Protección de Generadores: Tipos de Fallos y Dispositivos de Protección Esenciales
Tipos de Fallos en Generadores y Dispositivos de Protección
Fallos Comunes en Generadores
Los fallos en generadores se suelen clasificar en fallos internos y externos; los fallos internos se deben a problemas dentro de los componentes del generador y los fallos externos se deben a condiciones anormales de operación y fallos en redes externas.
Los fallos en el motor principal (el motor principal es el componente que se usa para accionar el generador y puede ser motores de combustión –caso de grupos electrógenos diésel–, turbinas de gas, turbinas de vapor, turbinas eólicas e hidráulicas) y sistemas asociados no se discutirán, ya que suelen definirse en la etapa de diseño mecánico del equipo.
Sin embargo, deben integrarse dentro de las protecciones del generador para fines de disparo.
Tipos de Fallos Internos en un Generador
Los fallos internos pueden ser eléctricos o mecánicos
1. Fallos del Estator
- Sobrecalentamiento de devanados
- Fallo fase a fase en devanados
- Fallo fase a tierra en devanados
- Fallo entre espiras
2. Fallos del Rotor
- Fallo a tierra
- Cortocircuito de devanado (rotor devanado)
- Sobrecalentamiento
3. Pérdida de Campo / Excitación (El campo en un generador AC consiste en bobinas de conductores dentro del generador que reciben una tensión de una fuente (llamada excitación) y producen un flujo magnético.)
4. Generador Fuera de Paso
5. Funcionamiento como Motor
6. Sobrecalentamiento de Rodamientos y Falta de Presión de Aceite Lubricante
7. Vibración
El sobrecalentamiento de devanados del estator puede ser causado por sobrecargas permanentes y los fallos fase a fase y a tierra se deben a rotura del aislamiento.
El cortocircuito de devanados del rotor conduce a un aumento de la corriente de excitación y una disminución de la tensión de excitación.
El sobrecalentamiento del rotor es consecuencia de corrientes desequilibradas en el estator, debido a:
- Disparo unipolar
- Fallo en devanado del estator
- Secuencia de fase negativa
La secuencia de fase negativa y las corrientes desequilibradas en las corrientes del estator producen un flujo de armadura girando en dirección opuesta al rotor, induciendo corrientes de Foucault en la masa del rotor.
Estas corrientes de Foucault, que están a el doble de la frecuencia del sistema (50Hz o 60 Hz), producirán sobrecalentamiento localizado en la periferia del rotor que puede causar debilidad en las cuñas y anillos de retención del rotor.
Cuando un generador pierde la excitación (o campo), la potencia reactiva fluye desde el sistema eléctrico hacia el generador. El generador entonces pierde el sincronismo y funciona como generador de inducción, por encima de la velocidad síncrona.
Por encima de la velocidad síncrona el rotor comenzará a oscilar en un intento de bloquearse en sincronismo, resultando en sobrecalentamiento y otros daños. Mientras el sistema sea estable, la potencia reactiva (MVAr) fluirá hacia el generador y la máquina continuará entregando potencia activa (MW).
El funcionamiento como motor de los generadores puede ocurrir cuando el suministro de vapor o agua a la turbina falla y los generadores consumen potencia del sistema eléctrico.
En turbinas de vapor el vapor actúa como refrigerante, manteniendo las palas a temperatura constante. La falla del suministro de vapor puede causar sobrecalentamiento de las palas. En algunas máquinas el aumento de temperatura es muy bajo, y el funcionamiento como motor puede tolerarse por un tiempo considerable.
La turbina hidráulica tendrá cavitación (formación e implosión inmediata de cavidades en líquido – pequeñas zonas libres de líquido ("burbujas") – que son consecuencia de fuerzas actuando sobre el líquido).
Generalmente ocurre cuando un líquido se somete a cambios rápidos de presión que causan la formación de cavidades donde la presión es relativamente baja.
La cavitación es una causa significativa de desgaste. Al entrar en áreas de alta presión, las burbujas de cavitación que implosionan sobre una superficie metálica causan esfuerzo cíclico por implosión repetida, resultando en fatiga superficial del metal.
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Tipos de Fallos Externos en un Generador
Fallos en el Sistema Eléctrico Externo y Condiciones Anormales de Operación son:
- Fallos de cortocircuito externos
- Conexión no sincronizada del generador
- Fuera de paso (deslizamiento de polos o pérdida de sincronismo)
- Sobrecargas
- Exceso de velocidad
- Desequilibrio de fase y secuencia de fase negativa
- Subfrecuencia y sobrefrecuencia
- Subtensión y sobretensión
Un fallo no eliminado o de eliminación lenta en el sistema de red puede causar que los generadores comiencen a deslizar polos, o se vayan "fuera de paso" con el resto del sistema.
Tal condición es indeseable porque esfuerzos mecánicos dañinos se ejercen sobre el eje, y los fuertes oscilaciones de potencia tienen un efecto perturbador en las tensiones del sistema eléctrico.
La pérdida de sincronismo puede ser causada por un cortocircuito externo, desconexión de una carga inductiva importante o por un fallo en el sistema de excitación.
El exceso de velocidad es consecuencia de una desconexión repentina de la carga total o una reducción importante de carga.
Dispositivos de Protección de Generadores
Los generadores son los equipos más costosos en los sistemas eléctricos. Los siguientes dispositivos se usan para la protección de generadores AC y DC contra los fallos que ocurren en ellos.
- Protección contra Fallo a Tierra del Estator (protección de devanados fase a fase del estator y fallos a tierra del estator por Relé Diferencial)
- Protección contra Fallo a Tierra del Rotor
- Protección contra Carga Desequilibrada del Estator (protección contra pérdida de campo y cambio en el flujo de potencia reactiva)
- Protección contra Sobrecalentamiento del Estator (protección contra sobrecalentamiento de devanados y rodamientos del estator y protección contra secuencia de fase negativa)
- Protección contra Pérdida de Encendido de Caldera
- Protección contra Fallo del Motor Principal y Turbina (protección contra desequilibrio de fase del estator)
- Protección contra Exceso de Velocidad y Sobreexcitación (saturación del núcleo por sobreexcitación)
- Fallo de Aislamiento
- Protección contra Fallo de Aceite Lubricante
- Protección contra Bajo Vacío
- Protección contra Vibración y Sub/Sobre Frecuencia
- Protección de Respaldo del Generador
- Protección contra Distorsión del Rotor y Protección Suplementaria de Arranque de Fase
- Protección contra fallos de cortocircuito externos
- Protección contra la diferencia de expansión entre partes fijas y giratorias del generador
- Protección contra Potencia Inversa y Flujo de Potencia Negativa
Se requieren esquemas de relés de protección fiables para detectar y eliminar fallos del generador rápidamente para minimizar daños y reducir el tiempo de reparación al mínimo.
La protección contra fallos fase a fase en devanados del estator se realiza mediante un relé diferencial, cuyo principio se discutió previamente en otras secciones. Este dispositivo de protección no puede detectar fallos entre espiras de devanados.
Cuando ocurre este tipo de fallo, la tensión de fase disminuye y aparece una tensión de secuencia cero; esta tensión es detectada por un relé de tensión (código ANSI/IEEE/IEC 60) conectado a TT.
La protección contra fallos a tierra del estator depende de la puesta a tierra del estator. Para sistema de puesta a tierra por resistencia, un relé de sobrecorriente conectado a un "TA tipo anillo" dentro de la conexión de neutro o un relé de tensión en terminales de la resistencia puede usarse.
Bajo condiciones normales saludables, no circula corriente a través de la resistencia y la tensión en los terminales es igual a cero.
Para puesta a tierra a través de un transformador, se usa un relé de tensión que verifica la tensión en la resistencia conectada al secundario del transformador.
Bajo condiciones normales saludables, el transformador de puesta a tierra desarrolla ninguna tensión secundaria, y no se aplica tensión al relé. Cuando ocurre un fallo a tierra del estator, se desarrolla una tensión a través de los terminales secundarios del transformador de puesta a tierra, y el relé de tensión opera.
La Figura 1 muestra la conexión típica para la protección diferencial y de fallo a tierra del estator.
Los fallos de cortocircuito en devanados del rotor devanado están protegidos por relés de sobrecorriente.
Los devanados del rotor pueden ser dañados por fallos a tierra.
El devanado del rotor o de campo en generadores térmicos grandes está aislado de tierra, por lo que un fallo a tierra único no produce corriente de fallo.
Un fallo a tierra único, sin embargo, eleva el potencial de todo el sistema de campo y excitación, y los voltajes extra inducidos por la apertura del interruptor de campo, o el interruptor principal del generador, particularmente bajo condiciones de fallo, pueden aumentar el esfuerzo a tierra en el campo, cuando los transitorios del estator inducen un voltaje extra en los devanados de campo. Este voltaje extra puede causar un segundo fallo en el devanado de campo.
Un segundo fallo a tierra puede causar calentamiento localizado del hierro que podría distorsionar el rotor, causando un desequilibrio peligroso.
La protección contra fallos a tierra del rotor puede proporcionarse mediante un relé que controla el aislamiento del rotor aplicando una tensión AC auxiliar al rotor o un relé de tensión en asociación en serie con una alta resistencia (la combinación de resistencias lineales y no lineales es el método común usado actualmente) conectada a través del circuito del rotor, el punto central del cual está conectado a tierra a través de la bobina de un relé sensible (código ANSI/IEEE/IEC 64).
La técnica moderna requiere el uso combinando resistencias lineales y no lineales.
La Figura 2 muestra un ejemplo de protección contra fallo a tierra del rotor.
La protección contra pérdida de campo usa un relé que detecta el cambio en el flujo de potencia reactiva. Un esquema típico de protección contra pérdida de excitación usa un Relé Mho Desplazado (impedancia) para medir la impedancia de carga del generador.
El relé de impedancia Mho Desplazado es un relé monofásico, y se alimenta del TA y TT del generador. El relé de pérdida de campo operará si el valor de la impedancia de carga cae dentro de la característica de operación del relé.
Se incluye un relé de temporización para iniciar el disparo de la máquina si la condición de potencia reactiva capacitiva persiste durante 1 s (típico).
Para prevenir la saturación del núcleo debido a la sobreexcitación durante el arranque y parada, se usa una protección contra sobreexcitación (código ANSI/IEEE/IEC 59).
La sobreexcitación puede explicarse con la siguiente ecuación:
B = V / f
Donde B es la densidad de flujo magnético o inducción magnética o flujo del núcleo (unidad: tesla – T), V es la tensión aplicada (unidad: voltio – V) y f la frecuencia (unidad: hercio – Hz).
Para que el flujo del núcleo permanezca por debajo del punto de saturación, la tensión del generador solo puede aumentarse a medida que aumenta la frecuencia (o velocidad).
Si la excitación se aumenta demasiado rápido, entonces esta condición de sobreexcitación debe ser detectada, y el interruptor de campo disparado.
Los esquemas de protección contra sobreexcitación usan relés Voltios por Hertzio.
Estos relés tienen una característica lineal, y operarán si la tensión dividida por la frecuencia supera el valor ajustado.
La protección contra sobrecalentamiento de devanados y rodamientos del estator se realiza normalmente mediante RTD y termistores para monitorizar la temperatura.
La protección contra desequilibrio de fase del estator usa comúnmente un relé de sobrecorriente con curva tiempo-inversa, que se ajusta de acuerdo con el tiempo máximo que el rotor puede soportar este sobrecalentamiento.
La función de la protección contra secuencia de fase negativa del generador es proteger la máquina contra los efectos de sobrecalentamiento, específicamente en el rotor, que ocurren como resultado del desequilibrio de las corrientes de fase del estator.
Esta protección usa un relé que compara la corriente en dos fases a través de TA, como se muestra en la Figura 3.
Las protecciones se ajustan de acuerdo con el tiempo máximo que el rotor puede soportar este sobrecalentamiento y el tiempo se define por la ecuación K = I²t (basada en la ley de Joule).
Curvas típicas para esta condición se muestran dependiendo del motor principal y son indicadas por el fabricante.
La protección contra potencia inversa (código ANSI/IEEE/IEC 32) usa un relé direccional de potencia para monitorizar la carga del generador; el relé se alimenta del TA y TT del generador como se muestra en la Figura 4 y operará cuando se detecte cualquier flujo de potencia negativa.
La protección fuera de paso detecta una condición causada por perturbaciones en el sistema eléctrico, en lugar de fallos del generador. La protección detecta la condición cuando el generador desliza su primer polo, y causa el disparo de los interruptores del generador.
La turbina no se dispara permitiendo que la máquina sea resincronizada después de que la perturbación del sistema se elimine.
Esta protección puede considerarse complementaria a la protección contra pérdida de excitación.
La condición de fuera de paso ocurre con el generador a pleno campo y la pérdida de sincronismo por subexcitación ocurre cuando el generador no tiene campo.
La protección fuera de paso usa tres relés de medición de impedancia. Estos relés se alimentan del TA y TT del generador y miden la impedancia de carga del generador, detectando una condición de oscilación de potencia si los tres relés operan en la secuencia correcta e iniciarán el disparo de los interruptores de AT.
Para fallos de cortocircuito externos se usan relés de sobrecorriente (50; 50N; 51; 51N).
La protección contra sub y sobre frecuencia (código ANSI/IEEE/IEC 81) detecta también perturbaciones del sistema, en lugar de fallos del generador. Una ruptura mayor del sistema eléctrico puede resultar en exceso o insuficiencia de potencia generadora para la carga conectada restante.
En el primer caso, sobre frecuencia, con posible sobretensión resulta debido a la reducción de la demanda de carga. La operación en este modo no producirá sobrecalentamiento a menos que se superen la potencia nominal y aproximadamente 105% de la tensión nominal.
Los controles del generador deben ajustarse rápidamente para igualar la salida del generador a la demanda de carga.
Con generación insuficiente para la carga conectada, la subfrecuencia es el resultado de una fuerte demanda de carga.
La caída de tensión causa que el regulador de tensión aumente la excitación. El resultado es que el sobrecalentamiento puede ocurrir tanto en el rotor como en el estator. Al mismo tiempo, se demanda más potencia, con el generador menos capaz de suministrarla a la frecuencia decreciente.
El deslastre automático o manual del sistema de transmisión debería idealmente ajustar la carga para igualar la generación conectada antes de que ocurra un colapso total del sistema eléctrico.
Los relés de sobre y subtensión (códigos ANSI/IEEE/IEC 59 y 27) se usan para controlar la tensión.
La protección suplementaria de arranque de fase se proporciona para detectar una condición donde existe un fallo cuando el generador está siendo acelerado hasta la velocidad. Los generadores no deben, por supuesto, arrancarse con carga o en una condición de fallo.
Para prevenir esto, se usa un esquema de protección que conecta en servicio relés de sobrecorriente de bajo ajuste SOLO si la frecuencia está por debajo de 52 Hz en sistemas de 60 Hz y 42 Hz en sistemas de 50 Hz.
Hoy en día los IED (ver Sección 2.1) que agrupan todas las funciones de protección requeridas se usan comúnmente para la protección de generadores.
Sobre el Autor: Manuel Bolotinha
- Licenciatura en Ingeniería Eléctrica – Energía y Sistemas de Potencia (1974 – Instituto Superior Técnico/Universidad de Lisboa)
- Máster en Ingeniería Eléctrica y de Computadoras (2017 – Facultad de Ciencias y Tecnología/Universidad Nova de Lisboa)
- Consultor Senior en Subestaciones y Sistemas de Potencia; Instructor Profesional
Tecnología Industrial
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