UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA

INCLUSIN DE LOS AJUSTES DE PROTECCIN A LA CURVA DE CAPABILIDAD DE UN TURBOGENERADOR DE 200 MVA

INFORME DE COMPETENCIA PROFESIONAL PARA OPTAR EL TTULO PROFESIONAL DE INGENIERO ELECTRICISTA PRESENTADO POR: CARLOS JAVIER QUIROZ MELGAR PROMOCIN 2003 IILIMA PER 2008

INCLUSIN DE LOS AJUSTES DE PROTECCIN A LA CURVA DE CAPABILIDAD DE UN TURBOGENERADOR DE 200 MVA

Expreso mi gratitud: A mi Familia, por brindarme su constante apoyo y un ambiente social agradable dnde iniciar mi vida. A todas las personas que con sus palabras y acciones me animaron desinteresadamente a completar, paso a paso, este trabajo.

SUMARIO

Los generadores elctricos tienen limitaciones relacionadas a las capacidades trmicas de los materiales con que fueron construidos, las principales vienen dadas por el calentamiento que sufren sus partes conductoras al soportar el paso de altas intensidades de corriente elctrica; estas deben ser mantenidas por debajo de lmites que no permitan que se dae el aislamiento de las bobinas o se sobrecaliente el resto de las partes. Los fabricantes sealan claramente estos lmites mediante los datos de placa y unos diagramas que indican cunta corriente puede soportar el generador en sus partes activas para no exceder sus lmites trmicos; este diagrama se denomina Curva de Capabilidad del generador, la que viene dada en unidades de potencia y representa la regin lmite para la potencia aparente que puede producir el generador en todo momento. Sin embargo, la experiencia muestra que los lmites de la mxima potencia realmente generable no suelen ser los indicados en dicho diagrama, sino que se estn dados por otros factores tan diversos como los ajustes de los rels de proteccin del propio generador, los ajustes de proteccin de sus equipos auxiliares (que normalmente son alimentados por el propio generador), las capacidades fsicas de la mquina prima que le provee el torque mecnico e incluso los parmetros operativos de la red a la que el generador se conecta. La falta de anlisis de estos factores ser siempre un potencial peligro de que se sobreestime la real capacidad de los generadores, pudiendo excederse sus lmites reales y causar desconexiones no deseadas o peor an, daos al equipo. Este informe ofrece un anlisis que determina los verdaderos lmites entre los que puede operar con seguridad un turbogenerador de 200 MVA que opera en la zona de Lima, brindando una curva de capabilidad que permita contar con lmites confiables de operacin del generador, evitando as operarlo en condiciones de riesgo para el equipo y el proceso de generacin.

NDICEPgina PRLOGO CAPTULO I INTRODUCCIN 1.1. 1.2. 1.3. Objetivos del Informe Organizacin del trabajo Alcances del Informe 2 4 4 6 1

CAPTULO II PROTECCIONES APLICADAS A LOS GRUPOS GENERADORES 2.1. 2.2. Protecciones elctricas aplicadas a generadores elctricos Protecciones aplicadas a los equipos auxiliares del generador 7 8 13

CAPTULO III METODOLOGA PARA LA CONSTRUCCIN DE LA CURVA DE CAPABILIDAD DE UN TURBOGENERADOR ELCTRICO 3.1. 3.2. 3.3. Control de la potencia activa y reactiva Metodologa de construccin de la curva de capabilidad para un turbogenerador Curva de capabilidad del turbogenerador de 200 MVA 3.3.1. Descripcin del turbogenerador de 200 MVA 3.3.2. Construccin de la curva de capabilidad del turbogenerador 19 26 26 30 17 17

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CAPTULO IV DESCRIPCIN DE LAS PROTECCIONES APLICADAS AL TURBOGENERADOR DE 200 MVA 4.1. Funciones de proteccin del turbogenerador 4.1.1. Descripcin de las funciones de proteccin del turbogenerador 4.1.1.a. Funciones activas en el rel SIEMENS 7UM511 4.1.1.b. Funciones activas en el rel SIEMENS 7UM512 4.1.1.c. Funciones activas en el rel SIEMENS 7UM515 4.1.1.d. Funciones activas en el rel SIEMENS 7UM516 4.1.1.e. Funciones activas en el rel SIEMENS 7UT512 4.1.2. Ajustes de las funciones de proteccin relacionadas al generador elctrico 4.1.2.a. Ajuste de las funciones de proteccin del rel SIEMENS 7UM511 4.1.2.b. Ajuste de las funciones de proteccin del rel SIEMENS 7UM512 4.1.2.c. Ajuste de las funciones de proteccin del rel SIEMENS 7UM515 4.1.2.d. Ajuste de las funciones de proteccin del rel SIEMENS 7UM516 4.1.2.e. Ajuste de las funciones de proteccin del rel SIEMENS 7UT512 4.2. Resumen del captulo 52 53 55 55 56 58 58 35 35 36 36 45 46 49 51

CAPTULO V INCLUSIN DE LOS AJUSTES DE LAS FUNCIONES DE PROTECCIN DEL GENERADOR Y EQUIPOS AUXILIARES EN LA CURVA DE CAPABILIDAD 5.1. 5.2. Seleccin de las funciones de proteccin que afectan a la curva de capabilidad Clculo de los lugares geomtricos originados por los ajustes de las protecciones 5.2.1. Lugar geomtrico originado por la Prot. de Subexcitacin (ANSI 40) 5.2.2. Lugar geomtrico originado por la Prot. de Sobreexcitacin U/f (59/81) 5.2.3. Lugar geomtrico originado por la Prot. de Sobrecorriente (ANSI 51) 5.2.4. Lugar geomtrico originado por la Prot. de Sobrevoltaje (ANSI 59) 5.2.5. Lugar geomtrico originado por la Prot. de Mnima Tensin 63 64 65 73 74 60 60

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del Generador (ANSI 27) 5.2.6. Lugar geomtrico originado por la Prot. de Mnima Tensin de las barras de los equipos auxiliares del generador de 200 MVA 5.2.7. Lugar geomtrico originado por los Lmites de la Turbina acoplada al generador de 200 MVA 5.3. Construccin de la curva de capabilidad del turbogenerador de 200 MVA, con los lugares geomtricos originados por los ajustes de sus protecciones y los lmites del equipamiento auxiliar 5.3.1. Resumen de los lugares geomtricos originados por las protecciones analizadas 5.3.2. Curva de capabilidad del Turbogenerador de 200 MVA 5.4. Resumen del captulo

75 79 82

82 83 86 90

CAPTULO VI EVENTOS OCURRIDOS QUE VALIDAN LOS LMITES DE LA CURVA DE CAPABILIDAD DEL TURBOGENERADOR DEBIDO A SUS AJUSTES DE PROTECCIN 6.1. Eventos Ocurridos durante la Operacin del Generador de 200 MVA 6.1.1. Evento N 01 Actuacin de la proteccin de sobreexcitacin U/f 6.1.2. Evento N 02 Excesiva subexcitacin del generador CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ANEXOS BIBLIOGRAFA 91 91 91 94 97 100 103

PRLOGO

El paso de corriente a travs de los devanados del generador y sus caractersticas de estabilidad definen un diagrama conocido como la Curva de Capabilidad, la cual delimita la regin en que la mquina sncrona puede operar con seguridad, sin causar dao por sobrecalentamiento a sus devanados o partes magnticas ni perder estabilidad respecto al resto del sistema. Sin embargo, dicha curva formada principalmente por los lmites trmicos debidos al paso de corriente por los devanados no suele tomar en cuenta otros lmites existentes que terminan por restringir los lmites de la regin de operacin segura para la mquina, las cuales estn influenciadas por aspectos diversos como los ajustes de las protecciones del generador, las protecciones del equipamiento auxiliar necesario para el funcionamiento de la unidad de generacin o las capacidades fsicas de la mquina prima. En este informe se expone la metodologa para construir la curva de capabilidad de un generador sncrono de rotor cilndrico, para luego construir con parmetros reales la curva de un generador de 200 MVA existente y en base a los ajustes de sus protecciones y lmites de su equipamiento auxiliar, establecer restricciones a su curva de capabilidad para definir los lmites de generacin de potencia activa y reactiva que en la prctica pueden ser alcanzados, asegurando con ellos no daar al equipo o poner en riesgo su operacin normal. Finalmente se busca validar los resultados con la exposicin de eventos ocurridos durante la operacin comercial del generador.

CAPTULO I INTRODUCCIN

El generador elctrico es uno de los componentes principales en un sistema elctrico y la principal fuente de generacin de potencia elctrica en el mundo. Desde el inicio de la utilizacin de la corriente alterna, sus caractersticas de diseo y capacidad han evolucionado incesantemente para variar desde pequeos modelos utilizados para la iluminacin de reas fsicas restringidas hasta los modelos actuales con potencias de varios cientos de Megavoltamperes (MVA), grandes dimensiones y cada vez con ms eficientes sistemas de refrigeracin, que asimismo han originado la constante evolucin de sus sistemas de proteccin para interactuar con seguridad en los grandes sistemas elctricos. El costo e importancia de los generadores impulsa a las compaas propietarias de las centrales de generacin elctrica a mantenerlos protegidos con rels electrnicos redundantes contra las diversas fallas que pudiesen ocurrir en el sistema elctrico, en el propio generador o en sus equipos auxiliares anexos. El generador elctrico posee dos partes principales que son estructuras ferromagnticas [1]. La parte estacionaria, esencialmente un cilindro hueco, se llama estator o armadura, y posee ranuras longitudinales en las que se alojan las bobinas del devanado de armadura; estos devanados conducen la corriente alterna que el generador suministra a la carga elctrica que tiene conectada. El rotor es la parte del generador que se monta sobre un eje y rota dentro del estator hueco. El devanado distribuido sobre el rotor, llamado devanado de campo (o rotrico) se alimenta con corriente continua. La fuerza magnetomotriz (fmm) de muy alta intensidad producida por la corriente en el devanado de campo se combina con la fmm producida por las corrientes inducidas en los devanados de armadura. El flujo resultante en el entrehierro, o espacio de aire que existe entre el rotor y el estator, genera voltajes en las bobinas de los devanados de la armadura y origina el par electromagntico entre el estator y el rotor. La corriente continua se suministra al rotor a travs de una

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excitatriz montada sobre el mismo eje o por una fuente separada conectada al devanado de campo por medio de anillos rozantes. El eje es impulsado por una fuente de energa mecnica a la que se denomina mquina prima, la cual suele ser una turbina de gas, vapor, hidrulica o un motor a combustin. El paso de la corriente a travs de los conductores del bobinado estatrico y el rotrico ocasiona su calentamiento principalmente por prdidas de efecto Joule (I2R), por lo que naturalmente poseen una mxima capacidad de conduccin de corriente, la cual fijan los propios fabricantes y es la adecuada para no producir dao por sobrecalentamiento al aislamiento de alguno de los bobinados, lo cual podra terminar en un cortocircuito catastrfico para el equipo. Cuando un generador es puesto en servicio por primera vez, el fabricante entrega al propietario un diagrama denominado Curva de Capabilidad, en esta se muestran los lmites mximos de produccin de potencia activa y reactiva, basados en los lmites trmicos de los bobinados rotrico y estatrico, el calentamiento presentado en los extremos del ncleo del estator y un lugar geomtrico que representa el lmite de estabilidad. Los lmites presentados en este diagrama suelen mostrar una capacidad holgada de produccin de potencia reactiva del generador, la que, al momento de ser ensayada durante la operacin de la unidad generalmente no es alcanzada, encontrndose en el camino alarmas crticas, desconexiones de equipos auxiliares o hasta la desconexin del propio generador. Este hecho es causado por la existencia de restricciones originadas tanto en las funciones de proteccin del propio generador, de sus equipos auxiliares o hasta de su mquina prima, las que en general no son tomadas en cuenta por el fabricante para elaborar la curva. Esta situacin motiva a que la compaa propietaria del generador realice estudios o anlisis para redefinir los lmites de su curva de capabilidad, a fin de ofrecer al personal de operacin una herramienta comprensible y confiable que les seale los lmites reales de su generador, para evitar sobreexigirlo o exponerlo a una falla no deseada. Puesto que la configuracin de cada unidad generadora es distinta, el anlisis para redefinir los lmites es difcilmente generalizable, y para cada caso las particularidades de la unidad debieran ser tomadas en cuenta a fin de ofrecer una curva de capabilidad que pueda exigir el mximo posible de produccin al generador, sin someterlo a esfuerzos innecesarios o a

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situaciones operacionales potencialmente peligrosas para el equipo o el proceso de generacin. En este informe se analiza el turbogenerador de 200 MVA que opera en la unidad TG3 de la Central Trmica Ventanilla, ubicada en la zona de Lima Per. Para el anlisis se ha utilizado la informacin tcnica disponible de la unidad, los datos de funcionamiento y puesta en servicio del equipo, ajustes y lmites actuales, as como la informacin operativa y el anlisis de eventos fruto de la experiencia en el rea de Operaciones de dicha Central. 1.1. Objetivos del Informe Los objetivos de este informe se pueden resumir en: a. Explicar los componentes y la metodologa utilizada para confeccionar la curva de capabilidad de un turbogenerador. b. Explicar los efectos que los ajustes de las protecciones y lmites de equipos auxiliares ejercen sobre la curva de capabilidad de un generador, y que terminan por restringirla para no exponer al generador a fallas no esperadas por alcanzar o exceder los lmites de su real capacidad. c. Incluir dentro de la curva de capabilidad de un turbogenerador de 200 MVA los lmites impuestos por sus propias protecciones, as como las impuestas por sus equipos auxiliares y la propia red elctrica. d. Validar los resultados del anlisis y la curva de capabilidad restringida halladas en este trabajo con estados operacionales presentados durante eventos anormales sucedidos en la operacin comercial del turbogenerador de 200 MVA. 1.2. Organizacin del Trabajo El informe inicia con una breve resea de las protecciones aplicadas al generador, para luego desenvolver el tema de la curva de capabilidad con la finalidad de brindar suficiente informacin al momento de efectuar el anlisis de las restricciones impuestas a la curva entregada por el fabricante y proponer luego curvas reales que puedan brindar una

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herramienta realmente confiable a los operadores de un generador sincrnico. En los siguientes prrafos se muestra el resumen del contenido de cada captulo del informe. En el Captulo I se introduce el concepto del generador elctrico y cmo sus lmites trmicos crean zonas de operacin seguras para evitar causarle daos por exceder sus capacidades fsicas. En el Captulo II se realiza un breve recuento de los esquemas de proteccin elctrica aplicados a un turbogenerador de grandes dimensiones, as como las principales protecciones y limitaciones de sus equipos auxiliares, a fin de comprender las discusiones de captulos posteriores que llevarn a redefinir los lmites de la curva de capabilidad del turbogenerador. En el Captulo III se realiza una breve exposicin del control de la potencia activa y reactiva en un generador sncrono; con estos conceptos se desarrolla la metodologa estndar para obtener la curva de capabilidad de un generador de rotor cilndrico, luego se muestran las caractersticas del turbogenerador de 200 MVA para aplicar en este la metodologa expuesta y obtener as su curva de capabilidad. En el Captulo IV se explica la filosofa de operacin de las protecciones elctricas aplicadas al turbogenerador de 200 MVA, mostrndose adems los valores de ajuste reales de los rels para utilizar esta informacin al momento de identificar las restricciones que stas imponen a la curva de capabilidad. En el Captulo V se seleccionan las funciones de proteccin elctrica del captulo anterior que causan alguna influencia sobre la curva de capabilidad debido a sus ajustes; adems se muestran lmites impuestos por las capacidades y protecciones de la mquina prima y los equipos auxiliares del grupo generador. Posteriormente se utilizan estos lmites y restricciones para realizar un anlisis basado en la teora de mquinas elctricas y la experiencia operativa para lograr identificar nuevas restricciones a la curva de capabilidad obtenida en el Captulo III, presentndose finalmente la curva de capabilidad del turbogenerador de 200 MVA con los nuevos lmites basados en sus ajustes de proteccin y limitaciones de equipamiento auxiliar.

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En el Captulo VI se muestran dos eventos reales ocurridos durante la operacin comercial de la unidad a la que pertenece en turbogenerador de 200 MVA, que muestran condiciones histricamente extremas a las que fue sometido el generador, y con las que se logra validar el anlisis y los nuevos lmites impuestos a la curva de capabilidad. En la seccin de Conclusiones y Recomendaciones se exponen los principales resultados de este informe, y se dejan sugerencias de trabajos futuros que permitiran profundizar este anlisis y conseguir herramientas tiles en la prctica para la industria de la generacin elctrica. En los Anexos se muestra una interesante metodologa desarrollada para obtener los lmites de subexcitacin de la curva de capabilidad de un generador sncrono de polos salientes. Esta explica bastante bien muchos de los supuestos que se tienen para obtener la Curva de los generadores de rotor cilndrico. 1.3. Alcances del Informe El presente informe analiza la operacin de un turbogenerador real instalado en el Per. El anlisis realizado para redefinir los lmites de su curva de capabilidad se basa en las ecuaciones para el generador sncrono de rotor cilndrico, los ajustes reales de las protecciones de este grupo generador y los niveles de tensin operacionales reales de la subestacin de alta tensin a la cual se conecta. Si bien es cierto que las ecuaciones generales para analizar a una mquina sncrona se obtienen para el caso del generador de polos salientes, este informe no inicia con dicho enfoque pues el objetivo es hallar los resultados para un turbogenerador en particular. Los resultados finales son aplicables slo a este generador, pero la metodologa utilizada si podra utilizarse para otros casos.

CAPTULO II PROTECCIONES APLICADAS A LOS GRUPOS GENERADORES

La asignacin de un adecuado esquema de protecciones para los generadores sincrnicos debe tomar en cuenta todas las condiciones de operacin anormal que se pudieran presentar durante su operacin, asignando una o varias funciones de proteccin para cada una de ellas. Aunque en principio algunos de estos esquemas pudiesen parecer excesivos para usuarios poco experimentados, debe tenerse presente que es preferible el riesgo de manejar varias protecciones y grandes cantidades de seales (con los riesgos inherentes de falla que estadsticamente esto tiene), a contar con menos funciones de proteccin que las recomendadas. Debe tenerse presente que el inconveniente al asignar ms protecciones al equipo no es tanto que stas puedan operar inadecuadamente o sacar al generador de servicio innecesariamente, sino que fallen al operar cuando deben hacerlo. Un disparo innecesario del generador es indeseable, pero las consecuencias de no dispararlo cuando se debe y terminar daando la mquina pueden ser muy costosos. Cuando se realiza la coordinacin de las protecciones del generador, varias de ellas, an no perteneciendo a la misma funcin de proteccin, se terminan por superponer, quedando algunas en lmites inalcanzables para los parmetros de la mquina debido a que ante una falla, actan siempre antes las protecciones con ajustes menores; sin embargo, justamente su utilidad est en servir como backups de las funciones principales, listas para proteger al equipo cuando una proteccin que debi actuar, no lo hizo. En resumen, existen funciones de proteccin tan diversas como diversas fallas pueden existir, con las diferencias de ajuste o filosofa que cada fabricante pudiera asignarles. En las siguientes secciones se muestra un recuento de las fallas y la forma de mantener protegido al generador.

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2.1. Protecciones elctricas aplicadas a los generadores elctricos Con la evolucin tecnolgica de los sistema de proteccin y, en general de todo el resto de equipamiento elctrico, se han reemplazado los antiguos sistemas de proteccin basados en rels electromecnicos por modernos rels multifuncin electrnicos que entre otras ventajas poseen mayor exactitud de ajuste, facilidad para el almacenamiento de la informacin de eventos, concentracin de varias funciones en un solo equipo y mayor confiabilidad. Sin embargo, a pesar de estos avances, la filosofa de operacin de las distintas funciones de proteccin mantiene en gran parte su vigencia, por lo que es posible hablar de un esquema tpico de proteccin para un generador de gran potencia. Para identificar las funciones de proteccin se utiliza la numeracin aplicada a sistemas elctricos estandarizada por el IEEE (Institute of Electrical and Electronical Engineers) e incorporada por ANSI (American National Standards Institute) en su estndar C37.2-1991. Las funciones comnmente utilizadas para la proteccin de generadores se muestran en la Tabla N 2.1.TABLA N 2.1. Funciones utilizadas para la proteccin de generadores segn denominacin ANSI.FUNCIN Sobrecarga (imagen trmica) Sobrecorriente de secuencia negativa Prdida de excitacin Baja impedancia Sobrecorriente Sobrevoltaje Sobreexcitacin U/f (Sobreflujo) Mnima Tensin Sobre y Sub frecuencia Potencia Inversa Falla a Tierra Cdigo ANSI 49 46 40 21 51 59 59/81 27 81 32 64

El generador elctrico en operacin tiene permanentemente corriente fluyendo a travs de los bobinados de su rotor y estator, por lo que siempre existir en ambos la posibilidad de la ocurrencia de cortocircuitos entre espiras o cortocircuitos a tierra en alguno de los puntos activos del circuito (excitacin, rotor, estator). El generador est diseado para

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operar sin riesgo de saturacin del hierro entre determinados lmites de voltaje (normalmente en el rango +/- 5% de la tensin nominal), por lo que una funcin de proteccin tambin mantiene permanente supervisin de este parmetro. Otras protecciones como las de sobrefrecuencia o subfrecuencia evitan que la unidad opere fuera de sus lmites de diseo mecnico, mientras que la posibilidad de una prdida de sincronismo con la red o una motorizacin por prdida de la mquina prima tambin se supervisan en cualquier generador a fin de evitar daos al equipo. En las siguientes lneas se comentan brevemente los conceptos principales de las funciones estndar de proteccin que se aplican a los grandes generadores [1]. a. Proteccin contra Fallas Externas (51)

Un ejemplo claro de falla externa se produce cuando aparece en la red un cortocircuito directamente visible desde los bornes del generador, el cual causa la aparicin de una corriente de intensidad varias veces superior a la corriente nominal en el estator. Estas fallas son detectadas y despejadas a travs de un rel de impedancia o un rel de sobrecorriente, en los cuales siempre es posible ajustar los tiempos de actuacin. Para los rels de sobrecorriente se pueden escoger la caracterstica de tiempo definido o las varias opciones de tiempo inverso. b. Proteccin contra Sobrecargas (49, 51)

Las sobrecargas se presentan al fluir por el estator una corriente superior a la nominal durante determinado tiempo; stas pueden causar calentamiento excesivo del devanado estatrico y deben eliminarse antes de que se alcance una temperatura peligrosa. Dependiendo de la potencia del generador, la proteccin por sobrecarga puede realizarse a travs de un rel de sobrecorriente, un rel de imagen trmica o sensores de temperatura ubicados en el bobinado. Esta proteccin se ajusta con un porcentaje de corriente por encima de la nominal (por ejemplo 1.15 I/In) y un tiempo de ajuste de varios segundos (para que no se produzca un disparo por algn transitorio que pudiese ocurrir durante condiciones normales). La proteccin contra una sobrecarga mayor se da con una segunda etapa de proteccin ajustada a un valor de corriente ms alto que la anterior (por ejemplo 2 I/In) y un ajuste de tiempo menor. Para turbogeneradores de gran potencia se utilizan rels de imagen trmica,

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la que casi siempre est soportada por sensores de temperatura instalados en el bobinado estatrico conectados tambin al sistema de proteccin. c. Proteccin contra Desbalances de Carga (46)

Los generadores estn diseados para alimentar a cargas balanceadas y por tanto pueden soportar slo pequeos desbalances permanentemente. Si el desbalance se torna excesivo, el generador debe ser automticamente desconectado de la red. Para generadores de pequeas potencias, esta proteccin se da a travs de rels de sobrecorriente que vigilan las corrientes de secuencia negativa. Un desbalance de 8% de corriente en una de las fases, por ejemplo, podra ser un valor adecuado para ajustar el arranque de esta proteccin. d. Proteccin contra condiciones de Potencia Inversa (32)

Como regla general, los generadores que operan en paralelo en un sistema elctrico con otras unidades deben estar protegidos contra condiciones de motorizacin por un rel de potencia inversa (potencia activa). La potencia necesaria para causar que un generador empiece a operar como motor vara desde un pequeo porcentaje de la potencia nominal para las unidades que utilizan como mquina prima una turbina de gas o vapor, hasta valores de 25% para aquellas que usan un motor diesel. El tiempo de ajuste para el arranque de esta proteccin suele estar en el orden de algunos segundos pues deben evitarse disparos innecesarios en condiciones normales como el perodo de sincronizacin o luego del transitorio que sigue al despeje de una falla en el sistema elctrico. e. Proteccin contra variaciones excesivas de Frecuencia (81)

Particularmente en el caso de generadores de gran potencia, necesita detectarse con suficiente rapidez una condicin de sobrevelocidad luego de un gran rechazo de carga o ante una excursin no controlada de la frecuencia del sistema, pues el stress mecnico aplicado a las partes del rotor es muy grande para las velocidades a las que estas mquinas suelen operar. Del mismo modo, los grandes generadores tampoco pueden ser expuestos a frecuencias mucho menores que las de diseo pues el stress mecnico las afecta al operar en velocidades para las que el rotor no ha sido balanceado. El tiempo de ajuste de esta proteccin suele estar enlazado a los programas de rechazo de carga y generacin de todo el sistema elctrico para evitar desconexiones innecesarias de generacin o carga.

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f.

Proteccin contra condiciones de Sobretensin y Mnima Tensin (59, 27)

En caso de presentarse grandes rechazos de carga, la tensin en bornes del generador tender a incrementarse rpidamente, por lo que el regulador automtico de voltaje actuar sobre el control de corriente de excitacin para mantener a la tensin alrededor del punto de ajuste; sin embargo, para casos en los que este evento no pueda ser controlado, se instalan rels de sobretensin con un adecuado tiempo de retardo que impidan poner en peligro la integridad del equipo. De igual forma, una condicin de subtensin excesiva y prolongada (generalmente generada por posibles fallas en el equipo o cercanas), es despejada con la utilizacin de un rel de mnima tensin. g. Proteccin contra Fallas Internas en las fases (51, 87)

Para proteger la totalidad del devanado y tener un disparo ms veloz se instalan rels de proteccin diferencial, los cuales detectan corrientes de falla pequeas que la proteccin normal de sobrecorriente podra no ver. La proteccin diferencial detecta corrientes de falla muy pequeas, sin embargo, si apareciera una falla de gran sobrecorriente, sta proteccin actuara de todas formas junto a la proteccin de sobrecorriente, permitiendo un doble disparo y asegurando as una proteccin de mayor seguridad para un caso crtico. h. Proteccin ante Falla a Tierra del Estator (59G, 51G, 64, 87)

Cuando el generador utiliza un transformador tipo estrella-delta para su conexin a la red, la proteccin contra este tipo de fallas puede hacerse con el mtodo de Neutro aislado, colocando un rel de sobrevoltaje entre el neutro del generador y la tierra, o el mtodo de neutro aterrizado con alta resistencia, donde la falla sera detectada con un rel de sobrecorriente a travs de un trafo de corriente instalado en la lnea de aterramiento del neutro. La proteccin diferencial tambin es aplicable para despejar una falla de este tipo, y por su criticidad siempre ser necesario contar con una proteccin de backup de cualquiera de las formas que se haya utilizado como mtodo de proteccin principal para asegurar el disparo del generador. i. Proteccin ante Falla a Tierra del Rotor (64)

La resistencia del aislamiento del rotor se puede verificar tanto aplicando un voltaje DC entre el circuito del rotor y tierra, como aplicando un voltaje AC de baja frecuencia. Estos

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mtodos aseguran la deteccin de una falla a tierra del rotor, independientemente de su localizacin. j. Proteccin contra Prdida de Campo (40)

Proteger al generador contra la prdida de campo puede realizarse a travs de un rel de impedancia, a travs de un rel que mida la cantidad de potencia reactiva inversa adecuadamente retardado para evitar su actuacin ante oscilaciones de potencia por efectos de la red, a travs de la medicin directa de la corriente de excitacin, en cuyo caso se podr controlar tanto la mnima excitacin como una sobreexcitacin. k. Proteccin contra Sobreflujo Magntico U/f (59/81)

La relacin tensin/frecuencia es proporcional a la densidad de flujo magntico (B) que atraviesa las partes magnticas del generador. Cuando determinado lmite para esta relacin es superado (un valor comn de ajuste entre los fabricantes es 1.05), se inician condiciones indeseables de saturacin magntica del hierro del estator, lo que conlleva a su sobrecalentamiento trmico. Estas condiciones suelen presentarse durante los procesos de arranque, ante rechazos totales de carga, condiciones dbiles del sistema elctrico o por una equivocada sobreexcitacin manual excesiva. Los diversos tipos de falla mostrados obligan a los diseadores a establecer complejos esquemas de protecciones que permitan al generador funcionar sin riesgo de entrar a operar en condiciones riesgosas. Como regla general, mientras mayor sea la potencia nominal del generador, mayor la cantidad de funciones de proteccin que requiere instaladas. La figura 2.1 muestra las funciones que recomienda el fabricante SIEMENS para generadores con potencias en el rango de 50 a 200 MVA, para implementarlas dentro de un esquema de proteccin utilizando sus rels multifuncin modelo SIPROTEC 7UM6; las funciones indicadas con crculos son consideradas opcionales por este fabricante y son slo 3, contra las 13 que este fabricante considera necesarias. En la figura 2.2 se muestra un esquema de proteccin tpico para un generador elctrico.

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Generator rated power 50 - 200 MVA

Figura N 2.1. Funciones de proteccin recomendadas por Siemens para generadores con potencias entre 50 y 200 MVA. Fuente: Siemens applications for SIPROTEC relays 2005 [9].

2.2. Protecciones aplicadas a los Equipos Auxiliares del Generador El generador elctrico requiere una mquina prima que le provea movimiento y el torque mecnico necesario para la produccin del campo magntico giratorio y el posterior control de la potencia activa, la mquina prima es generalmente una turbina de gas o vapor para generadores de grandes potencias, o un motor a combustin para unidades ms pequeas. Adems, para poder operar, el generador requiere otros equipos auxiliares ms pequeos tales como el circuito de excitacin, los motores para el bombeo y refrigeracin de agua y aceite, para la compresin del aire de comando, los circuitos de iluminacin, los armarios de control, entre varios otros. Todos estos equipos complementan al generador elctrico

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para conformar el grupo turbogenerador, y al igual que el generador elctrico, poseen sus propias protecciones que aseguran su correcto funcionamiento dentro de lmites que permitan su normal operacin y conservacin.

Figura 2.2. Esquema tpico de proteccin de un generador elctrico.

A continuacin se sealan brevemente las protecciones que comnmente son aplicadas a los equipos auxiliares de un generador elctrico de potencia cercana a 200 MVA. a. Protecciones Elctricas de los Equipos Auxiliares del Generador (59, 27, 51)

Los equipos auxiliares utilizados por los generadores suelen operar con tensiones por debajo de 1 kV, excepto la excitatriz y otros equipos de mayor consumo de energa que suelen estar alimentados con mayor nivel de tensin a travs de transformadores independientes. La potencia individual de cada uno de stos equipos es relativamente pequea comparada con la potencia del generador, por lo que suelen estar protegidos slo a travs de interruptores termomagnticos, rels de sobrecorriente y rels de sobretensin o

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mnima tensin. Estos deben operar permanentemente porque la prdida de uno de estos equipos podra en el caso ms crtico causar la desconexin intempestiva de todo el grupo turbogenerador, por ejemplo en el caso de falla de la excitatriz o de las bombas de aceite, de modo que es necesario que la proteccin de cada equipo debe estar adecuadamente coordinada para no actuar innecesariamente ante transitorios normales de operacin. b. Protecciones asociadas a la Mquina Prima del Generador

La mquina prima encargada de brindar el movimiento al generador elctrico puede ser una turbina o un motor a combustin, dependiendo de la potencia del generador (para grandes potencias se utilizan turbinas de gas o vapor, los motores de combustin conducen turbogrupos de menos de 12 MVA). Estos equipos, dependiendo de sus caractersticas de diseo, poseen lmites y protecciones propias que son independientes de las protecciones elctricas del generador o los equipos auxiliares elctricos. Por ejemplo, la turbina de gas se basa en un proceso de combustin a presin constante que opera con mrgenes muy pequeos de tolerancia en muchas partes de su proceso (presiones, temperaturas, vibraciones, entre otros), si estos mrgenes son excedidos causan en la mayora de casos la desconexin inmediata de la turbina y con ella, de todo el grupo turbogenerador. El proceso de combustin de una turbina de gas suele ser poco estable cuando se generan potencias muy bajas pues stas unidades fueron concebidas para operar principalmente con carga mxima debido al notable decremento de eficiencia que sufren con bajas potencias, la figura 2.3 muestra en curvas los parmetros operativos en funcin de la potencia generada para una turbina de gas SIEMENS, donde se nota cmo la eficiencia se perjudica notablemente cuando se opera con potencias bajas. Por este motivo estas mquinas se disean y ajustan para condiciones cercanas a las nominales, presentando inestabilidades en potencias pequeas con las que se supone no deben operar por mucho tiempo. Estas inestabilidades se presentan en forma de distorsin de la combustin, la que es detectada por el sistema de control de la turbina como una distorsin de temperaturas dentro de la cmara de combustin, y al superarse un ajuste de mxima desviacin, desconecta a todo el grupo turbogenerador.

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Figura 2.3. Parmetros de servicio en funcin de la Potencia para una turbina de gas SIEMENS. Fuente: Curso Siemens Gas Turbine V84.3A Design Features, 1998.

CAPTULO III METODOLOGA PARA LA CONSTRUCCIN DE LA CURVA DE CAPABILIDAD DE UN TURBOGENERADOR ELCTRICO

Este trabajo se ha dirigido al anlisis del funcionamiento de un turbogenerador de rotor cilndrico, por lo que se sobreentiende que todos los clculos y anlisis se realizan tomando como base la teora de la mquina sncrona con rotor cilndrico, salvo que se mencione expresamente algo distinto.

3.1. Control de la potencia activa y reactivaCuando la mquina sncrona se conecta a una barra infinita, su voltaje en bornes y velocidad permanecen inalterables, sin embargo es posible actuar sobre dos variables del generador: la corriente de campo y el par mecnico de la mquina prima [2]. Al variar la corriente de campo, se consigue que el generador entregue o absorba potencia reactiva. Ahora, debido a que no es posible cambiar la velocidad de la mquina por permanecer sta inalterable (a causa de la operacin sncrona con la red), la nica manera de cambiar la potencia activa generada es actuando sobre la fuente mecnica de movimiento del generador. La figura 3.1 muestra el circuito equivalente bsico de la mquina sncrona, para empezar a extraer las ecuaciones sobre las que se fundamentar el anlisis de este trabajo.jXd

Ei

Ia

Vt

Figura 3.1. Circuito equivalente bsico de la Mquina Sncrona

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Se considera que la resistencia de armadura (ra) es muy pequea en comparacin con la reactancia sincrnica (Xd) de un turbogenerador. Entonces de la figura 3.1, suponiendo que el generador est entregando potencia de manera que exista un ngulo entre el voltaje interno Ei y el voltaje Vt en bornes del generador, por otro lado entre el voltaje en bornes Vt y la corriente Ia existe el ngulo . As, la potencia compleja entregada por el generador al sistema est dada por la ecuacin 3.1.* S = P + jQ = Vt I a = Vt I a (cos + jsen )

( 3.1 )

Igualando las partes real e imaginaria, se obtienen las expresiones de la ecuacin 3.2 para la potencia activa y reactiva.

P = Vt I a cos

Q = Vt I a sen

( 3.2 )

La potencia reactiva Q ser positiva para factores de potencia en atraso ya que el ngulo es numricamente positivo. El diagrama fasorial que muestra las cantidades involucradas en el circuito de la figura 3.1 se muestra en la figura 3.2.

Ei

jXdIa

Ia Vt

Figura 3.2. Diagrama fasorial de un generador sncrono de rotor cilndrico sobreexcitado

Para relacionar las expresiones de la potencia activa y reactiva de la ecuacin 3.2 con el ngulo de potencia , se realiza el anlisis con los vectores Vt y Ei segn el diagrama de la figura 3.2:

Vt = Vt 0

y

Ei = Ei

19

Donde Vt y Ei se expresan en valores por unidad. Entonces del diagrama fasorial mostrado en la figura 3.2, se obtienen la ecuacin 3.3.E i Vt jX d E i Vt jX d

Ia =

y

* Ia =

(3.3)

Por lo tanto, la potencia compleja entregada al sistema en bornes del generador estar dada por la ecuacin 3.4.2 2

* S = P + jQ = Vt I a =

Vt Ei Vt jX d

=

Vt Ei (cos jsen ) Vt jX d

( 3.4 )

Separando las partes real e imaginaria en la ecuacin 3.4, se obtienen las expresiones para P y Q en funcin del ngulo .

P=

Vt Ei Xd

sen

Q=

Vt Ei Xd

( Ei cos Vt )

( 3.5 )

As, sabiendo que el voltaje en terminales Vt se mantiene constante (ajustado a un punto fijo), es claro que tanto P como Q dependen del ngulo y la tensin interna de la mquina Ei, sta ltima dependiente en manera proporcional a la corriente de excitacin del generador. Entonces, si Vt y Ei se mantuvieran fijos, para controlar la potencia activa (P) bastar hacer variar el ngulo de potencia , lo cual se consigue incrementando el par mecnico a la mquina prima del generador (variando la fuente de energa de la turbina o motor que origina el movimiento). Para controlar la potencia reactiva (Q), se debe variar la corriente de excitacin, y sta a su vez variar proporcionalmente la tensin Ei.

3.2.

Metodologa de Construccin de la Curva de Capabilidad para un Turbogenerador

La curva de capabilidad es un diagrama en el cual se muestran todas las condiciones normales de operacin de los generadores sncronos conectados a una barra infinita (esto

20

asegura el supuesto bsico de que el voltaje en bornes del generador se mantenga casi inalterable). Los lmites de este diagrama muestran los puntos mximos en los que puede operar el generador sin exceder sus lmites constructivos. Puesto que el generador sncrono puede poseer un rotor de polos salientes o uno cilndrico, la curva de capabilidad de forma general requerira utilizar el diagrama fasorial ms general, el cual se obtiene de un generador con rotor de polos salientes, sin embargo, como ello no ha sido considerado dentro del alcance de este informe, el anlisis se inicia directamente con el diagrama fasorial del rotor cilndrico mostrado en la figura 3.2. La construccin de la curva inicia con el diagrama fasorial del generador, girado de tal modo que permita realizar una construccin adecuada como se muestra en la figura 3.3. El vector base es la tensin en bornes Vt que queda alineado en el eje vertical. La figura 3.3 muestra cinco lugares geomtricos que corresponden a posibles modos de operacin en los que un parmetro de la unidad se conserva constante [2].

P constante Factor de potencia constante m jXdIa Ei constante O p Vt Ei Q constante

Ia constante

q

Ia

n

Figura 3.3. Diagrama fasorial del generador de rotor cilndrico, adecuado para la elaboracin de la curva de capabilidad

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Los cinco lugares geomtricos mostrados en la figura 3.3 corresponden a: Excitacin constante: el crculo de excitacin constante tiene como centro el punto n del eje vertical y un radio n-m de magnitud igual al voltaje interno de la mquina Ei, que se puede mantener constante preservando constante la corriente de excitacin If.Ia constante: El crculo para la corriente de armadura constante tiene al punto O como

centro, y un radio o-m de magnitud proporcional al valor de Ia. Como el voltaje Vt es fijo, entonces los puntos de este lugar geomtrico corresponden a la potencia aparente de salida (Vt Ia) del generador. Potencia activa constante: la potencia activa generada est dada por la expresin P =VtIacos en valores por unidad. Como Vt es constante, la lnea vertical m-p

representa el lugar geomtrico para P constante. La potencia de salida en Megawatts del generador siempre ser positiva. Potencia reactiva constante: la salida de potencia reactiva del generador est dada por Q =VtIasen en valores por unidad cuando es positivo (factores de potencia en atraso).

La lnea horizontal q-m re presenta el lugar geomtrico para Q constante. Cuando se opera con factor de potencia unitario, la salida de Q del generador es cero, y corresponde a un punto de operacin sobre el eje horizontal o-p. Si el generador opera con factor de potencia en adelanto, la salida Q ser negativa, y el punto de operacin se ubicar por debajo de la lnea horizontal o-p. Factor de potencia constante: la lnea radial o-m corresponde a un valor fijo del ngulo (entre el voltaje Vt y la corriente de armadura Ia). Para poder leer las cantidades de la curva de capabilidad en trminos de potencia, se reescalan los vectores de la figura 3.3 al multiplicar todas las cantidades por el factorVt/Xd. El diagrama fasorial resultante se muestra en la figura 3.4.

22

P constante Potencia reactiva Q Vt Ia constante r q IaVt p (EiVt/Xd) constante Potencia activa P m Q constante Factor de potencia constante

O

Vt2/Xd

(EiVt/Xd

n

Figura 3.4. Diagrama fasorial en funcin de unidades de potencia. (Obtenido al reescalar el diagrama de la figura 3.3).

La curva de capabilidad se construye tomando como base el segmento n-o de la figura 3.4, que representa una potencia reactiva (-Vt2/Xd). Como, por lo general la curva se construye para una tensin Vt = 1.0 p.u., entonces este segmento suele representar una potencia reactiva negativa igual a 1/Xd por unidad. Este valor sirve como base para la escala a aplicar al resto de la curva. La metodologa explicada en Anlisis de Sistema de Potencia de Grainger Stevenson [2] detalla la construccin de la curva en la siguiente forma:

Se considera que Vt = 1.0 p.u. sobre el voltaje base nominal de la mquina. Por medio de una escala de voltamperes (VA) conveniente, se seala el punto n sobre el eje vertical, de forma que la longitud o-n sea igual a 1/Xd en por unidad sobre la base nominal de la mquina. La misma escala se aplicar a la potencia activa P en por unidad sobre el eje horizontal.

23

A lo largo del eje horizontal P, se seala la distancia equivalente a 1.0 p.u., que corresponde a la mxima potencia de salida de la mquina prima. Se traza una recta vertical para P = 1.0 p.u.

Se seala la longitud o-m = 1.0 p.u. sobre la lnea radial desde el origen en la direccin del ngulo del factor de potencia nominal . Con este radio se dibuja el arco circular de MVA en por unidad, que corresponde al lmite de corriente de armadura.

Se construye el arco m-r de la excitacin mxima permisible, empleando n como centro y n-m como radio. Este arco circular corresponde al lmite mximo de corriente de campo.

Si el voltaje generado por la mquina es diferente al voltaje nominal (Vt = 1.0 p.u.), entonces la escala de la curva de capabilidad cambiar. Para reescalarla debe reiniciarse la metodologa, introducindose dos cambios principales:

Sealar sobre el eje vertical el punto n, donde la longitud o-n tendr una longitud Vt2/Xd (en lugar de 1/Xd). En el eje horizontal P, sealar la distancia equivalente a 1.0 p.u. que corresponde a la mxima potencia de la mquina prima, utilizando la misma escala asignada al segmento o-n.

Con estos cambios, para completar el resto de la curva se aplica todo el resto de la metodologa expuesta en el prrafo anterior. Para la zona de subexcitacin (zona negativa del eje vertical Q en la figura 3.4), debe tenerse presente que un generador tiene dos problemas principales al operar en dicha zona: primero, porque de excederse determinado lmite de subexcitacin, podra ponerse en riesgo su operacin en sincronismo (estabilidad permanente); y segundo, porque en el caso de los turbogeneradores, la excesiva absorcin de reactivos producir el sobrecalentamiento de los extremos del ncleo del estator. Desde este punto se realiza el anlisis de la curva de capabilidad geomtricamente, por lo que la figura 3.5 muestra la convencin de ejes que se utiliza en adelante.

24

P (+) POTENCIA ACTIVA

(Ei Vt/Xd Q (-) SUBEXCITACIN n -Vt2/Xd O p

m

Ia Vt Q (+) SOBREEXCITACIN

Figura 3.5. Convencin de ejes para el anlisis geomtrico de la curva de capabilidad

Entonces, para la zona de subexcitacin, el generador no debe operar jams fuera del lmite que implica la zona de estabilidad permanente; ste limite ocurre tericamente cuando el ngulo entre Ei y Vt mostrado en la figura 3.3 alcanza 90 (en la figura 3.5 este es el ngulo entre los vectores Vt2/Xd y Ei*Vt/Xd). Sin embargo, el tema de definir adecuadamente el lmite de estabilidad real de una mquina sncrona ha sido siempre complicado y an hoy no se tiene un concepto estandarizado, por lo que los fabricantes suelen tener criterios distintos para definirlos en las curvas de capabilidad que proporcionan cuando suministran un generador (ello explica por qu las formas de las curvas suelen ser distintas entre fabricantes, muy especialmente para las zonas de subexcitacin). Acerca del sobrecalentamiento de la mquina, la operacin subexcitada se evita por lo general pues en ese estado se incrementan las corrientes parsitas (o eddy) en las partes de acero de la armadura, las cuales producen calentamiento por el efecto I2R y la aparicin de flujo magntico a travs de piezas del generador que no han sido concebidas para ello. Por otro lado, exceder el lmite impuesto por la curva de calentamiento mxima de los extremos del ncleo del estator producir un dao trmico sobre stas que debe ser siempre evitado. En resumen, para la zona de subexcitacin se identifican claramente dos lugares geomtricos lmite para la curva de capabilidad: el referido al lmite de estabilidad terico

25

y el lmite por calentamiento de los extremos del ncleo del estator. En referencia a la figura 3.5, se indic que el lmite terico de estabilidad se da cuando el ngulo alcanza 90; de este modo, el lugar geomtrico para este lmite estar representado en la curva por una lnea recta vertical que cruza al eje de potencia reactiva (Q) en el punto Vt2/Xd. Para construir el lugar geomtrico de la zona lmite de calentamiento de los extremos del ncleo del estator se utiliza una metodologa estndar utilizada por la compaa Westinghouse para estos fines [3]. Esta toma en cuenta la influencia del sistema al cual est conectado el generador (reactancia equivalente en el punto de conexin en alto voltaje), as como las caractersticas del transformador de conexin (reactancia). Con estos parmetros se dibuja una circunferencia centrada en el lado positivo del eje de potencia reactiva (Q) segn la convencin de ejes de la figura 3.5. La figura 3.6 muestra el circuito simplificado que es utilizado por esta metodologa.XT Icc

GENERADOR

TRAFO PRINCIPAL

Vt , Xd

TRAFO SS.AA.

Figura 3.6. Circuito simplificado utilizado por la metodologa de clculo del lugar geomtrico lmite por calentamiento de los extremos del ncleo del estator.

Las ecuaciones 3.5 y 3.6 se utilizan para calcular los parmetros del lugar geomtrico del lmite por calentamiento de los extremos del ncleo del estator. El centro de la circunferencia est situado en (-Xc ; 0) del plano P-Q, con radio r.

1 1 1 Xc = Vt X X 2 s d 1 1 1 r = Vt X + X 2 s d

( 3.5 )

( 3.6 )

26

Donde Xs = Xsys + XT. La cantidad Xsys es la reactancia equivalente del sistema en el lado de alta tensin del transformador, y XT es la reactancia del transformador. Ambas cantidades deben estar calculadas en valores por unidad, con la base nominal del sistema. La ecuacin 3.7 corresponde a la circunferencia que representa este lmite:(x-Xc)2 + y2 = r2

( 3.7 )

La falta de una metodologa estndar entre los fabricantes para definir los lmites de la curva de capabilidad en la zona de subexcitacin ha hecho que exista literatura y consideraciones variadas al respecto; en este informe se utilizan los lmites y metodologa explicados en los prrafos de la pgina anterior. En la seccin Anexos se adjunta una metodologa ligeramente distinta a la mostrada, definida en [4], realizada en forma general para cualquier generador sncrono, pero aplicada a un generador de polos salientes.

3.3. Curva de capabilidad del turbogenerador de 200 MVAEn base a lo explicado en la seccin 3.2, la curva de capabilidad del generador de 200 MVA de este informe tendr las caractersticas adecuadas para un generador sncrono con rotor cilndrico. Por las consideraciones expuestas en el Captulo I, se asume que la temperatura del aire fro de refrigeracin del generador se mantiene constante en el valor nominal, de modo que sta no afecta a las curvas halladas. En las siguientes lneas se describen las principales caractersticas tcnicas del generador de 200 MVA que permitan definir adecuadamente su curva de capabilidad. 3.3.1. Descripcin del turbogenerador de 200 MVA El generador de 200 MVA del estudio fue fabricado por la compaa SIEMENS, de modelo TLRI 108/36-36, con un rotor de dos polos (gira a 3600 RPM), tensin de generacin trifsica de 16.0 kV, reactancia en eje directo (Xd) de 210% en base nominal del generador y posee excitacin esttica con anillos rozantes. Fue puesto en servicio en 1997 para operar acoplado a una turbina de gas modelo V84.3A de 170.5 MW de potencia

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mxima de salida, tambin fabricada por SIEMENS. La Tabla N 3.1 muestra la placa de caractersticas del generador, la Tabla N 3.2 las caractersticas de la turbina.TABLA N 3.1. Placa de caractersticas del generador de 200 MVA

TABLA N 3.2. Caractersticas de la turbina de gas SIEMENS V84.3A

Este generador posee un regulador automtico de voltaje (Automatic Voltage Regulator AVR), el cual se encuentra permanentemente operando. Este posee dos modos de

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operacin: control de potencia reactiva y control de tensin generada. El primero permite ajustar un valor fijo de generacin de potencia reactiva (independientemente de la potencia activa generada), y para mantenerlo, el AVR vara la corriente de excitacin y con ella la tensin en bornes; ste se encuentra actualmente desactivado. Por otro lado, con el control de tensin generada se ajusta un valor fijo de tensin en bornes del generador, que el AVR se encarga de mantener constante ante las variaciones de tensin que ocurran en la red. Este funcionamiento est de acuerdo a lo explicado en la seccin 3.1, sobre el control de la potencia activa y reactiva. En el Sistema Interconectado Nacional (SEIN) del Per, lo comn es que los generadores utilicen el control de tensin, debido a que la configuracin del sistema permite que regularmente ocurran variaciones de tensin considerables (y tambin de frecuencia) que podran perjudicar la operacin de los generadores si stos no estuvieran autorregulando su voltaje. El AVR del generador sensa las variaciones de tensin de la red reflejados en los bornes del generador; cuando detecta una disminucin (aumento) de sta, inmediatamente incrementa (reduce) la corriente de excitacin (If) para mantener el valor de ajuste de la tensin. El operador de la Central observa estas acciones automticas a travs de la variacin continua de la corriente de excitacin (mientras el voltaje generado permanece invariable), y adems tambin ve variar la potencia reactiva generada. La figura 3.7 muestra la variacin automtica de generacin de potencia reactiva por una disminucin sostenida de tensin de red durante el inicio de la hora punta en un da tpico. En base a datos histricos de operacin se ha calculado la tasa de variacin automtica de la potencia reactiva generada debido a la variacin de tensin de la red en: +6.5 MVAR / -1 kV. Adems, este AVR posee tambin otra tasa fija, relacionada con la variacin de potencia reactiva generada y tensin en bornes al variar la corriente de excitacin. Al variarse 17 A de corriente de excitacin, la tensin en bornes vara 0.08 kV y la potencia reactiva vara 5 MVAR. De estos ltimos datos es importante resaltar que existe una relacin numrica directa entre la variacin de la tensin en bornes con la potencia reactiva generada de: +0.08 kV / +5 MVAR.

29

90

218.00

80

Tensin de red de 220KV DISMINUYE

216.00 70Funcin linealizada y = -0.3276x + 218.16

60 Q generada (MVAR)

214.00 Tensin de red (KV)

50 212.00 40Funcin linealizada y = 2.1029x + 10.397

30

210.00

20

Potencia Reactiva generada AUMENTA

208.00 10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

206.00

Qgen (MVAR)

Tensin red (KV)

Lineal (Qgen (MVAR))

Lineal (Tensin red (KV))

Figura 3.7. Accin del AVR: variacin automtica de potencia reactiva generada por la variacin de tensin en la red de 220 kV para mantener constante la tensin en bornes.

Cuando la tensin de la red de 220 kV a la que est conectado el generador se mantiene en su valor operativo (213 kV) y el generador se encuentra operando establemente generando su potencia activa nominal con el valor de tensin de operacin en bornes, se dice que ste se encuentra en condiciones normales. Estas se muestran en la Tabla N 3.3, y servirn de base para los anlisis realizados en captulos posteriores.TABLA N 3.3. Condiciones Normales de Operacin del Generador de 200 MVA conectado a la red de 220 kV.Tensin de red (kV) Potencia Activa (MW) Potencia Reactiva (MVAR) Voltaje en Bornes (kV) Corriente de excitacin (A) Voltaje de barra SSAA (kV)

213

156

25

16.20

810

6.56

En un generador elctrico la temperatura es un parmetro que afecta su comportamiento y desempeo. El generador de 200 MVA analizado en este informe posee medicin de temperatura en el devanado del estator, en el aire utilizado para su refrigeracin, el aceite en sus cojinetes y su excitatriz. Para la medicin de temperatura en el estator y el aire de

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refrigeracin se utilizan termorresistores de platino (Pt100), para la medicin en los cojinetes y excitatriz se utilizan termocuplas. Los termorresistores son elementos cuya resistencia elctrica vara linealmente con la variacin de su temperatura, el Pt100 es un termorresistor de platino utilizado como estndar en la industria, que tiene una resistencia de 100 ohms a una temperatura de 0C. En el estator estos termorresitores tienen la forma de tiras alargadas y delgadas que van instaladas directamente en las ranuras entre las barras del bobinado. La temperatura nominal de operacin del aire fro del generador es 40 C segn su placa de caractersticas mostrada en la Tabla N 3.3; si esta temperatura alcanza los 60 C una alarma es enviada al operador, si sta sobrepasa los 65 C el generador es automticamente desconectado por proteccin de Muy Alta Temperatura del Aire de Refrigeracin. Como se puede comprender, esta medicin es una proteccin indirecta para los bobinados del generador contra los calentamientos excesivos que pudieran producirse dentro del generador y que sus protecciones elctricas pudieran no distinguir. Puesto que este informe tiene como objetivo analizar la influencia de los ajustes de las protecciones del generador y sus equipos auxiliares sobre la curva de capabilidad, mas no la influencia de los parmetros ambientales, entonces para todo el anlisis la temperatura del aire de refrigeracin del generador se considera constante e igual a su valor nominal de placa, por lo que su influencia no se tomar en cuenta. 3.3.2. Construccin de la curva de capabilidad del turbogenerador Aplicando la metodologa expuesta en la seccin 3.2, con el valor de reactancia del generador igual a 2.1 p.u. y asumiendo un voltaje en bornes constante e igual al valor nominal (16.0 kV), se traza sobre el eje de potencia reactiva (Q) el vector base de la curva, igual a 1/Xd = 1 / 2.1 = 0.4762 p.u.; luego, tomndolo como base para la escala del resto de valores por unidad, se procede a trazar las circunferencias para la potencia nominal (Sn) y la de mxima corriente de excitacin (If max). Para la zona de subexcitacin, se traza la lnea recta que representa el lmite terico de estabilidad en el punto -1/Xd = -1/2.1 = -0.47619 p.u. del eje de potencia reactiva (Q). El

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lmite de mnima corriente de excitacin para el rotor cilndrico es el punto ubicado en (1/Xd , 0), que ya est contenido en la recta -1/Xd del lmite de estabilidad (en el Anexo N 01 se muestra informacin adicional sobre este punto). El lugar geomtrico que representa el lmite por calentamiento de los extremos del ncleo del estator es una circunferencia cuyo centro y radio se calculan con las ecuaciones 3.5 y 3.6; los datos requeridos por stas para el caso del generador de 200 MVA a tensin nominal son: Vt = 1.00 p.u. Xs = Xsys + Xt = 0.052 p.u. + 0.1484 p.u. = 0.2004 p.u. Aplicando estos datos a las ecuaciones, el centro y radio de la circunferencia son:

1 1 1 Xc = Vt X X = 2.2569 p.u. 2 s d 1 1 1 r = Vt X + X = 2.7331 p.u. 2 s d De la ecuacin 3.7, la circunferencia que representa el lugar geomtrico para este lmite es: (x-Xc)2 + y2 = r2 (x 2.2569)2 + y2 = 2.73312 ( 3.8 )

Finalmente, la curva de capabilidad del turbogenerador de 200 MVA para la tensin nominal (16 kV) se muestra en la figura 3.8, donde se observan los cuatro lugares geomtricos de los lmites bsicos de la curva de capabilidad del generador: A. El lmite por calentamiento del devanado estatrico (o lmite de armadura); B. El lmite por calentamiento del devanado de campo; C. El lmite terico de estabilidad permanente (y a la vez lmite de corriente mnima de excitacin); y, D. El lmite por calentamiento de los extremos del ncleo del estator.

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A

C

D B

Figura 3.8. Curva de capabilidad del generador de 200 MVA, para tensin nominal en bornes (16 kV).

Si el voltaje en bornes del generador es distinto al nominal (o 1.00 p.u.), como se explic en la metodologa expuesta en la seccin 3.2, se reescala el diagrama vectorial con clculos donde se incluye la tensin Vt, resultando en un cambio de escala de toda la curva de capabilidad. Para mostrar la diferencia se dibuja la curva de capabilidad del generador para tensiones de 0.95 p.u. y 1.05 p.u, las cuales se muestran en las figuras 3.9 y 3.10.

33

Figura 3.9. Curva de capabilidad del generador de 200 MVA, para una tensin de 95% del valor nominal (15.2 kV).

Figura 3.10. Curva de capabilidad del generador de 200 MVA, para una tensin de 105% del valor nominal (16.8 kV).

34

Es necesario notar que en las curvas mostradas en las figuras 3.9 y 3.10, los lmites de calentamiento de bobinado de campo, armadura, de los extremos del ncleo del estator y el lmite de estabilidad han variado, dando mrgenes distintos a los mostrados en la figura 3.8 para la produccin de potencia activa y reactiva. Sin embargo, es importante saber que al variar la tensin en bornes, los lmites mximos de corriente en el rotor y estator no cambian, y sus devanados siguen protegidos por el rel de sobrecorriente (I >) en caso del estator, y por el limitador de corriente de campo del AVR en caso del rotor. Para aclarar este comentario se analiza el caso de la figura 3.9. Es conocido que el lugar geomtrico lmite de la potencia aparente mxima (Smax) o de calentamiento del estator est dado por la circunferencia: Smax = 3*Vn*In ( 3.9 )

Esta se muestra en el diagrama fasorial de la figura 3.4, dicho diagrama utiliza valores monofsicos. Sin embargo, si la tensin en bornes Vn disminuye hasta 0.95*Vn pero contina la exigencia de generar la potencia Smax entonces: Smax = 3*(0.95*Vn)*I1 ( 3.10 )

Dividiendo las ecuaciones 3.9 entre 3.10 se tiene que I1 = 1.053 In, es decir que la corriente de armadura necesaria para mantener la potencia aparente Smax ante una disminucin de voltaje del 5% es 5.3% mayor a la corriente nominal, que viene a ser la mxima corriente de armadura por lmite trmico. Puesto que el lmite trmico del bobinado de armadura (y campo) no puede ser sobrepasado, entonces el ajuste de potencia debe ser disminuido hasta que la corriente vuelva a valores permisibles (al valor nominal de corriente como mximo): S1 = 3*(0.95Vn)*In = 0.95*Smax Por ello el lmite de potencia aparente de la curva de capabilidad para una tensin en bornes del 0.95 p.u. es 0.95 p.u. de la potencia aparente mxima a condiciones nominales, pero el lmite de corriente se mantiene.

CAPTULO IV DESCRIPCIN DE LAS PROTECCIONES APLICADAS AL TURBOGENERADOR DE 200 MVA

4.1. Funciones de proteccin del turbogeneradorEl generador de 200 MVA de este informe posee diversos rels multifuncin para poder cumplir con todos los requisitos de proteccin necesarios de la unidad. Es difcil, por cuestiones de tecnologa y espacio fsico, que un solo rel pueda cubrir todas las funciones de proteccin necesarias para vigilar adecuadamente la operacin de un generador de grandes dimensiones, por lo que los fabricantes suelen ofrecer tipos de rels con varias funciones de proteccin para ser complementados por otros especialmente diseados para otras funciones especficas. Es tambin comn que las funciones de proteccin ms relevantes (o las que son fiscalizadas por los reguladores o el coordinador de la operacin del sistema) posean respaldos entre un rel y otro de la misma unidad, ajustados generalmente en valores cercanos para asegurar la selectividad entre ellos y la segura operacin de esta proteccin cuando la falla exista realmente. Los rels utilizados por el generador de 200 MVA son de la marca SIEMENS, casi todos instalados desde la puesta en servicio de la unidad el ao 1997. A continuacin en la Tabla N 4.1 se muestra los modelos de rel instalados para proteger al generador, su versin, y las funciones de proteccin que en cada uno se encuentran actualmente activas, casi todos estos rels poseen aparte de las mostradas, otras funciones de proteccin que el fabricante y la empresa generadora propietaria han considerado conveniente no poner an en servicio para mantenerlas como respaldos en caso de falla fsica de algn otro rel que estuviera ya cubriendo dichas funciones.

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TABLA N 4.1. Rels de proteccin instalados en el generador de 200 MVA y sus funciones de proteccin activas.MODELO 7UM511 VERSIN 2.3 FUNCIN DE PROTECCIN ANSI 40 32 51 27 59 81 7UM512 7UM515 3.1 2.0 81 59/81 81 64 64 64R 7UM516 3.0 21 32R 78 46 64 7UT512 3.02 87 Subexcitacin Potencia Inversa Sobrecorriente Mnima Tensin Sobretensin Sobrefrecuencia y Subfrecuencia Sobrefrecuencia y subfrecuencia Sobreexcitacin en funcin de Tensin y Frecuencia Sobrefrecuencia y Subfrecuencia Falla a Tierra Falla Tierra - Estator 100% Falla Tierra Rotor Impedancia Potencia Inversa Prdida de Paso Desbalance de Carga Falla Tierra Estator 90% Diferencial de Corriente DESCRIPCIN

4.1.1. Descripcin de las funciones de proteccin del turbogenerador En este capitulo se explica brevemente el concepto de funcionamiento de las diversas funciones de proteccin activas en los rels de proteccin del generador de 200 MVA. Algunas de ellas se extienden debido a su importancia o consideracin en partes posteriores del informe. Esta informacin ha sido tomada mayormente de los propios Manuales de cada rel [5] para conservar la nomenclatura propia del fabricante SIEMENS. 4.1.1.a. Funciones activas en el rel SIEMENS 7UM511 El rel SIEMENS 7UM511 es un rel numrico multifuncin con seis funciones de proteccin activas: Subexcitacin (40), Potencia Inversa (32), Sobrecorriente (51), Mnima Tensin (27), Sobretensin (59) y Sobre y Subfrecuencia (81). El detalle de estas se muestra a continuacin.

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a.) Proteccin de Subexcitacin (Prdida de Excitacin) ANSI 40 Esta funcin protege a la mquina sncrona de la excesiva subexcitacin y de la posibilidad de una operacin asncrona; stos eventos podran conducir a un sobrecalentamiento daino del generador o a un evento de prdida de paso, respectivamente. Para ajustarla se construye un lugar geomtrico en el plano de admitancias (en ste, la caracterstica de proteccin o lugar geomtrico puede ser asemejada a la caracterstica de estabilidad de la mquina). Evaluando la secuencia positiva del sistema, las condiciones de subexcitacin son detectadas con suficiente confiabilidad an ante un evento de falla asimtrica que ocurriera dentro o fuera de la mquina. La figura 4.1 muestra el diagrama fasorial de la mquina sncrona en el plano de admitancias (Iactiva/U; Ireactiva/U); el lugar geomtrico del lmite de estabilidad (formado por dos segmentos rectos) intersecta al eje de potencia reactiva (Ireactiva/U) muy cerca de -1/Xd (valor recproco de la reactancia sncrona en eje directo). La proteccin de subexcitacin de los rels SIPROTEC de Siemens simula el lugar geomtrico del lmite de estabilidad de la mquina por medio de dos segmentos rectos como se muestra en la figura 4.1. Los parmetros de los dos segmentos son las distancias desde el origen 1 y 2, y su ngulo de inclinacin 1 y 2. Si el lugar geomtrico resultante compuesto por los segmentos 1 (con ngulo 1) y 2 (con ngulo 2) es sobrepasado (lado izquierdo en la figura 4.2), el rel enva una alarma; si esta persiste, se enva a continuacin la seal de disparo del turbogenerador. El tiempo de retardo antes de la seal de disparo debe ser suficiente como para permitir al AVR incrementar la corriente de excitacin y salir de las condiciones crticas de subexcitacin. Un tercer lugar geomtrico con parmetros 3 y 3 se adiciona para representar la caracterstica dinmica de estabilidad de la mquina sncrona, mostrndose en la parte izquierda de la figura 4.2. Puesto que la operacin sncrona es imposible si esta ltima caracterstica es alcanzada, su retardo de tiempo es nulo y si es alcanzada producir la desconexin inmediata de la unidad.

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Figura 4.1. Diagrama de admitancia en un turbogenerador. Funcin de proteccin de subexcitacin ANSI 40

Figura 4.2. Caractersticas , de arranque de la proteccin. Funcin de proteccin de subexcitacin ANSI 40

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Ajuste del disparo de la proteccin por subexcitacin ANSI 40 Como se mostr, los lugares geomtricos que representan el lmite para la actuacin de la proteccin por subexcitacin son segmentos rectos en el diagrama de admitancias. Estos estn definidos por un parmetro que es la distancia desde el eje de coordenadas, y por su ngulo de inclinacin . Las lneas rectas 1-1 (segmento 1) y 2 - 2 (segmento 2) forman el lmite de subexcitacin en estado estable. 1 se calcula segn la ecuacin 4.1 y corresponde al valor recproco de la reactancia sncrona por unidad.U 1 1 * N = xd Xd 3I N

1 =Donde:

( 4.1 )

Xd es la reactancia sncrona en el eje directo de la mquina. xd es Xd en valores por unidad. UN es la tensin nominal de la mquina. IN es la corriente nominal de la mquina. Si el regulador de voltaje de la mquina sncrona incluye un limitador de subexcitacin, ste debe ser adecuadamente coordinado con el lugar geomtrico formado por los segmentos de esta funcin de proteccin en la forma mostrada en la figura 4.4, para que as el limitador tenga oportunidad de operar antes que la proteccin arranque.

Figura 4.3. Parmetros y para la proteccin de subexcitacin en el plano de admitancias

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Figura 4.4. Diagrama de admitancias de un turbogenerador.

Para realizar los ajustes de esta funcin en el rel, los parmetros nominales de la mquina deben estar referidos al secundario de los transformadores de proteccin, adems debe tenerse presente que usualmente la corriente y voltaje nominales de la mquina no son siempre iguales a la informacin nominal de los transformadores de los instrumentos. El clculo de los valores referidos al secundario se realiza mediante la ecuacin 4.2.

=Donde: Xd sec Xd MAQ UN sec IN sec IN.MAQ UN.MAQ RTU RTI

1 x d sec

=

1 x dMAQ

.

U N sec I N .MAQ RTU . . I N sec U N .MAQ RTI

( 4.2 )

Reactancia sncrona por unidad reflejada al secundario del trafo de proteccin. Reactancia sncrona de la mquina por unidad. Voltaje nominal de la mquina reflejado al secundario del trafo de voltaje (de proteccin). Corriente nominal de la mquina reflejada al secundario del trafo de corriente (de proteccin). Corriente nominal de la mquina. Voltaje nominal de la mquina. Relacin de transformacin del trafo de voltaje (de proteccin). Relacin de transformacin del trafo de corriente (de proteccin).

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Como ejemplo se muestra a continuacin un ejemplo de ajuste de la funcin de proteccin de subexcitacin para un generador con las siguientes caractersticas: Tensin nominal: Corriente nominal: Reactancia sncrona: UN IN Xd 10 500 V 1 099 A 230% = 2.3 p.u. 1200 / 1 A RTI = 1200 RTU = 100

Transformadores de corriente: Transformadores de voltaje

1000V 3

100V 3

Utilizando la ecuacin 4.2, el valor a ajustar en el rel se calcula segn:1 x d sec 1 100V 1099 A 100 . . . = 0.38 2.3 1A 10500V 1200

1 =

=

1 = 0.40Este clculo ha incluido un factor de seguridad de 5% (0.38 * 1.05 = 0.40). Para seleccionar el ngulo 1, se utiliza el mismo ngulo que utiliza el limitador de subexcitacin del regulador de voltaje (si este utiliza una caracterstica linear similar al de esta funcin de proteccin), o sino se toma un ngulo compatible con el lugar geomtrico que define el lmite de la zona de subexcitacin de la curva de capabilidad de la mquina. El ngulo 1 se encuentra normalmente entre 60 y 80, y esto puede comprenderse observando la curvatura del segmento denominado D en la curva de capabilidad mostrada en la figura 3.8, que corresponde al lmite por calentamiento de los extremos del ncleo del estator debido a la excesiva subexcitacin del generador. El parmetro 2 se ajusta aproximadamente a 0.9 x 1 y su ngulo 2 a 90; el resultado es el segmento lmite 2 mostrado en la figura 4.3. En la misma figura se observa que el segmento 2 intersecta al segmento 1 en un punto que representa una pequea carga activa (esta se mide en el eje Ia/UN). Para el parmetro 3 del segmento lmite 3 se escoge un valor entre la reactancia sncrona Xd y la reactancia transitoria Xd de la mquina; sin embargo, el valor recomendado por el

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fabricante indica que ste debiera ser siempre mayor a 1. Para el ngulo 3 se escoge un valor entre 90 y 110 para asegurar que solamente una inestabilidad dinmica real lleve al generador hasta ese punto y se produzca el arranque de la proteccin.

b.) Proteccin de Potencia Inversa ANSI 32La proteccin de Potencia Inversa se utiliza para proteger al turbogenerador ante una falla que le quite el suministro de energa a la mquina prima. Cuando esto sucede, el generador sncrono empieza a operar como un motor, conduciendo a la turbina con energa tomada desde la red. Esta condicin lleva a un sobrecalentamiento de los labes de la turbina debido a que sta empieza a rotar a velocidad nominal sin contar con el fluido de trabajo que adems le serva como medio de enfriamiento; por ello, esta situacin debe ser detectada e interrumpida pronto a travs de la apertura del interruptor que conecta al generador con la red. En los rels SIEMENS, para evitar la posible actuacin de esta proteccin durante el proceso de sincronizacin con la red o durante oscilaciones de potencia, se ajusta un tiempo de retardo entre la deteccin de la falla y la orden de disparo de la unidad. Esta funcin distingue dos casos marcados: si las vlvulas de parada de emergencia de combustible o vapor de la mquina prima se encuentran abiertas, o si estn cerradas. Para el primer caso el tiempo de retardo es mayor (alrededor de 10 segundos) pues la situacin podra ser transitoria y normal debido a un evento en la red; por el contrario, en el segundo caso el tiempo de retardo para que se produzca el disparo es mucho menor (menos de 5 segundos) debido a que esa situacin slo se presentara si alguna seal de falla crtica ha cerrado las vlvulas de parada de emergencia pero no ha conseguido disparar a la unidad, por lo que esta proteccin funcionar como respaldo para asegurar la desconexin.

c.) Proteccin de Sobrecorriente ANSI 51La proteccin de Sobrecorriente protege al generador de fallas de cortocircuito en la red o en las instalaciones circundantes. El rel 7UM511 de Siemens utiliza para esta funcin dos etapas de tiempo definido ajustables independientemente (en lmite y tiempo):

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-

La primera, una etapa de sobrecorriente de tipo tiempo definido generalmente ajustada en el valor nominal de corriente del estator del generador (se usa el smbolo I > representarla); y,

-

La segunda, una etapa para sobrecorrientes mucho mayores relacionadas a la aparicin de cortocircuitos francos (se usa el smbolo I >> para estas grandes corrientes), esta tiene ajustado el disparo con un tiempo bastante ms corto que I >.

La proteccin de sobrecorriente vigila independientemente la corriente en cada una de las fases, e inicia el disparo de la unidad cuando alguna de stas supera cualquiera de los dos ajustes de tiempo definido (I > o I >>).

d.) Proteccin de Mnima Tensin ANSI 27Esta funcin de proteccin detecta cadas del voltaje excesivas en las mquinas elctricas que podran llevarlas a operar en condiciones no permisibles (una gran disminucin de tensin generada podra llevar a la unidad a perder estabilidad por excesiva subexcitacin). La proteccin de mnima tensin en este rel utiliza slo una etapa de tipo tiempo definido. Cuando la proteccin arranca, mientras el rel cambia hacia la posicin 0 el arranque queda sellado, de modo que an la prdida total de tensin en bornes no evitar el disparo de la unidad. Este sellado slo se cancelar cuando la tensin vuelva a subir por encima del valor de baja tensin que caus su arranque, o activando manualmente el bloqueo de la entrada de la proteccin de mnima tensin.

e.) Proteccin de Sobretensin ANSI 59Esta funcin tiene la tarea de proteger la mquina elctrica de los efectos de incrementos de voltaje no permisibles. Las sobretensiones pueden ser causadas por una incorrecta operacin del sistema de excitacin, una falla en el regulador automtico de voltaje, un rechazo total de carga del generador o durante la operacin en isla. La proteccin de sobrevoltaje en este rel posee un diseo de dos etapas de tipo tiempo definido y evala la componente de secuencia positiva de las tensiones. La aparicin de un

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elevado sobrevoltaje activa un disparo rpido, mientras que un sobrevoltaje menor inicia un disparo con mayor retardo. Los lmites de voltaje y los tiempos de actuacin para cada una de las etapas pueden ajustarse independientemente.

f.) Proteccin de Frecuencia (Sobre y Sub frecuencia) ANSI 81Esta funcin se utiliza para desconectar las mquinas elctricas de la red ante un evento de sobre o sub frecuencias fuera de sus rangos permisibles. La causa de una sub frecuencia puede ser la excesiva demanda de carga desde la red o una falla en el sistema regulador de velocidad; es tambin un caso comn cuando el generador opera en modo isla. La proteccin por sub frecuencia desconectar al generador de la red, permitindole recuperar una velocidad adecuada para re-sincronizar, o disparndolo definitivamente. La sobrefrecuencia puede ser causada por ejemplo por un gran rechazo de carga, o del mismo modo que la sub frecuencia por una falla en el sistema de regulacin de velocidad. La proteccin de sobre o sub frecuencia es muy importante en los turbogeneradores pues debido a sus elevadas velocidades de rotacin (3000-3600 RPM), stos son muy sensibles a los cambios en las fuerzas centrfugas a las que son sometidos sus componentes giratorios. El caso ms comn de dao por operacin en sub frecuencia de un turbogenerador se presenta en las turbinas de gas, las que al operar en frecuencias por debajo del 97% de la nominal, inician un proceso llamado overfiring, que es el incremento de combustible para tratar de equilibrar la prdida de potencia generada por la disminucin del flujo de aire utilizado en su combustin (esto debido a la reduccin de su velocidad de rotacin, que disminuye el volumen de aire comprimido producido por su compresor instalado en el mismo eje). La operacin en sobrefrecuencia, por otro lado, origina el incremento del stress mecnico en las partes mecnicas rotativas por el aumento de las fuerzas centrfugas a que son sometidos (esta es proporcional al cuadrado del aumento de la velocidad). La figura 4.5 muestra cmo se incrementa el stress mecnico en los componentes rotativos de la turbina en un turbogenerador cuando son sometidos tanto a operaciones en sub o sobrefrecuencia. Este rel permite ajustar la proteccin de sobre (sub)

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frecuencia en dos etapas de tipo tiempo definido, generalmente la del ajuste ms elevado (bajo) con un tiempo de ajuste de disparo ms rpido que la otra.

Al excederse los lmites permisibles de frecuencia, se empieza a incrementar el stress mecnico.

Figura 4.5. Curva de variacin de la amplitud del stress mecnico sobre los componentes rotativos de turbinas en turbogeneradores por la operacin en sub o sobrefrecuencia

4.1.1.b. Funciones activas en el rel SIEMENS 7UM512El rel SIEMENS 7UM512 se utiliza exclusivamente para la proteccin de sobre y sub frecuencia del generador de 200 MVA. Este fue instalado para servir como respaldo a las protecciones de frecuencia existentes en los rels 7UM511 y 7UM515, debido a la importancia de una correcta operacin de esta funcin en el Esquema de Rechazo Automtico de Carga/Generacin implementado por el Comit de Operacin Econmica del Sistema Interconectado (COES-SINAC), organismo encargado de coordinar la operacin del Sistema Elctrico Interconectado Nacional (SEIN) al mnimo costo, garantizando la seguridad del abastecimiento de energa y el mejor aprovechamiento de los recursos energticos.

a.) Proteccin de Frecuencia (Sobre y Sub frecuencia) ANSI 81El detalle de operacin de esta funcin de proteccin es el mismo que se muestra en el inciso f.) de la seccin 4.1.1.a, referido a las funciones de proteccin del rel 7UM511.

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4.1.1.c. Funciones activas en el rel SIEMENS 7UM515El rel SIEMENS 7UM515 es un rel numrico multifuncin con cinco funciones de proteccin activas: Sobreexcitacin en funcin de Tensin y Frecuencia U/f (59/81), Sobre y Sub frecuencia (81), Falla a Tierra (64), Falla Tierra - Estator 100% (64) y Falla Tierra Rotor (64R). El detalle de estas se explica a continuacin.

a.) Proteccin de Sobreexcitacin basado en Tensin y Frecuencia U/f ANSI 59/81Esta proteccin se usa para detectar condiciones de sobreflujo magntico fuera de lo permisible que podran hacer peligrar la integridad del generador o su transformador de potencia asociado; estas condiciones se podran alcanzar por un incremento excesivo en el voltaje generado y/o una reduccin importante de la frecuencia de red. Para supervisar el sobreflujo magntico el rel utiliza el principio de la Ley de Induccin Magntica de Faraday, y a travs del clculo del cociente entre el voltaje generado y la frecuencia (U/f), supervisa la induccin B. Esta Ley indica que la tensin inducida en la armadura a causa de un campo magntico giratorio es proporcional al producto de la velocidad de rotacin del rotor, el flujo magntico que atraviesa el hierro y la geometra de ste; matemticamente se expresa como: e = 4.44*f* N*B*A , de donde se nota que la induccin B es proporcional a U/f. El incremento de la induccin magntica por encima de los valores permitidos lleva rpidamente a la saturacin del ncleo y esto a grandes prdidas por corriente Eddy, las cuales generan un sobrecalentamiento del hierro. Los elementos que peligran en mayor grado debido a este fenmeno son los transformadores conectados directamente al generador. La proteccin de sobreflujo en este rel se realiza por medio de dos curvas: una de tiempo definido y una rplica trmica de tipo tiempo inverso que calcula el incremento de temperatura en el hierro causada por el sobreflujo magntico de acuerdo a un modelo trmico de cuerpo simple. Si la razn voltaje / frecuencia (U/f) continuamente admisible es excedida, el rel enva una seal de alarma, y si se excede el tiempo ajustado, el generador es desconectado de la red. Este comportamiento se aplica tanto para la curva trmica como

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para la curva de tiempo definido superpuesta a esta ltima. La figura 4.6 muestra la forma general de las curvas utilizadas por esta funcin de proteccin.

AREA DE DISPARO

Etapa de disparo por imagen trmica - U/f

Etapa de tiempo definido para la proteccin U/f

Valor de arranque del 1er valor de la etapa de disparo por imagen trmica U/f

Valor de arranque de la proteccin para la etapa de tiempo definido U/f

Figura 4.6. Curvas de la funcin de proteccin de sobreexcitacin basada en Voltaje y Frecuencia U/f ANSI 59/81.

b.) Proteccin de Frecuencia (Sobre y Sub frecuencia) ANSI 81El detalle de operacin de esta funcin de proteccin es el mismo que se muestra en el inciso f.) de la seccin 4.1.1.a, referido a las funciones de proteccin del rel 7UM511.

c.) Proteccin de Falla a Tierra 90% ANSI 64Esta funcin protege al generador de una falla a tierra ocurrida tanto en la zona de barras, interruptor como en el propio estator (con una proteccin que alcanza del 85 al 90% de su bobinado). El rel arranca el conteo del tiempo de retardo para el disparo de la unidad cuando detecta una falla a tierra dentro de su zona protegida.

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d.) Proteccin de Falla Tierra - Estator 100% ANSI 64Esta funcin de proteccin detecta fallas a tierra en cualquier punto del bobinado del estator del generador trifsico. En el rel 7UM515 esta funcin cuenta con una fuente independiente de 20 Hz que se utiliza para mantener energizado un circuito auxiliar conectado al neutro del generador, que a travs de transformadores de tensin y corriente detectar la presencia de corrientes en el neutro cuando una falla a tierra en el bobinado se haya producido. La figura 4.7 muestra el esquema de la conexin utilizado por el rel.

Figura 4.7. Esquema de conexin para la proteccin TierraEstator ANSI 64.

e.) Proteccin de Falla Tierra Rotor ANSI 64RLa proteccin de falla Tierra - Rotor protege al generador de fallas a tierra de alto o bajo ohmiaje en el circuito de excitacin. Aunque una falla tierra del circuito de excitacin no produce un dao inmediato a la mquina, la aparicin de dos puntos de falla s representa un cortocircuito de parte del devanado en el circuito de excitacin; esto puede causar desbalances magnticos que resulten en esfuerzos mecnicos extremos que podran causar daos importantes a la mquina. El rel SIEMENS 7UM515 utiliza dos resistencias (una de alto y otra de bajo ohmiaje) y una fuente de 50 V d.c. que cambia su polaridad de 1 a 8 veces por segundo, supervisando

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que la corriente resultante a travs de las resistencia se mantenga invariable; de otro modo, iniciar el disparo de la unidad luego de superado el tiempo de retardo ajustado.

4.1.1.d. Funciones activas en el rel SIEMENS 7UM516El rel SIEMENS 7UM516 tiene cinco funciones de proteccin activas: Impedancia (21), Potencia Inversa (32R), Prdida de Paso (78), Desbalance de Carga (46) y Falla Tierra Estator 90% (64). El detalle de estas se expresa a continuacin.

a.) Proteccin de Impedancia ANSI 21La proteccin por Impedancia se utiliza como un backup de disparo rpido de la proteccin de sobrecorriente por cortocircuito en la mquina sncrona, en las barras del generador o en el secundario del transformador elevador del generador. Tambin funciona como un backup rpido a los rels diferenciales tanto del generador como de su transformador.

b.) Proteccin de Potencia Inversa ANSI 32REl detalle de operacin de esta funcin de proteccin es el mismo que se muestra en el inciso b.) de la seccin 4.1.1.a, referida a las funciones de proteccin del rel 7UM511.

c.) Proteccin de Prdida de Paso ANSI 78En los grandes sistemas elctricos los cortocircuitos que no son despejados suficientemente rpido o la desconexin de enlaces que resulten en un incremento de la reactancia de acople pueden ocasionar la aparicin de oscilaciones de potencia activa, las que pueden poner en peligro la estabilidad del sistema de transmisin. Los problemas de estabilidad pueden causar la sobrecarga de la mquina sncrona y por ello deben ser evitados. La proteccin de Prdida de Paso detecta estas oscilaciones de potencia mediante el clculo de la impedancia; esta se calcula con las componentes de secuencia positiva de voltajes y corrientes. La decisin de disparo de la mquina depende de la tasa de cambio del vector impedancia y la ubicacin del centro elctrico de la oscilacin de potencia.

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d.) Proteccin de Desbalance de Carga ANSI 46La proteccin de desbalance de carga se utiliza para detectar una reparticin no balanceada de carga entre las tres fases de la mquina sncrona. La asimetra en la carga del generador ocasiona la aparicin de campos magnticos rotantes inversos (componentes de secuencia negativa) que actan con doble frecuencia sobre el rotor; las corrientes Eddy se inducen sobre la superficie del rotor, originando el calentamiento en los extremos del rotor y en las ranuras de sus barras. En el rel SIEMENS 7UM516, las componentes fundamentales de las corrientes de fase se filtran y se separan en componente simtricas; de las componentes negativas slo la corriente inversa I2 (fase S) se evala para fines de clculo. La proteccin de desbalance de carga utiliza una replica trmica (utilizando la componente negativa I2) para simular el calentamiento del rotor; sta se representa con una curva de tipo inverso, mostrada en la figura 4.8; adems se utiliza tambin una curva de tiempo definido que se superpone al mismo plano de la primera curva. Si el valor de la corriente I2 supera al valor continuamente permisible de corriente de secuencia negativa (esta sobrecorriente se simboliza I2>), el rel enva una alarma; si esta condicin se mantiene y el tiempo ajustado se sobrepasa, se produce la desconexin del generador.Etapa de alarma por desbalance de carga para I2 (I2>)

AREA DE DISPARO Etapa de disparo por imagen trmica Etapa de disparo por desbalance de carga para un cortocircuito (I2>>)

Figura 4.8. Caractersticas de disparo de la proteccin de Desbalance de Carga ANSI 46.

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Si una gran componente de corriente negativa I2 apareciera (simbolizada por I2>>), se presume la presencia de un cortocircuito entre dos fases, por lo que el generador debe ser desconectado rpidamente; en este caso la caracterstica de tiempo definido ser la que detecte la falla y en un tiempo corto originar una seal de desconexin del generador.

e.) Proteccin de Falla Tierra-Estator 90% ANSI 64El detalle de operacin de esta funcin de proteccin es el mismo que se muestra en el inciso d.) de la seccin 4.1.1.c, referido a las funciones de proteccin del rel 7UM515.

4.1.1.e. Funciones activas en el rel SIEMENS 7UT512El rel SIEMENS 7UT512 es un rel diferencial aplicable a generadores, motores y transformadores, por tanto slo la funcin de proteccin Diferencial del generador se encuentra activa en ste.

a.) Proteccin Diferencial de Corriente en el Generador ANSI 87La proteccin diferencial de corriente protege al generador de cortocircuitos internos, por medio de la comparacin de las corrientes que lo atraviesan, las que, por principio, son las mismas al ingresar que al salir. El rel SIEMENS 7UT512 instalado en el generador de 200 MVA utiliza la filosofa de proteccin diferencial longitudinal, cuyo conexionado y consideraciones se muestran en las figuras 4.9. y 4.10.

Figura 4.9. Principio bsico de la proteccin Diferencial ANSI 87.

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4.1.2. Ajustes de las funciones de proteccin relacionadas al generador elctricoLos rels SIEMENS instalados para proteger al generador de 200 MVA del informe utilizan una nomenclatura particular para sus parmetros de ajuste y cdigos de funcin internos para identificar a cada uno de stos. Los rels utilizan el idioma ingls, de modo que los datos presentados en esta seccin del informe ma