Principios en la protección de Motores

Fallas

Conceptos básicos: límites térmicos, arranque, ILR

Sobrecorriente

NEC-IEEE

Protección de Rotor Bloqueado

Protección de Sobrecarga Térmica

• Tipos de Falla • Conceptos Básicos • Protección de Sobrecorriente • Sobrecarga Térmica (Thermal Overload) • Normas: NEC - IEEE • Falla a tierra

Motor • Falla del aislamiento • Falla en rodamientos • Falla mecánica • Secuencia de arranque incompleta Carga • Sobrecarga (y baja carga) • Obstrucción • Alta inercia Ambiente • Temperatura alta • Bloqueo de la ventilación

 Fuente     

Fase abierta Desbalance de voltaje Sobre o bajo voltaje Fase inversa Pérdida de paso por una perturbación del sistema

 Operación    

Cierre o re-cierre fuera de fase (reenergizar) Ciclos de alto esfuerzo Carga cíclica (jogging).

Arranques y paradas múltiples

NEC - IEEE Std C37.96-2012 Guide for AC Motor Protection

 En motores síncronos:

- Pérdida de paso resultado de una perturbación en el sistema - Pérdida de Campo - Sincronización fuera de fase Blackburn

% acum.

- Sobrecargas - PĂŠrdida de fase - Contaminantes - AntigĂźedad - Fallas en rodamientos - Fallas en Rotor - Otros

30% 14% 19% 10% 13% 5% 9%

30% 44% 63% 73% 86% 91% 100%

Electrical Research Associates (ERA) of the United Kingdom in 1986

 Curva de arranque  Curva de Límite térmico: Estator, rotor  La relación Rr2/Rr1

Blackburn

IEEE Std C37.96 Guide for AC Motor Protection

Límite Térmico Operativo (running thermal limit curve). Representa la capacidad de sobrecarga del motor en condiciones de emergencia.

Curva de Aceleración Térmica. Corriente de Rotor Bloqueado (locked-rotor current) hasta la Corriente de Par Máximo (motor breakdown torque current) Curva - Corriente de Rotor Bloqueado. Tiempo que el motor puede permanecer frenado, luego de energizado y antes que ocurra un daño térmico en las barras del rotor, anillos, estator

IEEE

• Corriente de Rotor Bloqueado ILR • Tiempo limite para ILR. “Safe Stall Time SST”

IEEE Std 242-2001

TĂ­pico

Alta eficiencia

Es la protecciรณn predominante para motores hasta 220 kW (295 hp) (IEEE 242 -2001 Buff Book)

Realmente depende de la importancia del motor en el proceso.

• La mínima corriente de falla es generalmente mayor a la corriente de Rotor Bloqueado.

• Se puede hacer uso de protección sobrecorriente Nodireccional, debido a que la contribución de los motores (durante el cortocircuito) es relativamente pequeña y dura poco • El ajuste de la unidad instantánea (50) debe quedar por arriba de la corriente Asimétrica de Rotor bloqueado.

La mínima corriente de falla es generalmente mayor a la corriente de Rotor Bloqueado.

Se recomienda que la corriente de falla mínima sea por lo menos de 2 a 3 veces la corriente de ajuste del instantáneo I falla mínima = (2 - 3 ) * Ipickup inst.

El ajuste de la unidad instantánea (50) debe quedar por arriba de la corriente Asimétrica de Rotor bloqueado.

IEEE Std 1015: 2 * IILR Ejemplo ILR = 6 * IN

En relés modernos que filtran la offset:

¿Qué hacer cuando no es posible cumplir?

• Protección diferencial • Ajustes mas sensibles con temporización aproximada de 100 ms

¿Por qué no es posible cumplir?

Transformador pequeño comparado al motor: kVAT

<= 2* kVAM

8 kA SIN

SIN

N1 13,2 kV

N1 13,2 kV

1.5 MVA Z=7% N2 0,48 kV Ik"(L1)=29,3 kA

800 hp 975 Amp

TR1

TR1

Ik"(L1)=22,8 kA

MIN1 Ik"(L1)=6,5 kA

Ik"(L1)=51,2 kA

800 hp 975 Amp

4 MVA Z=7%

N2 0,48 kV Ik"(L1)=57,7 kA

MIN1 Ik"(L1)=6,5 kA

Sobrecorriente instĂĄntanea o Diferencial kVAt

đ?&#x2019;&#x2022;

Usar InstantĂĄnea Si

đ?&#x2019;&#x17D;

Usar Diferencial Si

đ?&#x2019;&#x17D;

đ?&#x2019;&#x2022;

kVAm

Corriente de arranque a voltaje mĂĄx.

50P (sin retardo de tiempo) 50TP (retardo de tiempo definido) 6-15 cycles

I đ?&#x2018;­đ?&#x2018;ł

đ?&#x2018;łđ?&#x2018;š

đ?&#x2018;łđ?&#x2018;š

I

min.

50P or 50TP Trip

Motores menores – Bajo Voltaje (<1000V) Sobrecarga térmica (térmicos – “Heaters”) : Sobrecarga + Fusibles:

Cortocircuito

Definición UL: debe operar en 10 seg, al 500% del valor nominal del fusible

• • • • •

Alimentación (conductores) a los motores: NEC 430 Protección de sobrecarga, cortocircuito y falla a tierra: NEC 240 y 430.

Protección de sobrecarga: NEC 430, apartado C. Protección de cortocircuito y falla a tierra: NEC 430, apartados D y E. Valores nominales máximos y ajustes de equipos: NEC Tabla 430-152.

El NEC Articulo 430 exige que el interruptor en ningĂşn caso tenga una capacidad nominal menor al 115% de la corriente nominal (FLA - Full Load Amperes) del motor El ajuste para disparo no debe exceder el 250% del FLA

NEC 430.32 Continuos Duty Motors ( > 1 hp ) 1. Se debe proveer protección de sobrecarga (independiente), con base en la corriente nominal (FLA) del motor y su disparo no debe exceder: Factor de servicio 1.15 o mayor Temperatura 40°C o menor Otros motores

125% 125% 115%

Igual que NEC, es función del factor de servicio: • Factor de servicio 1. Ipickup = 110% FLA • Factor de servicio 1.15 Ipickup= 120% FLA

IEEE Std C37.96 Guide for AC Motor Protection

NEC 430.32 Continuos Duty Motors 2. Protección Térmica (Thermal Protector). Se debe hacer uso de una

protección térmica asociada al motor para prevenir sobrecalentamientos por sobrecargas o al arrancar. El disparo no debe exceder los siguientes %s con respecto a la corriente nominal (Tablas 430.248, 430.249, y 430.250): 9 amperios o menos 9.1 a 20 amperios Mayor a 20 amperios

170% 156% 140%

3. Integral con el motor. En caso que el motor no este sometido a sobrecargas, ya que forma parte de un montaje aprobado, se le debe instalar al motor (a protective device integral) un equipo de protecciรณn que proteja contra fallas en el arranque

NEC 430.32 Continuos Duty Motors 4 Motores mayores a 1500 hp. Se debe hacer uso de detectores de

temperatura internos (RTD) al motor (temperatura ambiente de 40 °C)

EEP

NEC 430.32 Continuos Duty Motors Resumen: 1. Protección de sobrecarga ubicada en el contactor (motor controller), como un bimetálico. Ajustes FS=1 : 115%, FS=1.15: 125% 2. Protección térmica en el motor que detecte-sense altas temperaturas.

3. Un equipo de Protección asociado al motor, para proteger contra fallas al arrancar 4. Para motores superiores a 1500 hp, un equipo sensible a temperatura ubicado al interior de los devanados, que pueda desenergizar el motor

Relés de sobrecarga. NEMA ICS 2-2000 Dependen de la corriente de rotor bloqueado. En función de seis veces FLA. Class 10. Disparo rápido. 10 seg.

Class 20. Disparo intermedio. 20 seg.

Class 30. Disparo largo. 30 seg.

Class 10. Típico en motores con factor de servicio 1 o 1.05.

Class 20. Factores de servicio superiores a 1.05 Class 30. Motores que tiene conectadas carga de alta inercia, con tiempos de arranque altos.

Protecciรณn de Cortocircuito. NEC 430.52

Protección de Cortocircuito.

NEC 430.52 El NEC permite que este ajuste se incremente a un máximo de • 1700% para motores eficientes (Design B) • 1300% otros motores

Contactores magnéticos conforme a NEMA son dimensionados para interrumpir corrientes hasta de 10 veces la corriente nominal (NEC) Si el ajuste de instantáneo es de 12 veces la nominal, eventualmente el contactor podría quedar expuesto a aperturas inapropiadas.

Posibles soluciones.

• Especificar un contactor con un valor nominal superior a lo estándar y ajustar el instantáneo conforme a NEC • Hacer uso de interruptores con característica de tiempo inverso.

Motor: 100 hp (75 kW), 480 V Inom : 124 Amp. Contactor: Size 4, 1350 Amp Class 20 Ajuste instantĂĄneo: 12*124 = 1488 Amp

NOTEâ&#x20AC;&#x201D;The contactor is not protected using the 1500 A setting. The motor asymmetrical inrush current will probably trip the breaker when starting.

49. Un relĂŠ que opera cuando la temperatura de los devanados

excede un valor determinado. TraducciĂłn Libre IEEE

Sobrecarga Térmica (49):Provee protección contra sobrecarga replicando una protección térmica con o sin RTD (49R)

Blackburn

Corriente Ia

50

45

Corriente (A rms)

40

35

Corriente Ia

30

25

20 1

2/10/2020

4

7

10

13

16

19

22

25

28

31

34

37

40

43

46

49

52

55

58

61

64

67

70

73

76

79

82

85

88

91

94

97 100

50

8- 15 segundos

t

Hot stall time @ min. voltage Hot stall time @ max. voltage

52

52a

50 TP

TDPU 62

62

Thermal limit margin > 2-5s

50TP

Max.

M

Start time

50TP Min. voltage 1.0 1.2 x FLC FLC

5.4 6.0

Max. voltage

I pu

Ajuste: mรกximo tiempo de arranque + 25% (2 a 5 seg)

Trip

Running overload thermal limit

51S

51P

51P

Alarm

Alarm 12

t

51S

50S

51P 51S

Hot stall time

2-5s margin

Start time @Nominal voltage

Trip 52

12 or 50S 1.0 1.2 Max. FLC overload

4

6

I pu

51S

M

51P

12

50S

20-30 seg

t

51S

51S

Alarm

Alarm 50S

12

Hot stall time 51S

Trip 52

50S or 12

IFL

0.85 x ILR

ILR

Ajustes. 12. 10-50% rpm, 50S=85% * ILR

I M

(1)

(1)

51S

50S

12

20-30 seg Ajustes: 50 (HDO): arranque: 115% ILR Temporizaciรณn: 1 seg

50: arranque: 200% ILR

t 52

P

(3)

Running overload thermal limit

49 or 51P

49

49 or 51P

OR 51P

M Hot stall time

I

IFLC

IFLC x SF

ILR

pu

Trip

 Calentamiento

por corriente de secuencia

negativa  Límites térmicos sin definir  Límite NEMA 5%  Desbalance de Voltaje NEMA %  Relé de corriente de secuencia negativa  Desbalance de corriente o relé de voltaje  Pérdida de fase  Secuencia inversa

47 47

46

M

M

M

(No 3Vo) 5% max. por NEMA (25% I2)

M

Objetivo: Evitar sobrecalentamiento Concepto bรกsico: un leve desbalance de voltajes puede producir una apreciable corriente de secuencia negativa Impedancia de secuencia negativa: inverso de la corriente de rotor bloqueado. Corriente de rotor bloqueado es aprox. 6 veces la corriente nominal => R2 = 1/6 = 0.166 pu Si el desbalance de voltaje es igual al 5%, la corriente de secuencia negativa serรก del 30% de la corriente positiva, y a su vez el aumento en el calentamiento es del 40-50%

La corriente de secuencia negativa no necesariamente incrementa la corriente por las fases y el calentamiento en forma proporcional.

RecomendaciĂłn general: aplicarlos a motores mayores a 750 kW Esta protecciĂłn necesariamente se debe temporizar, debido a que las fallas desbalanceadas generan voltajes desbalanceados transitorios. TemporizaciĂłn superiores a 2 â&#x20AC;&#x201C; 3 segundos requieren consultas a fabricante del motor.

Se recomienda alarma antes de disparo.

Generalmente es un relé de sobrecorriente con característica extremadamente inversa, con arranque (pickup) en función del valor de I2t

El modelo tĂŠrmico de las protecciones digitales se basa en: I1 e I2 corriente de secuencia positiva y negativa Rr1 e Rr2 resistencia de secuencia positiva y negativa. ILR corriente de rotor bloqueado en p.u.

Donde

tĂ­pico

La “corriente equivalente” sería

=

Factor k (unbalance k factor), para ILR = 6

= 4.9

TĂ­pico

= 6.4

Conservativo

NEMA utiliza un factor de k=8 para la siguiente curva: Desbalance voltaje=5% → Desb.

Corriente=30%

Ieq=1.31 * I1 El motor tendría se podría operar al (“derating”) =

1/1.31= 0.76



TC “Ground sensor” (50:5)



Conexión residual

Normalmente es Tiempo Definido + temporización=0

TI’s de tipo convencional

TI’s tipo ventana A B C

50 51 Relés de fase

50 51

50 51

50G Relé de tierra

TI’s de tipo convencional A B 50 51

50 51

Relés de fase Relé de 51N tierra

50 51

C

AJUSTES: Con “Ground Sensor” es factible lograr ajustes mas sensibles y evitar temporizaciones (time delay = 0 o 10 mseg) En conexión residual podrían ocurrir falsos disparos por asimetrías diferentes en las corrientes de falla. Es frecuente encontrar temporizaciones de 20 mseg.

En general es conveniente activar los filtros que remueven la DC.

AJUSTES: La probabilidad de disparo indeseado disminuye si los “burdens” son iguales y se garantiza que el voltaje que se produzca en los TC´s, ante arranque, solo sea el 75% del voltaje indicado en la precisión (CT accuracy class voltage).

Temporización no es conveniente pero puede ser necesaria Media tensión. Puesta a tierra del sistema.

AJUSTES: Media tensión. Puesta a tierra del sistema.

Arranque: 10 a 30 amperios Para pasar los cables (autobalanceada) a través de los TC´s se deben seguir recomendaciones del fabricante del relé o las de IEEE Std 242 – 2001 No se recomienda hacer uso de unidad instantánea (50N) de tierra en conexión residual

GRACIAS César Augusto Gallego Sánchez cagallegos@gmail.com +57 302 307 1111