PROTECCIÓN DE MAQUINAS

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1 Proteccioes de Sistemas Eléctricos PROTECCÓN DE MAQUNAS. Protecció de Geeradores. troducció Se puede afirmar que, e geeral, todos os elemetos de u sistema eléctrico de potecia. merece el mismo grado de ateció e cuato a sus sistemas de protecció, debido a que todos ellos tiee ua fialidad muy específica e u S.E.P. Si embargo, e geeradores las proteccioes reviste ua especial importacia debido a que como elemeto sumiistrador de potecia, implica que ua falla e él podría causar gra catidad de problemas. El gra tamaño de los geeradores y su todavía mayor icremeto e la etrega de eergía, debido a la aplicació de métodos de efriamieto más eficietes, hace imprescidible protegerlos cotra todo tipo de falla. La pérdida de ua uidad, dado su gra capacidad de geeració ( a 5 MW), puede ocasioar la sobrecarga de las uidades geeradoras que trabaja e cojuto co ella y la evetual iestabilidad del sistema. allas de Estator - Sobrecargas - Cortocircuitos - Desbalace de tesioes allas del Rotor - Sobrecargas - Cortocircuitos - Apertura o pérdida de la excitació - Pérdidas de sicroismo - Motores - Sobretesioes - allas exteras. Protecció del Estator a. Protecció de allas a Tierra Las corrietes de las fallas a tierra e el estator está geeralmete limitadas por la resistecia R e el eutro del geerador. E estos casos es imposible proteger el % del devaado del ( ) estator, queda aproximadamete el % de éste si protecció, esto depederá del valor de la R istalada e el eutro del geerador y del ajuste del relé. resistecia ( ) El valor de la capacitacia distribuida etre el estator y tierra fija el valor de la resistecia ( R ) además del valor de corrietes de falla a tierra que se requiere limitar, para evitar la sobretesió que se puede producir por efectos de resoacia. La corriete de falla a tierra se limita a los siguietes ragos: a) De 4 a amp. e caso de aterrizaje por medio de u trasformador de distribució. (figura ) El valor máximo de la resistecia está dado por: dode R < 6 / ( 6π f N C) [ Ω] N = es la relació de vueltas del trasformador f = frecuecia C = la capacitacia por fase del circuito del estator a tierra Aputes preparados por: Prof. Sr. Raúl Saavedra Cossio Protecció de Máquias -

2 Proteccioes de Sistemas Eléctricos 59 igura Nº. Es recomedable, que para impedir grades valores de corrietes de magetizació e el trasformador de distribució cuado ocurre ua falla a tierra, la tesió e el lado de alta tesió deberá ser a lo meos,5 veces la tesió omial de fase a eutro del geerador. El valor de tesió e el lado de baja tesió puede ser de, 4 o 48 volts, depediedo de la dispoibilidad o valor de tesió omial de los relés de protecció. Los KVA del trasformador de distribució y los KW de la resistecia se determia de: KVA = VGVT N R Si el relé se ocupa solamete para acciar ua alarma. Los KW de la resistecia: KW = VG N R dode: V = tesió omial del geerador de fase a fase e Kvolts. V = tesió omial e KV de fase a eutro del trasformador e el lado de alta tesió. T N = razó de trasformació del trasformador de distribució R = Ohms valor de la resistecia. b) De a 5 amp., e caso de aterrizaje mediate resistecia. (ig.). igura Nº 5N o 5N E la práctica se acostumbra a proteger de 8 a 85% del devaado del estator. Aputes preparados por: Prof. Sr. Raúl Saavedra Cossio Protecció de Máquias -

3 Proteccioes de Sistemas Eléctricos La corriete de falla a tierra. Sea V = (. d ) g = la máxima corriete que se permite circular por la resistecia R V R R etoces: = (. d) g d(º/) (-d) (º/) devaado que se protege devaado que o se protege igura Nº Luego, el porcetaje del devaado protegido está dado por (figura ) Ejemplo. d = g Sea d = 85 % y supoiedo que el ajuste de falla a tierra (calibració) sea de u %. Determie el valor de R. MVA 5 kv =? Dibujo Nº4. Solució El (/) del devaado o protegido es =.5 = ( d) pero la corriete a plea carga es: N /( 5 ) =,849 ( KA ) de: = =. x.849,7689 ( KA ) S = g =, luego la corriete de ajuste es por lo tato : S = =,5,5 g =.7698,5 Aputes preparados por: Prof. Sr. Raúl Saavedra Cossio Protecció de Máquias -

4 Proteccioes de Sistemas Eléctricos VG 5 R = =,5 =,69,7698 g ohms Otro ejemplo: Si se admite ua corriete de ajuste de desbalace de amp., como máximo e el relé. MVA kv 4Ω 5 S = amp. a) Qué % del devaado queda protegido? b) Qué valor de R se requiere para proteger el 85% del devaado? Solució: a) S = /5 = amp. e el eutro R S luego d = = =,4 ( º /) d =,58 V G ( º / ) R b) d =,85 =,5 = R =.44 ( ohms ) 4 El caso (a), usado u trasformador de distribució e el eutro, es geeralmete aplicado a grupo geerador-trasformador. (ig..4). alla 59 igura Nº4. El valor de resistecia se seleccioa de maera que los KW disipados por ella sea meor que los KVA capacitivos del sistema. Circuitos equivaletes a secuecias será (figura 5). Aputes preparados por: Prof. Sr. Raúl Saavedra Cossio Protecció de Máquias 4-4

5 Proteccioes de Sistemas Eléctricos E G Z G Z T Z S + + E S Z TA MSP X C X C Z G N Z T Z S N Z TA MSN X C X C Z G N Z T Z S N R MSO X C X C N igura Nº5 La resistecia R debe teer u valor tal que límite los trasietes a,5 o meos del valor de tesió omial del sistema. Para ello se debe cumplir que: a) La potecia de la resistecia debe ser igual a: R R KW R = = b) Que la potecia del trasformador debe ser: C X C KVA= KW R E sistemas dode se limita las sobretesioes trasitorias a,5 veces, o meos, el valor peak de la tesió omial de fase a eutro del sistema, se debe cumplir que: Z 4 + j luego ( ) X X o R X X.66 = = = 8,8º ( 4 + j ) X X pero. X = =,66 φ φ Las resistecias so de acero ioxidable co u factor de potecia aproximada de,98.. Relé Diferecial.. ducció Tipo RD A Aputes preparados por: Prof. Sr. Raúl Saavedra Cossio Protecció de Máquias 5-5

6 Proteccioes de Sistemas Eléctricos 5 o más V O L T S KVA igura Nº6 KVA o HP.. Aplicació A los efectos de lograr ua protecció efectiva es ecesario que la máquia tega accesibles todos los termiales de sus fases; resulta coveiete especificar este requisito cuado se ordea la fabricació de dicha máquia debido a que ormalmete e uidades de potecia reducida o todos los termiales so accesibles desde el exterior. La protecció diferecial tambié se recomieda para máquias de potecias meores que la idicadas e la figura 6 e los siguietes casos: a) Cuado se trate de máquias que fucioa e paralelo sobre la misma barra co otras máquias dotadas de protecció diferecial; esto se debe a que muchas veces ua falla e ua máquia pequeña, fucioado e paralelo co otras de mayor potecia, puede resultar ta perjudicial para el servicio como ua falla similar e ua uidad grade. b) Cuado se trate de máquias que so importates para la operació del sistema co prescidecia de la potecia de las mismas. El relé diferecial RD A protege cotra cortocircuitos del tipo fase a fase a tierra etre coductores exteros o a iteros a la máquia., detro de la zoa de protecció diferecial, y siempre que la corriete e la bobia de operació del relé, provocada por dicha falla, sea mayor que el valor míimo requerido para el fucioamieto del mismo. La protecció o comprede e cambio los casos de circuitos abiertos o cortocircuitos etre espiras. Si el sistema tiee eutro aislado, la protecció por fallas del tipo fase a tierra sólo se logrará co la aparició de ua seguda falla de igual tipo e la misma fase. Debido a esto se recomieda que, cuado se use protecció diferecial, el eutro de la máquia esté puesto a tierra, o por lo meos que así ocurra co el eutro de otra máquia que fucioa e. paralelo co la misma. Cuado esto o sea posible, será ecesario coectar u trasformador de puesta a tierra. Cuaido o exista igua impedacia etre eutro y tierra, la protecció diferecial detectará toda falla a tierra e cualquier parte del devaado de la máquia, excepto ua pequeña zoa próxima al eutro que, por lo reducido de su tesió co respecto a tierra, o alcaza producir la corriete míima de operació del relé. Se pues, que todo medio que tieda a reducir la corriete de eutro a tierra, hará que la zoa del devaado si protecció aumete. Aputes preparados por: Prof. Sr. Raúl Saavedra Cossio Protecció de Máquias 6-6

7 Proteccioes de Sistemas Eléctricos b. Máquias Coectadas e Estrella La figura 7, ilustra la aplicació de la protecció diferecial a ua máquia coectada e estrella. b. Máquia Coectadas a Triágulo Como se idica e la figura 8, las máquias coectadas e triágulo se protege comparado las corrietes e los dos extremos de cada devaado co las corrietes e las fases respectivas (al igual que las máquias coectadas e estrella). b. Máquias co dos o más Arrollamietos e Paralelo por ase Cuado sé trata de máquias co dos o más arrollamietos e paralelo por fase, cuyos termiales so accesibles, se recomieda complemetar la protecció diferecial co la protecció por desbalace de corriete e cada ua de las seccioes e paralelo. Este tipo de protecció y la coexió para lograrlo se idica e la figura 9. M4ediate la coexió idicada e la figura 9, se obtiee protecció cotra cortocircuitos etre partes de u mismo arrollamieto de ua misma fase y tambié por circuito abierto de uo de los arrollamietos (para lo cual o operaría la protecció diferecial). Resulta etoces que la combiació de proteccioes aquí cometadas, cuado se aplica a máquias co los arrollamietos divididos, brida protecció por desequilibrios de corrietes tambié fucioa para el caso de cortocircuitos etre fases o etre ua fase y tierra (e la zoa e que los devaados está coectados e paralelo), pero o e forma ta sesible como la protecció diferecial, sobre todo cuado la zoa afectada está próxima al eutro. La protecció de desequilibrio de corriete se logra mediate relés del tipo RC de sobreitesidad, coectados como se idica e la figura 9, co el úmero 6. b.4 Protecció Diferecial del Geerador y Trasformador Operados como ua Uidad Cuado u geerador y su correspodiete trasformador de potecia se opera como ua uidad, se recomieda ormalmete utilizar protecció diferecial separada e cada uo de ellos. E este caso es posible reducir el úmero de trasformadores de corriete utilizado u cojuto co fucioes comues a cada uo de los elemetos, geerador y trasformador, tal como se idica e la figura. La recomedació e el setido de efectuar esta protecció tal como aquí se describe, se basa e el -hecho de que es recomedable para el trasformador de potecia, cosiderado cada uo aisladamete. b.5 Desegache Automático de los terruptores de Descarga de Campo E los casos e que se utiliza protecció diferecial, el iterruptor de campo debe descoectarse e forma automática al mismo tiempo que se produce el desegache del iterruptor pricipal y la máquia se descoecta del sistema. Para tal aplicació se suele utilizar iterruptores operados eléctricamete o cotactores, auque e alguos casos se emplea tambié iterruptores e aire de operació maual co bobia de desegache de descarga. b.6 Desegache Automático del terruptor de Neutro Si el eutro de la máquia está puesto a tierra, es recomedable dispoer de u iterruptor de eutro que pueda ser desegachado automáticamete e caso de falla itera. Esto evita que, debido a que el flujo de la máquia se reduce letamete (luego que ya se ha desegachado de campo) y a la presecia del magetismo remaete, se produzca arcos prologados e casos de fallas a tierra. b.7 Selecció de los Trasformadores de Corriete A los efectos de evitar falsas operacioes por los relés difereciales, los trasformadores de corriete debe ser elegidos de maera que la corriete diferecial, provocada por el error de relació y fase de los mismos, o exceda del 5% del valor de la corriete que existe durate el fucioamieto Aputes preparados por: Prof. Sr. Raúl Saavedra Cossio Protecció de Máquias 7-7

8 Proteccioes de Sistemas Eléctricos ormal o aormal de la máquia. Esto icluye. todos los valores de itesidad hasta la máxima que podría etregar la máquia e caso de fallas exteras a la zoa de protecció. Al efectuar tales verificacioes, se debe teer e cueta las cargas reales de los trasformadores de itesidad icluyedo las coexioes E geeral, es recomedable que los trasformadores de corriete empleados para la protecció diferecial o se utilice simultáeamete para otros fies. 5 GEN 4 gual a ase gual a ase R7 RC 7 HC (+) R7- R S gual a ase Alarma C C Referecias Números,, etc. Numeració de los termiales del relé. 4) terruptor de campo 5) terruptor pricipal 86) Relé auxiliar 87) Relé diferecial tipo RD a) Cotacto auxiliar, cerrado cuado el iterruptor pricipal está cerrado O.C. Bobia de Operació R.C. Bobia de reado S.. Uidad idicadora T.C. Bobia de Disparo. (-) igura Nº7. Diagrama Típico de Protecció Diferecial Aplicada a u Geerador Trifásico Coectado e Estrella. c) ucioamieto El relé RD-A tiee dos electroimaes e forma de "U", provistos co espiras de cobre e cortocircuito sobre ua parte de las expasioes polares a los efectos de origiar las correspodietes cuplas de rotació e zoas diametralmete opuestas del disco. Uo de estos electroimaes, el de operació, tiede a hacer girar el disco e el setido de cerrar los cotactos de operació, y el otro, el de freado, tiede a hacer virar el disco e la direcció cotraria. A cotiuació describimos la operació del relé e u caso específico de aplicació: La figura es u diagrama esquemático de u geerador coectado e estrella; e él puede verse que los secudarios de los trasformadores de corriete está coectados e serie co las bobias de freado y que la bobia de operació se coecta etre el puto medio de los devaados de freado y el otro polo del circuito. E codicioes ormales de operació, la corriete secudaria de los trasformadores de corrietes es idética, circulado Por las bobias de freado y creado ua diferecia de potecial ula a través de la bobia de operació. E estas codicioes el electroimá de freado matedrá los cotactos abiertos. E el supuesto de que se produzca ua falla extera a la zoa de protecció, las codicioes será similares a las descritas, siempre que los trasformadores de corriete haya sido elegidos correctamete (tal como se idicó oportuamete) y, por lo tato, o existirá corriete o ésta tedrá u valor muy pequeño a través de la bobia de operació. Si ocurre ua falla e los devaados del geerador, las corrietes e o será iguales y la diferecia de las mismas circulará por las bobias de operació. Si esta corriete diferecial es suficiete, la acció del electroimá de operació vecerá el efecto del de freado y se cerrará los cotactos del relé. Puesto que la bobia de operació tiee aproximadamete veces más espiras que las de freado, para que el relé actúe, la itesidad e la primera deberá ser algo mayor que el % de la corriete e las bobias de freo. Aputes preparados por: Prof. Sr. Raúl Saavedra Cossio Protecció de Máquias 8-8

9 Proteccioes de Sistemas Eléctricos Uidad de Autorreteció y Elemeto dicador Estos relés está provistos co ua uidad de autorreteció y de idicació co derivacioes de, y amperes. La elecció etre ellos depede de la corriete que ecesite el circuito de desegache. La derivació de, amperes se usa pricipalmete para relés auxiliares que ecesita, amperes co la máxima tesió de cotrol (7 volts para ua batería de 5 volts). Esta deriva. Esta derivació puede coducir e forma segura la corriete hasta de 5 amperes. El límite superior queda determiado e la práctica por la caída de tesió permitida que preferiblemete o debería exceder del % de la tesió ormal de la fuete. Si esta bobia se utiliza co bobias de desegache que tome más de amperes volts, existe la posibilidad que la resistecia de 7 ohms reduzca la corriete de desegache a u valor ta bajo que el iterruptor o pueda ser desegachado. Para esto se ha previsto la derivació amperes, que se deberá utilizar e todos los casos e que la corriete que ecesite la bobia de desegache sea de amperes o más a la tesió míima de cotrol y siempre que la corriete o exceda de amperes para la tesió máxima de la fuete. Si la corriete de desegache excede de amperes, deberá utilizarse u relé auxiliar, efectuádose el coexioado de maera que la corriete de desegache o pase a través de los cotactos, i tampoco por la bobia de la uidad de auto-reteció. i i i4 87 RC 5 i 87 OC 87 RC i i4 i i i i i i i i i i i i i + igura Nº8. Aputes preparados por: Prof. Sr. Raúl Saavedra Cossio Protecció de Máquias 9-9