Proteccin de Generadores Seccin 1.1.3

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1.1.3. Proteccin de rotor.

1.1.3.1. Proteccin de cortocircuito de campo.

Los arrollamientos del rotor pueden daarse por fallas a tierra o circuitos abiertos. Las partes estructurales del rotor pueden afectarse por sobrecalentamiento debido a corrientes parsitas por desbalances en el circuito estatrico.

1.1.3.2. Proteccin de falla a tierra en el campo:

El circuito de campo de un generador es un sistema de C.D. (corriente continua) no puesto a tierra. Una sola falla a tierra generalmente no afectar la operacin de un generador ni producir efectos de dao inmediato. Sin embargo, la probabilidad de que una segunda falla a tierra ocurra es mayor despus de que la primera falla a tierra ha ocurrido. Cuando se tiene una segunda falla a tierra, una parte del devanado de campo estar cortocircuitada, produciendo por lo tanto flujos desbalanceados en el entrehierro de la mquina. Los flujos desbalanceados producen fuerzas magnticas desbalanceadas las cuales dan como resultado vibracin y dao de la mquina. Una tierra en el campo tambin produce calentamiento del hierro del rotor debido a las corrientes desbalanceadas, las que dan como resultado vibraciones dainas. Las prcticas de disparo para rels de tierra en el campo no estn bien establecidas. Algunas empresas disparan, mientras que otras prefieren dar alarma, arriesgando as tener una segunda falla a tierra y mayor dao.

Como se acaba de mencionar, una vez que la primera falla a tierra en el campo ha ocurrido, la probabilidad de que ocurra una segunda tierra es mucho mayor, puesto que la primera tierra establece una referencia de tierra para tensiones inducidas en el campo por transitorios en el estator. Estos transitorios incrementan el esfuerzo elctrico a tierra en otros puntos en el devanado de campo.

La deteccin de tierra para los devanados de campo y el excitador es usualmente suministrada como parte del equipo del fabricante del generador. Algunas investigaciones recientes de la proteccin de generadores indican que el 82% de todas las unidades generadoras emplean detectores de tierra en el campo. De estos detectores, nicamente el 30% dispara la unidad ante la ocurrencia de una tierra en el campo. La explicacin para el bajo porcentaje de disparo es en parte debida a las prcticas ms antiguas usadas por las empresas generadoras. Era una prctica comn aplicar un rel de tierra en el campo para producir alarma. Estos rels eran generalmente del tipo instantneo, el cual frecuentemente opera durante un arranque de la unidad debido a tierras intermitentes producidas por humedad, suciedad del cobre o durante transitorios en el sistema. La suciedad en el cobre es causada por depsitos en las barras del rotor mientras que la unidad estaba detenida, especialmente por un tiempo prolongado. Los operadores deban rutinariamente reponer la alarma y continuar con el procedimiento de arranque. Si ocurra una alarma persistente, los tcnicos intentaban localizar el problema. Si la tierra no poda ser encontrada en un perodo razonable, se supona que la unidad deba ser disparada manualmente. Sin embargo, las muchas alarmas molestas y las muy pocas legtimas, hicieron que los operadores de la unidad perdieran confianza en el rel de tierra en el campo, por lo que la alarma perdi credibilidad. Los operadores continuaron manteniendo la unidad en operacin considerando que una segunda tierra nunca ocurrira. Han ocurrido catastrficas fallas del rotor debidas a una segunda tierra en el campo, desarrollndose muy rpidamente despus de la primera tierra. En este ejemplo, los operadores no fueron capaces de aislar la causa de la primera alarma ni de sacar la unidad de operacin en forma ordenada antes de que la segunda tierra ocurriera.

Estas fallas de rotor han impulsado a algunos fabricantes de generadores

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grandes a desarrollar un rel de tierra en el campo ms seguro que tuviera un temporizador integrado. El mismo evitara la mala operacin del rel por tierras temporales causadas por transitorios en el sistema. Los rels fueron diseados de tal forma que la deteccin de una primera tierra legtima disparara automticamente el generador y removera la excitacin del campo antes de que una segunda tierra pudiera desarrollarse. Algunas empresas, debido a recomendaciones y garantas de fabricantes, han decidido cambiar de una poltica de alarma a una poltica de disparo con la introduccin de este rel.

Aunque el modo de disparo que usa el rel de tierra ms seguro en el campo disminuye grandemente el riesgo de una falla catastrfica del rotor, su uso incrementa la posibilidad de disparar en falso la unidad debido a suciedad en el cobre y otros fenmenos como ha sido experimentado por algunas empresas. Al ajustar el rel, debe aceptarse un compromiso entre la sensibilidad del pickup y la seguridad. La decisin para disparar o alarmar debe ser cuidadosamente analizada.

Mtodos de Proteccin:

Existen varios mtodos de uso comn para detectar tierras en el campo del rotor.

Fig. 1.1.3.2.1 Deteccin de tierra en el campo usando una fuente de C.D.

En el mtodo mostrado en la figura 1.1.3.2.1, una fuente de tensin de C.D. en serie con una bobina del rel de sobretensin es conectada entre el lado negativo del devanado de campo del generador y tierra. Una tierra en cualquier punto del campo causar que el rel opere. Se usa una escobilla para poner a tierra el ncleo del rotor puesto que la pelcula de aceite de los cojinetes puede insertar suficiente resistencia en el circuito, de forma que el rel podra no operar para una tierra en el campo. Un retardo de tiempo de 1.0 3.0 segundos es normalmente usado con este rel para evitar operaciones innecesarias por desbalances transitorios momentneos del circuito de campo con respecto a tierra. Estos desbalances momentneos podran ser causados por la operacin de sistemas de excitacin tipo tiristor de respuesta rpida.

Fig. 1.1.3.2.2 Deteccin de tierra en el campo usando un divisor de tensin.

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La figura 1.1.3.2.2 ilustra un segundo mtodo usado para detectar tierras en el circuito de campo. Es similar a los esquemas de deteccin de tierra usados para sensar tierras en las bateras de control de subestaciones. Este mtodo usa un divisor de tensin y un rel sensible de sobretensin entre el punto medio del divisor y tierra. Una tensin mxima es impuesta al rel por una tierra en el lado positivo o negativo del circuito de campo. Sin embargo, existe un punto ciego entre positivo y negativo en el que una falla a tierra no producir una tensin a travs del rel. Este rel de tierra del campo del generador est diseado para superar el problema usando un resistor no lineal (varistor) en serie con uno de los dos resistores lineales en el divisor de tensin. La resistencia del varistor vara con la tensin aplicada. El divisor es dimensionado de forma tal que el punto ciego del devanado de campo est en el punto medio del devanado cuando la tensin del excitador est a tensin nominal. Los cambios en la tensin del excitador movern el punto ciego del centro del devanado de campo.

En un sistema de excitacin sin escobillas, el monitoreo continuo para tierra en el campo, no es posible con rels convencionales puesto que las conexiones del campo del generador estn contenidas en el elemento rotatorio.

Fig. 1.1.3.2.3 Deteccin de tierra en el campo usando escobillas piloto.

La figura 1.1.3.2.3 ilustra la adicin de una escobilla piloto o escobillas para tener acceso a las partes rotatorias del campo. Normalmente esto no se hace puesto que la eliminacin de las escobillas es una de las ventajas de un sistema sin escobillas. Sin embargo, los sistemas de deteccin pueden ser usados para detectar tierras en el campo si se instala un anillo colector en el ncleo con una escobilla piloto que puede ser peridicamente aplicada para monitorear el sistema. El chequeo de tierra puede ser hecho automticamente por un temporizador secuenciador y su control, o por el operador. Las escobillas usadas en este esquema no son adecuadas para contacto continuo con los anillos colectores. La impedancia a tierra del circuito de campo es una pierna de un puente de Wheatstone conectado va la escobilla. Una falla a tierra reduce en el devanado de campo la capacitancia del rotor, CR, lo cual desbalancea el circuito del puente. Si se mide la tensin entre tierra y la escobilla, la cual est conectada en un lado del campo del generador, entonces existe una tierra. En las mquinas sin escobillas, las mediciones de resistencia pueden ser usadas para evaluar la integridad del devanado de campo.

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Fig. 1.1.3.2.4 Deteccin de tierra en el campo para mquinas sin escobillas.

La figura 1.1.3.2.4 ilustra un mtodo para monitoreo continuo de tierras en el campo de mquinas sin escobillas, sin usar escobillas piloto. El transmisor del rel es montado sobre el volante de diodos del campo del generador. Su fuente de potencia es el sistema excitador sin escobillas de C.A. Dos conductores son conectados al circuito puente de diodos del rectificador rotatorio para proporcionar esta energa. La deteccin de tierra se obtiene conectando una terminal del transmisor al bus negativo del rectificador de campo, y la terminal de tierra a la flecha del rotor. Estas conexiones ponen al rectificador de campo en serie con la tensin del rectificador en el transmisor. La corriente es determinada por la resistencia a tierra del campo y la ubicacin de la falla con respecto al bus positivo y negativo. El transmisor detecta el cambio en la resistencia entre el devanado de campo y el ncleo del rotor. Los LEDs del transmisor emiten luz en condiciones normales. El receptor es montado sobre la cubierta del excitador. Los detectores infrarrojos del receptor sensan la seal de luz del LED a travs del entrehierro. Con la deteccin de una falla, los LEDs se apagan. La prdida de luz del LED en el receptor actuar el rel de tierra e iniciar un disparo o alarma. El rel tiene un retardo de tiempo ajustable hasta de 10 segundos.

1.1.3.3. Proteccin de circuito abierto en el campo.

Esta perturbacin se trata exclusivamente en el apartado 1.1.4.

1.1.3.4. Proteccin de sobrecalentamiento en el campo.

Este tipo de perturbacin se contempla en la seccin 1.1.2.7, pero adems, independientemente de las causas del eventual sobrecalentamiento, se suelen implementar, segn lo justifique la importancia de la mquina, sistemas similares a los descriptos en la seccin 1.1.2.5 referidos, en ese caso, al estator.

Referencias Bibliogrficas:

2. ANSI-IEEE C37.102-1987,Guide for AC Generator Protection. 3. Tutorial IEEE de Proteccin de Generadores Sincrnicos.