Ultima edición el 16 septiembre, 2021 por JORGE CABRERA BERRÍOS
Un generador está sujeto a tensiones eléctricas impuestas sobre el aislamiento de la máquina, fuerzas mecánicas que actúan sobre las diversas partes de la máquina y aumento de temperatura. Estos son los principales factores que hacen necesaria la protección del generador o alternador . Incluso cuando se utiliza correctamente, una máquina en perfecto estado de funcionamiento no solo mantiene su rendimiento nominal especificado durante muchos años, sino que también resiste repetidamente cierto exceso de sobrecarga.
Se deben tomar medidas preventivas contra sobrecargas y condiciones anormales de la máquina para que pueda servir de manera segura. Incluso asegurando un diseño, construcción, operación y medios preventivos de protección eficientes, el riesgo de una falla no se puede eliminar por completo de ninguna máquina. Los dispositivos utilizados en la protección del generador , aseguran que cuando surge una falla, se elimine lo más rápido posible.
Un generador eléctrico puede estar sujeto a una falla interna o externa o ambas. Los generadores normalmente están conectados a un sistema de energía eléctrica , por lo tanto, cualquier falla que ocurra en el sistema de energía también debe eliminarse del generador lo antes posible, de lo contrario, puede crear un daño permanente en el generador.
La cantidad y variedad de fallas que ocurren en un generador son enormes. Es por eso que el generador o alternador está protegido con varios esquemas de protección. La protección del generador es tanto de tipo discriminativo como no discriminativo. Se debe tener mucho cuidado al coordinar los sistemas utilizados y los ajustes adoptados para asegurar que se logre un esquema de protección del generador sensible, selectivo y discriminativo .
Indice de contenidos
- Tipos de protección de generador
- Protección contra fallas de aislamiento
- Protección de falla a tierra del estator
- Protección de falla a tierra del rotor
- Protección de carga del estator desequilibrada
- Protección contra el sobrecalentamiento del estator
- Protección de vacío bajo
- Protección contra fallas del aceite de lubricación
- Protección contra la pérdida de encendido de la caldera
- Protección contra fallas del motor primario
- Protección contra exceso de velocidad
- Protección contra la distorsión del rotor
- Protección contra la diferencia de expansión entre partes giratorias y estacionarias
- Protección contra vibraciones
- Protección de respaldo del generador
Tipos de protección de generador
Las diversas formas de protección aplicadas al generador se pueden clasificar en dos formas,
- Relés de protección para detectar fallas ocurridas fuera del generador.
- Relés de protección para detectar fallas ocurridas dentro del generador.
Además de los relés de protección, asociados directamente con el generador y su transformador asociado, hay pararrayos , protectores de seguridad de sobrevelocidad, dispositivos de flujo de aceite y dispositivos de medición de temperatura para cojinetes de eje, devanados del estator, devanados del transformador y aceite del transformador, etc. Los arreglos son de tipo sin disparo, es decir, solo generan alarma durante anomalías.
Pero los otros esquemas de protección finalmente operan el relé de disparo maestro del generador. Esto debe tenerse en cuenta que ningún relé de protección puede evitar la falla, solo indica y minimiza la duración de la falla para evitar un aumento de temperatura en el generador, de lo contrario, puede haber un daño permanente en él.
Es deseable evitar cualquier trenza indebida en el generador y, para ello, es una práctica habitual instalar un condensador de sobretensión o un desviador de sobretensión o ambos para reducir los efectos de los rayos y otras sobrecargas de tensión en la máquina. Los esquemas de protección que normalmente se aplican al generador se analizan aquí brevemente a continuación.
Protección contra fallas de aislamiento
La principal protección proporcionada en el devanado del estator contra falla fase a fase o fase a tierra, es la protección diferencial longitudinal del generador . El segundo esquema de protección más importante para el devanado del estator es la protección contra fallas entre espiras.
Este tipo de protección se consideró innecesaria en días anteriores porque la ruptura del aislamiento entre puntos del mismo devanado de fase, contenidos en la misma ranura, y entre los cuales existe una diferencia de potencial, cambia muy rápidamente a falla a tierra, y luego es detectada por ya sea la protección diferencial del estator o la protección de falla a tierra del estator .
Un generador está diseñado para producir un voltaje relativamente alto en comparación con su salida y, por lo tanto, contiene una gran cantidad de conductores por ranura. Con el aumento de tamaño y voltaje del generador, esta forma de protección se vuelve esencial para todas las grandes unidades generadoras.
Protección de falla a tierra del estator
Cuando el neutro del estator se conecta a tierra a través de una resistencia , se monta un transformador de corriente en la conexión del neutro a tierra. El relé de tiempo inverso se usa a través del secundario del TC cuando el generador está conectado directamente a la barra colectora. En caso de que el generador alimente energía a través de un transformador en estrella delta, se utiliza un relé instantáneo para el mismo propósito.
En el primer caso, se requiere que el relé de fallas a tierra se clasifique con otros relés de falla en el sistema. Esta es la razón por la que se utiliza en este caso el relé de tiempo inverso . Pero en el último caso, el bucle de falla a tierra está restringido al devanado del estator y al devanado primario del transformador, por lo tanto, no hay necesidad de clasificación o discriminación con otros relés de falla a tierra en el sistema. Por eso es preferible el relé instantáneo en este caso.
Protección de falla a tierra del rotor
Una sola falla a tierra no crea ningún problema importante en el generador, pero si se produce la segunda falla a tierra, sin embargo, parte del devanado de campo se cortocircuitará y dará como resultado un campo magnético desequilibrado en el sistema y, en consecuencia, puede haber problemas mecánicos importantes. Daño a los cojinetes del generador. Hay tres métodos disponibles para detectar los tipos de fallas en el rotor. Los métodos son
- Método de potenciómetro
- Método de inyección de CA
- Método de inyección DC
Protección de carga del estator desequilibrada
El desequilibrio en la carga produce corrientes de secuencia negativa en el circuito del estator. Esta corriente de secuencia negativa produce un campo de reacción que gira al doble de la velocidad síncrona con respecto al rotor y, por lo tanto, induce una corriente de doble frecuencia en el rotor. Esta corriente es bastante grande y provoca un sobrecalentamiento en el circuito del rotor, especialmente en el alternador.
Si ocurriera algún desequilibrio debido a una falla en el devanado del estator, se eliminaría instantáneamente mediante la protección diferencial provista en el generador. Si el desequilibrio se produce debido a una falla externa o una carga desequilibrada en el sistema, puede permanecer sin ser detectado o puede persistir durante un período de tiempo significativo dependiendo de la coordinación de protección del sistema. Estas fallas luego se eliminan instalando un relé de secuencia de fase negativa con las características para coincidir con la curva de resistencia de la máquina.
Protección contra el sobrecalentamiento del estator
La sobrecarga puede provocar un sobrecalentamiento en el devanado del estator del generador. No solo la sobrecarga, la falla de los sistemas de enfriamiento y la falla del aislamiento de las láminas del estator también causan el sobrecalentamiento del devanado del estator.
El sobrecalentamiento se detecta mediante detectores de temperatura integrados en varios puntos del devanado del estator. Las bobinas del detector de temperatura son normalmente elementos de resistencia que forman un brazo del circuito de puente de Wheatstone . En el caso de un generador más pequeño normalmente por debajo de 30 MW, los generadores no están equipados con una bobina de temperatura incorporada, pero generalmente están equipados con un relé térmico y están dispuestos para medir la corriente que fluye en el devanado del estator.
Esta disposición solo detecta el sobrecalentamiento causado por la sobrecarga y no proporciona ninguna protección contra el sobrecalentamiento debido a fallas en los sistemas de enfriamiento o laminaciones del estator en cortocircuito. Aunque los relés de sobrecorriente , los relés de secuencia de fase negativa y los dispositivos para monitorear el flujo constante también se utilizan para proporcionar un cierto grado de protección contra sobrecargas térmicas .
Protección de vacío bajo
Esta protección, por lo general, tiene la forma de un regulador que compara el vacío con la presión atmosférica, normalmente se instala en el grupo electrógeno por encima de 30 MW. La práctica moderna es que el regulador descargue el conjunto a través del gobernador secundario hasta que se restablezcan las condiciones normales de vacío. Si las condiciones de vacío no mejoran por debajo de 21 pulgadas, las válvulas de cierre se cierran y se dispara el disyuntor principal .
Protección contra fallas del aceite de lubricación
Esta protección no se considera esencial ya que el aceite de lubricación normalmente se obtiene de la misma bomba que el aceite del regulador y una falla del aceite del regulador hará que la válvula de cierre se cierre automáticamente.
Protección contra la pérdida de encendido de la caldera
Hay dos métodos disponibles para detectar la pérdida de encendido de la caldera. En el primer método, se proporcionan contactos normalmente abiertos (NO) con los motores del ventilador que pueden disparar el generador si fallan más de dos motores. Los segundos métodos utilizan contactos de presión de una caldera que descargan el generador si la presión de la caldera cae por debajo de aproximadamente el 90%.
Protección contra fallas del motor primario
Si el motor primario no suministra energía mecánica al generador, el generador continuará girando en modo motorizado, lo que significa que toma energía eléctrica del sistema en lugar de suministrarla al sistema.
En una turbina de vapor, el vapor actúa como refrigerante manteniendo las palas de la turbina a una temperatura constante. Por tanto, la falta de suministro provocará un sobrecalentamiento debido a la fricción, con la consiguiente distorsión de las palas de la turbina.
La falla del suministro de vapor puede causar severos daños mecánicos además de imponer una pesada carga de motor sobre el generador. El relé de potencia inversa se utiliza para este propósito. Tan pronto como el generador comience a girar en modo motorizado, el relé de potencia inversa disparará el grupo electrógeno.
Protección contra exceso de velocidad
Si bien es una práctica general proporcionar dispositivos mecánicos de exceso de velocidad en turbinas de vapor e hidráulicas, que operan directamente en la válvula reguladora de vapor o en la válvula de paso principal, no es habitual respaldar estos dispositivos con un relé de exceso de velocidad en conjuntos impulsados por vapor.
Sin embargo, se considera una buena práctica en unidades hidroeléctricas, ya que la respuesta del gobernador es comparativamente lenta y el conjunto es más propenso a sobrevelocidad. El relé, cuando está instalado, generalmente se alimenta del generador de imanes permanentes utilizado para el control del gobernador.
Protección contra la distorsión del rotor
Las velocidades de enfriamiento después de la parada, en la parte superior e inferior de la carcasa de la turbina, son diferentes y esta distribución desigual de la temperatura tiende a causar la destrucción del rotor. Para minimizar la interrupción, es una práctica común girar el rotor a baja velocidad durante el período de enfriamiento. En vista de las fuerzas involucradas con los grandes rotores modernos, ahora es una práctica estándar instalar detectores de excentricidad del eje.
Protección contra la diferencia de expansión entre partes giratorias y estacionarias
Durante el período de funcionamiento, la velocidad de calentamiento del rotor difiere de la de la carcasa debido a la diferencia de masa. Como resultado, el rotor se expande a un ritmo diferente al de la carcasa y es necesario superar esta expansión desigual.
Con este fin, se propone en la máquina más grande que se coloquen suministros independientes de vapor en determinadas juntas de la carcasa. Por lo tanto, es deseable proporcionar un medio para medir la expansión axial para ayudar al operador a alimentar el vapor a los puntos correctos y también para proporcionar una indicación de cualquier expansión peligrosa.
El detector de expansión axial del eje es básicamente similar al equipo descrito para el equipo de distorsión del rotor, excepto que los imanes del detector están fijados a la carcasa de la turbina.
Protección contra vibraciones
Los detectores de vibraciones generalmente se montan en los pedestales de los rodamientos. El detector consta de una bobina montada sobre resortes entre imanes permanentes en forma de U. La salida de voltaje de la bobina, que es proporcional al grado de vibración, pasa de la bobina a los circuitos integradores y luego al instrumento indicador de intervalo.
Protección de respaldo del generador
La protección de respaldo siempre debe proporcionarse en máquinas de alta calificación como generador síncrono o alternador. Si las fallas ocurridas no han sido eliminadas por el esquema de protección apropiado, entonces se deben operar relés de protección de respaldo para eliminar la falla. Los relés de sobrecorriente se utilizan generalmente para este propósito.
Debido a que la reactancia síncrona de las máquinas modernas es a menudo superior al cien por cien, la corriente de falla sostenida alimentada desde la máquina a una falla externa está invariablemente por debajo de la corriente normal a plena carga. Los relés IDMT normales no resultarían satisfactorios porque su configuración actual debe estar cerca de la carga completa y su tiempo de espera corto si se desea obtener la operación, lo que resulta en una probable falta de discriminación con otros relés de sobrecorriente en el sistema.
Además, el relé de sobrecorriente probablemente funcionaría por pérdida de campo en la máquina, desconectándolo prematuramente. Para superar este problema, se ha vuelto habitual aplicar un relé de sobrecorriente en combinación con un relé de bajo voltaje, controlando el último relé los ajustes de falla del primero como se muestra en la figura siguiente.
