La protección de falla a tierra del rotor (ANSI 64F o 64R; en IEC 61850, nodo PHIZ) vigila el aislamiento a tierra del devanado de campo de un generador síncrono. El circuito de campo no está aterrizado, así que una primera tierra no produce corriente ni daño inmediato; el peligro es la segunda, que pone en cortocircuito parte del devanado y desequilibra el campo magnético. La función mide la resistencia de aislamiento del campo inyectando una señal o con un puente resistivo, y da alarma y disparo por escalones.
Qué protege la protección 64F
El devanado de campo del rotor de un generador síncrono se alimenta con corriente continua desde la excitación, y su circuito no está aterrizado. El aislamiento entre ese devanado y el cuerpo del rotor sufre por temperatura, vibración, contaminación con polvo de carbón y humedad. Cuando ese aislamiento falla en un punto, la máquina no lo nota. Cuando falla en un segundo punto, una parte del campo queda en cortocircuito.
La 64F protege el rotor y los cojinetes del generador contra las consecuencias de esa segunda falla: desequilibrio magnético, vibración severa, calentamiento localizado y quemaduras en el hierro del rotor. Lo hace detectando la primera, cuando todavía se puede programar la salida de la máquina.
- ANSI/IEEE C37.2: 64, relé detector de tierra; el sufijo F (campo) o R (rotor) indica dónde. La variante del estator está en tierra del estator al 100 % 64S.
- IEC 61850: nodo lógico PHIZ (detector de tierra).
- IEC 60617: el símbolo de relé con el indicador de tierra, junto al devanado de campo.
Dónde se aplica
| Máquina | BT | MT | AT y EAT | Industria | Comentario |
|---|---|---|---|---|---|
| Generador con excitación estática y escobillas | No aplica | Generadores medianos | Unidades grandes conectadas por elevador | Cogeneración | Acceso directo al campo por las escobillas |
| Generador sin escobillas | Grupos pequeños, poco común | Sí | Sí | Sí | Medida en el rotor por telemetría o escobillas de medida |
| Motor síncrono | No | Motores síncronos grandes | No aplica | Compresores, molinos | Mismo principio cuando el campo es accesible |
| Grupo electrógeno de respaldo | Poco común | Poco común | No | Sí | Depende del controlador y del tamaño |
La aplicación y el nivel de detalle dependen del tamaño y la criticidad de la máquina, como describen IEEE C37.101 e IEEE C37.102.
Principio de medida
El relé necesita medir la resistencia de aislamiento entre el devanado de campo y tierra mientras la máquina opera con la tensión de excitación presente. Hay tres métodos principales:
- Inyección de corriente continua: se aplica una tensión continua entre el campo y tierra a través de una resistencia y se mide la corriente. Si el aislamiento baja, la corriente sube. Su sensibilidad depende del punto del devanado donde esté la falla, porque la tensión del campo se suma o se resta.
- Inyección de onda cuadrada de baja frecuencia: se aplica una tensión que invierte su polaridad lentamente. El relé mide la corriente en cada semiciclo cuando el transitorio por la capacitancia del rotor se extingue, y calcula la resistencia independiente de la tensión del campo y de la posición de la falla.
- Puente resistivo: un divisor conectado entre los polos del campo con su punto medio a tierra a través del relé. Una tierra desequilibra el puente. Tiene un punto ciego cerca del centro del devanado, que se cubre variando el puente.
El acoplamiento se hace con una unidad que se conecta al campo y a tierra, y en máquinas con escobillas se usan escobillas de puesta a tierra del eje para cerrar el circuito.
Máquinas sin escobillas. En los generadores con excitatriz sin escobillas, el devanado de campo gira junto con los diodos rectificadores y no hay acceso estático a él. Algunos fabricantes de máquinas montan en el rotor un módulo de medida que transmite la resistencia de aislamiento por telemetría; otros instalan escobillas de medida que solo se apoyan durante una verificación periódica. En ese caso la vigilancia deja de ser continua, y conviene saberlo antes de definir la filosofía de alarma y disparo.
La característica
La característica es de resistencia de aislamiento contra tiempo: el relé muestra la resistencia calculada y la compara con dos umbrales.
- Alarma: a una resistencia intermedia, que indica deterioro del aislamiento o una primera falla de alta resistencia.
- Disparo: a una resistencia baja, con retardo, cuando la primera falla es franca y la máquina queda expuesta a la segunda.
En el gráfico R–t, la resistencia de aislamiento del rotor cae con el tiempo y cruza primero el umbral de alarma y después el de disparo.
- Acoplamiento. Unidad de inyección conectada entre el campo y tierra
- Señal. Corriente continua, onda cuadrada de baja frecuencia o puente
- Medida. Resistencia de aislamiento calculada por el relé
- Alarma. Resistencia por debajo del primer umbral
- Disparo. Resistencia baja sostenida, a través del 86
Criterios de ajuste
- Umbral de alarma: por debajo de la resistencia de aislamiento normal del rotor en servicio, que cambia con la temperatura y la limpieza.
- Umbral de disparo: a una resistencia que ya se considera falla franca, según la recomendación del fabricante de la máquina.
- Retardos: largos frente a los transitorios de la excitación.
- Alarma o disparo con la primera falla: algunos propietarios disparan; otros alarman y programan la salida. IEEE C37.102 describe las dos filosofías.
Interacción con otras funciones
- Pérdida de excitación 40: un rotor con una parte del campo en corto puede llevar a una excitación insuficiente. Ver pérdida de excitación 40.
- Vibración: la supervisión de vibración del turbogrupo ayuda a confirmar una segunda tierra.
- Relé de bloqueo 86: el disparo por 64F va al 86 del generador, que abre el interruptor, el campo y la turbina según la matriz.
- Excitación: la falla en la excitatriz o en sus cables se ve como falla del rotor. Ver excitación y AVR del generador.
Cómo la implementa cada fabricante
- Siemens SIPROTEC (DIGSI): protección de tierra del rotor con unidad de acoplamiento externa y método de inyección.
- SEL (AcSELerator QuickSet): módulos de tierra del campo conectados al relé de generador.
- Hitachi Energy y ABB Relion (PCM600): el REG670 ofrece protección de tierra del rotor por inyección.
- GE Vernova Multilin (EnerVista): módulo de tierra del campo para sus relés de generador.
- Schneider MiCOM: relés de generador con módulos de inyección para el rotor.
Cambian el método de inyección, la unidad de acoplamiento y cómo se compensa la capacitancia del rotor.
Nodo lógico IEC 61850
La función se modela con PHIZ (detector de tierra) o con el nodo que defina el fabricante. Publica el arranque, la alarma y la operación, y el valor de la resistencia medida como magnitud. El disparo pasa por PTRC y se lleva al XCBR y al 86 del generador. Revise el archivo ICD para saber qué nodo publica la resistencia, que conviene llevar al sistema de monitoreo.
Cómo se prueba
En general:
- Con la máquina parada, se conectan resistencias de valor conocido entre el campo y tierra y se verifica que el relé mida su valor, alarme y dispare en los umbrales.
- Se prueba la unidad de inyección y su acoplamiento.
- Se verifica la medida en varios puntos del devanado, si el método lo permite.
- Se comprueba la señal hasta el SCADA y el disparo a través del 86.
- La resistencia de aislamiento del rotor se mide también con el megóhmetro, como se explica en resistencia de aislamiento e índice de polarización.
La parte del relé se hace con inyección secundaria y la de la máquina dentro de la puesta en servicio del grupo.
Errores típicos
- Escobillas de puesta a tierra del eje desgastadas o sucias, que abren el circuito de medida.
- Umbral de alarma alto, que alarma con la humedad de un arranque en frío.
- Unidad de acoplamiento sin conectar después de un mantenimiento del campo.
- Ignorar la alarma de primera tierra durante meses.
- No compensar la capacitancia del rotor en la inyección de baja frecuencia.
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Referencias
- IEEE C37.101, Guide for Generator Ground Protection: métodos de detección de tierra del campo.
- IEEE C37.102-2023, Guide for AC Generator Protection: filosofía de alarma y disparo.
- IEEE C37.2, Standard for Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms, and Contact Designations: número 64.
- IEC 61850-7-4, Compatible logical node classes and data object classes: nodo PHIZ.
Preguntas frecuentes
¿Por qué una primera tierra en el rotor no daña el generador?
Porque el circuito de campo está aislado de tierra. Con un solo punto a tierra no se cierra ningún camino para la corriente, así que la máquina sigue operando igual. El problema es que esa primera tierra convierte cualquier segunda tierra en un cortocircuito de una parte del devanado de campo.
¿Qué pasa si aparece una segunda tierra en el rotor?
Una parte del devanado de campo queda en cortocircuito. El flujo deja de ser simétrico, aparecen fuerzas magnéticas desequilibradas y vibraciones que pueden dañar cojinetes y el propio rotor, y la corriente de falla puede quemar el hierro y el devanado.
¿Cómo se protege el rotor de un generador sin escobillas?
En las máquinas sin escobillas el devanado de campo gira con la excitatriz y los diodos, y no hay acceso directo con escobillas. Se usan sistemas de medida montados en el rotor que transmiten el resultado por telemetría, o escobillas de medida que se apoyan solo durante la verificación, según lo que ofrezca el fabricante de la máquina.