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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA MERIDA- VENEZUELA
ANÁLISIS DEL SISTEMA DE PROTECCIONES DEL GRUPO MOTOR-GENERADOR DE 2MVA DE LA EMPRESA SERVIMAR. Trabajo presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electricista
Br. Nelson Enrique Altuve Guillen Tutor Académico: Ing. Pedro O. Mora Tutor Industrial: Ing. Henry Romero
Agosto 2004 i
ANÁLISIS DEL SISTEMA DE PROTECCIONES DEL GRUPO MOTOR-GENERADOR DE 2MVA DE LA EMPRESA SERVIMAR.
Br. NELSON ENRIQUE ALTUVE GUILLEN
El Trabajo de Grado titulado “Análisis del sistema de Protecciones del Grupo Motor-Generador de 2MVA de la Empresa Servimar”, presentado por Nelson Enrique Altuve Guillen, en cumplimiento parcial de los requisitos para optar al Título de Ingeniero Electricista, fue aprobado por el siguiente jurado.
______________________
____________________
Prof. Ricardo Stephens C.I.
Prof. José G. Contreras C.I.
______________________ Tutor Prof. Pedro O. Mora
i
AGRADECIMIENTOS
Al Ingeniero Henry Romero, por confiar en mi y brindarme toda su ayuda, orientación, paciencia y estimulo, en la realización de este proyecto.
A los Profesores Pedro Mora, Ricardo Stephens e Hildemaro Briceño, por su valiosa colaboración y gran aporte al desarrollo de este trabajo.
A la Ilustre Universidad de Los Andes, por haberme brindado la oportunidad de adquirir nuevos conocimientos y permitirme obtener un Titulo Profesional.
A todas aquellas personas que directa o indirectamente hicieron posible la realización de este proyecto.
Gracias a Todos.
iii
INDICE GENERAL
Página APROBACION………………………………………...............
ii
AGRADECIMIENTO………………………………………….
iii
INDICE DE TABLAS………………………………………….
ix
INDICE DE FIGURAS…………………………………………
xi
RESUMEN DEL TRABAJO…………………………………...
xv
INTRODUCCION……………………………………………...
1
CAPITULO I ASPECTOS PRELIMINARES………………………………
3
1.1. DESCRIPCION GENERAL DE LA EMPRESA………………
3
1.1.1. Estructura Organizacional de SERVIMAR C.A………………..
5
1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA………………………
6
1.3.
OBJETIVO GENERAL………………………………………...
6
1.4.
OBJETIVOS ESPECIFICOS…………………………………...
7
1.5. JUSTIFICACION………………………………………………
7
CAPITULO II
2.1.
MARCO TEORICO……………………………......................
9
CRITERIOS GENERALES DE PROTECCIÓN DE LOS
9
iv
SISTEMAS ELÉCTRICOS…………………………………………... 2.1.1 Estudio de Cortocircuito………………………………………..
11
2.1.2 Obtención de los Valores de impedancias de las componentes del Sistema…………………………………………………………….
12
2.2.
SISTEMAS DE PUESTAS A TIERRA………………………..
16
2.2.1. Puesta a Tierra del Neutro……………………………………...
18
2.3. DISPOSITIVOS PARA LA PROTECCIÓN DE SISTEMAS………………………………………………………….
20
2.3.1. Dispositivos de Protección contra Sobrecorrientes…………….
20
2.4. TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTO……………….
21
2.4.1. Transformadores de Corriente………………………………….
22
2.4.1.1. Transformador de Corriente para Mediciones………………..
25
2.4.1.2. Transformador de Corriente para Protecciones……………….
27
2.4.2. Transformadores de Potencial………………………………….
29
2.4.2.1. Transformadores de Voltaje para Protecciones……………….
32
2.5. RELEVADORES DE PROTECCIÓN………………………….
33
2.5.1. Relevador Electromecánico…………………………………….
34
2.5.1.1. Relevador de atracción electromagnética…………………….
35
CAPITULO III ANÁLISIS DE LA SITUACION ACTUAL…………………
39
3.1. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA…………………………………
39
3.1.1. Especificaciones Técnicas del Sistema…………………………
41
3.2. CENTRO DE CONTROL DE MOTORES (FIAB)……………...
43
v
3.2.1. Protecciones Existentes en el FIAB…………………………….
45
3.3. CENTRO DE CONTROL DE GENERADORES (AROS)……...
49
3.3.1. Protecciones Existentes en el AROS…………………………...
50
3.4. CENTRO DE CONTROL REMOTO (PLC)…………………….
51
3.4.1. Protecciones Existentes en el Centro de Control Remoto………
52
3.4.2. Relés de Control del Sistema…………………………………
55
3.5. DIAGRAMA UNIFILAR DEL SISTEMA………………………
60
3.6. ENSAYOS REALIZADOS POR EL CONVERTIDOR DE FRECUENCIA………………………………………………………...
61
CAPITULO IV PROPUESTAS DE DISEÑO…………………………………
67
4.1. PREPARACION DEL SISTEMA PARA EL ESTUDIO DE CORTOCIRCUITO Y ANALISIS DE PROTECCIONES…………..
67
4.2. PROPUESTAS DE PROTECCIÓN PARA LOS GENERADORES……………………………………………………...
69
4.2.1. Selección de Puesta a Tierra de los Generadores……………….
71
4.2.2. Protección contra Falla a Tierra en el 95% del Estator a través de un Transformador Monofasico de Distribución……………………
72
4.2.2.1. Sobretensiones por Fallas Intermitentes en un Generador……
76
4.2.2.2. Calculo del Modelo de Protección del 95% del Estator del Generador de 2 MVA de la Empresa SERVIMAR……………………
79
4.2.2.3. Calculo del Modelo de Protección del 95% del Estator del Generador de 1,3 MVA de la Empresa SERVIMAR…………………. 4.2.3. Protección contra Falla a Tierra en el 95% del Estator a través de un Transformador Trifásico de Distribución………………………. 4.2.4. Protección contra Falla a Tierra en el 95% del Estator a través de la conexión de una baja resistencia en el neutro……………………
vi
83 87 89
4.2.5. Protección Diferencial restringida a falla a tierra para Generadores que Disponen de 4 Terminales…………………………..
92
4.2.6.Protección de Generadores Mediante la Conexión a Tierra de una Reactancia…………………………………………………………
94
4.2.7. Protección de Generadores Mediante Puesta a Tierra de Baja Impedancia a través de un Transformador Tipo Zig-Zag……………..
96
4.3.PROPUESTA DE PROTECCIÓN DE FALTA DE AISLAMIENTO DE LOS GENERADORES………………………...
101
4.4. REVISIÓN DE LAS PROTECCIONES EXISTENTES EN EL SISTEMA……………………………………………………………..
103
4.4.1. Conexiones Realizadas en las Protecciones Existentes………...
112
4.4.2. Ensayos Realizados para el Ajuste de las Protecciones Existentes……………………………………………………………
116
CAPITULO V PLANES DE APLICACIÓN DE LA PROPUESTA………..
121
5.1. FACTIBILIDAD ECONÓMICA DE LAS PROTECCIONES DEL GENERADOR………………………………………………….
121
5.2. IMPLEMENTACIÓN DEL DISPOSITIVO GEN-GUARD™ (PROTECCION BAJO AISLAMIENTO EN GENERADOR)……….
126
5.2.1. GEN-GUARD™ Modelo GP500G1…………………………..
127
5.3. APLICACION DE UN CONVERTIDOR DE FRECUENCIA ESTATICO……………………………………………………………
130
5.3.1. Especificaciones y Características del Convertidor Estático…...
133
5.3.2. Variador de frecuencia Danfoss tipo VLT®-5500 VVC Plus……
135
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……………………….
141
vii
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS………………………………...
145
ANEXOS………………………………………………………………
147
viii
INDICE DE TABLAS
Página 2.1. Datos de Reactancia de Maquina Síncronas……………………..
14
2.2. Datos para transformadores de subestaciones Integrales y Unitarias……………………………………………………………….
15
2.3. Limites de error de los Transformadores de Corriente para Mediciones…………………………………………………………….
26
2.4. Limite de error de los Transformadores de Corriente para Mediciones……………………………………….
26
2.5. Limites de error de los Transformadores de Corriente para Protecciones…………………………………………………………..
28
2.6. Limite de error de transformadores de Voltaje…………………..
32
2.7. Limites de error para Transformadores de Voltaje para protecciones……………………………………………………………
33
3.1. Relés de protección del centro de control remoto……………….
54
3.2. Niveles de tensión a aplicar par los ensayo s de potencial aplicado………………………………………………………………..
64
3.3
Duración del ensayo dependiendo de la frecuencia de prueba….
65
4.1. Concepto de protección y de vigilancia para pequeñas centrales.
70
4.2. Situación del Relé R1……………………………………………..
104
4.3. Situación del Relé R2……………………………………………..
105
4.4. Situación del Relé R3, R4 y R5…………………………………..
106
ix
4.5. Situación del Relé R6, R7 y R8…………………………………..
107
4.6. Situación del Relé R9……………………………………………..
108
4.7. Situación del Relé R10, R11 y R12………………………………
109
4.8. Situación del Relé R13……………………………………………
110
4.9. Situación del Relé R14……………………………………………
111
4.10. Modificaciones de R6, R7 y R8………………………………...
112
4.11. Modificaciones de R9…………………………………………...
113
4.12. Modificaciones de R10, R11 y R12…………………………….
114
4.13. Modificaciones de R13…………………………………………
115
4.14. Modificaciones de R14…………………………………………
116
4.15. Datos del ensayo del relé de Sobrecorriente…………………….
117
4.16. Datos del ensayo del relé de Sobrevoltaje……………………….
120
5.1. Análisis económico comparativo entre las propuestas estudiadas..
125
5.2. Especificaciones Probador automático GP500G1………………..
130
x
INDICE DE FIGURAS
Página 2.1. Forma de oscilograma para una corriente de cortocircuito simétrica……………………………………………………………….
14
2.2. Circuito equivalente simplificado de un transformador de corriente………………………………………………………………..
23
2.3. Diagrama fasorial de un transformador de corriente…………..
24
2.4. Circuito equivalente simplificado de un transformador de voltaje.
29
2.5. Diagrama fasorial simplificado de un transformador de voltaje…
30
2.6. Curva de operación de un relé de atracción………………………
37
3.1. Diagrama General del Convertidor de Frecuencia………………..
40
3.2. Grupo Motor-Generador #2 de la empresa SERVIMAR………...
42
3.3. Convertidor de seis pulsos de conmutación no instantánea……...
43
3.4. Panel de Control de Motores (FIAB)…………………………….
44
3.5. Fusibles de protección del rectificador…………………………..
47
3.6. Convertidor de seis pulsos semicontrolado……………………….
49
3.7. Panel para el Control de los Generadores (AROS)………………
50
3.8. Tablero de Control Remoto de los grupos Motor-generador de la empresa SERVIMAR………………………………………………….
52
3.9. Relés de Protección del Sistema………………………………….
55
xi
3.10. Diagrama funcional de los Relés de Control ……………………
59
3.11. Ensayo en vació de un transformador…………………………...
62
3.12. Ensayo en cortocircuito de un transformador…………………...
63
3.13. Esquema de montaje para la prueba de potencial aplicado……...
64
4.1. Diagrama unifilar para el estudio de cortocircuito………………..
68
4.2. Generador con puesta a tierra de alta impedancia………………...
73
4.3. Protección de respaldo de un generador contra fallas a tierra…….
74
4.4. Determinación de la resistencia del neutro en función de la capacitancia por fase…………………………………………………..
75
4.5. Voltaje y corriente de la fase A cuando ocurre un fallo en ella…..
76
4.6. Interconexión de las redes de secuencia………………………….
76
4.7. Circuito equivalente de un generador con neutro conectado a tierra a través de una resistencia, durante una falla a tierra…………...
78
4.8. Capacitancia total a tierra del sistema…………………………….
79
4.9. Red de Secuencia Cero……………………………………………
81
4.10. Distribución de la corriente de Falla…………………………….
82
4.11 Distribución de la corriente de Falla……………………………..
84
4.12. Protección de un generador a través de un transformador trifásico………………………………………………………………..
88
4.13. Protección de un generador mediante una baja resistencia……..
90
4.14. Protección diferencial de un generador, restringida a fallas a tierra…………………………………………………………………...
92
4.15. Puesta a tierra de baja impedancia mediante la conexión de un reactor en el neutro del sistema………………………………………..
94
4.16. Red de secuencia cero equivalente………………………………
95
xii
4.17. Diagrama de conexiones de un transformador de puesta a tierra (zig-zag)……………………………………………………………….
97
4.18. Conexión del neutro a tierra mediante transformador zig-zag…..
98
4.19. Red de secuencia cero equivalente (Transformador zig-zag)…...
98
4.20. Impedancia adicional al Transformador zig-zag………………..
99
4.21. Red de secuencia cero equivalente (zig-zag con impedancia adicional)………………………………………………………………
100
4.22. Diagrama de conexión del relé de protección R1……………….
104
4.23. Diagrama de conexión del relé de protección R2……………….
105
4.24. Diagrama de conexión de los relés de protección R3, R4 y R5…
106
4.25. Diagrama de conexión de los relés de protección R6, R7 y R8…
107
4.26. Diagrama de conexión del relé de protección R9……………….
108
4.27. Diagrama de conexión de los relés de protección R10, R11 y R12…………………………………………………………………….
109
4.28. Diagrama de conexión del relé de protección R13……………...
110
4.29. Diagrama de conexión del relé de protección R14……………...
111
4.30. Conexión del TC3b (HKK)……………………………………..
114
4.31. Conexión del TC2b Salida Generador 2………………………...
115
4.32. Multi-Amp SR51A………………………………………………
116
4.33. Grafica relés de Sobrecorriente Marca ASEA tipo RXIG-21…..
119
5.1. Probador de resistencia de aislamiento automático GEN-GUARD™………………………………………………………
128
5.2. Interruptor de Tierra Meg-alert™………………………………...
129
5.3 Dimensiones del probador GP500G1……………………………..
129
xiii
5.4. Representación funcional simplificada de un Convertidor de Frecuencia Estático. …………………………………………………..
132
5.5. Esquema del Convertidor de Frecuencia Estático VLT 5500…….
139
xiv
RESUMEN ANÁLISIS DEL SISTEMA DE PROTECCIONES DEL GRUPO MOTOR-GENERADOR DE 2MVA DE LA EMPRESA SERVIMAR. Br. Nelson Enrique Altuve Guillen Tutor: Prof. Pedro Omar Mora El objetivo principal del análisis de sistemas de protecciones en industrias se basa en proporcionar la información necesaria para lograr: seguridad, confiabilidad, energía uniforme, continuidad del servicio, fácil operación, mejor mantenimiento y ahorro de energía. Al diseñarse y construirse un sistema de distribución de energía eléctrica industrial, posiblemente se calcularon y coordinaron correctamente sus dispositivos de protección, pero no hay seguridad de que aun conserven esa coordinación. A menudo las modificaciones y ampliaciones cambian las necesidades de protección. Los cambios en la potencia de entrada, en la carga de la planta y en los dispositivos de protección puede ser un indicativo de que ya no se cuenta con la protección que una vez se tuvo. El presente proyecto contempla el análisis del sistema de protecciones del laboratorio de alta tensión de la empresa SERVIMAR, ubicada en la costa oriental del lago de Maracaibo. Inicialmente se hizo un pequeño estudio del sistema actual y se verificó el estado de sus protecciones. El análisis se basó en el diseño de protecciones de puesta a tierra de los generadores teniendo en cuenta la conexión de neutro a tierra de los mismos. Además se realizó una revisión de las protecciones existentes (sobrecorriente, sobrevoltaje, sobretemperatura y sobre velocidad). Se actualizaron los planos del sistema de control y se propuso la implementación de un nuevo equipo (Convertidor de Frecuencia estático), que viene a sustituir al grupo motor-generador.
Descriptores: Sistemas de energía eléctrica – Protección Energía eléctrica – Distribución
Cota: * TK1005 A58
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Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
INTRODUCCION Los generadores son los equipos más costosos de un sistema de potencia y a su vez los que pueden sufrir los más variados tipos de fallas y anomalías; por esta razón, requieren de un gran número de protecciones para detectar todas estas situaciones potencialmente peligrosas. Los relevadores y fusibles son dispositivos que protegen adecuadamente y aislan averías. Se seleccionan e instalan para operar con valores correctos de corriente y por medio de una coordinación adecuada entre si. Es necesario un estudio de sistemas para determinar estos valores y las necesidades de coordinación. Desafortunadamente, a veces la administración de la planta se percata de que el sistema de protecciones necesita que se le revise, actualice o de mantenimiento solo cuando ocurre un accidente, incendio o una interrupción grave de energía. Un sistema debidamente protegido incluye todos los dispositivos de protección que van desde los disyuntores principales o fusibles en la subestación de entrada de la planta hasta los diferentes disyuntores, fusibles y relevadores del sistema de distribución de tensión media y baja en toda la planta. Al diseñarse y construirse un sistema de distribución de energía eléctrica en plantas industriales, posiblemente se calcularon y coordinaron correctamente sus dispositivos protectores, pero no hay seguridad de que aun conserven esa coordinación. A menudo las modificaciones y ampliaciones cambian las necesidades 1
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
de protección. Algunos de los dispositivos protectores pueden ser incapaces de aislar los corto circuitos probables en el sistema que se ha ampliado. Los cambios en la potencia de entrada, en la carga de la planta y en los dispositivos protectores puede ser una indicación de que ya no se cuenta con la protección que una vez se tuvo. Además en un sistema que se ha ampliado puede haber protección hipersensible o sobreprotección, por estos motivos, muchas plantas trabajan tomando en cuenta conceptos equivocados si no es que hasta peligrosos. Las revisiones periódicas de los ajustes de los dispositivos protectores son tan importantes como el mantenimiento periódico del sistema de distribución para evitar interrupciones de energía. Estas revisiones periódicas son particularmente importantes en las plantas industriales que dependen cada vez más de un suministro continuo de energía eléctrica. En la mayoría de los procesos industriales, aun una pérdida momentánea de energía ocasiona considerables pérdidas de materiales y producción. Solo mediante un análisis de coordinación del sistema y el estudio y aplicación apropiado del mismo pueden establecerse los ajustes de los relevadores, interruptores y fusibles para proporcionar la protección máxime al equipo así como operar selectivamente en condiciones de falla. El objetivo de este trabajo es realizar un análisis a los sistemas de protecciones del laboratorio de alta tensión de la empresa SERVIMAR, y determinar a ciencia cierta que tan eficiente es el mismo, y si cumple con las condiciones mínimas de funcionamiento.
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Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
CAPITULO I ASPECTOS PRELIMINARES
1.1. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA EMPRESA SERVIMAR C.A, tiene sus comienzos el 31 de Marzo de 1978, dirigida por sus accionistas Mario B. Tomasi Ceben y Maria Toigo A. De Tomasi. En ese mismo año, una pequeña empresa, comienza a proporcionar soluciones alternativas al suministro de servicio eléctrico a empresas locales como ENELVEN, CADAFE y al departamento eléctrico de la entonces SHELL, aquella formaba parte de un grupo de empresas alrededor de electro transformadores TECA y la cual se conoció como RETICA, siendo en aquel entonces uno de sus accionistas el Sr. Domenico Volante. Ambas empresas se desarrollaron paralelamente, SERVIMAR dedicada cien por ciento a las actividades de mantenimiento petrolero y RETICA netamente al sector eléctrico. Para el año de 1986 RETICA, se fusiona con la transnacional ASEA BROWN BOVERI, quien eleva la capacidad de las operaciones para formar un taller de excelencia en servicios eléctricos dirigidos a transformadores de potencia hasta 100 MVA y 13,8 KV. Para el año de 1990, se realiza la venta de la compañía SERVIMAR al Sr. Domenico Palmerino Volante Palombo y para febrero de 1999, la dirección de las
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Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
actividades del taller, es tomada por él, ya que adquiere de ABB la totalidad de las instalaciones de la anterior RETICA y comienza un nuevo periodo con el incremento de las operaciones y la administración, desde una misma plataforma, donde Servicios Mario, C.A, ahora se encuentra desarrollando nuevas y antiguas actividades ( mantenimiento, servicios y construcción), desde sus instalaciones en la carretera “N” parque industrial, galpones 5 y 6, Ciudad Ojeda, Estado Zulia. Teniendo un nuevo enfoque que da pie a incorporar nuevas actividades, equipos y recursos como son los servicios de campo, suministro de personal y alquiler de equipo especializado. SERVIMAR representa al espíritu de una empresa pujante, abierta a sus clientes y dedicada a las prestaciones de toda clase de servicios generales, construcción de obras civiles y eléctricas. Todos nuestros trabajos, a lo largo de estos 26 años, han sido evaluados, calculados y desarrollados por personal Venezolano, formando especialistas con muchos años de experiencia y entrenamiento, desarrollando un conocimiento tecnológico propio, que ha trascendido hacia nuestros clientes y nuestra competencia, otorgándonos un nombre y prestigio a la hora de hablar de servicios eléctricos. Todos estos trabajos realizados con contratos terminados en los últimos cinco años en empresas tales como: ENELBAR, ENELVEN, ENELCO, CADELA, EDELCA, ALCASA, PDVSA, ELECENTRO, ELEOCCIDENTE.
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Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
1.1.1. ESTRUCTURA ORGANIZACIONAL DE SERVIMAR, C.A.
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Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
1.2.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Los transformadores eléctricos se someten a ensayos en los laboratorios de
pruebas con el fin de comprobar la capacidad para soportar los esfuerzos a que se verán sometidos una vez puestos en servicio, y también para verificar la correspondencia de las características del transformador con respecto a los datos de diseño. Estas pruebas se rigen a través de la norma COVENIN 536-85. La empresa SERVIMAR ubicada en la Costa Oriental del Lago realiza pruebas a transformadores eléctricos de hasta 100 MVA en 13.8 KV mediante un laboratorio de alta tensión constituido por dos grupos Motor-generador de 2 MVA y 1.7 MVA respectivamente. El grupo de 2 MVA sufrió daños debido a la falta de protecciones en el sistema o ineficacia de las protecciones existentes, esto obliga a efectuar una reconstrucción total del motor y el generador. En este sentido el propósito principal del presente proyecto de grado se basa en la actualización del sistema de protecciones de los grupos Motor-Generador que evite que fallas similares vuelvan a ocurrir y detectar la falla que ocasiono el daño al sistema. 1.3.
OBJETIVO GENERAL Analizar los planos de control para determinar la correcta operación del sistema
y a su vez diseñar nuevos esquemas de protecciones para aislamiento y temperatura de los grupos Motor-Generador de la empresa SERVIMAR.
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Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
1.4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ¾ Actualizar los planos de control del grupo. ¾ Diseñar un nuevo sistema de protección que mida resistencia de aislamiento e impida que se energice el grupo si el aislamiento es bajo. ¾ Diseñar un sistema de detección de sobre temperatura en los devanados. ¾ Diseñar un sistema de detección de sobre temperatura en los cojinetes. ¾ Revisión del sistema de protección diferencial, de sobre tensión, de sobre corriente y de fallas a tierra del grupo. 1.5. JUSTIFICACIÓN Las maquinas eléctricas suponen uno de los accionamientos más importantes en la industria. En muchos casos, la causa de una parada de un proceso industrial es un simple motor. Producciones de muy alto costo y máquinas de gran valor quedan totalmente paralizadas suponiendo un gran gasto, incluso más elevado que el costo del rebobinado del motor. La experiencia nos demuestra que la protección de motores y generadores continúa siendo un problema, dado el alto número de averías que se producen a diario. En más del 60 % de los casos los fallos se deben a causas que producen un excesivo calor en los bobinados que pueden ser detectadas y prevenidas midiendo y analizando las intensidades absorbidas por la maquina o vigilando el límite de temperatura de sus bobinados, un exceso de temperatura de 10º C supone una reducción de la vida útil de la maquina a la mitad.
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Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
La protección de los sistemas eléctricos, es uno de los aspectos esenciales que deben ser considerados en el diseño y operación de las instalaciones eléctricas industriales, de esta forma la empresa obtendrá un sistema de protección que permitirá detectar y aislar rápidamente la parte afectada del sistema, ya sea que ocurra en cortocircuito, o bien, en otra condición anormal que pueda producir daño a la parte afectada o a la carga que alimenta el grupo.
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Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
CAPITULO II MARCO TEÓRICO
2.1. CRITERIOS GENERALES DE PROTECCIÓN DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS Las condiciones de operación anormales contra las que se deben proteger los sistemas eléctricos son el cortocircuito y las sobrecargas. El Cortocircuito se puede definir como una corriente que se encuentra fuera de sus rangos normales. Algunos cortocircuitos no son mayores que las corrientes de carga, mientras que otros pueden ser muchas veces más los valores de la corriente normal. Un cortocircuito se puede originar de distintas maneras, por ejemplo, la vibración del equipo puede producir en algunas partes perdidas de aislamiento, de manera que los conductores queden expuestos a contacto entre si o a tierra. Otro caso puede ser el de los aisladores que pueden estar excesivamente sucios por efecto de la contaminación, y en presencia de lluvia o llovizna ligera, puede producir el flameo del conductor a la estructura (tierra), cualquiera que sea la causa; los cortocircuitos son por lo general el resultado de una ruptura dieléctrica del aislamiento, esta ruptura se puede presentar ya sea que el aislamiento sea hule, madera, cinta de lino barnizada, o bien, una distancia en aire. Las Sobrecargas se definen como corrientes que son mayores que el flujo de corriente normal, están confinadas a la trayectoria normal de circulación de corriente 9
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
y pueden causar sobrecalentamiento del conductor si se permite que continuara circulando. En general, una sobrecorriente que no excede de cinco a seis veces la corriente normal, cae dentro de la clasificación de una sobrecarga, aun cuando pudiera ser un cortocircuito y ser visto por el dispositivo de protección como una sobrecarga. La coordinación, es la selección o ajuste, o ambas cosas, de los dispositivos de protección, para aislar la parte afectada del sistema cuando ocurre alguna anormalidad. Este aspecto se debe considerar en cualquier sistema eléctrico bien diseñado. Es importante que a partir del servicio, o bien, de las características de las cargas por alimentar, la información requerida en principio sea la siguiente:
El plano de la planta, mostrando las obras adyacentes.
El punto de entrega o suministro de energía eléctrica por la compañía suministradora.
Naturaleza de la carga conectada y voltajes de utilización.
Valor del cortocircuito en el punto de suministro.
Forma de conexión a tierra de los neutros.
Diagrama unifilar que contenga la siguiente información: •
Fuentes de alimentación
•
Tamaño, tipo, ampacidad y número de todos los conductores.
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Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
•
Capacidad, voltajes, impedancias, conexión de devanados y conexión a tierra de los mismos.
•
Identificación y cantidad de dispositivos de protección.
•
Transformadores de instrumentos.
Toda esta información, debe permitir realizar los siguientes estudios: ½ Cortocircuito. Calculo de la corriente y/o potencia del cortocircuito en todas las barras del sistema y las contribuciones en los elementos. ½ Protección. Diseñar los sistemas de protección requeridos, que deben ser considerados como una parte integral de diseño total del sistema.
2.1.1. Estudio de Cortocircuito El calculo de las corrientes de cortocircuito, es esencial para le selección de la capacidad adecuada del equipo de protección y los dispositivos de interrupción. En los estudios de protección, también es básico para la coordinación de protecciones. Los procedimientos de cálculo de cortocircuito son generales, ya que por un lado el fenómeno es el mismo y, por el otro, la metodología no difiere en forma importante entre un sistema eléctrico de potencia clásico y un sistema de potencia de tipo industrial. Los sistemas eléctricos de potencia en plantas industriales, se diseñan para alimentar las cargas en una forma segura y confiable. Uno de los aspectos a los que se le pone mayor atención en el diseño de los sistemas de potencia, es el control adecuado de los cortocircuitos o de las fallas, como se le conoce comúnmente, ya que
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Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
estas pueden producir interrupciones de servicio con la consecuente perdida de tiempo, la interrupción de facilidades importantes o servicios vitales y, desde luego, el riesgo de daño a personas, equipos e instalaciones. El máximo valor de la corriente de cortocircuito esta directamente relacionado al tamaño y capacidad de la fuente de potencia, y es independiente de la corriente de carga del circuito protegido por el dispositivo de protección. Entre mayor es la capacidad de cortocircuito de la fuente de potencia, mayor es la corriente de cortocircuito. Cuando se hace un estudio para determinar la magnitud de las corrientes de cortocircuito, es muy importante que se consideren todas las fuentes de cortocircuito y que las características de las impedancias de estas fuentes sean conocidas.
2.1.2. Obtención de los Valores de impedancias de las componentes del Sistema Para los estudios de cortocircuito, en la elaboración de diagramas de impedancias es necesario representar los valores de las impedancias o reactancias de los elementos del sistema; algunos de estos valores se obtienen directamente de datos de placas de cada componente, y otros se obtienen a través de algunos cálculos y consideraciones. En esta parte, se hará referencia a estos criterios.
Transformadores. La reactancia o impedancia de los transformadores se
expresa comúnmente en porciento (%Zr) referida a la potencia nominal del transformador en KVA. Este valor de impedancia, usualmente se expresa a la capacidad del transformador (en KVA) a la capacidad de autoenfriamiento.
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Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
Maquina Rotatorias. La impedancia de una maquina rotatoria, consiste en
principio de una reactancia que no es un valor simple, como es el caso de la impedancia de los transformadores, ya que para las maquinas, es un valor complejo y variable con el tiempo. Si se aplica un cortocircuito trifásico a los terminales del generador, se observa, cuando se toma un oscilograma, que se inicia con un valor alto y decae a un valor de estado estacionario, después de algún tiempo que se ha iniciado el cortocircuito. Con el propósito de simplificar, se consideran tres valores de reactancias para generadores y motores en el cálculo de cortocircuito en tiempo específico. Estos valores se conocen como: a. Reactancia subtransitoria (X”d): Es la reactancia aparente del devanado del estator en el instante en que ocurre el cortocircuito y determina el valor de la corriente que circula durante los primeros pocos ciclos después de la falla. b. Reactancia Transitoria (X´d): Esta reactancia determina la corriente que sigue al periodo cuando la reactancia subtransitoria decae. La reactancia transitoria es efectiva después de uno y medio ciclos, esto, dependiendo del diseño de la maquina. c. Reactancia Sincrónica: Es la que determina la corriente que circula cuando se llega a la condición de estado permanente. No es efectiva hasta después de varios segundos de que ocurre el cortocircuito.
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En la figura 2.1. se puede observa como varia la reactancia en función del tiempo
Figura 2.1. Forma de oscilograma para una corriente de cortocircuito simétrica.
En las siguientes tablas se ilustran los valores de reactancias típicos para maquinas sincrónicas (tabla 2.1) y transformadores de subestaciones (tabla 2.2).
Tabla 2.1 Datos de Reactancia de Maquina Síncronas X”d
X´d
Rango
Medio
Rango
Medio
2 Polos 625-9375 KVA
6-13
9
No se usa en los
2 Polos 12500 KVA o mayores
8-12
10
cálculos de
4 Polos 12500 KVA o mayores
10-17
14
cortocircuito
A) GENERADORES. 1. Tuborgeneradores de rotor liso.
14
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X´´d Rango
X´d Medio
Rango
Medio
2. Generador de polos salientes (sin devanado de amortiguamiento) 12 Polos o menos
15-35
25
No se usa en
14 Polos o mas
25-45
35
cortocircuito
3. Generador de polos salientes (con devanado de amortiguamiento) 12 Polos o menos
10-25
18
No se usa en
14 polos o mas
18-40
24
cortocircuito
9-38
24
4 Polos
7-16
10
10-22
15
8-14 Polos
11-22
15
17-36
24
B) Condensadores Síncronos C) Motores Síncronos
Tabla 2.2. Datos para transformadores de subestaciones Integrales y Unitarias. TIPO SECO KVA
440 V
EN ACEITE
2400 - 4800 V
6,9 – 15 KV %Z
X/R
%Z
X/R
%Z
X/R
75
3
0.83
6.2
2.15
112.5
4.6
1.63
4.5
1.77
6.1
1.93
150
5.5
2.08
4.2
1.95
5.3
2.33
15
2400 – 1500 V %Z
X/R
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TIPO SECO KVA
440 V
2400 – 4800 V
EN ACEITE 6,9 – 15 KV
2400 – 1500 V
%Z
X/R
%Z
X/R
%Z
X/R
%Z
X/R
225
5.9
4.58
4.6
1.75
6.1
2.4
2.0
2.5
300
4.9
2.5
5.2
3.57
6.0
3.22
4.5
3.0
500
4.1
3.69
5.3
4.33
6.4
4.43
4.5
3.5
2400 – 15000 V %Z
X/R
750
5.2
2.88
5.75
5.0
5.75
4.0
1000
4.7
3.46
5.75
3.7
5.75
4.75
1500
5.75
6.5
5.75
5.5
2000
5.75
7.2
5.75
9.0
2500
5.75
7.5
5.79
6.0
2.2. SISTEMAS DE PUESTAS A TIERRA En los sistemas eléctricos, por distintas causas se presentan sobretensiones, que pueden producir colapsos del aislamiento y en consecuencia daños y/o pérdida del servicio. La aislación debe ser elegida económicamente, sobredimensionarla implica aumentos de tamaño, y peso de los cables y equipos, aumento de la resistencia al flujo de calor (en consecuencia disminución de las densidades de corrientes y del 16
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aprovechamiento), factores que se reflejan todos en mayores costos. Por otra parte, la aislación debe estar dimensionada para soportar las solicitaciones que efectivamente se presentarán; un ulterior sobre-dimensionamiento no implica beneficio alguno. Las sobretensiones que se presentan dependen de factores externos, características de componentes, y de características de diseño de la red. El problema debe ser correctamente planteado desde el comienzo del diseño, en forma tal de lograr que las sobretensiones sean mínimas, evitando configuraciones de la red que puedan causar sobretensiones, eligiendo componentes adecuados por sus parámetros y formas de operación, previendo y proyectando las protecciones oportunas. Uno de los factores que más influye en la magnitud de las sobretensiones es la conexión a tierra del centro de estrella del sistema, a medida que la impedancia de tierra disminuye se reduce el valor de las sobretensiones que se pueden presentar. Pero a su vez la reducción de la impedancia de tierra aumenta las corrientes de falla monofásicas, es así que la elección del sistema de puesta a tierra de la red es un compromiso entre condiciones de aislación y corrientes de cortocircuito aceptables. La amplitud de las sobretensiones está especialmente ligada a la conexión más o menos efectiva del neutro del sistema a tierra. Si el sistema está aislado de tierra, en general las tensiones son elevadas ya que no existe posibilidad de descarga de las capacitancias de secuencia cero, en estos casos se pueden alcanzar tensiones elevadas por causas estáticas. En casos de neutro aislado también los contactos con circuitos de tensión superior son muy peligrosos ya que no implican falla del sistema de tensión superior, 17
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y su desconexión. Las sobretensiones de origen interno están ligadas a la tensión nominal del sistema a través de algún coeficiente que depende de la puesta a tierra.
2.2.1. Puesta a Tierra del Neutro La aislación del neutro de la red, o su conexión a tierra directa, o por medio de una impedancia (resistencia o reactancia) o con una bobina resonante, constituye una cuestión que debe ser examinada bajo distintos puntos de vista, y que permite llegar a distintas soluciones según el criterio que se fije. Cuando en un sistema trifásico se produce una falla a tierra de una fase, se presentan tensiones y corrientes de falla que para su estudio se descomponen en componentes simétricas. En los sistemas con neutro aislado, el potencial de los distintos puntos del sistema respecto de tierra no está definido. El sistema está conectado a tierra a través de capacidades, sin embargo se denomina sistema con neutro aislado, ya que no tiene una conexión a tierra intencional. En un sistema con neutro aislado, la aparición de una falla no afecta la operación pero pone al sistema en una condición muy riesgosa ya que la segunda falla creará una condición de cortocircuito bifásico, con corriente de falla elevada y que puede afectar distintas líneas. El tiempo de funcionamiento de un sistema con neutro aislado en condiciones de falla debe ser limitado, para minimizar riesgos. La corriente de falla está limitada por las impedancias de las capacidades equivalentes, y eventualmente la resistencia de la falla, esta corriente es
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independiente (prácticamente) del punto en que ocurre la falla. El punto de falla, si está conectado a tierra a través de cierta resistencia, asume una tensión que no debe alcanzar valores peligrosos es importante entonces que las conexiones a tierra sean de baja impedancia y seguras para que no presenten peligro. En la práctica las desventajas de los sistemas con neutro aislado son tales, que sólo se utilizan en redes de distribución de pequeña magnitud. Se puede lograr una buena detección de la falla aún con corrientes relativamente pequeñas, del orden de las corrientes normales y aún menos (10 - 50 A). Esta situación se consigue con una resistencia de puesta a tierra, o un transformador conectado entre el centro de estrella y la tierra, y con una resistencia en el secundario. La corriente de falla puede limitarse menos del 25 % de la falla trifásica. En tensiones medias no existen casi ventajas económicas en la aislación (solo se tienen para los descargadores) y en consecuencia se prefiere limitar las corrientes de falla, manteniéndolas suficientemente elevadas para lograr una buena coordinación de las protecciones, y en general se hacen instalaciones con resistores de puesta a tierra, mientras que en bajas tensiones las dificultades de detección de fallas homopolares, hacen que sean necesarias corrientes de falla en la fases de valor elevado, entonces la puesta a tierra del sistema nuevamente se hace rígida.
19
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
2.3. DISPOSITIVOS PARA LA PROTECCIÓN DE SISTEMAS
2.3.1. Dispositivos de Protección contra Sobrecorrientes Los dispositivos de protección contra sobrecorriente son los elementos que han sido contemplados para proteger los sistemas eléctricos de los daños por sobrecarga y corrientes de cortocircuito. Por esta razón, es obvio que estos dispositivos representan una función extremadamente importante. De aquí que una definición de la protección contra sobrecorriente sea la siguiente: “la protección contra sobrecorriente para conductores y equipos se proporciona con el propósito de interrumpir el circuito eléctrico, si la corriente alcanza un valor que pudiera causar una temperatura excesiva y peligrosa en el conductor o su aislamiento”. De aquí que casi todos los circuitos eléctricos deban tener protección contra sobrecorriente en alguna forma; solo en algunos casos, muy raros, se diseñan los circuitos sin protección por sobrecorriente. Los dispositivos de protección contra sobrecorriente, deben cumplir con los siguientes requerimientos generales: a). Ser completamente automáticos. b). Transportar la corriente normal sin interrupción. c). Interrumpir inmediatamente las Sobrecorrientes. d). Ser fácilmente reemplazables o reestablecidos. e). Ser seguros bajo condiciones normales y de sobrecorriente.
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Para reunir los requerimientos para la protección contra cortocircuito, deben cumplir totalmente con las siguientes especificaciones básicas: 9 Debe ser capaz de cerrar en forma segura sobre cualquier valor de corriente de carga o corriente de cortocircuito, dentro del rango de capacidad momentánea del dispositivo. 9 Debe ser seguro para abrir cualquier corriente que pueda circular dentro del rango de interrupción del dispositivo. 9 Debe interrumpir automáticamente un flujo anormal de corriente dentro de su capacidad interruptiva. Existen básicamente dos dispositivos fundamentales que se usan en forma común para cumplir con las funciones de protección, estos son: 1. Los Interruptores. 2. Los fusibles.
2.4. TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTO Se denominan transformadores de instrumentos o de medición, a los que se emplean para alimentar circuitos que tienen instrumentos de medición y/o protección, el uso de estos transformadores se hace necesario en las redes de alta tensión en donde se requiere reducir los valores de voltaje y corriente a cantidades admisibles para los instrumentos, ya sea por razones de seguridad o por comodidad. Los propósitos específicos
para los que sirven los transformadores de
instrumento son, entre otros, los siguientes:
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a) Aísla los instrumentos de medición y protección del circuito primario o de alta tensión, permitiendo así medir altos voltajes y altas corrientes con instrumentos de bajo alcance. b) Dar mayor seguridad al personal, al no tener contacto con partes en alta tensión. c) Permite la normalización de las características de operación de los instrumentos. Existen básicamente dos tipos de transformadores de instrumentos: los transformadores de potencial (TP) que reducen el voltaje y los transformadores de corrientes (TC) que reducen la corriente, conectados en paralelo y en serie, respectivamente. 2.4.1. Transformadores de Corriente Los transformadores de corriente se pueden dividir, de acuerdo a su uso, en dos grandes grupos:
Transformadores de corriente para mediciones
Transformadores de corriente para protecciones
Los transformadores de corriente para mediciones deben transformar con gran exactitud la corriente primaria de carga. Esta corriente puede variar desde un pequeño porcentaje de la corriente nominal, cuando la carga es baja, hasta un valor algo superior a la corriente nominal, cuando el circuito primario esta ligeramente sobrecargado. Cuando se presenta un cortocircuito no tiene ninguna importancia que
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un transformador de corriente para mediciones reproduzca con exactitud o con error la corriente, puesto que un cortocircuito es de muy corta duración y no va a afectar la lectura de los aparatos conectados al transformador. Por el contrario, un transformador de corriente para protecciones debe reproducir con exactitud no solo la corriente de carga sino también la corriente de cortocircuito, que normalmente tiene valores muy elevados, para que los relés de protecci6n puedan operar correctamente. Se puede ver entonces que existe una gran diferencia entre los dos grupos
de
transformadores y que cada grupo debe tener sus características propias. En al figura 2.2. se muestra el circuito equivalente simplificado de un transformador de corriente.
Figura 2.2. Circuito equivalente simplificado de un transformador de corriente En la figura 2.2: Ip = corriente primaria Ips = corriente primaria referida al secundario
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Is = corriente secundaria Ies = corriente de excitación Zs´ = impedancia secundaria del transformador Xms = reactancia de la rama magnetizante Zc = impedancia de los cables de conexión Zb = impedancia de la carga conectada al transformador Es = tensión secundaria inducida Vs = voltaje secundario en los terminales del transformador Utilizando el circuito equivalente simplificado se puede construir el diagrama fasorial del transformador que se muestra en la figura 2.3.
Figura 2.3. Diagrama fasorial de un transformador de corriente Del diagrama fasorial se puede ver claramente que la corriente secundaria Is es diferente a la corriente ideal Ips, es decir, existe un error en la corriente secundaria. Este error no es solo en magnitud sino también en ángulo.
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2.4.1.1.Transformador de Corriente para Mediciones En la práctica al conocerse los errores máximos de los transformadores, se puede escoger para una aplicación un transformador cuyo error se pueda despreciar. Por ejemplo, si en una aplicación determinada el error máximo en corriente no debe exceder del 2% será necesario escoger un transformador con error menor del 2%. Existen varios métodos o normas para expresar el error de los transformadores de corrientes para mediciones. En general, estos métodos dependen del país donde haya sido construido el transformador. A continuación se estudiara el método según normas BS 3938 (Inglaterra), por ser los transformadores objeto del estudio de fabricación Europea.
Normas BS 3938, para Transformadores de Corriente para Mediciones
Estas normas son iguales a las normas IEC-185 en lo concerniente a clases de exactitud y limites de error. En las normas BS 3938 (o IEC-185) se define un error de corriente o de relación de la siguiente manera: Ns * Is − Ip Np ε= * 100 Ip
[2.1.]
La clase de un transformador es igual al error de corriente máximo permisible cuando la corriente es nominal. En las tablas 2.3. y 2.4. se especifican los límites de error para cada una de las clases.
25
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
Tabla 2.3. Limites de error de los Transformadores de Corriente para Mediciones Error de I (%) para el rango de
Error de φ (min.) para el rango de
corriente especificado abajo
corriente especificado abajo
CLASE I>10%In I ≥20% In I≥100%In I>10%In I ≥20% In I≥100%In a a a a a a ITC2A
S236 v
593
Pórtico de Salida a la
T237 v
592
carga.
X238 v
591
Conexión OK.
01
51
Figura 4.23. Diagrama de conexión del relé de protección R2.
105
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Relés de Protección de Falla a Tierra R3, R4 y R5: Tabla 4.4. Situación de los relés R3, R4 y R5. Entrada
Regleta X4
PLC Observaciones
TC
(Cable)
IN
OUT
R96 v
598
Protección I>>TC3A
S97 v
597
Bandeja de
T98 v
596
reactancias
X99 am
595
Conexión OK.
04
54
Figura 4.24. Diagrama de conexión de los relés de protección R3, R4 y R5.
106
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
Relés de Protección de Falla a Tierra R6, R7 y R8: Tabla 4.5. Situación de los relés R6, R7 y R8. Entrada
Regleta X4
PLC Observaciones
TC
(Cable)
IN
OUT
Protección I>>TC4A R246 r
600
S201 v
601
R100 v
602
T202 v
599
Bandeja de 05
55
reactancias T202 intercambiado Falta Tierra
Figura 4.25. Diagrama de conexión de los relés de protección R6, R7 y R8.
107
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Relé de Protección de Sobrevoltaje R9: Tabla 4.6. Situación del relé R9. Entrada
Regleta X4
PLC Observaciones
TC
(Cable)
IN
OUT
La entrada de la bobina no se 33 v
603 02
73 v
604
52
encuentra conectada, el PLC emite señal de sobrecorriente Mal conectado
Figura 4.26. Diagrama de conexión del relé de protección R9.
108
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
Relés de Protección de Sobrevoltaje R10, R11 Y R12: Tabla 4.7. Situación de los relés R10, R11 y R12. Regleta X4
PLC
Entrada TC
Observaciones (Cable)
IN
OUT
Protección X3-22/ X3-21
580
X3-21/ X3-20
581
V>>TT1-TT2 06
56
Salida Generador 2, entrada de bobina sin
X3-20/ ?
582
conexión Mal conectado
Figura 4.27. Diagrama de conexión de los relés de protección R10, R11 y R12.
109
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
Relé de Protección de Sobrecorriente R13: Tabla 4.8. Situación del relé R13. Entrada
Regleta X4
PLC Observaciones
TC
(Cable)
IN
OUT
Protección X3-20 g
606
I>>TC6A-TC7A
X3-21 g
607
Salida Generador 1 y
X3-22 g
608
67 n
605
03
53
Generador 2 respectivamente Conexión de TC de entrada mala
Figura 4.28. Diagrama de conexión del relé de protección R13.
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Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
Relé de Protección de Sobrecorriente R14: Tabla 4.9. Situación del relé R14. Entrada
Regleta X4
PLC Observaciones
TC
(Cable)
R211 am
632
La entrada en la
S212 am
633
bobina, pertenece al
T213 am
634
X217 am
631
IN
X
OUT
X
TC4 (capacitancias) No posee conexión de salida al PLC
Figura 4.29. Diagrama de conexión del relé de protección R14.
111
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4.4.1. Conexiones Realizadas en las Protecciones Existentes
Las modificaciones realizadas en las conexiones fueron las siguientes:
Modificaciones Realizadas en R6, R7 y R8:
Se conecto correctamente la entrada del TC, en este caso pertenece al TC4A (banco de reactancia). Tabla 4.10. Modificaciones de R6, R7 y R8. Anterior
Actual
Fases TC / Regleta R246 / 600
Tierra TC / Regleta
Fases TC / Regleta R100 / 600
Tierra TC / Regleta
S201 / 601
T202 / 599
S201 / 601
X99 / 599
R100 / 602
T202 / 602
Modificaciones Realizadas en R9:
El relé R9 es del tipo de sobrevoltaje monofasico, que protege la salida del Generador 1, donde se encuentra TP1 (transformador de voltaje monofasico). Se debe tener en cuenta que la conexión entre los cables del TP1 (603-604) y la bobina de disparo del relé (111-221) no se encontraban conectados al momento de la inspección (ver figura 4.29), esta puede ser una causa de la falla en la protección al momento del cortocircuito en el generador 1 que provoco el incendio y posterior salida de servicio del mismo.
112
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
Se desconecto la salida de señal hacia el PLC, ya que esta emite una alarma de sobrecorriente, no existe en el PLC una señal de sobrevoltaje en TP1, pero se podría utilizar la señal de sobrevoltaje de TP2 y TP3 que emite el PLC (IN 06), ya que el TP2 queda inhabilitado si el TP1 se encuentra en funcionamiento. La entrada de este relé, por ahora no se conecta debido a que no se cuenta con el TP1, tan pronto se ponga en servicio el Generador 1, se debe conectar dicha entrada con los cables del respectivo TP. Tabla 4.11. Modificaciones de R9. Anterior Fases TC / Regleta 33 v / 603
Actual
Salida PLC IN / Cable
Fases TC / Regleta
Salida PLC IN / Cable
02 / 220
Nada
06 / 220
73 v / 604
Modificaciones Realizadas en R10, R11 y R12:
Los relés R10, R11 y R12 están conectados a un relé de control (R23) que permite seleccionar entre TP2 (Salida Generador 2) y TP3 (Entrada alta tensión Transformador 1). Tanto TP2 y TP3 los constituyen tres transformadores de voltaje monofasicos conectados en estrella con neutro a tierra. Las entradas de las bobinas de disparo (carga de los transformadores) no tenían una conexión específica (delta o estrella), se escogió realizar esta del tipo estrella ya que permite obtener los tres voltajes de línea.
113
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Tabla 4.12. Modificaciones de R10, R11 y R12. Anterior Fases TC / Regleta R88 / 580 R218 S89 / 581 S219 T90 / 582 T220
Actual
Fases TC / Regleta S89 / 581 S219 R88 / 580 R218
Fases TC / Regleta R88 / 580 R218 S89 / 581 S219 T90 / 582 T220
?/?
Tierra TC / Regleta
X91 / 561 X221
Modificaciones Realizadas en R13:
El relé R13 esta conectado a un relé de control (R24) que permite seleccionar entre TC2b (Salida Generador 2) y TC3b (Salida Generador 1). TC2b y TC3b los constituyen tres transformadores de Corriente monofasicos conectados en estrella con neutro a tierra. Se chequeo las conexiones de TC2b y TC3b de la siguiente manera:
Figura 4.30. Conexión del TC3b (HKK).
114
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Figura 4.31. Conexión del TC2b Salida Generador 2 Tabla 4.13. Modificaciones de R13. Anterior
Actual
PLC / HKK TC2b
PLC / TC TC3b
PLC / HKK TC2b
PLC / TC TC3b
70 v / 562
84 v / 84v
70 v / 564
84 v / 85v
71 v / 565
85 v / 87 v
71 v / 565
88 n / 86 v
72 v /566
86 n /
?
72 v /566
85 v / 87 v
73 v / 563
67 n / 85 v
73 v / 563
67 n / 84 v
Modificaciones Realizadas en R14:
En este caso la entrada del TC a la bobina de disparo esta correctamente conectado y estas pertenecen a TC4 (banco de condensadores). El error en la conexión surge en que el Relé R14 no tiene conexión de salida al PLC. Se procedió entonces a conectar la salida del relé R14 a la entrada (IN 02) del PLC, dicha entrada pertenecía a la salida de R9, pero esta fue desconectada en modificación anterior, quedando a disposición del R14. 115
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
Tabla 4.14. Modificaciones de R14. Anterior
Actual
Salida PLC IN / Cable
Salida PLC IN / Cable
Ninguna / 220
02 / 220
4.4.2. Ensayos Realizados para el Ajuste de las Protecciones Existentes
Prueba de Curva de Disparo de relés de Sobrecorriente y Sobrevoltaje
Las pruebas de curvas de disparo para los relés de Sobrecorriente y Sobrevoltaje, se desarrollaron en el laboratorio de Sistemas de Protección de la Universidad de los Andes. El ensayo se realizó con un equipo de prueba de relés universal (Multi-Amp SR-51) que se puede observar en la figura 4.32, este es un dispositivo capaz de medir el tiempo de cierre de los contactos de un relé una vez que su bobina se encuentre correctamente energizada.
Figura 4.32. Multi-Amp SR51A
116
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En la tabla 4.15. se tienen los datos obtenidos para el ensayo a el relé de Sobrecorriente Marca ASEA tipo RXIG-21 Tabla 4.15. Datos del ensayo del relé de Sobrecorriente. TAP x 1 = 2,5 A IDISPARO(MÍNIMO) = 2,6 A IDISPARO (A)
TDISPARO (Ciclos)
3
4,2
3,5
3,6
4
3,3
5
3,1
6
3,0
TAP x 1.25 = 3,125 A IDISPARO(MÍNIMO) = 3,2 A IDISPARO (A)
TDISPARO (Ciclos)
3,5
5
4
4
5
3,4
7,5
3
8
3
TAP x 1.5 = 3,75 A IDISPARO(MÍNIMO) = 3,85 A IDISPARO (A)
TDISPARO (Ciclos)
4
5
6
3,4
7,5
3,1
10
3
117
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TAP x 2 = 5 A IDISPARO(MÍNIMO) = 5,1 A IDISPARO (A)
TDISPARO (Ciclos)
5,4 6 7,3 8 10
5 4 3,4 3,2 3
TAP x 2.5 = 6,25 A IDISPARO(MÍNIMO) = 6,3 A IDISPARO (A)
TDISPARO (Ciclos)
6,5 7,5 10 12,5 15
5,8 4 3,3 3 3
TAP x 2,75 = 6,875 A IDISPARO(MÍNIMO) = 7 A IDISPARO (A)
TDISPARO (Ciclos)
7,5 8,5 10 12,5 15
5 4 3,4 3 3
TAP x 3 = 7,5 A IDISPARO(MÍNIMO) = 7,65 A IDISPARO (A)
TDISPARO (Ciclos)
7,8 9 10 12,5 15
5,8 4 3,5 3,1 3 118
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En la tabla 4.16. se tienen los datos obtenidos para el ensayo a el relé de Sobrevoltaje Marca ASEA tipo RXEG-21 Tabla 4.16. Datos del ensayo del relé de Sobrevoltaje. TAP x 1 = 80 V VISPARO(MÍNIMO) = 82 V VDISPARO (V)
TDISPARO (Ciclos)
Para cualquier valor de
3
Voltaje
120
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CAPITULO V PLANES DE APLICACIÓN DE LA PROPUESTA
5.1. FACTIBILIDAD ECONÓMICA DE LAS PROTECCIONES DEL GENERADOR
Los diseños propuestos en el capitulo anterior para los generadores de la empresa SERVIMAR, se centraron en protecciones contra corto-circuito del estator, debido a que estos carecen de algún dispositivo que monitoree internamente los generadores. A continuación se analizara desde el punto de vista práctico y económico la implementación de cada una de estas: •
Propuesta 1: Protección contra falla a tierra del estator a través de un transformador monofasico de distribución.
Esta protección es del tipo de conexión a tierra de alta resistencia, este diseño puede ser implementado en sistemas de baja y media tensión. La conexión a tierra por medio de una alta resistencia limita las corrientes de perdida a tierra a un valor muy bajo, generalmente a menos de 0,1 por ciento de la corriente de falla trifásica. Por lo común la corriente se mantiene entre 1 ampere a un máximo de 10 amperes. Esta resistencia de alto valor amortiguara el circuito resonante hasta un punto tal que impedirá el desarrollo de sobrevoltajes excesivos. Este tipo de sistema permite que la primera perdida a tierra actué hasta que se detecte y elimine, por esta razón se usa 121
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frecuentemente en servicios importantes donde la alimentación continua de energía es esencial. Debe permitirse el flujo suficiente de corriente de perdida a tierra para compensar la corriente de carga de la capacitancia a tierra del sistema, de otra manera, podrían generarse sobrevoltajes transitorios durante las conexiones que alteren el circuito. La disposición protectora asociada con la conexión a tierra de alta resistencia es de detección y alarma, sin embargo, en el diseño implementado para la empresa SERVIMAR, la disposición de esta protección será de desconexión inmediata al ocurrir la primera falla, ya que es primordial la integridad del equipo y del personal que opera cerca de el.
•
Propuesta 2: Protección contra falla a tierra del estator a través de un transformador trifásico de distribución.
Este tipo de protección es similar en funcionalidad y aplicación a la propuesta A, su diferencia radica en que se implementa en sistemas que no tienen una conexión física del neutro a tierra, principalmente en sistemas conectados en delta. En comparación con la propuesta A, tiene la desventaja económica que utiliza un trasformador trifásico, mientras que la propuesta A, posee un transformador monofasico.
122
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•
Propuesta 3: Protección contra falla a tierra del estator a través de la conexión de una baja resistencia en el neutro.
La conexión a tierra de baja resistencia se recomienda para sistemas entre 1000 y 15000 V. Produce una corriente de perdida a tierra de tal magnitud que asegure la activación adecuada de los relevadores de conexión a tierra. La mayoría de los sistemas de conexión a tierra de baja resistencia, la corriente de perdida de fase a tierra se mantiene por lo general en el 20% de la corriente trifásica de falla y menor a 400 Amperes. El circuito se vuelve resistivo al conectarse la corriente de perdida a tierra y tiene corrientes y sobretensiones insignificantes. En consecuencia, las sobretensiones y corrientes transitorias relacionadas a las perdidas a tierra son mínimas y están bajo control. Este tipo de protección brinda mayor esperanza de vida en los aislantes de los motores, transformadores y otros componentes por que reduce la magnitud y duración de las sobretensiones. Además se tienen conexiones mejoradas de protección, ya que las fallas de tierra se pueden detectar en forma rápida y selectiva por medio de relevadores sensibles. •
Propuesta 4: Protección Diferencial restringida a falla a tierra.
Este tipo de protección es del tipo de alta resistencia, implementándose en aquellos generadores que posean solo 4 terminales (3 fases y 1 neutro), cumpliendo las mismas funciones que la propuesta A. De esta manera no se justifica una inversión adicional en equipos de detección. 123
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
•
Propuesta 5: Protección contra falla a tierra del estator a través de la conexión a tierra de una Reactancia.
La conexión a tierra por reactancia se utiliza comúnmente en generadores de bajo voltaje, es decir menores de 600 V. Este método permite el uso de dispositivos protectores al neutro que hacen que sea útil donde la exposición a rayos es severa. Para minimizar los sobrevoltajes transitorios, el reactor se debe seleccionar para que limite la corriente de perdida a tierra a un mínimo de 25% de la corriente trifásica de falla. En menos de un 25% del valor de un fallo trifásico, pueden volverse peligrosos los sobrevoltajes transitorios debido a la reconexión repetitiva en un arco de un circuito con perdida a tierra. La característica indeseable es que puede producir daños en el punto de falla. La desventaja es la posibilidad de que se queme el hierro debido a las posibles corrientes elevadas de perdidas a tierra. Por lo tanto la conexión a tierra por medio de un reactor usualmente no se considera como una alternativa para la conexión a tierra del neutro en sistemas de voltaje medio. •
Propuesta 6: Protección contra falla a tierra del estator a través de la Conexión a Tierra de un transformador tipo Zig-Zag.
La conexión del neutro a tierra a través de un transformador zig-zag, se implementa en sistemas ya instalados con conexión delta, este procedimiento se usa en particular en los sistemas existentes mas viejos de 600 V o menos, e igualmente, en muchos sistemas ya instalados de 2400, 4800 y 6900 V.
124
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Los transformadores para conexión a tierra en zig-zag proporcionan un punto neutro estable, lo que los hace adecuados para conectar a tierra un sistema con neutro aislado. Los transformadores para conexión a tierra se diseñan para soportar un régimen de corriente determinado solo durante un tiempo limitado: alrededor de 10 segundos. En consecuencia, un transformador para conexión a tierra puede ser de una décima del tamaño físico de un transformador común y trifásico para la misma capacidad. Tabla 5.1. Análisis económico comparativo entre las propuestas estudiadas.
Propuesta
Aplicación
1
A
2
Costo
Mantenimiento
Disponibilidad
Sumario
AA
B
A
A
C
BB
C
B
B
3
A
DD
A
C
C
4
C
DD
C
D
D
5
D
BB
B
B
C
6
C
CC
C
B
C
Inicial
A = Muy Bueno B = Bueno C = Regular D = Malo
125
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
En la tabla 5.1. se muestra un breve análisis comparativo entre las propuestas de protección hechas para los generadores de la empresa SERVIMAR. En dicha tabla se puntuó las propuestas de acuerdo a su aplicación en el sistema ya existente, costo inicial de los dispositivos requeridos para dicha propuesta, mantenimiento de los equipos de protección y disponibilidad de la empresa en adquirirlos. Como se puede observar en el renglón de costo inicial se dio una puntuación doble debido a la importancia de este a la hora de una implementación.
5.2. IMPLEMENTACIÓN
DEL
DISPOSITIVO
GEN-GUARD™
(PROTECCION BAJO AISLAMIENTO EN GENERADOR)
El probador de resistencia de aislamiento automático GEN-GUARD™, es un dispositivo que supervisa la condicion de los generadores electricos de corriente alterna, mediante la aplicación de un voltaje operativo potencial con limitación de corriente al dispositivo supervisado. Se conectan al interruptor del generador y a la tierra del equipo. Aplica un voltaje de prueba DC fijo al bobinado mientras el generador se encuentre en reposo o mínima carga. Los voltajes de la prueba típicos son 500, 1000, 2500 o 5000 dc. El voltaje seleccionado se aproxima al voltaje operativo del equipo. El probador mide la corriente de fuga a tierra actual, la cual se relaciona con la rigidez dieléctrica del aislamiento del equipo. La corriente de la prueba limita a 350µA para evitar sobre esforzar el aislamiento debido a la aplicación prolongada de voltaje.
126
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Un circuito comparador de estado sólido será el encargado de
supervisa
cualquier corriente de fuga. El punto de alarma o disparo se puede ajustar de 0.5 a 30 megohm para satisfacer la aplicación Cuando la corriente de fuga excede el punto de ajuste, el probador puede activar una alarma y bloquear el equipo supervisado. Los equipos no pueden arrancar hasta que la falla se aclare. Los contactos de alarma o falla permanecen retenidos mecánicamente y permanecen asegurados hasta que el personal de mantenimiento accione un botón de "reset" o restablecimiento. El punto de disparo de pre-alarma se puede ajustar de 15 a 50 megohms. Esta información anticipada permite que el personal de mantenimiento programe una investigación. Sin embargo el generador continua disponible para operar sin riesgo de disparo del interruptor principal o daño al generador. Una pre-alarma proporcionara información par permitir que personal de mantenimiento empiece a supervisar el deterioro de aislamiento en sus fases incipientes.
5.2.1. GEN-GUARD™ Modelo GP500G1
El verificador de resistencia de aislamiento automático GP500G1 posee un medidor analógico que visualiza e indica la resistencia de aislamiento en megohms con un dial colorido que indica los rangos verde, amarillos y rojos; dos LED que muestran las condiciones “test on" y “ alarma”, junto con dos salidas para la indicación remota, y una para prueba interior, además posee botón de calibración y otro para reset manual, un contacto para una alarma externa y otro que puede usarse para bloquear el generador cuando se presente la condición de alarma. 127
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
En la figura 5.1. se muestra el probador GP500G1 junto con su medidor de megohm.
Figura 5.1. Probador de resistencia de aislamiento automático GEN-GUARD™
La fuente de poder y control de señal serán de 120 VAC con fusibles de 1,5 amperios. El voltaje de salida de prueba será de 500 VDC y corriente limitada a 200µA máximos. El verificador de resistencia de aislamiento automático sólo supervisará la resistencia del generador cuando este se encuentre apagado y activará una señal de alarma cuando la resistencia de aislamiento en el estator cae a 1,5 megohm. En los generadores conectados a tierra se instalará un interruptor de tierra para desconectar el cable neutro automáticamente de la tierra cuando el generador este apagado, y permitir al verificador de resistencia de aislamiento automático probar los bobinados del estator, en la figura 5.2. se puede ver un interruptor de tierra usado por el probador automático.
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Figura 5.2. Interruptor de Tierra Meg-alert™
El interruptor de tierra tendrá un circuito de seguridad para asegurar que el generador no operare a menos que el cable neutro se reconecte a tierra. El interruptor de tierra incluye una lámpara indicadora de que la tierra esta cerrada y un contacto de salida que activa el sistema de alarma/bloqueo. El interruptor de tierra tendrá su fuente de poder y control de señal a 120VAC con fusibles de 3 amperios. En la figura 5.3. se observan las dimensiones del probador automático GP500G1
Figura 5.3 Dimensiones del probador GP500G1
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En la tabla 5.2. se muestran las especificaciones del probador de resistencia de aislamiento automático GP500G1. Tabla 5.2. Especificaciones Probador automático GP500G1 Entrada de Poder
115-125 VAC 50/60 Hz @ 0,15 A máx.
Señal de Control
120 VAC 50/60 Hz
Contactos Alarma/Bloqueo
5A @ 240 VAC o 28 VDC
LED Display
Test on: Verde (Flash) Falla: Rojo (Flash)
Precision
2%
Temp. ambiente
-10ºC a 60ºC
Montaje
Especificaciones UL 508
El Plano del Montaje del probador automático GP500G1 se puede Observar en el anexo #1
5.3. APLICACION DE UN CONVERTIDOR DE FRECUENCIA ESTATICO
Gracias a los avances que han tenido los dispositivos semiconductores en el área de potencia, es posible implementar hoy en día convertidores de frecuencia estáticos, de gran capacidad de potencia. El laboratorio de alta tensión con el que cuenta la empresa SERVIMAR, fue concebido como un convertidor de frecuencia, del tipo con maquinas rotativas, ya que para la época en que fue ensamblado no se contaba con la
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disponibilidad o en su defecto implementar un convertidor estático implicaba un coste mayor que uno del tipo rotativo. Debido a esto se plantea la posibilidad de adquirir un convertidor estático, de modo de suplantar al generador averiado. Si bien los convertidores de frecuencia estáticos, se implementan en plantas donde se desea controlar la velocidad de motores de jaula de ardilla, estos pueden cumplir funciones extras, como en el caso de la empresa SERVIMAR donde se quiere obtener una señal de salida sinusoidal, con valores de frecuencia de salida mayores a los que provee la red (60 Hz), dependiendo del tipo de ensayo y los términos de este. Un convertidor de frecuencia estático rectifica la tensión alterna de alimentación en tensión continua, después de lo cual dicha tensión continua se convierte en corriente alterna variable con amplitud y frecuencia variable. De este modo, el motor recibe una tensión y frecuencia variable, lo que permite una regulación infinitamente variable de la velocidad de motores CA trifásicos estándar. Una representación funcional de un Cambiador de frecuencia, se muestra en la Figura 5.4. una fuente de voltaje AC sinusoidal teniendo una amplitud Vi y frecuencia angular fi, que se conecta al terminal de entrada del cambiador de frecuencia. Este voltaje sinusoidal es convertido en una onda de voltaje con amplitud V0, y frecuencia angular fo, que se aplica a la carga.
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Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
Figura 5.4. Representación funcional simplificada de un Convertidor de Frecuencia Estático.
Donde: 1.- Alimentación de red 3 x 200 – 240 VAC, 50/60 Hz. 3 x 380 – 500 VAC, 50/60 Hz. 3 x 550 – 600 VAC, 50/60 Hz. 2.- Rectificador Puente rectificador trifásico que convierte la tensión alterna en tensión continua. 3-. Circuito intermedio Tensión continua = 1.35 x tensión de alimentación [V] 4.- Bobinas del circuito intermedio Nivelan la intensidad del circuito intermedio y limitan la carga de la red y de los componentes (transformador de red, cables, fusibles y contactores). 5.- Condensador del circuito intermedio Nivela la tensión del circuito intermedio. 6.- Inversor Convierte la tensión continua en tensión alterna variable con frecuencia variable. 7.- tensión de motor Tensión alterna variable, un 0-100% de la tensión de alimentación. Frecuencia variable: 0,5-132 / 0,5-1000 Hz. 132
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8.- Tarjeta de control Aquí se encuentra el ordenador que controla el inversor, el cual genera el tren de impulsos que convierte la tensión continua en tensión alterna variable con frecuencia variable. 5.3.1. Especificaciones y Características del Convertidor Estático
Al momento de evaluar una solución con convertidor de frecuencia se debe referir a una serie de características y especificaciones que debe cumplir dicho dispositivo para lograr un correcto funcionamiento del sistema.
Características de la Carga
Antes de especificar un convertidor estático se debe revisar las características de la carga de tal forma que pueda manejar la carga desde su arranque y en todo el rango de trabajo sin ningún problema. o Se debe conocer el comportamiento del torque y de la potencia en todo el
rango de velocidad. o Se debe conocer el rango normal de trabajo para el torque y velocidad.
Una vez que las características de la carga han sido determinadas, están nos ayudaran a calcular el calibre y las características de operación del Convertidor, partiendo por la corriente nominal y/o potencia a la salida.
Especificaciones del Convertidor o Alimentación de Red. o Datos de Salida.
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Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
o Características del Torque. o Salidas y Entradas de Control Programables. o Características de Control. o Longitud de Cable y Temperatura Ambiente. o Grado de protección. o Hardware. o Filtro RFI.
-. RFI, son oscilaciones eléctricas con frecuencias entre 10 KHz y los GHz, se emite por conducción o radiación y se acoplan a las señales de tensión y corriente de baja frecuencia generando alteraciones en dichas señales. o Filtro LC.
-. Se ubica externo al convertidor y entre este y la carga, permite generar una onda casi senoidal al reducir el tiempo de crecimiento de la tensión dV/dt y los rizados de corriente dI/dt, reduce el ruido acústico, reduce el desgaste del aislamiento del devanado.
Condiciones Extremas de Funcionamiento.
El convertidor debe estar diseñado para manejar ciertos eventos de peligro y proteger al sistema de: o Cortocircuito o Falla a Tierra o Conmutación a la salida
134
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
o Sobretensión generada por el Motor o Corte en la Alimentación o Sobrecarga Estática
Factores que reducen la Potencia.
Es importante tener en cuenta los siguientes factores que pueden afectar el rendimiento del convertidor si no son considerados en el momento de especificar dicho convertidor. o Temperatura Ambiente o Presión Atmosférica o Velocidad Baja o Cable de Motor 5.3.2. Variador de frecuencia Danfoss tipo VLT®-5500 VVC Plus
Este tipo de variador posee un sistema de control del inversor denominado VVCPlus, el más reciente desarrollo de control del vector tensión, el sistema controla los motores de inducción al alimentarlos con una frecuencia y una tensión variables para cada instante. Si se modifica la carga del motor, también cambia la magnetización del motor y, por lo tanto, la velocidad. La frecuencia y la tensión del motor se ajustan para asegurar que el punto de funcionamiento del motor sigue siendo óptimo en condiciones variables. Este tipo de variador posee las siguientes características:
135
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
o Ajuste Automático al Motor (función AMA): el VLT se adapta al motor
conectado sin hacerlo girar y muestra la parte activa y reactiva del motor, optimiza la eficiencia del motor; mejoras las capacidades de arranque asegurando el mejor torque; compensa las variaciones debidas a las características propias de los cables del motor. o Optimización Automática del Motor (AEO): minimiza el consumo de energía;
maximiza la eficiencia del motor controlando la corriente de magnetización; el VLT entrega la energía necesaria en el tiempo real necesario. o Supresión de Armónicos: Viene con las inductancias de entrada y salida
incorporadas, lo cual garantiza una excelente limitación de armónicos de voltaje y corriente; factor de potencia verdadero cerca de la unidad; la I rms verdadera ≈ a la I nominal del motor lo que significa una alta supresión de armónicos; una muy alta limitación de armónicos significa ahorro de energía. o Compactibilidad Electromagnética (EMC): cumple normas EMC; mueble
metalito; rechazo contra interferencias radiadas y conducidas. o Amistoso: Todos los parámetros son preprogramados y optimizados para
diferentes aplicaciones; menú rápido en la puesta en marcha; idioma español, display alfanumérico extraíble sin que se apague el VLT; no se requiere de personal altamente capacitado para su operación. o Extremadamente Rápido y Preciso: El VLT tiene una velocidad 3 milisegundos
par compensar todo tipo de respuesta o falla; alta resolución de la frecuencia de salida = 0,003 Hz; precisión en lazo abierto de ± 0,5% y en lazo cerrado de ±0,1% 136
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
o Protecciones al Motor: Contra cortocircuito; falla a tierra; inversión de fase y
tierra; bajo y alto voltaje; perdida de fase (muestra en display cual de las fases del motor esta fallando o si esta bajo el aislamiento); alta temperatura; transientes; aislamiento galvánico. o Estabilidad: Compensación precisa de deslizamiento; alta estabilidad de la
velocidad del motor; alta estabilidad de la frecuencia de salida; estabilidad de torque lineal hasta 1000 Hz. o Controlador PID: Puede manejar variables de procesos por si mismo sin
necesidad de un PLC; puede manejar procesos normales o inversos en lazo cerrado/cerrado; fuente propia de 24 VDC; manejo de unidades de ingeniería (bares, GPM, RPM, etc.). o Aplicaciones: Cubre la mayoría de las aplicaciones bajo su configuración
estándar (torque constante, velocidad constante, otras); otras opciones de sincronización, posicionamiento, wobbler y otras más. o Software de Programación protocolos: Interfase de comunicación RS-485;
software en español bajo ambiente Windows; intercambio dinámico de datos DDE; registro histérico, tendencias de variables de proceso; como opción protocolos de comunicación Device Net, Profibus y otros. El convertidor de frecuencia incorpora de forma estándar un número de componentes que, normalmente, deben adquirirse por separado. Estos componentes integrados (filtros RFI, bobinas CC, abrazaderas de apantallamiento y puerto de
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Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
comunicación serie) sirven para ahorrar espacio y simplificar la instalación, ya que el convertidor de frecuencia cumple la mayoría de los requisitos sin necesidad de componentes suplementarios. Corriente de fuga a Tierra: La corriente de fuga a tierra esta causada
principalmente por la capacidad entre las fases del motor y el apantallamiento del cable del motor. Cuando se utiliza un filtro RFI, este contribuye a una corriente de fuga adicional, ya que el circuito del filtro se conecta a tierra mediante condensadores. El tamaño de la corriente de fuga a tierra depende de los factores, en este orden de prioridad: longitud del cable de motor, cable del motor con o sin apantallamiento, frecuencia de conmutación, utilización o no de un filtro RFI, conexión a tierra del motor o no en su instalación. La corriente de fuga es importante para la seguridad durante el manejo y funcionamiento del convertidor de frecuencia si no se ha establecido una conexión a tierra del mismo (por error). Debido a que la corriente de fuga es >3,5 mA, debe establecerse una conexión a tierra reforzada, que se requiere par cumplir la norma EN50178. En los convertidores de frecuencia trifásicos, solo se deben utilizar relés para corriente con defecto a tierra que sean adecuados para la protección contra intensidad CC (DIN VDE 0664). Los relés RCD de tipo B cumplen estos requisitos de acuerdo con la norma IEC755-2. En la figura 5.5. se tiene un Diagrama clave para VLT serie 5000 380-500V
138
Figura 5.5. Esquema del Convertidor de frecuencia Estático VLT 5500
Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
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Análisis del sistema de protecciones del Grupo Motor-Generador de la empresa SERVIMAR
Datos Técnicos del convertidor de frecuencia estático marca Danfoss
modelo VLT5500: Alimentación de Red (L1, L2, L3)
Tensión de alimentación
380-500 V ±3,0%
Factor de potencia real (λ)
0,9 a la carga nominal
Factor de pot. de desplazamiento (cosϕ)
Cerca de la unidad (>0,98)
Régimen máx. de cortocircuito
1000.000 A
Datos de Salida (U, V, W)
Tensión de salida
0-100% de la tensión de red
Frecuencia de salida
0-132 Hz, 0-1000 Hz
Conmutación en la salida
Ilimitada
Intensidad de salida máx.
745 A
Intensidad de salida máx. (60s)
820 A
Salida SVLT,N
516 KVA
Salida máx. constante (150% sobrecarga)
456 KVA
Características de Par
Par de arranque VLT
150% durante 1 min.
Par de arranque
180% durante 0,5 seg.
Par de aceleración
100%
Para obtener una mejor apreciación del convertidor estático en el anexo #2 se presenta un los datos técnicos generales de la serie VLT 5000.
140
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La protección de generadores varía en forma considerable y se puede decir que es menos estandarizada que la protección de otros aparatos o componentes de un sistema eléctrico. Esto es como resultado de la variedad de tamaños, tipos y aplicaciones de los mismos. La protección se basa principalmente en la importancia del generador, la cual se encuentra también estrechamente ligada al tamaño del mismo. A pesar de los inconvenientes presentados durante el desarrollo de este trabajo, tales como falta de datos técnico de las maquinas y equipos, así como la carencia de planos de los sistemas de control remoto del laboratorio, este estudio se centro en la protección del estator contra fallas a tierra de los generadores, debido a que estos no poseen un dispositivo que los proteja internamente. Si bien debido ala potencia de los generadores, estos necesitan de una protección diferencial, se presento el problema de no poseer los seis terminales de los devanados, siendo imposible aplicar dicha protección. Es muy importante que al momento de seleccionar una propuesta de protección contra fallas a tierra en generadores, se debe conocer de antemano el método de conexión de puesta a tierra del neutro, así como los datos de sus parámetros y elementos conectados en sus terminales.
141
De todos los diseños analizados, para la protección contra fallas a tierra, se recomienda la implementación de la protección mediante la conexión de un transformador de distribución monofasico en el cable neutro a tierra (Propuesta 1), por ser esta la más factible en cuanto a la funcionalidad del generador y economía de la empresa. Teniendo en cuenta que el laboratorio de alta tensión, fue implementado en un principio para realizar pruebas a transformadores de subestaciones, que ameritaban una gran demanda de potencia, y ahora este se implementa para pruebas de transformadores de distribución que no demandan tal cantidad de potencia se propone para la puesta en funcionamiento del laboratorio: •
Realizar un mantenimiento completo al grupo motor-generador #2 que posee una capacidad de 1,3 MVA. Este grupo se encargara de realizar pruebas a transformadores de subestaciones, y también realizara las pruebas donde se requieran valores de frecuencias mayores a 60 Hz.
•
Adquirir un tercer grupo motor-generador, de capacidad de potencia alrededor de 50KVA, que se encargara de realizar los ensayos de rutina (Vació y cortocircuito) a los transformadores de distribución.
•
Realizar un estudio detallado de las protecciones existentes a fin de lograr una perfecta coordinación entre estas y las protecciones sugeridas en este trabajo.
•
Realizar mantenimiento, a todos los demás dispositivos que integran el laboratorio, como son, Transformadores, banco de condensadores, banco de reactancia, interruptores principales, seccionadores, aisladores, etc.
142
•
Chequear el correcto funcionamiento de los paneles de control tanto del motor (FIAB), como del generador (AROS), para lograr la adecuada calibración de las tarjetas electrónicas, que permitan lograr la correcta señal de disparo de los tiristores.
•
Tratar de acondicionar el área del laboratorio, para impedir el acceso de partículas de polvo u otros materiales que dejen residuos en los equipos eléctricos, vulnerables a este. Para la implementación del dispositivo de medición de aislamiento
automático, se cree que no se justifica la inversión, debido a que este se implementa en aquellos generadores que operan continuamente y donde las pausas son cortas. Se recomienda realizar un mantenimiento predictivo periódicamente, mediante la prueba del Megger, y llevar un control de estas mediciones para tener un historial del comportamiento del aislamiento. La implementación de un convertidor estático, estará condicionada, en cuanto que este vendrá a suplantar al grupo #1 que tenia una capacidad de 2 MVA. Si se logra que el grupo #2, sea reacondicionado, para lograr un desempeño optimo, el convertidor estático deberá por lo menos tener una capacidad mayor que este (1,3MVA), para que sea el convertidor quien realice pruebas donde se requiera mayor potencia. Pero el costo de este equipo, tendría que venir con una cantidad considerable de ensayos, esto quiere decir que la empresa debe tener un contrato grande en donde deba realizar pruebas a transformadores, para justificar la inversión.
143
Sin embargo si no se logra poner en correcto funcionamiento o en su defecto si se avería el grupo #2, el convertidor estático vendría a suplantar a los dos grupos, y entonces se puede hacer una inmersión por el convertidor propuesto en este trabajo, además que las ventajas que ofrece, como mayor confiabilidad, menor ruido, menor mantenimiento, etc.
144
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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145
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146
ANEXO 1
147
ANEXO 2
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