Prueba de sobrecarga

I. Resumen sobre la sobrecarga y los cortocircuitos en los generadores de los buques

En los sistemas eléctricos de los buques, por lo general se denomina «sobrecarga» a las sobrecorrientes de menor intensidad; solo las sobrecorrientes graves (como los cortocircuitos) se denominan «sobrecorrientes». Se considera que1,1 veces la corriente nominal del generador se denomina «pequeña sobrecarga».；1,5 veces la corriente nominal del generador se denomina «sobrecarga importante»；Un cortocircuito se denomina sobrecarga grave。

Las principales causas de avería en los generadores son el calor y las fuerzas electrodinámicas generadas por las corrientes de cortocircuito; además, el calor producido por un funcionamiento prolongado con sobrecorriente provoca el envejecimiento del aislamiento. El rango de corriente admisible para el funcionamiento del generador viene determinado principalmente por la corriente que circula por los devanados del inducido del estator.

El calentamiento del generador está relacionado con la intensidad de la corriente y su duración, es decir, viene determinado por la capacidad térmica del generador. Las características de sobrecorriente del generador son las siguientes: el tiempo de funcionamiento permitido no debe superar las 2 horas a 1,1 veces la corriente nominal del generador; y no debe superar los 5 minutos a 1,5 veces la corriente nominal del generador. Por lo general, por motivos de seguridad, se establece lo siguiente:A 1,1 veces la corriente nominal del generador, el tiempo de funcionamiento permitido no debe superar los 15 minutos; a 1,5 veces la corriente nominal del generador, el tiempo de funcionamiento permitido no debe superar los 2 minutos.

La protección durante el funcionamiento en solitario de un generador consiste principalmente en la protección contra sobrecorriente. En cuanto a la sobrecarga de corriente que puede soportar el generador, el tiempo de funcionamiento permitido es de 2 h cuando la corriente es 1,1 veces la corriente nominal del generador; de 30 min cuando es 1,25 veces la corriente nominal; y de 5 min cuando es 1,5 veces la corriente nominal. La sobrecarga de potencia activa viene determinada principalmente por el tipo de motor primario: en el caso de los motores diésel, el tiempo de funcionamiento permitido es de 2 horas cuando se soporta 1,1 veces la potencia nominal; de 30 minutos cuando se soporta 1,2 veces la potencia nominal; y de 5 minutos cuando se soporta 1,35 veces la potencia nominal. Por lo tanto, en lo que respecta al generador en sí, se permite totalmente una sobrecarga durante un tiempo determinado sin que sea necesario que el interruptor principal se dispare inmediatamente.

II. Determinación y solución de las causas de los cortocircuitos externos en los generadores de los buques

(I) Resumen de la protección contra cortocircuitos externos en los generadores de los buques

Los cortocircuitos externos en los generadores tienen un impacto considerable tanto en los propios generadores como en los equipos eléctricos; por lo tanto, cuando se produce un cortocircuito, los dispositivos de protección deben actuar rápidamente. No obstante, para garantizar la selectividad de la protección, se aplica un cierto retardo. En cuanto a la protección contra cortocircuitos externos en generadores, las «Normas de clasificación para buques marítimos de acero» de la Sociedad de Clasificación Naval de China establecen lo siguiente: para la protección contra cortocircuitos externos en los generadores de los buques, por lo general deben instalarse protecciones de acción instantánea y de acción retardada ante cortocircuitos. Cuando la corriente de cortocircuito alcance entre 2 y 2,5 veces la corriente nominal, el dispositivo de protección deberá actuar con un retardo de entre 0,2 y 0,6 s, provocando la desconexión automática del generador; cuando la corriente de cortocircuito alcance entre 5 y 10 veces la corriente nominal, el dispositivo de protección deberá actuar de forma instantánea, provocando la desconexión automática del generador.

La cuestión más importante en la protección contra cortocircuitos de la red eléctrica de un buque (que permite aislar automáticamente la avería cuando se produce un cortocircuito en la red) es la selectividad del dispositivo de protección; es decir, que, en caso de avería, el dispositivo de protección aísle únicamente la parte afectada, sin activar los dispositivos de protección de niveles superiores. De este modo, se garantiza que el resto de equipos que no presentan averías puedan seguir funcionando con normalidad.

Para lograr una protección selectiva de la red eléctrica, normalmente se puede proceder de la siguiente manera:Principio de la temporalidad和Principio de la corriente eléctricaRealizar el ajuste:

• Principio temporal:Se refiere a la protección selectiva que se consigue mediante los diferentes valores de ajuste del tiempo de actuación de los dispositivos de protección de distintos niveles. Los tiempos de actuación deben garantizar un incremento gradual en dirección desde los equipos consumidores hacia la fuente de alimentación. Para acortar al máximo la duración de la avería, el tiempo de actuación del interruptor más cercano a los equipos consumidores debe ser lo más breve posible, con el fin de lograr tanto la rápida eliminación de la avería como la garantía de una actuación selectiva de los dispositivos de protección de los niveles anterior y posterior; la clave reside en seleccionar correctamente la diferencia de tiempo entre la actuación de los dispositivos de protección de ambos niveles. En las redes eléctricas de los buques, la diferencia de tiempo suele situarse entre 0,15 y 0,58 s.
• Principios de la corriente eléctrica:Se refiere a la protección selectiva que se consigue mediante los diferentes valores de ajuste de la corriente de disparo de los dispositivos de protección en cada nivel. La corriente de disparo debe garantizar un aumento gradual en cada nivel, desde los equipos eléctricos hasta la fuente de alimentación. Cuanto más cerca de la fuente de alimentación, mayor es la corriente de disparo. La ventaja de utilizar el principio de la corriente para lograr la protección selectiva es la rapidez de actuación en caso de cortocircuito. Su tiempo de actuación depende únicamente del tiempo de actuación intrínseco del dispositivo de protección, que suele ser de aproximadamente 0,1 s. Su inconveniente es que a menudo se ve limitado por la capacidad de corte de los interruptores, es susceptible a interferencias de factores externos y la coordinación entre niveles resulta más difícil; por ello, se utiliza con frecuencia en sistemas eléctricos de buques de capacidad reducida.

La protección contra cortocircuitos en la red eléctrica de los buques suele basarse en principios combinados que incluyen el principio temporal y el principio de corriente. Los interruptores de alimentación situados en el cuadro de distribución principal y en el cuadro de distribución de emergencia no suelen contar con protección contra cortocircuitos con retardo, sino que se suelen emplear interruptores automáticos ajustados según el principio de corriente, cuyo tiempo de disparo electromagnético instantáneo puede alcanzar entre 0,02 y 0,05 s. En el nivel final de la red eléctrica (el más cercano a los equipos consumidores), se pueden utilizar fusibles para proteger contra cortocircuitos la red terminal y el generador.

(II) Análisis de las causas de los cortocircuitos externos en los generadores de los buques

Las principales causas de los cortocircuitos externos en los generadores de los buques suelen ser las siguientes:

1. Daños en el aislamiento del cable
Deterioro por uso prolongado: el funcionamiento prolongado del cable provoca el deterioro del aislamiento, lo que da lugar a cortocircuitos entre fases o entre una fase y tierra.
Humedad o corrosión por niebla salina: debido al ambiente húmedo de los buques, el aislamiento de los cables absorbe humedad o se ve afectado por la corrosión de la niebla salina, lo que provoca fugas eléctricas y cortocircuitos.
Daños mecánicos: el cable sufre compresión, vibraciones o rozaduras provocadas por fuerzas externas, lo que daña el aislamiento y provoca un cortocircuito.

2. Cortocircuito en el equipo de carga
Cortocircuito en los devanados del motor: el aislamiento de los devanados del estator o del rotor del motor se ha dañado, lo que provoca un cortocircuito entre fases o entre espiras.
Avería en los equipos de calefacción: los equipos de calefacción eléctricos (como calentadores de calderas o resistencias eléctricas) sufren un cortocircuito debido a daños o al desgaste del aislamiento.
Cortocircuito en los equipos de distribución eléctrica: un error en el cableado interno de las cajas de distribución o de los armarios de control, o un fallo en el aislamiento, provoca un cortocircuito.

3. Fallos en los componentes eléctricos
Quema de disyuntores y contactores: una corriente excesiva o el desgaste del equipo provocan la abrasión de los contactos y un cortocircuito.
Aflojamiento de los interruptores y los terminales de conexión: Las vibraciones o el funcionamiento prolongado provocan que los terminales de conexión se aflojen, lo que da lugar a cortocircuitos entre fases o entre una fase y tierra.
Averías en condensadores y transformadores: un cortocircuito en los condensadores de filtrado o en los devanados del transformador provoca el disparo del generador.

4. Humedad o contaminación
Entornos húmedos: los equipos eléctricos de los buques, al estar expuestos de forma prolongada a entornos con alta humedad, ven reducidas sus propiedades aislantes, lo que aumenta el riesgo de cortocircuitos.
Acumulación de grasa y polvo: la acumulación de suciedad conductora en el interior de los armarios de distribución y las cajas de conexiones provoca cortocircuitos.

(3) Detección de fallos por cortocircuito externo en los generadores de los buques

1. Evaluación preliminar
En el caso de las centrales eléctricas que cuentan con un sistema automático de gestión, cuando se produce un disparo del interruptor principal del generador o un corte de suministro de la red eléctrica principal, y, aparte de la alarma, no se produce ninguna otra reacción en la sala de máquinas y la alarma indica un fallo por cortocircuito, ello significa que se ha producido un fallo por cortocircuito externo en el generador.
En el caso de las centrales eléctricas convencionales, cuando se produce un disparo del interruptor principal del generador y dicho disparo no se produce al poner en marcha simultáneamente varias cargas pesadas, ni durante las operaciones de carga y descarga con la grúa de la embarcación, ni tras una caída previa de las revoluciones seguida del disparo del interruptor principal, ni tras una caída previa de la tensión seguida del disparo (lo cual puede determinarse por la intensidad de la luz de las lámparas de iluminación), por lo general se puede concluir que se ha producido un cortocircuito externo en el generador; sin embargo, no se puede descartar un error de manejo por parte del personal, como un funcionamiento inadecuado del generador en paralelo que haya provocado que la corriente del generador alcance el valor de ajuste de la protección contra cortocircuitos, ni tampoco se puede descartar que la desconexión haya sido causada por un fallo del propio interruptor principal.

2. Evaluación concreta
Cuando se produce un cortocircuito externo en el generador de un buque, suelen aparecer fenómenos como un aumento anómalo de la corriente o la activación de los disyuntores. Para determinar con precisión la ubicación y la causa de la avería, se pueden aplicar los siguientes métodos:
(1) Observación de los síntomas de la avería: disparo del generador, avisos de alarma (el PMS emite una alarma de cortocircuito), humo o quemaduras en los cables o en los equipos.
(2) Comprobación paso a paso de los interruptores: una vez comprobado que el generador funciona correctamente en vacío, se irán cerrando uno a uno los interruptores de las derivaciones para observar en cuál de ellas se produce un disparo tras el cierre.
(3) Prueba de resistencia de aislamiento: se utiliza un medidor de resistencia de aislamiento para medir la resistencia entre fase y tierra y entre fases; si el valor es inferior a 1 MΩ, existe riesgo.
(4) Inspección de los equipos: comprobar el estado de los cables, los equipos de carga y si los interruptores automáticos están quemados o presentan problemas de contacto.

(IV) Solución de averías por cortocircuito externo en los generadores de los buques

Una vez localizado el punto de cortocircuito mediante los métodos anteriormente mencionados, se reparará aplicando las siguientes medidas:
1. Reparación de cables: sustituir los cables dañados; los cables que hayan absorbido humedad pueden secarse con calor eléctrico o con un secador de pelo.
2. Mantenimiento de los equipos: reparar o sustituir los equipos averiados y limpiar las cajas de distribución sucias.
3. Apriete los cables sueltos: asegúrese de que las conexiones estén bien fijadas; puede utilizar una cámara termográfica para detectar aumentos anómalos de temperatura.
4. Sustitución de piezas defectuosas: Sustituya el disyuntor o el fusible por uno nuevo y reajuste los parámetros de protección.

(V) Prevención de fallos por cortocircuito externo en los generadores de los buques

Compruebe periódicamente el aislamiento, utilice correctamente los dispositivos de protección, mantenga limpio el equipo y evite que funcione con sobrecarga.

(VI) Prácticas de formación sobre averías por cortocircuito externo en los generadores de los buques

(1) Se configuró un punto de fallo en el simulador de máquinas de propulsión; tal y como se muestra en la figura 6-3, se produjo un cortocircuito en el circuito principal de la bomba principal de agua de mar, cuyo punto de cortocircuito se situaba en la entrada del interruptor de la bomba principal de agua de mar, y el interruptor de distribución de la bomba principal de agua de mar no se disparó.

Figura 6-3: Pantalla de configuración de parámetros del dispositivo de protección del interruptor principal

(2) Fenómeno observado: el interruptor principal del generador se ha disparado y se ha activado la alarma de anomalía del generador.
(3) Análisis: Una vez descartados los factores de manejo incorrecto, sobrecarga y subtensión, se puede considerar que se ha producido un cortocircuito.
(4) Localización del punto de cortocircuito: tras desconectar toda la carga, se van conectando uno a uno los interruptores automáticos de la carga; al conectar el circuito de la bomba principal de agua de mar, el generador se dispara, lo que permite determinar el punto de cortocircuito externo. Al mismo tiempo, se evalúa si el propio interruptor de distribución de la bomba principal de agua de mar presenta alguna avería o si los parámetros de tiempo están mal configurados.
(5) Solución de la avería: desconectar el equipo y restablecer el suministro de la red eléctrica. Reparar el interruptor de distribución de la bomba principal de agua de mar y el punto de cortocircuito.

III. Diagnóstico y solución de averías por sobrecarga en los generadores de los buques

(I) Resumen de la protección contra sobrecargas de los generadores de los buques

El principio de la protección contra sobrecargas de los generadores de los buques es, por un lado, proteger el generador contra daños y, por otro, garantizar en la medida de lo posible que no se interrumpa el suministro eléctrico. Por ello, en la protección contra sobrecargas de los generadores se utiliza ampliamenteProtección de descarga con clasificación automáticaEs decir, cuando se produce una sobrecarga en el generador, el dispositivo de descarga automática por niveles descarga en primer lugar parte de la carga secundaria para eliminar la sobrecarga del generador y emite una señal de alarma. Si la sobrecarga no se elimina en un plazo determinado, con el fin de proteger el generador contra posibles daños, el dispositivo de protección contra sobrecargas debe emitir una señal de desconexión automática por sobrecarga del generador, desconectando así el generador de la barra colectora.

En el caso de sobrecargas de corta duración en los generadores (provocadas, por ejemplo, por el arranque de motores de gran potencia, el arranque simultáneo de varios motores o un cortocircuito en un punto remoto de la red eléctrica), los dispositivos de protección deben evitar estas sobrecargas transitorias; es decir, la protección contra sobrecargas debe presentar una cierta característica de retardo. En cuanto a la protección contra sobrecargas de los generadores, las «Normas de clasificación de buques marítimos de acero» establecen lo siguiente: En el caso de los generadores que no dispongan de un dispositivo automático de descarga por niveles, cuando la sobrecarga alcance entre 125% y 135% de la corriente nominal, el dispositivo de protección se activará con un retardo de entre 15 y 30 s, provocando la desconexión automática del generador; en el caso de los generadores que cuenten con un dispositivo automático de descarga por niveles, cuando la sobrecarga alcance el 150 % de la corriente nominal, el dispositivo de protección se activará con un retardo de 10 a 20 s, provocando la desconexión automática del generador.

La protección contra sobrecargas de los generadores de los buques suele realizarse mediante un disparador de sobrecorriente integrado en un interruptor automático de aire. El ajuste de la corriente de actuación del relé de sobrecorriente de disparo prioritario se basa en la corriente de ajuste de retardo largo de la protección contra sobrecargas del generador. Por ejemplo, si la corriente nominal del generador de un buque es de 770 A y el relé de sobrecorriente de disparo prioritario está ajustado a 90% de la corriente de ajuste del disparador de retardo largo, entonces: corriente de ajuste del disparador de retardo largo = 770 × 1,1 = 847 A, corriente de ajuste de la desconexión prioritaria = 847 × 0,9 = 762,3 A; por lo tanto, la corriente de ajuste de la desconexión prioritaria es 99% de la corriente nominal del generador. El ajuste del tiempo de retardo de la desconexión prioritaria no solo requiere que el valor de ajuste de la corriente de acción de dicho relé de sobrecorriente esté coordinado con la corriente de ajuste del retardo largo de la protección contra sobrecargas del generador, sino que también exige que el ajuste del tiempo de retardo esté bien coordinado. En la práctica, el retardo del disparador de retardo largo suele ajustarse entre 15 y 30 s; por lo tanto, el valor de ajuste del retardo del relé de sobrecorriente de disparo prioritario debe ser inferior a 15 s.

Las cargas no esenciales que se desconectan en primer lugar suelen ajustarse en función de la naturaleza de la carga y su potencia. Por ejemplo, en un buque portacontenedores se aplica un sistema de desconexión en dos niveles: en el primer nivel se desconectan las herramientas de mantenimiento, el equipamiento de cocina, los potabilizadores de agua, etc.; en el segundo nivel, se desconecta la alimentación de los contenedores frigoríficos. La cantidad de carga que se desconecta de forma prioritaria depende del número de generadores que funcionan en paralelo y de la tasa de carga.

(II) Análisis de las causas de las averías por sobrecarga en los generadores de los buques

Una avería por sobrecarga en el generador de un buque se produce cuando la potencia de salida del generador supera su potencia nominal, lo que provoca un exceso de corriente, un aumento de la temperatura e incluso la activación de los dispositivos de protección. A continuación se analizan las causas más comunes:

1. El aumento de la carga provoca una sobrecarga
(1) La potencia total de la carga supera la potencia nominal del generador: se ha añadido un equipo de gran potencia o se han puesto en marcha varios equipos a la vez. Por ejemplo, durante las operaciones de carga y descarga de un buque de carga a granel, un aumento repentino de la carga provocó una caída de tensión y la activación del disyuntor.
(2) Funcionamiento anómalo de los equipos de carga: bloqueo del motor, cortocircuito o deterioro de los equipos eléctricos. Por ejemplo, el deterioro de los cojinetes de la bomba de lastre de un buque químico provocó que la corriente superara los 351 TP3T.
(3) Compensación insuficiente de la potencia reactiva: el funcionamiento con un bajo factor de potencia provoca un aumento de la corriente total.

2. Disminución de la potencia de salida del generador
Fallos en el sistema de excitación, envejecimiento o daños en los devanados, fallos en los cojinetes o en el sistema de refrigeración, así como fallos en el AVR (que provocan una tensión baja y un aumento de la corriente).

3. Factores relacionados con el entorno de ejecución
Una temperatura ambiente demasiado alta, una humedad excesiva, la corrosión por niebla salina o las vibraciones mecánicas provocan que los cables se aflojen.

4. Problemas con el sistema de control
(1) Distribución desigual de la carga: cuando hay varias unidades conectadas en paralelo, una de ellas asume una carga excesiva. Por ejemplo, en un petrolero, una anomalía en el regulador de velocidad provoca la sobrecarga de otra unidad.
(2) Fallo de funcionamiento del dispositivo de protección: el valor de ajuste es demasiado bajo.
(3) Configuración incorrecta de los parámetros: por ejemplo, si el PMS no ha podido poner en marcha automáticamente la máquina de reserva, lo que ha provocado una sobrecarga y la desconexión automática de la máquina en funcionamiento.

(3) Detección de averías por sobrecarga en los generadores de los buques

La sobrecarga del generador provoca el disparo del interruptor principal, lo que suele ocurrir en situaciones como el arranque a alta carga de un generador en funcionamiento individual, el arranque simultáneo de varios generadores con cargas elevadas o el fallo del sistema de descarga escalonada durante el funcionamiento en paralelo. El método para determinarlo es el siguiente:

• (1) Evaluación visual: observar si hay un calentamiento anormal, olor a quemado o alarmas en el panel de control.
• (2) Medición con instrumentos: comprobar si se producen caídas anómalas de tensión y si la potencia activa supera los límites establecidos.
• (3) Análisis de la carga: si hay nuevos equipos de alta potencia o si se ponen en marcha varios equipos a la vez.
• (4) Método de ensayo: reducir gradualmente la carga y observar la variación de la corriente, o bien realizar la prueba sustituyendo el generador en paralelo.
• (5) Historial de diagnóstico: consultar el historial del PMS.

(IV) Métodos para solucionar averías por sobrecarga en los generadores de los buques

Ajustar la distribución de la carga, optimizar el modo de funcionamiento (conexión a la red), comprobar las condiciones de disipación de calor y verificar los ajustes de control del sistema eléctrico.

(V) Medidas de prevención de averías por sobrecarga en los generadores de los buques

Medir periódicamente los parámetros, ajustar adecuadamente la carga, instalar un sistema de gestión de mantenimiento preventivo (PMS) y realizar un mantenimiento periódico de los equipos.

(VI) Prácticas de protección contra sobrecargas en los generadores de los buques

La protección contra sobrecargas (desconexión de retardo largo) suele someterse a una comprobación simulada mediante un comprobador de interruptores principales, colocando el interruptor en la posición “prueba”. Los pasos para el manejo con el simulador de máquinas son los siguientes:
(1) Establecer un punto de fallo: cuando la potencia de funcionamiento de una sola máquina sea elevada, poner en marcha otra máquina con una carga elevada.
(2) Fenómeno observado: disparo del interruptor principal y alarma de anomalía.
(3) Análisis: se identifican los indicios de un disparo prioritario y se determina que se trata de una sobrecarga.
(4) Solución de averías: Cerrar directamente el interruptor para restablecer las cargas importantes. Una vez que se haya activado el generador de reserva y se le haya asignado la carga, se podrán reactivar las cargas de mayor potencia.