Protecció del generador – Tipus de faltes i dispositius de protecció

Faltes habituals del generador i sistemes de protecció
Classificació de les faltes del generador

Les faltes del generador es classifiquen principalment en tipus interns i externs:

• Faltes Internes: Proveïdes de problemes en els components del generador.

• Faltes Externes: Originades per condicions d'operació anòmals o problemes de la xarxa externa.

Les faltes en els motors principals (per exemple, motors dièsels, turbinas) són de naturalesa mecànica i es defineixen durant el disseny de l'equipament, encara que han de integrar-se amb les proteccions del generador per a propòsits de desconnectar.

Tipus de Faltes Internes
1. Faltes del Estator

• Sobrecalentament de les bobines: Causat per sobrecàrregues permanentes o fallada de l'aïllament.

• Falta entre fases: Provocada per fallada de l'aïllament entre fases.

• Falta fase-a-terra: Fuga de corrent de les bobines de fase cap al marc de l'estator.

• Falta entre voltes: Circuït tancat entre voltes adjacents en la mateixa bobina.

2. Faltes del Rotor

• Falta a terra: Fuga de corrent de les bobines del rotor cap al eix del rotor.

• Circuït tancat de les bobines: Redueix la tensió d'excitació i augmenta la corrent en rotores bobinats.

• Sobrecalentament: Causat per corrents desequilibrades de l'estator (per exemple, tripolar única, seqüència de fase negativa).

3. Pèrdua de Camp/Excitació

• El flux de potència reactiva cap al generador, causant que funcioni com un generador d'inducció i perdent la sincronització.

4. Operació Fora de Pas

• Estressos mecànics en el eix i oscil·lacions de tensió deguts a la pèrdua de sincronització amb la xarxa.

5. Operació Com a Motor

• El generador absorbeix energia de la xarxa quan falla l'abast del motor principal (per exemple, pèrdua de vapor/aigua), posant en risc de sobrecalentament o cavitació les turbinas.

6. Faltes Mecàniques

• Sobrecalentament de les llanteres, pèrdua de pressió de l'oli de lubrificació i vibracions excessives.

Mecanismes de Sobrecalentament del Rotor

Les corrents desequilibrades de l'estator (per exemple, seqüència de fase negativa) induixen corrents eddy en el rotor a dues vegades la freqüència del sistema (100/120 Hz), causant un sobrecalentament localitzat. Això debilita les clavilles de retenció i els anells del rotor.

Tipus de Faltes Externes
Anomalies del Sistema Elèctric

• Circuïts tancats externs: Faltes en la xarxa que afecten l'operació del generador.

• Connexió no sincronitzada: Dany causat per una paral·lelització incorrecta del generador.

• Sobrecàrregues/Sobrespeed: Causades per la descàrrega súbita de càrrega o fallida del control del motor principal.

• Desbalance de fases/Seqüència negativa: Indueix corrents eddy en el rotor i sobrecalentament.

• Desviacions de freqüència/tensió: Sota/sobre freqüència o tensió que estressen els components del generador.

Dispositius de Protecció del Generador
Estructures Clau de Protecció
1. Protecció de Faltes de l'Estator

• Relé diferencial: Detecta faltes entre fases i fase-a-terra comparant les corrents d'entrada/sortida.

• Protecció contra faltes a terra: Utilitza relés de sobrecorrent (per aterraments de resistència) o relés de tensió (per aterraments de transformadors) per detectar faltes a terra de l'estator.

2. Protecció de Faltes del Rotor

• Els relés de falta a terra monitoritzen la fallada de l'aïllament entre les bobines del rotor i el eix.

3. Protecció de Càrrega Desequilibrada

• Monitoritza les corrents de seqüència de fase negativa i la pèrdua d'excitació, que causen problemes de flux de potència reactiva.

4. Protecció Contra el Sobrecalentament

• Els relés tèrmics o sensors de temperatura detecten el sobrecalentament de les bobines de l'estator i les llanteres; els relés de seqüència de fase negativa aborden el sobrecalentament del rotor.

5. Protecció Mecànica

• Els relés de sobrespeed, sensors de vibració i commutadors de baixa vacuïtat/pressió protegeixen contra falles del motor principal i de les turbinas.

6. Protecció de Reserva i Complementària

• Els relés de potència inversa prenen precaucions contra l'operació com a motor, mentre que els relés diferencials per faltes a terra de l'estator proporcionen detecció primària de faltes (vegeu la Figura 1 per a connexions típiques).

• Relés Diferencials: Comparen les corrents a ambdós extrems de les bobines de l'estator per detectar faltes internes.

Principis de Protecció

• Detecció de Tensió de Seqüència Zero: Identifica faltes entre voltes monitoritzant desequilibris de tensió mitjançant transformadors de tensió (VT).

• Adaptació del Sistema d'Aterrament: Les esquemes de protecció varien segons els mètodes d'aterrament de l'estator (resistència o aterrament de transformador), utilitzant CTs o VTs per detectar corrents/volts de faltes.

Mecanismes de Protecció de Faltes en les Bobines del Rotor

Les faltes de circuït tancat en les bobines del rotor bobinat estan protegides per relés de sobrecorrent, que desconnecten el generador al detectar picos de corrent anòmals. Les faltes a terra representen un altre risc per les bobines del rotor, tot i que la seva protecció requereix enfoques especialitzats.

En els grans generadors tèrmics, les bobines del rotor o del camp són normalment sense aterrar, és a dir, una sola falta a terra no produeix corrent de falta. No obstant això, aquesta falta eleva el potencial de tot el sistema de camp i excitació. Les tensions addicionals induïdes per l'obertura del circuit de camp o el generador principal, especialment durant condicions de falta, poden estressar l'aïllament de les bobines de camp, possiblement causant una segona falta a terra. Una segona falta pot portar a un escalfament localitzat de ferro, distorsió del rotor i un perillos desequilibri mecànic.

La protecció contra faltes a terra del rotor sovint utilitza un relé que monitoritza l'aïllament aplicant una tensió auxiliar AC al rotor. Alternativament, es pot utilitzar un relé de tensió en sèrie amb una xarxa de resistència elevada (normalment una combinació de resistències lineals i no lineals) a través del circuit del rotor. El punt central d'aquesta xarxa es connecta a terra a través d'una bobina de relé sensible (codi ANSI/IEEE/IEC 64). Esquemes de protecció moderns prefereixen cada cop més combinacions de resistències lineals i no lineals per a una millor detecció de faltes i monitorització de l'aïllament.

Mecanismes de Protecció Contra la Pèrdua de Camp i la Sobreexcitació

La protecció contra la pèrdua de camp utilitza un relé per detectar canvis en el flux de potència reactiva. Un esquema típic utilitza un relé Offset Mho (impedància) - un dispositiu monofàsic alimentat per transformadors de corrent (CTs) i transformadors de tensió (VTs) - per mesurar la impedància de càrrega. El relé s'activa quan la impedància queda dins de la seva característica operativa. Un relé de temporització inicia la desconnexió del generador si la potència reactiva cap endavant persisteix durant 1 segon (temporització estàndard).

Protecció Contra la Sobreexcitació

Per prevenir la saturació del nucli durant l'arrancada i l'aturada, s'implementa la protecció contra la sobreexcitació (codi ANSI/IEEE/IEC 59), basada en la relació:B = V/f
on:

• B = densitat de flux magnètic (tesla, T)

• V = tensió aplicada (volts, V)

• f = freqüència (hertz, Hz)

El flux del nucli ha de mantenir-se per sota del punt de saturació, és a dir, la tensió només pot augmentar proporcionalment amb la freqüència (velocitat). Un increment ràpid de l'excitació augmenta el risc de sobreexcitació, detectat per relés Volts per Hertz. Aquests relés tenen característiques lineals i activen quan V/f superen els llindars establerts.

Protecció Contra el Sobrecalentament de l'Estator i el Rotor

• Bobines de l'Estator i Llanteres: Monitorització de la temperatura mitjançant detectors de temperatura de resistència (RTDs) i termistors.

• Desbalance de Fase de l'Estator: Relés de sobrecorrent inversos en temps ajustats a la tolerància màxima de calor del rotor.

• Protecció de Seqüència de Fase Negativa: Protegeix la màquina del sobrecalentament del rotor causat per corrents desequilibrades de l'estator, que induïxen corrents eddy danoses en el rotor.

Els sistemes de protecció fiables són crítics per minimitzar els danys i el temps de reparació, ja que els generadors són entre els components més caros del sistema elèctric.

Aquesta protecció utilitza un relé que compara les corrents en dues fases mitjançant transformadors de corrent (CTs), tal com es mostra a la Figura 2. Les configuracions de protecció es determinen pel temps màxim que el rotor pot suportar el sobrecalentament, definit per l'equació K = I²t (derivada de la llei de Joule), on I és la corrent de seqüència de fase negativa i t és la durada.

Les corbes típiques de corrent-temporal especificades per el fabricant per a aquesta condició varien segons el tipus de motor principal, tal com es mostra en el diagrama referenciado.

Sistemes de Protecció Contra la Potència Inversa, la Pèrdua de Pas i la Freqüència/Tensió
Protecció Contra la Potència Inversa (codi ANSI/IEEE/IEC 32)

Aquesta protecció utilitza un relé direccional de potència per monitoritzar la càrrega del generador, alimentat per CTs i VTs (vegeu la Figura 3). El relé s'activa al detectar un flux de potència negatiu - indicant que el generador està absorbint energia de la xarxa (operació com a motor) - i activa la desconnexió per evitar daños a la turbina.

Protecció Contra la Pèrdua de Pas

Dissenyada per detectar pertorbacions del sistema elèctric (no faltes del generador), aquesta protecció identifica la deriva de pols quan el generador perd la sincronització. Desconnecta els interruptors del generador mentre manté la turbina en funcionament, permetent la resincronització després que la pertorbació s'ha resolt.

• Principi d'Operació: Tres relés d'impedància mesuren la impedància de càrrega. La desconnexió ocorre si els relés s'activen en una seqüència específica durant oscil·lacions de potència, distingint-ho de la pèrdua d'excitació (que ocurre a zero camp) i l'operació amb el generador a camp total.

Protecció de Freqüència i Tensió
Protecció de Sota/Sobre Freqüència (codi ANSI/IEEE/IEC 81)

• Sobre Freqüència: Causada per la descàrrega súbita de càrrega, arriescant sobretensió si no es gestiona. Els controls del generador han d'ajustar la producció per igualar la demanda.

• Sota Freqüència: Resulta de la generació insuficient per a les càrregues connectades, conduint a caigudes de tensió, excursió creixent i sobrecalentament del rotor i l'estator. La descàrrega de càrrega és crítica per evitar el col·laps del sistema.

Relés de Sota/Sobre Tensió (Codis 27/59)

Monitoritzen i controlen les desviacions de tensió per protegir l'equipament de l'estressament o el dany.

Protecció Suplementària de Començament de Fase

Prevé l'arrancada del generador en una condició de falta o càrrega. Els relés de sobrecorrent amb ajust baix s'activen només quan la freqüència és inferior a 52 Hz (per als sistemes de 60 Hz) o 42 Hz (per als sistemes de 50 Hz), assegurant la protecció durant les transients d'arrancada.

Protecció Contra Faltes de Circuït Tancat Extern

Els relés de sobrecorrent (50, 50N, 51, 51N) detecten i netegen faltes en la xarxa externa, protegint el generador de corrents de falta excessives.

Aquests esquemes de protecció col·lectivament aborden les anomàlies operatives - des de reversals de flux de potència fins a pertorbacions sistemiques - assegurant la integritat del generador i la estabilitat de la xarxa.