Los interruptores de circuito generador son esencialmente adecuados para una amplia gama de plantas de generación de energía, incluyendo plantas térmicas, nucleares, de turbinas de gas, ciclo combinado, hidroeléctricas y de bombeo. También son ideales para la renovación de centrales eléctricas existentes que carecen de interruptores de circuito generador.
En el pasado, los interruptores de circuito generador se utilizaban comúnmente en estaciones multiunidades donde varios generadores relativamente pequeños estaban conectados a un bus común. Sin embargo, con el rápido crecimiento en el tamaño de los generadores y el aumento de los niveles de corriente de falla del sistema, las capacidades de interrupción de este tipo de equipos de conmutación fueron pronto superadas. Posteriormente, se adoptó el concepto de unidad, donde cada generador tenía un sistema auxiliar de suministro de vapor independiente conectado directamente a un transformador de elevación y uno o más interruptores de alta tensión.
En comparación con la conexión por unidades, el uso de interruptores de circuito generador para conmutar generadores a su tensión terminal proporciona numerosos beneficios:
Operaciones Simplificadas: Simplifica los procedimientos operativos, reduciendo la complejidad y el potencial de errores humanos durante las tareas de conmutación relacionadas con los generadores.
Protección Mejorada: Ofrece una mejor protección para el generador, así como para los transformadores principales y de unidad, protegiendo estos componentes críticos de fallos eléctricos y sobrecargas.
Mayor Fiabilidad: Aumenta la seguridad del sistema de generación de energía y mejora significativamente la disponibilidad general de la planta de energía, minimizando el tiempo de inactividad y maximizando la producción de energía.
Ganancias Económicas: También aporta ventajas económicas, como costos de mantenimiento reducidos y una mayor eficiencia operativa a largo plazo.
Los requisitos clave para la disposición eléctrica de las plantas de energía pueden resumirse de la siguiente manera:
Transferencia Eficiente de Energía: Transferir la energía eléctrica generada desde el generador al sistema de transmisión de alta tensión (AT), teniendo en cuenta las necesidades operativas, así como factores relacionados con la disponibilidad, fiabilidad y viabilidad económica.
Suministro Fiable de Energía Auxiliar: Asegurar el suministro de energía eléctrica para los sistemas auxiliares y de servicio de la estación, lo cual es crucial para mantener una operación segura y fiable de la planta de energía.
La Figura 1 ilustra ejemplos de disposiciones de plantas de energía que utilizan un interruptor de circuito generador para conectar el generador al transformador principal, demostrando cómo se integran estos interruptores en la configuración eléctrica general de la planta de energía.
Los interruptores de circuito generador desempeñan un papel crucial y multifacético en los sistemas de energía, cumpliendo una variedad de deberes operativos esenciales:
Sincronización con el Sistema de AT: Son responsables de sincronizar el generador con la tensión del sistema a nivel de alta tensión (AT). Esto asegura una conexión sin problemas entre la salida del generador y la red, facilitando la transferencia eficiente de energía eléctrica.
Desconexión del Sistema de AT: Permiten la separación de los generadores del sistema de AT, lo cual es particularmente útil al apagar generadores no cargados o ligeramente cargados. Esta operación ayuda a mantener la estabilidad y la seguridad de la red de energía.
Interrupción de Corrientes de Carga: Estos interruptores son capaces de interrumpir corrientes de carga, con la capacidad de manejar hasta la corriente nominal completa de los generadores. Esta funcionalidad es vital para la operación normal y la gestión de la carga dentro de la planta de energía.
Interrupción de Cortocircuitos Alimentados por el Sistema: Pueden interrumpir cortocircuitos alimentados por el sistema, protegiendo el generador y otros componentes de los efectos potencialmente dañinos del flujo excesivo de corriente causado por fallos en el sistema.
Interrupción de Cortocircuitos Alimentados por el Generador: De manera similar, están diseñados para interrumpir cortocircuitos alimentados por el generador, protegiendo el propio generador de fallos internos y asegurando su operación segura continua.
Interrupción de Corrientes Fuera de Fase: Los interruptores de circuito generador pueden manejar la interrupción de corriente en condiciones fuera de fase, con la capacidad de gestionar hasta un ángulo de 180° fuera de fase. Esta característica es crucial para mantener la estabilidad del sistema durante condiciones de operación anormales.
Sincronización en Plantas de Bombeo de Energía (Modo Motor): En las plantas de bombeo de energía, cuando el generador-motor se inicia en modo motor, el interruptor de circuito se utiliza para sincronizar la máquina con el sistema de AT. Existen diferentes métodos de sincronización disponibles, como el arranque mediante un convertidor de frecuencia estática (SFC) o el arranque back-to-back.
Manejo de Corriente de Arranque en Plantas de Bombeo de Energía (Modo Motor): Cuando el generador-motor se inicia en modo motor con arranque asincrónico en plantas de bombeo de energía, el interruptor de circuito cierra e interrumpe la corriente de arranque, asegurando un proceso de arranque suave y controlado.
Interrupción de Corriente de Cortocircuito a Baja Frecuencia: En plantas de turbinas de gas, ciclo combinado y bombeo de energía, dependiendo del suministro de arranque, el interruptor de circuito puede interrumpir corrientes de cortocircuito alimentadas por el generador a frecuencias inferiores a 50/60 Hz, adaptándose a los requisitos específicos de estos sistemas de generación de energía.
Existen múltiples enfoques de sincronización en plantas de bombeo de energía.
Esquema de Arranque con Convertidor de Frecuencia Estática (SFC): Este esquema consta principalmente de un convertidor de tiristores conectado a un transformador de unidad en el lado de alta tensión y un inversor vinculado al generador. El inversor inicia la operación del generador desde una frecuencia de potencia baja y lo incrementa gradualmente hasta la frecuencia nominal de potencia. Una vez que el generador está excitado para producir energía, puede haber una diferencia de ángulo de fase entre su salida y la de la red. En el momento en que la diferencia de fase entre el generador y la red de AT se minimiza, el generador se sincroniza con la red de AT utilizando ya sea un interruptor de circuito generador o un interruptor de circuito de alta tensión.
Esquema de Arranque Back-to-Back: En una planta de energía con múltiples generadores, se puede emplear un esquema de arranque back-to-back. La energía generada por un generador que opera en condiciones nominales se utiliza para iniciar un generador detenido hasta la frecuencia nominal de potencia. Posteriormente, el generador se sincroniza con la red de AT utilizando ya sea un interruptor de circuito generador o un interruptor de circuito de alta tensión.
Según la norma IEC/IEEE 62271-37-13, el ciclo de duty de cortocircuito nominal de un interruptor de circuito generador se especifica como consistente en dos unidades de operaciones, con un intervalo de 30 minutos entre cada operación. El ciclo de duty se representa como "CO – 30 minutos – CO", lo que significa dos interrupciones completas de cortocircuito, con un intervalo de 30 minutos entre cada evento de cierre de cortocircuito.Este diseño está específicamente destinado a proteger las plantas de energía y los generadores. Realizar dos operaciones consecutivas de cierre-apertura durante un cortocircuito completo podría causar potencialmente daños al generador y a los transformadores de elevación.
Este tipo de cortocircuitos son altamente improbables, y también es muy poco probable que un gerente de planta intente cerrar el circuito nuevamente solo 30 minutos después de un evento de cortocircuito completo.
El intervalo de 30 minutos entre dos operaciones es esencial para restaurar las condiciones iniciales del interruptor de circuito y prevenir el calentamiento excesivo de sus componentes. Es importante tener en cuenta que este intervalo de tiempo puede variar dependiendo del tipo específico de operación y las características del interruptor de circuito generador.
