Protección Diferencial de un Generador

Protección Diferencial del Generador

La protección diferencial de un generador protege principalmente los devanados del estator contra fallas a tierra y fallas entre fases. Las fallas en los devanados del estator representan una amenaza significativa, capaz de causar daños severos al generador. Para proteger los devanados del estator, se utiliza un sistema de protección diferencial para eliminar las fallas en el menor tiempo posible, minimizando así la magnitud del daño.

Sistema de Corriente Circulante Merz-Prize

En este esquema de protección, se comparan las corrientes en los dos extremos de la sección protegida. Durante el funcionamiento normal, las magnitudes de las corrientes en los devanados secundarios de los transformadores de corriente son iguales. Sin embargo, cuando ocurre una falla, fluye una corriente de cortocircuito a través del sistema, causando que las magnitudes de las corrientes diverjan. Esta diferencia de corriente bajo condiciones de falla se canaliza a través de la bobina de operación del relé.

Una vez que la corriente excede el umbral preestablecido, el relé cierra sus contactos, disparando el interruptor automático para que salte. Esta acción aísla la sección defectuosa del resto del sistema. Este mecanismo de protección se conoce como el sistema de corriente circulante Merz-Prize, que resulta altamente efectivo para detectar y responder a fallas a tierra y fallas entre fases.

Conexión del Sistema de Protección Diferencial

El sistema de protección diferencial requiere dos transformadores de corriente idénticos, que se instalan en cada lado de la zona protegida. Los terminales secundarios de estos transformadores de corriente se conectan en configuración estrella, y sus terminales finales se vinculan mediante cables piloto. Mientras tanto, las bobinas del relé se conectan en configuración delta. Los puntos neutrales de los transformadores de corriente y del relé se conectan a un terminal común. Esta disposición específica de cables asegura la detección precisa de desequilibrios de corriente y permite la rápida aislación de fallas.

El relé se conecta a través de los puntos de equipotencial de los tres cables piloto para garantizar que cada transformador de corriente soporte una carga igual. Dado que el punto medio de cada cable piloto representa su punto de equipotencial, el relé se coloca estratégicamente en el punto medio de estos cables.

Para que el sistema de protección diferencial funcione óptimamente, es crucial colocar las bobinas del relé cerca de los transformadores de corriente cerca del circuito principal. Esto se puede lograr insertando resistencias de equilibrio en serie con los cables piloto, desplazando efectivamente los puntos de equipotencial más cerca del interruptor automático principal.

Principio de Funcionamiento del Sistema de Protección Diferencial

Supongamos que ocurre un fallo de aislamiento en la fase R de la red, provocando una falla. Como resultado, las corrientes en los secundarios de los transformadores de corriente se desequilibran. Este desequilibrio genera corrientes diferenciales que fluyen a través de la bobina del relé. En consecuencia, el relé se activa y emite una orden de salto al interruptor automático, aislando la sección defectuosa del resto del sistema.

Sin embargo, este sistema de protección tiene una limitación significativa: es muy sensible a la corriente de inrush de magnetización del transformador. La corriente de inrush puede causar que el relé falle. Para abordar este problema, se emplea un relé diferencial sesgado. Este tipo de relé permite que cierto nivel de corriente desequilibrada pase a través de su bobina sin disparar una operación innecesaria.

Para mitigar aún más el impacto de la corriente de inrush de magnetización, se incorpora una bobina de restricción en el diseño. La bobina de restricción reduce eficazmente la influencia de la corriente de inrush, haciendo que el relé sea inmune a los saltos falsos causados por la corriente de inrush de magnetización. Los relés equipados con esta configuración se conocen como relés diferenciales sesgados.

Escenario de Falla y Operación del Relé

Cuando ocurre una falla entre cualquier par de fases, por ejemplo, entre las fases Y y B, fluye una corriente de cortocircuito a través de estas dos fases. Esta falla interrumpe el equilibrio de las corrientes que fluyen a través de los transformadores de corriente (CTs). Como consecuencia, una corriente diferencial pasa a través de la bobina de operación del relé, causando que el relé salte y abra sus contactos, aislando así la sección defectuosa del sistema eléctrico.

Problemas con el Sistema de Protección Diferencial

En un sistema de protección diferencial, generalmente se utiliza un cable de resistencia neutra para mitigar los efectos adversos de las corrientes de falla a tierra. Sin embargo, cuando una falla a tierra ocurre cerca del punto neutro, una pequeña fuerza electromotriz (fem) genera una corriente de cortocircuito relativamente pequeña que fluye a través de la neutral. La resistencia de la conexión a tierra de la neutral reduce aún más esta corriente. Como resultado, solo una corriente mínima llega al relé. Dado que esta pequeña corriente es insuficiente para activar la bobina del relé, la falla puede pasar desapercibida, potencialmente llevando a daños en el generador.

Esquema Modificado del Sistema de Protección Diferencial

Para abordar el problema mencionado, se ha desarrollado un esquema mejorado del sistema de protección diferencial. Este esquema modificado incorpora dos elementos distintos: uno diseñado para proteger contra fallas de fase y otro para salvaguardar contra fallas a tierra.

Los elementos de protección contra fallas de fase se conectan en configuración estrella junto con un resistor. Mientras tanto, el relé de falla a tierra se coloca entre los elementos de fase conectados en estrella y el punto neutro. Específicamente, dos elementos de falla de fase, junto con un resistor de equilibrio, se conectan en un patrón estrella, y luego el relé de falla a tierra se conecta entre la conexión en estrella y el cable piloto neutro. Esta configuración mejora la capacidad del sistema para detectar y responder con precisión tanto a fallas de fase como a fallas a tierra, mejorando la confiabilidad general del sistema de protección diferencial.

El circuito conectado en estrella exhibe simetría, asegurando que cualquier corriente de sobrecarga equilibrada que origine desde el punto de circulación de corriente no pase a través del relé de falla a tierra. Como resultado, dentro de este sistema, el relé de falla a tierra sensible puede operar con un alto nivel de estabilidad, detectando de manera confiable las fallas a tierra sin ser disparado por fluctuaciones normales de corriente equilibrada.