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 PDFInfo
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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.
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.
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
- \bullet
-
\vtcortauna
\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
- \bullet
-
\vtcortauna
- \bullet
-
\vtcortauna
\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.
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
- \bullet
-
\vtcortauna
\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.
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.
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
- \bullet
-
\vtcortauna
- \bullet
-
\vtcortauna
\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
- \bullet
-
\vtcortauna
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.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200900403A ES2321270B2 (es) | 2009-02-13 | 2009-02-13 | Sistema y metodo de deteccion de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores. |
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| ES2321270A1 true ES2321270A1 (es) | 2009-06-03 |
| ES2321270B2 ES2321270B2 (es) | 2010-01-27 |
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|---|---|---|---|
| ES200900403A Expired - Fee Related ES2321270B2 (es) | 2009-02-13 | 2009-02-13 | Sistema y metodo de deteccion de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores. |
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| EC2A | Search report published |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2321270B2 Country of ref document: ES |
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