Protección del Generador

Un generador se somete a tensiones eléctricas impuestas en el aislamiento de la máquina, fuerzas mecánicas que actúan sobre las diferentes partes de la máquina y aumento de temperatura. Estos son los factores principales que hacen necesaria la protección para el generador o alternador. Incluso cuando se utiliza correctamente, una máquina en perfectas condiciones no solo mantiene su rendimiento especificado durante muchos años, sino que también puede soportar repetidamente cierto exceso de sobrecarga.

Se deben tomar medidas preventivas contra sobrecargas y condiciones anormales de la máquina para que pueda servir con seguridad. Aun asegurando un diseño, construcción, operación y medios preventivos de protección eficientes – el riesgo de un fallo no puede eliminarse completamente de ninguna máquina. Los dispositivos utilizados en protección del generador, garantizan que cuando se produce un fallo, este se elimina lo más rápidamente posible.

Un generador eléctrico puede estar sujeto a un fallo interno, externo o ambos. Los generadores generalmente están conectados a un sistema de energía eléctrica, por lo tanto, cualquier fallo ocurrido en el sistema de energía debe ser eliminado del generador lo antes posible, de lo contrario, puede causar daños permanentes en el generador.

El número y variedad de fallos que ocurren en un generador son enormes. Por eso, el generador o alternador está protegido con varios esquemas protectores. La protección del generador es de tipo discriminatorio y no discriminatorio. Se debe tener mucho cuidado en coordinar los sistemas utilizados y las configuraciones adoptadas para asegurar que se logre un esquema de protección del generador sensible, selectivo y discriminatorio.

Tipos de Protección del Generador

Las diversas formas de protección aplicadas al generador pueden categorizarse de dos maneras,

1. Relés protectores para detectar fallos que ocurren fuera del generador.

2. Relés protectores para detectar fallos que ocurren dentro del generador.

Además de los relés protectores, asociados directamente con el generador y su transformador asociado, existen pararrayos, salvaguardias de sobrespeed, dispositivos de flujo de aceite y dispositivos de medición de temperatura para cojinete de eje, bobinado estator, bobinado de transformador y aceite de transformador, etc. Algunos de estos arreglos protectores son de tipo no de corte, es decir, solo generan alarmas durante las anomalías.

Pero otros esquemas protectores operan finalmente el relé de corte maestro del generador. Debe notarse que ningún relé protector puede prevenir un fallo, solo indica y minimiza la duración del fallo para prevenir un aumento de temperatura en el generador, de lo contrario, puede haber un daño permanente en él.

Es deseable evitar cualquier estrés innecesario en el generador, y para ello es práctica común instalar capacitores de sobretensión o desviadores de sobretensión, o ambos, para reducir los efectos de rayos y otras sobretensiones en la máquina. Los esquemas de protección generalmente aplicados al generador se discuten brevemente a continuación.

Protección contra Falla de Aislamiento

La principal protección proporcionada en el bobinado estator contra fallos entre fases o entre fase y tierra, es la protección diferencial longitudinal del generador. El segundo esquema de protección más importante para el bobinado estator es la protección contra fallos entre vueltas.

Este tipo de protección se consideraba innecesario en días pasados porque la ruptura del aislamiento entre puntos en el mismo bobinado de fase, contenido en la misma ranura, y entre los cuales existe una diferencia de potencial, cambia muy rápidamente a un fallo a tierra, y luego es detectado por la protección diferencial del estator o la protección contra fallos a tierra del estator.

Un generador está diseñado para producir un voltaje relativamente alto en comparación con su salida y, por lo tanto, contiene un gran número de conductores por ranura. Con el aumento del tamaño y el voltaje del generador, esta forma de protección se está volviendo esencial para todas las unidades de generación grandes.

Protección contra Fallos a Tierra del Estator

Cuando el neutro del estator está conectado a tierra a través de un resistor, se monta un transformador de corriente en la conexión del neutro a tierra. Se utiliza un relé de tiempo inverso a través de la secundaria del TC cuando el generador está conectado directamente a la barra de bus. En caso de que el generador alimente energía a través de un transformador delta-estrella, se utiliza un relé instantáneo para el mismo propósito.

En el primer caso, el relé de fallos a tierra debe estar graduado con otros relés de fallos en el sistema. Es por esto que se utiliza un relé de tiempo inverso en este caso. Pero en el segundo caso, el bucle de fallos a tierra se limita al bobinado del estator y al bobinado primario del transformador, por lo que no hay necesidad de graduar o discriminar con otros relés de fallos a tierra en el sistema. Es por eso que el Relé Instantáneo es preferible en este caso.

Protección contra Fallos a Tierra del Rotor

Un solo fallo a tierra no crea ningún problema mayor en el generador, pero si ocurre un segundo fallo a tierra, parte del bobinado de campo quedará cortocircuitado, resultando en un campo magnético desequilibrado en el sistema, y consecuentemente, puede haber un daño mecánico mayor en los rodamientos del generador. Hay tres métodos disponibles para detectar este tipo de fallos en el rotor. Los métodos son

1. Método del potenciómetro 

2. Método de inyección de CA

3. Método de inyección de CC

Protección contra Carga Desbalanceada del Estator

El desequilibrio en la carga produce corrientes de secuencia negativa en el circuito del estator. Esta corriente de secuencia negativa produce un campo reacción que gira a doble velocidad síncrona con respecto al rotor, induciendo corrientes de doble frecuencia en el rotor. Esta corriente es bastante grande y causa sobrecalentamiento en el circuito del rotor, especialmente en el alternador.

Si algún desequilibrio ocurre debido a un fallo en el bobinado del estator, este será eliminado instantáneamente por la protección diferencial proporcionada en el generador. Si el desequilibrio ocurre debido a un fallo externo o a una carga desbalanceada en el sistema, puede pasar desapercibido o persistir durante un período significativo de tiempo, dependiendo de la coordinación de la protección del sistema. Estos fallos se eliminan instalando un relé de secuencia de fase negativa con características para coincidir con la curva de resistencia de la máquina.

Protección contra Sobrecalentamiento del Estator

La sobrecarga puede causar sobrecalentamiento en el bobinado del estator del generador. No solo la sobrecarga, sino también el fallo de los sistemas de enfriamiento y la falla de aislamiento de las láminas del estator, también causan sobrecalentamiento del bobinado del estator.

El sobrecalentamiento se detecta mediante detectores de temperatura incrustados en diversos puntos del bobinado del estator. Los elementos de los detectores de temperatura son normalmente elementos de resistencia que forman uno de los brazos del puente de Wheatstone. En el caso de generadores más pequeños, generalmente por debajo de 30 MW, los generadores no están equipados con bobinas de temperatura incrustadas, pero suelen estar equipados con relés térmicos y se dispone para medir la corriente que fluye en el bobinado del estator.

Esta disposición solo detecta el sobrecalentamiento causado por la sobrecarga y no proporciona ninguna protección contra el sobrecalentamiento debido al fallo de los sistemas de enfriamiento o a las laminaciones del estator cortocircuitadas. Aunque los relés de sobrecorriente, relés de secuencia de fase negativa y dispositivos para monitorear el flujo constante también se utilizan para proporcionar un cierto grado de protección contra sobrecarga térmica.

Protección contra Bajo Vacío

Esta protección, generalmente, es en forma de un regulador que compara el vacío contra la presión atmosférica, normalmente se instala en conjuntos de generadores por encima de 30 MW. La práctica moderna es que el regulador descargue el conjunto a través del gobernador secundario hasta que se restablezcan las condiciones normales de vacío. Si las condiciones de vacío no mejoran por debajo de 21 pulgadas, se cierran las válvulas de parada y se acciona el interruptor automático principal.

Protección contra Fallo de Aceite de Lubricación

Esta protección no se considera esencial ya que el aceite de lubricación normalmente se obtiene de la misma bomba que el aceite del gobernador y un fallo del aceite del gobernador cerrará automáticamente la válvula de parada.

Protección contra Pérdida de Encendido de Caldera

Hay dos métodos disponibles para detectar la pérdida de encendido de la caldera. En el primer método, se proporcionan contactos normalmente abiertos (NA) con los motores de ventilador que pueden hacer saltar el generador si fallan más de dos motores. El segundo método utiliza contactos de presión de la caldera, que descargan el generador si la presión de la caldera cae por debajo del 90% aproximadamente.

Protección contra Fallo del Motor Principal

Si el motor principal falla en suministrar energía mecánica al generador, el generador seguirá girando en modo de motor, es decir, toma energía eléctrica del sistema en lugar de suministrarla al sistema.

En una turbina de vapor, el vapor actúa como refrigerante, manteniendo las palas de la turbina a una temperatura constante. El fallo del suministro, por lo tanto, resultará en sobrecalentamiento debido a la fricción, con la consiguiente distorsión de las palas de la turbina.

El fallo del suministro de vapor puede causar un daño mecánico severo, además de imponer una carga motriz pesada al generador. Se utiliza un relé de potencia inversa para este propósito. Tan pronto como el generador comienza a girar en modo de motor, el relé de potencia inversa hará saltar el conjunto del generador.

Protección contra Exceso de Velocidad