Solución Integral de Protección Basada en Microprocesador para Grandes Generadores

1. Resumen

A medida que los sistemas de energía evolucionan hacia parámetros más altos, capacidades mayores y estructuras de red más complejas, la operación segura y estable de las unidades generadoras es crucial para la confiabilidad general de la red. Los dispositivos de protección por relés tradicionales enfrentan desafíos como zonas ciegas e insuficiente sensibilidad al tratar con fallos internos complejos en los generadores. Esta solución aprovecha la tecnología de protección basada en microprocesadores avanzados, integrando información de múltiples fuentes y algoritmos inteligentes para proporcionar un sistema de protección rápido, confiable y completo para grandes generadores (por ejemplo, unidades térmicas, nucleares e hidroeléctricas). Tiene como objetivo eliminar completamente las zonas ciegas de protección y garantizar la seguridad de los activos de generación de energía.

2. Desafíos Principales

Los grandes generadores enfrentan múltiples amenazas de fallos internos durante su operación, incluyendo:

• ​Fallos en el Viento Estator: Cortocircuitos entre fases, cortocircuitos interturno y fallos a tierra. En particular, los cortocircuitos interturno presentan corrientes de fallo iniciales bajas, lo que los hace difíciles de detectar con la protección diferencial transversal tradicional debido a las zonas ciegas inherentes.
• ​Fallos en el Circuito del Rotor: Fallos a tierra en un solo punto, fallos a tierra en dos puntos y circuitos abiertos o cortocircuitos en el circuito de excitación. Aunque un fallo a tierra en un solo punto puede permitir la continuación de la operación, su progresión a un fallo a tierra en dos puntos puede causar asimetría magnética y vibraciones severas en la unidad.
• ​Condiciones Operativas Anormales: Potencia inversa, pérdida de excitación, sobrexicitación, sobretensión y anomalías de frecuencia. Aunque no son fallos instantáneos, estas condiciones pueden dañar severamente el generador o amenazar la estabilidad de la red.

3. Solución Detallada

Nuestra solución de protección basada en microprocesadores adopta una arquitectura jerárquica distribuida. El relé de protección central integra una plataforma de procesamiento de hardware robusta con algoritmos de protección maduros, como se detalla a continuación:

3.1 Para Cortocircuitos Interturno del Estator: Protección Compuesta Multicriterio

Para abordar la insensibilidad de la protección diferencial transversal tradicional a los cortocircuitos interturno dentro de la misma fase, esta solución emplea un algoritmo de decisión de fusión multicriterio, mejorando significativamente la confiabilidad y la sensibilidad de la detección.

• ​Principios Técnicos:
• Criterio de Dirección de Potencia de Secuencia Negativa: Monitorea la corriente y el voltaje de secuencia negativa en los terminales del generador para calcular la dirección de la potencia de secuencia negativa. Los fallos asimétricos internos (por ejemplo, cortocircuitos interturno) generan una fuente de secuencia negativa, con la dirección de la potencia fluyendo desde el generador hacia el sistema, lo que permite una detección precisa de fallos internos.
• Criterio de Variación de Voltaje Armónico Tercero: Rastrea la relación de amplitud y la diferencia de fase entre el voltaje armónico tercero neutral y terminal. Los cortocircuitos interturno interrumpen el patrón de distribución inherente de los voltajes armónicos tercero, a los cuales este criterio es muy sensible.
• Criterio de Voltaje de Desplazamiento del Punto Neutro: Sirve como un refuerzo auxiliar para mejorar la confiabilidad.
• ​Ventajas de Rendimiento:
• Alta Sensibilidad: Capaz de detectar cortocircuitos interturno menores del 0,5%.
• Operación Rápida: Tiempo total de operación inferior a 20 ms, limitando significativamente el daño del fallo.
• Alta Confiabilidad: Múltiples criterios que se bloquean o funcionan en paralelo para prevenir malfuncionamientos y evitar fallas en la operación.
• ​Estudio de Caso: Después de la implementación en un generador térmico de 500 MW, la solución logró una sensibilidad del 98% en la detección de cortocircuitos interturno, previniendo con éxito accidentes graves de quemado causados por defectos menores de aislamiento.

3.2 Para Protección de Fallos a Tierra del 100% del Estator: Posicionamiento de Fusión de Doble Tecnología

La protección de voltaje de secuencia cero fundamental tradicional presenta zonas ciegas cerca del punto neutro. Esta solución combina dos tecnologías maduras para lograr una cobertura de protección del 100% desde los terminales hasta el punto neutro.

• ​Principios Técnicos:
• Zona Convencional (85-95%): Utiliza el método de relación de voltaje armónico tercero para proteger la mayor parte del viento estator desde el punto neutro hacia los terminales.
• Compensación de Zona Ciega (Cerca del Punto Neutro, 5-15%): Emplea protección de fallos a tierra del estator basada en inyección. Se inyecta una señal de voltaje de baja frecuencia (20 Hz o 12,5 Hz) en el circuito del rotor, y se monitorean los cambios en la corriente de inyección para calcular con precisión la resistencia de aislamiento y la ubicación del fallo, eliminando completamente las zonas ciegas cerca del punto neutro.
• ​Ventajas de Rendimiento:
• Cobertura del 100%: Sin zonas ciegas, garantizando la protección completa del viento estator.
• Localización Precisa: Ubica con precisión la ubicación de los fallos a tierra para el mantenimiento dirigido.
• ​Estudio de Caso: En una planta de energía nuclear, la solución localizó con éxito un fallo a tierra a solo el 3% desde el punto neutro, con un error inferior al 1%, permitiendo el mantenimiento planificado y evitando apagones no programados.

3.3 Para la Salud del Circuito del Rotor: Monitoreo Dinámico y Alerta Temprana

Los fallos en el circuito del rotor, especialmente diodos rotativos abiertos, son peligros ocultos comunes. Esta solución cambia de la "protección post-fallo" a la "alerta pre-fallo" a través del monitoreo en tiempo real.

• ​Principios Técnicos:
• Transformadores de corriente de alta frecuencia (TCs) o módulos de monitoreo dedicados instalados en los anillos de deslizamiento recopilan formas de onda de corriente de excitación en tiempo real.
• Algoritmos integrados realizan un análisis armónico de transformada rápida de Fourier (FFT) en la corriente.
• Los diodos rotativos abiertos causan una distorsión severa de la forma de onda de corriente de excitación, aumentando significativamente los armónicos característicos (por ejemplo, el quinto armónico).
• ​Ventajas de Rendimiento:
• Alerta Temprana: Emite alertas basadas en el contenido armónico que excede los umbrales (por ejemplo, el quinto armónico supera el 8%), promoviendo revisiones de mantenimiento en el puente rectificador rotativo antes de que ocurran fallos.
• Prevención de Escalada: Las advertencias oportunas previenen accidentes graves, como daños en el aislamiento debido a la pérdida de corriente de excitación y el sobrecalentamiento del rotor.
• Mantenimiento Basado en Condiciones: Proporciona datos críticos para el mantenimiento predictivo.

4. Resumen y Valor

Esta solución de protección basada en microprocesadores integra tecnología de detección avanzada, algoritmos de procesamiento de señales y toma de decisiones inteligente multicriterio para abordar los puntos dolorosos tradicionales en la protección de generadores:

• Elimina las zonas ciegas de protección, logrando una cobertura del 100% para cortocircuitos interturno y fallos a tierra del estator.
• Transforma la protección post-fallo en alerta pre-fallo, previniendo eficazmente los fallos a través del monitoreo dinámico del rotor.
• Validada por casos reales, la solución ofrece alta sensibilidad, velocidad y confiabilidad, cumpliendo con los requisitos de seguridad de generadores grandes y mega (500 MW y superior).