Protecciones Eléctricas Clave para Alternadores y Equipos de Subestación

Protecciones del Alternador

Protección Diferencial (87G)

Causa

Faltas internas entre fases (F-F) o entre fase y tierra (F-T) dentro de la zona protegida (bobinados del estator).

Efectos de la Falla

• Dilatación de la chapa del estator (efectos térmicos).
• Torsión del eje del rotor (efectos mecánicos severos).

Ajustes Típicos

Corriente diferencial de arranque (Id>) ajustada entre el 5% y el 15% de la corriente nominal del generador (In), con un tiempo de actuación rápido (ej., 20-30 ms) o ligeramente temporizado (ej., 200 ms) según la filosofía de protección.

Protección PAT Estator (Puesta a Tierra) (64G / 59N)

Funcionamiento

Detecta la intensidad o tensión de derivación entre la carcasa (chapa metálica) del estator y tierra. Comúnmente, se instala una resistencia (o transformador) de puesta a tierra en el neutro del generador y se mide la corriente (o tensión) residual en este punto.

Causas

Faltas a tierra en el bobinado del estator, generalmente debidas a sobretensiones o degradación del aislamiento.

Riesgos

• Efectos térmicos en el punto de falla.
• Deformación de la chapa del estator si la corriente de falta es elevada.

Ajustes Típicos

Diseñada para proteger un alto porcentaje del bobinado (típicamente el 95%, dejando desprotegida una pequeña parte cerca del neutro). Tiempo de actuación rápido (ej., 20-100 ms).

Protección de Faltas a Tierra del Rotor (64R)

Funcionamiento

Detecta derivaciones (pérdida de aislamiento) a tierra en el bobinado del rotor (circuito de excitación, Iexc).

Importancia

Una primera conexión a tierra en el circuito rotórico no suele ser crítica para la operación inmediata, pero crea una condición peligrosa. Una segunda conexión a tierra provoca un cortocircuito en el bobinado del rotor, causando daño severo y potencialmente instantáneo.

Riesgos (ante segunda falta)

• Vibraciones severas del rotor.
• Deformación o destrucción de la chapa del rotor debido a las fuerzas electromagnéticas y calentamiento.

Protección contra Sobretensiones (59G)

Causas

• Maniobras en la red eléctrica (conexiones/desconexiones).
• Descargas atmosféricas (rayos) directas o inducidas.
• Rechazo brusco de carga (pérdida súbita de carga conectada al generador).
• Paso a funcionamiento en isla (el generador alimenta una carga aislada).

Riesgos

• Fallas en el aislamiento de los bobinados y equipos asociados.
• Saturación magnética de núcleos de transformadores conectados.
• Generación de armónicos debido a la saturación.

Ajustes Típicos (Característica de tiempo inverso)

• Nivel 1 (ej., 1.1 a 1.2 Vg): Actuación temporizada (ej., t = 10-60 s).
• Nivel 2 (ej., 1.2 a 1.4 Vg): Actuación según curva de tiempo inverso (más rápido a mayor tensión).
• Nivel 3 (ej., > 1.4 Vg): Disparo instantáneo (t ≈ 0 s).

(Vg = Tensión nominal del generador)

Protección de Frecuencia (81 O/U)

Causas (Sobrefrecuencia - 81O)

• Deslastre (pérdida) súbito de carga eléctrica.
• Paso a funcionamiento en isla con exceso de potencia generadora respecto a la carga.

Causas (Subfrecuencia - 81U)

• Sobrecarga del generador o del sistema.
• Pérdida de unidades de generación importantes en el sistema interconectado.

Riesgos

• Sobrefrecuencia: Embalamiento de la turbina/motor primario, vibraciones, tensiones mecánicas excesivas en cojinetes y, en turbinas, en los álabes.
• Subfrecuencia: Operación inestable, riesgo de pérdida de sincronismo, posible sobrecalentamiento por operación fuera de la relación V/Hz nominal (especialmente en motores y transformadores).

Ajustes Típicos (para sistema de 50 Hz)

• Sobrefrecuencia (81O): Varios escalones, ej., 51.5 Hz (temporizado), 52 Hz (más rápido).
• Subfrecuencia (81U): Varios escalones, ej., 48.5 Hz (temporizado), 47.5 Hz (más rápido, puede iniciar deslastre de cargas).

Protección contra Carga Desequilibrada (Secuencia Inversa) (46)

Causas

• Cargas monofásicas importantes o muy desequilibradas conectadas al sistema.
• Faltas asimétricas (ej., fase-tierra, fase-fase) en la red externa.
• Reactancias de línea desiguales (menos común).

Riesgos

La carga desequilibrada produce corrientes de secuencia inversa en el estator. Estas inducen corrientes de doble frecuencia (ej., 100 Hz en sistema de 50 Hz) en el rotor, provocando un sobrecalentamiento localizado muy peligroso (especialmente en rotores de polos salientes y en las cuñas y amortiguadores de rotores cilíndricos) y vibraciones.

Ajustes Típicos

• Basados en la capacidad del generador para soportar corrientes de secuencia inversa (I₂).
• Suelen seguir una característica de tiempo inverso (I₂²t = K), donde K es una constante que depende del diseño del generador.
• Normas ANSI e IEC definen curvas y niveles típicos (ej., disparo temporizado para I₂ continuo del 8-15% In, disparo rápido para niveles altos).

Protección de Sobreintensidad (50/51)

Funcionamiento

Monitoriza la corriente de fase (Ip) que circula por los bornes del generador.

• Función 51 (Temporizada): Actúa ante sobrecargas, con un tiempo de retardo que puede ser definido o inverso (mayor corriente, menor tiempo).
• Función 50 (Instantánea): Actúa sin retardo intencional ante corrientes muy elevadas, típicas de cortocircuitos.

Causas

• Sobrecargas prolongadas en el generador.
• Cortocircuitos externos (en la red) o internos (como respaldo a otras protecciones).

Riesgos

• Daños térmicos por sobrecarga (envejecimiento acelerado o destrucción del aislamiento).
• Daños electromecánicos por las fuerzas generadas durante un cortocircuito.

Protección Térmica (Imagen Térmica) (49)

Funcionamiento

Estima la temperatura de los bobinados (principalmente estator, a veces rotor) basándose en la medición de la corriente y un modelo matemático que simula el calentamiento y enfriamiento de la máquina. Puede incorporar la temperatura ambiente medida. Genera una señal de alarma a un nivel de temperatura predefinido y una señal de disparo a un nivel superior para prevenir el daño térmico del aislamiento.

Protección Diferencial para Motores (87M) o Transformadores (87T) en Servicios Auxiliares (SSAA)

Funciona bajo el mismo principio que la protección diferencial del generador (87G), comparando corrientes de entrada y salida. Se aplica a equipos críticos dentro de los servicios auxiliares de la central, como motores grandes (ej., P > 200 kW) o transformadores de potencia.

Subestaciones Eléctricas

Características de Equipos de Maniobra (Interruptores, Disyuntores)

• Poder de corte nominal: Máxima corriente de cortocircuito (valor eficaz de la componente alterna) que el aparato puede interrumpir bajo condiciones especificadas.
• Poder de cierre (o de conexión) nominal: Máximo valor de cresta de la corriente que el aparato puede establecer bajo condiciones especificadas (importante por los esfuerzos electrodinámicos).
• Corriente de corta duración admisible (Icw): Valor eficaz de la corriente que el aparato puede soportar en posición cerrada durante un tiempo especificado (ej., 1s o 3s) sin sufrir daños.
• Secuencia de maniobra nominal (Ciclo O-CO): Define la capacidad del aparato para realizar una secuencia de operaciones estándar (ej., O - 0.3s - CO - 3min - CO).
• Intensidad límite térmica: Relacionada con la Icw, representa el límite térmico.
• Intensidad límite dinámica: Relacionada con el poder de cierre, representa el límite de esfuerzos mecánicos.

Tipos de Equipos de Maniobra

Seccionador

Aparato mecánico de conexión/desconexión que, en posición abierta, asegura una distancia de seccionamiento que garantiza el aislamiento eléctrico (usualmente visible). Está diseñado para abrir o cerrar un circuito sin carga significativa (no puede interrumpir corriente nominal ni de cortocircuito, aunque sí pequeñas corrientes capacitivas o inductivas según su tipo).

Interruptor (en carga)

Aparato capaz de establecer, soportar e interrumpir corrientes en las condiciones normales de servicio, incluyendo corrientes de sobrecarga especificadas. Puede establecer corrientes de cortocircuito, pero no está diseñado para interrumpirlas.

Interruptor-Seccionador

Un interruptor que, en la posición abierta, cumple con los requisitos de aislamiento de un seccionador.

Disyuntor

Interruptor capaz de establecer, soportar e interrumpir corrientes de cortocircuito bajo condiciones especificadas. Es el elemento principal de protección contra cortocircuitos. Su operación de apertura suele ser automática, comandada por relés de protección, aunque también dispone de mando local (manual o eléctrico).

Tecnología de Extinción (Ejemplo: SF₆)

El Hexafluoruro de Azufre (SF₆) es un gas ampliamente utilizado en disyuntores de media y alta tensión por sus excelentes propiedades dieléctricas (aislantes) y de extinción del arco eléctrico. Su uso permite:

• Reducir la distancia entre los contactos.
• Lograr tiempos de interrupción (apertura) más rápidos.
• Minimizar el mantenimiento requerido.
• Construir equipos más compactos.

Configuraciones Típicas de Barras en Subestaciones

• Barra simple: La configuración más sencilla y económica, pero menos flexible y fiable.
• Barra simple con barra de transferencia (by-pass): Permite mantener el servicio de una línea mientras se realiza mantenimiento a su interruptor.
• Barra simple seccionada: Divide la barra principal con un interruptor (o seccionador) de acoplamiento, mejorando la fiabilidad.
• Doble barra: Alta flexibilidad y fiabilidad, permite operar con cualquiera de las dos barras y transferir circuitos entre ellas sin interrupción (usando acoplamiento).
• Doble barra con barra de transferencia: Combina las ventajas de las dos configuraciones anteriores.
• Doble barra con doble interruptor por posición: Máxima fiabilidad, cada circuito se conecta a ambas barras a través de su propio interruptor.
• Interruptor y medio (o tres interruptores cada dos posiciones): Configuración muy fiable y flexible, común en alta tensión. Tres interruptores conectan dos circuitos a las barras.
• Anillo (o malla): Configuración fiable donde los interruptores forman un anillo al que se conectan los circuitos.

Transformadores de Medida y Protección

Transformador de Intensidad (TI)

• Conexión: El devanado primario se conecta en serie con el circuito principal cuya corriente se desea medir o proteger.
• Precaución Fundamental: El circuito secundario de un TI nunca debe dejarse en circuito abierto mientras el primario está energizado. Si se abre, toda la corriente primaria se convierte en corriente de magnetización, induciendo tensiones muy elevadas y peligrosas en el secundario, y pudiendo dañar el TI. El secundario siempre debe estar conectado a su carga (instrumentos, relés) o cortocircuitado en los bornes secundarios si no se usa.
• Parámetros Clave: Corriente primaria nominal (In_prim), corriente secundaria nominal (In_sec, usualmente 1A o 5A), relación de transformación nominal (Kn = In_prim / In_sec).
• Errores: Error de relación (diferencia porcentual entre la relación real y la nominal) y error de ángulo de fase (desfase entre la corriente primaria y secundaria referida al primario).
• Clase de Precisión y Potencia (o Carga Nominal - Burden): Define los límites de error permitidos para una carga conectada al secundario. Ejemplos: Clase 0.5, 15 VA (para medida); Clase 5P10 (para protección, indica error compuesto <5% a 10 veces la corriente nominal).

Transformador de Tensión (TT)

• Conexión: El devanado primario se conecta en paralelo (derivación) entre las fases o entre fase y tierra del circuito principal cuya tensión se desea medir o proteger.
• Función: Reducir la tensión del sistema primario a valores secundarios seguros y estandarizados (ej., 100V, 110V, 100/√3 V, 110/√3 V) para alimentar instrumentos de medida y relés de protección.
• Precaución: El circuito secundario de un TT puede dejarse en circuito abierto sin peligro, pero nunca debe cortocircuitarse. Un cortocircuito en el secundario se reflejaría como una impedancia muy baja en el primario, provocando una corriente muy elevada similar a un cortocircuito franco en la red primaria a través del TT, lo que lo destruiría.
• Parámetros Clave: Tensión primaria nominal (Vn_prim), tensión secundaria nominal (Vn_sec), relación de transformación nominal (Kn = Vn_prim / Vn_sec).
• Clase de Precisión y Potencia (o Carga Nominal - Burden): Similar a los TI, define la precisión (errores de tensión y ángulo) para una carga específica conectada al secundario.