator (64G)s Protege al generador
contra fallas debido a contactos a tierra del estator-
6« Relé diferencial (87G)s Protege al generador contra cortocir-
cuitos internos en él*
- 134 -
7» E&Xe diferencial a tierra (87H)s Frotége al getteraaor contira
cortocircuitos entre espiras»
8. Relé de sobrecorriente (51V): Se utiliza como protección de
respaldo frente a cortocircuitos exteriores*
9« Relé dé frecuencia (81G); Se utiliza como protección de res-
paldo frente a una falla de operación del regulador de veloc¿
dad,
10. Relé de sobretensión (59): Se utiliza como protección de res
paldo frente a una falla dé operación del regulador de tensión,
11, Relé de potencia inversa (37)s Protege al alternador por ba-
jos flujos de agua* que puede ocasionar capitaciones y vibra -
ciones en los alabes de la turbina-
Debido a que el alcance del presente trabajo no contempla el estu-
dio del comportamiento de los 'generadores en presencia de una fa-
lla* se recomienda para estudios posteriores el análisis de las s¿
guientes condiciones?
1« El análisis del método más adecuado de puesta a tierra del neu
tro del generador*
- 135 -
2a Análisis de la protección diferencial para cortocircuitos in -
temos en el generador O cortocircuitos entre espiras»
3* Análisis de la protección y calibración de los.relés que pro te
jan al generador debido a una pérdida de excitación y la pérdi
da de sincronismo.
-136-
TIEMPC
EM8
Z O M A PROTEGIDA FALLA CUBIERTA
X 51 V CORTOCIRCUITO
49 SOBRECARGA
X 37
87G CORTOCIRCUITO EHTñE PA-3E3
0_
05
64 F A TIERRA DEL CAMPO
64G A TIERRA OEL ESTATOft
y40 PERDIDA DE CAMPO
46 ftoiMPToifl UNIDAD IASIMETRÍA ufíioAD 2
OIG SOBREVELOCIOAD
59 S03RE VOLTAJS ""ÜHi'DAD 1UNIDAD Z .
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- 137 -
ANEXO I
PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO DEL GENERADOR A TRAVÉS DE UN
* TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCIÓN
Con el propósito de disminuir el valor de la corriente de corto -
circuito fase-tierra de un generador, se conecta el neutro del ge
nerador a tierra a través de un transformador de distribución^ a-
sociada en su secundario de una resistencia! ya que la corriente de
cortocircuito producirá daños en las laminas del estator* dependien
do del tiempo de duración y magnitud*
Para la "Central de Alluriquín", se ha previsto la conexión del neu
tro del generador a tierra a través de un transformador-de distribu
ción* conectado en su secundario una resistencia que limita a valo-
res pequeños la corriente de cortocircuito fase-tierra y el valor -
máximo instantáneo de la tensión transitoria a tierra.
¡Debido a que en el "Estudio dé Factibilidad del Proyecto Toachi", -
que ha servido de base para el presente trabajo no existe dato algu
no de capacitancias'» se han asumido valores de capacitancia de gene
radores de potencia y características similares a los de la Central
Álluriquíns
•w- 138 -
A continuación se.hará el cálculo de la resistencia de puesta a tija
rra de los generadores en estudio;
1. Calculo de la capacitancia total por fases (Ver figura l)s
Xc - ' W fr' ~ 5 siendo: Xc = reactancia total por fase
f = frecuencia (para nuestro caso 60 Hz)
C = capacitancia total por fase
C = C- + Cn * C- 4- €„, | siendo; C - capacitancia de los bobinadosU O K • I U
del generador (valor asumido
.0*32 micro faradios)
C,. = capacitancia de la barra de -o
conexión entre -el generador y
el transformador (valor asumí
do igual 0,05 micro faradios)
Cp = capacitancia del capacitor de
protección (valor obtenido en
el punto 2-2-1» igual a 0*25
mi crofaradi os)
C_ - capacitancia de los bobinados
-139 -
cransfcmaador de
cia (valor asumido igual a
0.004 micro faradios)
C = 0.32 + 0*25 + 0*004 =
C = 08624 micro faradios
Xc =377'x 0.624 x 10"
Xc = 4250 ohmios
2» Calculo de la corriente de secuencia cero* para la falla fase.-
tierra y" siendo la tensión nominal del generador igual a 13.8
KVs
lo = KV
lo «
Xc
13.8
5 _ siendo; lo = corriente de secuencia cero
KV « tensión del generador fase-fase
{3 x 4250
lo « 1.87 A*
La corriente de falla ess
If = 3Io
If = 5862
- 140
4o ¿¿«i c&pn ciclad deX
KVA = KV x Ifí siendo; If = corriente total capacitiva que cir-
. cula por el transformador
i
KVA = capacidad del transformador de dis-
tribución, ' .
KVA =13,8 KV x 5*62 A*
KVA = 44,81 KVA
5» Calculo de la resistencia de puesta a tierras
- La relación de transformación en el transformador de distri-
bución ess
siendos
N »
N «
...13._8/ f?
0.22
relación de.transformación
tensión en el primario del trans
formador (13.
tensión en el secundario del
transformador (0,22 KV)
La corriente en el secundario üei transformador ess
Is = Nlfj siendo Is = corriente de falla en el secundario
Is = 36«2 x 5*62 «
Is = 205 A,
El valor de la resistencia ess
V2H = —~— s siendo: R •= resistencia de puesta a tierrais
R = J220_2.07
R = 1006 ohmios
Capacidad de disipación de la resistencia:
Kw « Is R = (205)2 x 1.06 «
Kw = 44*8 Kw '
6» Características del transformador de distribución!
- Un transformador de distribución puede estar sujeto a sobré
cargas momentáneas sin que afecten su vida promedio> como -
se puede analizar en la figura 1} por tanto» se puede aprovechar la
capacidad de sobrecarga de los transformadores*• que para el tiempo
- 142 -
de 1 minuto* la capacidad del transformador es de 4,762 menor a la
calculada»
Esto determina que se seleccione un transformador de distribución -
cuya capacidad sea 10 KVA continuos> que puede sobrecargarse hasta
47«62 KVA por .el tiempo de 1 minuto, sin que se-afecten las carac-
terísticas nominales ni su vida promedio»
- La tensión nominal primaria del transformador deberá ser a-
proximadamente 1 1/2 la tensión fase~nuetro| que para nues-
tro caso será igual a 12 KV* para evitar daños en el transformador
debido a los arcos a tierra*
7. Característica de la resistencia;
- A igual que para él transformador de distribución* la capa-
cidad de disipación de la resistencia se reduce a 10 KWpa-.
ra el tiempo de 1 minuto,
- En la referencia 19 (Libro de protecciones de Masón)» da la
fórmula para el cálculo de la resistencia, la cual la-utlljL
zaremos para demostrar y calcular el valor de la resistencia calcu-
lada en el punto 5¡
- 143 -
•u- __
_— . siendoi R = resistencia de puesta tierra3 ir
Xc = capacitancia total por fase
N- = relación de transformación -
del transformador de distri-
buciónt
R a 42503 x (13.8/0/ 0,22)2
R = 1.07 ohmios. (Valor anteriormente calculado).
II
REQURLADOR DE VELOCIDAD
La función primordial de un sistema de regulación» es mantener cons
tantamente el parámetro controlado» a pesar de-las perturbaciones -
que podrían actuar sobre el sistema.
Para la "Central Alluriquín" se asume el empleo de un regulador . -
eléctrico-hidráulicoí el mismo que debe reunir algunas característi^
cas especiales como sons
1* Sensibilidad*! Está en el orden de 0B01% para un-tiempo muerto
de 0.25 segundos* El tiempo de cierre a continuación calculado
es de 8 segundos? sin que este tiempo de cierre por pérdida sú-
bita de carga* sea peligroso produciendo sobrepresiones en la -
tubería de presión* .
2« Rangos: Dependiendo del equipo a utilizarse * los valores mas i!
suales están entre -3 Hz y 8 Hz*
De las características del regulador de velocidad depende la -
estabilidad de la máquina* A continuación .se hará una nomina -
ción de las principales partes del regulador de velocidad;
- 146 -
1« Generador de imanes permanentes! La regulación depende de
las variaciones de salida que son*
- Frecuencias 60 Hz
- Voltaje de salida: 125 V* .
- Potencia de salida: 100 VA*: La potencia que entrega el
el generador ess con dos fases de entrega potencia al -
detector de velocidad y la tercera fase al tacómetro y -
suiches de velocidad.
2* Equipo de regulación: Bajo ésta nominación se ha dad'o a to
do el equipo eléctrico que recibe señales para la operación
del regulador» los principales componentes son;
A. Detector de velocidad; Es un circuito L-C resonante» -
que produce voltaje y corriente proporcionales a la va-
riación de frecuencias
B« Ampli f i c a d o r . . .
C» Solenoides Recibe una señal amplificada del detector -
de velocidad; consiste en un dispositivo que transfiere
una señal eléctrica cuando hay un cambio de velocidad -
en la turbina
D* Caída de veloci4ad (Speed droop): Es un dispositivo que
se calibra para variaciones de velocidad» Para los ge-
neradores de la "Central Alluriquin" sus máquinas deben.$. ^
soportar el ~ 5% de la velocidad sincrónicas debiendo -
ser calibrado para este valor*
E« Dispositivo de amortiguamiento: Se utiliza para estabi
lizar los movimientos transitorios del sistema»
3» Equipo d'e Actuación: se ha dado esta nominación a todo 'el •
equipo mecánico que se utiliza para el control de la regula
ción»
Debido a pérdida súbita de carga* actúa el speed droop» ex-
perimentando un cierre de los alabes.
El cálculo de tiempo de cierre * debido a pérdida súbita de
carga, es "(BEF 29)s
i1B cálculo del momento de inercia normáis
2 132 . , _n „ , .^ » Ai:V'r" ' ? siendo* -GDVT = momento de inerciaN M 'l5 . N
normal
KVA = potencia nominal -
del generador
- 148 -
nn2 132 xí90000)(jU.T -
nica del alternador.
A/3.T - •' " o 'i "eN C450)2'15
= 1051 Tn-m2
2» Calculo del tiempo de cierre del regulador*
I—H1 « -— -i- -— ^ n + An ; siendo! H1 = sobrepresion máxima
• " permisible dé la tu
bería (para nuestro
caso es del 15%)
n = coeficiente propqr
cional a la sobre-
presion»
(H1)2 (0,15)2n " 1 + H1 " 1+ 0,15
n « 0,0196
LV ; siendos t = tiempo de cierre del regula*t = gHo (n) 1/2
dor en segundos
L = longitud de la tubería
149 -
V =¿ veloclaaü úel agua ea ia cu-
bería
g * gravedad
Ho '= presión del agua en el eje
de la turbina
7 x 1 • 1u 9.8 x G»7 x (0.0196)
t = 8 segundos
3» Calculo del momento de inercia, para el tiempo de cierre
de 8 segundos.
9364 (Kw) x (1 -i- m-fZr1 x (t + z/2)x m. (dn)
siendos GD = momento de inercia
Kw = potencia activa del genera-
dor
•¿ - tiempo muerto del regulador
(para nuestro caso se asume
igual a 0,25 segundos)"
NIC = velocidad de, embalamiento •
dn = sobrevelocidad(para nuestro
caso es del 40%),
R*coeficiente(para la turbina
Francis es igual a 0*85)
- 150 -
.GD^ g 364 (78000) (1 4- (M)?)'" U«12S)(0.78-0«OO X 0.83
4.50 x 4950 x 0.4 1.75
GD2 = 1400 Tn-m2
4* Relación de los momentos de "inerciaí
GD 1400 , , rt ' .. 1 - ^ ^ * .—- ~ .•--. « l«40j esta relación determina un incremen-GDj
to de peso del orden del 10X y menor
sobrepresión en la £ubería(REF 29)«
El diagrama de un regulador de velocidad de características similares
al aquí descrito ess
DIA
GR
AM
A
DE
B
LOQ
UE
S
DE
U
N
RE
GU
LAD
OR
D
E
VE
LO
CID
AD
É
LE
CT
RÓ
'-H
iDR
AU
UC
O
GE
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RA
DO
R
DE
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AJ
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TE
D
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Cfv
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- 151 -
ANEXO III
REGULADOR DjE TENSIÜN
iSe entiende como regulación de una máquina* a la variación que experi
menta la tensión en sus bornes cuando la carga se reduce desde el 100%
hasta cero; sin variar la corriente de excitación.
La variación de la tensión a los bornes de una máquina.se acostumbra
a expresar como* .
R% s- • siendo : Eo = Tensión a los bornes de la máV • *"""
. quina, cuando la carga se re-
duce a cero.
V * tensión nomináis
Generalmente se da la regulación de los alternadores para su carga to
tal (MVA), para distintos factores de potencia»
Para el cálculo analítico de la regulación de tensión» hay distintos
métodos» pero para nuestro caso aplicaremos el "Método de la Impedan
cia Sincrónica".
El método de la impedancia sincrónica* no es excata* debido a que la
f«e-.m. se considera proporcional a los flujos que se producen! a -
- 152 -
continuación se hace el cálculo para iotí aieex'xutdorett ue '¿a
Alluriquin" * para tener una- idea del rango de regulación.
Como se indica en la figura 1» la f* e* .nú Eo, es proporcional a la
corriente de excitación del campo.
1» Cálculo Eo:
Eo - j(V cosí* Ir)2* <Vsentf+ IXs)* '" síendo X " Corriente no
minal del gje
' nerador
R = Resistencia
del genera -
ddr (0,02 pú)
Xs « Reactancia -
del generador
0,91 pu)*
cos-í- factor de po-
tencia»
Se calcula Eb* para un factor de potencia igual a Is
Eo « \ (13.8 + O)2 -í- ( O + 3765x2,12xOa9l)2 =
Eo 15.6 KV
153 -
2* Cálculo de la regulación*
15-6 - 13,813.8
R% =13%
El regulador de tensión debe mantener siempre la tensión constante -
sean cuales fueren las condiciones de carga y factor de potencia»
El regulador de tensión siempre opera sobre la corriente de excita -
ción del campo y por consiguiente también sobre la potencia reactiva .
que proporciona los generadores»
Cuando el alternador trabaja en paralelo con una barra infinita (Sis
tema Nacional Interconectado) el cual impone su tensión, es recomen-
dable utilizar un regulador estático con compensación (ver figura 2).
Las características de un regulador estático de tensión* es conseguir
una repartición estable de potencia reactiva de los alternadores co-
nectados en paralelo, permitiendo una regulación estable.
Otra característica que debe reunir este tipo de regulador, es mante
ner constante la tensión a los bornes del generador cuando este se -
desconecta del sistema; y cuando la tensión del sistema aumente, el
regulador tienda a mejorar el factor de potencia*
• 1 5 4 -
Eo'CARGA
FIG. 1 DIAGRAMA FASORÍAL-DE UN GENERADOR SINCRÓNICO
o
,V2
MÍNIMA POTENCIA M A G N E T IV»VOLTAJE
DEPOSICIONES DEL ÓRGANO DE REGULACIÓNA-C-CARACTERÍSTICA ESTÁTICAO-E-COMPENSACIONA-B-CON SIGNA
f"
U I
M Á X I M AVo- \ j«VARfAC!ON DEL VOLTAJE DÉLA RED
c-c OMPE NSACIONV2 « VOLTAJE DE PRUEDA
FIG. 2 REGULADOR DE VOLTAJE ESlATfCO COMPENSADO
- 155 -
PROTECCIÓN DE GENERADORES (REF. 2'3j
POTENCIA DE . .
-^GENERADORES
PROTIJCCION^^- .
FALLA A TIERRA DEL ESTATOR!
DIFERENCIAL DEL GENERADOR
DIFERENCIAL EN BLOQUE(GEJN-TRANSF.)
CORTOCIRCUITO ENTRE ESPIRAS
SOBREVOLTAJE
BAJO VOLTAJE
SOBRECARGA
DESVALJkNCE
SOBRECpRRIENTE .
DIRECCÍON DE POTENCIA
SUPERVISIÓN DE EXCITACIÓN
FALLA Á TIERRA DEL CAMPO
PERDIDA DE CAMPOi
SOBREVELOCIDAD
0 - 4 MVÁ-
;. •
N '
•
N-E
0-T
' • N
.0
—
V-D
—
0
N-E
4-15 MVÁ
N
0
N '
—
N
0-T
N
0
0
N
—
íí
—
N
15-50 MVA
N
N
N
—
N '
0-T .
N
N
0
H
—
N
N
N
50-100 MVA
N
N
N
-
N
0-T
N
N .
N
N
N -
. N
N
N
ESPECIFICACIÓN*-N,- NECESARIO—.- NO NECESARIO
0*~ OPCIONAL
N-Efl- NECESARIO PARA CIERTAS CONDICIONES ESPECIALESV-D.- PARA TURBINAS A VAPOR O DIESEL0-T.- ÚNICAMENTE CUÁNDO EXITACION CON TYRISTORES
1.- INECEL.- "Estudio de factibilidad del Proyecto Toachi",
•Quito. 1975,
i
2«- WESTINGHOUSE ELECTRIC CORPORATION,- "Transmission and Dis .
tribution"» East Pittsburg-Pennsylvani U. S-« A* 1964*
39~ INECELs- "Sistema Nacional de Transmisión (Estudio de co£
tocircuito? Ano 1983)"> Quito? Junio 1976*
4.- ELECTRICAL STANDARS BOÁRD,- "Usa standart requeriments for
instrumenta transformers", U, S. Á8 1968,
5.r G» L* WILSONí Wfl KERBER8- "Proposed temperatura standards
for synchronous machines" (IEEE TRANSACTION 1975)*
6a- WESTINGHOUSE ELECTRIC COHPORATION.- "Applied protective -
relaying11 > Newark New Jersey U« Se A» 1964»
.7.- INECEL.- "Proyecto íisayambo (Central Pucura)11 Quito, -
1971*
8«- J. D, DICKINSON, JHONN SKOOGLUND*- "Operation and Protec -
tion of large steam turbine generators under abnormal^
tions"* (IEEE Transaetion), U» S, A. 1968.
9,- J. BERDY* P. G» B80WN,- "Protection of sinchronous generator
during urabalanced system condittions"9 (Western protective re
lay conference spokane Washington)f U» S« A* 1975*
10*- JHONN BERDYfl- "Loss of exitation protection for modern sinchr£
nous generators» (IEEE Transactios) U, S« A. Sept/0cta 1975.
110- J, C, KOEPRINGEP,- "The influence of generator loos o£ exita-
. tion on Bulk Power System reliability? (IEEE Transaetion)
Ue S* A. Sept/Oct. 1975.
12»- UNITED STATES DEPARTAMENT INTERIOR BUREU OF RECLAMATION
(DESIGNS STANDART Nofl ) s- "Turbines and Puraps" , U^ S8 A. -
1971.
13,- N. D» ENGEBRESTON, J. R. BOYLE.- "Protective Relaying for -
Punped Hydro Units Rotating Machinery Protection Subcomittee
• of the IEEE Power System Relaying Coramitte"o IEEE Transac -
tions? May/June 1975• .
ING9 GUERRERO.- "Cuadro de Operación de la Central Pucará",
INECEL, Quito» Julio 1975. .
— TTT.A JL4.
15,- IMG, JULIO JURADO.-. "Protecciones" (poligrafiados), Escue-
la Politécnica Nacional" Quito* 1975,
16«- ENRIQUEZ HARPER.- ' "Instroduccion al Análisis de los Siste-imas de Potencia» Limusa-Wiley> México 1972,
17.- BUCHHOLD-HAPPOLDT.- "Centrales y Redes Eléctricas"» Edito
rial Labor Reimpresión? España. 1971.
18,- LANGSDORF-.- "Teoría de las máquinas de Corriente Alterna",
España» 1967B . -.
19.- MASÓN RUSEELL,- "El Arte y Ciencia de la .Protección por Re
levadores"f Wiley & Sons, Ince U* S« A* 1967.
20.- A. R* VAN C. WARRIGTON.- "Protective Relays"
21.- GENERAL ELECTRIC..- Catálogos •
22.- WESTINGHOUSE ELECTRIC CORPORATION, "Catálogo de Relés"*
23.- BROWN BOVERI &.COMPANY.- "Catálogos",
24,- ENGLISH ELECTRIC COMPANY*- "Catálogos".
- IV -
rations on Power Systems Equipment", Southeastern Electric
Exchange* Beloxi Missippi* U, S. A* 1967*
26,- W, W, LEWIS.- "The Protection of Transraission Systems Against
Lightning", Dover Publication* New York• 1965,
27*~ ING* V. OREJUELA*- Apuntes Personales.>
28.- CHARLES R* ARNT AND McCLENNOH ROGERS.- "A Study of Loss-of-
Excitation Relaying and Stability of a 595 MVÁ Generator -on .
the Detroit Edison System", IEEE Transactions* Sept/Octb. '-
1975.
29.-- ING* FERNAHDEZ*- Apuntes de la materia de "Centrales Hidrau
licas"* 1976*
