Funciones de Protección para Generadores de Potencia

¿Cuáles son las funciones de protección más comunes en los generadores de potencia?

Cada tipo de generador requiere esquemas de protecciones diferentes acorde al tipo de fuerza motriz, la magnitud de la potencia entregada, el nivel de tensión, el tipo de conexión de puesta a tierra, características de la armadura y del campo, así como las características del sistema de excitación, entre otros parámetros. Tomando en cuenta, además, que las características constructivas de los generadores dependen en gran medida de la tecnología de fabricación y, por lo tanto, del año de fabricación.

Es por esto que no es recomendable implementar una “guía típica” de esquemáticos de protección de generadores de potencia. Ya que, podrían quedar condiciones anormales sin monitorear que ocasionarían una falla peligrosa atentando contra la vida de los operadores y contra la infraestructura de la central eléctrica, produciendo pérdidas de millones de dólares difíciles de reparar.

Sin embargo, hay principios de funcionamiento que son básicos en los generadores de potencia, y hay ciertas condiciones de fallas que son comunes en la mayoría de los modelos de los generadores. Por lo que, vale la pena conocer en modo general cuáles son las condiciones de operación anormal que suelen enfrentar los generadores, y cuáles suelen ser las principales funciones de protección que nunca pueden faltar en un esquemático de protección.

Generadores de Potencia. Central Hidroeléctrica
Imagen Referencial: Central Hidroeléctrica.

Condiciones Anormales en los Generadores de Potencia

Los sistemas de protección de los generadores de potencia deben tomar en cuenta condiciones de fallas particulares que no ocurren en otros equipos de potencia como en las líneas de transmisión o en las barras colectoras. En términos generales, las funciones de protección que deberemos emplear en generadores deben operar ante los siguientes tipos de condiciones anormales:

  • Sobrecalentamiento en el rotor: debido a sobreexcitación y pérdida de enfriamiento.
  • Fallas en el devanado del estator: fallas de fase y de tierra.
  • Fallas en el devanado del rotor: fallas a tierra y vueltas en cortocircuito.
  • Exceso de velocidad o baja velocidad.
  • Energización inadvertida, conexión no sincronizada.
  • Operación de corriente desequilibrada.
  • Fuera de sincronismo, oscilaciones subsincrónicas.

Cortocircuitos en los Generadores

Hoy en día, la mayoría de los fabricantes de los generadores de potencia suelen incluir el sistema de protecciones bajo sus recomendaciones prácticas para garantizar la prolongación de la vida útil del equipo y mantener la reputación de la marca. Sin embargo, es importante que los operadores de la central de generación tengan conocimiento del comportamiento de cortocircuito del generador.

La magnitud de la corriente de falla del generador es una función de las características de la armadura y del campo, así como del tiempo y de las condiciones de carga que preceden inmediatamente a la falla.

A demás, la capacidad del generador para mantener una corriente de salida durante una falla está determinada por las características del sistema de excitación, cuyo detalle no es objetivo de explicación en este artículo particular.

Puesta a Tierra del Generador

Por lo general, los generadores de potencia se conectan a tierra a través de alguna forma de impedancia externa con el propósito de limitar las corrientes de falla de fase a tierra. Y, en consecuencia, limita las tensiones mecánicas, los daños en la máquina, los voltajes transitorios durante las fallas y proporciona un medio para detectar fallas a tierra dentro de la máquina.

Principales Funciones de Protección para Generadores de Potencia

A continuación, indicaremos cuáles son las funciones más comunes que no pueden faltar en los esquemas de protección de los generadores de potencia. Sin embargo, es importante que los ingenieros de planificación y diseño adapten estas recomendaciones prácticas a sus proyectos reales dependiendo de las características constructivas de sus generadores.

Esquema de Protección de Generadores de Potencia.
Imagen Referencial de un Esquema de Protección de Generadores de Potencia. Fuente: GE Grid Solution, Multilin G60 Generator Protection Relay

Protección de Generadores Pequeños

Las protecciones mínimas que suele tener un generador pequeño desde 500kVA hasta 1MVA, entre 480V y 600V, son las siguientes:

  • Función 32: Relé de potencia inversa para protección antimotoring.
  • Función 40: Relé VAR inverso para protección contra pérdida de campo.
  • Función 51G: Relé de sobrecorriente de tierra temporizado de respaldo.
  • Función 87: relé de protección diferencial que proporciona protección instantánea de sobrecorriente.

Puede haber excepciones dependiendo de la aplicación y de la simplicidad del sistema.

Protección de Generadores Medianos

Los generadores medianos son aquellos que llegan hasta 12.5MVA, independientemente del nivel de tensión, y suelen equiparse con las siguientes funciones de protección:

  • Función 32: Relé de potencia inversa para protección antimotoring.
  • Función 40: Relé VAR inverso para protección contra pérdida de campo.
  • Función 46: Relé de sobrecorriente de secuencia negativa para protección contra condiciones de desequilibrio.
  • Función 51G: Relé de sobrecorriente de tierra temporizado de respaldo.
  • Función 64F: Relé de tierra del campo del generador.
  • Función 87: relé de protección diferencial que proporciona protección instantánea de sobrecorriente.

Puede haber excepciones dependiendo de la aplicación y de la simplicidad del sistema.

Protección de Generadores Grandes

Los generadores grandes de hasta 50MVA suelen ser equipados con las siguientes funciones de protección:

  • Función 32: Relé de potencia inversa para protección antimotoring.
  • Función 40: Relé VAR inverso para protección contra pérdida de campo.
  • Función 46: Relé de sobrecorriente de secuencia negativa para protección contra condiciones de desequilibrio.
  • Función 51G: Relé de sobrecorriente de tierra temporizado de respaldo.
  • Función 60: Relé de equilibrio de voltaje.
  • Función 64F: Relé de tierra del campo del generador.
  • Función 87: relé de protección diferencial que proporciona protección instantánea de sobrecorriente.
  • Función 87G: Relé diferencial de tierra.

Puede haber excepciones dependiendo de la aplicación y de la simplicidad del sistema.

Filosofía de Protección en Generadores de Potencia

Una vez que un relé de protección haya detectado una falla y se haya identificado que la solución para despejar la falla es desconectar el generador, se deben hacer las siguientes operaciones básicas para iniciar el apagado:

  1. Disparar el interruptor del generador.
  2. Abrir la fuente de excitación, disparando el interruptor de campo.
  3. Retirar la fuente de energía del motor primario, cerrando la válvula de mariposa.
  4. Iniciar una alarma.

Sin embargo, estas operaciones deben ser realizadas de una manera que depende de las causas del disparo, del tipo de fuerza motriz (turbina hidráulica, turbina de vapor, turbina de gas, motor de Diesel o de gas, entre otros), de las consideraciones ambientales y de la seguridad de los operadores. Adicionalmente, depende del impacto de la pérdida repentina de potencia de salida en el sistema eléctrico.

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Lógica de Disparo de las Protecciones del Generador

Las lógicas de disparo de cada función de protección varían dependiendo de las preferencias del cliente, de las habilidades de la fuerza motriz y de su sistema de suministro. Sin embargo, hay cuatro métodos muy comunes para aislar el generador después de condiciones eléctricas anormales, y las definiremos a continuación.

1. Disparo Simultáneo

El método de disparo simultáneo se utiliza cuando se han detectado fallas internas en el generador y anomalías graves en su zona de protección. Este método consiste en que los relés de protección aíslen el generador disparando al mismo tiempo todos los interruptores del generador, el interruptor de campo, y apagando el motor primario cerrando las válvulas de la turbina. Al mismo tiempo, las cargas auxiliares se transfieren a una fuente de reserva.

2. Disparo del Generador

Este método de disparo se utiliza cuando ocurren perturbaciones en el sistema de energía, y no por fallas internas del generador. Este método consiste en que los relés de protecciones disparen los interruptores principales del generador y el interruptor de campo, sin interrumpir la fuerza motriz. Y, se usa cuando es posible corregir rápidamente la anomalía de la red eléctrica y, por lo tanto, volver a conectar la máquina al sistema en poco tiempo.

Es posible que este modo de disparo no sea posible con algunos tipos de fuerza motriz, reguladores y sistemas de calderos que no son capaces de responder rápidamente después de un rechazo de carga. En estos casos, es necesario interrumpir la fuerza motriz para todas las fallas y condiciones de operación anormales.

3. Disparo de Separación de Unidades

El modo de separación de unidades consiste en disparar solamente el interruptor principal del generador. Y, se utiliza cuando se desea mantener las cargas auxiliares de la unidad conectadas al generador. La ventaja de este modo es que el generador se puede volver a conectar al sistema con un retraso mínimo. Se aplican las mismas precauciones descritas para el modo de disparo del generador.

4. Disparo Secuencial

En el modo de disparo secuencial, las válvulas de la turbina se disparan primero. Luego, se inicia el disparo de los interruptores principales del generador y del interruptor de campo. Este modo se usa principalmente para turbinas de vapor cuando el disparo retrasado no tiene un efecto perjudicial en el generador.

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Referencias Bibliográficas

GE Grid Solutions, Generator Protection Relay: Multilin G60.

IEEE Std. 242-2001. Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems.

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