Diagnóstico de corto entre espiras en el devanado de excitación de turbogeneradores mediante el voltaje inducido en el eje por el método de elementos finitos (MEF). (2012)
A medida que se industrializan más países, se consumen cantidades de energía cada vez mayores. Para los próximos 15 años se prevé un crecimiento de más del 1.8 % anual de la demanda de electricidad a nivel mundial. Datos recientes muestran que la generación de energía eléctrica mediante gas (21%), carbón (28 %), geotérmica (7 %) o energía nuclear (7 %) representa el 59 % de la producción mundial. En el 2030 más de la mitad de la producción de energía procederá de las tecnologías surgidas a partir de los años noventa: turbinas de gas de ciclo combinado y tecnologías avanzadas del carbón, las cuales utilizan turbogeneradores [1]. Actualmente en Colombia, la capacidad instalada en generación térmica es de 32.35 %, lo que corresponde a 4.3 GW y se proyecta la instalación de 1.05 GW más, según la Unidad de Planeación Minero Energética de Colombia (UPME) [2]. Además, teniendo en cuenta que cada día se utilizan mucho más a nivel industrial, el estudio de éstos se hace de vital importancia para la expansión energética del país y su funcionamiento confiable y seguro dentro de los estándar dados por la ingeniería mundialmente Debido a la alta velocidad de los turbogeneradores, éstos tienen un pequeño momento de inercia; y por lo tanto, presentan una baja tolerancia contra los disturbios electromecánicos, es decir, son más inestables comparados con máquinas de gran momento de inercia, lo que los hace más susceptibles a fatiga o daño. Los disturbios del sistema someten el turbogenerador a fatiga más allá de los límites de diseño y causan un alto incremento de temperatura que debilita el aislamiento y la resistencia mecánica de la máquina, amplificando y distorsionando los flujos axiales y torques, creando armónicos de densidad de flujo en el entrehierro. Todo esto conlleva a una reducción significativa en la vida de la máquina [3, 4, 5]. Un caso de particular interés es el cortocircuito entre espiras del devanado de excitación de un turbogenerador. El cortocircuito entre espiras de esté devanado raramente causa dificultades de operación, excepto cuando se encuentra en un estado muy avanzado. Investigaciones y reparaciones de algunos casos del pasado han demostrado que las prácticas previamente aceptadas de detección y localización de cortocircuitos incipientes entre espiras son sensiblemente deficientes. Esto se evidencia especialmente cuando se intenta establecer el número y localización de los cortocircuitos, considerando además que estos sólo aparecen cuando la máquina gira a la velocidad de operación estableciendo una carga centrifuga al aislamiento del devanado de excitación. El cortocircuito entre espiras en el devanado de excitación de turbogeneradores, a menudo, conduce sobre la operación normal de la unidad a: vibraciones, deterioro de cojinetes, ruido, entre otros. Finalmente se tiene que reparar la máquina, Acarreando un considerable lucro cesante, sumado al costo de reparación [6, 7]. Estas fallas, además de deformar el campo magnético, producen desigualdad en el calentamiento de las bobinas de campo; causando un considerable desequilibrio y elevación de las molestias bajo operación (sensibilidad térmica) [8, 9]. Además de inducir un voltaje el eje del turbogenerador, creando una corriente que circula a tierra a través de la escobilla de puesta a tierra del eje [10, 11, 12]. Este proyecto tiene como objeto analizar en estado estable y transitorio, el fenómeno de los cortocircuitos incipientes entre espiras del devanado de excitación en los turbogeneradores, desde el punto de vista electromagnético mediante modelos MEF 2D. Se analizarán las consecuencias del cortocircuito entre espiras dentro del turbogenerador (variación de los flujos radiales, tensión inducida en el eje, esfuerzos, calentamiento, etc).