ES2339387T3 - Metodo y dispositivo para deteccion de fallos en un transformador de potencia trifasico de n devanados. - Google Patents
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Abstract
Un método para la detección de fallos en un transformador de potencia trifásico de n-devanados que comprende las etapas de: - para cada uno de los devanados (Wi, donde i=1,..., n): - medir las tres corrientes de fase (IL1_Wi; IL2_Wi; IL3_Wi), - decidir (7) si se realizará la reducción de la corriente de secuencia cero (I0_Wi) dependiendo de al menos una configuración del usuario (KWi) y si es así, deducir la corriente de secuencia cero (I0_Wi) de cada una de las corrientes de las tres fases (IL1_wi; IL2_wi; IL3_wi), - generar corrientes normalizadas realizando una compensación de magnitud (3) y una compensación del desplazamiento del ángulo de fase (4) sobre los resultados de la etapa anterior, - seguido por las etapas para cada una de las fases (Lx, donde, x=1, 2, 3): - comparar (5) la corriente normalizada de un devanado único con las corrientes normalizadas de los demás devanados, y - generar una señal de fallo, si la diferencia entre el devanado único y los demás devanados excede un nivel predefinido.
Description
Método y dispositivo para detección de fallos en
un transformador de potencia trifásico de
n-devanados.
La presente invención se refiere a un método y
un dispositivo para una detección de fallos avanzada y mejorada en
un transformador de potencia trifásico de
n-devanados. El método y el dispositivo pueden
usarse en la protección diferencial de todos los tipos de
transformadores de potencia incluyendo los transformadores de
desplazamiento de fase.
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La medición de las corrientes diferenciales es
una técnica utilizada en una amplia diversidad de aplicaciones de
sistemas de potencia. Por ejemplo, la técnica se usa a menudo en la
protección de equipos de sistemas de potencia, tales como
transformadores, generadores, motores y similares. Generalmente las
técnicas de medición de corrientes diferenciales involucran
monitorizar la corriente tanto en el terminal de entrada como en el
terminal de salida de un dispositivo, normalizar las corrientes de
entrada y de salida medidas para compensar cambios en la fase y la
magnitud de las corrientes medidas que pueden introducirse por el
dispositivo durante el normal funcionamiento, y a continuación
comparar las corrientes normalizadas de entrada y de salida. Si la
diferencia entre las corrientes normalizadas de entrada y de salida
es cero, entonces es de suponer que el dispositivo está funcionando
adecuadamente. Por el contrario, una diferencia detectada entre las
corrientes de entrada y de salida normalizadas puede indicar un
fallo dentro del dispositivo. En respuesta a la detección de un
fallo, un relé diferencial emite un comando de salida a los
interruptores relevantes del circuito, para cortar la potencia al
objeto protegido y para impedir un daño
adicional.
adicional.
Debido a la reestructuración de la industria de
potencia con el principal objetivo de la liberalización del mercado
eléctrico, se han planteado requisitos más estrictos para el control
del flujo de potencias activa y reactiva sobre las empresas
eléctricas de servicio público. Este proceso indica que hay una
necesidad en aumento de herramientas adecuadas para controlar el
flujo de potencia dentro de una red determinada. El dispositivo
usado más comúnmente para este propósito es un transformador de
potencia de una construcción especial llamado a menudo
transformador de desplazamiento de fase (PST) o transformador de
regulación del ángulo de fase (PAR).
En principio, los aspectos técnicos de un
transformador de desplazamiento de fase son más bien simples:
proporciona un desplazamiento de fase bien definido pero cambiable
entre los terminales de primario y secundario. Normalmente el
desplazamiento de fase puede variarse durante el funcionamiento en
etapas definitivas por el uso de uno o más cambiadores terminales
de carga (OLTC). En la mayor parte de los casos puede cambiarse el
signo del desplazamiento de fase de adelanto a atraso.
Actualmente hay disponibles diferentes tipos de
diseños de PST. Esto hace el esquema de protección para cada tipo
de PST más bien único y de este modo difícil. Actualmente, no hay
ningún fabricante de relés, que puede proporcionar un relé de
protección diferencial único para todos estos dispositivos,
independientemente de su diseño.
Dentro de esta área de la tecnología varias
invenciones tratan de solventar estas clases de problemas y se han
concedido algunas patentes.
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Los transformadores de potencia normalizados son
dispositivos eléctricos, que proporcionan una variación de la
magnitud del voltaje y un desplazamiento del ángulo de fase
constante a través del transformador de potencia. El desplazamiento
de fase puede tener un valor de n*30º (n es un número entero entre 0
y 11), dependiendo de los detalles particulares de construcción del
transformador.
La protección diferencial de los transformadores
de potencia se ha usado durante décadas. Con relés estáticos o
electromecánicos se usan CT externos de interposición para compensar
el desplazamiento del ángulo de fase y la variación de la magnitud
de corriente entre los dos lados del transformador de potencia
protegido. Sin embargo, son bien conocidos los siguientes
inconvenientes:
- \bullet
- un relé diferencial sólo puede equilibrarse para la posición central de un cambiador de terminales de carga (es decir un OLTC)
- \bullet
- tan pronto como se mueve el OLTC de la posición central, el relé diferencial ya no está completamente equilibrado
- \bullet
- interponiendo CT sólo es posible compensar un desplazamiento de fase del transformador de potencia que es un múltiplo de 30º.
Con relés numéricos no se requieren CT externos
de interposición. La compensación se proporciona internamente
dentro del relé por software. Las características de un relé
diferencial numérico son las siguientes:
- \bullet
- el relé diferencial puede compensar una variación de la magnitud de corriente causada por un OLTC si se determina la posición del OLTC para el relé (es decir, el relé se equilibra para cualquier posición)
- \bullet
- es posible compensar por fijaciones software un desplazamiento de fase fijo de un transformador de potencia que debe ser un múltiplo de 30º.
Se define un transformador de potencia no
normalizado como un transformador de potencia que tiene un
desplazamiento del ángulo de fase variable o un desplazamiento del
ángulo de fase fijo distinto de 30º o un múltiplo de 30º.
Actualmente están disponibles diferentes diseños
de transformadores especiales de potencia conocidos como PST, como
se describe en la Normativa Internacional IEC 62032. Esto hace el
esquema de protección para cada tipo de PST bastante único y por lo
tanto difícil, como se describe en el informe especial del IEEE/PSRC
"Protection of Phase Angle Regulating Transformers (PAR)".
Actualmente no hay ningún relé diferencial que pueda proporcionar
protección diferencial para cualquier PST independientemente de su
diseño y el desplazamiento máximo del ángulo de fase.
La razón es que debido al desplazamiento de fase
continuamente cambiante del PST, aparecerá una falsa corriente
diferencial. La magnitud de esta falsa corriente diferencial puede
estimarse de acuerdo con la siguiente ecuación:
donde:
I_{d} es la magnitud de la falsa
corriente diferencial
Icarga es la corriente del PST a través de la
carga, y
\Theta es el desplazamiento del ángulo de fase
entre los dos lados del PST.
En la patente US6507184 se describen un método y
un aparato para la medición de corrientes diferenciales en un
sistema de potencia trifásico. Esta invención está dispuesta para
medir la corriente diferencial entre un primer y un segundo
terminales y para obtener, para cada una de las fases, una medición
de estas corrientes. Sin embargo este método no permite una
reducción configurable de las corrientes de secuencia cero y no
proporciona la compensación de magnitud.
Otro problema que no puede resolverse aplicando
la protección tradicional diferencial de los transformadores de
potencia es el reconocimiento de un fallo entre vueltas de bajo
nivel, cuando sólo están cortocircuitadas unas pocas vueltas de los
devanados del trasformador de potencia. En este caso sólo se medirán
cambios muy pequeños en las corrientes en los terminales del
transformador, mientras que se produce un corriente de fallo
elevada en las vueltas cortocircuitadas. Esto se debe a la
proporción comparativamente alta de la proporción de transformación
entre los devanados del transformador como un conjunto y los pocos
elementos cortocircuitados. La sensibilidad de los métodos de
detección de fallos durante la protección diferencial conocidos en
el presente no es suficiente para reconocer este fallo entre
vueltas de un devanado antes de que se transforme en un fallo de
tierra más serio, que es costoso reparar, especialmente si afecta al
núcleo de hierro del transformador de potencia. Un fallo entre
vueltas no detectado puede ser también la causa de un peligroso arco
dentro del tanque de aceite de un transformador de potencia.
Un modo para detectar tales fallos entre vueltas
puede ser el uso del llamado relé Buchhoiz, también conocido como
relé de gas o relé de presión súbita. El relé Buchhoiz se aplica a
los transformadores rellenos de aceite que se equipan con un
depósito de aceite externo, llamado conservador. Cuando se produce
un fallo entre vueltas, se crea gas que asciende a la parte
superior del aceite. El cambio resultante en el flujo del aceite se
detecta por la actuación de un conmutador flotador en el relé. Un
inconveniente en el relé de Buchholz es el tiempo que pasa entre la
producción del fallo entre vueltas y su detección real, que
usualmente es de 50 a 100 ms. Este periodo de tiempo puede ser lo
suficientemente largo para permitir que el fallo entre vueltas
inicial evolucione a uno más grave.
Este transcurso de tiempo puede ser muy
importante, como muestra un estudio de los registros de rupturas de
modernos transformadores de potencia en los últimos años. Se
determinó que el origen de entre el 70% y el 80% del número total
de fallos de transformadores era finalmente un fallo del aislamiento
interno de los devanados. El fallo del aislamiento de devanados es
generalmente el resultado de un proceso de envejecimiento gradual
que conduce a la degradación del sistema de aislamiento debido al
estrés térmico, eléctrico y mecánico y a la humedad. Bajo un estrés
aumentado, el aislamiento ya degradado puede sufrir un fallo
dieléctrico entre vueltas adyacentes, de modo que desarrolla un
fallo entre vueltas. Como el envejecimiento es un proceso
generalmente inevitable, es importante tener en cuenta los fallos
entre vueltas durante la detección de fallos.
El objeto de la presente invención es resolver
los problemas indicados anteriormente y presentar un método y un
dispositivo para la detección eficaz de fallos en un transformador
de potencia trifásico de n-devanados, donde la
detección de fallos es adecuada para usarse en la protección
diferencial de cualquier transformador de potencia incluyendo los
transformadores con desplazamiento de fase no normalizado.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar una compensación dinámica de la magnitud de
corriente.
Un objeto adicional de la presente invención es
proporcionar una compensación dinámica del ángulo de fase para un
desplazamiento de fase arbitrario entre los dos lados del objeto
protegido.
Un objetivo adicional más de la presente
invención es proporcionar una reducción independiente de la
corriente de secuencia cero (es decir, por cada lado).
Otro objeto de la presente invención es
compensar uno, dos o incluso más OLTC dentro del mismo transformador
de potencia.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar protección diferencial con una tecnología numérica
avanzada. Con tal dispositivo será posible proporcionar una
protección diferencial universal para transformadores de potencia
con un desplazamiento de fase arbitrario y variaciones de la
magnitud de la corriente debidas al funcionamiento del OLTC.
Estos objetos se consiguen de acuerdo con la
presente invención por el método descrito en la reivindicación 1,
un dispositivo como se describe en la reivindicación 18 y un
producto de programa de ordenador como se describe en la
reivindicación 19.
Para el mejor entendimiento de la presente
invención, se hará referencia a los dibujos adjuntos.
La Figura 1 ilustra un diagrama de flujo de un
método de medición y cálculo de las corrientes diferenciales de un
objeto protegido para realizar una protección diferencial.
La Figura 2 ilustra el método de acuerdo con la
figura 1 con más detalle para un transformador de potencia de 2
devanados o PST.
El método de acuerdo con la invención se
describe en conexión con la Figura 1 donde se revela el principio
para la protección diferencial de un objeto protegido en un sistema
de potencia trifásico, en particular de un PST, en un diagrama de
flujo. La primera etapa 1a, 1b es, para cada uno de los lados del
objeto protegido 10 como se define en la Figura 2, medir todas las
corrientes de fases del objeto protegido 10, en ambos lados. La
segunda etapa 2a, 2b es decidir si hacer la reducción de corriente
de secuencia cero, o no. Esto depende de la fijación del usuario
7a, 7b. Si se debe hacer la reducción de corriente de secuencia cero
entonces se deducirán las corrientes de secuencia cero 12a, b. Los
valores de las corrientes de secuencia cero se insertan en 11a,
b.
La tercera etapa 3a, b es realizar la
compensación de magnitud usando la corriente base 8a, b. La cuarta
etapa 4a, b es realizar la compensación del ángulo de fase usando
el ángulo de fase 9a, b del lado respectivo del objeto protegido
10.
A continuación, las señales resultantes de ambos
lados se combinan y se calculan las corrientes diferenciales en la
quinta etapa 5.
Finalmente en la etapa 6 se realiza un algoritmo
de protección diferencial.
En la Figura 2 se describe el método de acuerdo
con la Figura 1 con más detalle por un diagrama de bloques. Se han
usado los números correspondientes como en la Figura 1 para
simplificar el entendimiento de la invención.
El objeto protegido 10 puede ser un
transformador de potencia de cualquier tipo incluyendo los
transformadores de desplazamiento de fase. El objeto protegido 10
se conecta a una red de potencia en ambos lados (lado 1 y lado
2).
Las corrientes de fase se miden en la etapa 1
incluyendo la conversión A/D, el prefiltrado, DFF (extracción de
fasores), etc. En la etapa 7 se realiza la fijación de sustracción
de la corriente de secuencia cero ("Si-No").
Los datos necesarios para realizar la compensación de magnitud y del
ángulo de fase se determinan en los bloques 8 y 9 en las figuras.
En el caso de que el objeto protegido 10 esté acoplado a un
cambiador de terminales de carga (OLTC), la posición del OLTC se
determina en el bloque 13. Las señales son necesarias para los
cálculos como la reducción de la corriente de secuencia cero 2, la
compensación de magnitud 3 y la compensación del ángulo de fase 4,
por lo tanto las señales resultantes desde ambos lados del objeto
protegido 10 se introducen a continuación en los bloques 12, 3 y 4
respectivamente. Finalmente se calculan las corrientes diferenciales
en el bloque 5. Cuando las corrientes diferenciales adquieren un
cierto nivel de señal, se libera una señal de salida desde el
bloque 6 que desconecta el objeto protegido 10 del resto del sistema
de potencia.
A continuación se describen los fundamentos de
la invención con más detalle.
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Para conseguir la compensación de magnitud de la
corriente, las corrientes de las fases medidas deben normalizarse
sobre todos los lados del transformador de potencia dividiéndolas
por la llamada corriente base. La corriente base en amperios de
primario tiene un valor, que se calculará para cada uno de los lados
del transformador de potencia de acuerdo con la siguiente
ecuación:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
donde:
Smax es la potencia aparente alcanzada de un
devanado del transformador de potencia protegido con la máxima
potencia nominal, y Ur es el voltaje alcanzado entre fases sin carga
sobre el lado relevante del transformador protegido.
\vskip1.000000\baselineskip
Debería observarse que típicamente Ur puede
tener valores diferentes para diferentes posiciones del OLTC al
menos sobre un lado del transformador de potencia. Por lo tanto la
corriente base también tiene valores diferentes para diferentes
posiciones del OLTC. Por lo tanto del lado donde se localiza el
OLTC, se usarán diferentes valores de Ibase para cada posición del
OLTC para compensar las variaciones de magnitud de la corriente. Una
vez que se realiza esta normalización de las corrientes medidas,
las corrientes de los dos lados se ponen en la misma escala (es
decir están en unidades de primario) y pueden usarse para calcular
la corriente diferencial en unidades de primario.
Se observará que la fórmula anterior se da para
la corriente base en amperios de primario. Para algunos relés esta
corriente se convierte al lado secundario del CT dividiendo el valor
de primario entre la proporción del CT relevante. En los textos
adicionales se mostrarán todos los cálculos en amperios de
primario.
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En lo siguiente se asumirá que se ha realizado
la normalización de la magnitud de las corrientes de los dos lados
y que sólo se presentará el procedimiento para la compensación del
desplazamiento del ángulo de fase.
La característica común para un transformador de
potencia y un dispositivo PST es que introducen el desplazamiento
del ángulo de fase \Theta entre los voltajes del lado 1 y el lado
2.
Los transformadores de potencia normalizados
también introducen un desplazamiento de fase entre los voltajes de
sus terminales. La única diferencia entre un transformador de
potencia normalizado y un transformador PST es que:
- \bullet
- el desplazamiento de fase \Theta para el transformador de potencia normalizado es fijo y es un múltiplo de 30º (es decir n*30º; n=0, 1, 2, ...11) dependiendo de las conexiones del devanado particular y el grupo de vectores del transformador,
- \bullet
- el desplazamiento de fase \Theta para el PST es variable. Típicamente se usan uno o más cambiadores de terminales de carga (OLTC) para realizar este desplazamiento de fase variable. El desplazamiento del ángulo de fase puede alterarse en un amplio intervalo (hasta \pm 75º) mientras que el OLTC puede tener desde 10 a 70 etapas.
Como se muestra en el Libro de Referencia de
Transmisión y Distribución Eléctricas, Capítulo 5, 4ª Edición,
Westinghouse Electric Corp., Pittsburg Este, PA de 1950, existen
reglas estrictas para el desplazamiento del ángulo de fase entre
los voltajes sin carga de secuencias positiva, negativa y cero sobre
los dos lados de un transformador de potencia.
Tan pronto como se carga el transformador de
potencia esta relación de voltaje ya no será válida debido a la
caída de voltaje a través del transformador. Sin embargo, como se
muestra en el Libro de Referencia de Transmisión y Distribución
Eléctricas, Capítulo 5, 4ª Edición, Westinghouse Electric Corp.,
Pittsburg Este, PA de 1950, ahora la misma relación será válida
para las corrientes de secuencia que fluyen en el interior del
transformador sobre el lado 1 y que fluyen hacia fuera desde el
transformador de potencia sobre el lado 2.
Por lo tanto pueden escribirse las siguientes
relaciones para las corrientes de secuencia positiva, negativa y
cero desde los dos lados (es decir, devanados) para un transformador
de potencia o un PST.
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\vskip1.000000\baselineskip
Lo siguiente se mantendrá cierto para las
corrientes de secuencia:
La corriente de secuencia positiva desde el lado
2 se retrasará respecto a la corriente de secuencia positiva del
lado 1 exactamente en el ángulo \Theta (la misma relación que para
los voltajes de secuencia positiva sin carga).
La corriente de secuencia negativa desde el lado
2 se adelantará respecto a la corriente de secuencia negativa del
lado 1 exactamente en el ángulo \Theta (la misma relación que para
los voltajes de secuencia negativa sin carga).
La corriente de secuencia cero del lado 2 estará
exactamente en fase con la corriente de secuencia cero del lado 1,
cuando las corrientes de secuencia cero se transfieren todas desde
un lado al otro lado del objeto protegido (la misma relación que
para los voltajes de secuencia cero sin carga).
Para la protección diferencial típicamente se
miden las corrientes de todos los lados del objeto protegido con la
misma dirección de referencia hacia el objeto protegido, como se
muestra en la Figura 2. Por lo tanto a partir de ahora se usarán
sobre tales direcciones de referencia para la medición de
corrientes.
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Como las relaciones entre las corrientes de
secuencia sobre los dos lados del objeto protegido son conocidas,
las corrientes diferenciales de secuencia pueden calcularse de
acuerdo con las siguientes tres ecuaciones:
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\vskip1.000000\baselineskip
Usando la relación básica entre las cantidades
de secuencia y fase pueden escribirse las siguientes relaciones
para las corrientes diferenciales orientadas a las fases:
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
donde
y
\vskip1.000000\baselineskip
Combinando las ecuaciones (1, 6), (1, 7) y (1,
8) en la ecuación (1, 9) y haciendo algunas redisposiciones básicas
puede deducirse la siguiente ecuación:
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Mediante una elemental manipulación matemática
adicional puede deducirse la siguiente ecuación (1.14)
La ecuación (1.14) ahora representa la relación
básica entre las corrientes diferenciales orientadas a las fases y
las corrientes de fase individuales desde los dos lados del objeto
protegido.
\vskip1.000000\baselineskip
Para simplificar más la ecuación (1, 14), se
define y se simplifica la nueva matriz M(\theta) en la
ecuación siguiente:
\vskip1.000000\baselineskip
O usando las bien conocidas relaciones
trigonométricas cos(x \pm y) =
cos(x)cos(y) \pm
sen(x)sen(y) puede obtenerse lo siguiente
Por lo tanto ahora la ecuación (1, 14) puede
reescribirse como sigue:
Por favor obsérvese que puede asignarse
M(0º) a las corrientes del devanado del primer lado ya que
este lado se toma como lado de referencia con cero grados de
desplazamiento de fase.
Alternativas técnicas para obtener el valor de
compensación del ángulo de fase correcto.
El método propuesto es enteramente dependiente
de que el valor correcto para la compensación del ángulo de fase
esté disponible para el algoritmo de detección de fallos. Este
ángulo de fase puede obtenerse de uno de los siguientes modos:
- 1.
- para transformadores normalizados es un valor fijo determinado por el grupo de vectores del transformador de potencia protegido que se introduce como un parámetro de configuración por el usuario,
- 2.
- desde una tabla de búsqueda que describe la relación entre las diferentes posiciones del OLTC y la variación correspondiente de la magnitud y el ángulo de fase del transformador de potencia protegido/PST/dispositivo FACTS,
- 3.
- a partir de dos, tres o más tablas de búsqueda similares a la descrita en el punto 2 anterior, para dispositivos con más de un OLTC,
- 4.
- a través de una red de comunicaciones como el valor actual exacto desde un sistema de control externo del objeto protegido (generalmente aplicable a dispositivos FACTS como UPFC),
- 5.
- por un algoritmo interno que durante las condiciones de funcionamiento del estado estable mide la diferencia del ángulo de fase entre los voltajes de secuencia positiva desde los dos lados del PST cuando el PST no está cargado o alternativamente midiendo el ángulo de fase entre las corrientes de secuencias positivas desde los dos lados del PST cuando el PST está cargado.
Por lo tanto, esta invención podría usarse para
la protección diferencial de los siguientes dispositivos:
- 1)
- transformadores de desplazamiento de fase de cualquier construcción,
- 2)
- transformadores industriales especiales con desplazamiento del ángulo de fase no normalizado, por ejemplo de 22,5º, que se usan a menudo para grandes "Controladores MV" u otras aplicaciones especiales,
- 3)
- cualquier transformador normalizado con n-devanados,
- 4)
- cualquier dispositivo FACTS que cumpla los principios descritos anteriormente.
A veces es necesario deducir la corriente de
secuencia cero desde uno o de ambos lados del transformador de
potencia debido al hecho de que a veces la corriente de secuencia
cero no está transferida adecuadamente desde uno al otro lado.
Cuando las corrientes de secuencia cero no están
transferidas adecuadamente deben deducirse explícitamente desde ese
lado del transformador de potencia. En tal caso puede usarse la
siguiente forma más general de la ecuación (1.17):
donde
I0_W1 es la corriente de secuencia cero sobre el
lado 1 del objeto protegido,
I0_W2 es la corriente de secuencia cero sobre el
lado 2 del objeto protegido, y
k_{w1} y k_{W2} son parámetros de
configuración que pueden tener valores 0 ó 1, que se fijan por el
usuario final para habilitar/deshabilitar la reducción de corriente
de secuencia cero sobre cualquiera de los dos lados.
De un examen más próximo de la ecuación (1.18)
resulta obvio que es realmente posible deducir las corrientes de
secuencia cero de los dos modos siguientes:
- \bullet
- midiendo la corriente de secuencia cero en el punto neutro común de los devanados como se describe en la patente US5790357
- \bullet
- por un cálculo interno de las corrientes de secuencia cero a partir de las corrientes medidas individualmente de los devanados trifásicos.
En el segundo caso es entonces posible incluir
la reducción de la corriente de secuencia cero dentro de la matriz
M(\Theta) definiendo una nueva matriz M0(\Theta)
que realiza la compensación del desplazamiento de fase y la
eliminación de la corriente de secuencia cero al mismo tiempo de
acuerdo con la siguiente ecuación:
o mediante una manipulación
matemática
adicional
Por lo tanto la ecuación (1.18) puede ahora
reescribirse como sigue:
Se observará que las ecuaciones (1. 22) y (1.
17) realmente tienen la misma forma. La única diferencia es que se
usa realmente la matriz (es decir M(\Theta) o
M0(\Theta). Se observará que realmente es posible mezclar
las matrices (es decir usar ambas) en una ecuación. En ese caso,
sobre el lado donde se use la matriz M(\Theta) no se
eliminará la corriente de secuencia cero, mientras que del otro lado
donde se usa la matriz M0(\Theta)se eliminará la
corriente de secuencia cero. Este es por ejemplo un requisito típico
para la protección diferencial de un transformador de potencia
conectado en YNd.
Se observará que la matriz M0(\Theta)
es realmente un equivalente numérico de una transformada de
normalización generalizada que se describe en la patente
US6507184.
Sin embargo se observará lo siguiente respecto a
la patente US6507184:
- \bullet
- cuando se usa la matriz M0(\Theta) sobre todos los lados del objeto protegido la sensibilidad de protección diferencial se reduce innecesariamente sobre los lados en los que no es necesario eliminar las corrientes de secuencia cero
- \bullet
- cuando se usa la matriz M0(\Theta) sobre todos los lados del objeto protegido el cálculo de la corriente diferencial instantánea puede corromperse innecesariamente lo cual puede causar problemas para el funcionamiento adecuado del criterio de bloqueo/restricción de los armónicos 2º y 5º.
Por lo tanto la invención presentada en este
documento ofrece claras ventajas a este respecto.
Si ahora se ponen juntas todas las tres
compensaciones descritas anteriormente en una ecuación puede
escribirse la siguiente ecuación completa en el caso de un
transformador de potencia de dos devanados o PST:
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Finalmente, puede escribirse la siguiente
ecuación más general para un transformador de potencia de
n-devanados de la siguiente forma:
donde:
n es el número de devanados dentro del
transformador protegido n= 1, 2, 3,....n (típicamente n\leq6),
I_{Dif\_Lx} son las corrientes diferenciales
orientadas a las fases en unidades de primario,
I_{b\_Wi} es la corriente base del bobinado
relevante como se define en la ecuación (1, 2) (es un valor variable
si el bobinado incorpora OLTC),
M(\ThetaW) es una matriz de 3x3
que realiza la compensación dinámica del desplazamiento del ángulo
de fase sobre las corrientes de los devanados de fase medidas
dependiendo de la posición del OLTC en el caso de un PST.
I_{Lx\_Wi} son las corrientes medidas de los
devanados de fase,
K_{Wi} es la fijación que determina si se
deducirán las corrientes de secuencia cero de las corrientes medidas
de los devanados de fase o no (es decir puede tener un valor de 0 ó
1), y
I_{0\_Wi} es la corriente de secuencia cero
del devanado bien medida o calculada.
\vskip1.000000\baselineskip
Como alternativa, cuando se realiza la reducción
de secuencia cero por cálculos internos en base a
\vskip1.000000\baselineskip
la ecuación (1, 24) puede
reescribirse como
sigue:
donde:
MX(\Theta_{Wi}) es igual bien a
M(\Theta_{Wi}) (véase (1.16) en el caso de que no
se elimine la corriente de secuencia cero o a
M0(\ThetaWi) (véase 1.20) en el caso de que se
elimine la corriente de secuencia cero.
La ecuación (1,24) ilustra la etapa inventiva de
la presente invención. Se usa para calcular las corrientes
diferenciales para los transformadores de potencia con
desplazamiento del ángulo de fase arbitrario entre los diferentes
devanados. Puede usarse directamente durante la protección (es
decir, los cálculos de corrientes diferenciales) de cualquier
transformador de potencia, PST y dispositivos FACTS. Como se muestra
en la ecuación (1.13) las corrientes diferenciales incluyen
componentes de corriente de secuencia positiva, negativa y cero
desde todos los lados del objeto protegido, pero como alternativa
pueden eliminarse las corrientes de secuencia cero de cualquiera de
los lados del objeto protegido si así se requiere por las
características del objeto protegido.
Los coeficientes de la matriz M(\Theta)
son siempre números reales. Por lo tanto se observará que el método
de cálculo de las corrientes diferenciales presentado puede usarse
sobre los fasores de corriente de frecuencia fundamental o sobre
valores de corriente instantánea (es decir, muestras). De este modo,
pueden calcularse las corrientes diferenciales de frecuencia
fundamental e instantáneas para los objetos protegidos del mismo
modo que en las protecciones diferenciales existentes para
transformadores de potencia trifásicos normalizados. Esto significa
que todas las características ya disponibles como:
- \bullet
- cálculo de la corriente de polarización
- \bullet
- características de limitación del funcionamiento
- \bullet
- nivel operativo sin limitaciones
- \bullet
- bloqueo del segundo armónico
- \bullet
- bloqueo del quinto armónico
- \bullet
- bloqueo de la forma de onda
- \bullet
- bloqueo de cruce
- \bullet
- discriminador de fallos sensible externo/interno basado en la secuencia negativa,
pueden reutilizarse directamente. Este principio
se ha tratado en la solicitud de patente WO 2005/064759 A1.
Calculando las corrientes diferenciales
I_{Dif\_Lx} que usan la ecuación (1.24), teóricamente podría
detectare un fallo en el transformador de potencia si una de las
corrientes diferenciales I_{Dif\_Lx} comienza a ser distinta de
cero. Esto se mantiene cierto bajo condiciones normales de
funcionamiento a través de la carga del transformador de potencia,
es decir cuando el transformador de potencia no está saturado. En la
práctica sólo se detecta un fallo si una de las corrientes
diferenciales excede un límite predeterminado, para aumentar la
seguridad de fallo del método. Una corriente diferencial que es
distinta de cero indica que hay una diferencia entre la corriente
de entrada normalizada y la corriente de salida normalizada del
transformador de corriente. La corriente de entrada normalizada
corresponde a la corriente normalizada del devanado primario W1 y
la corriente de salida normalizada para un transformador de potencia
de n-devanados corresponde a la suma de las
corrientes normalizadas de todos los demás devanados W2 a Wn, donde
se incluye un desplazamiento de fase de 180º (véase la Figura 2,
dirección de las corrientes de salida I_{LX\_W2}). Por lo tanto,
el método general de detección de fallos basado en la ecuación
(1.24) puede describirse como un método, donde la corriente
normalizada para el devanado primario W1 se compara con las
corrientes normalizadas para todos los otros devanados de W2 a
Wn.
Un modo de realizar esta comparación es usando
la ecuación (1.24) para calcular explícitamente las corrientes
diferenciales I_{Dif\_Lx}.
Otro modo puede encontrarse cuando se reescribe
la ecuación (1.24) de la forma siguiente:
Ahora las contribuciones del devanado primario
W1, que es la primera parte de la ecuación (1.25) y la contribución
de los demás devanados W2 a Wn a las corrientes diferenciales
I_{Dif\_Lx} pueden verse explícitamente.
La ecuación 1.24 podría también escribirse de
cualquier otro modo con la contribución de uno de los n devanados
que se extraen, es decir el lado izquierdo de la ecuación (1.25)
podría calcularse por ejemplo para el devanado W2 en lugar del
devanado W1. A continuación la contribución de este único devanado
W2 se compararía con la contribución del resto de devanados W1 y de
W3 a Wn. Por lo tanto, la ecuación (1.24) puede considerarse en el
modo más general como la base de un método para comparar la
corriente normalizada de un único devanado de un transformador de
potencia con las corrientes normalizadas de los demás devanados.
Como ya se ha apuntado, si no se produce un
fallo interno y bajo condiciones normales de funcionamiento a
través de la carga del transformador de potencia, las corrientes
diferenciales I_{Dif\_Lx} deberían ser todas cero. Por
consiguiente los fasores de las dos partes que contribuyen en la
ecuación (1.25) son iguales en su magnitud y tienen un
desplazamiento de fase de 180º entre sí. En términos matemáticos,
esto puede expresarse reescribiendo la ecuación (1.24):
Ahora puede detectarse un fallo simplemente
comparando los lados derecho e izquierdo de la ecuación (1.26),
donde los fasores resultantes para cada una de las fases Lx, con x=
1, 2, ó 3, deberían ser de la misma magnitud y tener un
desplazamiento de fase de 0º, es decir estar en fase entre sí.
De acuerdo con una realización de la invención,
se ha encontrado que la ecuación (1.26) es ahora especialmente
adecuada para la detección de un fallo de bajo nivel entre vueltas.
En el caso de un fallo de bajo nivel entre vueltas las magnitudes
de los dos lados de la ecuación (1.26) no mostrarán casi ninguna
diferencia relevante entre sí, debido a la proporción
comparativamente alta de transformación entre el devanado del
transformador afectado como un conjunto y los pocos elementos
cortocircuitados. Pero al mismo tiempo, se producirá un
desplazamiento de fase en la fase correspondiente en la ecuación
(1.26) que tomará un valor arbitrario diferente de 0º, debido a la
elevada corriente en las vueltas cortocircuitadas.
Por lo tanto, monitorizando el ángulo de fase
entre las dos contribuciones a las corrientes diferenciales de la
ecuación (1.25) o también monitorizando el desplazamiento de fase
entre los dos lados de la ecuación (1.26) continuamente y para cada
una de las tres fases, se consigue un método sensible pero sencillo
para detectar fallos de bajo nivel entre vueltas. Un fallo entre
vueltas se notifica tan pronto como el desplazamiento de fase
alcanza un nivel predeterminado, por ejemplo 4º.
Además de monitorizar las corrientes de fases
individuales, puede usarse una monitorización del desplazamiento de
fase entre las contribuciones de las componentes de secuencia
positiva y negativa como criterio de comprobación adicional.
Para mejorar adicionalmente la seguridad de
detección del método de detección de fallos puede incluirse una
etapa adicional donde se determina y se evalúa el desplazamiento del
ángulo de fase de cada una de las tres fases de la ecuación (1.26).
Si cada una de las tres fases muestra prácticamente el mismo
desplazamiento del ángulo de fase se indica un problema en la
compensación del ángulo de fase, ya que es bastante improbable que
se produzca un fallo de las tres fases. Para comprobar
adicionalmente que existe un problema de compensación del ángulo de
fase, puede determinarse el desplazamiento del ángulo de fase de la
corriente de secuencia positiva comparando el devanado W1 con los
demás devanados W2 a Wn. Si este cuarto desplazamiento del ángulo de
fase es del mismo valor que los desplazamientos de los ángulos de
fase de las tres fases de la ecuación (1.26), se aprueba la
indicación de un fallo de la compensación del ángulo de fase.
Como las ecuaciones (1.25) y (1.26),
respectivamente, requieren condiciones normales a través de la
carga, la monitorización del ángulo de fase o del desplazamiento de
fase debería deshabilitase cuando la corriente que pasa a través de
las mismas, que es en la práctica la corriente de polarización, toma
un valor fuera de una banda predeterminada de valores de corriente,
donde la banda de valores de corriente se define por un nivel de
corriente mínimo y uno máximo.
Claims (19)
1. Un método para la detección de fallos en un
transformador de potencia trifásico de n-devanados
que comprende las etapas de:
\bullet para cada uno de los devanados (Wi,
donde i=1,..., n):
- -
- medir las tres corrientes de fase (I_{L1\_Wi}; I_{L2\_Wi}; I_{L3\_Wi}),
- -
- decidir (7) si se realizará la reducción de la corriente de secuencia cero (I_{0\_Wi}) dependiendo de al menos una configuración del usuario (K_{Wi}) y si es así, deducir la corriente de secuencia cero (I_{0\_Wi}) de cada una de las corrientes de las tres fases (I_{L1\_wi}; I_{L2\_wi}; I_{L3\_wi}),
- -
- generar corrientes normalizadas realizando una compensación de magnitud (3) y una compensación del desplazamiento del ángulo de fase (4) sobre los resultados de la etapa anterior,
\bullet seguido por las etapas para cada una
de las fases (Lx, donde, x=1, 2, 3):
- -
- comparar (5) la corriente normalizada de un devanado único con las corrientes normalizadas de los demás devanados, y
- -
- generar una señal de fallo, si la diferencia entre el devanado único y los demás devanados excede un nivel predefinido.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1,
donde el devanado único es el devanado primario (W1) y los demás
devanados son el segundo y siguientes devanados (W2,..., Wn).
\vskip1.000000\baselineskip
3. Un método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 ó 2, donde para cada una de las fases (Lx) las
corrientes normalizadas se comparan añadiendo la corriente
normalizada del devanado único (W1) a la suma de las corrientes
normalizadas de los demás devanados determinando por lo tanto las
corrientes diferenciales orientadas a las fases (I_{Dif\_Lx}) de
acuerdo con:
con
y donde se genera una señal de
fallo si una de las corrientes diferenciales orientadas a las fases
(I_{Dif\_Lx}) excede un nivel
predefinido.
\vskip1.000000\baselineskip
4. Un método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 ó 2, donde para cada una de las fases (Lx) se
comparan las corrientes normalizadas comparando el fasor de la
corriente normalizada del devanado único (W1) con el fasor negativo
de la suma de corrientes normalizadas de todos los demás devanados
(W2,...,Wn) de acuerdo con:
con
y donde se genera una señal de
fallo si para una de las fases (Lx) la magnitud y/o el ángulo de
fase entre los dos fasores correspondientes excede un nivel
predefinido.
\vskip1.000000\baselineskip
5. Un método de acuerdo con la reivindicación 4,
donde adicionalmente el desplazamiento del ángulo de fase entre el
devanado único (W1) y los demás devanados (W2 a Wn) se comprueba
para las contribuciones de las componentes de secuencia positiva y
negativa.
6. Método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 4 ó 5, donde se comparan los tres ángulos de fase
entre los dos fasores correspondientes de las tres fases (Lx) y
donde se indica un fallo en la compensación del desplazamiento del
ángulo de fase (4) si los tres ángulos de fase son del mismo
tamaño.
7. Un método de acuerdo con las reivindicaciones
5 y 6, donde el desplazamiento del ángulo de fase de la contribución
de la componente de secuencia positiva se compara con los tres
ángulos de fase y donde se aprueba una fallo en la compensación del
desplazamiento del ángulo de fase (4) si son todos del mismo
tamaño.
8. Un método de acuerdo con al menos una de las
reivindicaciones anteriores, donde se mide la corriente de
secuencia cero (I_{0\_Wi}) para al menos uno de los devanados (Wi)
en el punto neutro común de los devanados.
\vskip1.000000\baselineskip
9. Un método de acuerdo con al menos una de las
reivindicaciones anteriores de 1 a 7, donde se determina la
corriente de secuencia cero (I_{0\_Wi}) para al menos uno de los
devanados (Wi) a partir de las tres corrientes de fase medidas
(I_{L1\_Wi}; I_{L2\_Wi}; I_{L3\_Wi}) usando la ecuación:
\vskip1.000000\baselineskip
10. Un método de acuerdo con al menos una de las
reivindicaciones anteriores, donde para cada uno de los devanados
(Wi) se realiza la compensación de magnitud dividiendo las
corrientes de fase medidas (I_{L1\_Wi}; I_{L2\_Wi};
I_{L3\_Wi}) a través de la corriente base (I_{b\_Wi}) usando la
ecuación:
donde
S_{max\_Wi} es la potencia nominal de las tres
fases del devanado correspondiente (Wi) y U_{r} es el voltaje
nominal entre fases sin carga del devanado correspondiente (Wi).
\vskip1.000000\baselineskip
11. Un método de acuerdo con al menos una de las
reivindicaciones anteriores, donde la detección del fallo se
realiza en un transformador de potencia que tiene un desplazamiento
del ángulo de fase variable o un desplazamiento de fase fijo
distinto de 30º y distinto de un múltiplo de 30º.
12. Un método de acuerdo con al menos una de las
reivindicaciones anteriores, donde en el caso de que el
transformador de potencia esté acoplado a un cambiador de
terminales de carga (OLTC), se determina la corriente base
(I_{b\_Wi}) para el correspondiente devanado (Wi) de acuerdo con
la posición (13) del cambiador de terminales.
13. Un método de acuerdo con al menos una de las
reivindicaciones anteriores, donde el ángulo de fase (i) para la
compensación del desplazamiento del ángulo de fase (4) se determina
para cada uno de los devanados (Wi) leyendo al menos un parámetro
fijo determinado por el usuario.
14. Un método de acuerdo con la reivindicación
12, donde el ángulo de fase (i) para la compensación del
desplazamiento del ángulo de fase (4) se determina a partir de la
tabla de búsqueda correspondiente al devanado (Wi) del cambiador de
terminales de carga que describe la relación entre las diferentes
posiciones del cambiador de terminales de carga y las
correspondientes variaciones del ángulo de fase.
15. Un método de acuerdo con la reivindicación
14, donde en el caso de cambiadores de terminales de carga
múltiples se determina el ángulo de fase (i) para la compensación
del desplazamiento del ángulo de fase (4) para los devanados
correspondientes a partir de más de una tabla de búsqueda de acuerdo
con el número de cambiadores de terminales.
16. Un método de acuerdo con al menos una de las
reivindicaciones anteriores de 1 a 12, donde el ángulo de fase (i)
para la compensación del desplazamiento del ángulo de fase (4) se
recibe para cada uno de los devanados a través de una red de
comunicaciones desde un sistema de control externo.
17. Método de acuerdo con al menos una de las
reivindicaciones anteriores de 1 a 12, donde en el caso de un
transformador de desplazamiento de fase (PST) se determina el ángulo
de fase (i) para la compensación del desplazamiento del ángulo de
fase (4) para cada uno de los devanados (Wi) por un algoritmo
interno a partir de los voltajes de secuencia positiva cuando el
PST no está cargado, o a partir de las corrientes de secuencia
positiva cuando el PST está cargado.
18. Dispositivo para la detección de fallos en
un transformador de potencia trifásico de
n-devanados que comprende:
- \bullet
- un medio para la medida de las tres corrientes de fase (I_{L1\_Wi}; I_{L2\_Wi}; I_{L3\_Wi}) para cada uno de los devanados (Wi, donde i= 1, ..., n),
- \bullet
- un medio (7) para decidir para cada uno de los devanados (Wi) si se realizará la reducción de la corriente de secuencia cero (I_{0\_Wi}) (2) dependiendo de al menos una fijación del usuario (k_{Wi}) y si es así, deducir la corriente de secuencia cero (I_{0\_Wi}) desde cada una de las tres corrientes de fase (I_{L1\_Wi}; I_{L2\_wi}; I_{L3\_wi}),
- \bullet
- un medio (3, 4) para generar para cada uno de los devanados (Wi) corrientes normalizadas realizando una compensación de magnitud y una compensación del desplazamiento del ángulo de fase sobre los resultados de la etapa anterior,
- \bullet
- un medio (5) para comparar para cada una de las fases (Lx, donde x=1, 2, 3) la corriente normalizada del devanado primario (Wi) con las corrientes normalizadas de los demás devanados (W2,..., Wn), y
- \bullet
- un medio (6) para generar para cada una de las fases (Lx) una señal de fallo, si la diferencia entre el devanado primario (W1) y los demás devanados (W2,..., Wn) excede un nivel predefinido.
19. Un producto programa de ordenador plasmado
sobre uno o más medios legibles de ordenador para implementar un
método de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones
1-17.
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