INGENIERIA ELÉCTRICA PROFESOR: ING. MOYA RIVERA VICENTE ALBERTO. SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA I. ANALISIS DE FALLA DE DE UN GENERADOR ELÉCTRICO, ELÉCTRICO, CONDICIONES CONDICIONES INICIALES PARA EL ANÁLISIS TRANSITORIO DE UN GENERADOR Y ACOPLADO A UN BUS. FECHA DE ENTREGA: 28-NOVIEMBRE - 2007 ANÁLISIS DE FALLA DE DE UN GENERADOR ELÉCTRICO ELÉCTRICO DE 428 428 MVA´S, POR EFECTO DE MOTORIZACIÓN Y FALLA DE INTERRUPTOR DE MÁQUINA Resumen Debido a la falla de apertura del polo de la fase A del interruptor de unidad, se presenta un evento de motorización de un generador de 350 MW de una central termoeléctrica, durante un disparo del generador de vapor; ocasionando calentamiento en las caras polares del rotor y a lo largo de toda su superficie. Con la intención de determinar el origen de la falla, f alla, se llevó a cabo la revisión completa del interruptor, incluyendo circuito de control, mecanismos de apertura y cierre, solenoides de cierre y disparo y finalmen f inalmente te su mecanismo hidráulico. hidráulico. Introducción Los Generadores eléctricos, son maquinas rotatorias complejas, las cuales están sujetas durante su operación, a esfuerzos mecánicos, eléctricos y térmicos de diferente magnitud; por lo que su confiabilidad, depende en gran medida de la operación eficiente tanto de sus esquemas de protección como del interruptor de unidad, La causa de motorización en un generador eléctrico en su forma más simple, consiste en que un generador se convierte en motor por efecto de la pérdida de su excitación, permaneciendo permaneciend o cerrado el interruptor principal y recibiendo energía del sistema. Analizando los los diferentes casos que existen de este este tipo de falla, falla, se puede entender entender que el origen también puede ser de diferente índole, como por ejemplo, falla en el sistema de corriente directa de los circuitos de control de los interruptores i nterruptores de máquina, falla en el equipo de protección de la subestación, falla en los mecanismos de apertura de los interruptores, que es en si nuestro caso de estudio o finalmente una combinación entre ellos. En condiciones normales, un evento de esta naturaleza se debe de liberar sin daño alguno para el generador, operando la protección 50FI; misma que no operó, por que la corriente de motorización no fue suficiente para el ajuste que tenia el relevador. Como una mejora para este tipo de esquemas, se implementó una protección más moderna que sí contempla esta condición. En este artículo, se presenta brevemente la secuencia de eventos, la metodología utilizada para determinar la causa de la falla, las acciones correctivas, mejoras implementadas y el análisis de los efectos producidos.
Secuencia de eventos. 1. Se dispara el generador con 90 MW por una falla de caldera, mandando señal de apertura al interruptor de campo e interruptor de unidad; abren únicamente los polos de las fases B y C y quedando cerrado el polo de la fase A. Esta condición mantiene energizada la fase A del generador eléctrico, motorizándolo. 2. El relevador 50FI el cual debería operar debido a que hay falla de interruptor y una corriente de motorización que circula por la fase A hacia el generador eléctrico, no opera por que el relevador estaba ajustado para una corriente de arranque de 3 Amperes secundarios, equivalentes a la potencia nominal del generador eléctrico (350 MW) y la corriente de falla fue mucho menor, es decir, la potencia de la unidad antes del disturbio era de 90 MW y durante la motorización se registro una potencia de 17 MW, equivalentes a una corriente aproximada de 0.11 amperes secundarios. 3. Operación del relevador de secuencia negativa (46G) provocada por la condición que mantenía el generador eléctrico de desbalance de corrientes 4. Para poder aislar la unidad, se tuvo que abrir manualmente el polo de la fase A del interruptor mencionado, encontrándose quemadas unas resistencias que se encuentran en serie con las bobinas de disparo del mismo. 5. En la fig. 1 se muestran las trayectorias de motorización. [pic] Fig.1 Metodología para el análisis de falla La metodología utilizada para determinar la causa de la falla fue la siguiente: 1. Análisis del circuito de disparo del interruptor de unidad e Inspección Visual 2. Determinación del estado general del interruptor de unidad 3. Inspección Visual de estator, rotor y núcleo del generador 4. Inspección boroscópica del Rotor 5. Pruebas de diagnóstico y aislamiento al estator, rotor y núcleo del generador 6. Pruebas de diagnóstico y aislamiento al transformador principal 7. Revisión de esquemas de protección 8. Pruebas de Impedancia dinámica del Generador Los 8 aspectos antes mencionados junto con sus medidas correctivas y mejoras, fueron aplicados en su momento, pero por problemas de tiempo y espacio, solamente nos concentramos para este artículo, en los puntos 1 y 2 y a los efectos causados sobre el rotor y su reparación. Análisis del circuito de disparo del interruptor de unidad e Inspección Visual. Cada polo del interruptor cuenta con tres solenoides, dos para apertura y una para cierre, haciendo un total de nueve bobinas por cada interruptor. Durante la inspección de los mecanismos de estas bobinas, se detectó que la bobina de disparo No. 2 del polo de la fase A, estaba atorada por efectos de suciedad en el vástago; operándola
manualmente sin resultados satisfactorios. Después, una vez desarmada, se pudo comprobar que la suciedad presente, se debía a escurrimiento del silicón alojado en la parte inferior de la bobina el cual tiene como función fijarla al cuerpo de la válvula. Este efecto se debe a falla de fabricación por exceso de silicón y escurrimiento, lo cual con la operación normal y el tiempo de servicio del interruptor (aproximadamente 10 años) provocó el atoramiento de la válvula, la quemadura de las resistencias en serie y por consiguiente la falla del interruptor. Una vez detectado el problema, se revisaron todas las bobinas, encontrándose que efectivamente no todas tenían exceso de silicón, sin embargo algunas de ellas ya estaban a punto de atorarse. Consultando con el fabricante de estos interruptores, nos informan que este sistema de fijación de bobinas a base de silicón, ya no se utiliza y que fue sustituido por otro en donde queda prácticamente eliminado el problema de contaminación para el accionamiento mecánico de la solenoide. Para el caso del interruptor fallado, fueron sustituidas todas las bobinas quedando pendiente el cambio para todos los demás interruptores de la subestación. Determinación del estado general del interruptor de unidad. El estado general del interruptor en general era bueno, se hicieron de manera preliminar pruebas operativas, sin ningún contratiempo, aunque no se pudo graficar en ese momento tiempos de apertura y cierre, dadas las condiciones de la subestación; el sistema hidráulico, los indicadores de presión y toda la instrumentación se encontraba sin muestras de falla ni señales de alarma. Una vez realizado el mantenimiento al interruptor y sustituidas las bobinas de cierre y disparo, se llevaron a cabo todas las pruebas que establece el protocolo del fabricante operando todo el equipo de manera satisfactoria. Efectos causados sobre el rotor y su reparación. En condiciones normales de un sistema trifásico balanceado, el generador aporta hacia el sistema, solo corrientes de secuencia positiva, en donde el flujo gira en la misma dirección y en sincronismo con el devanado de campo sobre el rotor. Contrariamente en situaciones de desbalance, se producen corrientes de secuencia negativa, las cuales giran en sentido opuesto a las del rotor, produciendo un flujo del doble de la velocidad de sincronía y como resultado de la rotación inversa combinada con la rotación positiva del rotor; ocasionando esfuerzos mecánicos y eléctricos tales como el efecto piel, el cual produce calentamiento en las caras polares de forma superficial a través de cuñas y anillos de retención como se muestra en la figura 2. Esta corriente fluye en menor grado en el devanado de campo. El efecto piel de la corriente de doble frecuencia en el rotor causa esfuerzos en los elementos superficiales del mismo, a través del contacto metal-metal entre cuñas, ranuras y anillos de retención. [pic] Dicho de otra forma, si un generador conectado al sistema eléctrico pierde su excitación, su reacción es la de comportarse como un motor de inducción, donde las cuñas del rotor forman las barras de la jaula, que por cierto no están diseñadas para
esa función y los anillos de retención que hacen una conexión pobre con las cuñas, generan altas temperaturas que en casos críticos pueden fundir el f ierro del núcleo y provocando fallas en el cobre. El rotor de esta unidad sufrió el efecto mencionado, aunque los niveles de corriente no fueron lo suficientes para causar un daño mayor, es decir, fracturas o flexiones en las cuñas o deformaciones en los anillos de retención y cuerpo del rotor; lo cual es típico de este tipo de falla. Las fotografías 5 y 6 muestran este calentamiento en las caras polares. Acciones correctivas y mejoras. 1. Para el interruptor de unidad y la S.E. encapsulada, ya se mencionó que se cambiaron todas las bobinas de cierre y disparo del interruptor, se sustituyeron las resistencias dañadas del circuito de disparo y se dio mantenimiento a todo el interruptor con un protocolo completo de pruebas por parte del fabricante. 2. En el esquema de protecciones para el relevador 50FI, se implementó un relevador que contempla no solo la falla de interruptor y sobre corriente (actual), sino que aparte de falla de interruptor, incluye flashover, contacto de interruptor y sobre corriente entre otras cosas. 3. Para el caso del rotor solo fueron necesarias actividades de mantenimiento que consistieron en: o Retiro de pintura (barniz) de anillos de retención y caras polares para las pruebas metalograficas. o Inspección boroscopica o Aplicación de barniz en anillos de retención y caras polares. o Limpieza de ductos de ventilación del rotor por medio de aire seco a presión. o Limpieza de anillos de retención aplicando aire seco a presión. o Limpieza de anillos rozantes aplicando aire seco a presión para el retiro del polvo de carbón de las escobillas. o Inspección de cuñas y candados en el rotor. o Inspección de pesos de balance. o Inserción de rotor y en general armado del generador. o Prueba de hermeticidad con aire seco y helio para verificar la no existencia de fugas. 4. Pruebas a otros equipos. Se realizaron pruebas de diagnostico eléctricas y mecánicas a transformadores de potencia, buses, equipo auxiliar, estator del generador, núcleo del generador etc., todas con resultados satisfactorios. Conclusiones. 1. Derivado de las inspecciones realizadas, se concluye que tanto el interruptor principal como el transformador de unidad, no sufrieron daño durante el evento de falla referido.
2. El generador sufrió calentamiento en las caras polares del rotor, ocasionado por las corrientes de secuencia negativa de baja intensidad que circularon durante el evento de motorización, aunque los resultados de las pruebas realizadas, indican que su estado después del mantenimiento respectivo, es satisfactorio. 3. El origen de la falla fue el atoramiento de la solenoide del polo de la fase A del interruptor, ocasionado por residuos de silicón infiltrado en las paredes del embolo, impidiendo su libre carrera. Galería fotográfica. [pic] Bobinas de cierre y disparo [pic] Vástago de bobina atorado [pic] Silicón invadiendo vástago [pic] Silicón invadiendo área de carrera. [pic] Calentamiento caras polares. [pic] Calentamiento caras polares Referencias bibliográficas. 1. Informes de falla emitidos por las diferentes áreas involucradas. 2. Evaluación y diagnóstico del aislamiento de campo de máquinas eléctricas rotatorias.J. Ernesto López Azamar 3. Current unbalance (negative sequence) protection.- P.W. Powel 4. Turbine-generator rotor heating during single-phase short circuits.- M.D. Ross, E.I. King 5. Impacto de las Corrientes de secuencia negative en generadores sincronos instalados en sistemas industriales.- Edgar Robles, Oscar Reyes-Cigré Condiciones iniciales para el análisis transitorio de un generador modelado en dos ejes y acoplado a un bus infinito. Resumen – Se presenta la determinación de las condiciones iniciales de un sistema de un generador síncrono conectado a un bus infinito a través de un transformador y una
línea de transmisión simple. La representación del generador síncrono se hace mediante circuitos equivalentes en dos ejes. Para lograr el acoplamiento del sistema se determinan las condiciones iniciales de voltaje y corriente del bus infinito referidas al marco de los ejes directo y cuadratura del generador síncrono. La obtención de estas condiciones en estado estable se realiza a partir de las mediciones de voltaje, potencia activa y reactiva en las terminales del generador. El procedimiento se ejemplifica con un caso específico. Una vez determinadas las condiciones iniciales, se puede proceder al análisis del comportamiento transitorio del generador. Introducción El diseño y manejo de los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP) se lleva a cabo mediante modelos con los que se simulan diferentes condiciones de operación de la red eléctrica. En relación con el análisis del desempeño transitorio de generadores síncronos (GS) es muy común utilizar un arreglo del generador conectado a un bus infinito. La ventaja que tiene este arreglo es que, por definición, el bus infinito conserva constantes su frecuencia y voltaje. Esto lo convierte en una referencia ideal para obtener el comportamiento del generador cuando se le somete a una falla. Sin embargo, se requiere determinar las condiciones iniciales del bus infinito y los datos de operación del generador están dados (medidos) en sus terminales. Entonces se requiere obtener los valores de voltaje, corriente y factor de potencia que se tendrían en el bus infinito referidos al marco establecido por los ejes directo y cuadratura del generador síncrono. Esto hace necesario determinar el ángulo de carga. Una vez determinados el voltaje y corriente del bus infinito se mantienen constantes en el análisis del comportamiento transitorio del generador. En el artículo, empezando por la siguiente sección, se plantea brevemente la teoría de los dos ejes y se muestran los circuitos equivalentes incluyendo su acoplamiento con el bus infinito. En las secciones subsecuentes se analiza el esquema de conexiones del sistema, se establece la metodología para obtener los datos de referencia del bus infinito y se lleva a cabo un ejemplo. Representación del generador síncrono en dos ejes El generador síncrono (GS) es un elemento que puede ser determinante en la simulación precisa de los SEP, por lo que se ha dedicado gran esfuerzo a lograr una buena representación. La literatura especializada en Sistemas Eléctricos de Potencia SEP se refiere ampliamente al uso de modelos en la simulación de generadores síncronos y a las ventajas y desventajas de los diferentes modelos utilizados. La modelación de GS mediante circuitos equivalentes en dos ejes tiene ya mucho tiempo de haber sido aceptada. Esto se debe a que son simples y que es relativamente sencillo acoplarlos con los demás elementos del sistema. Estos modelos son más o menos precisos dependiendo del número de ramas de amortiguamiento que se utilice para representar la máquina, es decir, dependiendo del orden del sistema de ecuaciones diferenciales utilizado.
La teoría de los Dos Ejes está basada en la transformación propuesta por Park, que consiste en representar los fenómenos electromagnéticos presentes en la máquina eléctrica mediante circuitos o devanados concentrados en dos ejes: directo (d) y cuadratura (q). Ambos ejes están referidos al rotor: el eje d coincide con el eje magnético del campo y el eje q está a 90° de éste. La ventaja más importante de la transformación a una máquina equivalente es que las inductancias se convierten en constantes, ya que dejan de depender de la posición. La Figura 1 muestra la máquina equivalente. En esta figura pueden verse en los ejes d y q, los devanados d y q que reproducen el fenómeno de las fuerzas magnetomotrices de las tres fases del estator, el devanado de campo f y los devanados D1 y Q1 que representan el efecto de amortiguamiento del rotor. Es conveniente señalar que en este caso se trata de un rotor sólido y que los devanados de amortiguamiento, uno en cada eje, representan los efectos del establecimiento de corrientes de tipo remolino en el núcleo del rotor. Las ecuaciones de voltaje que resultan de la transformación de un GS trifásico en uno equivalente en dos ejes son las siguientes: [pic] Donde: los subíndices identifican a los devanados del GS equivalente (Figura 1), se utiliza u para representar voltajes, i para corrientes, R para resistencias (Ra es la resistencia de los devandos d y q), Ψ para enlazamientos y ωm para la velocidad síncrona. Los términos Ψωm, que se conocen como voltajes rotacionales o por
velocidad, son característicos de la transformación e incluyen la interacción entre los devanados d y q. Precisamente por esta razón a estos devanados se les conoce como p seudo estacionarios. [pic] En la Figura 2 se muestran los circuitos equivalentes del modelo de dos ejes del generador y su interconexión con el bus infinito, a través de un transformador y una línea de transmisión simple. Las ecuaciones (1) contienen las expresiones correspondientes al voltaje en los cinco devanados presentes en la máquina equivalente. Sin embargo, las condiciones iniciales corresponden a la operación en estado estable, es decir, cuando la velocidad síncrona es constante y no hay deslizamiento entre el rotor y la fuerza magnetomotriz del estator, por lo que no se presentan corrientes de remolino circulando por el cuerpo del rotor. De esta forma en nuestro análisis de las condiciones iniciales sólo se incluyen las tres primeras ecuaciones de (1), que además deben incluir los efectos de las impedancias del transformador y de la línea de transmisión. [pic] Análisis de condiciones iniciales del generador acoplado a un bus infinito El arreglo generador conectado a bus infinito se utiliza para el análisis del comportamiento de los generadores en condiciones transitorias. Este sistema aprovecha la ventaja de tener al bus infinito como una referencia constante en estudios donde se simule la respuesta transitoria del generador.
En este trabajo se detalla el procedimiento para obtener las condiciones iniciales (estado estable) del bus infinito cuando el GS se modela con circuitos equivalentes. La red que se analiza aparece en la Figura 3, se trata de un turbogenerador (rotor cilíndrico), conectado a un bus infinito a través de un transformador y una línea de transmisión. [pic] En la Figura 4 aparece el diagrama fasorial correspondiente a los datos: voltaje (ut), potencia activa (Pt) y reactiva (Qt) hechas en las terminales del generador cuando opera en estado estable: [pic] Con el voltaje y corriente de las terminales del generador puede ubicarse al voltaje del bus infinito (uB) referido al voltaje en terminales mediante el análisis del diagrama fasorial que aparece en la Figura 5. Básicamente se trata de determinar las componentes de uB en fase con ut designada uB1 y a 90° de ut designada uB2: [pic] Donde: RB y XB son respectivamente la resistencia y reactancia entre las terminales del generador y el bus infinito. El ángulo entre el voltaje del bus infinito y las terminales se obtiene mediante: [pic] [pic] Ahora el voltaje de bus infinito puede referirse al marco d-q del generador a partir del diagrama fasorial que aparece en la Figura 6. En este diagrama se obtienen las componentes del voltaje del bus infinito en los ejes d y q. Para este propósito se determina el ángulo de carga δ mediante la siguiente expresión:
[pic] Donde: C1 es la proyección sobre la perpendicular a uB de todas las caídas entre el bus infinito y los ejes d-q de la máquina síncrona y C2 es la proyección de todas las caídas sobre uB: [pic] Donde RTot y XTot son respectivamente la resistencia y reactancia totales entre los ejes d-q del generador y el bus infinito. [pic] Una vez obtenido de (3) el ángulo de carga δ pueden conocerse las componentes udB
y uqB del voltaje del bus infinito e id e iq de la corriente en los ejes d y q: [pic] [pic] Una vez obtenidas las condiciones iniciales de voltaje y corriente en el bus infinito se obtiene la corriente de campo if a partir de la expresión de uqB en (1): [pic] Donde L md es la inductancia de magnetización del eje d, y el voltaje de campo se obtiene utilizando: [pic] Donde Rf es la resistencia de campo. Por último se puede obtener el valor inicial del par mecánico Tm:
[pic] Donde Ldd, Lqq y Ldf son las inductancias propias de los devanados d y q y la inductancia mutua entre el devanado d y el campo f. Conclusiones.En el análisis del comportamiento transitorio de generadores síncronos (GS) es muy común utilizar el arreglo del generador conectado a un bus infinito, ya que éste último es una referencia ideal para obtener el comportamiento del generador cuando se le somete a una falla. Para este tipo de análisis se requiere de las condiciones iniciales, o de estado estable, que permanecerán en el bus infinito a lo largo del análisis. Sin embargo, debido a que los datos de operación del generador están dados (medidos) en sus terminales, resulta necesario determinar los valores de voltaje, corriente y factor de potencia que se tendrían en el bus infinito referidos al marco establecido por los ejes directo y cuadratura. Al respecto el procedimiento planteado permite obtener estas condiciones iniciales y poder completar la información necesaria para realizar análisis del estado transitorio de generadores modelados por circuitos equivalentes en dos ejes. Referencia Bibliografica.[1] Anderson, P. M. and A. A. Fouad, Power system control and Stabilility, John Wiley, New York, 2003 second edition. [2] Kundur, P., Power systems stability and control, New York: McGraw Hill, 1994. [3] Adkins, B.; Harley, R.G., The General Theory of Alternating Current Machines, London, Chapman and Hall, 1975. [4] Kamwa, I., R. Wankeve, X. Dai- Do, “General Approaches to Efficient d-q Simulation and Model Translation for Synchronous Machin es: a Recap”, Electric Power Systems Research, Vol , 42 (3), Elsevier Ltd, 1997, pp. 173-180.
