ES2340831B2 - Sistema y proceso de localizacion de faltas a tierra en devanados deexcitacion de maquinas sincronas con excitacion estatica. - Google Patents
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Abstract
Sistema y proceso de localización de faltas a
tierra en devanados de excitación de máquinas síncronas con
excitación estática.
Se trata de un sistema y método de localización
de faltas a tierra cuyo transformador de excitación tiene el neutro
accesible. Tiene la ventaja que ahorra mucho tiempo a la hora de
reparar la máquina en caso de detecto a tierra del devanado de
excitación, ya que localiza el defecto con la máquina en
funcionamiento, permitiendo conocer en el momento de la desconexión
de la máquina de la red el lugar del defecto.
El sistema comprende:
- una resistencia de puesta a tierra (4) en el
transformador (1) que alimenta el rectificador (2);
- un equipo de medida (6) de la tensión que cae
en la resistencia de puesta a tierra (4);
- un equipo de medida (7) de la tensión de
alimentación del rotor,
- un dispositivo analizador (13) encargado de
analizar las señales medidas y que dispone de:
\bullet medios de obtención de las componentes
de tensión alterna y continua (8) de lasondas medidas por los
equipos 6 y 7;
\bullet medios de cálculo (9) y (10)
encargados de obtener los valores necesarios para trazar la recta
que relaciona la posición del defecto con el nivel de tensión
continua medido en la resistencia de puesta a tierra
(4);
\bullet medios de obtención de la recta
"Vdc-posición del defecto" (11) a partir de la
cual se determina la posición del cortocircuito en el devanado,
devolviendo la correspondiente señal (12).
Description
Sistema y proceso de localización de faltas a
tierra en devanados de excitación de máquinas síncronas con
excitación estática.
La presente invención es de aplicación para
máquinas síncronas que tienen su devanado de excitación alimentado,
normalmente ubicado en el rotor, desde una red de corriente alterna
a través de un transformador de excitación y un rectificador.
El sistema objeto de la presente invención
permite localizar la posición de un cortocircuito a tierra que se
produzca en el devanado de excitación de la máquina síncrona sin
necesidad de extraer el rotor. La localización se realiza con la
máquina en funcionamiento, lo cual conlleva un importante ahorro en
tiempo y dinero a la hora de reparar la máquina síncrona.
La localización se realiza mediante varios
cálculos a partir de las componentes de alterna y de continua de las
tensiones de alimentación al rotor y de la tensión medida en una
resistencia de puesta a tierra instalada en el neutro del
transformador que alimenta el devanado de excitación.
\vskip1.000000\baselineskip
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.
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, sin
embargo, ninguno de ellos es capaz de localizar la posición del
cortocircuito, sino que se limitan a señalar su existencia.
Un sistema que sí permite la localización es el
basado en sensores de efecto Hall, pero se limita a discriminar si
la falta se ha producido en el interior del rotor o en las
conexiones con el sistema de inyección de continua (anillos,
escobillas), y por tanto, no localiza el punto exacto.
Los métodos empleados normalmente para localizar
la posición del defecto en el devanado del rotor conllevan el
desmontaje de la máquina y la medida de aislamiento del devanado en
diferentes puntos hasta encontrar la zona dañada.
Conviene tener en cuenta una serie de patentes
relacionadas con la invención:
La patente internacional de invención
DD291643-A, titulada: "Testing and locating
faults of rotor windings - applying voltage at each second segment
of rotor in static position of commutator", compara una
tensión inducida en el rotor de la máquina con un valor límite
preestablecido.
La patente de invención
US4808932-A, titulada: "Rotor fault and
location detector for induction motor - with synchronisation signal
generated once per revolution when section of rotor is closed to
stator referece point", emplea un medidor de flujo y realiza
una media de las medidas. Los picos que sobrepasen la media son
indicadores de daños en las barras del rotor.
La patente de invención P200900403, titulada:
"Sistema y método de detección de faltas a tierra en sistemas
de corriente continua alimentados mediante rectificadores",
describe un método de detección de faltas a tierra en devanados de
excitación de máquinas síncronas. Este sistema presenta la ventaja
con respecto a los sistemas comerciales actuales de no consumir
energía en régimen permanente, ya que utiliza una impedancia de
puesta a tierra en la red de alterna desde donde se alimenta el
devanado de excitación.
La invención se refiere a un sistema y proceso
de localización de faltas a tierra en máquinas síncronas cuyos
devanados de excitación están alimentados mediante rectificadores
Para realizar la localización de la falta se debe instalar una
resistencia de puesta a tierra de alto valor óhmico, del orden de
5000 \Omega, en el neutro del transformador que alimenta el
devanado de excitación, caso de devanado en estrella, o un neutro
artificial en caso que se trate de un devanado en triángulo.
El proceso de localización se basa en cálculos a
partir de las medidas de las componentes de alterna y continua de la
tensión de alimentación al devanado de excitación y de las
componentes de alterna y continua de la tensión que aparece en la
resistencia de puesta a tierra en caso de defecto en el devanado de
excitación.
Denominando:
Vdc, componente de continua de la tensión medida
en la impedancia de puesta a tierra.
Vac, componente de alterna de la tensión medida
en la impedancia de puesta a tierra.
Ufdc componente de continua de la tensión medida
en el devanado de excitación de la máquina síncrona.
Ufac componente de alterna de la tensión medida
en el devanado de excitación de la máquina síncrona.
\vskip1.000000\baselineskip
El proceso para calcular la posición de un
defecto dentro del devanado de excitación sería el siguiente:
A partir de las medidas de las componentes de
alterna Vac y Ufac se calcula la resistencia de defecto, que
llamaremos Rdc, mediante la siguiente expresión, conocido el valor
de la resistencia de puesta a tierra (Rpat):
Una vez conocido el valor de Rdc, el siguiente
paso consiste en obtener la relación entre la componente de continua
de la tensión que aparece en la resistencia de puesta a tierra Vdc y
la posición del defecto. Teniendo en cuenta que dicha relación viene
determinada por una recta, para su cálculo sólo serán necesarios dos
puntos. Uno de ellos está determinado por el punto medio del
devanado, ya que al producirse un defecto en ese punto, no aparece
componente de continua en la tensión que medimos en la impedancia de
puesta a tierra; es decir, Vdc = 0.
El otro punto necesario se obtendrá de la
siguiente expresión:
Donde Vdc_{0} es el valor de Vdc que se
obtendría si el defecto se produjera en el extremo alimentado con
tensión negativa del devanado de excitación. Este punto se ha tomado
como origen del devanado, denominándolo como 0%. Siendo el 100% el
otro extremo del devanado, es decir el alimentado con tensión
positiva (Figura 5).
La máxima componente de continua Vdc que aparece
en caso de defecto se obtiene cuando el fallo se produce en un
extremo del devanado de excitación, y se hace nula si el defecto se
encuentra en el centro del devanado. En el otro extremo del devanado
el valor vuelve a ser máximo pero con distinta polaridad (Figura
4).
Conocida la relación entre la tensión Vdc y la
posición del defecto, a partir de ahora se denominará "Recta
Vdc-posición del defecto", ya se puede calcular
el punto donde se ha producido el fallo, entrando en la recta con el
valor de continua medido en la impedancia de puesta a tierra,
Vdc.
La Figura 1 muestra un esquema del sistema en el
que tiene aplicación la presente invención, siendo (1), el
transformador desde el que se alimenta el convertidor, (2), el
rectificador controlado, (3), la máquina síncrona, y (4), la
resistencia de puesta a tierra del transformador de excitación.
La Figura 2 muestra un esquema del tipo de
defectos que el método que se presenta permite localizar, donde (5)
es la resistencia de falta a tierra en un punto cualquiera del
devanado rotórico.
La Figura 3 muestra un diagrama de bloques del
método de localización de faltas, indicando las expresiones para los
diferentes cálculos necesarios, siendo
- (6),
- el sensor de tensión de la resistencia de puesta a tierra (4)
- (7),
- el sensor de la tensión del devanado de excitación
- (8),
- los bloques que calculan las componentes de tensión alterna y continua de las medidas de tensión de los sensores (6) y (7)
- (9),
- el bloque que calcula la resistencia de defecto
- (10),
- el bloque que calcula el primer punto de la recta "Vdc-posición del defecto"
- (11),
- el bloque que calcula la recta "Vdc-posición del defecto"
- (12),
- señal de salida que indica la posición del defecto
- (13),
- dispositivo localizador del defecto.
La Figura 4 muestra la relación entre la
componente de continua de la tensión medida en la impedancia de
puesta a tierra Vdc y la posición del defecto dentro del devanado en
un caso genérico.
La Figura 5 muestra los puntos de 0% y 100% de
devanado de excitación para una máquina síncrona genérica, que se
han tomado por convenio como los puntos negativo y positivo del
devanado respectivamente.
La Figura 6 muestra cómo evoluciona la
componente de continua de la tensión medida en la resistencia de
puesta a tierra Rpat en función de la resistencia de defecto Rdc y
de la posición del cortocircuito para los valores concretos de una
máquina síncrona.
La presente invención permite localizar defectos
a tierra en rotores de máquinas síncronas alimentados mediante
rectificadores conectados a un transformador cuyo secundario está
puesto a tierra a través de una resistencia. El proceso presenta la
ventaja de que no requiere el desmontaje de la máquina para la
localización del defecto, sino que se realiza con el alternador en
funcionamiento.
La Figura 1 muestra un esquema del sistema
Normalmente se trata de sistemas aislados de tierra, por lo que debe
referenciarse a tierra a través de una resistencia de alto valor
óhmico, (4). Para la localización del defecto se debe medir la
tensión en la resistencia de puesta a tierra (4) y la tensión de
alimentación del rotor de la máquina (3), según se muestra en la
Figura 3.
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.
El proceso que se está presentando permite
determinar el punto del devanado del rotor en el que se ha producido
un defecto a tierra independientemente de la resistencia de dicho
defecto. El tipo de faltas que el sistema localiza son las
representadas en la Figura 2.
El análisis de las señales medidas, se hará de
la forma representada en la Figura 3, que muestra un diagrama de
bloques del método de localización de faltas.
Un fallo a tierra en el devanado de excitación
hará que aparezca una corriente circulando por la resistencia de
puesta a tierra (4). La tensión que aparece en ella será captada por
un sensor de tensión (6). Se calculan las componentes de tensión
continua y alterna de la señal de tensión registrada en la
resistencia de puesta a tierra (6), así como las componentes de
continua y de alterna de la tensión de alimentación del devanado de
excitación, medida a través del sensor (7).
A partir de las componentes de alterna de ambas
tensiones, y conocido el valor de la resistencia de puesta a tierra
(4), se puede calcular la resistencia de defecto (5). Esta operación
se realizará en el bloque 9.
La Figura 4 muestra en un caso general la
relación "Vdc-posición del defecto". Cuando el
defecto se produce en un extremo del devanado, la componente de
continua que se mide en la impedancia de puesta a tierra, Vdc, es
máxima (Vdc_{0}), y depende del valor de la resistencia de defecto
(5).
Para resistencia de defecto nula el valor máximo
obtenido es la mitad de la componente de continua de la tensión de
alimentación del devanado de excitación, y se va reduciendo según
aumenta el valor de la resistencia de defecto (5) hasta hacerse nula
para valores elevados de resistencias de defecto, similares a los
valores de la resistencia de aislamiento del rotor.
Claims (2)
1. Sistema de localización de faltas a tierra en
devanados de excitación de máquinas síncronas con excitación
estática, alimentados desde un transformador (1) a través de un
rectificador controlado (2), caracterizado por que
comprende:
- un circuito pasivo con una resistencia de
puesta a tierra (4) conectado al transformador (1) que alimenta el
rectificador (2);
- un equipo de medida (6) de la tensión que
aparece en la resistencia de puesta a tierra (4) en caso de defecto
a tierra en el devanado de excitación;
- un equipo de medida (7) de la tensión de
salida del rectificador (2) que alimenta el devanado de excitación
de la máquina síncrona (3);
- un dispositivo localizador (13) encargado de
analizar las señales medidas, que dispone de:
- \bullet
- medios de obtención de las componentes alterna y continua (8) de las tensiones medidas en la resistencia de puesta a tierra y en el devanado de excitación por los sensores (6) y (7);
- \bullet
- medios de cálculo de la resistencia de defecto (9) a partir de las componentes de alterna de las tensiones medidas;
- \bullet
- medios de cálculo de la relación entre la componente de continua de la tensión que aparece en la resistencia de puesta a tierra y la posición del defecto, sabiendo que esta componente es nula si el defecto se produce en el punto medio del devanado;
- \bullet
- medios de cálculo de la posición del defecto a partir de la medida de componente continua de la tensión que aparece en caso de defecto a tierra en el devanado de excitación y la relación de esta con la posición del defecto, proporcionando la señal de salida (12).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Proceso de localización de faltas a tierra en
devanados de excitación de de máquinas síncronas con excitación
estática, alimentados desde un transformador (1) a través de un
rectificador controlado (2), caracterizado por realizar la
localización del defecto mediante el análisis de las componentes de
continua y de alterna, tanto de la tensión de alimentación del
devanado de excitación como de la tensión que aparece en una
resistencia de puesta a tierra (4) de un circuito pasivo conectado
al transformador (1) en caso de defecto a tierra, consistiendo dicho
análisis en:
- -
- determinación de la resistencia de defecto utilizando las componentes de alterna de la tensión de alimentación del devanado de excitación y de la tensión que aparece en la resistencia de puesta a tierra;
- -
- determinación de la componente de continua máxima de tensión que aparecería en caso de defecto en el extremo del devanado de excitación, con la resistencia de defecto calculada;
- -
- determinación de la posición del defecto con la medida de la componente de continua de la tensión en la resistencia de puesta a tierra, conocidos el valor máximo que aparecería en el extremo del devanado, que en el punto medio del devanado la componente continua de la tensión es nula, y sabiendo que la evolución de esta componente continua a lo largo del devanado es lineal.
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2009
- 2009-09-21 ES ES200901881A patent/ES2340831B2/es active Active
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