Experiencia Sincronización Generador con distintos niveles de tensión

Estaba en una de las principales generadoras de la República Dominicana. Un ciclo combinado con capacidad total de 320MW utilizando gas natural. Era enero del año 2009 y, siendo empleado de esta generadora, se me había encomendado la tarea de sustituir una protección diferencial de transformador. La protección existente era ALSTOM TDT34 con tecnología electrónica de segunda generación y el relé nuevo era un SEL-387E.

La razón de la sustitución era que había fallado un transformador con grupo vectorial YNd11 y se estaba reemplazando por otro que tenía grupo vectorial YNd11. La protección existente había operado durante la falla, pero la gerencia de la planta quería una protección del tipo microprocesador para tener capacidad de análisis de eventos con archivos comtrade2 y también tener una protección más moderna.

Era mi primera experiencia configurando e instalando un relé de protección diferencial de transformador. Ya lo había hecho con relés más sencillos de motores. Pero con un relé diferencial de transformador…la cosa era distinta. ¿Cuántas salidas tendremos por una mala configuración del relé diferencial? ¿Podrá la planta alcanzar la plena carga sin un disparo de esta protección? ¿Qué pasaría cuando ocurran fallas externas en la línea? Todas las anteriores eran preguntas que se mencionaban en cada reunión.

Debido a esto, la gerencia contrató un supervisor de más de 30 años de experiencia en temas de protecciones, para que verificara que lo que estábamos haciendo como principiantes quedara bien.

Todos nos concentramos en el relé diferencial del transformador y la verdad es que quedó perfecto. Lo que no se nos ocurrió nunca era que había otra protección que debimos verificar antes de intentar sincronizar el generador a la red y era la protección 25 de verificación del sincronismo.

Era alrededor de las 11:00 p.m. cuando hicimos el primer intento de sincronismo. El sistema de control de la excitación y de regulación de velocidad de la turbina hicieron su trabajo. Estaban persiguiendo al voltaje y la frecuencia del sistema. Cuando el dispositivo 25 entendió que habían condiciones de sincronismo, ejecutó el comando de cierre al interruptor del generador…Luego de esto, se escuchó un fuerte sonido y se activó la protección diferencial del generador. Había un personal de operaciones que estaba cerca de la subestación y me percaté que dijo “se escuchó feo cuando cerró el interruptor, yo nunca lo había escuchado así”.

Luego de mucho análisis, nos percatamos que con el cambio de grupo vectorial del transformador, también cambiaban los ángulos en los voltajes que estaba mirando el dispositivo 25 de sincronismo. Alrededor de las 7:00am del día siguiente, luego de realizar algunos ensayos para determinar que el transformador y generador no habían sufrido durante la falla, logramos realizar una sincronización exitosa del generador. Este fue el análisis llevado a cabo…

Análisis de Sincronismo y Grupos Vectoriales

Sincronismo

Para sincronizar un generador a una red eléctrica, hay tres parámetros que debemos tomar en cuenta: la diferencia de las magnitudes de voltaje, la diferencia en los ángulos de los voltajes junto con la rotación y la diferencia de frecuencia.

Si consultamos la norma IEEE Std C37.102-2006 Guide for AC Generator Protection encontraremos información con requisitos mínimos para los valores que debemos considerar en la función 25 de sincronismo para generadores. Los límites típicos son:

  • Diferencia angular: Dentro de ± 10 grados eléctricos. El cierre del interruptor debería ocurrir idealmente cuando el generador y la red tienen diferencia angular de cero grados entre sí. Para lograr esto, al momento de cerrar el interruptor debe ejecutarse el comando de cierre ligeramente antes de que la diferencia angular sea cero, tomando en consideración el tiempo de cierre del interruptor. Esto se expresa matemáticamente como se muestra en la ecuación siguiente:

    Ø=360FsTs

    Donde:

    Ø es la diferencia angular en grados a medida que este valor tiende hacia cero

    Fs es la diferencia de la frecuencia en Hz

    Ts es el tiempo de cierre del interruptor en segundos

Por ejemplo, asumamos que el tiempo de cierre del interruptor es 50 milisegundos y queremos que el cierre ocurra para una diferencia de frecuencia de 67mHz, ¿en qué diferencia angular debería ejecutarse el comando de cierre?

Utilizando la ecuación anterior, tenemos que 360×0.067×0.05 = 1.2 grados. El comando de cierre debe ejecutarse para 1.2 grados cuando la diferencia angular tiende a cero.

  • Diferencia magnitud de voltaje: 0% a + 5%. La diferencia de voltaje no debe exceder el 5%. Nótese que lo recomendable es que el voltaje del generador sea ligeramente mayor al del sistema. Esto ayuda a mantener la estabilidad del sistema asegurando que exista un flujo de reactivos HACIA la red. Si el voltaje del generador está por debajo del sistema, entonces el generador va a absorber reactivos del sistema y puede afectar la estabilidad de la tensión o activar relés de pérdida de excitación con ajustes muy sensibles.
  • Diferencia de frecuencia: Menos de 0.067 Hz. Aquí también es recomendable que el generador esté ligeramente más rápido que el sistema. Esto ayuda a que el generador tome una carga inmediatamente sincroniza a la red. Si la frecuencia del generador es menor al momento de sincronizar, entonces el generador puede motorizarse y ocurrir una salida por la activación de la protección de potencia inversa en caso de que esté muy sensible. La diferencia de frecuencia debe considerar las limitaciones del sistema de control y la respuesta de los reguladores de velocidad de las máquinas motrices.

Aunque IEEE C37.102 recomienda que la diferencia no exceda 67mHz, he visto que muchos sistemas de control de turbinas de vapor y motores de combustión utilizan un ajuste de 100mHz o mayor para la ventana de frecuencia. Este ajuste es normal en sistemas de control con respuestas lentas o donde ocurren muchas oscilaciones de frecuencia repetitivas en el tiempo, y si no se amplía la ventana de frecuencia, se prolongaría excesivamente la obtención de condiciones de sincronismo.

Grupos Vectoriales

Para realizar la sincronización del generador a la red en esta generadora, este se lleva a cabo en el lado de alta tensión del transformador. El transformador está conectado directamente a la salida del generador, sin pasar por un interruptor, por medio de unos ductos de fase aislada. Como la corriente nominal para 18kV de este generador está alrededor de 8500A, un interruptor de esta capacidad no sería costo-efectivo.

En la figura 1 se muestra el diagrama unifilar del generador-transformador, la conexión de los transformadores de voltaje que alimentan el dispositivo 25 y el diagrama fasorial para el grupo de conexión YNd1. Esta era la instalación existente del transformador que falló. Puede observarse lo siguiente:

Figura 1. Diagrama conexión de dispositivo de sincronismo (25) con medición de voltaje A-N en lado 138kV y voltaje A-B en lado 18kV, y grupo vectorial YNd1 de transformador para determinar ángulos de voltajes
Figura 1. Diagrama conexión de dispositivo de sincronismo (25) con medición de voltaje A-N en lado 138kV y voltaje A-B en lado 18kV, y grupo vectorial YNd1 de transformador para determinar ángulos de voltajes
  • Los voltajes de sincronización se toman de los lados de 138 y 18kV, por lo tanto el dispositivo 25 debe considerar la diferencia angular para este grupo de conexión del transformador.
  • El dispositivo 25 existente es monofásico y no hace cálculos de compensación de ángulos, por lo tanto hay que llevarle los voltajes de ambos lados ya con la misma fase angular.
  • Para el grupo vectorial YNd1, se toman las fases de voltaje que tengan el mismo ángulo, en este caso las fases A-N del lado de 138kV y las fases A’-B’ del lado de 18kV. Esto se observa del diagrama fasorial al ver los vectores que estén en paralelo. Pudieron igualmente utilizarse las fases B-N del lado 138kV y B’-C’ del lado de 18kV, o las fases C-N de 138kV y C’-A’ de 18kV.
  • En el lado de los voltajes secundarios de 138kV hay un transformador intermedio con relación 1:√3, que se utiliza para aumentar la magnitud del voltaje de L-N a voltaje de L-L del lado de 138kV y así el dispositivo 25 vea magnitudes similares.
  • Cuando el dispositivo 25 vea en los voltajes secundarios los valores 115V ∡90º, entonces indiscutiblemente los valores primarios estarán en condiciones de sincronismo.

En la figura 2 se muestra el diagrama unifilar del generador-transformador, la conexión de los transformadores de voltaje que alimentan el dispositivo 25 y el diagrama fasorial para el grupo de conexión YNd11. Esta fue la conexión inicial que se realizó luego de reemplazar el transformador. Puede observarse lo siguiente:

Figura 2. Diagrama conexión de dispositivo de sincronismo (25) con medición de voltaje A-N en lado 138kV y voltaje A-B en lado 18kV, y grupo vectorial YNd11 de transformador para determinar ángulos de voltajes
Figura 2. Diagrama conexión de dispositivo de sincronismo (25) con medición de voltaje A-N en lado 138kV y voltaje A-B en lado 18kV, y grupo vectorial YNd11 de transformador para determinar ángulos de voltajes
  • Al mantenerse la misma conexión secundaria de los voltajes, cuando el dispositivo 25 vea el voltaje secundario del lado 138kV con los valores 115V ∡90º, entonces el voltaje secundario del lado de 18kV estará en valores 115V ∡150º. Esto representa una diferencia angular de 60º. Por lo tanto, el permiso de sincronismo iba a ejecutarse con esta diferencia angular en los valores primarios, provocando el cierre del interruptor con condiciones fuera de sincronismo.

Luego de realizar el análisis anterior nos percatamos de por dónde podíamos resolver el problema del sincronismo del generador. Por esto en la figura 3 se observa lo siguiente:

Figura 3. Diagrama conexión de dispositivo de sincronismo (25) con medición de voltaje A-N en lado 138kV y voltaje A-C en lado 18kV, y grupo vectorial YNd11 de transformador para determinar ángulos de voltajes
Figura 3. Diagrama conexión de dispositivo de sincronismo (25) con medición de voltaje A-N en lado 138kV y voltaje A-C en lado 18kV, y grupo vectorial YNd11 de transformador para determinar ángulos de voltajes
  • Al utilizar la fase c’ en lugar de la b’ en el dispositivo 25, se observa que cuando el dispositivo 25 vea en los voltajes secundarios los valores 115V ∡90º, entonces indiscutiblemente los valores primarios estarán en condiciones de sincronismo.

Lecciones aprendidas

  1. Es importante entender la relación de los ángulos de los voltajes y corrientes en los lados de un transformador.
  2. Para los relés de sincronismo, las mediciones de los voltajes secundarios deben ser un reflejo de las magnitudes y ángulos de los valores primarios.
  3. Para verificar sincronismo con medición a diferentes niveles de voltaje, es recomendable realizar una energización completa del circuito primario y secundario, y así verificar las magnitudes y ángulos en condiciones de sincronismo previo a la sincronización definitiva. De esta manera se pueden corregir conexiones de voltajes en el secundario. Esta prueba habría evitado el cierre del interruptor con condiciones fuera de sincronismo.
  1. Grupo Vectorial es una nomenclatura que indica el tipo de conexión de los devanados de un transformador y su relación angular. Por ejemplo YNd1 significa lado de alta tensión en estrella con neutro externo, lado de baja tensión en delta y desfase angular de 1×30 = 30 grados, en el que el lado de baja tensión retrasa el lado de alta tensión.
  2. Comtrade es un formato de archivo para intercambio de datos que define el estándar IEEE C37.111-2013 IEEE/IEC Measuring relays and protection equipment – Part 24: Common format for transient data exchange (COMTRADE) for power systems el cual contiene información de capturas de registros de oscilografías y eventos obtenidos de relés de protección, registradores de eventos o modelos de sistemas eléctricos.

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión /  Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión /  Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión /  Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión /  Cambiar )

Conectando a %s

A %d blogueros les gusta esto: