Ajuste protección de sobreexcitación ANSI 24 de un generador sincrónico para un relé Siemens 7UM62

¿Qué causa la sobreexcitación en generadores?

Una sobreexcitación excesiva en un generador excederá la capacidad del aislamiento del devanado del estator del generador, sin embargo, esta FDP V/Hz no podrá detectar todas las condiciones de sobretensión y debe ser respaldada por otras funciones de protección que protejan la máquina en caso de falla.

Según Ceballos (2014), una condición de sobreexcitación puede ocurrir por varias circunstancias:

• Pérdida de una unidad de generación cercana, lo cual afecta el flujo de reactivos y se refleja como una caída de tensión. En un intento de mantener la tensión del sistema mientras que el generador disparado se reconecta, los sistemas de excitación de los generadores restantes tratan de reforzar la tensión terminal, llevando al límite el control de excitación. Si durante este intervalo ocurre una falla en el control de la excitación, habrá una sobreexcitación.

• Un generador operando a niveles nominales puede suministrar al sistema de potencia un nivel alto de VAR y su tensión puede permanecer cerca de los niveles nominales de la red debido a las interconexiones. Si en estas condiciones hay una pérdida súbita de carga o de las interconexiones y los controles de excitación del generador no responden adecuadamente, la tensión de la unidad puede elevarse súbitamente, originando una sobreexcitación.

• Cuando una unidad de generación está conectada al sistema de potencia, a través de líneas de transmisión largas y ocurre una apertura de su interruptor principal, puede darse una autoexcitación, si la admitancia de carga en los terminales del generador es mayor que la admitancia de eje en cuadratura 1/Xq; esto debido a que el regulador de tensión presenta una retroalimentación positiva que puede causar una rápida elevación de tensión (IEEE Guide for AC Generator Protection, 2006).

La figura 4 ilustra una sección transversal axial de un turbogenerador que muestra la densidad del campo magnético principal y la densidad del flujo de dispersión. La densidad del campo magnético de dispersión es dañina en los extremos del núcleo magnético del generador, debido a que puede inducir altas corrientes parásitas y por tanto alta temperatura y mayores pérdidas.

Figura 4: Flujos magnéticos de dispersión en un turbogenerador

Fuente: IEEE Guide for AC Generator Protection (2006).

Conexión de los TP función ANSI 24

La función ANSI 24 del relé Siemens 7UM62 mide las tensiones de línea del generador a través de los transformadores de potencial de protección (TP), como se ilustra en la figura 5.

Figura 5: Conexión de los TP en los bornes de un generador para la conexión de la FDP ANSI 24

Fuente: elaboración propia.

A partir de la señal de tensión, el relé mide la amplitud o el valor en RMS y calcula la frecuencia a partir de esta señal. El nivel de sobreexcitación de manera porcentual o en PU se calcula mediante la ecuación (1).

La señal de tensión para el relé se toma de una fase del generador, si existe un fusible fundido o una conexión incompleta del circuito y no existe ninguna tensión censada por el relé, no habría protección. Por este motivo, se debe utilizar un TP en cada fase para tener una mejor confiabilidad.

Metodología de ajuste de la función ANSI 24

A continuación, en la metodología para el ajuste de la FDP ANSI 24 se describen: las señales de entrada y salida, los diagramas funcionales de decisión y los criterios de ajuste de las señales de entrada requeridas para el relé Siemens 7UM62.

En la tabla 1 se detallan la dirección de entrada y la descripción de las entradas: datos (ajustes) y variables binarias requeridas en la FDP ANSI 24 a ser utilizadas en su lógica de decisión (Siemens, 2009).

En la tabla 2 se presentan la dirección de salida y la descripción de las salidas: arranque, disparo y bloqueo la FDP ANSI 24 Siemens (2009).

Diagrama lógico de la protección de sobreexcitación (ANSI 24)

El diagrama lógico de la función de protección ANSI 24 del relé Siemens 7UM62 se compone de tres etapas (figura 6). La primera, de tiempo definido, calcula la relación V/Hz>; en esta se define el primer pickup de la sobreexcitación. En la segunda, correspondiente a la característica térmica de la máquina, se construye una curva de tiempo inverso a través de los datos de entrada; aquí el relé arranca, emite alarma y, de ser necesario, da orden de disparo al interruptor principal para evitar calentamiento en el generador. Y, en la tercera etapa, de tiempo definido, se detectan fallas que sobrepasan un valor de pickup V/Hz>>ajustado, para posteriormente despejarlas o dar una señal de alarma.

Figura 6: Diagrama lógico completo de la función ANSI 24

Fuente: elaboración propia.

Subdiagramas lógicos de la función de protección ANSI 24 de relé Siemens 7UM62

A continuación, se describen los 3 subdiagramas de la función de sobreexcitación.

Subdiagrama lógico de sobreexcitación por V/Hz> de la función de protección ANSI 24

En la figura 7 se ilustra el primer subdiagrama lógico de la función de protección ANSI 24, donde se compara el ajuste de pickup del nivel de sobreexcitación V/Hz> con el valor real medido, si el ajuste es mayor y la función se encuentra activa y no está bloqueada, se presenta una señal de salida de arranque de la FDP ANSI 24, y activa un contador cuyo tiempo es comparado con un tiempo de permanencia ajustado en la entrada V/Hz Time Delay> [4303]; cuando el tiempo del contador es mayor que el tiempo ajustado, se genera una alarma porque el valor de sobreexcitación es mayor que V/Hz pickup> y permaneció durante un tiempo mayor que V/Hz Time Delay> [4303].

Figura 7: Diagrama lógico FDP ANSI 24. Etapa sobreexcitación por V/Hz>

Fuente: elaboración propia.

Subdiagrama lógico de la configuración de tiempo inverso de sobreexcitación de la función de protección ANSI 24

En la figura 8 se ilustra el segundo subdiagrama de la función de protección ANSI 24, que corresponde a la característica térmica de tiempo inverso de la máquina, la cual produce una señal de disparo si se cumplen dos condiciones: a) que el valor V/Hz medido se encuentre dentro del rango de la curva de tiempo inverso, lo cual lo verifica mediante los valores de V/Hz> y V/Hz, y b) que la maquina se encuentra fría. Una vez cumplidas estas dos condiciones se activa un contador y se calcula el tiempo de disparo mediante la característica de tiempo inverso. El tiempo del contador es comparado con el tiempo calculado y, cuando este es superado, se da orden de disparo en la zona de característica térmica.

Figura 8: Subdiagrama lógico FDP ANSI 24 sobreexcitación característica térmica de tiempo inverso

Fuente: elaboración propia.

- Etapa de enfriamiento. Inmediatamente después de la orden de disparo por condición de sobreexcitación en la característica inversa, se activa un contador cuyo tiempo es comparado con el tiempo de ajuste 𝑡forcooling [4314], mientras el tiempo del contador sea menor al tiempo 𝑡forcooling, la función ANSI 24 permanecerá en estado caliente. Cuando se cumple el tiempo de enfriamiento de la máquina, la función de protección se desbloquea y pasa a estado frío.

Subdiagrama lógico de sobreexcitación por V/Hz>> de la función de protección ANSI 24

En la figura 9 se ilustra el tercer subdiagrama lógico de la función de protección ANSI 24, donde se compara el ajuste de pickup del nivel de sobreexcitación V/Hz>> con el valor real medido, en este caso los valores de sobreexcitación son muy elevados. Si el ajuste es mayor y la función se encuentra activa y no está bloqueada, se presenta una señal de salida de arranque de la FDP ANSI 24, y activa un contador cuyo tiempo es comparado con un tiempo de permanencia ajustado en la entrada V/Hz Time Delay>> [4305]; cuando se supera el tiempo ajustado se da orden de disparo al interruptor principal asociado al generador.

Figura 9: Subdiagrama lógico de la FDP ANSI 24 de sobreexcitación por V/Hz>>

Fuente: elaboración propia.

Ajustes de la función ANSI 24 del relé 7UM62 para un generador sincrónico

En la tabla 3 se detalla la información del generador de la Unidad 1 de la Central Hidroeléctrica de Salvajina, requerida para realizar de ajuste de la función ANSI 24.

A continuación, se muestran los ajustes realizados para la Unidad 1 de la Central Hidroeléctrica de Salvajina:

- [4301] On/Off se selecciona en On.

- [4302] Ajuste de . Teniendo en cuenta que este escalón corresponde a la señal de alarma se parametriza a un valor de 110 % coordinando con la función de sobretensión, ya que un aumento de la relación V/Hz se puede ver con mayor frecuencia por un aumento de la tensión en escenarios de operación en donde se esté suministrando potencia reactiva a la red (Muñoz y Aragón, 2008).

- [4303] Ajuste T Time Delay. El rango de selección del relé está entre 0 y 60 segundos y se selecciona 10 segundos, que es ajuste por defecto. Es decir:

- [4306]- [4313] Ajustes curva característica térmica inversa. Teniendo en cuenta que no se cuenta con la curva V/Hz dada por el fabricante del generador, la característica térmica se parametriza con los puntos dados por el manual del relé (Siemens, 2009), como se detalla en la tabla 4.

Si se cuenta con las características térmicas V/Hz-tiempo entregadas por el fabricante del generador y del transformador, se considera como referencia la curva térmica del equipo que para un mismo valor de V/Hz se calienta con mayor rapidez. La curva de la FDP ANSI 24 debe estar ajustada por debajo de la curva de referencia, con el fin de lograr su disparo antes de alcanzar el valor límite de calentamiento permitido.

- [4314] Time for cooling down. Tiempo de enfriamiento de la máquina. Su rango de ajuste está entre 0 y 20 000 s, se ajusta en el valor defecto de 3600 s.

- [4304] Ajuste de pick up. Se propone parametrizar a un valor de 140 % con el fin de prestar un respaldo al escalón 2 de la función de sobretensión ANSI 59.

- [4305] Ajuste de Time Delay T U/f>>. El rango de selección del relé está entre 0 y 60 segundos y se selecciona 0 s, es decir su disparo en esta zona es instantáneo.

Resultados de los ajustes de la función ANSI 24 del grupo generador-transformador de la Unidad 1 de Salvajina

En la tabla 5 se ilustra la interfaz gráfica de los ajustes de la protección de sobreexcitación cargados al relé 7UM62. Se recomienda para una mayor precisión en los parámetros de ajuste obtener la característica de calentamiento V/Hz real o entregada por el fabricante de los equipos a proteger.