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DISEÑO Y CÁLCULO ELÉCTRICO DE UNA PLANTA DE COGENERACIÓN AL CAMP DE TARRAGONA

TITULACIÓN: Ingeniería Técnica Industrial en Electricidad

AUTOR: Eduardo Barbero. DIRECTOR: Sr. Lluís Massagues. FECHA: Mayo del 2012

DISEÑO Y CÁLCULO ELÉCTRICO DE UNA PLANTA DE COGENERACIÓN AL CAMP DE TARRAGONA

1. ÍNDICE. ………………………………...…………………………………….…… 3 2. MEMORIA DESCRIPTIVA. ……………………………..………………….. 6 3. MEMORIA DE CÁLCULO. ……………………….………………..…….. 39 4. PLANOS. …………….……………………………………….…………….….. 110 5.

PRESUPUESTO. ……………………..…………………………….…..….. 119

6.

PLIEGOS DE CONDICIONES. ……………………...…………….….. 126

7. ANEXOS. ………….……………………………………………………….….. 130

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1. ÍNDICE……………………………………………………………………….…… 3 2. MEMORIA DESCRIPTIVA. ……………………………..………………….. 6 2.1 Hoja de identificación……………………………………………………....... 7 2.2 Antecedentes……………………………………………………………….... 8 2.3 Situación y emplazamiento…………………………………………………... 9 2.4 Justificación de la unidad de cogeneración………………………………… 10 2.5 Descripción general del proceso de cogeneración………………………..... 11 2.5.1 Características de la turbina de gas…………….…………..…………... 17 2.5.2 Características del alternador…………………………..…………..…... 19 2.5.3 Características caldera recuperación de calor………………………...... 20 2.5.4 Características técnicas motor de arranque de la turbina……………..... 22 2.6 Descripción proceso de cogeneración……………………….....…………... 23 2.7 Control y protecciones…………………………………………...……….... 25 2.7.1 Protecciones eléctricas del alternador………………………………...... 27 2.7.1.1 Las protecciones de apoyo……………………….……….......... 29 2.7.1.2 Protección de generador y transformador…………………........ 30 2.7.1.2.1.1 Protección contra fallos entre fases………….….….. 30 2.7.1.2.1.2 Protección contra desequilibrios………………..….. 30 2.7.1.2.1.3 Protección contra retorno de potencia………..…….. 31 2.7.1.2.1.4 Protección contra fallos a tierra………………...….. 31 2.7.1.2.1.5 Protección contra pérdida de excitación………..….. 11 2.7.1.2.1.6 Protección contra sobretensiones……………….….. 32 2.7.1.2.1.7 Protección diferencial del transformador……….….. 32 2.8 Canalizaciones de cables……………………………………………….….. 35 2.8.1 Zanjas……………………………………………………………….….. 35 2.8.2 Tubos………………………………………………………………..….. 36 2.8.3 Cable 15 KV…………………………………………………...……….. 37 2.8.4 Cable 66 KV………………………………………………………...….. 38

3. MEMORIA DE CÁLCULO…………………………………………..…….. 39 3.1 Cálculos de las protecciones ajustes de cada relé y coordinación……...….. 40 3.1.1 Relé 32 Direccionalidad de potencia……………………………….….. 40 3.1.2 Relé 46 Desequilibrio o inversión de fases estator…………………….. 44 3.1.3 Relé 87G Diferencial del generador………………………….……….... 52 3.1.4 Relé 64G Protección de fase a tierra generador………………….…….. 56 3.1.5 Relé 64B Protección falta a tierra cables y transformador………….….. 59 3.1.6 Relé 59G1 Protección sobretensión del generador…………………….. 63 3.1.7 Relé 59G2 Protección sobretensión del generador…………………….. 66 3.1.8 Relé 40 Relé de pérdida de excitación………………………………..... 69 3.1.9 Relé 27 Relé de mínima impedancia o falta de tensión (subtensión) …. 74 3.1.10 Relé 21 Mínima impedancia………………………………………….... 77 3.1.11 Relé 64T Circulación por cuba transformador……………………...….. 81 4

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3.1.12 Relé 51G Protección sobreintensidad generador……………………..... 85 3.1.13 Relé 87T Diferencial del transformador……………………………….. 90 3.1.14 Relé 87B Diferencial del transformador……………………………….. 95 3.1.15 Relé 64F Falta a tierra Rotor………………………………………….. 100 3.1.16 Relé 64TN Circulación por neutro de transformador………..……….. 103 3.2 Cálculos de cables……………………………………………………….... 105 3.2.1 Cálculo de cable 15KV……………………………………………….. 106 3.2.1.1 Sección mínima por intensidad cortocircuito……………...….. 106 3.2.1.2 Comprobación por intensidad de la sección elegida………….. 107 3.2.1.3 Comprobación por caída de tensión de la sección elegida…..... 108 3.2.1.4 Comprobación de la sección de la pantalla metálica……...….. 109

4. PLANOS ……………………………………………………………………….. 110 4.1 Situación………………………………………………………………….. 111 4.2 Emplazamiento ……………………………………………………….….. 112 4.3 Emplazamiento Cogeneración ………………...……………………..….. 113 4.4 Esquema de la instalación de Cogeneración con turbina de gas ……...….. 114 4.5 Esquema unifilar de potencia ………..………………………………..….. 115 4.6 Esquema multifilar protecciones grupo cogeneración…………………..... 116 4.7 Esquema multifilar de potencia ……………………..………………...….. 117 4.8 Esquema multifilar de protecciones y ajustes. ……………………..…….. 118

5. PRESUPUESTO…………………………………………………………..….. 119 5.1 Cuadro de Descompuestos…………………………………………….….. 120 5.2 Resumen del presupuesto……………………………………………...….. 125

6. PLIEGOS DE CONDICIONES……………………………………….….. 126 6.1 Normas legales y reglamentos aplicables a las especificaciones técnicas.....127

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7. ANEXOS. ………………………………………………………………….….. 130 7.1 Decreto 19384/ 5 setiembre 1985 7.2 Relé LGPG 111 7.3 Relé sobreintensidad 7.4 Funciones de los dispositivos 7.5 Excitación

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2. MEMORIA DESCRIPTIVA

TITULACIÓN: Ingeniería técnica industrial especialidad electricidad

AUTOR: Eduardo Barbero. DIRECTOR: Sr. Lluís Massagues. FECHA: 1 / 02/ 2012

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2.1 HOJA IDENTIFICACIÓN Titulo del proyecto: Diseño y cálculo eléctrico de una planta de cogeneración al Camp de Tarragona Encargado por: REPSOL PETROLEO SA. Autor del proyecto: Eduardo Barbero Espinosa, estudiante de ingeniería técnica industrial especialidad electricidad con DNI 39923649-L; con dirección profesional Avinguda del Casteller nº32 (Reus), tlfno 650666584 email: [email protected] Dirección del proyecto: Dr. Lluis Massagues Vidal, tlfno: 977559695 email: [email protected] Fecha y firma:

1 / 02/ 2012

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2.2 ANTECEDENTES

El complejo industrial de REPSOL PETROLEO SA. se encuentra en los términos municipales de La Pobla de Mafumet y El Morell en la provincia de Tarragona. REPSOL PETRÓLEO tiene el objetivo de transformar el petróleo en sus derivados como por ejemplo gasolina, gasoil, nafta, etileno, etc. Este complejo industrial dispone de dos unidades de cogeneración y en este proyecto nos centraremos en la unidad de cogeneración nº2. En el Complejo Industrial de REPSOL PETROLEO SA. se compraba electricidad en los años 80 a la red eléctrica de FECSA- ENDESA y se producía vapor (109,8 Tm/h a 40 Kg/cm²). Las calderas funcionaban con combustible fuel-oil y la empresa REPSOL PETROLEO SA. para poder mejorar su rendimiento energético y conseguir un importante ahorro económico (ver apartado 2.4) construyó dos unidades de cogeneración constituidas por turbina de gas, caldera de recuperación, alternador, transformador y los servicios auxiliares. El alternador accionado por la turbina de gas tiene las siguientes características: Potencia nominal:

53,1 MVA

Factor Potencia:

0,9

Tensión nominal:

11 KV ± 10%

Intensidad nominal:

2780 A

La energía generada es transformada mediante un generador de 50/60 MVA ONAN/ONAF a 11/66 KV para su conexión a la red de 66 KV. La conexión se realizará por medio de cables aislados 36/66 KV de 4 (1 x 500 mm² Al).

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2.3 SITUACIÓN Y EMPLAZAMIENTO El complejo industrial de REPSOL PETROLEO SA. se encuentra en los términos municipales de La Pobla de Mafumet y El MORELL en la provincia de Tarragona. Las vías principales de comunicación más importantes del complejo desde Tarragona son la carretera Nacional 240 y la autopista AP-7. Para acceder al complejo industrial se tendrá que utilizar la carretera T-721. En el plano nº1 podrá consultar la situación del complejo y en el plano nº2 el emplazamiento. En los planos nº 3 y nº4 podrá ver el emplazamiento de la unidad de cogeneración dentro del complejo industrial.

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2.4

JUSTIFICACIÓN DE LA UNIDAD DE COGENERACIÓN

REPSOL PETRÓLEO tiene el objetivo de transformar el petróleo en sus derivados como por ejemplo gasolina, gasoil, nafta, etileno, etc. La transformación del petróleo en sus derivados se consigue mediante la aportación de calor en forma de vapor. Este sistema fue implantado en los años 70, y se producía el calor mediante calderas de gas. Con la implantación de una planta de cogeneración se pretende introducir en las calderas de gas, el vapor producido en la planta de cogeneraciónPor este motivo, se tiene que dimensionar la turbina para producir el vapor y la energía necesaria suficiente para poder arrastrar el generador eléctrico. Con la instalación de las unidades de cogeneración se consigue: -

Reducir el coste de operación al reducir el coste de la energía eléctrica consumida por REPSOL PETRÓLEO SA. Mejorar el rendimiento energético Reducir el impacto ambiental.

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2.5 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO DE COGENERACIÓN El sistema de cogeneración está principalmente compuesto por una turbina de gas con su alternador y una caldera de recuperación de calor de los gases de escape de la turbina. La turbina realiza dos funciones: -

Producir energía eléctrica a través del alternador que arrastre Ceder a la caldera de recuperación de calor los gases de escape de alta temperatura.

La turbina se alimentará con gas natural con una presión de 23 Kg/ cm² y la caldera de recuperación de calor producirá vapor de media y alta presión. Los gases calientes tras la combustión se expanden en la turbina que arrastra al generador eléctrico, enfriándose hasta una temperatura de 542 ºC, y son conducidos hasta la caldera de recuperación de calor donde son expulsados a la atmósfera a una temperatura de 187 º C. La planta de cogeneración permite al Complejo Industrial de REPSOL PETROLEO SA. operar en modo isla. El modo isla consiste en que el complejo industrial no recibe ninguna corriente eléctrica de las líneas de alta tensión de FECSA-ENDESA y toda la electricidad que necesita el complejo se produce en las dos plantas de cogeneración con las que cuenta el complejo. En modo isla los interruptores de línea estarán abiertos. Si se produce un corte eléctrico o alguna perturbación en las líneas eléctricas de FECSA-ENDESA el complejo pasaría a funcionar el modo isla permitiendo el correcto funcionamiento de las instalaciones sin recibir electricidad del exterior del complejo.

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Existes diferentes tipos de tecnologías de cogeneración. Pero en nuestro caso, elegiríamos la tecnología de “Turbina de Gas” porque se ajusta a la potencia eléctrica necesaria y tiene un coste menor que las “turbinas de vapor”.

Tabla 1 Tecnologías comerciales de cogeneración

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Figura 1 Esquema Planta de Cogeneración con turbina gas

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Como el complejo industrial funciona las 24h del día, habitualmente las unidades de cogeneración funcionan en paralelo con la red eléctrica durante las horas punta de consumo eléctrico y en cambio el complejo industrial funcionará conectado a la red eléctrica de FECSA-ENDESA durante las horas valle. Con esta medida se puede conseguir un importante ahorro económico a la empresa debido a que el precio de la electricidad en las horas valle es muy inferior al precio de la electricidad en las horas punta (ver Fig. 2).

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Figura 2 Precio medio del mercado eléctrico 16

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Demanda eléctrica en el Estado Español según Red Eléctrica de España (REE):

Figura 3 Curvas de carga de potencia media horaria

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2.5.1 Características de la turbina de gas

La turbina de gas es del modelo PG 6541 (B) de EGT-GEC ALSTHOM de potencia 185.000 W y que gira a una velocidad de 5114 rpm. Temperatura máxima:

1106ºC

Velocidad máxima en el extremo:

438 m/s

El grupo turbina de gas consta de: -

Compresor con álabes de entrada variable y adaptado para lavado (off-line online) Turbina de gas tipo “Heavy Duty” Sistema de adaptación para inyección de vapor (aumento de potencia) Sistema de combustión para gas natural, gas de refinería, destilado ligero y pesado Dos detectores de gas Sistema detección incendios

La potencia generada por la turbina depende de las condiciones ambientales y de la carga a la que esté trabajando. La carga habitual de trabajo será la carga base, aunque puede operar a cualquier carga por debajo de esta e incluso por encima de ésta, en carga pico y durante periodos cortos. En operación normal de la planta no se realizará inyección de vapor, pero si el operador lo desea puede inyectar vapor a 19 ± 1kg/cm² y 260 ± 8ºC procedente de la caldera de recuperación de calor. El objeto de ésta inyección de vapor es el aumento de la potencia generada por la turbina, lográndose como efecto adicional una reducción en la emisión de NOx. La turbina de gas requiere de una fuente externa de energía eléctrica para arrancar. Para arrancar la unidad de cogeneración se puede utilizar tanto la red eléctrica de FECSA-ENDESA como el sistema eléctrico de emergencia del polígono formado por generadores diesel. Este sistema es usado para alimentar el motor de arranque y los demás sistemas auxiliares de la turbina. Una vez la turbina de gas está en servicio, todos los consumos propios del paquete turbina, proceden del alternador de la turbina de gas tras pasar por el trasformador de auxiliares. Durante el arranque, aumento de carga y operación normal, los sistemas de la turbina de gas son controlados por el centro de control de la turbina, que será un SPEEDTRONIC MARK V.

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Las entradas y los ajustes de valores de referencia del operador podrán introducirse en el MARK V por medio de órdenes dadas en la cabina de control local de la turbina de gas o por medio de pulsadores dedicados para las señales principales en la sala de control. La mezcla o cambio de combustible no afecta al funcionamiento de la turbina de gas siempre que la velocidad de variación del índice de Wobbe sea inferior o igual a 0,3% por segundo. El control del sistema de inyección de vapor antes mencionado está incorporado en el Mark V y puede ser ajustado o puesto en fuera de servicio desde la cabina de control local o desde la sala de control de la planta. El aire que llega al compresor de la turbina ha de haber sido filtrado previamente por un filtro (modelo GDX DONALDSON).

Figura 4 Rendimiento de una turbina de gas

Relación Potencia eléctrica/térmica: Rendimiento eléctrico: Rendimiento térmico: Combustible:

0,5-0,8 25-40% 40-60% gas natural, líquidos ligeros

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2.5.2 Características del alternador El alternador accionado por la turbina de gas tiene las siguientes características: Potencia nominal:

53,1 MVA

Factor Potencia:

0,9

Tensión nominal:

11 KV ± 10%

Intensidad nominal:

2780 A

Velocidad:

3000 rpm.

Peso total aproximado:

92200 Kg

La energía generada es transformada mediante un generador de 50/60 MVA ONAN/ONAF a 11/66 KV para su conexión a la red de 66 KV. Ver ANEXO para más información sobre la excitación del alternador.

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2.5.3 Características caldera de recuperación de calor

La caldera de recuperación de calor de los gases de escape de la turbina de gas es una unidad horizontal de construcción modular y circulación natural (no requiere de ninguna bomba para conseguir la circulación de los gases) que dispone de un quemador postcombustión de gas natural (ver plano nº4) y está prevista para una instalación a la intemperie. Las condiciones de la salida del vapor generado en esta caldera son: Vapor de alta presión:

40 kg/cm² 390ºC

Vapor de media presión a suministrar a la turbina de gas:

20 Kg/cm² 260ºC

Vapor de media presión a suministrar a la red de la refinería:

16 Kg/cm² 235ºC

El equipo de recuperación de calor propuesto está diseñado para recuperar el calor sensible de los gases de escape de una turbina de gas de aproximadamente 38 MW eléctricos para producir vapor a dos niveles de presión. Los gases de escape de la turbina serán llevados a través de un conducto hasta la caldera de recuperación, en donde cederán su calor en las diversas secciones de intercambio de las que está constituida, para producir vapor tras lo que son enviados a la atmósfera a través de una chimenea. Con el fin de adecuar la producción de vapor de la unidad a los requerimientos establecidos, se instalará en el conducto de paso de gases de turbina a caldera, un quemador de postcombustión en el conducto, que permita elevar la temperatura de los gases hasta el valor deseado. Este quemador aprovechara el contenido en oxígeno de los gases de escape de la turbina, aunque puede requerir en algún caso puntual del aporte de aire exterior. La instalación está diseñada para funcionar con un sistema de aire ambiente. Para ello la potencia del quemador ha sido aumentada en relación a la necesaria de no haberse contemplado este requerimiento, ya que en este modo de funcionamiento no se cuenta con la aportación térmica de la turbina.

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Para este modo de operación se instalará un ventilador de aire ambiente que introducirá un caudal de aire ambiente similar al flujo de gases de la turbina cuando ésta se encuentra en su carga base. La producción máxima de vapor en operación normal, es decir turbina con carga base y caldera funcionando sin postcombustión, será de 70Tm/h a 40kg/cm² y 390ºC y 6,1 Tm/h a 16kg/cm² y 235ºC. El combustible a emplear en postcombustión será gas natural con presión de alimentación de unos 3,5kg/cm².

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2.5.4 Características técnicas del motor de arranque de la turbina

Potencia nominal:

450 KW

Tensión Nominal

6 KV

Frecuencia:

50 Hz

Velocidad:

3000 rpm

Cos PHI:

0,9

Rendimiento:

91,8 %

Par nominal:

2,35 N·m

Par arranque:

0,85 N·m

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2.6

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE COGENERACIÓN

La cogeneración es un sistema alternativo, de alta eficiencia energética, que permite reducir de forma importante la factura energética de ciertas empresas, sin alterar su proceso productivo. (Ver Plano nº5) Se define la cogeneración como la producción conjunta, por el propio usuario, de electricidad o energía mecánica y energía térmica útil. Este aprovechamiento simultáneo del calor, que conlleva un rendimiento global más elevado, es lo que la distingue de la autogeneración, en la cual no hay aprovechamiento térmico como efecto útil secundario. Un compresor alimenta aire a alta presión a una cámara de combustión en la que se inyecta el combustible, que al quemarse generará gases a alta temperatura y presión, que a su vez, alimentan a la turbina donde se expanden generando energía mecánica que se transforma en energía eléctrica a través de un generador acoplado a la flecha de la turbina. Los gases de escape tienen una temperatura que va de 500 a 650 °C. Estos gases son relativamente limpios y por lo tanto se pueden aplicar directamente a procesos de secado, o pueden ser aprovechados para procesos de combustión posteriores, ya que tienen un contenido de oxígeno de alrededor del 15%. Debido a su alta temperatura, estos gases suelen ser empleados a su vez, para producir vapor, que se utiliza en los procesos industriales e inclusive, como veremos más adelante, para generar más energía eléctrica por medio de una turbina de vapor. La cogeneración con turbina de gas resulta muy adecuada para los procesos en los que se requiere una gran cantidad de energía térmica, o en relaciones de calor/electricidad mayores a 2. Esto quiere decir, que esta turbina resulta adecuada para procesos industriales en los que se necesita el doble de energía en forma de calor que electricidad.

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Tabla 2 Datos de la cogeneración en diferentes modos de funcionamiento

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2.7

CONTROL Y PROTECCIONES

En un sistema eléctrico, los generadores constituyen un elemento claramente diferenciado del resto de equipos que constituyen el sistema. Obviamente, en caso de que el sistema este perturbado por cualquier causa (cortocircuito, perdida de estabilidad, descenso de frecuencia, etc.) los generadores han de mantenerse en servicio siempre que sea posible, en un intento de evitar un “apagón” general, que puede tener consecuencias importantes. Esto no siempre es posible debido, principalmente, a sus limitaciones mecánicas y térmicas-. Por otro lado, los generadores, como maquinas rotativas, padecen los disturbios de la red de forma muy diferente a como los sufren el resto de equipos no rotativos. Naturalmente también pueden producirse averías internas en los arrollamientos rotórico y estatórico. Algunas de estas averías, aunque de poca significación en cuanto a magnitud, son muy dañinas para la maquina. La detección de tales faltas internas precisa de sistemas de protección de una cierta sofisticación. Los relés de protección no deben actuar durante el funcionamiento normal de los sistemas mientras que deben estar dispuestos a dominar de forma inmediata las situaciones anormales. Cuando se produce una falta las intensidades generalmente aumentan y las tensiones disminuyen. Además de estos cambios una falta también puede provocar cambios en potencia reactiva, en la potencia activa, en la frecuencia, y los armónicos, etc. Los relés basados en estas perturbaciones deben detectar estas perturbaciones. La información necesaria para detectar una falta la reciben a través de los transformadores de medida instalados en la instalación a proteger. Esta información es recibida por los relés, y en caso de ser necesario, transmitida a través de unos contactos a los circuitos de disparos de los interruptores automáticos. Estos abren los circuitos de la instalación a proteger, aislando los equipos y partes de la instalación, cortando toda la alimentación que pudieran recibir de cualquier fuente de alimentación. Todos los relés o equipos de protección tienen una parte que va acoplada a través de los transformadores de medida y otra parte que va acoplada a los circuitos auxiliares de disparo y control.

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Teóricamente un sistema de protección debería ser capaz de responde a todas las anormalidades del circuito protegido. En la práctica se debe diseñar una protección basándose en los siguientes factores: -

Fiabilidad: grado de certeza de que el relé o sistema de relés funcionará correctamente.

-

Economía: Se ha de conseguir la máxima protección posible al coste mínimo. Considerando el coste del equipo protegido, el coste del relé o sistemas de relés y también la importancia estratégica del equipo protegido, estos es, las consecuencias del fallo (perdidas producción, energía no distribuida etc.)

-

Selectividad: Interrelación de relés e interruptores automáticos, (o fusibles), de modo que su actuación en caso en caso de sobreintensidad deje un mínimo de abonados o cargas fuera de servicio.

-

Velocidad: Se desea conseguir el mínimo tiempo en despejar la falta y reducir así los desperfectos del material.

-

Simplicidad: Realización de la protección con el mínimo de aparatos y cableado posible.

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2.7.1

Protecciones eléctricas del alternador

El alternador está protegido por los relés de protección del armario de control y protección del alternador (armario A 502). Las salidas de los relés están conectadas a la matriz de diodos para seleccionar las alarmas y las ordenes de disparo apropiadas. La presencia de un fallo hace encender el piloto S4 del panel de mando del armario. Al pulsador S4 permite rearmar los relés de disparo. El fallo de puesta a tierra del rotor es detectado en el armario de excitación y regulación del alternador (armario A 501) por el relé K91 que manda un electroimán. El electroimán aplica un contacto en el anillo del rotor durante 10 s El electroimán también puede ser activado manualmente mediante un pulsador.

El armario A502 nos permitirá: -

Recibir las informaciones lógicas y analógicas desde los captadores de la máquina.

-

Visualizar los parámetros lógicos o analógicos

-

Control y mando del generador

-

Visualizar en el armario faltas y alarmas

-

Detectar ordenes de disparo a los disyuntores o a la turbina

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Figura 5 Vista delantera Armario 502

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2.7.1.1 Las protecciones de apoyo

Las protecciones de apoyo se instalan para cubrir los posibles fallos en los propios equipos de las protecciones primarias y, también, los posibles fallos en el interruptor. Todo esquema de protección de apoyo, debe de servir de apoyo tanto para el relé, como para el interruptor o interruptores que acciona. Las causas que pueden producir fallos en el relé son: -

Fallo en los circuitos de alimentación de C.A. por defecto en los transformadores de medida o en sus cables de conexión.

-

Fallo en la fuente de alimentación de los circuitos de disparo y control.

-

Fallo en los dispositivos auxiliares

-

Fallo en el propio relé. Las causas que pueden contribuir al fallo de un interruptor son:

-

Fallo en el circuito de disparo

-

Bobina de disparo en cortocircuito o en circuito abierto

-

Fallo mecánico en el dispositivo de disparo

-

Fallo en los contactos principales del interruptor

La protección de apoyo ideal debe ser instalada de forma que cualquier elemento o dispositivo que produzca, en un algún momento, un fallo en la protección primaria no sea motivo también de fallo en la protección de apoyo. Es por eso que, en casos muy concretos, se pueden duplicar los circuitos de disparo, control y los transformadores de medida. Una condición básica es que la protección de apoyo no opere hasta que la primaria haya tenido la oportunidad de hacerlo. Por ellos, siempre existe una demora asociada a la operación de las protecciones de apoyo. Cuando se produce un cortocircuito arrancan las dos protecciones para operar, pero si la primaria despeja la falta, la de apoyo debe reponerse antes de completar su ciclo de disparo. Si la falta no es despejada por la primaria, al cabo de un cierto tiempo actuara la protección de apoyo, disparando los interruptores necesarios para despejar la falta y aislar el elemento del sistema.

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2.7.1.2 Protección de generador y transformador 2.7.1.2 .1 Protección contra fallos entre fases La protección contra fallos internos del generador, debe asegurarse en lo posible por un relé de protección diferencial. En caso de fallo externo, los relés de sobreintensidad clásica pueden dar problemas a la hora de proteger el generador contra sobreintensidades. En efecto, en el momento del cortocircuito la corriente del generador cambia rápidamente desde unos valores subtransitorios hasta unos valores permanentes, pasando por el periodo transitorio. Si bien la corriente subtransitoria es muy elevada, de 5 a 10 In), la corriente permanente de cortocircuito puede llegar a ser inferior a la nominal de la máquina. Como los relés de sobreintensidad que estén en el alternador deberán estar temporizados para poder coordinar con las protecciones aguas abajo, solamente verán las corrientes permanentes. Con lo cual la solución idónea para poder proteger a los alternadores en estos casos, es poner relés de sobreintensidad. Estos relés desplazan su curva en función de la tensión. De esta forma se pueden detectar los cortocircuitos ya que la tensión en barras disminuirá y el relé desplazara su curva.

2.7.1.2.2 Protección contra desequilibrios

Según la teoría de componentes simétricas, los desequilibrios producen corrientes de naturaleza inversa, que calientan anormalmente las maquinas. Para proteger los generadores contra este tipo de fallo, conviene poner relés de corriente inversa que sigan: 2

 Ii    =K  In 

Siendo K la constante de ajuste del relé e inferior a la constante k de la máquina.

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2.7.1.2 .3 Protección contra retorno de potencia La protección contra retorno de potencia, o anti-motorización, ha de detectar una inversión del sentido de la potencia activa. Este cambio de sentido indica que el alternador está funcionando como motor y está arrastrando a la maquina primaria (turbina de gas). Esta motorización es síntoma de un fallo en el sistema de propulsión y puede producir grandes daños a la maquina arrastrada. Este retorno de potencia puede variar desde un 5% en turbinas de vapor hasta un 25% en motores diesel.

2.7.1.2 .4 Protección contra fallos a la tierra Contra cortocircuito entre fase y tierra: El núcleo del estator se ve forzadamente comprometido cuando tiene lugar un cortocircuito entre fase y tierra del estator de un generador, debido a que, independientemente de la conexión del neutro del generador con respecto a tierra, la carcasa del generador se encuentra conectada a tierra. El daño que originará el cortocircuito a tierra en las láminas del estator estará supeditado a la intensidad de la corriente del cortocircuito y al tiempo que circule dicha corriente. La intensidad de la corriente que circula, para un cortocircuito de fase a tierra en el estator, está condicionada por el tipo de conexión que tiene el neutro del generador. Dicha intensidad será máxima en el caso de que el neutro esté sólidamente conectado a tierra y será mínima si el neutro se encuentra desconectado físicamente de tierra y se opera con un sistema de tipo bloque. Las normas de fabricación de los generadores determinan que los mismos resistirán los esfuerzos térmicos y mecánicos que surgen al producirse un cortocircuito de una fase a tierra en sus bornes, siempre que el valor de la corriente de cortocircuito de una fase a tierra se limite al valor del cortocircuito trifásico a través de la utilización de reactores o resistores entre neutro y tierra.

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2.7.1.2 .5 Protección contra perdida excitación La pérdida de excitación puede producirse por: -

Apertura no intencional del interruptor de campo

-

Circuito de Campo abierto o en Cortocircuito

-

Avería en el regulador automático de tensión

Cuando un generador de cierta carga pierde su excitación, pierde también el sincronismo con la red y pasa a funcionar a una frecuencia superior a la del sistema. En el caso de un generador de polos salientes está dentro del 15 ± 25 % de la potencia nominal. En el caso de turbo alternadores puede ser solo de 3 ± 5 % El resultado es un sobrecalentamiento de la parte final del estator y de rotor si la maquina gira así durante un cierto tiempo. La tensión en bornes del generador varia periódicamente debido a la variación de corriente reactiva absorbida por la red. En los momentos en que la tensión baja podrían fallar los motores de inducción auxiliares lo que ocasionaría la perdida de la central. La pérdida de sincronismo también puede producirse con el circuito de excitación en perfectas condiciones. En este caso, sería debido a cortocircuitos en la red exterior. En estas condiciones el par de la maquina sufrirá fuertes oscilaciones, con variación de corriente, potencia y factor de potencia. Podría recuperarse el sincronismo si la carga se redujese drásticamente, pero si esto no ocurre en pocos segundos, será necesario desconectar el generador de la red y volverlo a sincronizar.

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2.7.1.2 .6 Protección contra sobretensiones Se emplea para proteger máquinas o los transformadores, en caso de servicio separado de red, frente a elevaciones excesivas de tensión, por funcionamiento anómalo del regulador de tensión o falsa maniobra con regulador manual. Los turbogeneradores poseen reactancias transitorias considerables que pueden ocasionar, en casos de desconexiones en plena carga, la aparición de puntas transitorias de tensión, que pueden estar próximas a las máximas solicitaciones de tensión admisible en el generador y transformador y en estos casos es necesario supervisar la rapidez de intervención del regulador de tensión. La protección de sobretensión puede emplearse en dos etapas, la instantánea y la temporizada.

2.7.1.2 .7 Protección diferencial del transformador La protección diferencial es muy útil para detectar faltas que se producen tanto en el interior del transformador como en sus conexiones externas. Hay que tener en cuenta un detalle muy importante, la protección diferencial de un trasformador debe disponer de elementos de filtrado que eviten desconexiones intempestivas debidas a la corriente de excitación. Estos elementos de filtrado son otros relés que actuarán antes que el relé de diferencial del transformador, para evitar desconexiones intempestivas. En las protecciones diferenciales de transformadores se dan algunas circunstancias que dificultan su planteamiento: -

Las corrientes a uno y otro lado del transformador son de distinta magnitud

-

Los transformadores de intensidad al emplear relaciones de transformación distintas no compensan esa diferencia

-

El grupo de conexión del transformador induce un desfase entre las corrientes primaria y secundaria

-

Si los transformadores de intensidad se conectan en estrella no pueden compensar este desfase

-

Si uno de los arrollamiento da falta y el otro no, será preciso filtrar las corrientes homopolares solo en un lado del transformador

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La protección diferencial no solo cubre exclusivamente el transformador, sino que cubre la zona comprendida entre los transformadores de intensidad. Por lo tanto, quedan protegidos todos los equipos que forman parte del bloque de transformación. Los inconvenientes antes citados conducen a introducir en el circuito unas conexiones secundarias complejas debido a la introducción de transformadores de intensidad auxiliares necesarios para compensar las diferencias angular y de magnitud en las corrientes.

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2.8

CANALIZACIONES DE CABLES

La instalación de cables se efectuara, en lo posible, haciendo los cambios de dirección en ángulo recto. En todas las zonas los cables tendrás que ir debidamente protegidos

2.8.1 Zanjas En zonas sin pavimentar el tendido de los cables se efectuara directamente en zanjas abiertas en el terreno. Después de tendidos los cables, rellenada y compactada la zanja, se señalizara el recorrido colocando en el eje de la zanja cada 30 meros y siempre que se cambie de dirección, unos carteles indicadores; también se colocaran señalizadores en las cruces de recorrido y paso de calles. En las zanjas que tengan más de 1m de ancho se colocaran carteles a ambos lados de la zanja En zonas pavimentadas se hará una zanja con paredes de hormigos y fondo de tierra compactada. Una vez tendidos los cables y compactada la arena de rellenos, se remata la zanja con una losa continua de hormigos convenientemente sellada. La resistencia de la losa puede ser la misma que la del resto del pavimento.

La zanja tendrá una altura de 1,2m y una anchura de 1,25m El fondo de la zanja se rellenara con una capa de gravilla clasificada, mas una capa de 150 mm de arena ya que se trata de cables de la misma tensión. Entonces se colocarían los tubos y se añadiría otra capa de 150 mm de arena. Encima se colocaría una cubierta de hormigos coloreado rojo de 50 mm de espesor mínimo, con juntas dilatación cada 2m. El resto de la zanja se llenara con arena de canto rodado. En zonas pavimentadas se suprimirá dicha capa de hormigón.

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2.8.2 Tubos Se utilizaran bloques de tubo de 150 mm de PVC embebidos en hormigón. Se evitara en lo posible el empleo de tubos con longitud inferior al paso de calles y cuando esto sea inevitable se emplearan tubos abocardados. Por cada tubo pasara un solo cable de MT.

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2.8.3 Cable de 15 KV Las características específicas de los cables de media tensión de 15 KV son las siguientes:

Fabricante:

Roque

Tensión nominal:

8,7/15 Kv

Sección a emplear:

3x150 mm²

Material del conductor:

Cobre

Material de la pantalla:

Cobre

Sección mínima de la pantalla:

16 mm²

Formación de la pantalla:

Cinta helicoidal

Aislamiento:

Polietileno reticulado

Armadura:

Corona de alambres acero

Cubierta:

PVC resistencia hidrocar

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2.8.4 Cable de 66 KV Las características específicas de los cables de alta tensión de 66 KV son las siguientes: Fabricante:

Roque

Tensión nominal:

36/66 KV

Sección a emplear:

1x500 mm²

Material del conductor:

Aluminio

Material de la pantalla:

Cobre

Sección mínima de la pantalla:

25 mm²

Formación de la pantalla:

Cinta helicoidal

Aislamiento:

Mezcla a base de etileno-propileno de alto módulo (HERP)

Armadura:

Corona de alambres acero

Cubierta:

Mezcla termoplástica a base de poliolefina (Z1)

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3. MEMORIA DE CÁLCULO

TITULACIÓN: Ingeniería técnica industrial especialidad electricidad

AUTOR: Eduardo Barbero. DIRECTOR: Sr. Lluis Massagues. FECHA: 1 / 02/ 2012

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3.1. CÁLCULOS DE LAS PROTECCIONES, AJUSTES DE CADA RELÉ Y COORDINACIÓN

3.1.1 RELÉ 32

Direccionalidad de potencia

FUNCION: Direccionalidad de potencia TI:

3000/1 A

- 5VA - 5P10

TV:

11000/√3 V : 100/√3 V - 5VA - cl3P

GAMA DE AJUSTE: Umbral:

0.2 a 8 W (pasos de 0,05 W)

Temporización:

0.5 a 10 s (pasos de 0.5 s)

AJUSTES ADOPTADOS: -Pm: 2.70 W T: 2.5 s

DESCRIPCION DEL RELÉ Y SU FUNCION Puede suceder que ante un mal funcionamiento del regulador de velocidad u alguna otra razón similar, la inyección de combustible a la turbina de gas descienda por debajo de lo necesario para mover el compresor. En estas condiciones el generador absorbe potencia del sistema, aun cuando la combustión puede mantenerse estable. (La turbina utiliza hasta un 23% de la potencia desarrollada para mover el compresor en régimen permanente). El relé instalado mide la potencia consumida por el generador eléctrico y cuando esta supera un valor separa la maquina del sistema.

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REQUERIMIENTOS DE COORDINACIÓN Por su característica este relé no necesita coordinar con ningún otro relé del sistema. Debe garantizarse que el relé no dispare ante ninguna oscilación de la maquina impuesta por disturbios en el sistema. Para garantizar esto se debe realizar una simulación en la instalación para garantizar que no se producirán disparos espúreos.

Figura 6 Relé 32 Protección del generador contra protección inversa. 1. Generador 2.Transformador de tensión 3.Transformador de intensidad 4. Relé de retorno 5.Relé temporizado 6. Contacto de dispositivo de desconexión rápida 7. Interruptor Generador 8. Disyuntor Excitación 9. Dispositivo alarma

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CÁLCULOS RELÉ 32 Con el objeto de obtener una sensibilidad aceptable, el relé se ajustará a -5% de la potencia nominal. Como esta protección no necesita una gran precisión, no tomaremos en cuenta los errores debidos a los transformadores de medición. Para evitar disparos no justificados debidos a variaciones transitorias de potencia temporizaremos este relé a 2,5 s

Pm = % Pm ⋅

S nG 3 ⋅ K CT ⋅ KVT

donde: Pm

=

Potencia a ajustar en el relé

% Pm =

Potencia requerida al primario de los transformadores de medición

SnG

=

Potencia nominal generador: 53,1 MVA

KCT

=

Relación transformadores corriente: 3000

KVT

=

Relación transformadores de tensión: 110

Pm = −0,05 ⋅

53,1⋅106 3 ⋅ 3000⋅110

Pm = -2,68 W

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Figura 7 Característica de función de protección contra inversión de potencia.

Tabla 3 Rango del ángulo operativo de la función de protección contra inversión de potencia del LGPG111.

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3.1.2 RELÉ 46

Desequilibrio o inversión de fases estator

FUNCION: Desequilibrio o inversión de fases estator TI:

3000/1 A

- 5VA - 5P20

TV:

11000/√3 V : 100/√3 V - 5VA - cl3P

GAMA DE AJUSTE: Alarma:

Disparo:

I 2>:

0,03 a 0,5 In (pasos de 0,01)

T:

2 a 60 s (pasos de 1 s)

I 2>>:

0,05 a 0,5 In (pasos de 0,01)

k:

2 a 40 s (pasos de 1 s)

tmin:

0,25 a 40 s (pasos de 0,25 s)

tmax:

300 a 2000 s (pasos de 0,25 s)

I 2>>:

I2 máximo requerido (relé)

k:

Capabilidad térmica de operación (constante de capacidad térmica requerida por el relé)

tmin:

Tiempo mínimo de operación

tmax:

Tiempo máximo de operación

AJUSTES ADOPTADOS:

Alarma:

Disparo:

I 2>:

0,05 In

t:

10 s

I 2>>:

0,07 In 45

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k:

6s

tmin:

2s

tmax:

420 s

DESCRIPCION DEL RELÉ Y SU FUNCION El objeto de esta protección es de detectar la componente inversa de la corriente (I2), debida al funcionamiento en desequilibrio del generador y que tendría como consecuencia el calentamiento anormal de este. Las corrientes estatóricas pueden ser desequilibradas cuando los circuitos que alimenta no son equilibrados o cuando se abre alguna fase. Este desequilibrio influye sobre el generador produciendo vibraciones y calentamiento del hierro rotórico por circulación de corriente de secuencia inversa. La componente inversa de la intensidad está dado por:


 

1 · IR a · Is a · IT 3

donde IR, Is, IT son las corrientes por cada una de las fases y a = e j · (2π/3) Cuando la corriente que pasa por el generador supera el valor de 2√3 In el relé adiciona automáticamente una pendiente para insensibilizar al relé y así evitar disparos intempestivos ante perturbaciones externas. El relé utiliza la medida de corriente del estator para determinar el valor de la componente inversa a comparar con el umbral ajustado sobre el relé.

REQUERIMIENTOS DE COORDINACIÓN Por tratarse de una protección propia del generador y que no tiene correspondencia con ninguna otra protección de la red no es necesario ningún tipo de coordinación con otras. Si bien las faltas monofásicas en la red ocasionan corrientes de secuencia inversa, las

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temporizaciones de un relé de este tipo son muy superiores a las de cualquier dispositivo que deba eliminar la falta.

Figura 8. Relé 46, desequilibrio o inversión de fases estator.

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CÁLCULOS RELÉ 46 Los ajustes de este relé son función de las constantes térmicas del generador. La corriente de secuencia inversa tiene como efecto fundamental el calentamiento, y la disipación del mismo es quien gobierna los valores máximos de I2 admisibles.

Datos del generador (ver curva):

- capabilidad de componente inversa permanente:

I2 = 8% In

- constante de tiempo:

I k = 2 ⋅T = 8s In

- corriente nominal:

In= 2780 A

2

Figura 9 Característica térmica de secuencia inversa.

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Figura 10 Componente inversa admisible

Umbral de alarma: Para asegurar un margen de seguridad suficiente, se intentar ajustar el umbral de alarma a alrededor del 80% del valor de la componente inversa permanente del generador.

I2> = 0,8 ⋅ I2 = 0,8 ⋅ 8%In I 2> = 0,8 ⋅

8 2780 ⋅ = 59,3 mA 100 3000

Esta protección deberá operar después de todas las protecciones contra cortocircuitos. Por eso, este umbral se temporizara a: t = 10 s

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Umbral de disparo a tiempo dependiente:

Figura 11 Umbral disparo a tiempo independiente.

I 2>>:

I2 máximo requerido (relé)

K:

Capabilidad térmica de operación

tmin:

Tiempo mínimo de operación

tmax:

Tiempo máximo de operación

Los parámetros del relé (I 2>>, K, tmin, tmax) deben ser elegidos para obtener una curva de disparo que este localizada bajo la curva de capabilidad del generador. La orden de disparo se da cuando el conjunto (I 2/In; t) alcanza la curva de capabilidad del generador. El valor de arranque de la temporización a tiempo dependiente es:

I 2 >> = I 2 = 8 % In

I 2 >> =

8 2780 ⋅ = 74 ,13 mA 100 3000

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I 2 >> = 7,413% de la corriente nominal de entrada del relé. Tenemos que determinar el factor k para obtener una curva de disparo situada debajo de la curva de capabilidad generador. Determinaron factor k:

 In  K = kgenerador ⋅  generador   InTC 

2

2

 2780  K = 8⋅  = 6,86s  3000  Para garantizar un cierto margen de seguridad y obtener un tiempo en el cual las dos curvas se cruzan en un punto superior al valor mínimo de ajuste del relé, el factor k se ajustara a 7. La validez de la curva ajustada se puede comprobar en el diagrama siguiente: In= 2780 A - I2/In = 8% - (I2/In)2 · T= 6,86 s I2/In

MINUTOS

51

Figura 12

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Dado que las formulas matemáticas del generador y del relé son diferentes, deberemos determinar el tiempo para el cual ambas curvas se cruzan y así ajustar la constante de tiempo tmax. Sabemos que para este tipo de máquina el cruce se ubica a alrededor de los 7minutos. Entonces, vamos a determinar este tiempo de manera gráfica haciendo un zoom entre 6,8 y 7,3 minutos.

I2/In

MINUTOS Figura 13. Vemos k tmax. Debe ser inferior a 7 minutos. Tomando en cuenta un margen de seguridad: tmax ≤ 7 · 60 420 s

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3.1.3 RELÉ 87 G

Diferencial del generador

FUNCION: Diferencial del generador TI:

3000/1 A - 35VA - 5P20

TV: ----Transformador de corriente: 3000/1 A 35 VA 5P20 GAMA DE AJUSTE: IS1 = 0,05 a 0,1 In

(pasos de 0,01 In)

k1 = 0% a 20%

(pasos de 1%)

IS2 = 1 a 5 In

(pasos 1 In)

K2 = 10% a 150%

(pasos 10%)

AJUSTES ADOPTADOS: IS1 = 0,05 A k1 = 0% IS2 = 1 A K2 = 10%

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DESCRIPCION DEL RELÉ Y SU FUNCION Este tipo de relé protege al generador contra faltas entre fases y de fase a tierra. Debido a la elevada resistencia de puesta a tierra en el neutro, este relé no llega a detectar faltas a tierra si el generador no está conectado a la red. Por esta razón se complementa con la protección 64G (protección de fase a tierra generador) que si nos da esta protección. Cuando está acoplado a la red ambos relés pueden llegar a disparar para faltas a tierra, dependiendo del lugar donde se produzca la misma. El principio de funcionamiento de esta protección es: la diferencia entre las medidas de corriente lado neutro y lado del transformador se compara al umbral ajustado sobre el relé.

Figura 14 Relé 87G, funcionamiento de la función de protección diferencial del generador

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Figura 15 Característica de funcionamiento de la función de protección diferencial.

REQUERIMIENTOS DE COORDINACIÓN Por tratarse de una protección unitaria debe mandar disparo inmediatamente, por lo que no hay ninguna razón para temporizar este disparo.

CÁLCULOS RELÉ 87G Las recomendaciones del fabricante del relé indican que la protección se debe ajustar según los siguientes paramentos:

IS1 = 0,05 In IS1 = 0,05 · 2780 /3000 = 0,046 A Por tanto IS1 = 0,05 A k1 = 0% IS2 = In IS2 = 2780 /3000 = 0,92 A 55

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Por tanto IS2 = 1 A k2 = 10% Si ∆I ≥ 0,1 A - 0,05 A Si ∆I ≥0,95 A el relé disparará.

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3.1.4 RELÉ 64 G

Protección de fase a tierra generador

FUNCION: Protección de fase a tierra generador TI:

5/1 A - 10 VA - cl 1

TV: ----GAMA DE AJUSTE: Umbral:

0.005 A a 0.5 (pasos 0.005A)

Temporización:

0.1 a 10 s (pasos 0.1 s)

AJUSTES ADOPTADOS: Umbral:

0.110 A

Temporización:

0.2 s

DESCRIPCION DEL RELÉ Y SU FUNCION El objeto de esta protección es de detectar un fallo a tierra localizado en los arrollamientos del estator del generador y/o un fallo a tierra en barras 11kV, cables 11kV y arrollamientos 11kV. El neutro del generador se conecta a tierra por medio de una resistencia de limitación teniendo por función limitar la corriente homopolar a 10A. Dado que los arrollamientos del generador deben ser protegidos al 95%, la protección actuara en cuanto se detecte 5% de la corriente de limitación. El método de puesta a tierra afecta el grado de protección obtenida por los relés diferenciales. Cuanta más alta es la impedancia del neutro, menor es la corriente de falta y es más difícil detectarla. En los casos de generadores puestos a tierra con alta impedancia como en este caso, los relés diferenciales pueden llegar a no actuar para faltas a tierra de una fase. Se

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conseguirá una protección adecuada colocando un relé muy sensible en el neutro del generador. REQUERIMIENTOS DE COORDINACIÓN Dado que esta protección sólo actúa ante faltas en el generador, cables de interconexión o parte del transformador de elevación y no actúa ante faltas externas, no hay ninguna razón para temporizar mucho su disparo. La corriente de falta (limitada a 10 A) es del mismo orden de los fusibles conectados (6.3A). Por ello este relé disparará para faltas también en los TV o el trasformador de servicios auxiliares. Por tanto, la temporización de 0.2 s Se considera correcta y, en caso de producirse esta falta (fase a tierra generador) no se producirán daños (fusión) entre las laminaciones del estator.

Figura 16 Protección 64G con el neutro del generador conectado a tierra mediante una resistencia.

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CÁLCULOS RELÉ 64 G El valor mínimo de la corriente a ajustar es:

1 1 Ie ≥ I (0 ) ⋅ ⋅ (1 + CTa ) ⋅ (1 + Ra ) ⋅ 5 Rp Donde:

I ( 0)

=

corriente de fallo visto al primario TC

CTa

=

precisión del TC = 1%

Ra

=

precisión del relé = 5%

Rp

=

porcentaje de retorno del relé = 95 %

Cuando ocurre un fallo, la corriente mínima vista por el relé es:

I ( 0 ) = 10 ·(1 − 0,95 ) = 0,5 A

Entonces:

1 1 Ie ≥ 0,5 ⋅ ⋅ (1 + 0,01) ⋅ (1 + 0,05) ⋅ = 0,112 A 5 0,95

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3.1.5 RELÉ 64B

Protección falta a tierra cables y transformador

FUNCION: Protección falta a tierra cables y transformador TI:

---

TV: 11000/√3 V : 100/√3 V - 20 VA - cl 10,5 GAMA DE AJUSTE: Umbral:

1 a 25 V (pasos 1 V)

Temporización:

0.5 a 5 s (pasos 0.1 s)

AJUSTES ADOPTADOS: Umbral:

12 V

Temporización:

1,6 s

DESCRIPCION DEL RELÉ Y SU FUNCION El objeto de esta protección es de detectar un fallo a tierra en el 11kV (barras 11kV, generador, cables 11kV y arrollamientos transformadores). La protección diferencial no permite detectar faltas entre espiras, excepto cuando ésta se produce entre bobinados de distintas fases que comparten la misma ranura. Estas faltas pueden producir corrientes elevadas y, eventualmente pueden llegar a dañar el núcleo. La única forma de detectarlas es basarse en las componentes de secuencia cero de las tensiones causadas por la reducción de la f.e.m. en la fase en falta. En este sentido, la protección 64B es un respaldo de la protección 64G. Esta protección (64B) es además útil cuando existe interruptor entre el generador y el trasformador (52G) ya que el transformador elevador puede permanecer en tensión cuando el generador está desconectado.

De esta forma los cables, que conectan el generador con el transformador, y el mismo transformador están protegidos contra falta a tierra por esta protección. 60

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Este relé es un relé electrónico de sobretensión, con un circuito de medición sintonizado a la frecuencia fundamental. Está diseñado para medir tensiones de frecuencia cero en presencia de tensiones armónicas importantes. El principio de funcionamiento es el siguiente: la medida de las tensiones 11kV a través de los transformadores conectados en triangulo abierto cargado por una resistencia se utiliza para determinar el valor de la tensión homopolar a comparar con el umbral ajustado del relé. REQUERIMIENTOS DE COORDINACIÓN Este relé se temporizara para evitar disparos intempestivos debidos a variaciones transitorias. La temporización deberá superar el tiempo de disparo del relé de la protección 64G que es de 0,2 s El ajuste de tiempo de este relé será de 1,6 s

Figura 17 Protección falta a tierra cables y transformador

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CÁLCULOS RELÉ 64 B El valor de la tensión homopolar es:

Vh =

V1 + V2 + V3 3

Tomaremos en cuenta el caso más desfavorable, es decir una fase directamente a tierra.

Figura 18 Diagrama de tensiones sin fallo y durante el fallo

En fallo

Vh =

V1 + V 2 3

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Entonces

3 3 V1 + V2 2 Vh = 2 3 Como

V1 = V2 ⇒ Vh =

3 3 ⋅V = ⋅100 3 3

Vh = 57,7 V Con el objeto de obtener una buena sensibilidad y de evitar alcanzar el valor máximo de la tensión homopolar, el relé se ajustara a 20% de Vh Ve = 0,2 · 57,7 =11,55 V El ajuste elegido será Ve = 12 V.

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3.1.6 RELÉ 59G1

Protección sobretensión del generador.

FUNCION: Protección sobretensión del generador. TI:

---

TV: 11000/√3 V : 100/√3 V - 5VA - cl3P GAMA DE AJUSTE: Umbral:

105 a 185 V (pasos 1 V)

Temporización:

0 a 10 s (pasos 0.1 s)

AJUSTES ADOPTADOS: Umbral:

122 V

Temporización:

3.2 s

DESCRIPCION DEL RELÉ Y SU FUNCION Las sobretensiones que pueden aparecer ya sea por desconexiones o islas en la red exterior y/o por un fallo en el regulador de tensión pueden llegar a dañar el aislamiento. Este relé detecta sobretensiones y desconecta el generador cuando estas sobretensiones exceden un cierto valor durante un tiempo excesivo.

REQUERIMIENTOS DE COORDINACIÓN El relé debe disparar ante valores de tensión anormalmente altos en la red o la planta, pero no debe hacerlo ante las sobretensiones que aparecen posteriores a una reaceleración importante, y antes que el regulador de tensión estabilice la misma, especialmente durante un paso a isla.

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Figura 19 Protección de sobretensión.

Figura 20 Característica de sobretensión

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CÁLCULOS RELÉ 59G1 El valor mínimo de ajuste de la protección es el siguiente:

V ≥ Un ⋅ p ⋅ (1 + VTa ) ⋅ (1 + R a ) ⋅

1 Rp

donde:

Un

= Imagen de la tensión generador al secundario del transformador de tensión

Un

= 100 V

p

=

Tensión máx. permanente (1.1xUn), ajuste a:

1,1

VTa

=

Precisión del transformador de tensión:

3%

Ra

=

Precisión relé:

2.5%

Rp

=

Porcentaje de retorno del relé:

95%

V ≥ 100 ⋅1.1 ⋅ (1 + 0.03) ⋅ (1 + 0.025) ⋅

1 = 122.2 V 0.95

Ajustaremos el relé a 122 V y temporizaremos el relé a 3.2 s con el objetivo de filtrar las sobretensiones transitorias.

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3.1.7 RELÉ 59G2

Protección sobretensión del generador.

FUNCION: Protección sobretensión del generador. TI:

---

TV: 11000/√3 V : 100/√3 V - 5VA - cl3P GAMA DE AJUSTE: Umbral:

105 a 185 V (pasos 1 V)

Temporización:

0 a 10 s (pasos 0.1 s)

AJUSTES ADOPTADOS: Umbral:

130 V

Temporización:

0.8 s

DESCRIPCION DEL RELÉ Y SU FUNCION Este relé y su función complementan a las del relé 59G1. Posee un ajuste más elevado y una Temporización más rápida que el relé 59G1 para disparar el generador ante sobretensiones anormalmente rápidas.

REQUERIMIENTOS DE COORDINACIÓN El ajuste debe ser superior a la máxima sobretensión que aparecería ante un rechazo de carga total, tal como una apertura intempestiva del transformador estando el generador generando su potencia nominal. Por lo tanto, será del orden de entre 125% y 130% de la tensión nominal. El ajuste existente de este relé cumple estas condiciones.

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Figura 21 Protección de sobretensión.

Figura 22 Característica de sobretensión

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CÁLCULOS RELÉ 59G2 Este relé y su función complementan a las del relé 59G1. Posee un ajuste más elevado y una Temporización más rápida que el relé 59G1 para disparar el generador ante sobretensiones anormalmente rápidas. El ajuste debe ser superior a la máxima sobretensión que aparecería ante un rechazo de carga total, tal como una apertura intempestiva del transformador estando el generador generando su potencia nominal. Por lo tanto, será del orden de entre 125% y 130% de la tensión nominal. Ajustaremos el relé a 130 V y temporizaremos el relé a 0.8 s con el objetivo de filtrar las sobretensiones transitorias.

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3.1.8 RELÉ 40

Relé de pérdida de excitación.

FUNCION: Relé de pérdida de excitación. TI: 3000/1 A - 5 VA

-

cl5P10

TV: 11000/√3 V : 100/√3 V - 5VA - cl3P GAMA DE AJUSTE: Xa:

2,5 a 25 Ω (pasos de 0,5 Ω )

Xb:

25 a 250 Ω (pasos de 1 Ω )

t:

0 a 25 s (pasos de 0.1 s)

AJUSTES ADOPTADOS: Xa:

9,25 Ω

Xb:

135,25 Ω

t:

1,6 s

DESCRIPCION DEL RELÉ Y SU FUNCION El objeto de esta protección es de detectar un funcionamiento en modo asíncrono del generador, debido a la perdida de excitación, y de evitar un calentamiento anormal del rotor. Cuando la excitación de un generador síncrono falla, la f.e.m.. interna cae. Esto se debe a que la salida de potencia activa de la máquina falla y al aumento de nivel de la potencia reactiva que extrae el sistema eléctrico. A medida que la salida de potencia activa disminuye, la tracción mecánica mantenida acelerará la máquina de forma que se producirá el deslizamiento de polo y funcionará a velocidad supersíncrona.

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Cuando la máquina empieza a funcionar de forma supersíncrona, se inducen intensidades de deslizamiento en el rotor, en los bobinados amortiguadores y en los bobinados de campo. Las intensidades de rotor de baja frecuencia inducidas por deslizamiento generarán un flujo en el rotor. La máquina se excitará entonces a partir del sistema eléctrico pudiendo funcionar como un generador de inducción. Si por alguna razón el control de excitación falla, el bobinado de la excitatriz piloto queda sin tensión, y la máquina pierde su capacidad de mantenerse en sincronismo. Pasa entonces a comportarse como un generador asíncrono. En estas condiciones la máquina puede sufrir un recalentamiento del rotor, puesto que las barras de amortiguación no han sido diseñadas para llevar corriente de deslizamiento. Como generador asíncrono éste toma de la red potencia reactiva necesaria para establecer el campo magnético. Si esta potencia reactiva puede ser aportada sin provocar excesivas caídas de tensión esta situación no será detectada ni por los relés de sobreintensidad, subtensión ni sobrevelocidad. Este relé detecta esta situación a través de la medición de la tensión e intensidad en bornes del generador. Comparando la impedancia con la ajustada por el relé, puede detectarse la pérdida de excitación.

REQUERIMIENTOS DE COORDINACIÓN Se ha de garantizar que esta protección no dispara ante oscilaciones ocasionadas por faltas en la red eléctrica. Por esta razón el disparo debe temporizarse para que no se produzca en estas condiciones. La Temporización existente de 1.6 s es la adecuada para evitar este tipo de disparos.

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COMENTARIOS ADICIONALES

El disparo del relé de pérdida de excitación del generador no debe ser necesariamente instantáneo. Pueden pasar varios segundos sin que exista riesgo para el funcionamiento del generador.

Figura 23 Protección contra subexcitación

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CÁLCULOS RELÉ 40 Las características del generador en el punto CEI 40ºC Xd:

reactancia síncrona

218%

X’d:

reactancia transitoria

30,1%

SrG:

potencia aparente

53,1 MVA

XL:

impedancia al punto de

5,00 Ω

limitación (0MW/-24,2MVAR)

Xd(%) U 2rG 218,0 110002 Xd = ⋅ = ⋅ = 4,96 Ω 100 SrG 100 53,1x106 X ' d (%) U 2rG 30,1 110002 X' d = ⋅ = ⋅ = 0,685 Ω 100 SrG 100 53,1x106 Estos valores deben ser traslados de lado de los secundarios de los transformadores de medida

Xs =

Us Vp / K VT K = = X p ⋅ CT Is I p / K CT K VT

Xs = X p ⋅

3000 = 27 , 27 ⋅ X p 110

Entonces las reactancias sincronía, transitoria y de limitación: Xds = 27,27 · 4,96 = 135,25 Ω X’ds = 27,27 · 0,685 = 18,579 Ω XLs = 27,27 · 5,00 = 136,3 Ω Para asegurarse que el área del relé es correcta, tenemos que ajustar Xa y Xb.

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Xa