ES2251703T3 - Procedimiento y dispositivo para monitorizar corrientes de perdida en una red electrica corriente alterna. - Google Patents
Procedimiento y dispositivo para monitorizar corrientes de perdida en una red electrica corriente alterna.Info
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Abstract
Procedimiento para el control de las corrientes de pérdida en una red eléctrica de corriente alterna con una frecuencia de red predeterminada, con las siguientes etapas: - registrar (12a-d) valores de corriente de corrientes eléctricas que van a monitorizarse, - transformar (14) los valores de corriente registrados en valores de corriente digitalizados, - calcular (16) valores de suma de corrientes a partir de los valores de corriente digitalizados, - formar (18) bloques a partir de los valores de suma de corrientes en función de la posición de fase de una señal de voltaje de red, - descomposición (24) espectral de los bloques en proporciones espectrales, y - monitorizar (32) las proporciones espectrales de los bloques en relación con la superación de los valores espectrales límite para valorar la peligrosidad de la corriente de pérdida.
Description
Procedimiento y dispositivo para monitorizar
corrientes de perdida en una red eléctrica de corriente alterna.
La presente invención se refiere a una
monitorización de corrientes de pérdida en una red eléctrica de
corriente alterna y, especialmente, a la detección espectral y en
concordancia de fase de corrientes relativas y absolutas para
estimar el riesgo de corrientes de pérdida y para valorar el
potencial de peligrosidad de las corrientes de pérdida para las
personas y los materiales.
En la técnica de instalaciones eléctricas, el
potencial de peligrosidad para las personas a través de una
instalación eléctrica, tal como, por ejemplo, una red eléctrica de
corriente alterna, se estima basándose en valores momentáneos de
las corrientes que van a monitorizarse en la red de corriente
alterna. Esto es válido tanto para valores absolutos como también
para valores relativos y/o valores diferenciales de las corrientes
que van a monitorizarse, denominándose también a estos valores de
las corrientes "corriente de pérdida". Este tipo de
determinación del riesgo se emplea en forma de interruptores de
protección frente a corrientes de pérdida, que también se denominan
"interruptores de protección con toma a tierra" y miden la
corriente diferencial entre un conductor de ida y un conductor de
retorno.
Una característica fundamental de todo
interruptor de protección frente a corrientes de pérdida es el
denominado "transformador de sumas de corrientes". Todos los
conductores de corriente de una instalación eléctrica, incluido el
conductor neutro, se conducen unos con otros y en el mismo sentido a
través de este transformador. Las corrientes operativas normales no
tienen ningún efecto sobre este transformador dado que su suma
siempre da un valor de “cero”, es decir, no se presenta ninguna
corriente diferencial.
Sin embargo, si una corriente de pérdida que ha
sido ocasionada, por ejemplo, por una falta a tierra, sale del
circuito de corriente cerrado hacia la toma de tierra, entonces el
equilibrio magnético del transformador se perturba el equivalente
al valor de la corriente de pérdida que fluye a masa (tierra). En
este caso, el transformador se magnetiza, y se ocasiona
momentáneamente, mediante un disyuntor altamente sensible, la
desconexión de todos los polos del interruptor de protección frente
a corrientes de pérdida.
Por tanto, los interruptores de protección frente
a corrientes de pérdida miden la proporción de corriente alterna de
la corriente de pérdida, clasificándose la corriente de pérdida como
más o menos peligrosa en función de su valor. Sin embargo, en este
tipo de protección para las personas y/o materiales ampliamente
difundido no se registra la proporción de corriente continua de la
corriente de pérdida y, por tanto, no puede valorarse
correctamente.
En la solicitud de patente internacional
WO98/58432 se describe, por ejemplo, una determinación del peligro
para valorar el potencial de peligrosidad para las personas y
materiales debido a corrientes de pérdida, diferenciándose allí con
un procedimiento análogo entre corrientes de pérdida reactivas
capacitivas, a las que se asigna un potencial de peligrosidad bajo
para las personas, y corrientes de pérdida activas, a las que se
asocia un alto potencial de peligrosidad para las personas.
Adicionalmente, en el procedimiento allí descrito se diferencia
entre una proporción de corriente alterna y una proporción de
corriente continua. La proporción de corriente alterna se
descompone en la fase correspondiente en una corriente activa y una
corriente reactiva. Esto aumenta la tolerancia a las corrientes
reactivas capacitivas, que se clasifican como potencialmente menos
peligrosas dado que no pueden proceder de una falta a tierra. Por
tanto, es posible conseguir una activación con corrientes de
pérdida activas muy bajas, existiendo al mismo tiempo una tolerancia
relativamente alta a las corrientes de pérdida capacitivas.
En la solicitud de patente internacional
mencionada, se muestra además un posible enfoque para también poder
registrar y valorar corrientes continuas. Las corrientes continuas
ya no modifican el comportamiento de las corrientes alternas,
pudiendo valorarse las corrientes alternas en concordancia de fase.
Sin embargo, dado que en el sentido estricto una relación de fase
sólo está definida en las señales de monofrecuencia, las corrientes
de frecuencias más altas se valoran erróneamente con la fase
referida a la frecuencia de red (por ejemplo, 50 Hz). En especial,
las corrientes en forma de impulsos con proporciones de señal en
frecuencias más altas, tales como las que son producidas por las
modernas alimentaciones de red de conexión para ordenadores,
televisores, etc. y por los controles del ángulo de fase para
máquinas taladradoras, cocinas eléctricas, reductores de
iluminación, etc., acarrean problemas en esta valoración dado que no
pueden detectarse de forma independiente.
En concreto, es posible llevar a cabo una
ponderación de la corriente de pérdida en función de la frecuencia,
sin embargo, esta ponderación debe realizarse de forma analógica
mediante costosos filtros. Adicionalmente, la señal global
ponderada para la proporción de corriente alterna se separa a
continuación, sin tener en cuenta la composición espectral, en una
proporción de corriente activa y una proporción de corriente
reactiva. Esto tiene lugar, por ejemplo, también en los casos en
los que en la corriente de pérdida medida no hay ninguna proporción
con la frecuencia de red y, como consecuencia, conduce a
valoraciones erróneas importantes de la corriente de pérdida, lo
cual perjudica a su vez en gran medida a una valoración correcta y
fiable del potencial de peligrosidad para las personas y los
materiales.
materiales.
Las desventajas de los interruptores de
protección frente a corrientes de pérdida (interruptores de
protección con toma a tierra) empleados en el pasado según el
estado de la técnica estriban en que a menudo sólo se mide la
proporción de corriente alterna de la corriente de pérdida y ésta se
mide también únicamente según su valor absoluto. Dado que no se
tiene en cuenta la fase de la proporción de corriente alterna medida
de la corriente de pérdida, no puede realizarse fundamentalmente
ninguna clasificación en una proporción activa y una proporción
reactiva de la corriente de pérdida. Por tanto, en el caso de un
umbral de desconexión muy bajo del interruptor de protección frente
a las corrientes de pérdida diseñado para una protección para las
personas, esto conduce a frecuentes activaciones erróneas del
dispositivo de protección. Una elevación del umbral de activación
reduce la incidencia de activaciones erróneas, no obstante, también
reduce al mismo tiempo la acción de protección para las
personas.
Además, los interruptores de protección frente a
corrientes de pérdida del tipo prescrito en la técnica de
instalaciones domésticas, por ejemplo, para el baño, no detectan en
absoluto o sólo de forma insuficiente corrientes continuas. Por
tanto, básicamente no puede conseguirse una protección suficiente
para las personas en cuestión frente a las corrientes continuas
aunque la frecuencia de estas corrientes continuas superpuestas
vuelva a aumentar actualmente. De una importancia aún mayor para un
potencial de peligrosidad restante es el hecho de que el núcleo
magnético anular, usado en los interruptores de protección, del
transformador de sumas de corrientes puede ser saturado por una
carga de corriente continua no perceptible desde fuera y, con ello,
puede reducirse o incluso eliminarse la acción de protección también
en el caso de las corrientes alternas. Por tanto, los interruptores
de protección convencionales frente a corrientes de pérdida
representan en este caso más bien un gran riesgo que una protección
para las personas dado que la supuesta protección (imperceptible
desde fuera) ya no existe.
Un posible enfoque para reducir este problema lo
representan los denominados "interruptores de protección
sensibles a corrientes por impulsos".
Estos interruptores de protección pueden detectar
corrientes continuas pulsantes. No obstante, estos interruptores de
protección sensibles a las corrientes pulsantes no pueden medir
corrientes continuas puras.
Partiendo de este estado de la técnica, el
objetivo de la presente invención consiste en crear un concepto
mejorado para monitorizar las corrientes de pérdida en una red
eléctrica de corriente alterna para, por medio de la monitorización
de las corrientes de pérdida, garantizar una valoración más segura y
fiable del potencial de riesgo para las personas y el material.
Este objetivo se consigue gracias a un
procedimiento para la monitorización de las corrientes de pérdida
según la reivindicación 1 y gracias a un dispositivo para la
monitorización de las corrientes de pérdida según la
reivindica-
ción 11.
ción 11.
En el procedimiento según la invención para la
monitorización de las corrientes de pérdida en una red eléctrica de
corriente alterna con una frecuencia de red predeterminada se
registran primero valores de corriente de corrientes eléctricas que
van a monitorizarse. Los valores de corriente registrados se
transforman a continuación en valores discretos de corriente
digitalizados, calculándose valores de suma de corrientes a partir
de los valores digitalizados de corriente. A partir de los valores
de suma de corrientes se forman bloques en función de la posición
de fase de una señal de voltaje de red, a continuación, estos
bloques se descomponen en sus proporciones espectrales a partir de
los valores de suma de corrientes. Finalmente, las proporciones
espectrales de los bloques se monitorizan para saber si se superan
los valores límite espectrales y valorar con ello la peligrosidad
de la corriente de pérdida.
El dispositivo según la invención para
monitorizar las corrientes de pérdida en una red eléctrica de
corriente alterna con una frecuencia de red predeterminada
comprende un dispositivo para registrar valores de corriente de
corrientes eléctricas que van a monitorizarse, un dispositivo para
transformar los valores de corriente registrados en valores de
corriente digitalizados, un dispositivo para calcular valores de
suma de corrientes a partir de los valores de corriente
digitalizados, un dispositivo para formar bloques a partir de los
valores de suma de corrientes en función de la posición de fase de
una señal de voltaje de red, un dispositivo para la descomposición
espectral de los bloques en proporciones espectrales y un
dispositivo para monitorizar la peligrosidad de la corriente de
pérdida.
La presente invención se basa en la idea de que,
en el marco de una valoración de la peligrosidad de una corriente
de pérdida en una monitorización de la corriente de pérdida en una
red eléctrica de corriente alterna, puede emplearse un
procedimiento para la descomposición espectral y la disociación de
señales en sus proporciones espectrales individuales mediante una
transformada de Fourier, siendo ventajoso que puedan hallarse y
aplicarse una o varias funciones de ponderación adecuadas para
valorar la peligrosidad de la corriente de pérdida.
Las señales, es decir, las corrientes eléctricas
que van a monitorizarse en una red eléctrica de corriente alterna y
que deben suministrarse al verdadero sistema de monitorización de la
peligrosidad, se registran primero con sensores correspondientes,
después (cuando sea necesario) se amplifican y finalmente se
transforman en un valor digital discreto. Para monitorizar las
corrientes de pérdida se calcula ahora, a partir de los valores
digitales de las corrientes individuales, una suma de las
corrientes. Los valores de la suma de corrientes se dividen a
continuación, de forma sincrónica respecto a la frecuencia de la
señal de voltaje de red, en bloques de longitud preferiblemente
fija. Esto puede tener lugar de forma solapada o sencillamente
secuencial. En este caso, un bloque contiene siempre todos los
valores de suma de corrientes durante un periodo de la señal de
voltaje de red, por ejemplo, entre dos pasos por cero uniformes del
voltaje de red. Estos bloques de valores de suma de corrientes se
descomponen entonces, mediante una transformada discreta de Fourier,
en sus proporciones espectrales.
En este punto, ahora puede realizarse de manera
muy sencilla una ponderación diferente de la proporción de
corriente activa y la proporción de corriente reactiva de la suma de
corrientes, es decir, de la corriente de pérdida, multiplicándose
para ello la parte real o la parte imaginaria de la línea espectral
correspondiente de la corriente de pérdida por un factor de
ponderación adecuado. Para, por ejemplo, duplicar el umbral de
activación para corrientes reactivas capacitivas (o inductivas) debe
multiplicarse por 0,5 la parte imaginaria de las componentes de la
frecuencia de red (es decir, las componentes de 50 Hz en caso de una
frecuencia de red de 50 Hz).
En la ponderación que va a realizarse de forma
opcional, ahora se lleva a cabo a continuación una monitorización
de las proporciones espectrales de los bloques para saber si se
sobrepasan los valores límite espectrales, para valorar así la
peligrosidad de la corriente de pérdida.
Si ahora la señal que va a medirse, es decir, la
corriente de pérdida, tiene una frecuencia de 50 Hz (frecuencia de
red), entonces mediante la transformada discreta de Fourier se
determina de forma exacta el valor correcto de la línea espectral
en cuestión.
No obstante, si la frecuencia de señal de la suma
de corrientes está, por ejemplo, en una frecuencia de 75 Hz
(suponiendo una frecuencia de red de 50 Hz), es decir, si la
frecuencia de señal de la corriente de pérdida no es un múltiplo
entero de la frecuencia de red, entonces el umbral de desconexión
del procedimiento de monitorización de la corriente de pérdida se
eleva de forma manifiesta debido a la menor sensibilidad de la línea
de 50 Hz (y de la línea de 100 Hz contigua) a esta frecuencia (75
Hz). Por tanto, el umbral de desconexión entre las líneas
espectrales depende claramente de la frecuencia de señal de la suma
de corrientes, lo que conduce a que, en otro aspecto del
procedimiento según la invención para monitorizar la corriente de
pérdida en una red eléctrica de corriente alterna, tras la
descomposición de los bloques en proporciones espectrales, se lleve
a cabo una corrección de la sensibilidad de detección de las
corrientes de pérdida con frecuencias entre múltiplos sucesivos de
la frecuencia de red mediante la combinación entre sí de valores de
amplitud espectral que están asociados a las líneas espectrales
contiguas. Una combinación espectral de este tipo se denomina en lo
sucesivo “representación”.
Con esta denominada “representación”, la
secuencia de varias líneas espectrales conduce a un valor de
desconexión fundamentalmente constante. Una posible realización
para una representación de este tipo consiste ahora en sumar, tras
la transformada discreta de Fourier, los dos valores absolutos o
valores cuadráticos absolutos de líneas espectrales contiguas que
presentan en cada caso un múltiplo entero de la frecuencia de
red.
El valor resultante constituye entonces una buena
medida, con un error de un máximo de aproximadamente \pm5%, para
la amplitud de señal existente entre las dos frecuencias discretas
contiguas, es decir, múltiplos enteros contiguos de la frecuencia
de red.
Por tanto, se posee una indicación acerca de la
suma de las amplitudes de señal existentes en el intervalo entre
las dos frecuencias contiguas. Este valor de la suma puede
monitorizarse entonces, por ejemplo, mediante un comparador, para
saber si se supera un determinado valor límite fijado
previamente.
Además, es posible realizar diferentes umbrales
de desconexión para diferentes intervalos de frecuencia. Por tanto,
pueden ponderarse con menor valor corrientes de pérdida de alta
frecuencia que, por ejemplo, han sido ocasionadas por elementos
conectados, para reducir la frecuencia de las activaciones erróneas
sin reducir la seguridad para las personas.
Además, con el procedimiento según la invención
es posible detectar y valorar de forma controlada corrientes
continuas dado que en la detección de las señales mediante sensores
individuales ahora también pueden emplearse sensores aptos para
corriente continua.
Con la posibilidad de poder realizar cualquier
función de ponderación espectral, también es posible reproducir en
función de la frecuencia la línea característica de la peligrosidad
fisiológica para las personas debido a las corrientes de pérdida.
Si se lleva a cabo esto, entonces se combina a su vez una alta
seguridad para las personas con una baja frecuencia óptima de
activaciones erróneas y, por tanto, con una alta aceptación del
sistema de protección.
Puede observarse que el concepto según la
invención para la monitorización de corrientes de pérdida en una
red eléctrica de corriente continua proporciona una serie de
ventajas en relación con la forma de proceder conocida hasta ahora
en el estado de la técnica para la monitorización de la corriente de
pérdida. Por tanto, la ventaja principal respecto al estado de la
técnica consiste en que con el concepto según la invención para la
monitorización de las corriente de pérdidas ahora es posible una
valoración encauzada y, por tanto, también correcta, desde el punto
de vista de los conocimientos fisiológicos, del potencial de
peligrosidad de todas las proporciones espectrales de las
corrientes de pérdida. Por tanto, la máxima seguridad posible para
el usuario es compatible con un número lo más reducido posible de
activaciones erróneas de la monitorización de corrientes de
pérdida.
Incluso en las aplicaciones críticas, tales como,
por ejemplo, las corrientes de pérdida elevadas ocasionadas por el
sistema en determinadas frecuencias, tales como, por ejemplo, la
frecuencia de modulación de impulsos en duración en accionamientos
de corriente trifásica, en las que hasta el momento no podía
garantizarse de forma suficiente una función de protección con
disposiciones convencionales de protección frente a corrientes de
pérdida, con el concepto según la invención para la monitorización
de la corriente de pérdida puede conseguirse una protección
suficientemente buena para valorar así la peligrosidad de la
corriente de pérdida al ponderarse con menor valor o atenuarse por
completo la frecuencia o frecuencias en cuestión (y exclusivamente
éstas). Si las proporciones de corriente activa problemáticas no se
encuentran en la línea de frecuencia de red, es decir, por ejemplo,
la línea de 50 Hz, puede obtenerse a pesar de ello una protección
eficaz para las personas.
A continuación, se explican detalladamente
ejemplos de realización preferidos de la presente invención haciendo
referencia a los dibujos adjuntos. Muestran:
la figura 1, un diagrama de flujo del
procedimiento para la monitorización de las corriente de pérdidas en
una red de corriente alterna, según un ejemplo de realización
preferido de la presente invención;
la figura 2, el valor absoluto de una línea
espectral para señales con diferentes frecuencias pero amplitudes
constantes;
la figura 3, el valor absoluto de la ponderación
espectral entre dos líneas espectrales contiguas (líneas
espectrales de 50 Hz y 100 Hz) tras una transformada discreta de
Fourier según un ejemplo de realización de la presente
inven-
ción; y
ción; y
la figura 4, una representación básica de toda la
combinación espectral (solapamiento) en el intervalo de corriente
continua (CC) hasta 750 Hz según un ejemplo de realización de la
presente invención.
A continuación, se describe ahora mediante la
figura 1 un ejemplo de realización preferido del procedimiento para
la monitorización de las corrientes de pérdida en una red eléctrica
de corriente alterna con una frecuencia de red predeterminada según
la presente invención.
Mediante el diagrama de flujo de la figura 1 se
describe la forma de proceder básica para una monitorización de
corrientes de pérdida de varios canales, es decir, una
monitorización de corrientes diferenciales en una red eléctrica de
corriente alterna monofásica o multifásica con toma a tierra con una
frecuencia de red predeterminada, realizándose en el ejemplo de
realización mostrado de la figura 1, por ejemplo, una monitorización
de 4 canales de las corrientes diferenciales. Debería tenerse en
cuenta que la presente invención puede emplearse para la
monitorización de corrientes diferenciales con un número cualquiera
de canales. Además, en la siguiente descripción se parte de una
frecuencia de red de 50 Hz, debiendo tenerse en cuenta que la
presente invención puede emplearse con cualquier frecuencia
de red.
de red.
Tal como se muestra en los recuadros
12a-d del diagrama de flujo de la figura 1, el
procedimiento según la invención para la monitorización de la
corriente de pérdida en una red eléctrica de corriente alterna
comienza, según el ejemplo de realización preferido, porque,
mediante los sensores de corriente, se registran con su
correspondiente signo las cuatro corrientes que van a monitorizarse,
por ejemplo, las corrientes de tres conductores de red y la
corriente de un conductor neutro. Los valores de corriente
registrados (valores momentáneos) de las corrientes que van a
monitorizarse se transforman a continuación en valores discretos de
corriente digitalizados, tal como se muestra en el recuadro 14 de
la figura 1.
A partir de los valores discretos de corriente
digitalizados de las corrientes eléctricas que van a monitorizarse
se calculan ahora, por ejemplo, mediante una suma, los valores de la
suma de las corrientes, tal como se muestra en el recuadro 16 de la
figura 1. Tal como se muestra en recuadro 18 del diagrama de
bloques, ahora se forman bloques a partir de los valores de suma de
corrientes en función de la posición de fase de la frecuencia de
red de una señal de voltaje de red, dependiendo la longitud de los
bloques de la posición de fase de la señal de voltaje de red, y
equivaliendo preferiblemente un periodo (o un múltiplo entero de un
periodo) a la frecuencia de red. En este caso, la formación de los
bloques puede tener lugar de forma solapada o también de forma
secuencial. Para formar los bloques, compuestos por los valores
digitales de suma de corrientes calculados, de forma sincrónica a
la frecuencia de red de la voltaje de red, se facilita una señal
síncrona, tal como se muestra en el recuadro 20, obteniéndose la
señal síncrona a partir de la detección de la frecuencia de red de
la señal del voltaje de la red, tal como se muestra en el recuadro
22.
La señal síncrona indica preferiblemente un
periodo del voltaje de red para formar el bloque a partir de los
valores digitales calculados de las sumas de corrientes,
obteniéndose preferiblemente la señal síncrona al registrarse dos
pasos por cero uniformes de la señal de voltaje de red, de manera
que un bloque presenta siempre todos los valores digitales de suma
de corrientes calculados durante un periodo del voltaje de red.
Debería resultar evidente que los periodos del voltaje de red
también pueden determinarse de cualquier otra manera apropiada a
partir de la trayectoria de la señal de voltaje de red.
Asimismo, debería tenerse en cuenta que, según la
presente invención, también es posible llevar a cabo la formación
de los bloques, de forma correspondiente al recuadro 18 del diagrama
de flujo de la figura 1, durante varios periodos de la señal de
voltaje de red, mediante lo cual, por una parte, se aumenta la
precisión del procedimiento según la invención para la
monitorización de la corriente de pérdida en una red eléctrica de
corriente alterna, aunque, por otra parte, el tratamiento posterior
de los bloques formados por los valores digitales de suma de
corrientes calculados resulta considerablemente laborioso.
Tal como se muestra en el recuadro 24, ahora los
valores digitalizados de suma de corrientes calculados se
descomponen en sus proporciones espectrales mediante una
transformación adecuada, por ejemplo, una transformada de Fourier
(DFT = transformada discreta de Fourier o FFT = transformada rápida
de Fourier).
En este punto del procedimiento según la
invención para la monitorización de la corriente de pérdida en una
red eléctrica de corriente alterna puede realizarse ahora, por
ejemplo, de forma muy sencilla una ponderación diferente de la
proporción de corriente activa y corriente reactiva de los valores
espectrales descompuestos de las sumas de corrientes multiplicando,
por ejemplo, la parte real o imaginaria de la línea espectral
correspondiente de un valor de suma de corrientes por un
determinado factor de ponderación, tal como se prevé de forma
opcional en el recuadro 26 de la figura 1. Como una especificación
para la ponderación (recuadro 28) puede preverse, por ejemplo,
doblar el umbral de activación para corrientes reactivas capacitivas
(o inductivas) de manera que, por ejemplo, la parte imaginaria de
las componentes se multiplique por 0,5 en caso de una frecuencia de
red de, por ejemplo, 50 Hz.
A la ponderación (recuadro 26) de las
proporciones espectrales correspondientes de los valores de suma de
corrientes, en caso de que esta se realice, o de lo contrario, a la
transformada de Fourier, le sigue ahora en general una
monitorización de las proporciones espectrales de los bloques para
saber si se sobrepasan los valores espectrales límite, tal como se
muestra en el recuadro 32, para valorar así la peligrosidad de la
corriente de pérdida a partir de los valores espectralmente
descompuestos de las sumas de corrientes. En caso de superar un
valor límite, se realiza entonces una acción predeterminada,
pudiendo, como acción, generarse una advertencia óptica o acústica,
pudiendo transmitirse un aviso por medio de una unidad de red
correspondiente o pudiendo activarse directamente una función de
protección, por ejemplo, una desconexión de todos los polos.
En el diagrama de flujo de la figura 1 se muestra
además que antes de la comprobación de los valores límite de las
proporciones espectrales para saber si se sobrepasa un valor
espectral límite (recuadro 32), puede realizarse opcionalmente
además una denominada "función de representación", tal como se
muestra mediante el recuadro 30 del diagrama de flujo de la figura
1. A continuación, se explica detalladamente bajo qué condiciones
es necesaria esta etapa de realización de una función de
reproducción (recuadro 30) y se lleva a cabo según la
invención.
Suponiendo que el umbral básico de los valores
espectralmente descompuestos de las sumas de corrientes corresponde
a la frecuencia de red de, por ejemplo, 50 Hz, el valor absoluto
mostrado en la figura 2 de la ponderación espectral de las líneas
espectrales individuales se obtiene tras la transformada discreta de
Fourier. Si se parte ahora de que la señal que va a medirse, es
decir, la suma de corrientes calculada o los valores calculados de
la suma de corrientes (véase el recuadro 16), incluye precisamente
la frecuencia de red de 50 Hz o un múltiplo entero de ésta,
entonces mediante la transformada discreta de Fourier se determina
exactamente el valor correcto de la línea espectral en cuestión. En
este caso no es necesario realizar la función de representación
(recuadro 30 de la
figura 1).
figura 1).
No obstante, si la frecuencia de la señal de suma
de corrientes, es decir, los valores de suma de corrientes, se
sitúa, por ejemplo, en una frecuencia que no corresponde a un
múltiplo entero de la frecuencia básica de red, tal como puede
observarse en la figura 2, el umbral de desconexión se eleva
claramente a esta frecuencia debido a la sensibilidad más baja de
las líneas espectrales que corresponden a un múltiplo entero de la
frecuencia básica de red.
En este caso, en la versión que va a realizarse
aquí de un interruptor de protección de toma a tierra sólo se
realiza un valor umbral relativamente poco preciso en el intervalo
temporal. Los otros dos valores umbral previstos se refieren a
representaciones espectrales de la corriente de pérdida. En estas
líneas espectrales calculadas mediante una transformada de Fourier
(FFT), un valor espectral (compuesto por unas partes real e
imaginaria) representa una gama de frecuencias determinada. Esta
gama de frecuencias se extiende en el caso concreto más allá de 50
Hz.
Sería ideal que una corriente de pérdida
monofrecuencial con la amplitud 1, independientemente de la
frecuencia concreta, en la zona relativa a una línea espectral
proporcionara también como valor espectral un valor de 1. Sin
embargo, no es este el caso. Las relaciones reales de amplitud
pueden desprenderse de la figura 2.
En el centro de la gama que comprende los 50 Hz,
el valor absoluto de la línea espectral de 50 Hz es precisamente 1.
Hacia los bordes, el valor absoluto desciende a aproximadamente el
63% (0,63). Esto significa que una corriente de pérdida con una
frecuencia de 75 Hz tendría un umbral de desconexión un 37% mayor
que en la frecuencia nominal de 50 Hz dado que, tal como se muestra
en la figura 2, por ejemplo, una señal de 75 Hz se divide de modo
uniforme con un valor de aproximadamente 0,63 en la línea espectral
de 50 Hz y 100 Hz contigua.
Por tanto, si, por ejemplo, la frecuencia de
señal de la suma de corrientes se sitúa en una frecuencia de 75 Hz
(véase la posición indicada en la figura 2 con un círculo), y se
parte de una frecuencia de red de 50 Hz, entonces el umbral de
desconexión entre las líneas espectrales depende claramente de la
frecuencia de señal.
Por tanto, en la presente invención se lleva a
cabo de forma opcional, tras la descomposición de los bloques en
proporciones espectrales, una corrección de la sensibilidad de
detección para corrientes de pérdida con frecuencias entre
múltiplos sucesivos de la frecuencia de red combinándose entre sí
valores de amplitud espectral que están asociados a las líneas
espectrales contiguas. Esta combinación se designa a continuación de
forma general como “representación” (recuadro 30).
Los valores de amplitud espectral combinados se
comprueban entonces en la presente invención para evaluar o valorar
la peligrosidad de la corriente de pérdida, tal como ya se ha
expuesto expresamente antes mediante el recua-
dro 32.
dro 32.
Para poder solventar el problema citado relativo
a corrientes de pérdida con frecuencias entre múltiplos sucesivos
de la frecuencia de red mediante una “representación”, deben
calcularse o combinarse entre sí dos líneas espectrales
directamente contiguas, de tal manera que se forma una gama de 50 Hz
más ancho con amplitud fundamentalmente “constante”. Este intervalo
con amplitud fundamentalmente constate puede utilizarse entonces
para la verdadera comparación del valor umbral. Fuera del intervalo
constante, por el contrario, la amplitud debe descender lo más
rápido posible al valor de 0 (cero) para que siga siendo posible una
valoración espectral encauzada.
No obstante, el resultado del cálculo no tiene
que depender de la posición de fase de las señales individuales.
Por tanto, no pueden emplearse las partes real e imaginaria de las
líneas espectrales consideradas sin una comprobación precisa del
resultado durante el cálculo.
Una realización preferida según la presente
invención de un cálculo o combinación de amplitudes espectrales que
están asociadas a líneas espectrales contiguas consiste en combinar
los dos valores absolutos (valores absolutos al cuadrado) de líneas
espectrales contiguas en cada caso y, preferiblemente, sumarlos
(recuadro 30 del diagrama de flujo de la figura 1). Con ello, se
obtienen gamas espectrales entre líneas espectrales contiguas en
cada caso, es decir, entre líneas espectrales contiguas con un
múltiplo entero de la frecuencia básica de red, con una
sensibilidad prácticamente constante para límites de desconexión
dependientes de la frecuencia dentro de esta gama espectral.
Un enfoque relativamente sencillo de realizar
para conseguir esta gama con amplitud lo más constante posible es
posible mediante la siguiente ecuación de la suma de los valores
absolutos al cuadrado:
B(k)^{2} = k_{1} \cdot
(RE(k)^{2} + IM(k)^{2}) + k_{2} \cdot
(RE(k+1)^{2} +
IM(k+1)^{2})
Este enfoque relativamente sencillo combina los
valores absolutos al cuadrado de dos líneas (k; k+1) espectrales
contiguas que presentan un múltiplo entero de la frecuencia de red.
Debería tenerse en cuenta que la combinación anteriormente
mencionada sólo se elige a título de ejemplo para la siguiente
invención y, en principio, puede utilizarse cualquier otra
combinación adecuada con la que pueda conseguirse una gama con
amplitud lo más constante posible. No obstante, a este respecto ha
de tenerse en cuenta que los requisitos, por ejemplo, en cuanto a
la potencia de cálculo, etc., de los componentes electrónicos
correspondientes que se utilizan para realizar el procedimiento
según la invención aumentan considerablemente si se elige una
ecuación matemáticamente compleja.
La ponderación espectral entre dos líneas
espectrales contiguas se muestra básicamente en la figura 3 mediante
las trayectorias I, II y III, representando la trayectoria I el
valor absoluto de la línea espectral de 50 Hz, la trayectoria II,
el valor absoluto de la línea espectral de 100 Hz, y la trayectoria
III, la combinación de los valores absolutos al cuadrado de las dos
líneas espectrales.
Sería ideal una función de los valores absolutos
que, en el intervalo entre 50 y 100 Hz, presente precisamente un
valor de 1 y, además, un valor de 0. Con la combinación de los
valores absolutos al cuadrado se obtiene de las dos líneas
espectrales (trayectorias I, II) la función de los valores absolutos
(trayectoria III). La ondulación residual restante en el valor
absoluto se sitúa en este caso en un máximo de aproximadamente
\pm5%.
Por tanto, el valor resultante de la sensibilidad
de detección para corrientes de pérdida en el caso de una suma es
una buena medida para las amplitudes de señal presentes entre las
dos frecuencias discretas contiguas. La diferencia de un máximo de
aproximadamente \pm5% prácticamente no puede percibirse en el tipo
de funcionamiento síncrono, sin embargo, en un funcionamiento
asíncrono conduce a una diferencia adicional al valorar el umbral
de des-
conexión.
conexión.
Según la presente invención, con la función de
los valores absolutos (trayectoria III) se obtiene una indicación
de la suma de las amplitudes de las señales existentes en el
intervalo entre las frecuencias contiguas, es decir, entre líneas
espectrales contiguas con un múltiplo entero de la frecuencia básica
de red que, por ejemplo, es de 50 Hz.
La supresión de las proporciones de frecuencia
fuera de la ventana considerada de 50 Hz sólo empeora de forma poco
importante debido a la combinación seleccionada. Si otra línea de
corriente de pérdida se sitúa en la parte menos favorable de la
línea espectral directamente contigua, se suprime siempre con un
factor de al menos 3.
Esta forma de solapamiento puede realizarse en
principio con todas las proporciones de corriente alterna que
comienzan en la línea de 50 Hz hasta la línea de 750 Hz inclusive.
No obstante, mediante la adición de dos líneas espectrales se
deteriora claramente la separación señal a ruido. El ruido aumenta
con el factor \surd2, mientras que la señal (compuesta de una
línea) se mantiene sin variación.
Por el contrario, en el umbral más fino (50 Hz)
esto puede representar un problema porque la separación de ruido ya
no es lo suficientemente grande como para poder realizar un umbral
de desconexión para la corriente de pérdida de, por ejemplo, 10 mA.
Por tanto, el elemento de decisión de 50 Hz con el umbral más fino
debe usar directamente el valor no solapado obtenido a partir de la
transformada de Fourier (FFT). Sin embargo, con ello la gama entre
50 Hz y 100 Hz no se valora erróneamente, aunque debe calcularse el
valor de solapamiento. Este valor de solapamiento no se almacena en
la línea de 50 Hz anterior, sino en la línea de 100 Hz.
Toda la representación, que se lleva a cabo
mediante un solapamiento, se muestra a modo de ejemplo en la
fi-
gura 4.
gura 4.
Mediante esta medida ahora es posible establecer
el umbral de 50 Hz más bajo que el valor umbral entre 50 Hz y 100
Hz. En el caso de la línea de 50 Hz, se dispone, por tanto, en un
área del límite de ruido térmico predeterminado por el ancho de
banda de 50 Hz. Todas las otras (líneas de alta frecuencia) tienen
un ancho de banda de ruido efectivo de 100 Hz y son el factor
\surd2 peores que la línea de 50 Hz.
En la presente invención se controla entonces el
valor obtenido de la suma de las amplitudes de señal presentes en
el intervalo entre las dos frecuencias contiguas, por ejemplo,
mediante un comparador, para saber si se ha superado un determinado
límite (véase el recuadro 32). Según la presente invención, es
posible en este caso realizar diferentes umbrales de desconexión
para diferentes gamas de frecuencias. Por tanto, pueden ponderarse
con menor valor corrientes de pérdida de alta frecuencia que son
originados por elementos conectados para reducir la frecuencia de
activaciones erróneas sin reducir la seguridad para las personas.
Con la monitorización de corrientes de pérdida según la invención
también pueden valorarse de forma segura y fiable corrientes de
pérdida cuya frecuencia no coincide con un múltiplo entero de la
frecuencia de red.
Con el procedimiento según la invención, que se
ha descrito basándose en la figura 1, también es posible ahora
registrar corrientes continuas de forma controlada y valorarlas,
dado que, durante el registro de las señales mediante sensores
individuales, ahora pueden utilizarse, según la presente invención,
sensores aptos para la corriente continua.
La transformada de Fourier (FFT) proporciona la
proporción continua correspondiente que, o bien puede solaparse con
la línea de 50 Hz, o bien puede simplemente someterse de forma
directa e independiente a una consideración del valor límite como
componente de corriente continua (DC). Esto tiene lugar de forma
análoga a todas las otras líneas espectrales. Naturalmente no hay
una división entre corriente activa/reactiva durante la
consideración de los valores límite de una componente de corriente
continua (DC).
Con la posibilidad de poder realizar cualquier
función de ponderación espectral, también es posible reproducir la
línea característica de la peligrosidad fisiológica para las
personas en función de la frecuencia. Si se realiza esto, entonces
se combina una alta seguridad para las personas con una baja
frecuencia óptima de activaciones erróneas y, por tanto, una alta
aceptación del sistema de protección.
Según la presente invención, por ejemplo, para
cada una de las líneas espectrales calculadas pueden predeterminarse
dos factores de ponderación (uno para la proporción activa y uno
para la proporción reactiva) y un valor límite de desconexión para
el valor absoluto. Gracias a la posibilidad de poder adaptar durante
el funcionamiento los valores límite sobre la base de las líneas
espectrales existentes medidas, puede conseguirse una acción de
protección óptima con, al mismo tiempo, un número bajo de
activaciones erróneas.
Tal como se muestra en el recuadro 32 de la
figura 1, en caso de superación de un valor límite, se lleva a cabo
una acción predeterminada, pudiendo, como acción, generarse una
advertencia óptica o acústica, pudiendo transmitirse un aviso por
medio de una unidad de red correspondiente o pudiendo activarse
directamente una función de protección, por ejemplo, una
desconexión de todos los polos.
En la práctica es ventajoso proporcionar la línea
espectral de corriente, que se sitúa directamente en la frecuencia
de red, por ejemplo, de 50 Hz, adicionalmente de forma directa (sin
una representación) a una monitorización independiente de los
valores límite para poder monitorizar esta línea principal de forma
especialmente buena y sin perturbaciones desde las líneas
contiguas. Esto es especialmente útil si la frecuencia de red se
dispone en una gama de frecuencias fisiológicamente muy
desfavorable.
Una ventaja principal de la presente invención
respecto al estado de la técnica hasta el momento consiste, por
tanto, en que con el procedimiento según la invención para la
monitorización de corrientes de pérdida en una red eléctrica de
corriente alterna con una frecuencia de red predeterminada es
posible ahora una valoración, encauzada de forma correspondiente a
los conocimientos fisiológicos, del potencial de peligrosidad de
todas las proporciones espectrales de las corrientes que han de
monitorizarse. Por tanto, es compatible la mayor seguridad posible
para el usuario con un número lo más reducido posible de
activaciones erróneas.
Incluso en aplicaciones críticas, por ejemplo,
cuando debido al sistema se presentan altas corrientes de pérdida
en determinadas frecuencias, tal como, por ejemplo, en una
frecuencia de modulación de impulsos en duración en accionamientos
trifásicos en los que hasta ahora no podía garantizarse una función
de protección en una medida suficiente, puede conseguirse con el
procedimiento según la invención una protección suficientemente
buena al ponderarse
la(s) frecuencia(s) en cuestión, es decir, exclusivamente ésta(s), completamente atenuada(s) y con menor valor. Si las proporciones problemáticas de corriente activa no se encuentran en la línea de frecuencia de red de, por ejemplo,
50 Hz, puede obtenerse en la mayor medida posible una protección eficaz para las personas.
la(s) frecuencia(s) en cuestión, es decir, exclusivamente ésta(s), completamente atenuada(s) y con menor valor. Si las proporciones problemáticas de corriente activa no se encuentran en la línea de frecuencia de red de, por ejemplo,
50 Hz, puede obtenerse en la mayor medida posible una protección eficaz para las personas.
Claims (20)
1. Procedimiento para el control de las
corrientes de pérdida en una red eléctrica de corriente alterna con
una frecuencia de red predeterminada, con las siguientes etapas:
- -
- registrar (12a-d) valores de corriente de corrientes eléctricas que van a monitorizarse,
- -
- transformar (14) los valores de corriente registrados en valores de corriente digitalizados,
- -
- calcular (16) valores de suma de corrientes a partir de los valores de corriente digitalizados,
- -
- formar (18) bloques a partir de los valores de suma de corrientes en función de la posición de fase de una señal de voltaje de red,
- -
- descomposición (24) espectral de los bloques en proporciones espectrales, y
- -
- monitorizar (32) las proporciones espectrales de los bloques en relación con la superación de los valores espectrales límite para valorar la peligrosidad de la corriente de pérdida.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que tras la descomposición (24) de los bloques en proporciones
espectrales, se lleva a cabo una corrección (30) de la sensibilidad
de registro para las corrientes de pérdida con frecuencias entre
múltiplos sucesivos de la frecuencia de red combinándose entre sí
los valores de amplitud espectral que están asociados a las líneas
espectrales contiguas.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el
que los valores combinados de amplitud espectral se utilizan para
valorar la peligrosidad de una corriente de pérdida.
4. Procedimiento según la reivindicación 2 ó 3,
en el que se suman los valores absolutos cuadráticos de los valores
de amplitud espectral que están asociados a líneas espectrales
contiguas.
5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el
que los valores sumados de amplitud espectral se utilizan para
valorar la peligrosidad de la corriente de pérdida.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en el que la descomposición (24)
espectral de los bloques se lleva a cabo mediante una transformada
discreta de Fourier.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en el que las proporciones espectrales
se ponderan (26) mediante especificaciones de ponderación
dependientes de la frecuencia.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, en el
que se lleva a cabo una ponderación (26) diferente de la parte real
y la parte imaginaria de las proporciones espectrales.
9. Procedimiento según la reivindicación 8, en el
que se lleva a cabo una ponderación diferente de la parte real y la
parte imaginaria de las proporciones espectrales para realizar una
valoración del potencial de peligrosidad de la corriente de pérdida
en relación con las especificaciones fisiológicas y/o
especificaciones de protección de material en función de la
frecuencia.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en el que los bloques de los valores
de suma de corrientes se forman en función de la posición de fase
de una señal de voltaje de red, obteniéndose la posición de fase a
partir de dos pasos por cero uniformes de la señal de voltaje de
red.
11. Dispositivo para el control de las corrientes
de pérdida en una red eléctrica de corriente alterna con una
frecuencia de red predeterminada, con las siguientes
características:
- -
- un dispositivo para registrar valores de corriente de corrientes eléctricas que van a monitorizarse,
- -
- un dispositivo para transformar los valores de corriente registrados en valores de corriente digitaliza- dos,
- -
- un dispositivo para calcular los valores de suma de corrientes a partir de los valores de corriente digitalizados,
- -
- un dispositivo para formar bloques a partir de los valores de suma de corrientes en función de la posición de fase de una señal de voltaje de red,
- -
- un dispositivo para la descomposición espectral de los bloques en proporciones espectrales, y
- -
- un dispositivo para monitorizar las proporciones espectrales de los bloques en relación con una superación de los valores límite espectrales para valorar la peligrosidad de la corriente de pérdida.
12. Dispositivo según la reivindicación 11, en el
que tras la descomposición (24) de los bloques en proporciones
espectrales, se lleva a cabo una corrección (30) de la sensibilidad
de registro para las corrientes de pérdida con frecuencias entre
múltiplos sucesivos de la frecuencia de red combinándose entre sí
valores de amplitud espectral que están asociados a líneas
espectrales contiguas.
13. Dispositivo según la reivindicación 12, en el
que los valores combinados de amplitud espectral se utilizan para
valorar la peligrosidad de la corriente de pérdida.
14. Dispositivo según la reivindicación 12 ó 13,
en el que se suman los valores absolutos cuadráticos de los valores
de amplitud espectral que están asociados a líneas espectrales
contiguas.
15. Dispositivo según la reivindicación 14, en el
que los valores sumados de amplitud espectral se utilizan para
valorar la peligrosidad de la corriente de pérdida.
16. Dispositivo según una de las reivindicaciones
11 a 15, en el que la descomposición (24) espectral de los bloques
se lleva a cabo mediante una transformada discreta de Fourier.
17. Dispositivo según una de las reivindicaciones
11 a 16, en el que las proporciones espectrales se ponderan (26)
mediante especificaciones de ponderación dependientes de la
frecuencia.
18. Dispositivo según la reivindicación 17, en el
que se lleva a cabo una ponderación (26) diferente de la parte real
y la parte imaginaria de las proporciones espectrales.
19. Dispositivo según la reivindicación 18, en el
que se lleva a cabo una ponderación diferente de la parte real y la
parte imaginaria de las proporciones espectrales para realizar una
valoración en función de la frecuencia del potencial de
peligrosidad de la corriente de pérdida en relación con
especificaciones fisiológicas y/o especificaciones de protección de
material.
20. Dispositivo según una de las reivindicaciones
11 a 19, en el que los bloques se forman a partir de los valores de
suma de corrientes en función de la posición de fase de una señal de
voltaje de red, obteniéndose la posición de fase a partir de dos
pasos por cero uniformes de la señal de voltaje de red.
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