ES2321270A1 - Sistema y metodo de deteccion de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores. - Google Patents

Sistema y metodo de deteccion de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores. Download PDF

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Abstract

Sistema de detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores, comprendiendo: - una impedancia de puesta a tierra (6) en el transformador (1) que alimenta el rectificador (3); - un equipo de medida (23) de la corriente que circula a través de la impedancia de puesta a tierra (6), obteniendo una señal medida (5); - un dispositivo analizador (15) encargado de analizar la señal medida (5) y que dispone de: -medios de obtención de la amplitud de dicha señal medida (5) a la frecuencia de red f1 (Af1) y a la frecuencia 3xf1 (A3f1); -medios de comparación (10) encargados de comparar dichas amplitudes a la frecuencia f1 (Af1) y 3xf1 (A3f1) con un valor determinado (AFALLO), y obtener al menos una señal de salida (11, 12, 13) indicativa de la existencia o no de falta a tierra y, en caso de que se haya producido, del lugar donde se ha producido la falta.

Description

Sistema y método de detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores.
Objeto de la invención
La presente invención es de aplicación para sistemas eléctricos en los que intervienen rectificadores, alimentados desde una red de corriente alterna a través de un transformador.
Una clara aplicación son los sistemas de generación de energía eléctrica, en los que el sistema de excitación de los generadores síncronos se alimenta por medio de un rectificador a través de un transformador de excitación. Con el sistema objeto de la presente invención se pueden detectar cortocircuitos a tierra tanto en la zona de corriente continua como en la zona de corriente alterna sin necesidad de ninguna fuente adicional de inyección de corriente o tensión y se puede distinguir en que zona se ha producido el defecto, zona de corriente continua o zona de corriente alterna.
Antecedentes de la invención
Toda instalación eléctrica debe estar dotada de sistemas de protección que la hagan segura ante posibles cortocircuitos y otros defectos que puedan causar daños tanto a las propias instalaciones como a las personas.
En el caso de grupos de generación, dichas protecciones deben, además, garantizar el suministro de energía a la red del modo más fiable posible, tratando de discriminar los niveles de gravedad de las faltas que se produzcan.
Generalmente, para la producción de energía eléctrica se utilizan generadores síncronos, cuyos rotores debe ser alimentado en corriente continua. Existen diferentes métodos para inyectar dicha corriente en el rotor de la máquina:
\bullet
\vtcortauna Excitación estática
\bullet
\vtcortauna Excitación indirecta con excitatriz y diodos rotativos.
\vskip1.000000\baselineskip
El circuito de excitación de un generador es un sistema de corriente continua aislado de tierra. Una sola falta a tierra no afectará a la operación del generador ni producirá daños de efecto inmediato. Sin embargo, la probabilidad de que una segunda falta a tierra ocurra es mayor después de que se haya producido la primera. Cuando se tiene una segunda falta a tierra, una parte del devanado de excitación estará cortocircuitado, produciendo flujos desequilibrados en el entrehierro de la máquina, que darán como resultado vibraciones y calentamientos.
Ante un cortocircuito a tierra en el rotor del generador, la práctica habitual es utilizar relés de protección para provocar, dependiendo de la estrategia utilizada, bien alarmas, bien la desconexión del grupo.
Existen varios métodos de uso común para detectar defectos a tierra en los rotores de los generadores:
\bullet
\vtcortauna Usando una fuente adicional de tensión continua: una fuente de tensión en serie con el devanado de excitación y con la bobina de un relé de sobrecorriente. Este circuito está conectado a tierra en un punto, de forma que un defecto a tierra en cualquier punto del devanado provocará la circulación de corriente continua proveniente de la fuente adicional y causará la operación del relé.
\bullet
\vtcortauna Usando una fuente adicional de tensión alterna: una fuente de tensión alterna en serie con dos condensadores, con el devanado de excitación y con la bobina de un relé de sobrecorriente. Este circuito está conectado a tierra en un punto, de forma que un defecto a tierra en cualquier punto del devanado provocará la circulación de corriente alterna y causará la operación del relé.
\bullet
\vtcortauna Por inyección de una onda cuadrada: se inyecta una onda de baja tensión en el devanado de excitación y se recoge la señal devuelta por éste. La forma de la onda se verá modificada debido a las capacidades del devanado. Un relé calcula la resistencia del aislamiento en función de ambas señales.
\vskip1.000000\baselineskip
Además conviene tener en cuenta una serie de patentes relacionadas con la invención:
Tanto la patente EP131718-B1, titulada: "Earth-fault detection system for rotor winding of machine", que describe un sistema de detección de faltas a tierra en rotores utilizando un transformador toroidal; como la solicitud de patente JP6141461-A, titulada: "Rotor-winding ground-fault detector for electrical rotary machine", que utiliza una cinta de una aleación con memoria de forma que se conecta entre el devanado del rotor y el eje de la máquina, necesitan fuentes de tensión adicionales conectadas en serie.
\newpage
La patente DE2843693-C, titulada: "Rotor to earth fault monitoring device", utiliza para detectar los defectos a tierra un fusible que se conecta entre el devanado rotórico y tierra.
La patente EP643309-B1, titulada: "Earth fault detection system for electrical machine stator windings" calificada como protección de faltas a tierra en el estator, también es utilizada para detectar fallos en el rotor de los generadores.
Descripción de la invención
La invención se refiere a un sistema de detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores de acuerdo con la reivindicación 1 y a un método de acuerdo con la reivindicación 3. Realizaciones preferidas del sistema y del método se definen en las reivindicaciones dependientes.
En el sistema de detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores, dichos sistemas de corriente continua disponen de un transformador, una etapa de corriente alterna a la salida del transformador que alimenta al rectificador y una etapa de corriente continua a la salida del rectificador. El sistema comprende:
- una impedancia de puesta a tierra en el transformador que alimenta el rectificador;
- un equipo de medida de la corriente que circula a través de la impedancia de puesta a tierra, o de la tensión que existe en la misma, obteniendo una señal medida;
- un dispositivo analizador encargado de analizar la señal medida y que dispone de:
\bullet
\vtcortauna medios de obtención de la amplitud de dicha señal medida a la frecuencia de red f1 y a la frecuencia 3xf1;
\bullet
\vtcortauna medios de comparación encargados de comparar dichas amplitudes a la frecuencia f1 y 3xf1 con un valor determinado A_{FALLO}, y obtener al menos una señal de salida indicativa de la existencia o no de falta a tierra y, en caso de que se haya producido, del lugar donde se ha producido la falta.
\vskip1.000000\baselineskip
Los medios de obtención de la amplitud de la señal medida del dispositivo analizador comprenden preferentemente:
- medios para calcular la transformada de Fourier encargados de obtener el espectro de la señal medida, y
- medios de filtrado a la frecuencia f1 y 3xf1 de la señal resultante de dichos medios.
\vskip1.000000\baselineskip
Es objeto también de la presente invención un método de detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores, que comprende:
- referenciar a tierra, mediante una impedancia de puesta a tierra, el transformador que alimenta el rectificador;
- medir la corriente que circula a través de la impedancia de puesta a tierra , obteniendo una señal medida;
- obtener la amplitud de dicha señal medida a la frecuencia de red f1 y a la frecuencia 3xf1;
- comparar dichas amplitudes a la frecuencia f1 y 3xf1 con un valor determinado A_{FALLO}, y obtener al menos una señal de salida indicativa de la existencia o no de falta a tierra y, en caso de que se haya producido, del lugar donde se ha producido la falta.
\vskip1.000000\baselineskip
La etapa de obtener la amplitud de la señal medida a la frecuencia de red f1 y a la frecuencia 3xf1 pueden comprender a su vez:
- calcular la transformada de Fourier para obtener el espectro de la señal medida, y
- filtrar dicha señal resultante a la frecuencia f1 y 3xf1.
Breve descripción de las figuras
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La Figura 1 muestra un esquema del sistema en el que tiene aplicación la presente invención.
La Figura 2 muestra un esquema del método de detección de faltas, indicando el diagrama de bloques del relé,
La Figura 3 muestra un esquema de una realización preferente, correspondiente al caso particular de que el rectificador esté alimentando el devanado de excitación de un generador síncrono.
La Figura 4 muestra la forma de onda obtenida en un ensayo de laboratorio, al producirse un cortocircuito en el devanado de excitación de un alternador experimental.
La Figura 5 muestra la forma de onda obtenida en un ensayo de Laboratorio, al producirse un cortocircuito en la etapa de corriente alterna del rectificador del sistema de excitación de un alternador experimental.
La Figura 6 muestra la forma de onda obtenida. en un ensayo de laboratorio, al producirse un cortocircuito simultáneo en la etapa de alterna y en el devanado de excitación de un alternador experimental.
La Figura 7 muestra un esquema de la realización preferente, aplicado a un rectificador de 12 pulsos.
La Figura 8 muestra la forma de onda obtenida en un ensayo de laboratorio, al producirse un cortocircuito la etapa de alterna de un rectificador de 12 pulsos.
La Figura 9 muestra la forma de onda obtenida en un ensayo de laboratorio, al producirse un cortocircuito la etapa de continua de un rectificador de 12 pulsos.
Realización preferente de la invención
La presente invención permite detectar defectos a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores conectados a un transformador. El método presenta la ventaja de que no necesita ninguna fuente adicional y permite distinguir las faltas que se produzcan tanto en la etapa de continua como en la etapa de alterna, e incluso detecta e identifica las faltas que tengan lugar en ambas etapas simultáneamente.
La Figura 1 muestra un esquema del sistema en el que tiene aplicación la presente invención, donde se ha utilizado las siguientes referencias:
1, el transformador desde el que se alimenta el convertidor.
2, la etapa de alterna.
3, el rectificador.
4, la etapa de continua.
6, la impedancia de puesta a tierra.
23, el equipo de medida (de corriente o tensión).
24, el equipo analizador-comparador de la onda.
\vskip1.000000\baselineskip
Normalmente se trata de sistemas aislados de tierra, por lo que debe referenciarse a tierra a través de una impedancia de alto valor óhmico 6. Para la detección del defecto se debe medir la tensión o la corriente en la impedancia de puesta a tierra 6 del sistema de alimentación de corriente alterna, según se muestra en la Figura 1.
Se va a considerar que el rectificador está alimentado a través de un transformador cuyo devanado está conectado en estrella, conexión que permite realizar la puesta a tierra tal como se muestra en la Figura 1. En caso de que el devanado tenga conexión triángulo se puede utilizar algún método de puesta a tierra basado en un neutro artificial, como puede ser la utilización de una reactancia en zig-zag con resistencia o un transformador de cinco columnas con conexión triángulo abierto y una resistencia.
La medida de la corriente a través de la resistencia de puesta a tierra al producirse un defecto a tierra en el sistema rectificador será de la siguiente naturaleza:
\bullet
\vtcortauna Fallo en la etapa de alterna 2: se produce una corriente de mayor o menor amplitud, dependiendo de la resistencia de la falta, con alta componente de frecuencia igual a la de la red de alimentación, f1.
\bullet
\vtcortauna Fallo en la etapa de continua 4: se produce una corriente de mayor o menor amplitud, dependiendo de la resistencia de la falta, con alta componente de una frecuencia tres veces superior a la frecuencia de la red de alimentación, 3xf1.
\bullet
\vtcortauna Fallo simultáneo en las etapas de alterna y continua: se produce una corriente con contenido armónico de la frecuencia de red f1 y de tres veces la frecuencia de red 3xf1.
\vskip1.000000\baselineskip
En lugar de realizar medida de la corriente por la impedancia de puesta a tierra, se puede registrar la tensión en la misma, siendo el método análogo.
El análisis de la señal obtenida, se hará de la forma representada según la Figura 2, que muestra un esquema del método de detección de faltas, donde se utilizan las siguientes referencias:
7, un calculador que realiza la transformada de Fourier.
8, un filtro de f1.
9, un filtro de 3xf1.
10, unos comparadores.
11, 12 y 13, las señales de salida del relé de protección.
A_{FALLO}, los ajustes de los comparadores.
15, el dispositivo analizador (relé de protección).
\vskip1.000000\baselineskip
Un fallo a tierra en el sistema, hará que aparezca una corriente circulando por la impedancia de puesta a tierra 6. Dicha corriente será captada, dependiendo del método elegido, por un sensor de tensión o por uno de corriente, equipo de medida 23, a partir del cual se obtiene una señal medida 5. La señal medida 5 se envía a un dispositivo analizador 15 o relé de protección que efectúa el siguiente, tratamiento:
Primero se realiza una transformada de Fourier mediante un calculador de la transformada de Fourier 7 para obtener el espectro de la señal. Mediante un filtro de f1 8, y otro de 3xf1 9, se leen los valores de dichas componentes de la onda, A_{f1} y A_{3f1} respectivamente, determinando así si la falta se ha producido en la etapa de alterna 2 o en la de continua 4 (o en ambas).
Estas señales se envían a unos comparadores 10, que estarán previamente regulados a unos valores establecidos, A_{FALLO}, por debajo de los cuales no habrá actuación de la protección. La salida del primer comparador es la señal de salida 11, la salida del segundo comparador es la señal de salida 13, mientras que la señal de salida 12 resulta de efectuar la operación AND (& en la figura) a las salidas de los dos comparadores.
Finalmente, la protección de faltas a tierra enviará la señal de actuación correspondiente, dependiendo de si el defecto está en la etapa de continua 4 (indicado por la señal de salida 13), en la de alterna 2 (indicado por la señal de salida 11) o en ambas (indicado por la señal de salida 12).
A continuación se describe un modo de realización preferente del objeto de la invención, aplicado al caso particular de que el rectificador esté alimentando el devanado de excitación de un generador síncrono, representado en la Figura 3, donde se emplean las siguientes referencias:
16, rotor de la máquina.
17, estator de la máquina.
18, red a la que se entrega la potencia generada.
\vskip1.000000\baselineskip
La Figura 3 muestra el esquema de un sistema de alimentación al devanado de excitación 16 de una máquina síncrona 17, donde el transformador de excitación 1 tiene conexión en estrella con neutro accesible, en donde se ha instalado una resistencia de puesta a tierra 6.
Para la detección del defecto, se debe medir o bien corriente o bien tensión, en dicha resistencia.
Una ventaja del método es que no se necesitan fuentes adicionales de inyección de corriente o tensión.
Ante un defecto de aislamiento a tierra en el sistema de excitación de la máquina, tanto si se produce en la etapa de alterna 2 como si se produce en la de continua 4, o en ambas simultáneamente, aparecerá una corriente que circulará por la resistencia de puesta a tierra 6.
Dicha corriente será captada por el equipo de medida 23, que enviará una señal al dispositivo analizador 15. Éste determinará la frecuencia de la onda medida mediante la descomposición en armónicos y en función de esta establecerá la posición del defecto. La gravedad del fallo se determina a través de la amplitud de la onda.
En la Figura 4 se puede ver la onda obtenida en un ensayo realizado con un alternador experimental de laboratorio, con el devanado de excitación accesible, donde se han realizado diferentes defectos a tierra en distintos puntos del devanado de excitación, es decir en la etapa de continua. Se muestra también la descomposición en armónicos de dicha onda, destacando el armónico a frecuencia 150 Hz, esto es, 3xf1.
En la Figura 5 se puede ver la onda obtenida en el mismo ensayo, cuando el defecto se produce en la etapa de alterna. Se muestra también la descomposición en armónicos de dicha onda, destacando el armónico a frecuencia 50 Hz, esto es, f1.
Del mismo modo, la Figura 6 muestra un defecto simultáneo en las etapas de continua y alterna. Se muestra también la descomposición en armónicos de dicha onda, destacando los armónicos a frecuencias 50 Hz y 150 Hz, esto es, f1 y 3xf1.
A continuación se describe un modo de realización preferente del objeto de la invención, aplicado al caso particular de que el sistema utilice un rectificador de 12 pulsos, representado en la Figura 7, donde se emplean las siguientes referencias:
19, red de alimentación.
3, rectificador (de 12 pulsos).
4, etapa de continua (carga).
\vskip1.000000\baselineskip
La Figura 7 muestra el esquema de dicho rectificador, alimentado desde una red de tensión alterna 19, por medio de un transformador 1 de tres devanados, un primario, alimentado desde la red y dos secundarios, que alimentan los rectificadores.
Se utiliza una resistencia de puesta a tierra 6 conectada al neutro del secundario del transformador con conexión estrella, para referenciar a tierra el sistema a través de una alta resistencia.
Para la detección del defecto, se debe medir o bien corriente o bien tensión, en dicha resistencia.
La presente invención, es capaz de detectar faltas a tierra tanto en la etapa de continua del rectificador como en la etapa de alterna, tanto si el cortocircuito se produce en el secundario del transformador que está conectado en estrella, como si se produce en el secundario del transformador conectado en triángulo.
Una falta a tierra en el lado de corriente alterna de alimentación del rectificador produce en la resistencia en la cual se mide, una onda de la frecuencia de la red, f1.
Si el defecto se produce en la etapa de continua (lado de la carga), la onda medida en la resistencia de puesta a tierra es de frecuencia triple a la de la red 3xf1.
El método que aquí se presenta puede, por tanto, detectar un defecto a tierra en un rectificador de 12 pulsos, y distinguir si el fallo se ha producido en la etapa de alterna que alimenta al rectificador, en la etapa de continua donde está la carga, e incluso si el defecto se ha producido simultáneamente en ambos lados.
Las Figuras 8 y 9 muestran las ondas recogidas y su descomposición en armónicos en ensayos de laboratorio con un rectificador de 12 pulsos, cuando el fallo se produce en la etapa de alterna (Figura 8), con una onda de 50 Hz y en la etapa de continua (Figura 9), con una onda de 150 Hz.

Claims (4)

1. Sistema de detección de faltas, a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores, disponiendo dichos sistemas de corriente continua de un transformador (1), una etapa de corriente alterna (2) a la salida del transformador (1) que alimenta al rectificador (3) y una etapa de corriente continua (4) a la salida del rectificador (3), caracterizado porque comprende:
- una impedancia de puesta a tierra (6) en el transformador (1) que alimenta el rectificador (3);
- un equipo de medida (23) de la corriente que circula a través de la impedancia de puesta a tierra (6), o de la tensión que existe en la misma, obteniendo una señal medida (5);
- un dispositivo analizador (15) encargado de analizar la señal medida (5) y que dispone de:
\bullet
\vtcortauna medios de obtención de la amplitud de dicha señal medida (5) a la frecuencia de red f1 (A_{f1}) y a la frecuencia 3xf1 (A_{3f1});
\bullet
\vtcortauna medios de comparación (10) encargados de comparar dichas amplitudes a la frecuencia f1 (A_{f1}) y 3xf1 (A_{3f1}) con un valor determinado (A_{FALLO}), y obtener al menos una señal de salida (11, 12, 13) indicativa de la existencia o no de falta a tierra y, en caso de que se haya producido, del lugar donde se ha producido la falta.
2. Sistema de detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de obtención de la amplitud de la señal medida (5) del dispositivo analizador (15) comprenden:
- medios para calcular la transformada de Fourier (7) encargados de obtener el espectro de la señal medida (5), y
- medios de filtrado (8,9) a- la frecuencia f1 y 3xf1 de la señal resultante de dichos medios.
3. Método de detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores, disponiendo dichos sistemas de corriente continua de un transformador (1), una etapa de corriente alterna (2) a la salida del transformador (1) que alimenta al rectificador (3) y una etapa de corriente continua (4) a la salida del rectificador (3), caracterizado porque comprende:
- referenciar a tierra, mediante una impedancia de puesta a tierra (6), el transformador (1) que alimenta el rectificador (3);
- medir la corriente que circula a través de la impedancia de puesta a tierra (6), obteniendo una señal medida (5);
- obtener la amplitud de dicha señal medida (5) a la frecuencia de red f1 (A_{f1}) y a la frecuencia 3xf1 (A_{3f1});
- comparar dichas amplitudes a la frecuencia f1 (A_{f1}) y 3xf1 (A_{3f1}) con un valor determinado (A_{FALLO}), y obtener al menos una señal de salida (11, 12, 13) indicativa de la existencia o no de falta a tierra y, en caso de que se haya producido, del lugar donde se ha producido la falta.
4. Método de detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores según la reivindicación 3, caracterizado porque la etapa de obtener la amplitud de la señal medida (5) a la frecuencia de red f1 (A_{f1}) y a la frecuencia 3xf1 (A_{3f1}) comprende a su vez:
- calcular la transformada de Fourier para obtener el espectro de la señal medida (5), y
- filtrar dicha señal resultante a la frecuencia f1 y 3xf1.
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