ES2547468B2 - Método y sistema para la detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante un rectificador - Google Patents
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Abstract
Método y sistema para la detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante un rectificador.#La presente invención se refiere a un método y un sistema para la detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante un rectificador y un transformador. La invención comprende: obtener una señal de tensión en una impedancia de puesta a tierra conectada al transformador; obtener una segunda señal de tensión entre uno de los terminales del rectificador y el neutro del transformador; realizar una comparación angular entre los vectores de tensión correspondientes a ambas señales de tensión; y determinar si existe una falta en función de un umbral preestablecido.
Description
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DESCRIPCION
Metodo para la detection de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante un rectificador
OBJETO DE LA INVENCION
La presente invention tiene aplicacion en el campo de los sistemas electricos. Espetificamente, permite detectar faltas a tierra en sistemas electricos alimentados desde una red corriente alterna en los que intervienen rectificadores, como por ejemplo los sistemas de generation de ene^a electrica, en los que el sistema de excitation de los generadores smcronos se alimenta por medio de un rectificador a traves de un transformador de excitacion, principalmente los de gran potencia.
ANTECEDENTES
Hoy en dia, toda instalacion electrica debe estar dotada de sistemas de protection que la hagan segura ante posibles cortocircuitos y otros defectos que puedan causar danos tanto a las propias instalaciones como a las personas.
En el caso de grupos de generacion, dichas protecciones deben, ademas, garantizar el suministro de energia a la red del modo mas fiable posible, tratando de discriminar los niveles de gravedad de las faltas que se produzcan.
Generalmente, para la production de energia electrica se utilizan generadores smcronos, cuyos rotores debe ser alimentado en corriente continua. Existen diferentes metodos para inyectar dicha corriente en el rotor de la maquina, entre los que estan la excitacion estatica o la excitacion indirecta con excitatriz y diodos rotativos.
El circuito de excitacion de un generador es un sistema de corriente continua aislado de tierra. Una sola falta a tierra no afectara a la operation del generador ni producira danos de efecto inmediato. Sin embargo, la probabilidad de que una segunda falta a tierra ocurra es mayor despues de que se haya producido la primera. Cuando se tiene una segunda falta a tierra, una parte del devanado de excitacion estara cortocircuitado, produciendo flujos desequilibrados en el entrehierro de la maquina, que daran como resultado vibraciones y calentamientos.
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Ante un cortocircuito a tierra en el rotor del generador, la practica habitual es utilizar bien reles de protection o bien alarmas, para proceder a la desconexion del grupo.
En el estado del arte existen soluciones de uso comun para detectar defectos a tierra en los rotores de los generadores, como por ejemplo:
• usando una fuente adicional de tension continua: una fuente de tension en serie con el devanado de excitation y con la bobina de un rele de sobrecorriente. Este circuito esta conectado a tierra en un punto, de forma que un defecto a tierra en cualquier punto del devanado provocara la circulation de corriente continua proveniente de la fuente adicional y causara la operation del rele.
• Usando una fuente adicional de tension alterna: una fuente de tension alterna en serie con dos condensadores, con el devanado de excitacion y con la bobina de un rele de sobrecorriente. Este circuito esta conectado a tierra en un punto, de forma que un defecto a tierra en cualquier punto del devanado provocara la circulacion de corriente alterna y causara la operacion del rele.
• Por inyeccion de una onda cuadrada: se inyecta una onda de baja tension en el devanado de excitacion y se recoge la senal devuelta por este. La forma de la onda se vera modificada debido a las capacidades del devanado. Un rele calcula la resistencia del aislamiento en funcion de ambas senales.
Ademas, existen otra serie de soluciones en el estado del arte que divulgan sistemas de detection de faltas a tierra en rotores utilizando transformadores toroidales, como por ejemplo utilizando una cinta de una aleacion con memoria, de forma que se conecta entre el devanado del rotor y el eje de la maquina, pero este tipo de soluciones exige fuentes de tension adicionales conectadas en serie. Otras soluciones recurren a conectar un fusible entre el devanado rotorico y tierra para detectar los defectos a tierra.
El estado del arte tambien cuenta con alternativas donde una resistencia de puesta a tierra es conectada en el neutro del transformador que alimenta el rectificador. El criterio de deteccion utilizado es un criterio de comparacion del valor del modulo de la tension medida en la resistencia de puesta a tierra con un valor predeterminado para decidir si hay defecto a tierra. No obstante, cuando se trata de maquinas con gran capacidad a tierra, presentan el problema de que la corriente a tierra por dichas capacidades puede confundirse con defectos en el centro del devanado de excitacion y provocar disparos no deseados causados por la corriente que circula por las capacidades en funcionamiento normal sin defecto.
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Por tanto, el estado del arte no cuenta con soluciones fiables para la detection de fallos en sistemas de gran capacidad a tierra, como es el caso de los generadores de gran potencia.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
La presente invention resuelve los problemas mencionados anteriormente y permite la deteccion de faltas de defecto a tierra en sistemas de corriente continua basandose en la comparacion angular de dos vectores de tension, con la ventaja de que no necesita ninguna fuente adicional y aportando inmunidad frente a las corrientes capacitivas parasitas. Para ello se presenta, segun un primer aspecto de la invencion, un metodo de deteccion de faltas a tierra para sistemas de corriente continua alimentados a traves de un rectificador y un transformador. El metodo comprende:
a) obtener una primera senal de tension en una impedancia de puesta a tierra conectada al transformador;
b) obtener una segunda senal de tension entre uno de los terminales del rectificador y el neutro del transformador;
c) calcular un primer vector de tension de un armonico de la primera senal de tension;
d) calcular un segundo vector de tension de un armonico, del mismo orden que el armonico del paso c), de la segunda senal de tension;
e) calcular la diferencia entre el argumento del primer vector y el argumento del segundo vector;
f) determinar una falta de defecto a tierra si la diferencia es inferior a un umbral preestablecido.
De acuerdo a diferentes realizaciones de la presente invencion, la segunda senal de tension puede obtenerse entre el terminal positivo o el negativo del rectificador y el neutro del transformador.
La presente invencion contempla la posibilidad de que el armonico utilizado sea el tercer armonico de la senal de tension. De acuerdo a una de las realizaciones, donde el transformador se alimenta desde una red de alimentation con una cierta frecuencia, se contempla la posibilidad de obtener el tercer armonico calculando el triple de dicha cierta frecuencia.
El umbral preestablecido para determinar si existe una falta de defecto a tierra puede
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variarse utilizando un modulo de ajuste, de acuerdo a una de las realizaciones de la invention.
Una de las posibilidades contempladas por la presente invencion para establecer el umbral es, de acuerdo a una realization particular, fijarlo de acuerdo a pruebas experimentales, con distintos valores de impedancia de puesta a tierra conectada al transformador, en sistemas con un porcentaje de defecto conocido.
Se contempla la posibilidad de que la impedancia de puesta a tierra conectada al transformador adopte cualquier valor entre 10 ohmios y 10.000 ohmios.
Un segundo aspecto de la presente invencion se refiere un sistema de detection de faltas a tierra para sistemas de corriente continua alimentados a traves de un rectificador, que a su vez se alimenta mediante un transformador. El sistema comprende:
- una impedancia (2) de puesta a tierra conectada entre el transformador (1) y tierra;
- un primer modulo medidor de tension, conectado a la impedancia de puesta de tierra, que obtiene una primera senal de tension;
- un segundo modulo medidor de tension, conectado entre uno de los terminales del rectificador y el neutro del transformador, que obtiene una segunda senal de tension;
- un primer modulo de calculo, conectado a la salida del primer modulo medidor de tension, que obtiene un primer vector de tension de un armonico de la primera senal de tension;
- un segundo modulo de calculo, conectado a la salida del segundo medidor de tension, que obtiene un segundo vector de tension, de un armonico del mismo orden que el armonico de la primera senal de tension, de la segunda senal de tension;
- un modulo restador, que recibe los vectores obtenidos por jos modulos de calculo y calcula la diferencia entre los argumentos de dichos vectores;
- un modulo comparador, que compara la diferencia calculada y, en caso de ser menor a un umbral preestablecido, determina que existe una falta de defecto a tierra.
Opcionalmente, el segundo modulo medidor de tension se puede configurar para obtener la
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segunda senal de tension entre un terminal positivo del rectificador y tierra o entre un terminal negativo del rectificador y tierra.
De acuerdo a una de las realizaciones de la invention, se contempla la posibilidad de que el primer y el segundo modulos de calculo esten configurados para obtener el tercer armonico de la primera y segunda senales de tension respectivamente.
Adicionalmente, la presente invencion puede, en una de sus realizaciones, comprender un modulo de ajuste conectado al modulo comparador para variar el umbral preestablecido.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Para complementar la description que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracteristicas de la invencion, se acompana como parte integrante de dicha descripcion, un juego de figuras en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra un esquema de una de las realizaciones de la invencion, donde la tension de referencia se toma entre el terminal negativo del rectificador y el neutro del transformador.
La figura 2 muestra un esquema de una de las realizaciones de la invencion, donde la tension de referencia se toma entre el terminal positivo del rectificador y el neutro del transformador.
La figura 3 muestra las medidas, de acuerdo a una realization de la invencion, en un caso de funcionamiento normal sin defecto, tomando como tension de referencia la tension entre el terminal negativo del rectificador y el neutro del transformador.
La figura 4 muestra las medidas, de acuerdo a una realizacion de la invencion, en un caso de funcionamiento con defecto, tomando como tension de referencia la tension entre el terminal negativo del rectificador y el neutro del transformador.
La figura 5 muestra las medidas, de acuerdo a una realizacion de la invencion, en un caso de funcionamiento normal sin defecto, tomando como tension de referencia la tension entre el terminal positivo del rectificador y el neutro del transformador.
La figura 6 muestra las medidas, de acuerdo a una realizacion de la invencion, en un caso de funcionamiento con defecto, tomando como tension de referencia la tension entre el terminal positivo del rectificador y el neutro del transformador.
La figura 7 muestra las formas de onda de las tensiones en la resistencia de puesta a tierra
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de acuerdo a una de las realizaciones de la invention, junto con la tension de referencia entre positivo y neutro, para distintos valores de resistencia de defecto en caso de falta en el 25% del devanado de excitation.
La figura 8 muestra los vectores correspondientes a las ondas de la tension en la resistencia de puesta a tierra, de acuerdo a una de las realizaciones de la invencion, en caso de defecto en el 25% del devanado de excitacion, para distintos valores de resistencia de defecto, junto con la forma de onda de la tension entre terminal positivo y neutro.
La figura 9 muestra las formas de onda de las tensiones en la resistencia de puesta a tierra de acuerdo a una de las realizaciones de la invencion, junto con la tension de referencia entre positivo y neutro, para distintos valores de resistencia de defecto en caso de falta en el 50% del devanado de excitacion.
La figura 10 muestra los vectores correspondientes a las ondas de la tension en la resistencia de puesta a tierra, de acuerdo a una de las realizaciones de la invencion, en caso de defecto en el 50% del devanado de excitacion, para distintos valores de resistencia de defecto, junto con la forma de onda de la tension entre terminal positivo y neutro.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
La presente invencion permite ventajosamente detectar defectos a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores, alimentados su vez a traves de un transformador, que puede ser un transformador de alimentation o un transformador de excitacion, basandose en un criterio de comparacion angular entre el vector de tension en la resistencia de puesta a tierra, con otro vector de tension correspondiente a la tension entre uno de los terminales (positivo o negativo) en el rectificador y el neutro del transformador. En el caso de un funcionamiento normal sin defecto la corriente por tierra es de origen capacitivo ya que circula por las capacidades parasitas del devanado. Sin embargo, en caso de defecto la corriente por tierra circula por la resistencia de defecto, y es por tanto de origen resistivo. Estas corrientes, producen diferentes desfases en la tension en la resistencia de puesta a tierra, lo que aprovecha la presente invencion para mostrarse inmune a las corrientes capacitivas.
Los sistemas de corriente continua normalmente son sistemas aislados de tierra, por lo que debe referenciarse a tierra a traves de una impedancia de alto valor ohmico (2). Para la detection del defecto se mide la tension (5) en dicha impedancia de puesta a tierra del sistema de alimentacion de corriente alterna. Por ejemplo, de acuerdo tanto a la realization de la figura 1 como a la figura 2, se utiliza un esquema de un sistema de alimentacion de
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una carga de corriente continua (4), donde el transformador de alimentacion (1) tiene conexion en estrella con neutro accesible, en donde se ha instalado una impedancia de puesta a tierra (2).
Adicionalmente se mide bien la tension entre el terminal negativo y el neutro del transformador (7), como se representa en la figura 1, o bien la tension entre el terminal positivo y el neutro del transformador (6) como se representa en la figura 2.
Se necesitan por tanto dos medidas de tension, una medida de tension (5) en la impedancia de puesta a tierra (2) y otra entre uno de los dos terminales del rectificador y el neutro del transformador (6) o (7).
A partir de ambas tensiones, se obtienen las componentes de uno de sus armonicos, preferentemente el tercer armonico, es decir del triple de la frecuencia de la red de alimentacion con la que se alimenta el transformador (1) utilizando un modulo o elemento calculador (8). Las figuras 1 y 2 muestran dos ejemplos donde, mediante un modulo o un bloque calculador de armonico de frecuencia triple (8) se hace el analisis de la tension de referencia (5) y dicho modulo o bloque calculador (8) da como uno de los resultados el argumento (11) de la tension (5).
Del mismo modo se mide como referencia la tension (7) entre el terminal escogido del rectificador (3), pudiendo ser el terminal negativo como en la figura 1 o el terminal positivo como en la figura 2, y el neutro del transformador. Esta tension (7) se analiza mediante otro modulo o bloque calculador de armonico de frecuencia triple (8), obteniendo el argumento de la tension entre el terminal escogido y el neutro del transformador, por ejemplo, siguiendo la realization de la figura 1, el argumento (9) o siguiendo la realization de la figura 2, el argumento (10).
Una vez obtenidas las respectivas componentes de frecuencia triple se realiza una comparacion angular, por ejemplo mediante la resta de los argumentos (9) menos (11), o de los argumentos (10) menos (11), mediante un elemento calculador (12) y a continuation, el argumento resultado (13) de la resta de los dos anteriores, se compara con un valor (14) previamente ajustado. En caso de que el argumento (13) sea menor que el ajuste (14) el comparador (15) activa la salida (16) que indica que hay defecto a tierra en el sistema de corriente continua.
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A continuation, el modulo o bloque restador (12) da como resultado un nuevo argumento (13) que es la diferencia entre los argumentos (9) y (11), segun el ejemplo de la figura 1, o la diferencia entre los argumentos (10) y (11) segun el ejemplo de la figura 2. Este nuevo argumento (13) se compara mediante el bloque (15), con un valor (14) previamente ajustado. Si el nuevo argumento (13) es menor que el umbral preestablecido (14) se activara la senal (16) para indicar que hay defecto a tierra.
En las figura 3 y 5 se representa el caso en que no existe defecto para las realizaciones correspondientes a las figuras 1 y 2 respectivamente, donde el nuevo argumento (13) es mayor que el umbral preestablecido (14), independientemente de utilizar como tension de referencia la tension entre el terminal negativo del rectificador y el neutro del transformador o la tension entre el terminal positivo del rectificador y el neutro del transformador.
En las figuras 4 y 6 se representa el caso en que si existe defecto para las realizaciones correspondientes a las figuras 1 y 2 respectivamente, donde el nuevo argumento (13) es menor que el umbral preestablecido (14), independientemente de utilizar como tension de referencia la tension entre el terminal negativo del rectificador y el neutro del transformador de o la tension entre el terminal positivo del rectificador y el neutro del transformador de.
Las figuras 7, 8, 9 y 10 responden a resultados obtenidos mediante pruebas experimentales de una realization de la invention en un sistema electrico real. En este ejemplo particular, el sistema esta compuesto por un generador smcrono de 106 MVA, con sistema de excitation estatico.
Concretamente, en la figura 7 se muestran las formas de onda de las tensiones en la resistencia de puesta a tierra (5) junto con la tension de referencia entre positivo y neutro (6), para distintos valores de resistencia de defecto en caso de falta en el 25% del devanado de excitacion. Las formas de onda representadas en la figura 7 corresponden a la tension en la resistencia de puesta a tierra, para condiciones sanas de operation, es decir, sin defecto (17), y a las tensiones en la resistencia de puesta a tierra en caso de defecto para unos valores de resistencia de falta de 10 kQ (18), 4700 Q (19), 1000 Q (20), 470 Q (21) y 10 Q (22). Como se aprecia, al reducir el valor de resistencia de defecto, la forma de onda cambia
En la figura 8, se puede apreciar ademas como evoluciona el vector de tension de tercer armonico de la tension en la resistencia de puesta a tierra para dichos valores de resistencia de defecto. Se representan el vector de tension de tercer armonico entre terminal positivo y
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neutro, es dedr, el de referencia (10), el vector de tension de tercer armonico en la resistencia de puesta a tierra para condiciones sanas de operacion, es dedr, sin defecto (23) y los vectores de tension de tercer armonico en la resistencia de puesta a tierra en caso de defecto para los valores de resistencia de falta de 10 kQ (24), 4700 Q (25) 1000 Q (32) 470 Q (33) y 10 Q (34). Se aprecia como, a medida que el valor de resistencia de falta es mas proximo a cero, el vector de tercer armonico de la tension en la resistencia de puesta a tierra se situa en fase con el vector de tercer armonico de referencia, obtenido de la tension entre positivo y neutro.
Las mismas conclusiones se extraen de las figuras 9 y 10, donde se obtienen resultados analogos a los mostrados en las figuras 7 y 8, salvo que corresponden al caso de defecto en el 50% del devanado.
Concretamente, en la figura 9 se muestran las formas de onda de las tensiones en la resistencia de puesta a tierra (5) junto con la tension de referencia entre positivo y neutro (6), para distintos valores de resistencia de defecto en caso de falta en el 50% del devanado de excitacion. Las formas de onda representadas en la figura 9 corresponden a la tension en la resistencia de puesta a tierra, para condiciones sanas de operacion, es decir, sin defecto (29), y a las tensiones en la resistencia de puesta a tierra en caso de defecto para unos valores de resistencia de falta de 10 kQ (30), 4700 Q (31), 1000 Q (32), 470 Q (33) y 10 Q
(34) . Como se aprecia, al reducir el valor de resistencia de defecto, la forma de onda cambia
En la figura 10, se puede apreciar de nuevo como evoluciona el vector de tension de tercer armonico de la tension en la resistencia de puesta a tierra para dichos valores de resistencia de defecto. Se representan el vector de tension de tercer armonico entre terminal positivo y neutro, es decir, el de referencia (10), el vector de tension de tercer armonico en la resistencia de puesta a tierra para condiciones sanas de operacion, es decir, sin defecto
(35) y los vectores de tension de tercer armonico en la resistencia de puesta a tierra en caso de defecto para los valores de resistencia de falta de 10 kQ (36), 4700 Q (37) 1000 Q (38) 470 Q (39) y 10 Q (40). Se aprecia nuevamente como, a medida que el valor de resistencia de falta es mas proximo a cero, el vector de tercer armonico de la tension en la resistencia de puesta a tierra se situa en fase con el vector de tercer armonico de referencia, obtenido de la tension entre positivo y neutro.
Claims (5)
- 51015202530REIVINDICACIONES1. - Metodo de deteccion de faltas a tierra para sistemas de corriente continua alimentados a traves de un rectificador y un transformador, donde el metodo comprende los siguientes pasos:a) obtener una primera senal de tension en una impedancia de puesta a tierra conectada al neutro transformador;b) obtener una segunda senal de tension entre uno de los terminales del rectificador y el neutro transformador;c) calcular un primer vector de tension del tercer armonico de la primera senal de tension;d) calcular un segundo vector de tension del tercer armonico de la segunda senal de tension;e) calcular la diferencia entre el argumento del primer vector y el argumento del segundo vector;f) determinar una falta de defecto a tierra si la diferencia es inferior a un umbral preestablecido.
- 2. Metodo de acuerdo a la reivindicacion 1, donde el transformador se alimenta desde una red de alimentacion con una frecuencia, el tercer armonico se calcula como el triple de dicha frecuencia.
- 3. - Metodo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores que ademas comprende variar el umbral mediante un modulo de ajuste.
- 4. - Metodo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde el umbral se fija de acuerdo a pruebas experimentales, con distintos valores de impedancia de puesta a tierra conectada al transformador, en sistemas con un porcentaje de defecto conocido.
- 5. - Metodo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la impedancia de puesta tierra conectada al transformador tiene un valor entre 10 ohmios y 10.000 ohmios.
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| ES201530567A ES2547468B2 (es) | 2015-04-28 | 2015-04-28 | Método y sistema para la detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante un rectificador |
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