PROTECCION DE SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIA CAPITULO 6PROFESOR: ING. BERNARDINO ROJAS VERAAREQUIPA, OCTUBRE, NOVIEMBRE 2004
PROTECCION DE GENERADORES
MAQUINAS SINCRONAS
Los generadores casi siempre son mquinas sncronas:El arrollamiento de campo esta en el rotor, alimentado con corriente contnua. El arrollamiento trifsico de armadura se encuentra en el estator y desarrolla la potencia elctrica al sistema. La potencia mecnica se alimenta al eje por una mquina prima, como una turbina.
MAQUINAS CON POLOS SALIENTES DE DOS POLOS
GENERADORES SINCRONOS (1) La mayoria de turbinas de vapor y gas se acoplan a generadores de dos polos (algunas veces cuatro polos) con rotor cilndrico. La mayora de turbinas hidraulicas son de velocidad inferior a las turbinas trmicas, por lo que los generadores tienen mas de cuatro polos. La frecuencia es proporcional a la velocidad.
GENERADORES SINCRONOS (2)
Si Np es el nmero de polos y f es la frecuencia elctrica en Hz, entonces la velocidad del eje es: 4 f/Np (rad/sec) o 120f/Np (rev/min)
CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN GENERADOR DE ROTOR CILINDRICO EN ESTADO ESTABLE (1)
RESTO DEL SISTEMA
CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN GENERADOR DE ROTOR CILINDRICO EN ESTADO ESTABLE (2)
Combinando las reactancias en serie se da el circuito equivalente: Xs (=Xd) es la reactancia sncrona
DIAGRAMA FASORIAL DE UN GENERADOR SINCRONO
CIRCUITO EQUIVALENTE POR FASE
Proteccin Digital de Generador Proteccin Digital de Generador
Management and ProtectionHerramientas De Anlisis de Fallas
Proteccin Fcil De Entender
Mediciones
Monitoreo & ControlAutodiagnstico & Herramientas de Puesta en Servicio
Comunicaciones
Series P340 Reles de Proteccin de Generador
Modelos
A) B) C)
Rel para Proteccin de Interconexiones Proteccin de Generador Proteccin de Generator con 87G
PROTECCIONES DIGITALES
Proteccin Fcil de Entender
Requerimientos de Proteccin
Las funciones de proteccin dependen:Del tamao de la mquina Del tipo de puesta a tierra del neutro Del tipo de conexin Del modo de OperacinGeneracin de base Generacin de Punta Generacin de reserva
Maquina de BT < 1 MW
27/59 81U/O 51V 32R
Mnima y Sobre Tensin Mnima y Sobre Frecuencia Respaldo del Sistema Inversin de Potencia
51N 64
Falla a tierra de respaldo Falla a tierra restringida
Mquina de 10 MW87G 27/59
Diferencial de Generador Mnima y Sobre Tensin Frecuencia
81U/O Mnima y Sobre 51V 32R
Respaldo del Sistema Inversin de Potencia Respaldo de falla a tierra Falla de excitacin Secuencia Negativa Sobretensin Residual
32LF/R Interbloqueo de Potencia 51N 40 46 59N
Mquina de 60 MW
24 49
Sobreflujo Trmico RTD Deslizamiento de Polos
27TN Falla a tierra estator 100% 78
Proteccin Redundante
Proteccin Redundante
Protection Redundante Fuente aux redundante Puede disparar luego de la falla de la fuente aux.
Mquinas embebidas en Co-generation
recierre?
Sistema De Potencia
81U/O Frecuencia 27/59 59N df/dt dV 50/51N Sobrecorriente de fases y Tensin Residual tierra ROCOF Desplazamiento del Vector tensin Tensin
Carga queda Alimentada de fuente aislada De tierra
Proteccin de Interconexin
64 67N 49 50 51 67 50N 51N 59N 81O 81U df dt dV 27 59
32
Proteccin de GeneradorVTS 27 59 RTD 50 51 51V 21 81O 81U 24
CTS 67N 50N 51N
32
40
46
49
64
59N
Mquinas de pequea Potencia Pseudo diferencial via 50
Proteccin de Generador: Funciones de Protecin (1)27 59 87G 81O 81U
67N
50N 51N
32
87G 50/51 51V/21 50 51V 50/51N 51 21 59N 67N 27TN 59N 27TN 27 & 59 81U/O 32
Diferencial de Generador Proteccin de Sobrecorriente Respaldo dependiente de tensin Falla a tierra estator Desplazamiento del Neutro Direccional a tierra Sensitivo 100% Falla a tierra de Estator Mnima & sobre tensin Mnima & sobrefrecuencia Potencia Sensitiva (1 ph)
Proteccin de Generador: Funciones de Proteccin (2)
24
RTD 40 32R 32L 320 78 46 49
32R 32L 32O 40 46 24 27/50 38/26 49 78
Inversin de Potencia (3ph) Potencia baja directa (3ph) Potencia de Sobrecarga (3ph) Falla de campo Secuencia Negativa Sobreflujo Mquina Muerta (GUESS) Proteccin Trmica RTD Imagen Trmica Deslizamiento de Polos
Proteccin Diferencial (87G)
Proteccin Unitaria Rpida Baja Impedancia (Z) Alta Impedancia (Z) Diseado para aplicaciones de reles redundantes
Conexiones para Proteccin Diferencial Polarizada
Rel TC Entradas
TC Entradas
Proteccin Diferencial Polarizada Caractersticas de Operacin 3eK 2 die nt
Corriente Diferencial (x In) 2 =I1 +I 2 1
Operacin
Alta sensibilidad (5%)0
RestriccinK1 1 2 3 4
Polarizacin efectiva (x In) = I1 + I2 2
Pe n
High Impedance Differential
TCs
TCs
Metrosil (si reqdo)
Resistencia De Estabilizacin Entradas de TC IA2, IB2, IC2
La resistencia de estabilizacin se dimensiona para asegurar la estabilidad ante fallas externas
Proteccin inter-espiras
IA2
IB2
IC2
Ajuste independiente de corriente por fase Temporizacin de tiempo fijo de una sola etapa
Proteccin de Falla a Tierra (E/F) (1)
E/F Medida Estandar E/F Direccional Sensitivo E/F 100% Estator E/F Direccional Derivada Desplazamiento Tension Neutro
E/F Estandar Derivada E/F Sensitivo E/F Wattimtrico REF Alta Impedancia REF Baja Impedancia
Proteccin Falla a Tierra Estator
0V
Tensin de Bornes, V
50N 51N
x50N Instantneo para generadores conectados indirectamente 51N Temporizado para generadores conectados directamente Tpicamente 95% del arrollamiento protegido (x = 5%)
Proteccin Sobretensin Residual/ Desplazamiento del Neutro Falla a Tierra
1 3 2
Rel
(1) Medicin Derivada desde un TT 3 x 1 fase (2) Medicin Directa desde un TT conexin delta abierto (3) Medicin Directa a travs de una resistencia de puesta a tierra
Conexion para un REF polarizado2000/1 ?
500/1 ?
Rel TC entrada BornesEntrada
Mquinas mas pequeas pueden tener solamente un TC en el neutro
TC E/F
Caracterstica de Operacin de una Proteccin REF Polarizada
3
Alta sensibilidad (5%) Proteccin Unitaria RAPIDA
1 K1 0 1
Pe n
=IA +I B +I C +k.I N
Restriccin2 3 4 N
Polarizacin Efectiva (x In) = Max. corriente de fase + k . I 2
die
nt
Corriente Diferencial (x In)
2
Operacin
eK 2
REF Alta Impedancia
TC Neutro
IF Metrosil (si se req.) Resistencia Estabilizante Entrada SEF
La resistencia estabilizante se dimensiona para asegurar la estabilidad para fallas externas
Proteccin de falla a tierra estator 100%
Metodo de la tensin de tercera armnica No se requiere inyeccin de seal alguna Unido con 59N provee 100% de proteccin ante fallas a tierra en el estator
Proteccin de falla a tierra estator 100%
1 3 2
Rel
(2) (3)
Sobretensin de 3ra armnica Mnima tensin de 3ra armnica Mnima tensin de 3ra armnica supervizada por mnima tensin trifsica y W/VA/Var en bornes del generador
Proteccin de falla a tierra estator 100%a) G N T 0 N 50% UNE UNE b) G N T 0 N 50% m UTE UTE T 100% m UTE UTE T 100%
c) G 0 N UNE UNE
N
T
50%
100%
mP2175ena
Distribucin de la tensin de 3ra armnica a lo largo del arrollamiento del estator (a) operacin normal (b) falla a tierra en el estator en el punto neutro (c) falla a tierra en el estator en bornes
Proteccin de Respaldo Sobrecorriente de fases 50/51
50
Mquinas Pequeas Proteccin de sobrec. temporizado Proteccin de sobrecarga simple Sobrec. Inst.,seudo diferencialFLCGen FL
51
Corriente De falla
Curva Tpica de decremento de una corr. de falla en el Generator
Corriente de plena carga 0.25s 0.5s
Tiempo desde El inicio de falla
La proteccin de sobrecorriente es respaldo para fallas externas Debe ser selectivo con las protecciones de los alimentadores Requiere ser dependiente de la tensin para corriente de fallas inferiores a la corriente de plena carga
Proteccin de sobrec. dependiente de la tensin y/o mnima impedancia
I> k.I> Falla Carga
I> k.I> Tension bornes Control de tensin Falla Carga
Tensin bornes Restriccin de Tensin X Falla Carga R Mnima impedancia
Tres mtodos Proteccin de respaldo para fallas en el sistema 2 etapas de mnima impedancia
Caractersticas de tiempo inverso de los elementos de sobrec. de fases y tierra
Curvas IECTiempo de Operacin (s) 1000
Curvas IEEEIEC SI IEC VI IEC EI IEC LTSTiempo de Operacin (s) 100 US MI US VI US EI US I US SI
100
10 10 1 1
0.1
0.1 1 10 100 Corriente (Multiplos de Is) 1 10 100 Corriente (Multiplos de Is)
Proteccin de falla de Excitacin
X
x
Carga R
Impedancia de falla de campo
Angulo de alarma Factor de Potencia
FFail2 FFail1Tipo Mho con Temporizacin Convencional Tipo Mho rpido adicional Alarma al exceder factor de potencia en adelanto
Proteccin Convencional de Deslizamiento de PolosX
Lnea de Reactancia
ZA
BlindajeZC
Zona 2 Zona 1
Lenticular
R
ZB
Proteccin de deslizamiento de polos - 78
Caracterstica Lenticular Convencional (lens) 2 Zonas definidas por la lnea de reactancia Zona 1 deslizamiento de polos en el generador Zona 2 deslizamiento de polos en el sist.de potencia Contadores Separados por zona (1-20) Ajustado para detectar desliz. de polos cuando: Genera Se Motoriza Ambos
Proteccin de deslizamiento de polos - 78
Deslizamiento de Polos cuando genera Posicin de Imp. en RHS de la caract. lenticular La impedancia cruza el lente por RHS Impedancia demora >T1 (15ms) en RHS del lente Impedancia demora>T2 (15ms) en LHS del lente Impedancia deja el lente en LHS Contador de Zona 1 y 2 se incrementa si esta en Z1 Contador Zona 2 se incrementa si esta en Z2 Dispara cuando el valor de contador de zona es excedido El deslizamiento de polos cuando se motoriza es todo lo contrario
Proteccin de Potencia 32R, 32L y 32O
Elemento de 2 etapas (3ph ajuste min 2% Pn) Seleccin del modo de operacin de Generador/Motor Cada etapa puede ser ajustado a: Inversin de potencia Sobrepotencia Potencia baja Interbloqueo para parada no urgente, (generando) LFP Disparo para falla de mquina prima, (generando) RP Alarma simple de sobrecarga, (generando) OP Proteccin de prdida de carga (motor) LFP
Proteccin Sensitiva de Potencia - 332R, 32L y 32O
Elemento de 2 etapas de potencia Cada etapa puede ser ajustado a: Inversin de potencia Sobrepotencia Potencia baja Potencia monofsica usando la entrada de SEF Ajuste mnimo de 0.5% Pn
Proteccin Trmica del Rotor
Cargas desbal. originan corrientes de sec. negativa Deslizamiento con frecuencia doble Sobrecalentamiento rpido del rotor
Proteccin Trmica del Rotor
Secuencia Negativa (46) La curva rplica trmica del P340 protege ante el sobrecalentamiento del rotor, modelando con precisin la temperatura del rotor Se aproxima a I22 t = K cuando I2 esta encima del lmite Caracterstica de reposicin ajustable en forma exponencial Salida de alarma separada con ajuste de tiempo fijo
Proteccin Trmica del Estator
Medicin de corriente Proteccin de sobrepotencia Elemento de sobrecorriente Rplica trmica Sondas RTD Sonda de platino PT100 Embebido en la mquina Alarma y disparo para cada RTD
Proteccin de Sobrecarga
Rplica Trmica para sobrecarga del estatorMedicin de corriente sobre I1 y I2 Constantes de tiempo de calentamiento y enfriamiento Memoria no-voltil del estado trmico Salida de alarma
Tiempo
Corriente
Frecuencia anormal y condiciones de tensin
Proteccin ante mala operacin del governador y AVR Baja Frecuencia (81U)4 Etapas de baja frecuencia Proteccin ante vibracin de turbina a bajas frecuencias Rechazo de carga multi etapa
Mnima Tensin (27)2 etapas de mnima tensin Alarma Etapa Final de respaldo
Sobrefrecuencia (81O)2 etapas de sobrefrecuencia Puede ser usado como adicional Se requiere etapas de mnima frecuencia
Sobre Tensin (59)2 etapas de sobre tensin Alarma Disparo despues de rechazo de carga
Proteccin de Sobreflujo
1000
Elemento de 2 etapasTiempo de Operacin (s)
100
Proteccin de generador y transformador
10
1
1
1.1
1.2
1.3
1.4
V / Hz Ajuste
Coordinar con la caracterstica de sostenimiento de la planta
Energizacin Intempestiva 50 27
&VTS
tPU tDO
&
Disparo
Elemento de sobrecorriente detecta el cierre del interuptor o la corriente de arranque (como motor) Se detecta mnima tensin trifsica La funcin VTS chequea que no se tienen anomalias en los TT
Proteccin P340 Adecuado a la Capacidad de la Mquina
MW
lmite de Corriente del estator
FP nominal Lmite de Potencia
1 Prdida de sincronismo
2 Corriente Max. de campo Atrazo 1 2 3 32O Sobrecarga 51P / RTD Trmico Alarma falla de campo MVar
3
Adelanto
Grupos alternativos de ajustes
Cuatro grupos de ajustes: 1 to 4 Cada grupo consiste de todos los ajustes de proteccin y esquemas Los grupos de ajustes 2/3/4 se pueden deshabilitar El grupo de ajuste activo se puede seleccionar desde:Entradas digitales o Ajustes del rel
Uso de Grupos de Ajuste Alternativo Ejemplo :Unidades bomba-generador Cuando trabajan como generadores, la proteccin puede ser como sigue: 87G 27 & 59 81U & 81O 32R 51N 40 51V 46 Diferencial de Generator Mnima y sobre tensin Mnima y sobrefrecuencia Inversin de potencia Falla a tierra del estator Prdida de excitacin Sobrecorriente dependiente de la tensin Secuencia negativa
1 2 3 4 Cuatro grupos disponibles
Cuando trabajan como bombas, las funciones de proteccin aplicadas pueden cambiar
Supervisin del TCA B C
O
VO
&
T
Alarmas Bloqueo Registro De Evento
Supervisin de los TTA B CLgica I y 2 Lgica 3 y carga Lgica 3 y energisacin Entrada Digital con MCB
VTS
Falla del interruptor
Trip respaldo
Retrip Trip BF inicio De otros relesMiCOM_60
Dos etapas Reposicin rpida Inicio externo Esquema de bloqueo compatible
Esquema lgico Programable
Optos
Puerta Logica
Contactos del rele
Elementos Protecin
Esquema Lgico Fijado
TemporisadoresLEDs
Esquema lgico programable del usuario
Ejemplo Esquema PSL: Supervisin del Circuito de disparo
Trip Interruptor Trip Opto 52a 52b Trip coil
Opto OR gate Opto 1 Opto 2 DDO Timer 400ms Contacto de salida LED Programable Alarma del Usuario Lgica de Blokeo
>1
Esquema Logico para el PSL
Superivisin del Disparo Usando el PSL (1)
Opto Seal agregada y seleccionada de la lista
Supervisin del Disparo Usando el PSL (2)
Temporisacin a la cada para prevenir la operacin Durante transitorios
Supervisin del Disparo Usando el PSL (3)
Falla del circuito de disparo, mapeo al Contacto, LED y Indicacin de Alarma
I/Os Variables (1)
ReleTamao 8 Case Minim 8 inputs / 7 output Opcional 8 opto inputs/8 relay outputs/4 optos+4 relays
Transformer Board
Relay(8) / Opto / 4+4
Relay Board (7)
Power supply
Input Board
IRIG-B
Power supply
Rele
Relay Board (7) Input Board Transformer BoardRTD / Relay(8) / Opto /4x4
IRIG-B
Power supply Relay Board (8) Relay Board (8) Opto Board Input Board Transformer Board
I/Os Variables (2)
Relay(8) /Opto RTD Board IRIG-B
Tamao 8 Case - Minimo 8 inputs / 7 outputs (opcional 8I/8O/4I+4O) Tamao 12 Case - Minimo 16 Inputs / 16 Outputs (opcional 8I/8O)
Power supply Relay Board (7) Relay Board (7) Opto Board Auxilliary Transformer Board Input Board Transformer BoardRTD / Opto / Relay(8)
Rele
IRIG-B
Power supply Relay Board (8) Relay Board (8) Relay Board (8) Opto Board Opto Board Auxilliary Transformer Board Input Board Transformer BoardRelay (8) / Opto
I/Os Variables (3)
Tamao 12 Case - Minimo 16 inputs / 14 outputs (opcional 8I/8O) Tamao 16 Case - Minimo 24 Inputs / 24 Outputs (opcional 8I/8O)
RTD Board IRIG-B
Opto Inputs Universal (1)
24-250V dc
Cada opto puede ser programado para la tensin nominal de bateria (24/27, 30/34V, 48/54V, 110/125V, 220/250V) Cada opto puede tener una tensin de entrada diferente Ejem. Para disparo, seales, etc
Opto Inputs Universal (2)
Especificacin On / Logic 1 at V>80% Off / Logic 0 at V< 60% Elimina el flikeo durante falla a tierra en las baterias.
Nuevos Outputs de reles
Manufacturer ALSTO M ALSTO M
Relay Phase 1 PX40 contacts Phase 2 PX40 contacts
Continuou Short term current (A) Dc power breaking s current (W) rating (A) 3s 1s 0.75s 0.5s Resistive Inductive 5 30 50 25 10 30 60 50 62.5
Los contactos nuevos en la familia de reles con mayor capacidad de interrupcin de corriente
2nd Puerto Posterior de Comunicacin
RS232/K-Bus/RS485 compatibleMenu selecionable de acuerdo al protocolo del 1er puerto de comunicacin
Seleccin de Menu del modo RS232/RS48511 bit para coneccin local (IEC60870 FT1.2) 10 bit (no parity bit) para modems
IRIG-B Courier Port (RS232/RS485)
Montado en el slot del IRIG-B y comunicacin de fibra existente
Intertripping Port (RS232) (Not supported yet)
2nd Puerto Posterior de comunicacinsMaster 1 Master 2
Protocolo Selecionado CourierDos puertos posteriores de comunicacions para dos estaciones maestra separadas configuradas segn esquema previo. Puertos para coneccin a:RTU, modem, PC Master Estacion etc.
Puerto Frontal conectado a Laptop PC
Beneficios de reles digitales
Mas integracin, menos espacio en panel, menos intercableado, costo de instalacin menor Registros y mediciones amplias reemplaza a los indicadores de cuadro/transductores/registradores de fallas Contactos NO y NC manejados en forma grafica con el PSL reemplaza las funciones del PLC El autochequeo, reduce la necesidad de las pruebas peridicas de inyeccin secundaria. Se puede aplicar proteccin redundante, por ser el costo menor.
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