Transferencia rápida de barras de motores: tres métodos

Qué es la transferencia de barras de motores

Una barra de media tensión que alimenta motores grandes puede perder su fuente normal por una falla aguas arriba o por una maniobra. Si la carga es esencial, la barra debe pasar a una fuente de respaldo sin que el proceso se detenga. El problema es que los motores siguen girando y, durante unos instantes, actúan como generadores: la barra mantiene una tensión residual que decae en magnitud y en frecuencia y se desfasa respecto a la fuente nueva.

Cerrar la nueva fuente sobre esa tensión equivale a conectar dos sistemas fuera de sincronismo. La diferencia vectorial entre ambas tensiones aparece sobre las impedancias de los motores y produce corrientes y pares transitorios que pueden superar varias veces el par nominal, con daño acumulado en ejes, acoples y devanados.

IEEE C37.96-2012, en su cláusula 6.4, trata la transferencia de barras de motores y agrupa los métodos de transición abierta en tres: rápida, en fase y por tensión residual.

Por qué la tensión residual gira y decae

Al abrir la fuente, cada motor sigue entregando tensión mientras el flujo del rotor se extingue. La barra se comporta como un grupo de máquinas que frenan juntas:

• La magnitud cae con la constante de tiempo de circuito abierto de los motores.
• La frecuencia cae según la inercia del conjunto motor y carga.
• El ángulo respecto a la nueva fuente crece de forma continua por la diferencia de frecuencia.

En el plano fasorial, la tensión de la barra traza una espiral hacia el centro mientras la fuente nueva queda fija. El vector diferencia entre las dos es el que decide el esfuerzo de la reconexión. La norma ANSI/NEMA C50.41 limita la tensión por hertz resultante en el instante de la reconexión a 1,33 p.u., y ese es el criterio de referencia con el que se evalúa cada método.

Los tres métodos

Transferencia rápida. La nueva fuente cierra en los primeros ciclos tras la pérdida, cuando la tensión residual todavía es alta pero el ángulo aún es pequeño. Requiere que la fuente nueva esté disponible y en fase con la anterior antes del evento, interruptores rápidos y una lógica que verifique en tiempo real que la diferencia de ángulo y de magnitud sigue dentro de la ventana. Si la ventana se cierra antes de que el interruptor actúe, la lógica pasa al siguiente método.

Transferencia en fase. Si la rápida no fue posible, la lógica mide el deslizamiento entre la barra y la fuente nueva y predice cuándo el ángulo volverá a pasar por cero. Envía la orden de cierre anticipada en el tiempo de cierre del interruptor, de modo que los contactos se toquen con las dos tensiones en fase. Es el mismo principio del cierre sincronizado que se usa para conectar generadores.

Transferencia por tensión residual. Como último recurso, la lógica espera a que la tensión de la barra caiga por debajo de un umbral bajo, donde el ángulo ya no produce esfuerzos importantes. Es la más lenta: los motores se desaceleran más, la reaceleración posterior exige más corriente de la fuente nueva y algunos procesos no lo toleran.

La secuencia rápida, luego en fase y luego residual, con paso automático de una a otra, es la forma en que trabajan la mayoría de los relés de transferencia de barras de motores.

Modo simultáneo y modo secuencial

• Secuencial: se abre la fuente anterior y solo cuando su contacto confirma la apertura se da la orden de cierre a la nueva. Nunca hay paralelo, a costa de unos ciclos más de interrupción.
• Simultáneo: las dos órdenes salen a la vez. El tiempo de cierre de un interruptor suele ser mayor que el de apertura del otro, y la interrupción se reduce casi a cero. Si la fuente anterior no abre, quedan dos fuentes en paralelo; la lógica debe detectarlo y abrir uno de los dos interruptores en un tiempo corto.

Existe también la transferencia de transición cerrada, programada y con verificación de sincronismo, para pasar de una fuente sana a otra sin interrupción. Se trata en transferencia abierta o cerrada.

Dónde se aplica

• Servicios auxiliares de centrales térmicas, donde ventiladores, bombas de alimentación y molinos no pueden detenerse sin parar la unidad.
• Refinerías, petroquímica y química, con compresores y bombas cuya parada dispara la seguridad del proceso.
• Minería, cemento y papel, con barras de molinos y ventiladores grandes.
• Tableros principal-enlace-principal de media tensión con motores, donde la transferencia automática debe esperar una condición segura antes de cerrar el enlace.

Qué se estudia antes de configurarla

La transferencia rápida no se ajusta sin un estudio de la barra. En general se modela el decaimiento de la tensión residual con los motores reales y su carga, se comparan los tiempos reales de los interruptores con la ventana disponible, se verifica el criterio de C50.41 en los casos peores y se revisa la reaceleración de los motores con la fuente nueva, que puede producir una caída de tensión parecida a la de un arranque de motores grandes. También se coordina con la 27 de cada motor, que no debe disparar durante la transferencia.

Qué falla en la práctica

• La transferencia siempre termina en residual porque los tiempos de los interruptores son mayores que la ventana rápida, o porque la fuente de respaldo ya estaba desfasada antes del evento.
• Cierres en fase tardíos por un tiempo de cierre del interruptor distinto al parametrizado, que cambia con la temperatura y el envejecimiento.
• Motores disparados por subtensión antes de que la barra se transfiera, que convierten la transferencia rápida en una parada parcial.
• Paralelo sin control en modo simultáneo cuando la fuente anterior no abrió y la lógica de supervisión no actuó.
• Transferencias iniciadas por fallas en la propia barra, que la lógica debe bloquear igual que en cualquier transferencia automática.

Cómo se prueba

En términos generales, con un equipo de inyección de dos sistemas de tensión independientes se simula la caída de la barra y su deslizamiento, y se verifica cada ventana, el paso de un método a otro, los bloqueos y los tiempos totales con los interruptores reales. En la puesta en servicio se registran transferencias reales con oscilografía para comparar el ángulo y la tensión del cierre con lo estudiado. La verificación de sincronismo 25 comparte buena parte de la lógica de prueba.

Le ayudamos con la transferencia de su planta

En Tiza Group hacemos el estudio para puesta en servicio de la barra de motores, con la verificación de las ventanas de transferencia, y la configuración remota de relés de la lógica en el relé de transferencia, para subestaciones e industria. Si una transferencia terminó en parada o en motores disparados, le cotizamos el análisis del evento.

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Referencias

• IEEE C37.96-2012, Guide for AC Motor Protection, cláusula 6.4 (transferencia de barras de motores).
• ANSI/NEMA C50.41, Polyphase Induction Motors for Power Generating Stations.
• IEEE PSRC, Motor Bus Transfer Applications Issues and Considerations, informe del grupo de trabajo.
• IEEE C37.2, Standard for Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms, and Contact Designations.

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