Tema5
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TEMA 5PROTECCIONES: GENERALIDADES, CONDICIONES A SATISFACERFiabilidad: Un fallo en un equipo de protección puede ocasionar daños muy superiores al valor del propio equipo, por lo que es esencial la fiabilidad del mismo. Las averías en los equipos de protección pueden fácilmente permanecer ocultas ya que estos sistemas están normalmente inactivos, si bien deben estar permanentemente preparados para actuar instantáneamente, aún en condiciones adversas (cortocircuitos).Sensibilidad: Estos sistemas deben garantizar la actuación para el valor mínimo de la perturbación que pueda aparecer en el lugar del defecto, pero deben permanecer inactivos en las condiciones nominales máximas o ante operaciones normales como conexión, desconexión, etc.Rapidez: Los daños producidos por un arco eléctrico son proporcionales a la duración de este, análogamente, el riesgo de inestabilidad por pérdida de sincronismo aumenta con la duración del fallo. No obstante ciertos relés actúan después de un tiempo de retardo, bien sea prefijado o dependiendo del valor de esta magnitud.Selectividad: Sabemos que cuando se produce una perturbación, ésta se propaga al resto de la red y a veces lo hace con una magnitud suficiente para activar equipos destinados a proteger otras zonas, siendo por tanto necesario disponer de una selectividad en las protecciones, de tal suerte que se active la protección más próxima al punto donde se ha producido la anomalía.Automaticidad: El funcionamiento de las protecciones no debe requerir la intervención humana. Todo sistema de protección debe estar diseñado de tal forma que el coste económico del mismo sea proporcional al coste de la instalación protegida, por tanto el sistema de protecciones será tanto más complejo, cuanto mayor sea la potencia y complejidad de la central.PROTECCIÓN DIFERENCIAL DEL ALTERNADORLa protección diferencial del alternador protege al mismo frente a derivaciones a tierra de una fase o cortocircuitos entre fases, estando basada en la comparación de dos intensidades medidas en distintos puntos. Normalmente estas intensidades son iguales, pero cuando se produce un fallo, toman distintos valores y provocan la actuación del relé diferencial. Para el caso de los generadores se obtiene la protección diferencial mediante transformadores de intensidad conectados según la figura, que determinan corrientes proporcionales a las corrientes a medir y el relé se activa cuando la diferencia entre dichas corrientes alcanza un cierto valor.
Los elementos de protección son:
- 87: Relé de protección diferencial, es un relé que funciona para un determinado porcentaje, ángulo de fase u otra diferencia cuantitativa entre dos intensidades o entre algunas otras cantidades eléctricas.
- 86: Relé de disparo, es un relé operado eléctricamente y de reposición manual o eléctrica que funciona para dejar fuera de servicio un equipo cuando aparecen condiciones anormales de funcionamiento.
- 52: Interruptor de potencia en corriente alterna, se utiliza para cerrar ó abrir un circuito de potencia en corriente alterna en condiciones normales, o bien abrir en caso de falta o emergencia.
PROTECCIÓN FRENTE A DEFECTOS A TIERRA DEL ESTATOR DEL ALTERNADORA pesar de las mejoras introducidas en la elaboración de los aislamientos de las máquinas eléctricas de alta tensión, sigue siendo el contacto a tierra una de las averías más frecuentes.Por este motivo debe intentarse:
a) Detectar contactos a tierra en toda la zona de los devanados, inclusive en el centro de estrella.
b) Desconectar el generador y su excitación lo más rápidamente posible, en caso de contacto a tierra del estator.
c) Mantener las corrientes de contacto a tierra tan pequeñas que no produzcan daños en las chapas del estator.
d) Aumentar de tal forma la selectividad de la protección, que sea insensible frente a perturbaciones y contactos a tierra en la red.
. Existen diferentes formas de realizar esta protección:
Mediante la inyección de una baja frecuencia: Este sistema representado en la figura 6.13, consiste en inyectar en la puesta a tierra, una tensión con una frecuencia distinta a la fundamental y que no coincida con la de ningún subarmónico. En condiciones normales, mientras no exista un contacto a tierra en el estator, apenas circula corriente de esta frecuencia, puesto que el transformador de tensión está en vacío.
Solo en el caso de contacto a tierra, se cierra el circuito, aumenta la corriente y se excita el relé de intensidad desconectando el alternador. La corriente será tanto mayor, cuanto más cerca esté del punto de estrella el contacto a tierra. El ajuste del relé debe ser tal que garantice que solo funcionará para defectos a tierra en el estator de la máquina, por lo que se puede ajustar para que nos cubra entre el10 y 20 % del devanado estatórico.
Desplazando la tensión del neutro respecto a tierra: Cuando se desea que la protección funcione independientemente del punto del devanado en el que se ha producido el defecto, se recurre al método de desplazar la tensión del neutro respecto a tierra, tal como se indica en la figura 6.8 (transformador T), para que en cualquier caso exista una tensión suficiente para que la corriente de defecto sea detectada por el relé.
En efecto, cuando se produce una derivación a tierra en cualquiera de las dos fases en las que no se ha dispuesto el transformador T, la tensión generada en el secundario del mismo origina un valor de la corriente a tierra, suficiente para provocar la activación del relé 64, independiente del punto donde se ha producido la derivación. Para la fase que tiene dispuesto este transformador, si la derivación se origina en las proximidades del centro de estrella, la tensión generada no quedará sensiblemente modificada y en caso de producirse la derivación en el otro extremo del devanado, la tensión en el transformador T será nula, pero tendremos toda la tensión del devanado del alternador aplicada al cortocircuito, asegurando la activación del relé 64.
PERDIDA DE ESCITACIÓN DE UN ALTERNADOR
La pérdida de la excitación de un alternador puede ser debida a:
- Apertura no intencionada del interruptor de campo.
- Circuito de campo abierto o en cortocircuito.
- Avería en el regulador automático de tensión.
Cuando un generador pierde la excitación con una cierta carga, pierde también el sincronismo con la red y pasa a funcionar a una frecuencia superior a la del sistema, puesto que se anula inicialmente el par resistente definido por la potencia cedida por el alternador y se mantiene el par motor generado por el órgano de impulsión, por lo que en el alternador sincrónico aumenta la velocidad del rotor y pasa a funcionar como alternador asincrónico, absorbiendo energía reactiva de la red y cediendo a la misma energía activa.
Es necesario por tanto proteger el alternador frente a estos tipos de funcionamientos indeseados, aplicando las siguientes posibles soluciones:
1. Mediante un relé que controle la corriente de excitación.
2. Mediante un relé direccional de potencia reactiva en el estator de la máquina.
Disponiendo un relé sensible a la intensidad, se puede controlar el valor de la corriente de excitación y en su caso la anulación; como es lógico, el mismo propósito se puede conseguir con un relé de tensión conectado en paralelo con un shunt recorrido por la corriente de excitación. El mismo propósito persigue un relé direccional de potencia reactiva conectado al circuito estatórico del alternador, puesto que al funcionar subexcitado, absorbe energía reactiva de la red.
- 32: Relé direccional de potencia, es aquél que funciona cuando una determinada potencia fluye en una dirección dada, o bien cuando existe una inversión de potencia en un circuito.
- 40: Relé de falta de excitación, es un relé que funciona cuando la intensidad de excitación de una máquina falta, llega a un valor determinado, o se hace anormalmente baja, o bien por un excesivo valor de la componente reactiva del inducido en una máquina de corriente alterna, lo que supone una excitación baja y anormal del campo.
- 41: Interruptor de campo, es aquel que se utiliza para abrir o cerrar el campo de una máquina.
- 52: Interruptor de potencia en corriente alterna, se utiliza para cerrar ó abrir un circuito de potencia en corriente alterna en condiciones normales, o bien abrir en caso de falta o emergencia.
PROTECCIÓN CONTRA FALTA A TIERRA DEL ROTOR DEL ALTERNADOR
Un contacto unipolar a tierra en el rotor del alternador sincrónico, no perturba por sí solo el servicio de la máquina. En la mayoría de los casos, esta protección se instala solamente para dar una alarma. Se deja a criterio del personal de servicio, el momento más conveniente para dejar fuera de servicio el alternador y efectuar una medida exacta del contacto a tierra
El verdadero problema aparece con el segundo contacto a tierra; en este caso queda anulada una parte del devanado inductor la doble falta a tierra supone una distorsión del flujo del campo magnético creado por el devanado inductor, de forma que la fuerza de atracción puede ser muy poderosa en un polo y muy débil en el polo opuesto. Esta fuerza desequilibradora gira según lo hace el propio rotor, originando una violenta vibración que puede dañar los cojinetes e incluso desplazar el propio rotor. El alternador corre gravísimo peligro.
Entre los distintos métodos de protección tenemos:
Por inyección de una corriente alterna: Este método consiste en inyectar una corriente alterna en el circuito de excitación, asociado a un relé amperimétrico, la corriente alterna se obtiene a través del secundario de un transformador unido por un lado a tierra y por el otro al circuito de excitación por medio de un condensador que bloque la corriente continua. Intercalado en este circuito, se dispone un relé de intensidad capaz de detectar el paso de la corriente, de forma que cuando se produzca una derivación a masa, circulará una corriente que activará dicho relé (relé 64).
Este método puede presentar problemas si la capacidad a tierra del circuito de excitación es elevada, dando lugar a una corriente de fuga suficiente para activar el relé.
Método del potenciómetro: Método del potenciómetro: Este sistema de detección representado en la figura 6.18, es el más simple, se trata de una resistencia con una toma media, conectada en paralelo con el inductor. La toma media está conectada a tierra por medio de un conmutador y un relé que no actúa en condiciones normales. Cuando se produce un contacto a tierra, aparece una tensión en bornes del relé y éste se excita, cerrando con una cierta temporización un contacto de alarma.
-------------------------------
En el caso de la protección de los alternadores, los diferentes tipos de relés que se emplean, actuarán provocando las siguientes órdenes:
1. Generar una señal de alarma que puede ser óptica, acústica ó ambas a la vez.
2. Provocar la apertura del interruptor automático de conexión con la red. Esta orden se realiza a través de un relé de disparo.
3. Provocar la apertura del circuito de excitación
4. Parar el elemento motriz.
En el cuadro siguiente se indican las actuaciones de algunas de las protecciones comentadas :
NATURALEZA DE LA PROTECCIÓN ACTUACIÓN
ALARMA APERTURA INTERRUPTOR ALARMA APERTURA INTERRUPTOR APERTURA EXCITACIÓN PARADA MOTRIZ
Puesta a masa del estator SI SI SI SI
Protección diferencial SI SI SI SI
Falta excitación SI SI SI SI/NO
Sobretensión SI SI SI/NO NO
Sobrecarga del alternador SI SI NO NO
Puesta a masa del rotor SI NO NO NO
Los elementos de protección son:
- 87: Relé de protección diferencial, es un relé que funciona para un determinado porcentaje, ángulo de fase u otra diferencia cuantitativa entre dos intensidades o entre algunas otras cantidades eléctricas.
- 86: Relé de disparo, es un relé operado eléctricamente y de reposición manual o eléctrica que funciona para dejar fuera de servicio un equipo cuando aparecen condiciones anormales de funcionamiento.
- 52: Interruptor de potencia en corriente alterna, se utiliza para cerrar ó abrir un circuito de potencia en corriente alterna en condiciones normales, o bien abrir en caso de falta o emergencia.
PROTECCIÓN FRENTE A DEFECTOS A TIERRA DEL ESTATOR DEL ALTERNADORA pesar de las mejoras introducidas en la elaboración de los aislamientos de las máquinas eléctricas de alta tensión, sigue siendo el contacto a tierra una de las averías más frecuentes.Por este motivo debe intentarse:
a) Detectar contactos a tierra en toda la zona de los devanados, inclusive en el centro de estrella.
b) Desconectar el generador y su excitación lo más rápidamente posible, en caso de contacto a tierra del estator.
c) Mantener las corrientes de contacto a tierra tan pequeñas que no produzcan daños en las chapas del estator.
d) Aumentar de tal forma la selectividad de la protección, que sea insensible frente a perturbaciones y contactos a tierra en la red.
. Existen diferentes formas de realizar esta protección:
Mediante la inyección de una baja frecuencia: Este sistema representado en la figura 6.13, consiste en inyectar en la puesta a tierra, una tensión con una frecuencia distinta a la fundamental y que no coincida con la de ningún subarmónico. En condiciones normales, mientras no exista un contacto a tierra en el estator, apenas circula corriente de esta frecuencia, puesto que el transformador de tensión está en vacío.
Solo en el caso de contacto a tierra, se cierra el circuito, aumenta la corriente y se excita el relé de intensidad desconectando el alternador. La corriente será tanto mayor, cuanto más cerca esté del punto de estrella el contacto a tierra. El ajuste del relé debe ser tal que garantice que solo funcionará para defectos a tierra en el estator de la máquina, por lo que se puede ajustar para que nos cubra entre el10 y 20 % del devanado estatórico.
Desplazando la tensión del neutro respecto a tierra: Cuando se desea que la protección funcione independientemente del punto del devanado en el que se ha producido el defecto, se recurre al método de desplazar la tensión del neutro respecto a tierra, tal como se indica en la figura 6.8 (transformador T), para que en cualquier caso exista una tensión suficiente para que la corriente de defecto sea detectada por el relé.
En efecto, cuando se produce una derivación a tierra en cualquiera de las dos fases en las que no se ha dispuesto el transformador T, la tensión generada en el secundario del mismo origina un valor de la corriente a tierra, suficiente para provocar la activación del relé 64, independiente del punto donde se ha producido la derivación. Para la fase que tiene dispuesto este transformador, si la derivación se origina en las proximidades del centro de estrella, la tensión generada no quedará sensiblemente modificada y en caso de producirse la derivación en el otro extremo del devanado, la tensión en el transformador T será nula, pero tendremos toda la tensión del devanado del alternador aplicada al cortocircuito, asegurando la activación del relé 64.
PERDIDA DE ESCITACIÓN DE UN ALTERNADOR
La pérdida de la excitación de un alternador puede ser debida a:
- Apertura no intencionada del interruptor de campo.
- Circuito de campo abierto o en cortocircuito.
- Avería en el regulador automático de tensión.
Cuando un generador pierde la excitación con una cierta carga, pierde también el sincronismo con la red y pasa a funcionar a una frecuencia superior a la del sistema, puesto que se anula inicialmente el par resistente definido por la potencia cedida por el alternador y se mantiene el par motor generado por el órgano de impulsión, por lo que en el alternador sincrónico aumenta la velocidad del rotor y pasa a funcionar como alternador asincrónico, absorbiendo energía reactiva de la red y cediendo a la misma energía activa.
Es necesario por tanto proteger el alternador frente a estos tipos de funcionamientos indeseados, aplicando las siguientes posibles soluciones:
1. Mediante un relé que controle la corriente de excitación.
2. Mediante un relé direccional de potencia reactiva en el estator de la máquina.
Disponiendo un relé sensible a la intensidad, se puede controlar el valor de la corriente de excitación y en su caso la anulación; como es lógico, el mismo propósito se puede conseguir con un relé de tensión conectado en paralelo con un shunt recorrido por la corriente de excitación. El mismo propósito persigue un relé direccional de potencia reactiva conectado al circuito estatórico del alternador, puesto que al funcionar subexcitado, absorbe energía reactiva de la red.
- 32: Relé direccional de potencia, es aquél que funciona cuando una determinada potencia fluye en una dirección dada, o bien cuando existe una inversión de potencia en un circuito.
- 40: Relé de falta de excitación, es un relé que funciona cuando la intensidad de excitación de una máquina falta, llega a un valor determinado, o se hace anormalmente baja, o bien por un excesivo valor de la componente reactiva del inducido en una máquina de corriente alterna, lo que supone una excitación baja y anormal del campo.
- 41: Interruptor de campo, es aquel que se utiliza para abrir o cerrar el campo de una máquina.
- 52: Interruptor de potencia en corriente alterna, se utiliza para cerrar ó abrir un circuito de potencia en corriente alterna en condiciones normales, o bien abrir en caso de falta o emergencia.
PROTECCIÓN CONTRA FALTA A TIERRA DEL ROTOR DEL ALTERNADOR
Un contacto unipolar a tierra en el rotor del alternador sincrónico, no perturba por sí solo el servicio de la máquina. En la mayoría de los casos, esta protección se instala solamente para dar una alarma. Se deja a criterio del personal de servicio, el momento más conveniente para dejar fuera de servicio el alternador y efectuar una medida exacta del contacto a tierra
El verdadero problema aparece con el segundo contacto a tierra; en este caso queda anulada una parte del devanado inductor la doble falta a tierra supone una distorsión del flujo del campo magnético creado por el devanado inductor, de forma que la fuerza de atracción puede ser muy poderosa en un polo y muy débil en el polo opuesto. Esta fuerza desequilibradora gira según lo hace el propio rotor, originando una violenta vibración que puede dañar los cojinetes e incluso desplazar el propio rotor. El alternador corre gravísimo peligro.
Entre los distintos métodos de protección tenemos:
Por inyección de una corriente alterna: Este método consiste en inyectar una corriente alterna en el circuito de excitación, asociado a un relé amperimétrico, la corriente alterna se obtiene a través del secundario de un transformador unido por un lado a tierra y por el otro al circuito de excitación por medio de un condensador que bloque la corriente continua. Intercalado en este circuito, se dispone un relé de intensidad capaz de detectar el paso de la corriente, de forma que cuando se produzca una derivación a masa, circulará una corriente que activará dicho relé (relé 64).
Este método puede presentar problemas si la capacidad a tierra del circuito de excitación es elevada, dando lugar a una corriente de fuga suficiente para activar el relé.
Método del potenciómetro: Método del potenciómetro: Este sistema de detección representado en la figura 6.18, es el más simple, se trata de una resistencia con una toma media, conectada en paralelo con el inductor. La toma media está conectada a tierra por medio de un conmutador y un relé que no actúa en condiciones normales. Cuando se produce un contacto a tierra, aparece una tensión en bornes del relé y éste se excita, cerrando con una cierta temporización un contacto de alarma.
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En el caso de la protección de los alternadores, los diferentes tipos de relés que se emplean, actuarán provocando las siguientes órdenes:
1. Generar una señal de alarma que puede ser óptica, acústica ó ambas a la vez.
2. Provocar la apertura del interruptor automático de conexión con la red. Esta orden se realiza a través de un relé de disparo.
3. Provocar la apertura del circuito de excitación
4. Parar el elemento motriz.
En el cuadro siguiente se indican las actuaciones de algunas de las protecciones comentadas :
NATURALEZA DE LA PROTECCIÓN ACTUACIÓN
ALARMA APERTURA INTERRUPTOR ALARMA APERTURA INTERRUPTOR APERTURA EXCITACIÓN PARADA MOTRIZ
Puesta a masa del estator SI SI SI SI
Protección diferencial SI SI SI SI
Falta excitación SI SI SI SI/NO
Sobretensión SI SI SI/NO NO
Sobrecarga del alternador SI SI NO NO
Puesta a masa del rotor SI NO NO NO