Protección del Generador – Tipos de Fallos y Dispositivos de Protección

Fallas Comunes de Generadores y Sistemas de Protección
Clasificación de las Fallas de los Generadores

Las fallas de los generadores se clasifican principalmente en tipos internos y externos:

• Fallas Internas: Se originan por problemas dentro de los componentes del generador.

• Fallas Externas: Proceden de condiciones de operación anormales o problemas en la red externa.

Las fallas en los motores primarios (por ejemplo, motores diésel, turbinas) son de naturaleza mecánica y se definen durante el diseño del equipo, aunque deben integrarse con las protecciones del generador para fines de desconexión.

Tipos de Fallas Internas
1. Fallas del Estator

• Sobrecalentamiento de Bobinas: Causado por sobrecargas permanentes o fallo de aislamiento.

• Falla Fase a Fase: Ocurre debido al fallo de aislamiento entre fases.

• Falla Fase a Tierra: Fuga de corriente desde las bobinas de fase hacia el marco del estator.

• Falla Interbobinada: Cortocircuito entre vueltas adyacentes en la misma bobina.

2. Fallas del Rotor

• Falla a Tierra: Fuga de corriente desde las bobinas del rotor hacia el eje del rotor.

• Cortocircuito de Bobina: Reduce el voltaje de excitación e incrementa la corriente en rotores enrollados.

• Sobrecalentamiento: Causado por corrientes desequilibradas en el estator (por ejemplo, desconexión de un polo, secuencia negativa de fase).

3. Pérdida de Campo/Excitación

• El flujo de potencia reactiva hacia el generador lo hace funcionar como un generador de inducción y perder sincronismo.

4. Operación Fuera de Paso

• Estrés mecánico en el eje y oscilaciones de tensión debido a la pérdida de sincronismo con la red.

5. Operación como Motor

• El generador toma potencia de la red cuando falla el suministro del motor primario (por ejemplo, pérdida de vapor/agua), arriesgando sobrecalentamiento o cavitación en las turbinas.

6. Fallas Mecánicas

• Sobrecalentamiento de cojinetes, pérdida de presión de aceite lubricante y vibración excesiva.

Mecanismo de Sobrecalentamiento del Rotor

Las corrientes desequilibradas en el estator (por ejemplo, secuencia negativa de fase) inducen corrientes de Foucault en el rotor a dos veces la frecuencia del sistema (100/120 Hz), causando sobrecalentamiento localizado. Esto debilita los cuñas y anillos de retención del rotor.

Tipos de Fallas Externas
Anomalías del Sistema Eléctrico

• Cortocircuitos Externos: Fallas en la red que afectan la operación del generador.

• Conexión No Sincronizada: Daño por paralelización incorrecta del generador.

• Sobrecargas/Sobrepasos: Causados por una liberación repentina de carga o fallo en el control del motor primario.

• Desequilibrio de Fase/Secuencia Negativa: Induce corrientes de Foucault en el rotor y sobrecalentamiento.

• Desviaciones de Frecuencia/Tensión: Bajo/sobre frecuencia o tensión que estresa los componentes del generador.

Dispositivos de Protección del Generador
Esquemas de Protección Clave
1. Protección contra Fallas del Estator

• Relé Diferencial: Detecta fallas fase a fase y fase a tierra comparando las corrientes de entrada/salida.

• Protección contra Fallas a Tierra: Utiliza relés de sobrecorriente (para aterramiento resistivo) o relés de tensión (para aterramiento transformador) para detectar fallas a tierra en el estator.

2. Protección contra Fallas del Rotor

• Los relés de falla a tierra monitorean el fallo de aislamiento entre las bobinas del rotor y el eje.

3. Protección contra Carga Desbalanceada

• Monitorea las corrientes de secuencia negativa y la pérdida de excitación, que causan problemas de flujo de potencia reactiva.

4. Protección contra Sobrecalentamiento

• Los relés térmicos o sensores de temperatura detectan el sobrecalentamiento de las bobinas del estator y los cojinetes; los relés de secuencia negativa abordan el calentamiento del rotor.

5. Protección Mecánica

• Relés de sobrepaso, sensores de vibración y interruptores de baja vacío/presión protegen contra fallos del motor primario y las turbinas.

6. Protección de Respaldo y Suplementaria

• Los relés de potencia inversa previenen la operación como motor, mientras que los relés diferenciales para fallas a tierra del estator proporcionan detección primaria de fallas (ver Figura 1 para conexiones típicas).

• Differential Relays: Comparan las corrientes en ambos extremos de las bobinas del estator para detectar fallas internas.

Principios de Protección

• Detección de Tensión de Secuencia Cero: Identifica fallas interbobinadas monitoreando desequilibrios de tensión a través de transformadores de tensión (VT).

• Adaptación del Sistema de Aterramiento: Los esquemas de protección varían según los métodos de aterramiento del estator (aterramiento resistivo o transformador), utilizando CTs o VTs para detectar corrientes/voltajes de falla.

Mecanismos de Protección contra Fallas en Bobinas del Rotor

Las fallas de cortocircuito en las bobinas del rotor enrollado están protegidas por relés de sobrecorriente, que desconectan el generador al detectar aumentos anormales de corriente. Las fallas a tierra representan otro riesgo para las bobinas del rotor, aunque su protección requiere enfoques especializados.

En grandes generadores térmicos, las bobinas del rotor o de campo suelen estar sin aterrizar, lo que significa que una sola falla a tierra no produce una corriente de falla. Sin embargo, tal falla eleva el potencial de todo el sistema de campo y excitación. Las tensiones adicionales inducidas por la apertura del circuito de campo o del interruptor principal del generador, especialmente durante condiciones de falla, pueden estresar el aislamiento de la bobina de campo, posiblemente causando una segunda falla a tierra. Una segunda falla puede llevar a un calentamiento localizado del hierro, distorsión del rotor y un peligroso desequilibrio mecánico.

La protección contra fallas a tierra del rotor a menudo emplea un relé que monitorea el aislamiento aplicando un voltaje AC auxiliar al rotor. Alternativamente, se utiliza un relé de tensión en serie con una red de alta resistencia (comúnmente una combinación de resistencias lineales y no lineales) a través del circuito del rotor. El punto central de esta red se conecta a tierra a través de una bobina de relé sensible (código ANSI/IEEE/IEC 64). Los esquemas de protección modernos favorecen cada vez más combinaciones de resistencias lineales y no lineales para mejorar la detección de fallas y el monitoreo del aislamiento.

Mecanismos de Protección contra Pérdida de Campo y Sobrexexcitación

La protección contra pérdida de campo emplea un relé para detectar cambios en el flujo de potencia reactiva. Un esquema típico utiliza un relé Mho compensado (impedancia) de una sola fase alimentado por transformadores de corriente (CTs) y transformadores de tensión (VTs) para medir la impedancia de carga. El relé se activa cuando la impedancia cae dentro de su característica de operación. Un relé de temporización inicia la desconexión del generador si la potencia reactiva adelantada persiste durante 1 segundo (temporización estándar).

Protección contra Sobrexexcitación

Para prevenir la saturación del núcleo durante el arranque y el apagado, se implementa la protección contra sobrexexcitación (código ANSI/IEEE/IEC 59), basada en la relación:B = V/f
donde:

• B = densidad de flujo magnético (tesla, T)

• V = tensión aplicada (voltios, V)

• f = frecuencia (hertz, Hz)

El flujo del núcleo debe mantenerse por debajo del punto de saturación, lo que significa que la tensión solo puede aumentar proporcionalmente con la frecuencia (velocidad). Un aumento rápido de la excitación incrementa el riesgo de sobrexexcitación, detectado por relés de Voltios por Hertz. Estos relés tienen características lineales y se disparan cuando V/f supera umbrales establecidos.

Protección contra Sobrecalentamiento del Estator y el Rotor

• Bobinas del Estator y Cojinetes: Monitoreo de temperatura mediante detectores de temperatura de resistencia (RTDs) y termistores.

• Desequilibrio de Fase del Estator: Relés de sobrecorriente inversos en tiempo ajustados a la tolerancia máxima de calor del rotor.

• Protección contra Secuencia Negativa: Protege la máquina del sobrecalentamiento del rotor causado por corrientes desequilibradas en el estator, que inducen corrientes de Foucault dañinas en el rotor.

Los sistemas de protección confiables son críticos para minimizar el daño y el tiempo de reparación, ya que los generadores son algunos de los componentes más costosos del sistema eléctrico.

Esta protección utiliza un relé que compara las corrientes en dos fases a través de transformadores de corriente (CTs), como se ilustra en la Figura 2. Las configuraciones de protección se determinan por el tiempo máximo que el rotor puede soportar el sobrecalentamiento, definido por la ecuación K = I²t (derivada de la ley de Joule), donde I es la corriente de secuencia negativa y t es la duración.

Las curvas de tiempo-corriente típicas especificadas por el fabricante para esta condición varían según el tipo de motor primario, como se muestra en el diagrama referenciado.

Sistemas de Protección contra Potencia Inversa, Fuera de Paso y Frecuencia/Tensión
Protección contra Potencia Inversa (Código ANSI/IEEE/IEC 32)

Esta protección utiliza un relé direccional de potencia para monitorear la carga del generador, alimentado por CTs y VTs (ver Figura 3). El relé se activa al detectar un flujo de potencia negativo, indicando que el generador está tomando potencia de la red (operación como motor), y dispara la desconexión para prevenir daños en la turbina.

Protección Fuera de Paso

Diseñada para detectar perturbaciones en el sistema eléctrico (no fallas del generador), esta protección identifica el deslizamiento de polos cuando el generador pierde sincronismo. Dispara los interruptores del generador mientras mantiene la turbina en marcha, permitiendo la resincronización después de que se elimine la perturbación.

• Principio de Operación: Tres relés de impedancia miden la impedancia de carga. La desconexión ocurre si los relés se activan en una secuencia específica durante los oscilaciones de potencia, distinguiéndola de la pérdida de excitación (que ocurre a campo cero) y la operación con el generador a campo completo.

Protección de Frecuencia y Tensión
Protección contra Baja/Alta Frecuencia (Código ANSI/IEEE/IEC 81)

• Sobrefrecuencia: Causada por la liberación repentina de carga, arriesgando sobre tensión si no se gestiona. Los controles del generador deben ajustar la salida para coincidir con la demanda.

• Subfrecuencia: Resulta de una generación insuficiente para las cargas conectadas, llevando a caídas de tensión, mayor excitación y sobrecalentamiento del rotor y el estator. La liberación de carga es crítica para prevenir el colapso del sistema.

Relés de Baja/Alta Tensión (Códigos 27/59)

Monitorean y controlan las desviaciones de tensión para proteger el equipo de estrés o daño.

Protección Suplementaria de Arranque de Fase

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