Protección do xerador – Tipos de fallos e dispositivos de protección

Fallas comúns dos xeradores e sistemas de protección
Clasificación das fallas dos xeradores

As fallas dos xeradores clasifícanse principalmente en tipos internos e externos:

• Fallas internas: Proceden de problemas dentro dos compoñentes do xerador.

• Fallas externas: Xorden de condicións de operación anómalas ou problemas na rede externa.

As fallas nos motores principais (por exemplo, motores diésel, turbinas) son de natureza mecánica e defínense durante o deseño do equipo, aínda que deben integrarse coas proteccións do xerador para propósitos de desligamento.

Tipos de fallas internas
1. Fallas do estator

• Sobrecalentamento da bobina: Causado por sobrecargas permanentes ou fallo na aislación.

• Falla entre fases: Ocorre debido ao fallo na aislación entre fases.

• Falla fase-a-terra: Fuga de corrente dende as bobinas de fase ata o armazón do estator.

• Falla interturno: Circuíto corto entre voltas adxacentes na mesma bobina.

2. Fallas do rotor

• Falla a terra: Fuga de corrente dende as bobinas do rotor ata o eixe do rotor.

• Circuíto corto na bobina: Reduce a tensión de excitación e aumenta a corrente nos rotores con bobinado.

• Sobrecalentamento: Causado por correntes desequilibradas no estator (por exemplo, salto de polo único, secuencia negativa de fase).

3. Pérdida de campo/excitación

• O fluxo de potencia reactiva entra no xerador, facendo que funcione como un xerador de indución e perde a sincronización.

4. Operación fora de paso

• Tensiones mecánicas no eixe e oscilacións de tensión debido á perda de sincronización coa rede.

5. Operación como motor

• O xerador extrae potencia da rede cando falla o suministro do motor principal (por exemplo, perda de vapor/ auga), ariscándose a sobrecalentamento ou cavitación nas turbinas.

6. Fallas mecánicas

• Sobrecalentamento dos rolos, perda de presión do óleo de lubrificación e vibración excesiva.

Mecanismo de sobrecalentamento do rotor

As correntes desequilibradas no estator (por exemplo, secuencia negativa de fase) inducen correntes de Foucault no rotor a dúas veces a frecuencia do sistema (100/120 Hz), causando sobrecalentamento localizado. Isto debilita as linguetas de retención e os aneis do rotor.

Tipos de fallas externas
Anomalías do sistema de potencia

• Cortocircuitos externos: Fallas na rede que afectan a operación do xerador.

• Conexión non sincronizada: Danos debido a un paralelismo incorrecto do xerador.

• Sobrecargas/sobrepaso: Causados por unha descarga súbita de carga ou fallo no control do motor principal.

• Desbalance de fase/secuencia negativa: Induz correntes de Foucault no rotor e sobrecalentamento.

• Desvíos de frecuencia/tensión: Subfrecuencia/sobrefrecuencia ou sobretensión que estresa os compoñentes do xerador.

Dispositivos de protección do xerador
Esquemas de protección clave
1. Protección contra fallas do estator

• Relé diferencial: Detecta fallas entre fases e fase-a-terra comparando as correntes de entrada e saída.

• Protección contra fallas a terra: Utiliza relés de sobrecorrente (para aterramento resistivo) ou relés de tensión (para aterramento transformador) para detectar fallas a terra do estator.

2. Protección contra fallas do rotor

• Os relés de falla a terra monitorizan o fallo na aislación entre as bobinas do rotor e o eixe.

3. Protección contra carga desequilibrada

• Monitoriza as correntes de secuencia negativa e a perda de excitación, que causan problemas de flujo de potencia reactiva.

4. Protección contra sobrecalentamento

• Os relés térmicos ou sensores de temperatura detectan o sobrecalentamento das bobinas do estator e os rolos; os relés de secuencia negativa abordan o sobrecalentamento do rotor.

5. Protección mecánica

• Os relés de sobrepaso, sensores de vibración e interruptores de baixa presión/vacío protegen contra fallos no motor principal e nas turbinas.

6. Protección de respaldo e suplementaria

• Os relés de potencia inversa evitan a operación como motor, mentres que os relés diferenciais para fallas a terra do estator proporcionan a detección primaria de fallas (véxase a figura 1 para conexións típicas).

• Diferenciais Relés: Comparan as correntes en ambos os extremos das bobinas do estator para detectar fallas internas.

Principios de protección

• Detección de tensión de secuencia cero: Identifica fallas interturno monitorizando desequilibrios de tensión mediante transformadores de tensión (VT).

• Adaptación do sistema de aterramento: Os esquemas de protección varían en función dos métodos de aterramento do estator (resistivo ou transformador), utilizando CTs ou VTs para detectar correntes/voltaxes de falla.

Mecanismos de protección contra fallas na bobina do rotor

As fallas de circuíto corto nas bobinas de rotor con bobinado protégense con relés de sobrecorrente, que desligan o xerador ao detectar incrementos anómalos de corrente. As fallas a terra representan outro risco para as bobinas do rotor, aínda que a súa protección require abordaxes especializados.

Nos xeradores térmicos grandes, as bobinas de rotor ou de campo son xeralmente non aterradas, significando que unha única falla a terra non produce corrente de falla. No entanto, tal falla eleva o potencial de todo o sistema de campo e excitación. As voltaxes extra inducidas pola apertura do interruptor de campo ou do xerador principal, especialmente durante condicións de falla, poden estresar a aislación da bobina de campo, posiblemente provocando unha segunda falla a terra. Unha segunda falla pode levar a un calentamento localizado do ferro, distorsión do rotor e un desequilibrio mecánico perigoso.

A protección contra fallas a terra do rotor adoita empregar un relé que monitoriza a aislación aplicando unha tensión auxiliar AC ao rotor. Alternativamente, utiliza un relé de tensión en serie con unha rede de alta resistencia (xeralmente unha combinación de resistencias lineares e non lineares) a través do circuito do rotor. O punto central desta rede conecta a terra a través dunha bobina de relé sensible (código ANSI/IEEE/IEC 64). Os esquemas de protección modernos favorecen cada vez máis combinacións de resistencias lineares e non lineares para mellorar a detección de fallas e a monitorización da aislación.

Mecanismos de protección contra perda de campo e sobreexcitación

A protección contra perda de campo emprega un relé para detectar cambios no flujo de potencia reactiva. Un esquema típico usa un relé Mho compensado (impedancia) - un dispositivo monofásico alimentado por transformadores de corrente (CTs) e transformadores de tensión (VTs) - para medir a impedancia da carga. O relé dispara cando a impedancia cae dentro da súa característica de funcionamento. Un relé de temporización inicia o desligamento do xerador se a potencia reactiva avanzada persiste durante 1 segundo (temporización estándar).

Protección contra sobreexcitación

Para evitar a saturación do núcleo durante o arranque e a parada, implementase a protección contra sobreexcitación (código ANSI/IEEE/IEC 59), baseada na relación:B = V/f
onde:

• B = densidade de fluxo magnético (tesla, T)

• V = tensión aplicada (voltios, V)

• f = frecuencia (hercios, Hz)

O fluxo do núcleo debe manterse por debaixo do punto de saturación, significando que a tensión só pode aumentar proporcionalmente coa frecuencia (velocidade). A excitación rápida aumenta o risco de sobreexcitación, detectada por relés de Volts por Hertz. Estes relés teñen características lineares e disparan cando V/f supera os umbrais establecidos.

Protección contra sobrecalentamento do estator e do rotor

• Bobinas do estator e rolos: Monitorización de temperatura mediante detectores de temperatura de resistencia (RTDs) e termístores.

• Desequilibrio de fase do estator: Relés de sobrecorrente inversos no tempo configurados para a tolerancia máxima de calor do rotor.

• Protección de secuencia negativa: Protexa a máquina do sobrecalentamento do rotor causado por correntes desequilibradas no estator, que inducen correntes de Foucault danosas no rotor.

Os sistemas de protección fiables son cruciais para minimizar os danos e o tempo de reparación, xa que os xeradores son un dos compoñentes máis caros do sistema de potencia.

Esta protección utiliza un relé que compara as correntes en dúas fases mediante transformadores de corrente (CTs), como se ilustra na figura 2. As configuracións protectoras determinanse polo tempo máximo que o rotor pode soportar o sobrecalentamento, definido pola ecuación K = I²t (derivada da lei de Joule), onde I é a corrente de secuencia negativa e t é a duración.

As curvas típicas de tempo-corrente especificadas polo fabricante para esta condición varían en función do tipo de motor principal, como se mostra no diagrama referenciado.

Sistemas de protección contra potencia inversa, fora de paso e frecuencia/tensión
Protección contra potencia inversa (código ANSI/IEEE/IEC 32)

Esta protección emprega un relé de dirección de potencia para monitorizar a carga do xerador, alimentado por CTs e VTs (véxase a figura 3). O relé activa ao detectar un flujo de potencia negativo, indicando que o xerador está a extraer potencia da rede (operación como motor), e dispara o desligamento para evitar danos na turbina.

Protección contra fora de paso

Deseñada para detectar perturbacións do sistema de potencia (non fallas do xerador), esta protección identifica o deslizamento de polos cando o xerador perde a sincronización. Dispara os interruptores do xerador mantendo a turbina en marcha, permitindo a resincronización despois de que a perturbación desaparezca.

• Principio de funcionamento: Tres relés de impedancia miden a impedancia da carga. O disparo ocorre se os relés activan nunha secuencia específica durante os balanços de potencia, distinguindo-lo da perda de excitación (que ocorre cando o campo é nulo) e a operación do xerador a campo completo.

Protección contra frecuencia e tensión
Protección contra subfrecuencia/sobrefrecuencia (código ANSI/IEEE/IEC 81)

• Sobrefrecuencia: Causada por unha descarga súbita de carga, ariscando sobretensión se non se xestiona. Os controles do xerador deben axustar a saída para coincidir coa demanda.

• Subfrecuencia: Resulta de unha xeración insuficiente para as cargas conectadas, levando a caídas de tensión, aumento da excitación e sobrecalentamento do rotor e do estator. A descarga de carga é crítica para prevenir o colapso do sistema.

Relés de sub/sobretensión (códigos 27/59)

Monitorizan e controlan as desviacións de tensión para protexer o equipo de estrés ou danos.

Protección suplementaria de inicio de fase

Previne o arranque do xerador nunha condición de falla ou cargada. Os relés de sobrecorrente de ajuste baixo engadense só cando a frecuencia está por debaixo de 52 Hz (para sistemas de 60 Hz) ou 42 Hz (para sistemas de 50 Hz), asegurando a protección durante as transitoriedades de arranque.

Protección contra cortocircuitos externos

Os relés de sobrecorrente (50, 50N, 51, 51N) detectan e eliminan as fallas na rede externa, protexendo o xerador de correntes de falla excesivas.

Estes esquemas de protección abordan colectivamente as anomalias operativas, desde as inversións de flujo de potencia até as perturbacións a nivel de sistema, asegurando a integridade do xerador e a estabilidade da rede.