Instituto Tecnológico de Puebla
Materia: PROYECCIONES A SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA
Ing. Eléctrica
Nombre: Cuchillo González Marcos
VISIÓN
informar sobre los tipos de protecciones de potencia así como su funcionamiento y como están constituidos cada elemento, para la proteccion de los transformadores y generadores, para poder evitar daños en cada uno de ellos.
Misión
aplicando el conocimiento que se adquirio en materias como instalaciones industriales, modelado de sistemas electricos de potencia, maquinas sincronas.
para ver mas a fondo el funcionamiento de un TC o TP y las protecciones que lleva un generador su simbologia de cada proteccion y su funcionamiento, colocacion y diseño.
Tarea 1
Estructura y funcionamiento
El electroimán hace bascular la armadura al ser excitada, cerrando los contactos dependiendo de si es N.A o N.C (normalmente abierto o normalmente cerrado). Si se le aplica un voltaje a la bobina se genera un campo magnético, que provoca que los contactos hagan una conexión. Estos contactos pueden ser considerados como el interruptor, que permite que la corriente fluya entre los dos puntos que cerraron el circuito.
El electroimán hace bascular la armadura al ser excitada, cerrando los contactos dependiendo de si es N.A o N.C (normalmente abierto o normalmente cerrado). Si se le aplica un voltaje a la bobina se genera un campo magnético, que provoca que los contactos hagan una conexión. Estos contactos pueden ser considerados como el interruptor, que permite que la corriente fluya entre los dos puntos que cerraron el circuito.
Fusibles
Es una práctica común
reemplazar los fusibles, sin saber el motivo por el cual este se “quemó”, y
muchas veces el reemplazo es por un fusible de valor inadecuado.
Los fusibles deben
de tener la capacidad de conducir una corriente ligeramente superior a la que supuesta-mente se dé “quemar”. Esto con el propósito de permitir picos de
corriente que son normales en algunos equipos.
Los picos de corriente son
valores de corriente ligeramente por encima del valor aceptable y que dura muy poco tiempo. Hay
equipos eléctricos que piden una gran cantidad de
corriente cuando se encienden (se ponen en ON). Si se pusiera un fusible que permita el paso de esta corriente,
permitiría también el paso de corrientes causadas por fallas “normales” que
harían subir la corriente por encima de lo normal. En otras palabras: el circuito no queda protegido.
Fusibles de potencia SMD®
Los fusibles de potencia SMD son
especialmente adecuados para proteger transformadores, bancos de condensadores
y cables en subestaciones de distribución en exteriores hasta 34.5 kV.
Incorporan elementos de fusibles de plata o níquel-cromo de precisión no
deteriorables con características de tiempo-corriente excepcionalmente precisas
que aseguran no sólo un rendimiento fiable, sino también una continua
confiabilidad de los planes de coordinación de sistemas.
Con los fusibles de potencia SMD,
los dispositivos del lado de la fuente se pueden configurar para una operación
más rápida que la práctica con otros fusibles de potencia o disyuntores,
brindando así una mejor protección del sistema sin comprometer la coordinación.
Características
Los fusibles
de potencia SMD-20, de 200 amperios continuos, utilizan unidades de fusibles
SMU-20. Estas unidades de fusibles están disponibles en una variedad de
capacidades de amperaje, en cinco velocidades diferentes: "K" de
S&C, estándar, lenta, muy lenta y "DR". Proporcionan capacidades
de interrupción de hasta 14,000 amperios simétricos a 60 Hz.
Los fusibles
de potencia SMD-40, de 400 amperios continuos, utilizan unidades de fusibles
SMU-40. Estas unidades de fusibles están disponibles en una variedad de
capacidades de amperaje, en cuatro velocidades diferentes: "K" de
S&C, estándar, lenta, muy lenta. Proporcionan capacidades de interrupción
de hasta 25,000 amperios simétricos a 60 Hz.
La amplia
selección de capacidades de amperaje y velocidades permite una fusión con menos
tolerancia para alcanzar la máxima protección y una óptima coordinación. Los
fusibles de potencia SMD-20 y SMD-40 se fabrican de acuerdo al sistema de
calidad con certificación ISO9001:2000.
Interrupción de falla
Una
interrupción de falla rápida y positiva se consigue en las unidades de fusibles
SMU-20 y SMU-40 mediante la elongación de alta velocidad del arco en el barreno
revestido de material sólido y por la eficiente acción desionizante de los
gases generados a través de una reacción térmica del material sólido debido al
calor del arco confinado. La tasa resultante de alta tensión dieléctrica de
recuperación más que iguala la gravedad de la recuperación transitoria de
voltaje del circuito.
Cómo
funciona:
A.
La
sobrecorriente funde el elemento fusible, como se muestra a continuación. El
alambre tensor se volatiliza iniciando el arco eléctrico.
B.
La
fuerza liberada del resorte empuja la varilla de arqueo hacia arriba, causando
una rápida elongación del arco en el barreno revestido de material sólido. Bajo
condiciones de falla máxima, el calor del arco confinado hace que
el material sólido en la sección inferior de gran diámetro en la cámara de
extinción del arco sufra una reacción térmica, generando así gases turbulentos
y agrandando el diámetro de la apertura, de modo que la energía del arco sea
expulsada con poco escape al exterior. Bajo condiciones de falla baja a
moderada, el arco es extinguido en la sección superior de diámetro
pequeño de la cámara extintora del arco, donde los gases de acción desionizante
efectivamente se concentran para lograr una extinción eficaz del arco.
C.
El
recorrido continuo hacia arriba de la varilla de arqueo luego de la extinción
del arco provoca que el pasador de accionamiento penetre en el sello superior,
iniciando la desconexión de la unidad fusible.
Unidades fusibles SMU - Elemento fusible
Las unidades
fusibles SMU utilizan elementos de plata o de níquel-cromo pretensionados y
sensibles a la corriente que son trefilados a través de dados de precisión para
lograr diámetros muy exactos. Están construidos sin soldadura y fijados a sus
terminales con soldadura amarilla. Las características de fusión
tiempo-corriente son precisas, con una tolerancia total de sólo 10% en la
corriente de fusión, en comparación a la tolerancia de 20% de muchos fusibles.
Estas
características de diseño y construcción garantizan que las unidades fusibles
SMU se ajusten a sus características de tiempo-corriente de manera sostenida.
Las unidades fusibles SMU son resistentes a la corrosión y no se deterioran. Ni
la antigüedad, ni la vibración ni las sobrecorrientes que calientan el elemento
hasta casi el punto de fusión pueden afectar sus características.
La no
deteriorabilidad de las unidades fusibles SMU proporcionan las siguientes
importantes ventajas:
§ Protección superior
para transformadores. Permite fundir cerca
de la corriente a carga plena del transformador y proporcionar así protección
contra una amplia gama de fallas del lado secundario.
§ Mayores niveles de
continuidad en el servicio. Se eliminan las
operaciones no deseadas de los fusibles ("sneakouts").
§ Estrecha coordinación
con otros dispositivos de protección. No hay necesidad de
aplicar "zonas de seguridad" ni "tolerancias de retroceso"
a las características de tiempo-corriente publicadas para evitar que el
elemento se dañe.
§ Ahorros operativos. No hay necesidad de
reemplazar los fusibles contiguos que no actuaron por sospecha de daño tras una
operación del fusible.
Manejo de fusibles
 |
6K
hasta 200K, 10E hasta 200E, y 10DR hasta 20DR
|
 |
1 amperio
|
 |
| 3K, 5E y 7E |
Manejo de fusibles
Unidades de fusibles de apertura
y cierre
Los fusibles
de potencia SMD-20 están equipados con ganchos de fijación para la interrupción
de carga universal con Loadbuster®, la herramienta
portátil para apertura con carga de S&C. Los fusibles de potencia SMD-40
están disponibles con ganchos de fijación opcionales para el seccionamiento de
carga plena en vivo con Loadbuster®.
Los fusibles
de potencia SMD-20 y SMD-40 no se deben abrir cuando estén bajo carga sin el
uso de Loadbuster.
Instalación y retiro de unidades
fusibles
Las unidades
fusibles SMU-20 pueden instalarse y retirarse de sus montajes usando una
pértiga universal con un gancho Talon™, punta de distribución o punta de estación de
S&C. Las unidades fusibles SMU-40 pueden instalarse y retirarse de sus
montajes usando una pértiga universal equipada con pinzas grandes.
Interrupción de fusible de potencia SMD-20 estilo
para punta de poste aéreo usando Loadbuster.
Seccionadores
Chasis Todos los elementos constitutivos del seccionador
están montados sobre un chasis sólido de lámina de fierro de 4 mm de espesor.
Sobre este chasis se encuentran los aisladores soporte de los contactos fijos y
móviles, así como los aisladores de las bases portafusibles. Esta constitución
unitaria garantiza el correcto alineamiento de los fusibles y la invariabilidad
de la distancia “e” (ver plano de dimensiones) Aisladores De resina epóxica
CICLOALIFATICA de larga línea de fuga. Los aisladores superiores, que soportan
los contactos fijos, tienen un conducto que permite el flujo del aire para la
extinción del arco eléctrico.Sobre pedido con extensores de línea de fuga.
Contactos móviles y fijos Los contactos móviles están formados por perfiles de
cobre electrolítico (dos por polo) que garantizan gran rigidez mecánica. Los
contactos móviles tienen además un juego de contactos auxiliares los cuales
realizan el trabajo de ruptura de arco eléctrico con la ayuda de un fuerte
soplo de aire que se describe más adelante. Sistema de extinción del arco
eléctrico La extinción del arco eléctrico, que se produce durante la maniobra
de apertura entre contactos auxiliares y fijos, está garantizada por lo
siguiente: Ø Alta velocidad de apertura de los contactos móviles. Ø Forma
especial de los contactos auxiliares, Ø Soplado enérgico de aire que circula a
través de los contactos fijos. Para este efecto el seccionador cuenta con tres
cilindros independientes, de acero inoxidable, provistos de pistones cuyo
movimiento se realiza por medio de un sistema de transmisión acoplado los ejes
principal y de contactos móviles. El seccionador de potencia ELECIN-FELMEC es
un aparato de maniobra tripolar, de apertura y cierre a plena carga, para
montaje interior, con mecanismo de mando independiente de la fuerza del
operador, equipado con sistema de extinción del arco mediante soplo de aire.
Montaje en celda Los seccionadores de potencia tipo SpaI- A o B pueden
instalarse de forma frontal, o lateral en un celda. Montaje frontal: posee una
palanca que se instala sobre el frente de maniobra de la celda. Montaje
lateral: La operación es directamente sobre el eje del seccionador. Mecanismos
de mando Pueden ser de dos tipos: Tipo A: Tiene un solo resorte el que se carga
y se descarga durante la operación de cierre o de apertura Tipo B: Tiene dos
resortes, uno para el cierre y el otro para la apertura el cual se carga
durante la operación de cierre. El seccionador de potencia con mecanismo tipo A
se utiliza como elemento de seccionamiento y no dispone de sistema de
desconexión a la fusión de los fusibles. El seccionador de potencia con
mecanismo tipo B se utiliza generalmente en celdas de llegada y dispone de un
sistema de desconexión a la fusión de cualquiera de los fusibles. Puede ser
dotado de una bobina de desconexión.
Montaje en celda Los seccionadores de potencia tipo SpaI-
A o B pueden instalarse de forma frontal, o lateral en un celda. Montaje
frontal: posee una palanca que se instala sobre el frente de maniobra de la
celda. Montaje lateral: La operación es directamente sobre el eje del
seccionador. Mecanismos de mando Pueden ser de dos tipos: Tipo A: Tiene un solo
resorte el que se carga y se descarga durante la operación de cierre o de
apertura Tipo B: Tiene dos resortes, uno para el cierre y el otro para la
apertura el cual se carga durante la operación de cierre. El seccionador de
potencia con mecanismo tipo A se utiliza como elemento de seccionamiento y no
dispone de sistema de desconexión a la fusión de los fusibles. El seccionador
de potencia con mecanismo tipo B se utiliza generalmente en celdas de llegada y
dispone de un sistema de desconexión a la fusión de cualquiera de los fusibles.
Puede ser dotado de una bobina de desconexión. Fusibles Los fusibles son parte
integrante de un seccionador de potencia que posea bases portafusiles
integradas (tipo SpaI-B). La selección de los fusibles debe ser adecuada cuando
se trata de utilizarlos como medio de protección de un alimentador (salida de
una subestación de distribución) o de un transformador. En ambos casos los
fusibles sólo se aplican como protección contra sobre corrientes
(cortocircuitos). Cuando se trata de un alimentador es recomendable observar
que la corriente nominal del alimentador no supere el 70/80 % de la corriente
nominal del fusible. Cuando se trata de proteger transformadores, los fusibles
deben seleccionarse con una corriente nominal del orden del 150 al 200 % de la
corriente nominal del transformador (conviene observar las recomendaciones del
fabricante de los fusibles - Ver tabla referencial en este folleto); la regla
general a seguir es: Los fusibles debe seleccionarse de manera que; a) no se
quemen con la corriente de inserción del transformador; b) actúen cuando la
falla ocurre en el primario del transformador; c) cuando la falla es en la
barra de baja tensión o en una salida, debe actuar primero el interruptor de
protección ya sea el principal y el de la salida correspondiente. Normas IEC
265, 298, 694, 62271 Aplicación en Subestaciones de Usuarios El seccionador de
potencia ELECIN-FELMEC es el aparato preferido como el más económico y
confiable elemento de maniobra y protección principal en Subestaciones Eléctricas
de usuarios finales. Usualmente y por limitación de los fusibles son
aplicables, de forma holgada, para proteger transformadores de hasta 2000 KVA
(en 10 KV), 3000 KVA (en 22.9 KV) y 4000 KVA (en 33 KV) Poder de cierre Una de
las características a considerar cuando se selecciona un seccionador de
potencia, es el denominado Poder de Cierre, cuyo efecto se manifiesta cuando el
seccionador se cierra estando el sistema en cortocircuito. Ante tal ocurrencia
los efectos son dos: a) térmicos para los cuales el seccionador debe estar
capacitado de soportar y b) dinámicos, para los cuales el seccionador también
debe está capacitado. No obstante, si se trata de seccionadores de potencia
dotados de fusibles limitadores (como el tipo SpaI-B), la corriente de pico del
cc no es alcanzada pues es cortada por dichos fusibles. A este respecto ver la
Nota 1 al final de este folleto. Protección contra sobrecargas y contra fallas
a tierra El seccionador de potencia ELECIN-FELMEC puede ser aplicado como
elemento de protección contra sobrecargas y contra fallas de puesta a tierra
mediante la adición de una bobina de desconexión la cual recibe la señal del
relé correspondiente. No obstante, se debe tener cuidado de una correcta
selectividad con los fusibles.
Apartarrayos.
Descripción: El
apartarrayos es un dispositivo que se encuentra conectado permanentemente en el
sistema, opera cuando se presenta una sobretensión de determinada magnitud,
descargando la corriente a tierra. Su principio general de operación se basa en
la formación de un arco eléctrico entre dos explosores cuya operación está
determinada de antemano de acuerdo a la tensión a la que va a operar. Su
principal elemento activo son los varistores de óxido metálico cuya
característica principal es su no linealidad. Cuando está trabajando a voltaje
nominal, la corriente que fluye a través de este es de aproximadamente 1 mA. A
medida que el voltaje aumenta, su resistencia disminuye drásticamente,
permitiendo que fluya más corriente y que la energía del sobrevoltaje se drene
a tierra. Dicho dispositivo nos permite proteger las instalaciones contra
sobretensiones de tipo atmosférico. Se fabrican diferentes tipos de
apartarrayos, basados en el principio general de operación; por ejemplo: los
más empleados son los conocidos como “apartarrayos tipo autovalvular” y
“apartarrayos de resistencia variable”. El apartarrayos tipo autovalvular consiste
de varias chapas de explosores conectados en serie por medio de resistencias
variable cuya función es dar una operación más sensible y precisa. Se emplea en
los sistemas que operan a grandes tensiones, ya que representa una gran
seguridad de operación. El apartarreyos de resistencia variable funda su
principio de operación en el principio general, es decir, con dos explosores, y
se conecta en serie a una resistencia variable. Se emplea en tensiones medianas
y tiene mucha aceptación en el sistema de distribución. La función del
aparterrayos no es eliminar las ondas de sobretensión Presentadas durante las
descargas atmosféricas, sino limitar su magnitud a valores que no sean
perjudiciales para las máquinas del sistema. Las ondas que normalmente se presentan
son de 1.5 a 1 microseg. (Tiempo de frente de onda). La función del
apartarrayos es cortar su valor máximo de onda (aplanar la onda). Las
sobretensiones originadas por descargas indirectas se deben a que se almacenan
sobre las líneas cargas electrostáticas que al ocurrir la descarga se parten en
dos y viajan en ambos sentidos de la línea a la velocidad de la luz. Los
apartarrayos protegen también a las instalaciones contra descargas directas,
para lo cual tiene un cierto radio de protección. Para mayor seguridad a las
instalaciones contra las cargas directas se instalan unas varillas conocidas
como bayonetas e hilos de guarda semejantes a los que se colocan en las líneas
de transmisión. La tensión a que operan los apartarrayos se conoce técnicamente
como tensión de cebado del apartarrayos. El condensador se emplea como filtro
con los apartarrayos de los generadores. Los apartarrayos se emplean para
limitar las sobretensiones que se producen por acción tanto de efectos
transitorios (sobretensión debida a operación de interruptores) como de
descargas atmosféricas a niveles en los que los aislamientos del equipo no
sufran deterioro, así como para asegurar la continuidad del servicio al
presentarse dichas sobretensiones. Cada apartarrayos se encuentra normalmente
abierto y se encuentra calibrado para que a partir de cierta tensión entre
línea y tierra se cierre automáticamente y filtre los frentes de onda. Esto de
hace con un circuito de resistencia variable, con tensión, de los elementos
dependiendo de la naturaleza de éstos. Al desaparecer la sobretensión el
apartarrayos vuelve a la posición de abierto. Deben instalarse apartarrayos en
plantas industriales, especialmente en lugares donde las tormentas son
frecuentes y de gran intensidad. Su instalación, tanto para proteger al equipo
de la subestación como al equipo de utilización, puede hacerse tanto en el
exterior como en el interior del local que contiene al equipo que se va a
proteger, tan cerca de éste como sea factible, tomando en cuenta que deben estar
fuera de pasillos y alejados de otro equipo, así como de partes combustibles
del edificio. Además, deben resguardarse, ya sea por su elevación o por su
localización, en sitios inaccesibles a personas no idóneas, o bien, protegidos
por defensas o barandales adecuados. Objetivo: el apartarrayos es un
dispositivo que nos sirve para eliminar sobrevoltajes transitorios de las líneas
de distribución eléctrica. Estos sobrevoltajes se producen por descargas
atmosféricas sobre las líneas o por cambios repentinos en las condiciones del
sistema (como operaciones de apertura/cierre, fallas, cierre de cargas, etc.).
Clases o categorías: ·
Bajo voltaje. ·
Clase distribución. ·
Clase intermedia. ·
Clase estación. ·
Para línea de transmisión.
PARARRAYOS.
Descripción: Los pararrayos o puntas de descarga son
dispositivos de protección para la subestación y de toda la instalación en
general contra descargas atmosféricas. Consisten en una varilla de material
conductor con terminación en punta. Estas varillas se conectan a la red de
tierras. El método de los pararrayos es que al existir descargas en la
atmósfera, proporcionarles un camino de muy baja impedancia a fin de que se
garantice que en caso de ocurrir una descarga, ésta se vaya a tierra a través
de las puntas y no a través de otros elementos en donde pudieran ocurrir
desgracias que lamentar. Un pararrayos es un instrumento cuyo objetivo es ionizar
el aire circundante para atraer un rayo. Al incidir el rayo sobre el
pararrayos, este dirige la energía hacia el sistema de puesta a tierra (SPT)
por medio de las bajadas. Objetivo: evitar que el rayo cause daños a
construcciones o personas. Clases o categorías: existen 2 tipos de pararrayos:
ionizantes pasivos o semi-activos. Los pararrayos ionizantes pasivos son las
puntas simples o Franklin (PSF) . Los pararrayos semiactivos son los pararrayos
con dispositivo de cebado (Punta Dipolo Corona).
El hilo de
Guarda
Definición
Los cables de guarda instalados en las líneas de alta tensión, son cables sin tensión que se colocan en la parte más alta de las redes de alta tensión, se conectan a la misma estructura metálica en cada torre y sirven para varios motivos
Sistema de protección por hilo de guarda
Los hilos de guarda de estaciones y líneas desempeñan funciones importantes:
Proteger las líneas aéreas contra descargas atmosféricas, siendo su objetivo primordial
Reducir la tensión inducida en la línea aérea por los rayos que caen en la cercanía
Proteger los conductores de fase, absorbiendo las cargas atmosféricas
Reducir la acción devastadora del rayo descargado directamente en la línea aérea.
Reducir el efecto de la corriente de cortocircuito y participando por lo tanto en la disminución de la resistencia de tierra y disminuyendo las tensiones de paso que puedan poner en peligro a las personas o los animales.
Agenda
Definición
Origen del Hilo de Guarda
Niveles de Tensión
Incidencia en las fases protegidas a la hora de producirse una descarga
Configuraciones
Que pasa en el Hilo de Guarda al ser impactado
Comunicaciones por medio del Hilo de guarda
Conductores usados
Norma del Código Eléctrico Nacional Referente al Hilo de Guarda
Comunicación por Medio del Hilo de Guarda
El cable de guarda de fibra óptica, es la mejor solución técnica para la transmisión digital dadas la buena protección del cable y la alta disponibilidad del sistema que puede obtenerse.
Conductores Usados para Hilo de Guarda
El cable de guarda Alumoweld proporcionan los mejores medios para obtener la máxima protección contra las descargas eléctricas. Ellos combinan conductividad, resistencia a la corrosión y alta carga de rotura, todas características necesarias para dicha protección.
Código Eléctrico Nacional respecto a la protección (Hilo de Guarda)
El código eléctrico nacional establece en el capítulo 2 sección IX, Protección de sobre corriente mayor de 600 V, nominal: ubicación y tipo de producción. los conductores de alimentadores y de circuitos ramales tendrán un dispositivo de protección de sobre corriente en cada conductor activo ubicado en el punto en el cual el conductor recibe la alimentación o en un sitio alterno en el circuito cuando se diseña bajo supervisión de ingeniería, la cual incluye pero no se limita a considerar los estudios apropiados de estudio de fallas y el análisis de los dispositivos de protección y las curvas de daño del conductor.
Definición
Los cables de guarda instalados en las líneas de alta tensión, son cables sin tensión que se colocan en la parte más alta de las redes de alta tensión, se conectan a la misma estructura metálica en cada torre y sirven para varios motivos
Sistema de protección por hilo de guarda
Los hilos de guarda de estaciones y líneas desempeñan funciones importantes:
Proteger las líneas aéreas contra descargas atmosféricas, siendo su objetivo primordial
Reducir la tensión inducida en la línea aérea por los rayos que caen en la cercanía
Proteger los conductores de fase, absorbiendo las cargas atmosféricas
Reducir la acción devastadora del rayo descargado directamente en la línea aérea.
Reducir el efecto de la corriente de cortocircuito y participando por lo tanto en la disminución de la resistencia de tierra y disminuyendo las tensiones de paso que puedan poner en peligro a las personas o los animales.
Agenda
Definición
Origen del Hilo de Guarda
Niveles de Tensión
Incidencia en las fases protegidas a la hora de producirse una descarga
Configuraciones
Que pasa en el Hilo de Guarda al ser impactado
Comunicaciones por medio del Hilo de guarda
Conductores usados
Norma del Código Eléctrico Nacional Referente al Hilo de Guarda
Comunicación por Medio del Hilo de Guarda
El cable de guarda de fibra óptica, es la mejor solución técnica para la transmisión digital dadas la buena protección del cable y la alta disponibilidad del sistema que puede obtenerse.
Conductores Usados para Hilo de Guarda
El cable de guarda Alumoweld proporcionan los mejores medios para obtener la máxima protección contra las descargas eléctricas. Ellos combinan conductividad, resistencia a la corrosión y alta carga de rotura, todas características necesarias para dicha protección.
Código Eléctrico Nacional respecto a la protección (Hilo de Guarda)
El código eléctrico nacional establece en el capítulo 2 sección IX, Protección de sobre corriente mayor de 600 V, nominal: ubicación y tipo de producción. los conductores de alimentadores y de circuitos ramales tendrán un dispositivo de protección de sobre corriente en cada conductor activo ubicado en el punto en el cual el conductor recibe la alimentación o en un sitio alterno en el circuito cuando se diseña bajo supervisión de ingeniería, la cual incluye pero no se limita a considerar los estudios apropiados de estudio de fallas y el análisis de los dispositivos de protección y las curvas de daño del conductor.
Tarea 2
Rele
de Sobrecorriente
Un relé de protección es un dispositivo lógico cuya
función es la comparación de una o varias señales de entrada con respecto a una
referencia. Realiza una acción como disparo (apertura), cierre o alarma.
Rele de sobrecorriente
Es
un relé electromagnético sin retardo o instantáneo que reacciona ante una sobre intensidad de corriente, por ejemplo,un cortocircuito.
La protección Buchholz
Protege al transformador contra todo efecto producido en el interior de la cuba del mismo. Se
basa en el hecho de que las irregularidades en el funcionamiento de los transformadores dan lugar a calentamientos locales en los
arrollamientos y consiguientemente a la producción de gases de aceite
cuya cantidad y rapidez en su desarrollo crecen sensiblemente a medida que se extiende la avería.
Los gases que pueden producirse en el interior de la cuba suben por el caño en el cual está instalado el relé Buchholz (esquema 1) quedando atrapado en este.
La disposición esquemática del relé aparece en la esquema 2. La caja del relé esta llenade aceite conteniendo éste los flotadores a1 y a2 móviles. Cuando por causa de un defecto se producen pequeñas burbujas de gas, éstos se elevan en la cuba hacia el tanque de expansión y son captadas por el relé y almacenados en la caja cuyo nivel de aceite baja progresivamente. El flotador superior se inclina y cuando la cantidad de gases es suficiente, cierra los contactos (c1) que alimenta el circuito de alarma.
En el caso de no tomar medidas entre la aparición de una alarma o que por la importancia del defecto haya una formación tumultuosa de gas, cae el flotante a2 cerrándose c2 yproduciéndose el desenganche del transformador. En caso de deterioro de gran magnitud que de lugar a un arco en el interior de la cuba, se producirá un flujo violento de aceite hacia el tanque de expansión que cerrará el contacto c2 sacando el transformador de servicio en acción rápida de manera tal de que el transformador no se averíe por la sobrecarga.
El relé también actúa cuando el nivel de aceite desciende por debajo de un límitedeterminado.
Sobre la tapa del relé se encuentra un grifo b1 que permite la salida de los gasesacumulados en la caja. Otro grifo b2, permite comprobar que los contactos flotadores y conexiones se hallan en buen estado.
El relé detecta cortocircuitos entre espiras, entre arrollamiento y núcleo y entrearrollamientos, interrupción de una fase, sobrecargas excesivas, pérdidas de aceite, etc. La gran ventaja de este relé es su elevada sensibilidad para advertir deterioros o fallas incipientes cuando los más sensibles sistemas de protección no serían capas de detectarlas.
Las características de los gases acumulados en el Buchholz puede dar una idea del tipo de desperfecto y en que parte del transformador se ha producido. El ensayo más simple es laverificación de la combustibilidad del gas. En caso de arco eléctrico el aceite se descomponeproduciendo acetileno que es combustible.
El color de los gases puede brindar también idea de la naturaleza del desperfecto,obteniéndose de acuerdo a ello:
Los gases que pueden producirse en el interior de la cuba suben por el caño en el cual está instalado el relé Buchholz (esquema 1) quedando atrapado en este.
La disposición esquemática del relé aparece en la esquema 2. La caja del relé esta llenade aceite conteniendo éste los flotadores a1 y a2 móviles. Cuando por causa de un defecto se producen pequeñas burbujas de gas, éstos se elevan en la cuba hacia el tanque de expansión y son captadas por el relé y almacenados en la caja cuyo nivel de aceite baja progresivamente. El flotador superior se inclina y cuando la cantidad de gases es suficiente, cierra los contactos (c1) que alimenta el circuito de alarma.
En el caso de no tomar medidas entre la aparición de una alarma o que por la importancia del defecto haya una formación tumultuosa de gas, cae el flotante a2 cerrándose c2 yproduciéndose el desenganche del transformador. En caso de deterioro de gran magnitud que de lugar a un arco en el interior de la cuba, se producirá un flujo violento de aceite hacia el tanque de expansión que cerrará el contacto c2 sacando el transformador de servicio en acción rápida de manera tal de que el transformador no se averíe por la sobrecarga.
El relé también actúa cuando el nivel de aceite desciende por debajo de un límitedeterminado.
Sobre la tapa del relé se encuentra un grifo b1 que permite la salida de los gasesacumulados en la caja. Otro grifo b2, permite comprobar que los contactos flotadores y conexiones se hallan en buen estado.
El relé detecta cortocircuitos entre espiras, entre arrollamiento y núcleo y entrearrollamientos, interrupción de una fase, sobrecargas excesivas, pérdidas de aceite, etc. La gran ventaja de este relé es su elevada sensibilidad para advertir deterioros o fallas incipientes cuando los más sensibles sistemas de protección no serían capas de detectarlas.
Las características de los gases acumulados en el Buchholz puede dar una idea del tipo de desperfecto y en que parte del transformador se ha producido. El ensayo más simple es laverificación de la combustibilidad del gas. En caso de arco eléctrico el aceite se descomponeproduciendo acetileno que es combustible.
El color de los gases puede brindar también idea de la naturaleza del desperfecto,obteniéndose de acuerdo a ello:
·
Gases de
color blanco provienen
de la destrucción del papel
·
Gases amarillos de la destrucción de
piezas de madera
·
Humos negros o grises provienen de la descomposición del aceite
·
Gases rojos de la aislamiento de
los bobinados.
Una mirilla en
el relé permite observar los gases debiéndose observar el color de los mismos a los pocos minutos de aparecida la avería, dado que luego
desaparece.
Tarea 3
TRANSFORMADORES DE CORRIENTE
Los transformadores de
medida son los que se emplean para alimentar circuitos que tienen instrumentos
de medición o protección.
Su uso se hace necesario en las redes de alta tensión en donde se requiere reducir los valores de voltaje y corriente a cantidades manejables por los instrumentos. Ajustan valores de la energía (tensión y corriente) a niveles seguros y cómodos para ser manejados.
Aíslan los instrumentos de medición del circuito primario permitiendo medir los altos voltaje y corrientes con instrumentos de bajas escalas.
Son más seguro al no tener contacto directo con partes de alta tensión.
Permiten la normalización de las características de operación de los instrumentos.
Existen dos tipos de transformadores de medida: Los transformadores de corriente (TC) y los transformadores de potencial (TP). Son dispositivos que se usan para reducir a valores normales y no peligrosos, las características de corriente en un sistema eléctrico, para el uso de aparatos de medición normalizados, por consiguiente más económicos y que pueden manipularse sin peligro.
Un transformador de corriente es un transformador de medición, donde la corriente secundaria es, dentro de las condiciones normales de operación, prácticamente proporcional a la corriente primaria, y desfasada de ella un ángulo
cercano a cero, para un sentido apropiado de conexiones.
Su uso se hace necesario en las redes de alta tensión en donde se requiere reducir los valores de voltaje y corriente a cantidades manejables por los instrumentos. Ajustan valores de la energía (tensión y corriente) a niveles seguros y cómodos para ser manejados.
Aíslan los instrumentos de medición del circuito primario permitiendo medir los altos voltaje y corrientes con instrumentos de bajas escalas.
Son más seguro al no tener contacto directo con partes de alta tensión.
Permiten la normalización de las características de operación de los instrumentos.
Existen dos tipos de transformadores de medida: Los transformadores de corriente (TC) y los transformadores de potencial (TP). Son dispositivos que se usan para reducir a valores normales y no peligrosos, las características de corriente en un sistema eléctrico, para el uso de aparatos de medición normalizados, por consiguiente más económicos y que pueden manipularse sin peligro.
Un transformador de corriente es un transformador de medición, donde la corriente secundaria es, dentro de las condiciones normales de operación, prácticamente proporcional a la corriente primaria, y desfasada de ella un ángulo
cercano a cero, para un sentido apropiado de conexiones.
Tipos de Transformadores
de Corriente Tipo devanado primario: su nombre lo indica tiene mas de una
vuelta en el primario. Consta de dos devanados primarios y secundarios
totalmente aislados y montados permanentemente sobre el circuito magnético.
Esta construcción permite mayor precisión para bajas relaciones.
Tipo Barra:
Los devanados primarios y secundarios están
completamente aislados y ensamblados de forma permanente a un núcleo laminado.
El devanado primario es un solo conductor recto de tipo barra que pasa por la
ventana de un núcleo.
Tipo Boquilla [Ventana o Bushing]:
El devanado secundario
está completamente aislado y ensamblado permanentemente a un núcleo laminado.
El conductor primario pasa a través del núcleo y actúa como 2 devanados
primario.
TRANSFORMADORES DE POTENCIAL
La tensión secundaria dentro de las
condiciones normales de operación es prácticamente proporcional a la tensión
primaria, aunque un poco desfasada.
Su principal función es transformar la tensión y aislar los instrumentos de protección y medición conectados a los circuitos de alta tensión.
El primario del transformador se conecta en paralelo al circuito por controlar y el secundario en paralelo con las bobinas de tensión de los aparatos de medición y protección. Mediciones Directas:
Medición tomada del tipo de conexión en la cual las señales de tensión y de corriente que recibe el medidor son las mismas que recibe la carga. Medidas indirectas:
Medición tomada del tipo de conexión en la cual las señales de tensión y de corriente que recibe el medidor, provienen de los respectivos devanados de los transformadores de tensión TP y de corriente TC, utilizados para transformar las tensiones y corrientes que recibe la carga. Transformador de potencial devanado o Inductivo:
Es un transformador devanado especialmente, con un primario de alto voltaje y un secundario de baja tensión. Tiene una potencia nominal muy baja y su único objetivo es suministrar una muestra de voltaje del sistema de potencia, para que se mida con instrumentos incorporados. Transformador de potencial devanado Capacitivo:
Los transformadores de tensión capacitivos permiten realizar la medición de altos voltajes en forma precisa y además, la transmisión por OPLAT (limitador de tensión, interruptor de puesta a tierra y bobina de drenaje). Actúan simultáneamente como un transformador de tensión y un capacitor de acoplamiento.
Su principal función es transformar la tensión y aislar los instrumentos de protección y medición conectados a los circuitos de alta tensión.
El primario del transformador se conecta en paralelo al circuito por controlar y el secundario en paralelo con las bobinas de tensión de los aparatos de medición y protección. Mediciones Directas:
Medición tomada del tipo de conexión en la cual las señales de tensión y de corriente que recibe el medidor son las mismas que recibe la carga. Medidas indirectas:
Medición tomada del tipo de conexión en la cual las señales de tensión y de corriente que recibe el medidor, provienen de los respectivos devanados de los transformadores de tensión TP y de corriente TC, utilizados para transformar las tensiones y corrientes que recibe la carga. Transformador de potencial devanado o Inductivo:
Es un transformador devanado especialmente, con un primario de alto voltaje y un secundario de baja tensión. Tiene una potencia nominal muy baja y su único objetivo es suministrar una muestra de voltaje del sistema de potencia, para que se mida con instrumentos incorporados. Transformador de potencial devanado Capacitivo:
Los transformadores de tensión capacitivos permiten realizar la medición de altos voltajes en forma precisa y además, la transmisión por OPLAT (limitador de tensión, interruptor de puesta a tierra y bobina de drenaje). Actúan simultáneamente como un transformador de tensión y un capacitor de acoplamiento.
CORRIENTE DE MAGNETIZACION INRUSH.
La corriente de magnetización Inrush es una
condición transitoria que ocurre cuando se energiza un transformador, cuando el
voltaje aumenta repentinamente después de haber aislado una falla y el sistema
se restablece, ó cuando se energizan dos transformadores en paralelo. Esta
corriente fluye solo de la fuente hacia el transformador (Sin fluir fuera de
el) razón por la que aparece como una corriente diferencial. Sin embargo, esto
no es una condición de falla y el relé debe permanecer estable durante este
transitorio.
La corriente inrush puede aparecer en las
tres fases y en el neutro aterrizado del transformador, su magnitud y duración
dependen de factores externos y de diseño como:
q Impedancia de la
fuente de alimentación.
q Capacidad del
transformador.
q Localización del
devanado energizado (Interno o externo) con respecto al núcleo laminado.
q Conexión de los
arrollamientos.
q Punto de la onda de
CA donde se cierran los contactos del interruptor que energiza al transformador.
q Características
magnéticas del núcleo
q Remanencia del núcleo.
q Uso de resistores de
preinserción.
q Restablecimiento
súbito de voltaje. Después de haber aislado una falla.
q Energización en
paralelo de transformadores.
La impedancia de la fuente de alimentación y
la reactancia del núcleo en el devanado energizado determinan la magnitud de la
corriente Inrush cuando el núcleo se satura. Sin embargo, la probabilidad de
que se presente la máxima corriente Inrush es muy baja.
La capacidad del transformador define en gran
medida la duración y magnitud de la corriente Inrush. La constante de tiempo
para este transitorio utilizada con gran aproximación en cálculos, es de 0.1
seg. para transformadores con capacidades menores a 100 kVA y arriba de o.1 seg.
para transformadores de mayor capacidad,. Se ha observado que en
transformadores de gran capacidad, la corriente inrush aún permanece después de
30 min. de haberse energizado.
En transformadores de núcleo acorazado, la
magnitud de la corriente inrush es mayor en el devanado interno que en el
externo. En el primer caso la corriente Inrush alcanza valores de 10 a 20 veces
la corriente nominal, mientras que en el segundo, de 5 a 10 veces. Usualmente,
el devanado de alto voltaje es externo y el de bajo voltaje es interno.
El valor de la corriente Inrush depende del
punto en la onda de CA donde se cierran
los polos del interruptor. El máximo valor de la corriente Inrush se presenta
cuando el interruptor cierra sus polos en el momento en que el voltaje es cero
y el nuevo flujo magnético de la corriente inrush toma la misma dirección que el flujo remanente. La corriente Inrush
es pequeña cuando los flujos toman
direcciones opuestas. La energización de grandes transformadores de potencia
usualmente se realiza mediante el cierre simultaneo de lo tres polos de un
interruptor, dejando al azar el instante de la conexión, este proceso origina
la presencia de grandes corrientes inrush que pueden presentarse en las tres
fases y en el neutro aterrizado. La corriente Inrush es diferente en cada fase
del transformador, debido a que en sistemas trifásicos las ondas de voltaje
correspondientes a las fases están separadas 120° eléctricos y el cierre del
interruptor de potencia es simultaneo en los tres polos, por lo que en el
momento del cierre del interruptor, las tres ondas de voltaje se encuentran en
diferentes puntos.
Cuando ocurre una falla en un sistema de
potencia el voltaje disminuye rápidamente hasta llegar a cero al aislarse la
falla, sin embargo, cuando se restablece el sistema, el voltaje aumenta
repentinamente hasta su valor nominal, repitiéndose un proceso similar al de
energización inicial. Sin embargo, al ser muy rápido el proceso de restablecimiento
de energía, La corriente Inrush es menor que la inicial.
Cuando un segundo transformador de potencia
es energizado en paralelo con otro que esta en servicio, se presenta una
corriente inrush en el primer transformador de menor valor al de la
energización inicial.
COMETODOS PARA INHIBIR LA OPERACION DE LA
PROTECCION DIFERENCIAL ANTE LA PRESENCIA DE UNA CORRIENTE INRUSH.
Los relevadores diferenciales en la
actualidad utilizan varios métodos para discriminar fallas internas de
transitorios como la corriente Inrush e inhibir su operación. Los más usados
son:
Bloqueo
en energización.-
Se bloquea la operación del relé en el momento de energizar al transformador de
potencia, a través de una señal de
posición del interruptor que alimenta al transformador y/o de la presencia de voltaje-corriente. El tiempo de
bloqueo debe ser ligeramente mayor al que permanece la corriente Inrush. Sin
embargo, debido a que es muy difícil predecir este tiempo y considerando que es
variable en cada energización, este método no es suficiente para evitar la
operación en falso de la protección.
Bloqueo
por 2a. armónica.-
Después de analizar detalladamente las características de la corriente Inrush
que se presenta cuando energizamos un transformador, se ha encontrado que
presentan un gran contenido de 2a armónica con respecto a la fundamental. Este
contenido de 2a armónica con respecto a la fundamental es de 30% ó más en el
primer ciclo de la corriente Inrush, lo cual es usado para identificar la
presencia del fenómeno inrush y prevenir la operación del relé.
El
contenido de 2a armónica de una corriente diferencial es comparado con la
fundamental de esa misma corriente diferencial y si es mayor al límite
ajustado, entonces se considera una condición de Inrush y se inhibe la
operación del relé.
Bloqueo por distorsión en
la forma de onda.- Otro método para discriminar corrientes por fallas internas de
corrientes Inrush, es identificar el tipo de distorsión que se presenta en la
forma de onda de la corriente diferencial. Cuando se presenta una corriente
diferencial debido al fenómeno Inrush, la corriente es totalmente asimétrica y
el intervalo de tiempo en el cual se presentan los picos de la onda, es mucho
mayor al intervalo de tiempo para una falla interna. En la Fig. 1-A se muestra
la forma de onda para una corriente diferencial debida al fenómeno Inrush y en
la Fig. 1-B se muestra una corriente diferencial debida a un falla interna.
La
corriente diferencial es comparada con un límite positivo y un negativo de
igual magnitud , los cuales son definidos desde el diseño del relé,
el intervalo de tiempo en el cual la onda pasa consecutivamente por los límites,
es una indicación de la forma de onda. Este intervalo de tiempo en la onda es
comparado con un cuarto de ciclo, de manera que si T es mayor a un cuarto de
ciclo, se asume una corriente Inrush y el relé se bloquea, si T es menor a un
cuarto de ciclo, el relé opera.
Los
dos métodos anteriores para discriminar corrientes diferenciales son empleados
en los relés diferenciales incrementando así la estabilidad y precisión.
Tarea 4
Tarea 5
PROTECCIÓNES
ELÉCTRICAS PARA EL GENERADOR DE POTENCIA
La protección de generadores supone la consideración de
las máximas posibilidades de condiciones de funcionamiento anormal, en
comparación con la protección de cualquier otro elemento de sistema. En las
centrales eléctricas debería proporcionarse protección automática contra todas
las posibles condiciones anormales perjudiciales. Pero existe una gran
diferencia de opinión respecto a lo que constituye la protección suficiente de
los generadores en centrales eléctricas. Dicha diferencia de opinión se refiere
en gran parte a la protección contra condiciones anormales de funcionamiento,
distintas de los cortocircuitos, que no requieren necesariamente el retiro
Inmediato del servicio de una máquina, y que pueden dejarse al control de un
asistente.
2.1.-GENERALIDADES
Los dispositivos de protección tienen la finalidad de
mantener tanto la seguridad de los equipos e instalaciones así mismo como de
las personas que se encuentran en su entorno, garantizando la continuidad en el
suministro de energía eléctrica. Un sistema de protección se establece bajo la
premisa de la existencia de fallas o disturbios originados por agentes internos
y externos al sistema. Y su objetivo no es evitar tales fenómenos sino
minimizar sus efectos sobre el sistema. La adecuada selección y coordinación de
los dispositivos de protección son fundamentales para el correcto
funcionamiento del sistema de protección y por consecuencia para la operación
confiable del sistema de distribución.
Los aspectos básicos de la aplicación de los esquemas de
protección son:
CONFIABILIDAD: la certeza de que la protección va a
operar correctamente.
SELECTIVIDAD:
mantener la máxima continuidad del servicio con la mínima desconexión del
equipo. VELOCIDAD DE OPERACIÓN: mínimo tiempo de falla con el consecuente mínimo
daño al equipo. SIMPLICIDAD: mínimo de equipo de protección y circuitería
asociada para alcanzar los objetivos del sistema de protecciones.
ECONOMÍA: máxima protección al mínimo costo total.
Los estudios de corto circuito son necesarios en los
sistemas eléctricos ya que se obtiene información importante para verificar o
seleccionar la capacidad necesaria de los interruptores, seleccionar y ajustar
las protecciones de sobre corriente, verificar que los efectos térmicos y
mecánicos del corto circuito puedan ser soportados por los elementos del
sistema eléctrico. Las fuentes de corriente de corto circuito son los
generadores, que en el caso alimentan sistemas de distribución. Desde el punto
de vista de clasificación de la protección en los sistemas eléctricos se puede
decir que básicamente existen dos tipos:
PROTECCIÓN
PRIMARIA Esta protección corresponde al esquema de relevadores cuya función
principal es proteger los principales componentes del sistema de potencia
desconectando cuando se presenta un disturbio la menor cantidad posible de
elementos del sistema es decir la menor cantidad posible de usuarios.
PROTECCIÓN DE RESPALDO
La protección de respaldo se emplea como protección
cuando la protección primaria falla. Cuando se dice que los relevadores primarios
pueden fallar se quiere decir que alguna de varias cosas pueden suceder para
hacer que los relevadores más sensibles requieran de menor carga por alimentar
y por lo tanto transformadores de instrumentos más pequeños y consecuentemente
más baratos. Por lo general los relevadores electromecánicos operan a 5 amperes
cuando son alimentados por transformadores de potencial, estos relevadores son
bastante confiables y han sido usados en forma eficiente durante muchos años.
RAPIDEZ DE
OPERACIÓN
Se requiere que
los relevadores de protección sean de acción rápida, por las siguientes
razones:
a) No debe rebasarse el tiempo crítico de eliminación.
b) Los aparatos eléctricos pueden dañarse si se les hace
soportar corrientes de falla durante un tiempo prolongado.
c) Una falla persistente hace bajar el voltaje y ocasiona
el arrastre o lento avance y la consiguiente sobrecarga en las transmisiones
industriales.
PROTECCIÓN DEL ESTATOR
Este tipo de protección puede ser de dos tipos:
Ø Contra corto circuito entre
fases.
Ø
Contra corto circuito entre fase y tierra.
Contra corto
circuito entre fases
Este tipo de corto
circuitos genera la circulación de elevadas corrientes, estas pueden producir
daños significativos en el lugar del corto circuito. Se trata de uno de los
cortocircuitos más perjudiciales que pueden tener lugar en el estator de un
generador, ya que en caso de no ser despejado prontamente puede originar la
destrucción de las láminas del estator en el área del corto circuito. Para
detectar el corto circuito entre fases se utiliza el principio de comparar en
las tres fases la corriente que circula por el extremo del neutro con la que
circula por el extremo de los bornes.
Bajo condiciones normales estas corrientes son idénticas,
por el contrario cuando tiene un lugar un corto circuito surge una diferencia
que es medida por un relé. La protección que se fundamenta en este principio de
comparación serie recibe el nombre de “protección diferencial longitudinal”.
Es una protección
unitaria o de zona, debido a que solo se protege cada fase del generador en la
zona situada entre los transformadores de corriente. Como consecuencia de esto
es inherentemente selectiva. Es necesario recurrir a relés especiales denominados
relés diferenciales, debido a la existencia de problemas tales como: distinto
comportamiento de los transformadores de corriente para corto circuitos
externos al generador. Diversos errores para los niveles de corriente de carga,
etc.
Estos relés contienen
algún medio de retención, el cual varía de acuerdo con el fabricante y que
impiden que operen falsamente.
Cuando opera la protección diferencial es usual que
energice un relé auxiliar del tipo reposición manual, este relé se encarga de
dar las órdenes siguientes:
vApertura
del interruptor de lado de alta tensión del transformador de subida en el caso
de que se trate de un esquema de bloque.
vApertura del interruptor del
lado de baja tensión del transformador de servicios auxiliares de la unidad en
el caso de que exista.
vApertura
del interruptor de campo.
vDetención
de emergencia.
vInyección
de CO2.
El empleo de un
relé auxiliar de reposición manual asegura que el generador no se pondrá en
servicio nuevamente sin que previamente se haya repuesto en forma manual el
auxiliar. Contra corto circuito entre fase y tierra El núcleo del estator se ve
forzadamente comprometido cuando tiene un corto circuito entre fase y tierra
del estator de un generador. Debido a que independientemente de la conexión del
neutro del generador con respecto a tierra, la carcasa se encuentra conectada a
tierra.
El daño que originará el cortocircuito a tierra en las
láminas del estator estará supeditado a la intensidad de la corriente del corto
circuito y al tiempo que circule dicha corriente. La intensidad de la corriente
que circula para un corto circuito de fase a tierra en el estator está
condicionada por el tipo de conexión que tiene el neutro del generador.
Dicha intensidad será máxima en el caso de que el neutro
este sólidamente conectado a tierra y será mínima si el neutro se encuentra
desconectado físicamente de tierra y se opera con un sistema de tipo bloque.
Las normas de fabricación de los generadores determinan
que los mismos resistirán los esfuerzos térmicos y mecánicos que surgen al
producirse un corto circuito de una fase a tierra en sus bornes, siempre que el
valor de la corriente del corto circuito de una fase a tierra se limite al
valor del corto circuito trifásico a través de la utilización de reactores o resistores
entre neutro y tierra.
En este momento surgen dos opiniones: los partidarios a
dejar el neutro desconectado a tierra, con lo que se acataría la norma y los
que mantienen la idea de emplear un limitador de corriente entre neutro y
tierra. Dentro de este último grupo, surge una variada separación entre
diversas alternativas: resistencia, reactancia, transformador de distribución
con resistencia secundaria y reactancia sintonizada.
PROTECCIÓN DEL GENERADOR CON NEUTRO DESCONECTADO A TIERRA
Se trata de una de las alternativas con mayor difusión,
particularmente con esquema en bloque, es decir generador conectado sin
interruptor en el lado de alta tensión. Debido a que el enrollado de baja
tensión del transformador es generalmente de conexión delta, los cortocircuitos
de una fase a tierra en el lado del generador no se ven afectados por el
sistema eléctrico conectado al lado de alta tensión del transformador.
Como consecuencia del bajo nivel de las corrientes
capacitivas que circulan en este caso para un cortocircuito de una fase a
tierra, la protección longitudinal no podrá individualizar el cortocircuito.
Otro método para detectarlo radica en la medición del desplazamiento que
experimenta el neutro con respecto a tierra. El esquema usual es medir esta tensión
de desplazamiento por medio de la conexión entre neutro y tierra de un
transformador potencial e instalar en su secundario un relé de tensión.
Aun cuando se tomen algunas precauciones, generalmente no
es posible con este tipo de protección detectar cortocircuitos en el 5% del
enrollado próximo al neutro. Las corrientes que circulan para un cortocircuito
en esta zona de insensibilidad son bastante pequeñas debido a que la f.e.m que
las hace circular en el 5% de la normal. Como consecuencia de esto, en muchos
países se considera admisible este porcentaje de 95% de protección; pero suele
desconectarse el generador del servicio y abrir el interruptor de campo. Una
opción alternativa a la del transformador de potencial en el neutro, pero
basada en el mismo principio, es la de conectar un transformador de potencial
trifásico en los bornes del generador.
Dicho transformador trifásico posee su primario conectado
en estrella con neutro a tierra y su secundario en delta con un vértice abierto
en el cual se conecta el relé de tensión. Si los generadores con neutro
desconectado de tierra realizan su trabajo en paralelo sobre una barra al nivel
de tensión de generación, los sistemas anteriores de protección no serian
selectivos. Solo sirven para el lapso de puesta en marcha y antes de que entren
en paralelo.
PROTECCIÓN CON NEUTRO CONECTADO A TIERRA ATRAVÉS DE UNA
RESISTENCIA O REACTANCIA
Las normas de fabricación de generadores establecen la
necesidad de conectar a tierra el neutro de los generadores mediante una resistencia
o una reactancia con el propósito de limitar la corriente de cortocircuito de
una fase a tierra en sus bornes a un valor por lo menos similar al de la
corriente para un circuito trifásico en sus bornes.
No obstante, en la
práctica se intenta limitar el valor de la corriente de cortocircuito de una
fase a tierra a solo un porcentaje de la del trifásico, debido a que de tener
lugar el cortocircuito en el interior del generador los daños se reducen. Aquí
nuevamente existen varias opiniones. Algunos mantienen la idea de reducir solo
el 50% del valor del cortocircuito trifásico y otros son partidarios de limitar
la corriente a solo unos cientos de amperes. Para la elección de uno u otro
valor, se debe tener en cuenta los efectos transitorios que surgen debido a la
existencia de esta impedancia de neutro y la capacidad a tierra.
Con respecto al problema del sistema de protección a
adoptar, puede establecerse que si la corriente que circula es considerable, la
protección diferencial longitudinal detecta y protege esta forma de
cortocircuito. No obstante, es conveniente adicionar un relé de sobre corriente
residual con su ajuste de tiempo largo que respalde a la diferencial para casos
de cortocircuitos muy próximos al neutro y particularmente en los momentos en
que el generador aun no se encuentre conectado al sistema. En el caso que la
corriente del cortocircuito de una fase a tierra se limite a valores muy bajos,
ya no es adecuado confiar en la protección diferencial longitudinal. En este
caso, se diferencian dos sistemas de protección según si la central eléctrica
se encuentra dispuesta en bloque o con barra a la tensión de generación.
En el primer caso (central dispuesta en bloque), es
suficiente detectar la corriente residual (3 veces la secuencia cero) por medio
de la instalación de un transformador de corriente en el neutro y el empleo de
un relé de sobre corriente. Si la central tiene una disposición con barra a la
tensión de generación se emplea un sistema de protección a la diferencial pero
limitada solo a las corrientes residuales.
PROTECCIÓN CON NEUTRO CONECTADO A TIERRA ATRAVÉS DE UN
TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCION
En las centrales con equipos dispuestos en bloque se
tiende a conectar el neutro del generador a tierra mediante el enrollado de
alta tensión de un transformador monofásico de distribución. Una resistencia y
un relé de sobretensión se conectan al enrollado de baja tensión del
transformador, dicho sistema de conexión del neutro es considerado del tipo
resistivo, debido a que lo que se consigue al conectarse mediante el
transformador de distribución es reducir el valor óhmico y su capacidad de
disipación.
A través de la
elección del valor de la resistencia secundaria es posible regular la
intensidad de la corriente que circula en el punto del cortocircuito y como
consecuencia, el daño del núcleo. El valor máximo de la resistencia se
encontrara determinado por las sobretensiones transitorias que surgen por el
fenómeno de ferro resonancia.
-PROTECCIÓN CONTRA CORTO CIRCUITO ENTRE ESPIRAS MISMA
FASE Y FASES ABIERTAS
Un corto circuito
entre espiras de una misma fase debe ser localizado y el generador desconectado
del sistema, debido a que puede convertirse con facilidad en un corto circuito
de fase a tierra comprometiendo el núcleo del estator.
Esta clase de cortocircuito no surge en grandes
generadores que poseen una vuelta por fase, por ranura (barra Roebel); además
no pueden ser detectados a través de la protección diferencial longitudinal,
debido a que esta se basa en el principio de comparación serie y en este caso,
por ser una perturbación serie no existe diferencia entre la corriente que
circula por el principio de la fase y la que circula por el final.
El sistema de protección que se aplica para esta clase de
corto circuito depende de la disposición constructiva del generador. La
protección difiere en el caso de un generador con dos enrollados por fase o con
un solo enrollado por fase. En el primero de los casos el cortocircuito entre
espiras puede localizarse cotejando las corrientes de los dos enrollados que
constituyen la fase.
La protección que emplea este principio de comparación
paralela recibe el nombre de protección diferencial transversal. La sensibilidad
del relé que se emplea dependerá de la no igualdad de los dos enrollados que
componen cada fase y del comportamiento desigual de los transformadores de
corriente.
PROTECCIÓN CONTRA SOBRECALENTAMIENTO DEL ESTATOR
Las principales causas del sobrecalentamiento del estator
de un generador radican en:
Ø Desperfecto en el sistema
de refrigeración
Ø Sobrecarga
Ø Cortocircuito de varias
laminas del estator
Es usual la
protección contra sobrecalentamientos del estator mediante relés del tipo
imagen térmica diseñados de manera de reproducir las condiciones de
calentamiento que originan las corrientes estatoricas y que al llegar a una
cierta temperatura de ajuste cierra sus contactos. Esta protección cuenta con
la desventaja de solamente operar para sobrecalentamientos originados por una
sobrecarga y no protege contra los sobrecalentamientos producidos por
desperfectos en el sistema de refrigeración o por cortocircuitos de las láminas
del estator.
En la actualidad se protege contra sobrecalentamiento del
estator a través de detectores de temperatura colocados en varios puntos del
enrollado. Estos transmiten cíclicamente su información a un instrumento, el
cual al alcanzar en algún punto una temperatura crítica envía la orden de
apertura. Mediante este sistema de protección, pueden detectarse calentamientos
muy localizados, tales como los que se producen por cortocircuito de las
láminas.
PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES
La sobre velocidad originada por perdidas de carga o
desperfectos en el regulador de tensión producen sobretensiones. Todo sobre
tensión asociada con una sobre velocidad será controlada por el regulador
automático de tensión. No obstante, en las unidades hidráulicas, el flujo de
agua no puede ser interrumpido o deflactado tan rápidamente y como consecuencia
puede originarse una sobre velocidad. En el caso de que la excitatriz se
encuentre acoplada directamente a la máquina, la tensión tiende a crecer casi
con el cuadro de la velocidad.
Como consecuencia suele instalarse protección de sobretensión
en generadores accionados por turbinas hidráulicas y también por turbinas de
gas, pero no con turbinas de vapor. Se emplean relés de sobretensión de dos
elementos: un elemento instantáneo que trabaja con 25% de sobretensión (gas) y
40% (hidráulica) y otro elemento que opera con el 10% de sobretensión. La
operación del relé de sobretensión da orden de apertura al interruptor del
generador y al del campo.
PROTECCIÓN CONTRA CORTO CIRCUITO A TIERRA DEL CAMPO
Debido a que los circuitos de campo operan desconectados
de tierra, un cortocircuito o contacto a tierra no ocasionaría ningún daño ni
afectaría la operación del generador. No obstante, la existencia de un
cortocircuito a tierra incrementa la tensión a tierra en otros puntos del
enrollado de campo cuando se inducen en estas tensiones debido a fenómenos
transitorios del estator. Como consecuencia, aumenta la probabilidad que ocurra
un segundo cortocircuito a tierra. Si este ocurre, parte del enrollado de campo
estará cortocircuitando y la corriente en el resto se incrementaría. Al
cortocircuitarse parte del enrollado, debido a los dos cortocircuitos a tierra
se produciría un desequilibrio del flujo en el entrehierro y esto originaria un
desequilibrio en las fuerzas magnéticas en ambos lados del rotor.
Dicho
desequilibrio puede ser suficientemente grande como para torcer el eje del
rotor y hacerlo excéntrico. Debido a esta excentricidad surgen vibraciones
causantes de la rotura de descansos de pedestal, lo que ha originado que el
rotor raspe con el estator.
Esta clase de falla origina daños muy extensos y costosos
de reparar y capaces de dejar las maquinas fuera de servicio por periodos muy
largos. Usualmente se emplean sistemas de protección que detectan el primer
cortocircuito a tierra que se produzca. Los tres métodos disponibles para
localizar el punto del cortocircuito a tierra en el campo de un generador
tienen en común el hecho que emplean el punto del cortocircuito a tierra para
cerrar un circuito eléctrico en que el relé de protección forma parte de ese
circuito.
PROTECCIÓN CONTRA SOBRECALENTAMIENTO DEL ROTOR
La circulación de corrientes de secuencia negativa en el
estator de un generador, producidas por cortocircuitos asimétricos internos o
externos al generador y cargas desequilibradas, originan un campo rotatorio que
gira con una velocidad al doble de la síncrona con respecto al rotor e inducen
en el fierro de estas corrientes de una frecuencia doble de la fundamental.
Dichas corrientes originan un sobrecalentamiento del
rotor y pueden producir importantes daños si el generador continuo operando en
esas condiciones. Los cortocircuitos asimétricos internos al estator son
despejados por los sistemas de protección. En cambio los cortocircuitos
asimétricos externos, incluyendo fases abiertas, pueden permanecer indetectados
o continuar con un periodo significativo dependiendo de la coordinación de las
protecciones del sistema.
Es usual instalar una protección en base a un relé de
sobre corriente de secuencia negativa con una característica que siga en la
mejor forma posible la curva permitida para la maquina. Generalmente, esta
protección desconecta el generador del servicio. Además, suele incluirse un
elemento instantáneo que solo de una alarma.
PROTECCIÓN CONTRA PÉRDIDA DE EXCITACIÓN
En el caso que un generador pierda su excitación, trabaja
como generador de inducción girando a una velocidad mayor a la síncrona. Los
generadores con rotor cilíndrico no están adecuados para estas operaciones,
debido a que no tienen enrollados amortiguadores que puedan llevar las
corrientes inducidas en el rotor. El tiempo para alcanzar un sobrecalentamiento
peligroso puede ser tan corto como 2 o 3 minutos. El estator de cualquier clase
de generador síncrono puede sobrecalentarse debido a la sobrecorriente en los
enrollados del estator mientras la maquina está operando como un generador de
inducción. Algunos sistemas no pueden tolerar la operación continuada de un
generador sin excitación.
En el caso de que
el generador no sea desconectado inmediatamente cuando pierde su excitación
pueden surgir problemas de inestabilidad y ocurrir una pérdida de servicio
mayor en el sistema eléctrico, debido a que un generador sin excitación
adquiere potencia reactiva del sistema en una cantidad de que puede ser 2 o 4
veces su potencia nominal. Además, es probable que el generador antes de perder
su excitación haya estado entregando potencia reactiva al sistema.
Como consecuencia
de esta potencia reactiva tomada repentinamente del sistema y de la potencia
reactiva que deja de entregar el generador, puede producirse una disminución
general de tensión en el sistema, la que a su vez, puede producir una gran
estabilidad a menos que otros generadores puedan automática e inmediatamente
tomar la carga reactiva adicional. Como consecuencia de lo expuesto, es
recomendable la instalación de un sistema de protección contra perdida de
excitación.
En el caso de que dicha perdida sea originada por un
desperfecto en la excitatriz, el circuito de campo permanece intacto y el relé
no trabaja debido a que lo mantienen las corrientes inducidas por el
deslizamiento. El sistema de protección más selectivo contra la perdida de
excitación es la utilización de un relé de distancia direccional.
Dicho relé es alimentado con tensiones y corrientes
tomadas de los bornes del generador. Cuando pierde la excitación, la impedancia
medida en bornes del generador sigue una trayectoria desde un punto localizado
en el primer cuadrante (condición normal de operación) a una región del cuarto
cuadrante la cual se alcanza solamente cuando la excitación se ha perdido. Al
operar la protección se da orden de apertura al interruptor de campo y se
desconecta el generador del sistema, antes que el generador o el sistema
resulten dañados. En la siguiente figura se muestra un sistema de excitación
típico para un generador eléctrico y sus respectivos elementos.
1. Excitador piloto
2. Excitatriz principal
3. Corona de diodos rectificadores y fusibles
4. AVR
5. Disipador de
calor de base positiva
6. Disipador de calor de base negativa
7. Rotor del generador
8. Estator del generador
9. TP 10.TC
PROTECCIÓNES DE RESPALDO, FALLAS EXTERNAS AL GENERADOR
Es preciso instalar en los generadores protecciones de
respaldo que impidan que el generador continúe entregando corriente de
cortocircuito para fallas en el sistema eléctrico externo, como consecuencia de
la no operación de las protecciones principales respectivas. Si se trata de
cortocircuitos de una fase a tierra el relé de sobrecorriente inverso es
satisfactorio.
En el caso de cortocircuitos entre fases puede utilizarse
un relé de sobrecorriente con control de tensión. La elección entre estos dos
tipos de relé depende del tipo de relé con el que la protección de respaldo
debe coordinarse. No se recomienda emplear relés de sobrecorriente simples,
debido a que la curva de decremento de la corriente suministrada por el
generador cae bruscamente a valores menores a su corriente nominal antes que el
relé de sobrecorriente haya terminado su operación.
El relé de
sobrecorriente de secuencia negativa debe ser considerado como una protección
principal, cuyo ajuste está sujeto exclusivamente de las características de
diseño que posee el generador para soportar las corrientes de secuencia
negativa.
-PROTECCIÓN CONTRA MOTOREO
El efecto de un
desperfecto en la maquina motriz es que el generador comienza a operar como
motor tomando energía del sistema. El beneficio de instalar una protección
contra motoreo recae en la maquina motriz o el sistema eléctrica y no en el
generador.
La seriedad de la
condición de motoreo está sujeto al tipo de maquina motriz. En las turbinas de
vapor, de ocurrir fallas en el abastecimiento de vapor, se produciría un
sobrecalentamiento como consecuencia de la fricción, con la posterior distorsión
de los alabes de la turbina. En turbinas del tipo condensación la velocidad de
subida de la turbina es baja y no se requiere tomar una acción inmediata.
No obstante, con
unidades del tipo contra presión la temperatura puede aumentar rápidamente a
niveles peligrosos. Por esto, debe tomarse una medida inmediata para evitar el
motoreo. En los motores diesel es adecuado instalar protección contra motoreo,
debido al peligro de incendio o explosión por el combustible no quemado. La
protección contra motoreo de generadores accionados por turbinas hidráulicas es
adecuada en centrales inatendidas para evitar la cavitación de los alabes.
Tarea 5
PROTECCIÓN CONTRA SOBREEXCITACIÓN (volts /hertz 59T)
Conexión básica del esquema:
Es suficiente con medir el voltaje y la frecuencia entre
dos fases del generador para determinar si está sobreexcitado a baja
frecuencia. En consecuencia el relevador es monofásico.
Falla contra la cual protege
La protección contra sobreexcitación propiamente es
protección del transformador elevador de la unidad generadora, detecta
sobrevoltajes en el generador mientras éste rueda a velocidad menor a la
nominal.
Un sobrevoltaje a frecuencia baja causa una corriente de
excitación muy alta en los transformadores conectados al generador, pudiendo
dañarse por calentamiento excesivo en tiempos relativamente cortos.
A estos altos niveles, el hierro magnético diseñado para
llevar las trayectorias del flujo normal se satura, y el flujo comienza a fluir
en trayectorias de dispersión no diseñadas para transportarlo. Estos campos
resultantes son proporcionales al voltaje e inversamente proporcionales a la
frecuencia. Por lo tanto, los altos niveles de densidad de flujo (y la
sobreexcitación) aparecerán a consecuencia de la sobretensión, de la baja frecuencia
o de una combinación de ambos.
La figura 1 muestra una sección transversal de un
turbogenerador en la que se muestran los flujos magnéticos principales y de
dispersión.
Los campos magnéticos de dispersión son los más dañinos o
los más peligrosos en las terminales del núcleo del generador donde el campo
disperso puede conducir altas corrientes de Eddy en las partes de acero sólido
y en las laminaciones finales del núcleo. Esto resulta en pérdidas mayores y
calentamiento en estos componentes. El daño debido a una operación excesiva de
sobreexcitación ocurre frecuentemente cuando la unidad está fuera de línea,
antes de la sincronización.
La protección óptima para la protección de
sobreexcitación es mediante el uso de relevadores de sobreexcitación con curvas
de tiempo inverso que se adaptan mejor a las curvas de daño de sobreexcitación
de los generadores y transformadores (Figura 2).
Ajustes para relevador contra sobreexcitación Los
generadores, así como los transformadores, no deben estar sujetos a
sobreexcitaciones excepto para desviaciones cortas o transitorias.
Un período particularmente peligroso es cuando el
generador es desconectado del sistema y la velocidad cambia. El voltaje del
generador es proporcional a la frecuencia y al flujo magnético, por lo que la
protección de sobrevoltaje debe tener una constante de pickup como una función
de la relación de tensión a frecuencia, un tipo Volts / Hertz (24). La relación
entre voltaje y frecuencia viene dada por la ecuación básica de los circuitos
electromagnéticos cuya relación es la siguiente:
Dónde:
— E = Voltaje aplicado
— f =
Frecuencia
— N=
Número de vueltas
— f =
Flujo magnético
— Al
despejar el flujo magnético obtenemos:
Por lo anterior se observa que el flujo magnético en el
hierro es proporcional a la relación Volts/Hertz. Como protección
complementaria para el control en el generador se sugiere el uso de dos
unidades de niveles Volts/ Hertz.
PROTECCIÓN CONTRA TEMPERATURA ALTA EN EL ESTATOR (49G).
Conexión básica del
esquema:
La protección contra temperatura alta en el estator del
generador detecta las condiciones de operación que causan calentamiento del
generador, que son principalmente:
Sobrecarga continua.
— Sistema
de enfriamiento dañado.
— Sistema
de enfriamiento mal ajustado.
La protección contra temperatura alta en el estator opera
por medio de un medidor de temperatura, generalmente tipo puente de Wheatstone,
que recibe su señal de un detector de resistencia intercalado en el embobinado
del generador.
Es usual emplear instrumentos registrados de temperatura
de puntos múltiples para supervisar la operación de generadores. Si estos
instrumentos tienen contacto de temperatura alta, éste se usa para dar alarma.
Si se desea disparar la unidad por temperatura alta
generalmente se utiliza un relevador por separado, operando con un detector de
temperatura independiente, y ajustado 10 grados centígrados arriba del valor de
alarma.
La característica de este relevador es que responde
directamente a la temperatura del detector. Entre sus problemas de aplicación
se puede mencionar la inducción en el cable del detector, por lo que se
recomienda, el uso de cable blindado. Además se puede poner en circuito abierto
el detector, debido a vibraciones de la maquinaria, aquí se puede indicar alta
temperatura y manda r disparos erróneos.
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