Protecciones y Acoplamiento de Alternadores

Transcripción

PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE ALTERNADORES
255
CAPÍTULO IX
PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE
ALTERNADORES
9.1
INTRODUCCIÓN
La protección de una central debe encararse desde dos puntos de vista, por
una parte se consideran elementos de protección destinados a prevenir la
instalación contra la acción de algunas fallas, esquivando o atenuando el
peligro que se cierne sobre ella, por otra parte la protección debe encargarse
de separar con la mayor rapidez posible el elemento dañado, no tan sólo para
evitar su destrucción completa, sino para impedir que la estabilidad del
sistema desaparezca y venga una interrupción general con todas sus
consecuencias.
Con el desarrollo de los sistemas interconectados la técnica de protección ha
evolucionado, considerándose en primer lugar las medidas tendientes a
mantener la estabilidad del conjunto por la eliminación rápida y efectiva de
los elementos con falla y dejando al último las que tienden a la conservación
de los elementos. Ahora se dispone de elementos duplicados y aun triplicados
de cada especie y, además, por que cuesta más una hora de interrupción
general que la separación de un elemento perjudicado por sobrecarga.
9.2
PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES
Sobretensión, es una variación del potencial hacia arriba con tendencia a
sobrepasar en mucho la tensión normal y su perfil puede ser estático, es decir,
de duración apreciable, o una descarga eléctrica de cortísima duración
formada por un tren de olas. Cuando la sobretensión es estática, su origen
está en el viento que arrastra iones escapados de la tierra, o nubes cargadas
sobre la línea o sobre un objeto distinto, pero situado bajo el mismo campo
eléctrico de la línea. La protección de la línea es importante porque la planta
sufre las consecuencias de una mala protección debiendo considerarse
medidas de protección como ser: Empleo de uno o varios cables de guarda y
elección de rutas para la línea de bajo nivel tempestuoso.
La defensa contra descargas atmosféricas se encara básicamente en función
de pararrayos y coordinación de aislamientos, haciendo que la descarga se
256
CENTRALES ELÉCTRICAS
produzca, primero en los pararrayos de unidad, luego en las boquillas del
transformador o generador, y al final, sólo en el caso de una descarga de
intensidad excepcionalmente alta, en los devanados de la máquina. Por
fortuna el aceite eleva en gran proporción, el nivel de aislamiento de los
transformadores y no es difícil realizar la coordinación necesaria; pero en
transformadores secos, generadores y motores que no cuentan con ayuda
alguna, resulta difícil elevar el nivel de aislamiento, por lo cual se hace
indispensable que los pararrayos de unidad reduzcan el nivel de la falla para
que el aislamiento interior sea la ultima barrera que caiga bajo la potencia de
la descarga. Los pararrayos deben conectarse tomando en cuenta las
siguientes recomendaciones:
1.- Habrán de conectarse pararrayos, tanto en los bornes de los alternadores
como en los puntos neutros aislados de los arrollamientos de las máquinas.1
2.- Cuando la distancia en la instalación, medida en la línea de llegada, entre
la máquina y la entrada de la línea (la más alejada), exceda de 20 metros de
longitud (tomada al doble de su valor si se trata de cables), deberán instalarse
además pararrayos en las entradas de las líneas.
3.- Si la distancia hasta la entrada de la línea es inferior a 20 metros, se puede
suprimir los pararrayos en los bornes de las máquinas, pero no en los puntos
neutros, y ello cuando los pararrayos situados en las entradas de las líneas por
sus condiciones especiales sean aptos para la protección de las máquinas.
4.- Si en una instalación de muchos alternadores, la distancia máxima entre
sus bornes y las barras colectoras es inferior a 20 m.(o bien 10 m. para cable)
los pararrayos en los bornes de las máquinas pueden ser reemplazados por un
juego de pararrayos análogos, pero conectados a las barras colectoras. Por el
contrario, los pararrayos situados en los puntos neutros y en las entradas de
las líneas deben permanecer.
Los pararrayos como dispositivos de protección preventivos contra las
sobretensiones de origen atmosférico, no es preciso instalarlos cuando los
generadores van conectados con transformadores cuyo acoplamiento sea en
triángulo en el lado de menor tensión y en estrella en el mayor voltaje.
1
ZOPPETTY, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1978 Pag.230
257
Las sobretensiones estáticas pueden producirse cuando se corta la corriente
de un alternador, la tensión en los bornes se eleva bruscamente y con un
valor igual a la baja de tensión que la tensión de la carga provoca en el
arrollamiento del estator. Por otra parte, el campo del alternador y por
consiguiente la fuerza electromotriz de la máquina, comienzan a crecer desde
que desaparece la reacción producida en el estator; el proceso se acentúa por
las fugas del estator cuando se acentúa la corriente de la máquina, pero esta
queda cargada capacitivamente, como ocurre en una línea de alta tensión
conectada en vacío. En el momento del corte de la carga, la velocidad del
grupo comienza a crecer y esta aceleración y el refuerzo del campo que ella
provoca aumentan más todavía la sobreelevación de tensión. Este proceso se
acentúa cuando los alternadores son movidos por turbinas hidráulicas, sobre
todo las del tipo Kaplan, y alcanza su máximo si las excitatrices principales y
auxiliares automáticas de tensión y de velocidad, frenan por así decirlo el
aumento de tensión, por lo que este es pasajero. Pero si fallase el dispositivo
de regulación de la tensión del regulador, el alternador estaría sometido a una
sobreelevación permanente de la tensión, al menos durante la marcha en
vacío. En estas circunstancias, es preciso que un relé de máxima tensión
realice la desconexión del interruptor y desexcite la máquina, el cual debe ser
regulado relativamente bajo para funcionar con cierto retardo, al objeto de
evitar desconexiones intempestivas cuando se produzcan sobreelevaciones
pasajeras de tensión.
En caso de fallo del dispositivo de regulación de la turbina hidráulica que
acciona el alternador, se producirá un embalamiento y el aumento de
velocidad, hará que crezca rápidamente la tensión a un valor elevado. Se
emplean con este objeto relés especiales que comprenden dos relés de
máxima tensión de acción instantánea con una tensión de desbloqueo
independiente de la frecuencia. Uno de los relés tiene una tensión de
desbloqueo relativamente baja y da la orden de desconexión que es
transmitida por un relé temporizado, y el otro relé se regula más alto para que
funcione instantáneamente. Desbloqueando los relés de máxima tensión se
provoca la desconexión de los electroimanes de los disyuntores de los
alternadores, y de los de desexcitación.2
Si se produce un embalamiento y los órganos de regulación no trabajan el
2
258
conjunto turbina generador podrá alcanzar como máximo una velocidad igual
a la que tiene el agua al final de la tubería.
6.3 PROTECCIONES DE AISLAMIENTOS
El efecto de una sobretensión sobre un aislamiento es decisivo en el caso de
que aquella sobrepase la rigidez de éste y se repita durante cierto tiempo que
varía con la sobretensión en forma inversa. es decir para que un aislamiento
se perfore basta, o un solo impulso de potencial muy elevado, o dos impulsos
de valor más bajo, o tres aun menos intensos, etc. según la experiencia lo ha
demostrado en todos los casos, como si se tratara de fatiga de un resorte o de
un calor acumulado en un fusible.
La protección contra temperaturas elevadas se efectúa por medio de
termómetros, termostatos y otros dispositivos capaces de indicar al
personal de la planta la operación peligrosa, hacer funcionar una alarma, o
directamente, producir el disparo del interruptor que desconecta el elemento
en peligro. En virtud de la masa considerable de algunos elementos que
retarda la elevación de temperatura, se considera que el valor de ésta no es
suficiente, por si sola, para constituir una base de protección y generalmente
se asocia con la intensidad de la corriente que produce el calentamiento. De
este modo se prevé y corrige la elevación de temperatura antes de que sea
demasiado tarde. La combinación funciona como sigue:
a) Si la máquina o elemento por proteger tiene una temperatura baja, el
dispositivo no produce alarma o disparo, aunque pase por él una
corriente varias veces mayor que la normal, a condición de que no sea
por un tiempo tan largo que provoque, al final, calentamiento excesivo
por acumulación de calor.
b) Si el elemento tiene una temperatura cercana al límite de operación
normal, el dispositivo permitirá el paso de corriente normal; pero
producirá alarma o disparo si la intensidad excede a la normal.
El calentamiento de los arrollamientos de un alternador tiene lugar
esquemáticamente en dos escalones: es provocado por la sobreelevación de la
temperatura del hierro con relación al aire de enfriamiento, el cual se debe a
las pérdidas en el hierro, dependiendo esencialmente de la tensión de
servicio, y de la carga nominal y llega aproximadamente al 30% del
calentamiento del cobre, cuyo valor es proporcional al cuadrado de la
259
corriente de carga y se suma al calentamiento del hierro. Las pérdidas en este
no son medidas en el relé térmico, pero se adiciona su valor, que es fijo a las
pérdidas en el cobre con objeto de que la temperatura indicada corresponda a
la temperatura del devanado, para el calentamiento a plena carga. Con cargas
parciales la temperatura que indica el relé es un poco débil, pero este error de
indicación se corrige verificando cuidadosamente la escala de temperatura a
la tensión nominal.
La protección contra deterioros internos del aislamiento puede encararse a
través de:
9.3.1 PROTECCIÓN DIFERENCIAL
La protección diferencial longitudinal, contrasta la igualdad de las
intensidades de las corrientes de fase, y la entrada y la salida en las dos
extremidades del dominio de protección. La protección diferencial es de
acción rápida; cuando las máquinas trabajan en paralelo, funciona
selectivamente y produce la apertura del interruptor del alternador averiado,
para que pueda haber seguridad contra esta clase de cortocircuitos, los dos
grupos de transformadores de corriente deben tener una característica
idéntica de sobreintensidad. Los relés diferenciales deberán ser además del
tipo llamado de compensación.3
En la figura 9.1 tenemos 1 alternador, 2 transformadores de corriente, 3 Relé
diferencial compensado tripolar y contactores con varios contactos de fuerte
capacidad para indicar la fase averiada, 4 Interruptor del alternador, y 5
Interruptor de desexcitación.
El funcionamiento de la protección diferencial actúa sobre el interruptor del
alternador y el interruptor de desexcitación, pero también, si existe, sobre el
dispositivos de protección contra incendio.
Por el principio de funcionamiento de este relé, no actuará en el caso de un
cortocircuito entre bobinas de la misma fase, puesto que la corriente no
variará en el dominio de la protección
3
260
Fig. 9.1 Protección diferencial compensada tripolar, de un alternador, de acción
rápida y selectiva en caso de cortocircuito entre fases y de dobles efectos a
tierra, y en que uno de ellos se encuentra entre los dos juegos de los
transformadores de corriente.
9.3.2 PROTECCIÓN POR POTENCIA INVERSA
Se emplea como protección contra los cortocircuitos entre fases, los
cortocircuitos entre espiras y también contra las puestas a masa de los
arrollamientos, para los alternadores sin punto neutro al exterior o de
pequeña potencia.
Los relés de potencia inversa son excitados por la componente inversa de la
potencia que aparece en caso de disimetría simultánea de las corrientes y de
las tensiones. Cuando se produce el cortocircuito, esta potencia se dirige
siempre del defecto hacia la red y se mide con filtros constituidos por
resistencias y por impedancias a 60o, derivadas de los transformadores de
intensidad y de tensión.4
En la figura tenemos 1 alternador, 2 transformador de intensidad, 3
transformadores de tensión, 4 filtros para la componente inversa de las
corrientes, 5 filtro para la componente inversa de las tensiones, 6 relé de
potencia, 7 disyuntor principal, 8 Interruptor de excitación. En servicio
4
261
equilibrado normal, el relé 6 no recibe ni corriente ni tensión, por lo que
puede hacerse muy sensible. Cierra el contacto cuando el origen del
desequilibrio, por la perturbación, está en la máquina.
Fig. 9.2 Protección por retorno de potencia accionado por las componentes
inversas de las corrientes y de las tensiones, y que actúa por cortocircuito
entre fases, arcos entre espiras y puestas a la masa con fuerte intensidad.
El relé señala en los alternadores los accidentes siguientes: cortocircuito entre
fases suficientemente alejado del punto neutro; cortocircuito entre espiras que
afecta al menos al 20% aproximadamente del arrollamiento de una fase;
puesta a masa a condición de que la disimetría producida sea bastante fuerte,
es decir, que se origine simultáneamente una segunda tierra en la red, o si el
punto neutro se halla conectado a tierra por débil impedancia. El
cortocircuito trifásico simétrico, no es acusado por el relé, si bien es cierto
que la simetría perfecta no se alcanza prácticamente. Con el empleo del relé
de potencia inversa es preciso prever también relés de máxima intensidad
como reserva para el cortocircuito trifásico, que son por otra parte, necesarios
para las barras colectoras.
La protección por potencia inversa es menos sensible que la diferencial y
también que las protecciones contra los defectos entre espiras y la masa, el
relé de protección por potencia inversa es temporizado por un contactor,
entre 0,1 y 0,2 segundos para evitar las oscilaciones simultáneas con una
262
variación de potencia.
El contacto del relé actúa sobre el interruptor del alternador y sobre el de
desexcitación y en su caso también sobre el dispositivo de protección contra
incendios.
9.3.3 PROTECCIÓN CONTRA LOS DEFECTOS A TIERRA DEL
ESTATOR Un defecto a tierra del estator es debido a la perforación del
aislamiento de las espiras hasta el hierro próximo, y según demuestra la
experiencia, son las averías más frecuentes en las máquinas giratorias. En
caso de un defecto a tierra con el neutro aislado, que en servicio normal tiene
el potencial de la tierra, la tensión de aquel punto con respecto a la tierra
aumenta proporcionalmente a la distancia que existe hasta el lugar del
defecto. De no existir ningún dispositivo apropiado contra las puestas a
tierra, pasará por el lugar del defecto solamente la corriente capacitiva de la
red o una corriente residual si hubiesen bobinas de extinción. Si esta
corriente dura cierto tiempo, el defecto de aislamiento aumentará aunque la
corriente sea relativamente débil y a ello seguirá un cortocircuito con una de
las otras fases. Por otra parte, la avería dará origen a quemaduras del hierro
del estator, lo que podrá exigir reparaciones importantes.
La protección contra los contactos a masa del estator se efectúa con relés
diferenciales, si el neutro del alternador no se pone directamente a tierra a
causa de la diferencia de potencial que se manifiesta entre el punto neutro y
la tierra, en caso de avería.
9.3.4 PROTECCIÓN CONTRA LOS CORTOCIRCUITOS ENTRE
ESPIRAS
Esta forma de perturbación aparece sobre todo en los alternadores que tienen
un gran número de conductores por ranura, es decir en las máquinas de
tensión relativamente elevada y de potencia media. Las causas directas de
estos defectos son, en general, sobretensiones de origen atmosférico y
también deterioros mecánicos del aislamiento.
Un defecto de esta clase pone una espira en cortocircuito en el estator, la cual
comprende un sólo paso polar en los alternadores con arrollamiento
imbricado y por el contrario, en las máquinas con arrollamiento ondulado se
extiende a toda la periferia del estator.
263
Cuando una espira está cortocircuitada, la tensión de la fase con averías se
reduce en el número de voltios que las espiras en cortocircuito producirían,
para contribuir a la tensión total (en servicio normal) con una máquina sana y
en las mismas condiciones de excitación. La resultante vectorial de las
tensiones de fase, normalmente nula, es igual a la reducción de la tensión
mencionada anteriormente.5
Fig. 9.3 Protección contra cortocircuitos entre espiras de un alternador.
En la figura 9.3 se tiene 1 alternador, 2 Transformador, 3 Relés tripolares
contra circuitos entre espiras con contactores auxiliares, 4 Interruptor del
alternador, 5 interruptor de desexcitación. El grupo 2 de transformadores
trifásicos de tensión, con retorno de flujo magnético por la culata, está
conectado al alternador 1, y el punto neutro del arrollamiento primario esta
unido electrónicamente al punto neutro del alternador. Los dos arrollamientos
de baja tensión alimentan los relés de protección contra cortocircuitos entre
espiras, 3 provisto de tres sistemas Ferraris separados, de modo que los
arrollamientos llamados de polarización del relé serán excitados cada uno
con una tensión compuesta, y los arrollamientos de trabajo, conectados en
serie, serán excitados por las resultantes de las tensiones de fase del
alternador. En funcionamiento normal, esta resultante es nula, pero si se
produce un cortocircuito entre espiras, una tensión a la frecuencia normal
5
264
actúa en el circuito de trabajo; su magnitud depende de la amplitud de la
avería, y su dirección de la fase averiada. En el relé, el órgano monopolar
cuyo arrollamiento de polarización está sometido a la tensión compuesta de
las dos fases sanas es el que funciona. El contactor auxiliar cierra el circuito
de desconexión del interruptor principal y del interruptor de excitación, y
también, si la hay, la protección contra incendio, e indica asimismo la fase
averiada.
9.3.5 PROTECCIÓN CONTRA DEFECTOS A TIERRA DEL ROTOR
Cuando el arrollamiento del rotor tiene su aislamiento averiado, puede
producirse un defecto a tierra. El circuito de excitación no está puesto a tierra
y por ello no es posible destacar un único defecto a la misma. Pero se
comprende que si una segunda puesta a tierra del rotor tiene lugar, una parte
del arrollamiento de excitación quedará cortocircuitado produciéndose
vibraciones peligrosas en el alternador, debido al desequilibrio que se
produce por la disminución del campo magnético en la fase averiada. Por
consiguiente, es necesario que una puesta a la masa en el circuito de
excitación de los grandes alternadores, sea señalada para evitar las
consecuencias a que podría dar lugar y proceder a reparar la avería en la
primera ocasión. En la figura 9.4 tenemos: 1 Alternador, 2 Excitatriz, 3 relé
de tierra del rotor con un pequeño transformador de tensión y condensador de
bloqueo, 4 bocina de alarma.
El arrollamiento secundario (unos 40 voltios) de un transformador inserto en
el circuito del relé de tierra, está conectado de un lado a la tierra y del otro
lado al circuito de excitación del alternador, a través de un relé de máxima
intensidad y de un condensador (todos estos aparatos van conectados en la
caja del propio relé). Puesto que la capacidad del circuito de excitación en
buen estado es débil, el relé es atravesado por una corriente muy inferior a la
de regulación para el desbloqueo. En caso de un defecto a tierra la capacidad
del circuito de excitación queda cortocircuitada y por ello el relé se
desbloquea y hace funcionar la bocina de alarma.
265
Fig. 9.4 Protección contra los defectos a tierra de un rotor, para señalar los
defectos de aislamiento en el circuito de excitación.
9.3
DESEXCITACIÓN RÁPIDA
El dispositivo de desexcitación de una máquina eléctrica (Fig. 9.5) tiene por
objeto anular lo más rápidamente posible el campo magnético. En
condiciones normales de funcionamiento es deseable que quede una cierta
imanación, llamada remanente cuando la máquina está parada, por que
gracias al débil campo creado por la imanación remanente la máquina se
excita de modo automático al ser nuevamente puesta en marcha en el
sentido conveniente. Lo mismo ocurre a la excitatriz piloto que suministra la
corriente inductora de la excitatriz principal de un gran alternador. El hecho
de que cuando la excitación se suprime el campo magnético desaparece, total
o parcialmente, no tiene por el contrario ninguna importancia para la
excitatriz principal y para el mismo alternador, mientras la máquina no sea
afectada por una avería interna. La formación del campo está siempre
encomendada a la excitatriz piloto.
Por el contrario, en el caso de un defecto en el aislamiento del devanado del
estator del alternador, es conveniente anular el campo tan rápidamente como
sea posible, y a la vez, tan completamente como es de desear, a causa de los
daños que un arco puede causar al cobre, a su aislamiento y a las planchas de
los circuitos magnéticos.6
6
266
Fig. 9.5 Montaje ordinario de desexcitación que comporta un conmutador de
campo, para alternadores de media y gran potencia.
El montaje de desexcitación más sencillo y también más económico es el que
separa el arrollamiento inductor de la excitatriz y lo pone en circuito con una
resistencia, conforme a la figura 9.5 En ella son: 1 Contacto principal, 1a
Contacto de cortocircuitado, 1b electroimán para la desconexión, 1c
electroimán para la conexión, 2 resistencia de descarga del inductor, 3
contactos de los relés de protección, 4 excitatriz.
9.4
RELÉS DE ÚLTIMA GENERACIÓN
Actualmente se han desarrollado los relés de ultima generación como el REL
561 producido por ASEA Brown Boveri, el mismo es un relé programable a
través de computadoras, que puede ajustarse a la necesidades del usuario y
ser utilizado como elemento de protección en diferentes partes de un circuito.
Es posible utilizar el mismo para la protección de plantas eléctricas
presentando varias ventajas en cuanto a su operación.
La función básica de REL 561 es una protección diferencial de corriente,
evaluando la corriente de cada fase separadamente en ambos extremos
utilizando ambos, la amplitud de corriente y el ángulo de fase (comparación
de vectores segregada).
Mediante filtrado Fourier, se extraen todas las corrientes las componentes de
seno y coseno. Las seis componentes, dos por fase, son incluidas en un
267
mensaje que es transmitido a cada 5 mseg. al terminal remoto por un canal de
datos sincrónico de 56/54 Kilobytes. El mensaje incluye también información
relativa a la supervisión, sincronización de terminales, disparo de
transferencia directa, etc.
Este relé tiene como funciones opcionales las siguientes:
-
Protección de distancia.
Función de supervisión de fallo de fusible.
Detección de oscilación de potencia.
Protección de sobreintensidad de faltas a tierra.
Reenganche automático.
Comprobación de sincronismo y energización.
Protección contra falla del interruptor.
Localizador de defectos.
Registrador de eventos.
Registrador de perturbaciones.
Facilidades de entradas/salidas opcionales.
Comunicación serie remota opcional.
9.5
ESQUEMAS DE CONEXIONES DE LOS APARATOS DE
PROTECCIÓN, PARA LOS GENERADORES SÍNCRONOS DE
POTENCIA REDUCIDA, DE MEDIANA Y GRAN POTENCIA
Se considera como alternadores de gran potencia los que tienen al menos de
15 a 20 MVA; de mediana potencia los comprendidos entre 3 y 15 MVA, y
los menores a 3 MVA de pequeña potencia.
Mostramos primeramente el caso de alternadores que teniendo gran potencia,
funcionan en paralelo mediante barras colectoras.
El esquema de la figura 9.6, muestra la conexión eléctrica de los diversos
aparatos y relés que están numerados y representan:
1a y 1b. Para las sobretensiones de origen atmosférico: 1a, tres pararrayos
derivados de las barras ómnibus; 1b, un pararrayos derivado del neutro del
transformador, en el caso de que la distancia de las barras al generador no
exceda de 20 m.
268
2 Relé de máxima tensión temporizado, con desconexión instantánea para la
tensión límite y para subvenir a las sobretensiones de frecuencia normal.
3 Tres relés térmicos con desconexión automática para la corriente límite
(caso de sobrecarga).
4 Un relé temporizado que trabaja conjuntamente con los relés indicados en
3, para cuando se produzcan cortocircuitos exteriores.
5 Para cada alternador un relé direccional, como protección de la puesta a
tierra estatórica.
5a También para proteger el alternador contra la puesta a tierra del estator y
por cada sistema de barras. Esta protección comprende los siguientes
aparatos: un transformador de puesta a tierra con dos arrollamientos
secundarios; un comprobador de tierra, tripolar; un relé temporizado; tres
contactores de tierra; dos resistencias; un transformador de tensión auxiliar;
un interruptor de ensayo.
6 Para cortocircuito entre fases; tres relés diferenciales compensados.
7 Para cortocircuito entre espiras; tres relés vatimétricos.
8 Protección contra la puesta a tierra del rotor; indicador de puesta a tierra del
circuito rotórico.
10 Interruptor principal.
11a Disyuntor de excitación en el circuito de excitación principal con mando
a distancia.
12 Resistencia de descarga separada para disyuntor 11a.
13 Protección contra incendios.7
Se examinará a continuación el caso de alternadores de MEDIANA
POTENCIA conectados a las barras ómnibus y que funcionan en paralelo.
El esquema de conexiones es análogo con la única diferencia de la exclusión
7
ZOPPETTY, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1978 Pag.250,253
269
del relé 7 (para cortocircuito entre espiras) y solamente conviene instalarlo
cuando se trata de alternadores importantes pero con varias barras por ranura
del arrollamiento inducido.
Fig. 9.6
Gran Potencia
Mediana Potencia
Pequeña Potencia
La figura 9.6, también muestra la protección de alternadores que funcionan
en paralelo o independientemente en el caso de PEQUEÑA POTENCIA.
Los números del esquema representan: 1 para las sobretensiones de origen
atmosférico: tres pararrayos conectados a la línea; y si el neutro del alternador
es accesible se conectará a ese neutro un pararrayos.
2 Para las sobretensiones a la frecuencia normal: un relé de máxima tensión
temporizado con desconexión instantánea a la tensión límite.
270
PARA LAS SOBREINTENSIDADES.
3 Para las sobrecargas: un relé térmico, y dos relés de máxima intensidad
temporizados.
PARA LOS CORTOCIRCUITOS.
4 Para los cortocircuitos exteriores: un relé térmico y tres relés de máxima
intensidad temporizados.
AVERÍA EN LOS ARROLLAMIENTOS.
6 Para la puesta a tierra de las fases y para el cortocircuito entre fases: un relé
de potencia inversa (retorno de potencia).
COMO ACCESORIOS.
10 Interruptor principal.
11 Disyuntor de excitación en el circuito shunt de la excitatriz.
Cuando se trata de alternadores de potencia inferior a 100 KVA, no se
instalan dispositivos de protección especiales contra las averías internas, por
su excesivo coste. Son los relés contra sobrecargas los que deben reaccionar
si hay avería en los arrollamientos, aunque para ello es necesario que la red
deba suministrar una corriente lo suficientemente elevada que baste para
alimentar un cortocircuito interior. Pueden suprimirse los transformadores de
intensidad y emplear relés primarios con desconexión mecánica. Es de interés
la protección contra las sobrecargas y por ello a menudo se emplea un relé
térmico secundario conectado a un transformador de intensidad (con circuito
de desconexión por medio de un manantial de corriente independiente,
excluido como tal manantial el transformador de intensidad precitado). Para
los relés de máxima tensión puede emplearse el transformador de tensión
como manantial auxiliar de desconexión.
9.6
ACOPLAMIENTO ELÉCTRICO DE LOS ALTERNADORES
El único acoplamiento eléctrico que admiten los alternadores es en paralelo.
Para acoplar dos alternadores debe existir igual tensión en sus bornes, las
curvas de las fem sinusoidales deben tener igual amplitud máxima, el mismo
período y coincidencia de fases. Estas condiciones se refieren al caso del
acoplamiento de alternadores que funcionan en vacío, es decir, no
suministrando corriente a la red exterior; por que si se trata de dos
generadores, uno de los cuales está en servicio y el otro sin carga, no es
271
necesario que las amplitudes de las fuerzas electromotrices sean iguales, ni
que haya concordancia en las fases de las mismas. En efecto, para el
alternador que está en funcionamiento y aportando energía a la red, podemos
construir el diagrama de Behn-Eschenburg, estudiado en electrotecnia y que
se refiere a un alternador ideal en el que tiene lugar que la caída de tensión
producida por la carga es debida, únicamente, a la resistencia óhmica y a la
autoinducción de su arrollamiento. Esto, como es sabido, no ocurre en la
práctica, por que la pérdida de tensión de un alternador es debida también a
otros factores ya conocidos. Con aquella sola consideración, la pérdida de
tensión es mayor que el valor práctico que se obtiene; en las siguientes
consideraciones admitiremos que, la caída de tensión de un alternador, como
consecuencia de la carga que suministra a la red, es debida solamente a la
resistencia y a la autoinducción de su bobinado.8
El siguiente diagrama vectorial (Fig. 9.7) muestra las condiciones para el
acoplamiento de dos alternadores, en él se tiene:
E = Fuerza Electromotriz producida en una de las fases (tensión estrellada).
r I = Caída de tensión óhmica (siendo r la resistencia del arrollamiento de
una fase, I la intensidad de la carga que lo recorre).
w L I = Fuerza electromotriz de autoinducción, en la que w es la pulsación
de la corriente (314 para 50 períodos por segundo); L el coeficiente de
autoinducción del arrollamiento correspondiente a una fase, I la intensidad.
U = Tensión en los bornes, por fase (tensión estrellada).
Fig. 9.7 Acoplamiento de dos alternadores uno con carga y otro en vacío.
8
ZOPPETTY, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1978 Pag.256-258
272
La diferencia entre E y U, cuyos vectores están retrasados un ángulo, será la
caída de tensión con carga, correspondiente a la intensidad I.
Para el acoplamiento de 2 alternadores 1 y 2 (Fig.9.7), el primero con carga y
el segundo en vacío, es necesario que, además de tener ambas sinusoides el
mismo período, sean iguales y estén en fase los vectores U y E1 aquel, es la
tensión en los bornes del alternador 1 y E1, el de la fuerza electromotriz del
alternador 2.
Cumplidas estas esenciales condiciones, el acoplamiento podrá efectuarse
normalmente. Observemos que ello tendrá lugar a pesar que entre E y E1 no
exista coincidencia de fase, y además siendo E > E1; por consiguiente,
cuando las sinusoides de la fuerza electromotriz tengan un mismo período,
para realizar el acoplamiento bastará que los vectores U y E1 sean iguales y
estén en fase, o lo que es lo mismo, será necesario que sean iguales las
tensiones eficaces en los bornes de los dos alternadores. Fácilmente se
comprende que en un alternador en vacío, es decir, que no suministre
corriente a la red, coinciden en magnitud y fase los vectores de su fuerza
electromotriz y la tensión de sus bornes.
Si los dos alternadores funcionasen con carga, el acoplamiento podría
realizarse cuando fuesen iguales y en concordancia de fases los vectores U1 y
U2.
En el diagrama vectorial de dos alternadores, iguales o no, la situación de los
vectores de la fem depende de la posición respectiva de sus cabezas polares,
con respecto a las bobinas del respectivo inducido. En las figuras 9.8a y 9.8b
se representan las coronas de dos alternadores cuyas fuerzas electromotrices
están una de otra con retraso de fase.
(a)
273
(b)
Fig. 9.8 Representación de una rueda polar en relación con el estator de un
alternador.
En la figura 9.8 b se aprecia que la corona polar está retrasada con respecto a
la de la 9.8 a, en un ángulo ß formado por los ejes A-B y C-D , que tiene por
valor en el espacio ß /p, siendo p el número de pares de polos del alternador,
y ß el ángulo que forman los vectores de las fuerzas electromotrices
correspondientes.
Se deduce de lo expuesto y lo indicado, en relación con el retraso de los
vectores de las fuerzas electromotrices, que cuando dos alternadores iguales
trabajen en paralelo llevando cada uno su carga respectiva, el funcionamiento
tendrá lugar en condiciones normales, aun cuando las coronas polares no
ocupen en el espacio la misma posición respecto al bobinado inducido. El
ángulo ß no puede tener cualquier valor, y si pasara del conveniente llegaría
a desaparecer el sincronismo.
9.7
MANIOBRA PARA EL ACOPLAMIENTO DE LOS
ALTERNADORES.
De las condiciones expuestas y necesarias para efectuar la maniobra de
acoplamiento, se desprende que lo primero que ha de hacerse, una vez puesto
en marcha el grupo que se va a acoplar, es actuar sobre el regulador de su
máquina para conseguir que la frecuencia sea igual a la de los otros
alternadores en funcionamiento.
Para determinar el valor de dicha frecuencia se recurre a frecuencímetros
274
dobles, cuyo objeto, como se comprende es el de apreciar las frecuencias
existentes en los grupos en funcionamiento y el alternador que debe
acoplarse. Las lecturas de ambas escalas indican la forma como debe actuarse
sobre el regulador de la máquina motora del generador que se va a acoplar,
con objeto de aumentar o disminuir su número de revoluciones y para
obtener la igualdad de dichas frecuencias. Conseguido esto se excita el
alternador por medio del reóstato correspondiente, hasta alcanzar el voltaje
de los demás alternadores que ya están en marcha, y esto se aprecia por
medio de voltímetros de construcción corriente, siendo muy usados los
electromagnéticos tarados para trabajar con corriente alterna y que se
conectan derivados sobre el circuito del alternador respectivo.
Queda pues, para efectuar el acoplamiento, aprovechar los instantes en que
coinciden las fases de las tensiones de los bornes de los alternadores, y ello se
ha observado en la forma que a continuación se indica.
Supongamos dos alternadores que generan corriente a alta tensión, por lo
cual todos los aparatos de medida y maniobra deberán ser conectados a
transformadores de tensión para aislar aquellos del alto voltaje (Fig.9.9).
Sobre los citados transformadores, derivados de las mismas fases de ambos
alternadores, se conecta una lámpara, la cual se enciende y apaga
seguidamente funcionando con una frecuencia que es la resultante de las
correspondientes a las de las sinusoides de las tensiones en los bornes de los
alternadores.9
Fig. 9.9 Dispositivo para el acoplamiento de dos alternadores por el método de
9
ZOPPETTY, Centrales Hidroeléctricas Edit. Gustavo Gili 1978 Pag.259-252
275
"Lámpara apagada".
Fig. 9.10 Curvas de las fem de dos alternadores que demuestran el momento que
existe coincidencia de fase.
Como indica la figura 9.10, en la que aparecen las dos curvas sinusoidales,
pero con frecuencia distinta, el apagado tendrá lugar en los instantes t1 y t3, y
el encendido máximo en los t2, etc. En los primeros las tensiones de ambas
curvas son iguales y coinciden en fase, por lo cual la diferencia de voltaje
aplicado a los bornes de la lámpara será nulo. En el instante t2, las tensiones
están en oposición, sumándose sus valores, y por ello la lámpara estará
sometida al mayor voltaje de trabajo.
Se desprende de lo expuesto que cuanto mayor sea la diferencia de
frecuencia, con mayor rapidez se efectuará el apagado y encendido de la
lámpara. Esta, por consiguiente, sirve también para observar la marcha de la
frecuencia, y cuanto más iguales sean las de ambos alternadores, con mayor
lentitud tendrá lugar la variación de voltaje en los bornes de la lámpara.
Cuando las frecuencias sean iguales, se producirá durante unos instantes la
concordancia de fases, siendo iguales V1 y V2, la lámpara permanecerá
apagada durante este corto tiempo, que debe aprovecharse para conectar el
alternador por medio de su interruptor correspondiente.
Durante la operación de acoplamiento, habrá que actuar sobre el regulador
automático de la máquina que se va a acoplar, ayudándose de las lecturas del
frecuencímetro y de las indicaciones de la lámpara. También es preciso afinar
la excitación, pues a medida que la máquina se va calentando, aumenta el
valor de la resistencia en los arrollamientos, originando una mayor caída de
tensión.
Si el acoplamiento se efectuara existiendo una ligera variación entre los
276
valores de las frecuencias o con una pequeña separación de fases, se
corregirán automáticamente ambos defectos por la acción de la potencia
sincronizante.
El acoplamiento indicado se conoce con el nombre de lámpara apagada, pero
puede hacerse también a lámpara encendida, bastando para ello invertir las
conexiones que salen del transformador de medida y entonces el momento de
coincidencia de las fases se obtendrá cuando la lámpara tiene su mayor
brillo.(Fig. 9.11)
Fig. 9.11 Esquema de conexiones para el acoplamiento de dos alternadores
"Método de la lámpara encendida".
En vez del empleo de lámparas para determinar la coincidencia de las fases,
se utilizan muy a menudo aparatos llamados sincronoscopios. Uno de ellos es
el indicado en la figura 9.12 que necesita, en el caso de alto voltaje, disponer
de transformadores trifásicos de medida para la conexión de las lámparas
que forman el aparato. Estas son tres y se conectan según aparece en la
referida figura. La lámpara a se emborna en las mismas fases de los
respectivos alternadores siendo conectadas las otras, a fases alternadas. En
este caso a lo esta entre 2 y 2, b entre 1 y 3, y c entre 3 y 1.
277
Fig. 9.12 Sincronoscopio para el acoplamiento en paralelo de dos alternadores.
Cuando no existe sincronismo las tres lámparas se encienden y apagan
sucesivamente, pero el sentido en que se van apagando depende de que la
frecuencia del alternador que trata de acoplarse, sea mayor o menor que la de
los grupos en servicio. Como este sentido resulta del modo en que se hayan
conectado las lámparas a las respectivas fases, será preciso hacer una prueba
por una sola vez, pudiendo así conocer en que sentido se produce el apagado
cuando existe mayor o menor frecuencia en el grupo que se trata de acoplar.
Las lámparas se instalan detrás de un vidrio deslustrado, y de esta forma
aparece una sombra que gira en uno u otro sentido con mayor o menor
velocidad.
278
Fig. 9.13 Secuencia de puesta en paralelo (La Chojlla)
Actualmente unidades modernas como las de las Plantas La Chojlla y
Yanacachi administradas por la empresa Hidroeléctrica Boliviana, poseen un
sistema completamente automatizado de la puesta en paralelo de una central,
la pantalla mostrada en la Fig. 9.13 permite observar toda la secuencia de
pasos que se siguen automáticamente para efectuar la maniobra, la misma se
inicia con sólo pulsar el ícono correspondiente de la pantalla.
Los 11 pasos de la secuencia de arranque tiene establecidos sus tiempos
máximos de duración, de tal manera que en un lapso muy corto de tiempo
(aproximadamente 15 minutos) la unidad puede ser conectada al SIN. De
todas maneras cuando uno de los pasos establecidos no se concreta, es
necesaria una inspección para establecer las causas del retardo o
imposibilidad de efectuar la maniobra.

Protecciones y Acoplamiento de Alternadores

Transcripción

Documentos relacionados

Acoplamiento en paralelo de alternadores

Alternadores Baja Tensión - 4 polos

TUTORIAL SECUENCIA A+A- EN AUTOMATION STUDIO PASO NO