Protección Térmica del Estator del Generador

¿Por qué es importante la protección térmica del estator de los generadores? ¿Cómo funciona?

Los generadores síncronos, ya sean de vapor, hidráulicos o de combustión, son equipos complejos que requieren un sistema de protección particular que depende del tamaño de la máquina, de la potencia entregada y del nivel de voltaje en los terminales del generador.

Sin embargo, hay contingencias que son comunes en todos los tipos de generadores síncronos, como el aumento excesivo de la temperatura en el estator. Esto es debido a que los generadores corren el riesgo de tener sobrecargas, fallas en los sistemas de refrigeración, puntos calientes causados por fallas en el aislamiento de la laminación del núcleo del estator, o por fallas localizadas en los devanados del estator.

Esquema de Protección de Generador
Esquema Referencial de Protección de Generador. Fuente: GE MULTILIN Relay Protection Guide.

Protección de Temperatura (ANSI 49)

La mayoría de los generadores se suministran con varios sensores de temperatura para monitorear continuamente los devanados del estator. De este modo, los sensores de temperatura se pueden conectar a un relé de protección numérico para generar alarma, iniciar acciones correctivas, o disparar la unidad si se exceden los límites de temperaturas actuales.

Hay dos tipos de sensores de temperatura que se pueden utilizar para la protección térmica del estator:

  • Detectores de Temperatura de Resistencia (RTD: Resistance Temperature Detectors), o también llamados Termoresistencias, se encargan de detectar la temperatura mediante el cambio en la resistencia del sensor.
  • Termocuplas (Thermocouples), que se encargan de detectar la temperatura mediante el cambio en el voltaje termoeléctrico inducido en la unión de la termocupla.
Sensores RTD - Proteccion Térmica de Estator de Generador
Sensores RTD – Protección Térmica de Estator de Generador

Para generadores con devanados de estator convencionales sin refrigeración, se integran los RTD en las barras superior e inferior para monitorear las temperaturas de los devanados.

Mientras que, para generadores con devanados de estator enfriados internamente, la temperatura de descarga del refrigerante del estator se utiliza junto con los RTD integrados para monitorear la temperatura del devanado.

Sin embargo, lo más recomendable es consultar al fabricante del generador para obtener recomendaciones específicas sobre el método preferido para monitorear estos sensores y los límites de temperatura para fines de alarma y disparo.

Protección de Sobrecorriente (ANSI 50/51)

En algunos casos, se puede proporcionar protección contra sobrecarga del generador mediante el uso de un relé de sobrecorriente controlado por par que esté coordinado con la curva de tiempo extremadamente inversa y con la operación instantánea para sobrecorrientes más elevadas.

Con este tipo de protección, se recomienda que genere una alarma de sobrecarga para darle al operador la oportunidad de reducir la carga de manera ordenada y evitar el disparo.

Sin embargo, la curva de disparo de este relé siempre se debe coordinar con la curva de daño del generador acorde con los datos del fabricante. De modo que el relé deje pasar cierta magnitud de corriente de sobrecarga sin disparar, pero que dispare efectivamente en un tiempo oportuno para evitar daños en el generador.

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Escenarios de Protección Térmica del Estator

A continuación, definiremos los tres tipos de contingencias que son las causas más comunes de sobrecalentamiento del estator de los generadores.

1. Sobrecarga del Generador

La capacidad de salida continua de un generador se expresa en kilovoltios-amperios (kVA) disponibles en sus terminales a una frecuencia, voltaje y factor de potencia específicos. Y, en general, pueden operar exitosamente a la potencia, frecuencia y factor de potencia nominales para una variación de voltaje del 5% por encima o por debajo del voltaje nominal.

En condiciones de emergencia, está permitido exceder la capacidad de producción continua durante un breve período de tiempo, dependiendo de la capacidad térmica que tenga el generador sin llegar al punto de daño.

Sin embargo, la capacidad térmica del generador es dada por el fabricante. Por esa razón, se recomienda que el fabricante participe en el equipamiento y en la coordinación de los sensores de protección térmica del generador, para garantizar que las protecciones disparen antes de llegar al punto de daño.

2. Fallas en el Sistema de Refrigeración

Dependiendo de la clasificación y el diseño, el núcleo y el devanado del estator pueden enfriarse con aire, aceite, hidrógeno o agua. Para cualquier tipo de generador, una falla en el sistema de enfriamiento puede resultar en un rápido deterioro del aislamiento de la laminación del núcleo del estator, de los conductores y del aislamiento del devanado del estator.

Usualmente, el fabricante del generador proporciona toda la protección necesaria para el sistema de refrigeración: sensores de temperatura (RTD y Termocuplas), sensores de flujo y sensores de presión del refrigerante. De modo que, todos estos sensores se conecten a una alarma, ya sea a través de un relé numérico, o a través del SCADA para reducir automáticamente la carga a niveles seguros o para disparar el interruptor del generador.

Generador Enfriado por Hidrógeno
Generador Enfriado por Hidrógeno. Fuente: GE Gas Power.

En este sentido, el usuario siempre debe consultar con el fabricante del generador para determinar los límites de temperatura, la protección proporcionada y los procedimientos operativos recomendados en caso de pérdida de refrigerante.

3. Puntos Calientes en el Núcleo del Estator

Los puntos calientes localizados en el núcleo del estator pueden producirse por fallas en el aislamiento de las laminaciones causadas por los siguientes factores:

  • Por mal funcionamiento: como la operación excesiva del factor de potencia principal o por sobreflujo.
  • Por vibración debido a holgura: desgasta el aislamiento y provoca fatiga de las laminaciones.
  • Por objetos extraños dejados en la máquina.
  • Por daños en el núcleo durante la instalación o mantenimiento.
  • Por objetos que normalmente forman parte de la máquina pero que se desprenden de su posición normal y se desplazan hacia el núcleo: una tuerca, una cuña, entre otros.

Sin embargo, los puntos calientes más comunes son el resultado de altas corrientes parásitas, producidas a partir del flujo del núcleo, que encuentran caminos conductores a través del aislamiento entre las laminaciones. En el peor escenario, el cortocircuito de las laminaciones puede provocar la fusión del acero del núcleo proporcionando daños costosos o irreparables.

Conclusión

Es imposible evitar por completo las fallas térmicas en los generadores, pero sí es posible contar con un sistema de monitoreo y alarmas para tomar acción y remediar las condiciones operativas que causan el sobrecalentamiento. Sin embargo, es responsabilidad del usuario coordinar las características de operación, de alarma y disparo del sistema de protección térmica de modo de garantizar la funcionalidad de cada componente y evitar el daño del generador.

→ Artículo Recomendado: ¿Qué es la Motorización de un Generador de Potencia?

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Fuentes

IEEE Std C37.102. Guide for AC Generator Protection. New York, USA.

GEN-H Hydrogen-cooled Gas Generator | GE Gas Power

Mitsubishi Power | RG-Y Series (mhi.com)

SGen-3000W | Generator 540-1,300 MVA | Siemens Global Website | Generators | Siemens Energy Global (siemens-energy.com)

¿Qué es un RTD? | Descripción de los sensores RTD | TE Connectivity

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