EXPERIENCIA EN EL AJUSTE DE UN RELÉ DIGITAL MULTIFUNCIÓN PARA PROTECCIÓN DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN

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1 X ERAC - Encuenro Regional bero-americano del CGRÉ Foz do guazú-pr, Brasil - 0 a 4 de mayo de 007 EXPERENCA EN EL AJUSTE DE UN RELÉ DGTAL MULTFUNCÓN PARA PROTECCÓN DE UN MOTOR DE NDUCCÓN J. Z. Vernieri * M. B. Barbieri * M. C. Beroqui * P. L. Arnera * * TREE-F-UNLP (nsiuo de nvesigaciones Tecnológicas para Redes y Equipos Elécricos-Faculad de ngeniería-universidad Nacional de La Plaa) RESUMEN En el presene rabajo se describen los pasos empleados durane00 el ajuse de un relé digial mulifunción para un moor de inducción de aplicación en la indusria peroquímica, de manera de compaibilizar el ajuse de la proección con las especificaciones y limiaciones del moor. Sólo se incluye el módulo de sobrecarga por la complejidad que presena. La fala de información incluida en el manual écnico de la proección hace necesario, para su correco ajuse, una erpreación del modelo dinámico de calenamieno implíciamene asumido por la proección. Se presenan los daos disponibles del moor bajo esudio, uilizados para ajusar los parámeros del relé. PALABRAS-CLAVE Proección de moores de inducción, micrrocesador, arranques, calenamieno. 1. NTRODUCCÓN El objeivo del presene rabajo es brindar la experiencia adquirida durane el ajuse de una proección digial para un moor de inducción de 810 kw y 6,6 kv de ensión nominal. La proección analizada [1] es un relé versáil mulifunción basado en un micrrocesador y diseñado principalmene para proeger moores en un amplio rango de aplicaciones. 1.1 Caracerísicas de la proección La proección egral del moor bajo análisis iene disponibles una gran canidad funciones de proección [1]. En paricular el módulo de sobrecarga érmica requiere de un profundo análisis e erpreación de sus parámeros de ajuse para de esa manera lograr un ajuse ópimo que permia un apriado uso del moor. 1. Daos del Moor 1

2 X ERAC - Encuenro Regional bero-americano del CGRÉ Foz do guazú-pr, Brasil - 0 a 4 de mayo de 007 El moor es una máquina de inducción rifásica, roor ipo jaula ardilla. Los daos del moor fueron enregados por el proveedor, volcándose a coninuación aquellos necesarios para realizar el ajuse de la proección: - Poencia : 810 kw - Tensión nominal: 6600 V - Corriene nominal (n) : 98,66 A - Méodo de arranque: direco - Corriene de arranque a % Un : 6 n (59 A) - Tiempo de arranque a % Un: 4,5 seg - Corriene de arranque a 80% Un : 4,5 n (444 A) - Tiempo de arranque a 80% Un : 9,8 seg - Consane de iempo de calenamieno: 177 minuos - Consane de iempo de enfriamieno: 888 minuos - Temperaura ambiene considerada 40ºC - Aislación clase F - EX E Moor, ZONE1, GROUP C, T3 (00ºC), iempo Te=8 seg. - Curvas de límie érmico se indican en la Fig. 1. De las curvas del límie érmico se obiene que el comporamieno a roor bloqueado se corresponde a curvas del ipo = consane, donde es la corriene del moor o Para roor bloqueado en frío = 551. o Para roor bloqueado en caliene = La curva de sobrecarga es única y los valores exraídos se indican en la Tabla. - El moor es apo para res (3) enaivas consecuivas de arranques en frío y un arranque adicional desés de esar 0 minuos en marcha o bien desés de 45 minuos parado, habiendo llegado aneriormene a su emperaura nominal. [.] TABLA CURVA DE SOBRECARGA [s] 1,5 0,0 1,50 450,0 1,70 300,0,00 00,0,70,0 1.3 Daos de los Transformadores de Corriene Los ransformadores de corriene de fase (T) uilizados para alimenar la unidad de proección ienen la siguiene relación de ransformación: A /5 A.. AJUSTE DEL MÓDULO DE SOBRECARGA.1 Descripción del módulo de sobrecarga

3 X ERAC - Encuenro Regional bero-americano del CGRÉ Foz do guazú-pr, Brasil - 0 a 4 de mayo de 007 Ese módulo deeca sobrecargas de cora y larga duración. El manual écnico de la proección [1], no explicia el modelo que usa para represenar al comporamieno érmico del moor, sin embargo es posible deducir que se basa en un modelo de primer orden, con una sola consane de iempo. Resula imporane poder comprender, a ravés de dicho modelo, la ecuación del iempo de eración aplicada por la proección, para de esa manera erprear los diferenes parámeros que en ella aparecen. Esos parámeros se ajusarán omando en consideración las curvas de límie érmico provisas por el fabricane (curvas límies a roor bloqueado en frío, a roor bloqueado en caliene, curvas de sobrecarga), de manera al de que el ajuse de la proección sea apriado para los diferenes modos de funcionamieno, sea en sobrecarga, como en el arranque, o ane sucesivos arranques. A coninuación se deducirá la ecuación del iempo de eración de la proección, suponiendo que la misma se basa en el comporamieno érmico del moor, asumido como un modelo de primer orden. El incremeno de emperaura en el moor a roor bloqueado, según el modelo considerado de primer orden, sigue una curva exponencial cuya asínoa depende del caudal érmico o poencia, siendo la poencia prorcional al cuadrado de la corriene. Ane un aumeno en forma de escalón en la corriene, desde corriene nula, la dinámica de calenamieno del moor sigue la curva exponencial: T = k (1 exp( / τ )) (1) Donde T es el incremeno de emperaura respeco de la emperaura ambiene; k es una consane que iene en cuena la resisencia óhmica del arrollamieno así como su coeficiene de ransferencia de calor con el medio refrigerane; es la corriene del moor, es el iempo y τ es la consane de iempo que iene en cuena ano la capacidad calorífica de las masas como el coeficiene de ransferencia de calor con el medio refrigerane. La proección define una corriene de plena carga del moor,. Para una emperaura ambiene de 40ºC, se le asigna a el valor de la corriene nominal del moor ( = n). Según el manual de la proección bajo análisis, un incremeno de la corriene desde un valor nulo hasa el 105% de, a una emperaura ambiene de 40ºC, finalmene causará el disparo de la misma. Es decir, pariendo del moor sin carga, para una emperaura ambiene de 40ºC, aplicando una corriene un 5% superior a, en esado esacionario ( ) se alcanzará la máxima emperaura admisible. De esa manera se ede obener el máximo incremeno de emperaura por sobre la emperaura ambiene de 40ºC, T max que admie esa proección: T = k(1.05 ) max () Una vez deerminado el T max se ede obener la curva equivalene de iempo-corriene de la proección, despejando de (1) para un incremeno de emperaura igual al máximo. Es decir se ede obener para cada valor de corriene cuál es el iempo en que el moor arda en alcanzar la máxima emperaura admisible cuando la emperaura ambiene es 40ºC y pariendo del moor en frío. A ese iempo se lo llama iempo de eración ( ), para el cual a la corriene de sobrecarga ( >) se alcanza la máxima emperaura admisible cuando la emperaura ambiene es 40ºC: T max = k ( 1 exp( / τ )) (3) De donde se obendrá el iempo de eración ( ), para el moor en frío, en que se alcanza el máximo incremeno de emperaura T max : 3

4 X ERAC - Encuenro Regional bero-americano del CGRÉ Foz do guazú-pr, Brasil - 0 a 4 de mayo de 007 = τ ln (1.05) (4) Donde la corriene se expresa en por unidad de. La ecuación (4) expresa el iempo de eración de la proección, en función de la corriene en por unidad, considerando que se ha alcanzado la máxima emperaura, y suponiendo una emperaura ambiene igual a 40ºC y el moor previamene sin carga. Uno de los parámeros a ajusar en la proección es el definido como, el cual deermina el iempo de eración para una corriene de carga de 6 veces la corriene de plena carga (), sin carga previa. Reemplazando en (4) resula: 6 τ = τ ln = (5) Exrayendo τ de (5) y reemplazándolo en (4) obenemos: ( ) = 3.15 ln (1.05) (6) La ecuación (6) da la curva de iempo-corriene de eración en frío, es decir suponiendo al moor sin carga previa, con la que acuaría la proección para proveer proección érmica ane sobrecargas (válido para > 1.05). Sin embargo en el manual écnico de la proección [1], aparece esa ora expresión: = 3.15 ln p prior 1.05 (7) Evidenemene esa expresión iene en cuena, a ravés del segundo érmino del numerador del argumeno del logarimo, el esado de carga previo del moor, asumiendo que el mismo endrá una emperaura superior a la emperaura ambienal. A coninuación erprearemos la expresión (7). Por una pare cuando el moor esá en regimen de carga, la emperaura del moor será superior a la emperaura ambiene. Por ora pare cuando el moor esá erando con carga el valor de emperaura de esado esacionario es algo menor que el que se obendría con (1) ya que (1) no iene en cuena el efeco de la venilación que exise cuando el moor esá en marcha. Una forma de ener en cuena ese efeco es uilizando la misma expresión (1) pero afecando a la consane k con un facor p, variable de 0 al %. El facor p, es uno de los parámeros a ajusar de la proección. El incremeno de emperaura alcanzado por el moor en régimen, es decir para iempo infinio, resulará enonces: pk T r = prior (8) 4

5 X ERAC - Encuenro Regional bero-americano del CGRÉ Foz do guazú-pr, Brasil - 0 a 4 de mayo de 007 De esa manera, si esando el moor con carga ( prior ), se produce un incremeno de la corriene en forma de escalón desde el valor prior hasa un valor, la evolución de la emperaura responderá a la siguiene ecuación: T = k pk (1 exp( / τ )) + prior exp( / τ ) (9) El primer érmino de (9) represena la evolución de la emperaura debido a la circulación de una corriene, mienras que el segundo érmino represena la disminución de la emperaura previamene alcanzada en régimen con prior. Suponiendo que el máximo incremeno de emperaura admisible se alcanza en un iempo : T max = k pk ( k prior ) exp( / τ ) (10) Despejando y reemplazando T max de () y τ de (5), se obiene: = 3.15 ln p prior 1.05 (11) El facor de peso p deermina la incidencia de la corriene previa ( prior ) de manera al que debería elegirse el valor apriado para que la curva de iempo de eración en caliene se ajuse adecuadamene a la curva límie érmico en caliene dada por el fabricane. A su vez, para ener en cuena una emperaura ambiene (Ta) diferene a 40ºC, en lugar del valor de corriene de plena carga la proección uiliza un valor erno el cual depende de la emperaura ambiene de acuerdo a: Ta<0ºC 0ºC<Ta<40ºC Ta=40ºC 40ºC<Ta<65ºC Ta>65ºC =*1,09 =(1,18-Ta*0,09/0) = =(1-(Ta-40)/) =*0,75 Por lo ano el iempo de eración ( ) en caliene, para una corriene de sobrecarga ( >) será: = 3.15 ln p prior 1.05 (1) La expresión (1) así deducida coincide con la ecuación planeada por la proeccióny da la curva de iempo-corriene de eración en caliene. 5

6 X ERAC - Encuenro Regional bero-americano del CGRÉ Foz do guazú-pr, Brasil - 0 a 4 de mayo de 007 El funcionamieno de ese módulo de sobrecarga ede resumirse así: cuando una o varias corrienes de fase exceden el valor erno por más del 5 %, la proección comenzará a evaluar el esado érmico del moor. Deerminará un iempo de eración, según (1), uilizando el valor de, el valor ajusado para el parámero, el valor ajusado para el parámero p, y para el valor leído de carga previa del moor ( prior ).. Ajuse de los parámeros del módulo de sobrecarga En la Fig. 1 se muesran las curvas del límie érmico a roor bloqueado del moor, correspondiene al, en frío y en caliene y la curva de sobrecarga permiida del moor, según la información enregada por el fabricane. Esas curvas son usadas para ajusar los parámeros de ese módulo...1 Cálculos para el ajuse de y p Si bien la proección permie obener el valor de la emperaura ambiene a ravés de sensores de emperaura (RTD), al no haber sido insalados los mismos, se consideró un valor fijo, Ta = 40ºC, por lo ano =. Según la proección bajo análisis el parámero es, por definición, el iempo de eración para una corriene de carga de 6 veces la corriene de plena carga (), sin carga previa. Del relevamieno de la curva de límie érmico a roor bloqueado en frío del moor a proeger (Fig. 1), se obiene para = 6, un valor de 15.3 s. Para ener un margen enre la curva de eración de la proección y la curva de límie érmico del moor, se prone ajusar el parámero en 14 s. 000 _ caliene 00 0 Tiem po [s] _ frio lim_er frío lim_er caliene _arranque 3 Sobrecarga 10 Fig. 1. Curvas de límie érmico del moor, y curvas de arranque Corriene [] Fig.. Curvas de proección: iempo de eración-corriene en frío y en caliene. Curvas de límie érmico del moor en frío, en caliene. Curva de sobrecarga del moor. Punos de arranque del moor, para diferenes ensiones. De esa manera se obiene una curva de eración en frío: _ frío = 3.15*14* ln (1.05) (13) 6

7 X ERAC - Encuenro Regional bero-americano del CGRÉ Foz do guazú-pr, Brasil - 0 a 4 de mayo de 007 En la Fig.. se observa el correco ajuse de la curva de eración en frío respeco de la curva límie érmico en frío del moor. Para deerminar la curva de eración en caliene, debe calcularse el ajuse del parámero p que permia adaparse a la curva límie érmico en caliene del moor. De la curva límie érmico en caliene del moor se obiene un iempo de 8 s para = 6. Para que quede proegido el moor y no se supere su curva límie en caliene, el iempo de acuación del módulo de sobrecarga de la proección deberá ser ajusado en un valor menor a los 8 s. Tomando un iempo de eración = 7.3 s para = 6, p ede ser despejado de (14) considerando = 14 s e prior = 1 : De donde se obiene p = 53 %. p = 3.15*14*ln (14) Con esos valores de ajuse la curva iempo de eración-corriene en frío (13) proege a la curva límie érmico en frío ( prior = 0) y la curva iempo de eración-corriene (15) proege a la curva límie érmico en caliene ( prior = 1 ), al como se observa en la Fig.. Ambas curvas de eración proegen al moor frene a sobrecargas. _ caliene 3.15*14*ln = 0.53 (1.05) (15) A parir del valor de ajuse de = 14 s y despejando τ de (5) resula τ = 450 s. Esa consane de iempo corresponde a condiciones de roor bloqueado, siendo mucho menor a la consane de calenamieno dada como dao por el fabricane, τ ho = 177 minuos. Esa úlima consane de iempo considera el calenamieno uniforme de la masa del moor como un odo, mienras que las curvas límies a roor bloqueado ienen en cuena el calenamieno que sufren algunas pares del moor, es decir iene en cuena la presencia de nos calienes... Verificación del número de arranques en calienes Según los daos del fabricane con una ensión del % Un, la corriene de arranque del moor (sar) resula 6 y el iempo de arranque 4.5 s. Con el ajuse proeso para el módulo de sobrecarga, el iempo de eración en caliene a parir de (15) resula de 7.3 s, permiiendo sólo un arranque en caliene. Con una ensión del 80 % Un, la corriene de arranque del moor resula 4.5 y el iempo de arranque 9.8 s. Con el ajuse proeso para el módulo de sobrecarga, el iempo de eración en caliene a parir de (15) resula de 13. s, permiiendo ambién sólo un arranque en caliene...3 Verificación del número de arranques en frío Considerando el arranque del moor a ensión plena ( %Un), del ajuse proeso para el módulo de sobrecarga, el iempo de eración en frío a parir de (13) resula de 14 s, permiiendo hasa res arranques en frío con un escaso margen de seguridad. Considerando el arranque del moor al 80 % Un, del ajuse proeso para el módulo de sobrecarga, el iempo de eración en frío a parir de (13) resula de 7. s, permiiendo sólo dos arranques en frío, pero con un amplio margen. 7

8 X ERAC - Encuenro Regional bero-americano del CGRÉ Foz do guazú-pr, Brasil - 0 a 4 de mayo de 007 En consecuencia ede asegurarse que el ajuse proeso para el módulo de sobrecarga permie un solo arranque en caliene, o hasa dos arranques en frío, para una ensión del 80% Un, que corresponde a la peor condición de arranque. 3. RESUMEN Y CONCLUSONES El presene rabajo describe la experiencia en el ajuse del módulo de sobrecarga de un relé mulifunción de proección de moores de inducción, para lo cual fue necesario deducir el algorimo empleado implíciamene por la proección. El algorimo descrio muesra cómo ede ser ajusada apriadamene la función de sobrecarga de manera de eviar que se alcancen las curvas de límie érmico del moor. Se observa que el ajuse proeso para el módulo de sobrecarga, al permiir sólo dos arranques en frío consecuivos ó uno en caliene resula más resricivo que las indicaciones del fabricane (ver no.), que permien res enaivas consecuivas de arranques en frío y un arranque adicional desés de esar 0 minuos en marcha o bien desés de 45 minuos parado, habiendo llegado aneriormene a su emperaura nominal. Eso se debe al hecho de que al no conar con llave de velocidad que deece la aceleración del moor, el mismo debe ser proegido para la peor condición que es a roor bloqueado. Durane un arranque normal, el moor recibirá una venilación adicional que no ha sido enida en cuena en la presene proesa de ajuse de la proección, ya que el modelo implíciamene uilizado por la proección sólo conempla en la ecuación diferencial un único valor para la consane de iempo τ y un único valor para la consane érmica k, asociados a la condición de roor bloqueado, sin venilación. Sin embargo la presencia del facor de peso p en el algorimo de la proección se erprea como una forma de ener en cuena el efeco de la venilación en el esado érmico previo. BBLOGRAFÍA [1] ABB, "REM 610 Moor Proecion Relay," Disribuion Auomaion, Vaasa, Finland, Technical Reference Manual, 1MRS 7563-MUM Version B/ [] B. Venkaaraman, B. Godsey, E. Shulman, M. Thakur, R. Midence, "Fundamenals of a moor hermal model and is applicaions in moor proecion," in Conference Record of 005 Annual Pulp and Paper ndusry Technical Conference, pp [3] M.S. Abou-El-Ela, A.. Megahed, O.P. Malik, "Thermal model based digial relaying algorihm for inducion moor proecion," 1996 Canadian Conference on Elecrical and Comer Engineering, pp vol.. [4] S. E. Zocholl and G. Benmouyal, "Using Thermal Limi Curves o Define Thermal Models of nducion Moors," in Proc. of he 8h Annual Wesern Proecive Relay Conference, Spokane, WA, Ocober 3 5, 001. [5] EEE Guide for AC Moor Proecion, EEE Sandard C , Sep [6] EEE Guide for he Presenaion of Thermal Limi Curves for Squirrel Cage nducion Machines, EEE Sandard