Protección del generador:tipos de fallas y dispositivos de protección

Tipos de fallas del generador y dispositivos de protección

Fallas comunes del generador

Fallas del generador generalmente se clasifican en fallas internas y externas; fallas internas se deben a problemas dentro de los componentes del generador y fallas externas se deben a condiciones anormales de funcionamiento y fallas en redes externas .

Fallos en motor principal (El motor principal es el componente que se utiliza para impulsar el generador y pueden ser motores de combustión (caso de grupos electrógenos diésel), turbinas de gas, turbinas de vapor, turbinas eólicas y turbinas hidráulicas) y sistemas asociados no se discutirán, ya que generalmente se definen en la etapa de diseño mecánico del equipo.

Sin embargo, deben integrarse dentro de las protecciones del generador para fines de disparo.

Tipos de Fallas Internas en un Generador

Las fallas internas pueden ser eléctricas o mecánicas

1. Fallos del estator

• Recalentamiento de los devanados
• Falla de fase a fase de los devanados
• Falta de fase a tierra de los devanados
• Falla entre vueltas

2. Fallas del rotor

• Fallo a tierra
• Cortocircuito de devanado (rotor bobinado )
• Sobrecalentamiento

3. Pérdida de campo/excitación (El campo en un generador de CA consta de bobinas de conductores dentro del generador que reciben un voltaje de una fuente (llamada excitación ) y producir un flujo magnético).

4. Generador fuera de paso

5. Funcionamiento del motor

6. Sobrecalentamiento de Cojinetes y falta de Presión de Aceite de Lubricación

7. Vibración

Recalentamiento de los devanados del estator puede ser causado por sobrecargas permanentes y faltas fase a fase y a tierra se deben a la ruptura del aislamiento .

Cortocircuito del devanado del rotor conduce a un aumento de la corriente de excitación y una disminución del voltaje de excitación .

Sobrecalentamiento del rotor es consecuencia de corrientes desequilibradas en el estator , debido a:

• Viaje monopolar
• Falla en el devanado del estator
• Secuencia de fase negativa

Secuencia de fase negativa y corrientes desequilibradas en las corrientes del estator y produce 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 en dos veces la frecuencia del sistema (50 Hz o 60 Hz ), producirá un sobrecalentamiento local en la periferia del rotor que pueden causar debilidad en las cuñas y anillos de retención del rotor .

Cuando un generador pierde excitación (o campo ), potencia reactiva fluye desde el sistema de energía hacia el generador . Entonces el generador pierde sincronismo y funciona como un generador de inducción, por encima de la velocidad síncrona .

Velocidad sincrónica superior el rotor comenzará a oscilar en un intento de sincronizarse , lo que provoca sobrecalentamiento y otros daños . Mientras el sistema sea estable , potencia reactiva (MVAr ) fluirá hacia el generador y la máquina continuará produciendo potencia activa (MW ).

Funcionamiento del motor de los generadores puede ocurrir cuando el suministro de vapor o agua a la turbina falla y generadores obtiene energía del sistema eléctrico .

En turbinas de vapor el vapor actúa como refrigerante , manteniendo las palas a temperatura constante . Falla en el suministro de vapor puede causar sobrecalentamiento de las cuchillas . En algunas máquinas, el aumento de temperatura es muy bajo y automovilismo puede tolerarse durante un tiempo considerable .

Turbina hidráulica tendrá cavitación (formación y luego implosión inmediata de cavidades en líquido – pequeñas zonas libres de líquidos (“burbujas “) – que son la consecuencia de fuerzas que actúan sobre el líquido ).

Suele ocurrir cuando un líquido se somete a cambios rápidos de presión que provocan la formación de cavidades donde la presión es relativamente baja .

Cavitación es una causa importante de desgaste . Al entrar en áreas de alta presión , burbujas de cavitación que implosionan sobre una superficie metálica causar estrés cíclico a través de implosiones repetidas , lo que resulta en fatiga superficial del metal .

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Tipos de Fallas Externas en un Generador

Fallas del sistema de alimentación externo y condiciones de funcionamiento anormales son:

• Fallas externas de cortocircuito
• Conexión no sincronizada del generador
• Fuera de sincronización (deslizamiento de polos o pérdida de sincronización)
• Sobrecargas
• Exceso de velocidad
• Desequilibrio de fase y secuencia de fase negativa
• Baja y sobrefrecuencia
• Sub y sobre voltajes

Un fallo que no se soluciona o que se soluciona lentamente en el sistema de red puede causar generadores para comenzar a deslizar postes , o vaya a "fuera de sintonía ” con el resto del sistema .

Tal condición es indeseable porque se ejercen tensiones mecánicas perjudiciales sobre el eje , y las severas oscilaciones de poder tener un efecto perturbador en los voltajes del sistema de energía .

Falta de sincronismo puede ser causado por un cortocircuito externo, la desconexión de una carga inductiva importante o por una falla en el sistema de excitación .

Exceso de velocidad es la consecuencia de un apagado repentino de la carga total o una reducción importante de carga .

Dispositivos de protección del generador

Los generadores son los equipos más caros en los sistemas de energía. Los siguientes dispositivos se utilizan para la protección de los generadores de CA y CC contra las fallas que se producen en el mismo.

• Protección de falla a tierra del estator (devanados del estator fase a fase y tierra del estator o protección de fallas a tierra mediante relé diferencial)
• Protección de falla a tierra del rotor
• Protección de carga desequilibrada del estator (pérdida de protección de campo y cambio en el flujo de potencia reactiva)
• Protección contra el sobrecalentamiento del estator (protección contra el sobrecalentamiento de los devanados y cojinetes del estator y protección contra la secuencia de fase negativa)
• Protección contra Pérdida de Encendido de Caldera
• Protección contra fallas de motor principal y turbina (protección de desequilibrio de fase del estator)
• Protección contra sobrevelocidad y sobreexcitación (saturación del núcleo debido a sobreexcitación)
• Fallo del aislamiento
• Protección contra fallas del aceite de lubricación
• Protección de bajo vacío
• Protección contra vibraciones y protección contra sobrefrecuencia y subfrecuencia
• Protección de respaldo del generador
• Protección contra distorsión del rotor y protección de arranque suplementaria de fase
• Protección contra fallas externas de cortocircuito 
• Protección contra la diferencia de expansión entre las partes estacionarias y giratorias del generador
• Protección de potencia inversa y protección de flujo de potencia negativa

Por lo tanto, se requieren esquemas de relés de protección confiables para detectar y eliminar fallas del generador rápidamente para minimizar los daños y reducir al mínimo el tiempo de reparación .

Protección contra fallas entre fases de los devanados del estator se realiza a través de un relé diferencial , cuyo principio fue discutido previamente en otras secciones. Este dispositivo de protección no es capaz de detectar fallas entre vueltas de bobinado .

Cuando tal tipo de falla se produce una disminución de la tensión de fase y aparece un voltaje de secuencia cero; este voltaje es detectado por un relé de voltaje (ANSI/IEEE/IEC código 60 ) conectado a VT .

Tierra del estator o fallas a tierra protección depende de puesta a tierra del estator . Para sistema de puesta a tierra de resistencia un relé de sobrecorriente conectado a un TC “tipo anillo” dentro de la conexión neutral o un relé de tensión en terminales de resistencia se puede usar.

Bajo condiciones normales de salud no fluye corriente a través de la resistencia y el voltaje en los terminales es igual a cero .

Para puesta a tierra a través de un transformador un relé de tensión comprobando la tensión en la resistencia conectada al secundario del transformador se utiliza.

Bajo condiciones normales de salud el transformador de puesta a tierra desarrolla ningún voltaje secundario , y no se aplica tensión al relé . Cuando ocurre una falla a tierra del estator , se desarrolla un voltaje entre los terminales secundarios del transformador de puesta a tierra y el relevador de voltaje opera .

La Figura 1 muestra la conexión típica para diferencial de estator y protección contra fallas a tierra.

Fallas de cortocircuito del devanado del rotor bobinado están protegidos por relés de sobrecorriente .

Los devanados del rotor pueden dañarse por fallas a tierra.

El rotor o devanado de campo en grandes generadores térmicos está sin conexión a tierra , por lo tanto, una falla a tierra única no produce corriente de falla .

Una falla a tierra única , sin embargo, aumenta el potencial de todo el sistema de campo y excitador , y los voltajes adicionales inducidos al abrir el interruptor de campo o el interruptor del generador principal , particularmente en condiciones de falla , puede aumentar el estrés al suelo en el campo , cuando el estator transitorios inducir un extra voltaje en los devanados de campo . Este voltaje adicional puede causar una segunda falla en el devanado de campo .

Una segunda falla a tierra d puede provocar un calentamiento local de la plancha que podría deformarse el rotor, provocando un peligroso desequilibrio.

La protección contra fallas a tierra del rotor puede ser proporcionado por un relé que controla el aislamiento del rotor mediante la aplicación de un voltaje de CA auxiliar al rotor o un relé de tensión en serie asociado a una alta resistencia (la combinación de resistencias lineales y no lineales es el método común utilizado hoy en día ) conectado a través del circuito del rotor , el punto central del cual está conectado a tierra a través de la bobina de un relé sensible (ANSI/IEEE/IEC código 64).

Hoy en día, la técnica moderna exige el uso de la combinación resistencias lineales y no lineales .

La Figura 2 muestra un ejemplo de rotor protección contra fallas a tierra .

Pérdida de protección de campo utiliza un relé que detecta el cambio en el flujo de potencia reactiva. Una típica pérdida de protección de excitación el esquema utiliza un Offset Mho (impedancia ) retransmisión para medir la impedancia de carga del generador .

El Mho compensado relé de impedancia es un relé monofásico , y se alimenta desde el generador CT y VT . La pérdida de relé de campo operará si el valor de la impedancia de carga cae dentro de la característica operativa del rela y.

Un relé de tiempo se incluye para iniciar el disparo de la máquina si la condición de potencia reactiva líder persiste durante 1 s (típico ).

Para evitar la saturación del núcleo debido a sobreexcitación durante arranque y apagado una protección contra sobreexcitación (ANSI/IEEE/IEC código 59) se utiliza.

Sobreexcitación se puede explicar mediante la siguiente ecuación:

B =V/f

Donde B es la densidad de flujo magnético o inducción magnética o flujo central (unidad:tesla – T ), V es el voltaje aplicado (unidad:voltio – V ) y f la frecuencia (unidad:hetz – Hz ).

Para el flujo central permanecer por debajo del punto de saturación , el voltaje del generador puede aumentarse solo a medida que aumenta la frecuencia (o la velocidad) .

Si la excitación aumenta demasiado rápido , entonces esta condición de sobreexcitación debe ser detectado , y el interruptor de campo se disparó .

Sobreexcitación los esquemas de protección usan Voltios por Hertz relés .

Estos relés tienen una característica lineal , y operará si el voltaje dividido por la frecuencia excede el valor establecido .

Protección contra sobrecalentamiento de rodamientos y devanados del estator generalmente lo realiza RTD y thermistor para controlar la temperatura .

Protección de desequilibrio de fase del estator comúnmente usa un relé de sobrecorriente de tiempo inverso , que está establecido de conformidad con el tiempo máximo que el rotor puede soportar este sobrecalentamiento .

La función del generador protección de secuencia de fase negativa es proteger la máquina contra el sobrecalentamiento efectos, es decir, en el rotor , que se producen como resultado del desequilibrio de las corrientes de fase del estator .

Esta protección utiliza un relé que compara la corriente en dos fases a través de CT , como se muestra en la Figura 3.

Protecciones están establecidos de acuerdo con el tiempo máximo que el rotor puede soportar este sobrecalentamiento y tiempo está definido por la ecuación K =I ² t (basado en la ley de Joule ).

Curvas típicas para esta condición se muestra depende del motor primario y son indicados por el fabricante .

Protección de potencia inversa (ANSI/IEEE/IEC código 32) utiliza un relé direccional de potencia para supervisar la carga del generador; el relé se suministra desde el generador CT y VT como se muestra en la Figura 4 y funcionará cuando se detecta cualquier flujo de energía negativo .

Protección fuera de sintonía detecta una condición causada por perturbaciones en el sistema de energía, en lugar de fallas en el generador . La protección detecta la condición cuando el generador desliza su primer polo , y hace que los disyuntores del generador se disparen .

La turbina está no disparado permitir que la máquina sea resincronizada después de que se elimine la perturbación del sistema .

Esta protección puede considerarse complementaria a la protección de pérdida de excitación.

El fuera de sintonía condición ocurre con el generador en campo completo y la pérdida de sincronismo por subexcitación ocurre cuando el generador no tiene campo .

Protección fuera de sintonía utiliza tres relés de medición de impedancia . Estos relés son suministrados por el generador CT y VT y medir el generador impedancia de carga , detectando una condición de cambio de potencia si los tres relés funcionan en la secuencia correcta y iniciará el disparo de los disyuntores de alta tensión .

Para fallas externas de cortocircuito relés de sobreintensidad se utilizan (50; 50N; 51; 51N ).

Protección de sobrefrecuencia y subfrecuencia (ANSI/IEEE/IEC código 81 ) detecta también perturbaciones del sistema, en lugar de fallas del generador. Una ruptura importante del sistema de energía puede dar como resultado una energía de generación excesiva o insuficiente para la carga conectada restante .

En el primer caso , sobrefrecuencia , con posible sobretensión resultados debido a la demanda de carga reducida . Operación en este modo no producirá sobrecalentamiento salvo potencia nominal y aproximadamente 105 % tensión nominal se superan .

Los controles del generador deben ajustarse rápidamente para hacer coincidir la salida del generador con la demanda de carga .

Con generación insuficiente para la carga conectada , subfrecuencia es el resultado de una demanda de carga pesada .

La caída de voltaje hace que el regulador de voltaje para aumentar la excitación . El resultado es que sobrecalentamiento puede ocurrir tanto en el rotor como en el estator . Al mismo tiempo , se demanda más potencia , con el generador menos capaz de suministrarlo a la frecuencia decreciente .

El deslastre de carga del sistema de transmisión automático o manual idealmente debería ajustar la carga para que coincida con la generación conectada antes de que ocurra un colapso total del sistema de energía.

Relés de sobre y bajo voltaje (ANSI/IEEE/IEC códigos 59 y 27 ) se utilizan para controlar el voltaje .

Protección de inicio suplementaria de fase se proporciona para detectar una condición donde existe un fallo s cuando el generador está acelerando al máximo . Los generadores, por supuesto, no deben ponerse en marcha en condiciones de carga o falla.

Para evitar esto, un esquema de protección n se utiliza para que cambie a relés de sobrecorriente de ajuste bajo SOLO si la frecuencia está por debajo de 52 Hz en 60 Hz sistemas de energía y 42 Hz en 50 Hz sistemas .

Hoy en día IED (ver Sección 2.1) que agrupan todas las funciones de protección requeridas se utilizan comúnmente para la protección del generador .

Sobre el autor:Manuel Bolotinha

-Licenciatura en Ingeniería Eléctrica – Energía y Sistemas de Potencia (1974 – Instituto Superior Técnico/Universidad de Lisboa)
– Maestría en Ingeniería Eléctrica e Informática (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova Universidad de Lisboa)
– Consultor Senior en Subestaciones y Sistemas de Potencia; Instructor profesional