ES2346473T3 - Disposicion y procedimiento para la compensacion de una corriente de defecto en caso de un defecto a tierra. - Google Patents
Disposicion y procedimiento para la compensacion de una corriente de defecto en caso de un defecto a tierra. Download PDFInfo
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Abstract
Disposición para la compensación de una corriente de defecto en caso de un defecto a tierra unipolar (E), en particular en una red eléctrica de corriente trifásica (1) con tres conductores (L1, L2, L3), en la que al menos un punto neutro (3) por un lado secundario de al menos un transformador de suministro (2) o en un dispositivo formador de punto neutro está unido a un punto de tierra (5.1) al menos a través de una reactancia de puesta a tierra (4), en que está prevista al menos una disposición para la compensación por lo menos parcial de al menos una componente de frecuencia, que se desvía de una frecuencia básica de una tensión de red, de la corriente de defecto, en que la disposición comprende al menos tres conmutadores (7), en que los conductores (L1, L2, L3) están unidos respectivamente a por lo menos uno de los conmutadores (7), en que los conmutadores (7) están unidos a un circuito de filtrado (6) o forman parte del circuito de filtrado, en que el circuito de filtrado (6) está unido a un punto de tierra (5.1, 5.3) y en que cada uno de los conmutadores (7) es activable manual y/o automáticamente mediante una disposición de detección de defecto a tierra, que detecta el defecto a tierra (E), caracterizada porque la disposición comprende al menos un rectificador de corriente (8), en que el circuito de filtrado (6) está conformado como rectificador de corriente (8).
Description
Disposición y procedimiento para la compensación
de una corriente de defecto en caso de un defecto a tierra.
La invención se refiere a una disposición y a un
procedimiento para la compensación de una corriente de defecto
unipolar en caso de un defecto a tierra en una red de corriente
trifásica de frecuencia arbitraria.
Redes de corriente trifásica públicas e
industriales, en particular redes de media tensión trifásicas en el
intervalo de 1 kV hasta 30 kV y redes de alta tensión con tensiones
nominales menores/iguales que 110 kV, que sirven para el suministro
regional, operan predominantemente con puesta a tierra resonante de
punto neutro. Esto significa que el punto neutro, situado por el
lado de media tensión, de un transformador de suministro o el punto
neutro de un dispositivo formador de punto neutro está unido a un
punto de tierra a través de una reactancia de puesta a tierra
variable. Si una red de media tensión así conformada tiene un
defecto a tierra en uno de los tres conductores, este estado de
defecto no debe llevar a la desconexión inmediata de la línea
defectuosa por motivos de fiabilidad del suministro. La corriente de
defecto capacitiva que fluye en caso de un defecto a tierra está
condicionada por las capacidades a tierra de la red de media
tensión. Aparecen capacidades también entre los conductores entre
sí, cuya contribución a la corriente de defecto en caso de un
defecto a tierra unipolar es sin embargo despreciable. En caso de un
defecto a tierra en un conductor, la capacidad a tierra de este
conductor es cortocircuitada, mientras que las tensiones en las
capacidades a tierra de los otros dos conductores, no afectados por
el defecto a tierra, aumentan en el factor \surd3 y la corriente
de defecto capacitiva pasa a fluir en los otros dos conductores. La
reactancia de puesta a tierra está ajustada de tal modo que
compensa esta corriente de defecto capacitiva mediante una corriente
inductiva en la zona del defecto a tierra. Esto es válido sin
embargo sólo para la frecuencia de red, una frecuencia básica que
la mayoría de las veces es de 50 Hz, a la que está ajustada la
reactancia de puesta a tierra. La aplicación creciente de
instalaciones y aparatos, alimentados por rectificadores de
corriente, con fuentes de alimentación conmutadas en viviendas y en
la industria lleva a realimentaciones de red, que se manifiestan
entre otras cosas como distorsión armónica de la tensión de red. En
particular, aparecen en este caso componentes de frecuencia del
quinto y del séptimo armónico de la frecuencia básica (250 Hz y 350
Hz). Estas componentes de frecuencia armónicas de la tensión de red
contribuyen en una parte considerable a las corrientes de defecto
que fluyen en caso de defectos a tierra, tanto más cuanto que en los
últimos años las redes de alta frecuencia han sido desarrolladas
crecientemente como redes subterráneas y la proporción de líneas
aéreas se reduce y que la capacidad a tierra de un cable es
aproximadamente veinte a cuarenta veces mayor que la de una línea
aérea para igual longitud. La porción de estas componentes de
frecuencia diferentes de la frecuencia básica en la corriente de
defecto no puede ser compensada con la reactancia de puesta a
tierra, ya que la resonancia de ésta está ajustada de tal modo que
sólo compensa la componente de 50 Hz. Este estado de cosas tiene
como consecuencia un aumento de la corriente de defecto restante en
la zona del defecto a tierra, y en el entorno del defecto a tierra
pueden producirse tensiones peligrosas (tensiones de contacto y
tensiones en escalón), que son peligrosas para la vida o para la
salud humana o animal. En el documento DE 195 25 417 C2 se indica
una vía de solución para la compensación de porciones óhmicas de la
corriente de defecto en caso de un defecto a tierra mediante un
elemento de reactancia pasivo controlado. Las componentes de
frecuencia que se desvían de la frecuencia básica no se tienen sin
embargo en cuenta. A partir de los documentos AT 11 35 89, US 1 983
085 y GB 279 841 son conocidas disposiciones en las que corrientes
de defecto a tierra son compensadas mediante filtros pasivos, que
están conectados en serie o en paralelo a la reactancia de puesta a
tierra. Aquí son compensadas también porciones armónicas de las
corrientes de defecto a tierra. En el documento DE 198 27 755 A1 se
describe una disposición, en la que un filtro híbrido, que consta de
un filtro pasivo y uno activo, está conectado entre una red de
tensión alterna y tierra, en que las componentes armónicas más
altas son suprimidas por el filtro activo. A partir de la
publicación WINTER, Klaus M.: Swedish Distribution Networks - a New
Method for Earthfault Protection in Cable - and Overhead Systems.
En: Proceedings of the Fifth International Conference on
Developments in Power System Protection - DPSP '93 York/UK, IEE
Conference Publication Nº 368, págs. 268-270 y a
partir de la publicación KRÄMER, Stephan; SCHMIDT, Rainer; WINTER,
Klaus: Erdschluss-Vollschutzanlage für das
110-kV-Bahnstromnetz. En:
Elektrische Bahnen, H.8, 2003, págs. 353-362 son
conocidas respectivamente disposiciones en las cuales se introduce
una corriente de compensación en la reactancia de puesta a tierra
con un bobinado auxiliar.
A partir del documento DE 630 751 C es conocida
una disposición para la compensación de la corriente de defecto a
tierra en una red eléctrica de corriente trifásica con tres
conductores, en la que un punto neutro en un dispositivo formador
de punto neutro está unido a un punto de tierra a través de una
disposición de supresión de defectos a tierra que consta de
inductancias, en que están previstos tres conmutadores que, mediante
un circuito de filtrado para la compensación de armónicos más altos
de una frecuencia básica, pueden conmutar a tierra un conductor
afectado por un defecto a tierra.
La invención tiene por ello como base la tarea
de proporcionar una disposición mejorada y un procedimiento para la
detección y compensación automáticas de una corriente de defecto en
caso de un defecto a tierra.
La tarea es resuelta conforme a la invención
mediante una disposición con las características de la
reivindicación 1 y mediante un procedimiento con las
características de las reivindicaciones 12 hasta 15.
Estructuraciones ventajosas de la invención son
el objeto de las reivindicaciones subordinadas.
La disposición conforme a la invención tiene una
red eléctrica de corriente trifásica con tres conductores. En lo
que respecta a la red de corriente trifásica se trata en particular
de una red de media tensión, que es suministrada por una red de
alta tensión con un transformador de suministro con una tensión de
red. El transformador de suministro tiene un lado secundario,
especialmente un lado de media tensión con un punto neutro, que
está unido a un punto de tierra a través de una reactancia de puesta
a tierra. Alternativamente, la reactancia de puesta a tierra puede
estar conectada también a través de un dispositivo formador de punto
neutro. El punto de tierra es en general una instalación de puesta
a tierra. La reactancia de puesta a tierra puede ser modificable en
su inductancia. Además está prevista una disposición para la
compensación al menos parcial de al menos una componente de
frecuencia, que se desvía de una frecuencia básica de la tensión de
red, de una corriente de defecto que aparece como consecuencia de un
defecto a tierra unipolar. La disposición comprende al menos tres
conmutadores. Cada uno de los conductores está unido a por lo menos
uno de los conmutadores. Los conmutadores están unidos a un
circuito de filtrado o forman parte en sí mismos de un circuito de
filtrado, que a su vez está unido a un punto de tierra. El circuito
de filtrado está conformado como rectificador de corriente. La
disposición está dispuesta preferentemente en las proximidades del
transformador de suministro. En particular cuando se emplea un
circuito de filtrado pasivo, los conductores L1, L2 y L3 están
unidos a respectivamente un conmutador. Los conmutadores están
unidos al circuito de filtrado y éste lo está al punto de tierra,
de modo que resulta una conexión en serie de cada conductor a través
del conmutador y del circuito de filtrado al punto de tierra. De
este modo, para un defecto a tierra que sólo aparece en uno
arbitrario de los tres conductores L1, L2 o L3 sólo es necesario un
circuito de filtrado común, independientemente de cuál de los
conductores L1, L2 o L3 esté afectado. De este modo, empleando sólo
un circuito de filtrado, que puede ser unido opcionalmente a todos
los conductores L1, L2 y L3, pueden reducirse considerablemente los
costes para la disposición. Para ello puede pasar a aplicarse en
particular un conmutador de potencia tripolar, que es conmutable
unipolarmente, de modo que se asegura que respectivamente sólo uno
de los polos de conmutador ahí contenidos esté cerrado. Un
conmutador de potencia tripolar de este tipo contiene tres
conmutadores (también denominados polos de conmutador), que pueden
ser conectados independientemente entre sí. El conmutador puede ser
de operación manual, en particular sin embargo automática. Para ello
llega a aplicarse en particular una disposición de detección de
defectos a tierra, por ejemplo un relé de aviso de defectos a
tierra, que detecta el conductor L1, L2 o L3 afectado por el
defecto a tierra y como consecuencia de ello cierra el conmutador
entre el conductor afectado y el circuito de filtrado. De este modo
puede conseguirse que en una zona de defecto a tierra, en la que un
conductor tiene una unión conductora a tierra, se reduzca la porción
de la corriente de defecto que se desvía de la frecuencia básica de
tal modo que es suprimido un arco eléctrico que aparezca dado el
caso, que se hubiera mantenido presente sin la compensación de la
componente de frecuencia que se desvía de la frecuencia básica. Con
ello se evita también una tensión de contacto y en escalón demasiado
alta, peligrosa para la salud y la vida humana y animal, en el
entorno del defecto a tierra. El empleo de la disposición y del
procedimiento descritos es también posible en redes de alta y baja
tensión.
En principio, la red de corriente trifásica
puede operar en este caso también con punto neutro aislado en vez
de con puesta a tierra resonante de punto neutro. La disposición
conforme a la invención puede apoyar o asumir completamente dado el
caso también la función de la reactancia de puesta a tierra. Si por
ejemplo es detectado y desconectado un segmento de la red de
corriente trifásica afectado por un defecto a tierra, como
consecuencia de ello la capacidad a tierra de la red de corriente
trifásica varía de tal modo que la reactancia de puesta a tierra
debe ser regulada. Este procedimiento puede durar mucho tiempo
(varios minutos). Si en este intervalo de tiempo aparece otro
defecto a tierra en la restante red de corriente trifásica, se
producen en la zona del defecto corrientes de defecto muy elevadas
para la frecuencia básica como consecuencia de la reactancia de
puesta a tierra aún no ajustada a la capacidad a tierra. La
compensación puede ser asumida o apoyada en vez de ello sin embargo
por el circuito de filtrado conformado como rectificador de
corriente. También en los casos, en los que se desconecta por
ejemplo en caso de defecto a tierra, como consecuencia de una
puesta a tierra defectuosa, por error una salida sin defectos, la
potencia de compensación ahora modificada, que no puede ser o no
será puesta a disposición a corto plazo por la reactancia de puesta
a tierra, puede ser asumida por el circuito de filtrado.
La componente de frecuencia a compensar es
preferentemente un armónico de la frecuencia básica, en particular
el quinto o séptimo armónico, ya que su proporción en la corriente
de defecto es particularmente alta. Por ejemplo para una frecuencia
básica de 50 Hz, como es habitual en Europa y amplias partes del
mundo, el quinto armónico corresponde a 250 Hz y el séptimo
armónico a 350 Hz. El circuito de filtrado es ajustado
preferentemente al armónico dominante en la corriente de defecto,
de modo que éste es cortocircuitado ampliamente a tierra en el
circuito de filtrado y con ello es ampliamente compensado en la zona
del defecto a tierra. El circuito de filtrado puede abarcar sin
embargo también varias frecuencias, de modo que sean compensadas
componentes de frecuencia de la corriente de defecto en una banda
de frecuencia. Por ejemplo, la banda de frecuencia puede estar
conformada de tal modo mediante la estructura del circuito de
filtrado que sean compensadas componentes de frecuencia en el
intervalo de 220 Hz hasta 380 Hz y con ello sean compensados tanto
el quinto como el séptimo armónico.
En una forma de realización preferida, la
disposición tiene al menos un rectificador de corriente, que está
unido a una unidad de control, que detecta la corriente de defecto.
La unidad de control asume tareas de control y regulación.
El rectificador de corriente es controlado y/o
regulado entonces de tal modo que genera una corriente, cuya
frecuencia y posición de fase compensan al menos parcialmente la
corriente de defecto en caso de un defecto a tierra unipolar. Para
ello, por ejemplo las componentes que se desvían de la frecuencia
básica son generadas y suministradas por el rectificador de
corriente en oposición de fase respecto a la corriente de defecto,
en que la corriente en oposición de fase tiene aproximadamente la
misma magnitud que la corriente de defecto.
El rectificador de corriente puede estar
conectado para ello en serie a la reactancia de puesta a tierra.
Alternativamente, el rectificador de corriente está conectado en
paralelo a la reactancia de puesta a tierra.
En el circuito de filtrado conformado como
rectificador de corriente, los conmutadores forman parte del
circuito de filtrado. El circuito de filtrado conformado
activamente de este modo puede ser adaptado por principio de forma
más flexible a una topología modificada de la red de corriente
trifásica que un circuito de filtrado pasivo.
Los conmutadores están conformados como
conmutadores electrónicos controlables, por ejemplo como componentes
de semiconductores, tales como transistores IGBT (del inglés
"Insulated Gate Bipolar Transistor", transistor bipolar de
puerta aislada). Ofrecen la ventaja de tiempos de conmutación
menores en comparación con conmutadores o polos de conmutador
usuales. Un flujo de corriente que compensa al menos parcialmente la
corriente de defecto en la zona del defecto a tierra es provocado
entonces preferentemente mediante una conmutación controlada y
pulsada de fuentes de tensión continua hacia el camino de corriente
del circuito de filtrado. Un circuito de filtrado activo reacciona
más rápidamente que una reactancia variable a variaciones de la
capacidad a tierra de la red de corriente trifásica, que puede
provocar un aumento de la corriente de defecto en la zona del
defecto a tierra. Esto se produce por ejemplo cuando en caso de un
defecto a tierra detectado en una red de corriente trifásica
ramificada el defecto a tierra es localizado en una rama incorrecta
y esta rama es desconectada por ello, mientras que la rama afectada
por el defecto a tierra permanece aún bajo tensión.
Preferentemente, la disposición comprende un
circuito oscilante en paralelo conectado en serie a la reactancia
de puesta a tierra. De este modo resulta un filtro de varias
frecuencias, que con una reactancia de puesta a tierra dado el caso
adaptada o modificada compensa tanto la corriente de defecto de la
frecuencia básica como la componente de frecuencia que se desvía de
la frecuencia básica en caso de un defecto a tierra.
El circuito oscilante en paralelo puede contener
componentes regulables, por ejemplo reactancias y/o condensadores
regulables, para poder ajustarlo a las capacidades a tierra
existentes y dado el caso variables en la red de corriente
trifásica.
Preferentemente, el circuito de filtrado está
conformado como un circuito de filtrado de varias frecuencias de
tal modo que para al menos una primera frecuencia actúa como
circuito de absorción y para al menos una segunda frecuencia actúa
como circuito de bloqueo. En su función como circuito de absorción
cortocircuita porciones de corriente para la primera frecuencia
hacia el punto de tierra mientras que como circuito de bloqueo
suprime un flujo de corriente hacia el punto de tierra para la
segunda frecuencia. De este modo se evita que se establezca un
flujo de corriente a esta segunda frecuencia a través de una zona de
defecto, de modo que no aparecen tensiones de contacto y en escalón
adicionales indeseadas en la zona del defecto.
La componente de frecuencia a compensar para la
primera frecuencia es preferentemente un armónico de la frecuencia
básica, en particular el quinto o el séptimo armónico, ya que su
proporción en la corriente de defecto es particularmente alta. Por
ejemplo para una frecuencia básica de 50 Hz, como es habitual en
Europa y en amplias partes del mundo, el quinto armónico
corresponde a 250 Hz y el séptimo armónico a 350 Hz.
La segunda frecuencia, para la que es impedido
un flujo de corriente a través del circuito de filtrado, es
preferentemente la frecuencia básica de la red de corriente
trifásica. El comportamiento deseado del circuito de filtrado se
alcanza en caso de un circuito de filtrado pasivo, en el que son
dispuestos al menos dos reactancias y un condensador,
preferentemente en particular mediante el recurso de que una de las
reactancias está conectada en serie con un circuito en paralelo
formado por la otra reactancia y el condensador. Las inductancias de
las reactancias y la capacidad del condensador se escogen en este
caso de tal modo que resulta un comportamiento de absorción al
menos para la primera frecuencia y un comportamiento de bloqueo para
la segunda frecuencia. Un circuito de filtrado de varias
frecuencias es conformado preferentemente de forma activa como
rectificador de corriente, ya que con éste para la compensación de
varias componentes de frecuencia diferentes simplemente hay que
adaptar el control, mientras que con un circuito de filtrado pasivo
son necesarios dado el caso otros componentes o más
componentes.
El circuito de filtrado conformado como
rectificador de corriente puede emplearse también cuando no existe
un defecto a tierra en ningún conductor, en particular de tal modo
que llegue a fluir una corriente que limite o reduzca a valores
prefijados la potencia reactiva existente en la red de corriente
trifásica, como por ejemplo deformaciones de la tensión de
suministro (distorsión, asimetría, caídas, etc.) o una potencia
reactiva de desplazamiento.
A continuación se explican más detalladamente
ejemplos de realización de la invención con ayuda de un dibujo.
Ahí muestran:
la figura 1 una disposición para la compensación
de una corriente de defecto en una zona de defecto a tierra en caso
de un defecto a tierra unipolar en una red de corriente trifásica
con un circuito de filtrado,
la figura 2 una disposición para la compensación
de una corriente de defecto en una zona de defecto a tierra en caso
de un defecto a tierra unipolar en una red de corriente trifásica
con un circuito de filtrado de varias frecuencias,
la figuras 3 una disposición para la
compensación de una corriente de defecto en una zona de defecto a
tierra en caso de un defecto a tierra unipolar en una red de
corriente trifásica con un circuito de filtrado conformado como
rectificador de corriente,
la figura 4 una forma de realización de un
rectificador de corriente y
la figura 5 otra forma de realización de un
rectificador de corriente.
Partes correspondientes entre sí están indicadas
en todas las figuras con los mismos números de referencia.
La figura 1 muestra una disposición para la
compensación de una corriente de defecto en caso de un defecto a
tierra unipolar E. Una red de corriente trifásica 1 con los
conductores L1, L2 y L3 está realizada como red de media tensión
con líneas aéreas y/o cables subterráneos. La tensión de la red de
corriente trifásica 1 es de 20 kV para una frecuencia básica de 50
Hz y es suministrada a través de un transformador de suministro 2,
que está conectado con un lado de alta tensión H a una red de alta
tensión no representada y con un lado de media tensión M a la red
de corriente trifásica 1. Un punto neutro 3, situado por el lado de
media tensión M, del transformador de suministro 2 está puesto a
tierra, es decir unido a un punto de tierra 5.1, a través de una
reactancia de puesta a tierra 4. En cuanto al punto 5.1 se trata
habitualmente de una instalación de puesta a tierra, en la que se
establece un contacto de superficie amplia con tierra. Como la
reactancia de puesta a tierra 4 es un medio de operación real y no
ideal, no sólo tiene una inductancia 4.L, sino que también está
dotada de una resistencia óhmica 4.R. Los conductores L1, L2 y L3 de
la red de corriente trifásica 1 poseen respectivamente una
capacidad a tierra CL1, CL2 y CL3, cuyo valor crece con la longitud
de la red de corriente trifásica 1 o respectivamente con su
extensión superficial. Las capacidades a tierra CL1, CL2, CL3
mostradas representan la ligadura capacitiva de los conductores L1,
L2 y L3 a la tierra. En caso de empleo de cables subterráneos, la
capacidad a tierra CL1, CL2, CL3 es para una misma longitud mayor en
un factor de aproximadamente 20 ... 40 que en caso de líneas
aéreas. En el conductor L3 aparece en el ejemplo de realización
mostrado un defecto a tierra E, por ejemplo en forma de un arco
eléctrico desde el conductor L3 a un punto de tierra 5.2. El
defecto a tierra E puede aparecer en las proximidades del
transformador de suministro 2 o en una zona arbitraria de la red de
corriente trifásica 1. La capacidad a tierra CL3 del conductor L3 es
cortocircuitada entonces a tierra y vale con ello 0. Entonces
aumentan las tensiones en las capacidades a tierra CL1 y CL2
respectivamente en el el factor \surd3. A través del defecto a
tierra E en la zona del defecto a tierra fluye por ello una
componente capacitiva de corriente de defecto. Si la tensión de red
no está distorsionada, es decir si es sinusoidal prácticamente de
forma ideal, esta componente capacitiva de corriente de defecto es
compensada por la reactancia de puesta a tierra 4. En la zona del
defecto a tierra queda simplemente una corriente restante, que
consta de una componente de corriente activa y de una componente de
corriente reactiva. La componente de corriente reactiva resulta de
un ajuste inexacto de un circuito oscilante formado por la
reactancia de puesta a tierra 4 y las capacidades a tierra CL1, CL2.
La componente de corriente activa resulta también de las pérdidas
óhmicas de la reactancia de puesta a tierra 4. Sin embargo, la
tensión de red en las redes de corriente trifásica, debido a
realimentaciones de red de modernos aparatos equipados con fuentes
de alimentación conmutadas e instalaciones alimentadas con
rectificadores de corriente en la industria y en viviendas, no es
idealmente sinusoidal, sino que contiene componentes de frecuencia
armónicas de la frecuencia básica, en particular los armónicos
quinto y séptimo, es decir oscilaciones superpuestas con frecuencias
de 250 Hz y 350 Hz. Las porciones armónicas de las corrientes de
defecto que aparecen en redes de corriente trifásica 1 con
tensiones de red así distorsionadas en caso de un defecto a tierra E
constituyen una proporción considerable del valor efectivo de la
corriente de defecto total (también denominada corriente restante).
Estas porciones armónicas de la corriente de defecto no pueden ser
compensadas por la reactancia de puesta a tierra 4, ya que ésta
sólo está ajustada a la frecuencia básica, y aumentan con ello la
corriente restante. Para compensar estas porciones armónicas de la
corriente de defecto en la zona del defecto a tierra sirve un
circuito de filtrado 6, que puede estar conformado a modo de un
circuito oscilante en serie. Cada conductor L1, L2, L3 está unido
con un conmutador 7.L1, 7.L2, 7.L3 al circuito de filtrado 6, que a
su vez está unido al punto de tierra 5.3, que puede ser idéntico al
punto de tierra 5.1. En caso de un defecto a tierra E en el
conductor L3, el conmutador 7.L3 es cerrado y la corriente de
defecto de la componente armónica de frecuencia es cortocircuitada
a tierra en el circuito de filtrado ajustado a esta frecuencia, de
modo que es reducida en la zona del defecto a tierra E. Un arco
eléctrico que aparezca ahí dado el caso es suprimido y una tensión
de contacto y en escalón en el entorno del defecto a tierra E cae
por debajo de un valor que no es peligroso para la vida o la salud
humana o animal. El circuito de filtrado 6 está ajustado para ello a
los armónicos dominantes, en general el quinto armónico de la
corriente de defecto. El circuito de filtrado 6 puede abarcar sin
embargo varias frecuencias, de modo que son compensadas componentes
de frecuencia de la corriente de defecto en una banda de
frecuencia. Por ejemplo, la banda de frecuencia puede estar
configurada mediante la estructura del circuito de filtrado 6 de
tal modo que sean compensadas componentes de frecuencia en el
intervalo de 220 Hz hasta 380 Hz y con ello sean compensados tanto
el quinto como el séptimo armónico. Los conmutadores 7.L1, 7.L2,
7.L3 pueden ser de operación manual o preferentemente automática.
Para ello puede pasar a aplicarse una disposición de detección de
defectos a tierra no representada, que detecta el defecto a tierra y
cierra el conmutador 7.L3 entre el conductor L3 afectado y el
circuito de filtrado. La detección del defecto a tierra E es por
ejemplo posible mediante el recurso de que sean medidos los valores
efectivos de las tensiones en los conductores L1, L2, L3 respecto a
tierra. En el funcionamiento sin fallos, estas tensiones son
aproximadamente iguales en cuanto a módulo, pero están desplazadas
en fase en 2\pi/3. En caso de un defecto a tierra E, la tensión
del conductor L3 afectado respecto a tierra toma sin embargo un
valor nulo y la tensión de los otros conductores L1, L2 crece en el
factor \surd3. De este modo, la disposición de detección de
defectos a tierra puede identificar el conductor L1, L2 o L3
respectivamente afectado y cerrar el correspondiente conmutador
7.L1, 7.L2, 7.L3.
La figura 2 muestra una disposición para la
compensación de una corriente de defecto en caso de un defecto a
tierra unipolar E. Una red de corriente trifásica 1 con los
conductores L1, L2 y L3 está realizada como red de media tensión
con líneas aéreas y/o cables subterráneos. La tensión de la red de
corriente trifásica 1 es de 20 kV para una frecuencia básica de 50
Hz y es suministrada a través de un transformador de suministro 2,
que está conectado con un lado de alta tensión H a una red de alta
tensión no representada y con un lado de media tensión M a la red
de corriente trifásica 1. Un punto neutro 3, situado por el lado de
media tensión M, del transformador de suministro 2 está puesto a
tierra, es decir unido a un punto de tierra 5.1, a través de una
reactancia de puesta a tierra 4. En cuanto al punto 5.1 se trata
habitualmente de una instalación de puesta a tierra, en la que se
establece un contacto de superficie amplia con tierra. Como la
reactancia de puesta a tierra 4 es un medio de operación real y no
ideal, no sólo tiene una inductancia 4.L, sino que también está
dotada de una resistencia óhmica 4.R. Los conductores L1, L2 y L3 de
la red de corriente trifásica 1 poseen respectivamente una
capacidad a tierra CL1, CL2 y CL3, cuya valor crece con la longitud
de la red de corriente trifásica 1 o respectivamente con su
extensión superficial. Las capacidades a tierra CL1, CL2, CL3
mostradas representan la ligadura capacitiva de los conductores L1,
L2 y L3 a tierra. En caso de empleo de cables subterráneos, la
capacidad a tierra CL1, CL2, CL3 es para una misma longitud mayor en
un factor de aproximadamente 20 ... 40 que en caso de líneas
aéreas. En el conductor L3 aparece en el ejemplo de realización
mostrado un defecto a tierra E, por ejemplo en forma de un arco
eléctrico desde el conductor L3 a un punto de tierra 5.2. El
defecto a tierra E puede aparecer en las proximidades del
transformador de suministro 2 o en una zona arbitraria de la red de
corriente trifásica 1. La capacidad a tierra CL3 del conductor 3 es
cortocircuitada entonces a tierra y vale con ello 0. Entonces
aumentan las tensiones en las capacidades a tierra CL1 y CL2
respectivamente en el el factor \surd3. A través del defecto a
tierra E en la zona del defecto a tierra fluye por ello una
componente capacitiva de corriente de defecto. Si la tensión de red
no está distorsionada, es decir si es sinusoidal prácticamente de
forma ideal, esta componente capacitiva de corriente de defecto es
compensada por la reactancia de puesta a tierra 4. En la zona del
defecto a tierra queda simplemente una corriente restante, que
consta de una componente de corriente activa y de una componente de
corriente reactiva. La componente de corriente reactiva resulta de
un ajuste inexacto de un circuito oscilante formado por la
reactancia de puesta a tierra 4 y las capacidades a tierra CL1, CL2.
La componente de corriente activa resulta también de las pérdidas
óhmicas de la reactancia de puesta a tierra 4. Sin embargo, la
tensión de red en las redes de corriente trifásica, debido a
realimentaciones de red de modernos aparatos equipados con fuentes
de alimentación conmutadas e instalaciones alimentadas con
rectificadores de corriente en la industria y en viviendas, no es
idealmente sinusoidal, sino que contiene componentes de frecuencia
armónicas de la frecuencia básica, en particular los armónicos
quinto y séptimo, es decir oscilaciones superpuestas con frecuencias
de 250 Hz y 350 Hz. Las porciones armónicas de las corrientes de
defecto que aparecen en redes de corriente trifásica 1 con
tensiones de red así distorsionadas en caso de un defecto a tierra E
constituyen una proporción considerable del valor efectivo de la
corriente de defecto total (también denominada corriente restante).
Estas porciones armónicas de la corriente de defecto no pueden ser
compensadas por la reactancia de puesta a tierra 4, ya que ésta
sólo está ajustada a la frecuencia básica, y aumentan con ello la
corriente restante. Para compensar estas porciones armónicas de la
corriente de defecto en la zona de defecto a tierra sirve un
circuito de filtrado 6. Cada conductor L1, L2, L3 está unido con un
conmutador 7.L1, 7.L2, 7.L3 al circuito de filtrado 6, que a su vez
está unido al punto de tierra 5.3, que puede ser idéntico al punto
de tierra 5.1. En caso de un defecto a tierra E en el conductor L3,
el conmutador 7.L3 es cerrado y la corriente de defecto de la
componente armónica de frecuencia es cortocircuitada a tierra en el
circuito de filtrado ajustado a esta frecuencia, de modo que es
reducida en la zona del defecto a tierra E. Un arco eléctrico que
aparezca ahí dado el caso es suprimido y una tensión de contacto y
en escalón en el entorno del defecto a tierra E cae por debajo de un
valor que no es peligroso para la vida o la salud humana o animal.
El circuito de filtrado 6 está ajustado para ello a los armónicos
dominantes, en general el quinto armónico de la corriente de
defecto. El circuito de filtrado 6 puede abarcar sin embargo varias
frecuencias, de modo que son compensadas componentes de frecuencia
de la corriente de defecto en una banda de frecuencia. Por ejemplo,
la banda de frecuencia puede estar configurada mediante la
estructura del circuito de filtrado 6 de tal modo que sean
compensadas componentes de frecuencia en el intervalo de 220 Hz
hasta 380 Hz y con ello sean compensados tanto el quinto como el
séptimo armónico. Los conmutadores 7.L1, 7.L2, 7.L3 pueden ser de
operación manual o preferentemente automática. Para ello puede
pasar a aplicarse una disposición de detección de defectos a tierra
no representada, que detecta el defecto a tierra y cierra el
conmutador 7.L3 entre el conductor L3 afectado y el circuito de
filtrado. La detección del defecto a tierra E es por ejemplo
posible mediante el recurso de que sean medidos los valores
efectivos de las tensiones en los conductores L1, L2, L3 respecto a
tierra. En el funcionamiento sin fallos, estas tensiones son
aproximadamente iguales en cuanto a módulo, pero están desplazadas
en fase en 2\pi/3. En caso de un defecto a tierra E, la tensión
del conductor L3 afectado respecto a tierra toma sin embargo un
valor nulo y la tensión de los otros conductores L1, L2 crece en el
factor \surd3. De este modo, la disposición de detección de
defectos a tierra puede identificar el conductor L1, L2 o L3
respectivamente afectado y cerrar el correspondiente conmutador
7.L1, 7.L2, 7.L3. Los conmutadores 7.L1, 7.L2, 7.L3 pueden estar
conformados como conmutadores mecánicos o electrónicos.
El circuito de filtrado 6 está compuesto por dos
reactancias D1, D2 y un condensador C1 de tal modo que para los
armónicos de corriente citados resulta un comportamiento de circuito
de absorción (circuito oscilante en serie formado por D1 y la
conexión en paralelo de C1 y D2) y para la frecuencia básica resulta
un comportamiento de bloqueo (circuito oscilante en paralelo
formado por C1 y D2), de modo que los armónicos de corriente más
altos son derivados hacia el punto de tierra 5.3 y se suprime un
flujo de corriente para la frecuencia básica a través del circuito
de filtrado.
La figura 3 muestra una forma de realización, en
la que el circuito de filtrado 6 está conformado como rectificador
de corriente 8. Los conmutadores 7.L1, 7.L2, 7.L3 forman aquí parte
del circuito de filtrado 6 o respectivamente rectificador de
corriente 8. Preferentemente, los conmutadores están conformados
entonces como conmutadores electrónicos, por ejemplo como
componentes de semiconductores tales como transistores IGBT. El
rectificador de corriente 8 comprende además tres fuentes de
tensión 10 con tensión y/o frecuencia controlable y/o regulable,
que mediante una correspondiente activación de los conmutadores
7.L1, 7.L2, 7.L3 aplican al conductor L1, L2, L3 afectado un flujo
de corriente que compensa al menos parcialmente la corriente de
defecto en la zona de defecto a tierra E, cuyo flujo está en
oposición de fase a la corriente de defecto en la zona de defecto a
tierra E. El rectificador de corriente 8 puede estar conformado para
ello como circuito de filtrado de varias frecuencias, para
compensar la corriente de defecto a tierra para varias frecuencias,
en particular armónicos de la frecuencia básica. Si en ninguno de
los conductores L1, L2, L3 existe un defecto a tierra, el
rectificador 8 puede ser controlado de tal modo que pasa a fluir
una corriente que limita o reduce a valores prefijados una potencia
reactiva existente en la red de corriente trifásica 1, como por
ejemplo deformaciones de la tensión de suministro (distorsión,
asimetría, caídas, etc.) o una potencia reactiva de desplazamiento.
La representación del rectificador de corriente 8 en la figura es
una representación de principio. Formas de realización concretas
están mostradas en las figuras 4 y 5.
La figura 4 muestra una forma de realización del
rectificador de corriente 8 mostrado en la figura 3.
Los conmutadores 7.L1, 7.L2, 7.L3 pueden estar
conformados también en los ejemplos de realización mostrados en las
figuras 1 y 2 como conmutadores electrónicos. Una fuente de tensión
10 está conformada como rectificador trifásico, que es alimentado
desde una red trifásica. Aquí puede tratarse de la red de corriente
trifásica 1 o de otra red. Igualmente es posible una alimentación
bifásica. Para cada uno de los conductores L1, L2, L3 están
previstos cuatro conmutadores 7.L1.1-4,
7.L2.1-4, 7.L3.1-4, que están
conectados respectivamente como puente de Graetz. Si se detecta por
ejemplo en el conductor L1 un defecto a tierra, los conmutadores
7.L1.1-4 son conmutados de tal modo que se aplica al
conductor L1 (por ejemplo mediante una modulación por anchura de
impulsos o mediante una tensión variable de la fuente de tensión 10)
un flujo de corriente que compensa al menos parcialmente la
corriente de defecto a tierra. Si hay que aplicar al conductor L1
por ejemplo una corriente positiva, deben cerrar simultáneamente
los conmutadores 7.L1.3 y 7.L1.2. Para una corriente negativa, se
trata correspondientemente de los conmutadores 7.L1.1 y 7.L1.4.
Análogamente es válido esto para los conmutadores
7.L2.1-4 y 7.L3.1-4 asociados a los
conductores L2 y L3. Entre los conmutadores
7.L1.1-4, 7.L2.1-4,
7.L3.1-4 y los conductores L1, L2, L3 puede estar
previsto respectivamente un transformador, ya que los conmutadores
7.L1.1-4, 7.L2.1-4,
7.L3.1-4 conformados como componentes de
semiconductores sólo soportan tensiones de bloqueo limitadas.
La figura 5 muestra otra forma de realización
del rectificador de corriente 8. Para ello es generada una tensión
continua a través de los condensadores C1 y C2 mediante conmutación
controlada de los conmutadores 7.L1.1, 7.L1.2, 7.L2.1, 7.L2.2,
7.L3.1, 7.L3.2 y con ello rectificación de la tensión alterna y
carga de los condensadores C1, C2. En caso de defecto a tierra, la
tensión continua es aplicada de forma pulsada (por ejemplo por
modulación por anchura de impulsos) al conductor L1, L2, L3,
mediante el recurso de que por ejemplo en caso de un defecto a
tierra en el conductor L1 los conmutadores 7.L1.1, 7.L1.2, 7.L.1,
7.L.2 son correspondientemente controlados. La reactancia D1 sirve
para la protección de los conmutadores electrónicos 7.L1.1, 7.L1.2,
7.L2.1, 7.L2.2, 7.L3.1, 7.L3.2, 7.L.1,
7.L.2.
7.L.2.
La disposición puede comprender también un
rectificador de corriente 8, que está conectado en serie con la
reactancia de puesta a tierra 4. Aquí es indiferente para su función
si se encuentra entre la reactancia de puesta a tierra 4 y el punto
de tierra 5.1 o entre la reactancia de puesta a tierra 4 y el punto
neutro 3. Una unidad de control no mostrada, unida al rectificador
de corriente 8, detecta el defecto a tierra E y controla y/o regula
el rectificador de corriente 8 en caso de existencia de un defecto a
tierra E de tal manera que este rectificador genera una corriente,
cuya frecuencia y posición de fase compensan al menos parcialmente
la corriente de defecto. Para ello, por ejemplo las componentes de
frecuencia que se desvían de la frecuencia básica son generadas y
suministradas por el rectificador de corriente en oposición de fase
respecto a la corriente de defecto. El rectificador de corriente
puede estar conformado como inversor con un circuito intermedio de
tensión continua. Alternativamente, el rectificador de corriente 8
puede estar conectado en paralelo a la reactancia de puesta a
tierra 4 en vez de en serie. En este caso, el rectificador de
corriente 8 controla la tensión que cae a través de la reactancia
de puesta a tierra 4 de tal modo que una corriente que fluye a
través de ella compensa la corriente de defecto.
En vez del rectificador de corriente 8, también
un circuito oscilante en paralelo 9 puede estar conectado en serie
con la reactancia de puesta a tierra 4. Junto con la reactancia de
puesta a tierra 4, adaptada en su inductancia 4.L para este fin,
resulta así un filtro de varias frecuencias, que compensa tanto la
corriente de defecto de la frecuencia básica como también la de la
componente de frecuencia que se desvía de la frecuencia básica. El
circuito oscilante en paralelo puede contener componentes
regulables, por ejemplo reactancias y/o condensadores regulables,
para poder ajustarlo a las capacidades eléctricas existentes en la
red de corriente trifásica, dado el caso variables.
La red de corriente trifásica 1 puede tener
también otras tensiones de red.
Una puesta a tierra de punto neutro puede
llevarse a cabo en vez de en un transformador de suministro también
en un dispositivo formador de punto neutro. Las soluciones mostradas
en los ejemplos de realización para la compensación de una
corriente de defecto pueden aplicarse también en el punto neutro 3
de este dispositivo formador de punto neutro.
Las disposiciones mostradas en los ejemplos de
realización para la compensación de una corriente de defecto en
caso de un defecto a tierra E son combinables entre sí.
La disposición puede emplearse también para
localizar la zona de defecto a tierra E. Para ello, el circuito de
filtrado 6 conformado como rectificador de corriente 8 es controlado
en el estado libre de defectos a tierra de la red de corriente
trifásica 1 de tal modo que pasa a fluir una corriente de cero (por
ejemplo con una frecuencia entre 0,1 Hz y 2000 Hz) que aprovechando
las correspondientes componentes de la tensión de red es empleada
para la determinación periódica de admitancias de cero dependientes
de la frecuencia.
De este modo son determinadas la admitancia de
cero de la red de corriente trifásica 1 (a partir de las corrientes
de cero de las uniones conductor-potencial de
tierra) y las admitancias de cero de las salidas de línea (a partir
de las corrientes de cero de las salidas de línea). Las admitancias
de cero determinadas de este modo son empleadas en la disposición
de detección como valor deseado. En caso de un defecto a tierra
unipolar, varía la admitancia de cero, determinada con una
frecuencia menor que la frecuencia básica, de la salida de línea
afectada por el defecto a tierra. A partir de la comparación con el
valor deseado se determina la salida afectada por el defecto a
tierra. La comparación de admitancias de cero, que se lleva a cabo
con una obtención de las admitancias de cero anteriormente citadas
con frecuencias mayores que la frecuencia básica, permite,
aprovechando los parámetros eléctricos de la salida de línea, la
determinación del lugar del defecto (distancia del lugar del
defecto respecto al lugar de medida de la admitancia de cero).
- 1
- Red de corriente trifásica
- 2
- Transformador de suministro
- 3
- Punto neutro
- 4
- Reactancia de puesta a tierra
- 4.L
- Inductancia de la reactancia de puesta a tierra
- 4.R
- Resistencia óhmica de la reactancia de puesta a tierra
- 5
- Punto de tierra
- 6
- Circuito de filtrado
- 7
- Conmutador
- 8
- Rectificador de corriente
- 9
- Circuito oscilante en paralelo
- 10
- Fuente de tensión
- 11
- Filtro de alta frecuencia
- CL1, CL2, CL3
- Capacidad a tierra
- C1, C2
- Condensador
- D1, D2
- Reactancia
- E
- Defecto a tierra
- H
- Lado de alta tensión
- M
- Lado de media tensión
- L1, L2, L3
- Conductores
Claims (15)
1. Disposición para la compensación de una
corriente de defecto en caso de un defecto a tierra unipolar (E),
en particular en una red eléctrica de corriente trifásica (1) con
tres conductores (L1, L2, L3), en la que al menos un punto neutro
(3) por un lado secundario de al menos un transformador de
suministro (2) o en un dispositivo formador de punto neutro está
unido a un punto de tierra (5.1) al menos a través de una reactancia
de puesta a tierra (4), en que está prevista al menos una
disposición para la compensación por lo menos parcial de al menos
una componente de frecuencia, que se desvía de una frecuencia básica
de una tensión de red, de la corriente de defecto, en que la
disposición comprende al menos tres conmutadores (7), en que los
conductores (L1, L2, L3) están unidos respectivamente a por lo
menos uno de los conmutadores (7), en que los conmutadores (7)
están unidos a un circuito de filtrado (6) o forman parte del
circuito de filtrado, en que el circuito de filtrado (6) está unido
a un punto de tierra (5.1, 5.3) y en que cada uno de los
conmutadores (7) es activable manual y/o automáticamente mediante
una disposición de detección de defecto a tierra, que detecta el
defecto a tierra (E), caracterizada porque la disposición
comprende al menos un rectificador de corriente (8), en que el
circuito de filtrado (6) está conformado como rectificador de
corriente (8).
2. Disposición según la reivindicación 1,
caracterizada porque la componente de frecuencia de la
corriente de defecto es un armónico de la frecuencia básica.
3. Disposición según la reivindicación 2,
caracterizada porque la componente de frecuencia de la
corriente de defecto es el quinto y/o séptimo armónico de la
frecuencia básica.
4. Disposición según la reivindicación 1,
caracterizada porque el rectificador de corriente (8) está
conectado en serie con la reactancia de puesta a tierra (4).
5. Disposición según la reivindicación 1,
caracterizada porque el rectificador de corriente (8) está
conectado en paralelo a la reactancia de puesta a tierra (4).
6. Disposición según una de las reivindicaciones
1 hasta 5, caracterizada porque para el rectificador de
corriente (4) está prevista una unidad de control que vigila la red
eléctrica de corriente trifásica (1) y controla y/o regula el
rectificador de corriente (8) al menos en lo relativo a frecuencia y
posición de fase de una corriente y/o de una tensión.
7. Disposición según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizada porque la disposición comprende
un circuito oscilante en paralelo conectado en serie a la reactancia
de puesta a tierra (4).
8. Disposición según la reivindicación 7,
caracterizada porque el circuito oscilante en paralelo
contiene componentes regulables.
9. Disposición según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizada porque los conmutadores (7) están
conformados como conmutadores electrónicos controlables.
10. Disposición según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el
circuito de filtrado (6) está diseñado como un circuito de filtrado
de varias frecuencias de tal modo que para al menos una primera
frecuencia actúa como circuito de absorción y para al menos una
segunda frecuencia actúa como circuito de bloqueo.
11. Disposición según la reivindicación 10,
caracterizada porque la segunda frecuencia es la frecuencia
básica.
12. Procedimiento para la compensación de una
corriente de defecto en caso de un defecto a tierra unipolar (E)
con una disposición según una de las reivindicaciones 1 hasta 11,
caracterizado porque una red de corriente trifásica es
vigilada en cuanto a defectos a tierra y porque en caso de
existencia de un defecto a tierra unipolar de un conductor (L1, L2,
L3) es activado manual o automáticamente un conmutador (7) para la
unión del conductor (L1, L2, L3) con un circuito de filtrado (6)
conformado como rectificador de corriente, que está unido a un
punto de tierra (5.1, 5.3).
13. Procedimiento para la compensación de una
corriente de defecto en caso de un defecto a tierra unipolar (E)
con una disposición según una de las reivindicaciones 1 hasta 11,
caracterizado porque una red de corriente trifásica es
vigilada en cuanto a defectos a tierra y porque en caso de
existencia de un defecto a tierra unipolar de un conductor (L1, L2,
L3), mediante al menos un conmutador electrónico (7) de un circuito
de filtrado (6) conformado como rectificador de corriente (8), es
provocado entre el conductor (L1, L2, L3) y un punto de tierra
(5.1, 5.3) un flujo de corriente que compensa al menos parcialmente
al menos una componente de frecuencia de una corriente de defecto a
tierra.
14. Procedimiento para la localización de un
defecto a tierra en una red de corriente trifásica (1) con una
disposición según una de las reivindicaciones 1 hasta 11,
caracterizado porque se aplica a la red de corriente
trifásica (1), en funcionamiento libre de defectos a tierra, por
parte de un rectificador de corriente (8) una corriente de cero con
una frecuencia de 0,1 Hz hasta 2000 Hz, que se emplea para la
determinación periódica de admitancias de cero dependientes de la
frecuencia, que son almacenadas como valores deseados en un
dispositivo de detección, y porque por comparación de las
admitancias de cero, determinadas de igual modo en caso de un
defecto a tierra unipolar (E), con el valor deseado se determina un
conductor (L1, L2, L3) afectado por el defecto a tierra (E) y una
distancia de un lugar del defecto a tierra respecto al lugar de
montaje del rectificador de corriente (8).
15. Procedimiento para la compensación de
potencia reactiva en una red de corriente trifásica (1) con tres
conductores (L1, L2, L3) mediante una disposición según una de las
reivindicaciones 1 hasta 11, en el que la red de corriente
trifásica (1) es vigilada en cuanto a potencia reactiva y en que se
aplica a la red de corriente trifásica (1) en caso de existencia de
potencia reactiva una corriente, que compensa al menos parcialmente
la potencia reactiva, mediante un rectificador de corriente (8)
unido a un punto de tierra (5.1, 5.3), en que el rectificador de
corriente (6) es unido a por lo menos uno de los conductores (L1,
L2, L3) de modo controlado y/o regulado mediante al menos uno de al
menos tres conmutadores (7).
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