ES2431763B2

ES2431763B2 - Método y sistema de protección para redes eléctricas con neutro aislado de tierra

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Publication number: ES2431763B2
Application number: ES201230777A
Authority: ES
Inventors: Carlos Antonio Platero Gaona; Francisco BL�ZQUEZ GARC�A; Ricardo Granizo Arrabe; Fernando �LVAREZ G�MEZ; Francisco BL�NQUEZ DELGADO; Emilio REBOLLO L�PEZ
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2014-06-16
Anticipated expiration: 2032-05-23
Also published as: ES2431763A1

Abstract

La presente invención es un nuevo método y sistema de detección selectiva de faltas a tierra en redes de distribución de energía eléctrica cuyo régimen de neutro es aislado de tierra.#Se identifica la línea que tiene un defecto monofásico a tierra en base a comparaciones direccionales entre todas las intensidades de defecto que circulan por las líneas en servicio y una intensidad de referencia.#La invención est� orientada a redes de distribución de energía eléctrica con neutro puesto a tierra de forma aislada rígida o a través de una impedancia de alto valor �hmico.

Description

M�TODO Y SISTEMA DE PROTECCiÓN PARA REDES ELÉCTRICAS CON NEUTRO AISLADO DE TIERRA

OBJETO DE LA INVENCiÓN

La presente invención tiene por objeto presentar un nuevo método y sistema de detección de faltas monofásicas a tierra en redes de energía eléctrica con neutro aislado de tierra (es decir, puesto a tierra a través de una impedancia de muy alto valor �hmico). Este nuevo método y sistema ofrece una total selectividad en la detección de la zona en condición de falta evitando disparos no deseados � erróneos al efectuar comparaciones direccionales entre distintas intensidades. No compara la tensión homopolar con la intensidad homopolar como hacen normalmente las actuales protecciones direccionales de sobreintensidad de falta a tierra en redes de energía eléctrica con neutro aislado de tierra o puesto a tierra a través de una impedancia de muy alto valor �hmico.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN

Al producirse faltas monofásicas a tierra en redes de suministro de energía eléctrica con neutro aislado de tierra o puesto a tierra a través de una impedancia de muy alto valor �hmico, se elevan los potenciales de las otras dos fases sanas, pasando a tomar valores de tensión de línea en vez de fase. Esta sobretensi�n debe ser soportada por todos los elementos de potencia que componen dicha red durante un tiempo que puede llegar a durar varias horas no debiéndose deteriorar su aislamiento. En los sistemas de energía eléctrica con neutro aislado de tierra o puesto a tierra a través de una impedancia de muy alto valor �hmico, en caso de defecto a tierra circula corriente homopolar de defecto por todas las lineas, siendo dificil identificar la línea con el defecto, particularmente en instalaciones donde existan algunas líneas de gran longitud respecto a las demás.

Una forma de detectar de forma selectiva la linea en falta consiste en inyectar en el sistema una señal de tensión de pequeña amplitud. Se calcula, por tanto, de forma permanente, la resistencia de aislamiento en cada línea. Una vez alcanzado un nivel de aislamiento correspondiente a una situación de defecto, el sistema de protección proporciona primeramente una señal de alarma y, en caso de descenso progresivo del aislamiento, una segunda señal de disparo. Esta técnica se ha venido utilizando normalmente en redes de distribución eléctrica de Baja Tensión. Otra forma de detección selectiva de faltas monofásicas a tierra, en redes de suministro de energía eléctrica que est�n aisladas de tierra , es la protección direccional de sobre intensidad de corriente a tierra homopolar, que necesita conocer los vectores tensión homopolar en barras de distribución e intensidad homopolar en cada una de las posiciones de línea, debiéndose instalar normalmente una protección de este tipo en cada una de las líneas. Las medidas de tensión e intensidad homopolares del defecto se obtienen a partir de:

•: Tensi�n homopolar en barras de distribución: transformador de tensión con sus devanados secundarios conectados en triángulo abierto.

•: Intensidades homopolares en cada posición de línea: transformador de intensidad, normalmente toroidal, que abrace las tres fases.

En base a la posición relativa de las intensidades homopolares de defecto en cada línea con la tensión homopolar común a todas las líneas, se dispara la línea con defecto a tierra. El criterio de disparo utilizado empleando las medidas de tensión e intensidad homopolares descritas, es el siguiente:

•: Existencia de una tensión homopolar en barras superior a un ajuste definido anteriormente.

•: Existencia de la componente capacitiva de las intensidades de falta superior a un ajuste predefinido.

• Existencia de un ángulo de desfase determinado entre la tensión

homopo1ar medida en barras de distribución y la intensidad

homopolar medida en la línea en falta. Se necesita, por tanto, el cumplimiento de tres condiciones previas antes de efectuar la orden de disparo al interruptor automático correspondiente a la línea en situación de falta.

Existen algu nas patentes relacionadas con posibles soluciones del problema

t�cnico planteado:

WO 2004/079378 A1 ("Detection of earth faults in three phase Systems")

esta solicitud de patente se ha definido para sistemas eléctricos de potencia con neutro puesto a tierra a través de una reactancia, no aislados de tierra por tanto. Tampoco presenta una definición de criterios de detección de faltas a tierra en función de la aparición tensiones

homopolares. WO 98/20356 ("Method of detec!ing and locating a high-resistance earth

fault in an electric power network") esta solicitud de patente plantea

detectar faltas a tierra comparando la componente de tensión homopolar

en primera instancia con la componente de tensión de secuencia directa de la red y, en segunda instancia, con la impedancia homopolar de la red. Finalmente, se realiza una comparación entre la intensidad de

defecto y la componente de secuencia directa de la tensión de red. En

cambio, la presente invención no compara las componentes de secuencia directa y homopolar de la tensión de red ni aplica un criterio de direccionalidad para detenninar la linea que presenta el defecto a tierra.

ES 466782 A 1 ("Relé direccional para la vigilancia de al menos una línea

de transporte de energía eléctrica alterna") esta solicitud de patente

detecta faltas a tierra calculando la impedancia de defecto en módulo y

argumento, empleando un criterio direccional para discrimina la dirección del defecto. En cambio, la presente invención no aplica un criterio de direccionalidad para determinar la línea que presenta el defecto a tierra.

ES 389113 ("Perfeccionamientos en aparatos de detección y protección de faltas a tierra en redes de distribución de tensión eléctrica"), esta patente detecta la linea en falta identificando la dirección de la intensidad homopolar. En cambio, la presente invención no aplica un criterio de direccionalidad para determinar la línea que presenta el defecto a tierra.

DESCRIPCi�N DE LA INVENCiÓN

La presente invención permite detectar de forma selectiva en sistemas de suministro de energía eléctrica con neutro aislado de tierra, es decir puesto a tierra a través de una impedancia de muy alto valor �hmico, la línea que se encuentra en situación de defecto monofásico a tierra. Los defectos monofásicos representan más del 90% de total de faltas que se producen en redes de energía eléctrica, se origina una disminución de la tensión en la fase con defecto y un aumento en las tensiones de las otras dos fases sin defecto. De forma que resulta imprescindible su detección y localización precisa. Sin embargo, este tipo de defecto impide su localización si se emplean solo protecciones voltim�tricas. Por tanto, es preciso medir otras magnitudes tales como las intensidades capacitivas que circulan por todas las líneas en servicio cuando se produce este tipo de defecto en sistemas de suministro de energía eléctrica con neutro puesto a tierra. En los sistemas eléctricos con neutro aislado de tierra, cuando se produce un defecto monofásico a tierra en una fase, la capacidad de dicha fase en todo el sistema eléctrico queda cortocircuitada y, por tanto, no hace circular ninguna intensidad debida a la capacidad de dicha fase con defecto. Esta nueva invención propone utilizar transformadores de intensidad toroidales de doble devanado secundario con idénticas características en cuanto a relación de transformación, clase y potencia de precisión se refiere. El principio de funcionamiento se basa en la comparación de los signos de las intensidades de defecto captadas por los transformadores de intensidad

toroidales dispuestos en cada una de las líneas conectadas a las mismas

barras de distribución generales.

Este método presenta las siguientes características:

• Los transformadores de intensidad toroidales dispuestos en todas las líneas han de tener dos devanados secundarios idénticos, primer secundario nI! 1 denominado desde este momento devanado secundario 2.1 Y segundo secundario nI! 2 denominado también desde ahora devanado secundario 2.2.

• Todos los transformadores de intensidad toroidales dispuestos en todas las líneas han de conectarse con el mismo criterio de polaridad, es decir, con todos sus terminales primarios 1.1 mirando a barras � mirando a las líneas.

• Todos los terminales secundarios 2.1 de los transformadores de intensidad toroidales se conectan a tierra, o bien todos los terminales secundarios 2.2.

• Se forma un circuito de medida sumando todas las intensidades

de defecto obtenidas en los devanados secundarios n' 1 (2.1) de todos los transformadores de intensidad toroidales dispuestos en todas las líneas. Solo un devanado secundario n' 1 (2.1) elegido

de forma aleatoria, se conecta con su polaridad invertida. La intensidad de defecto resultante que circula por este circuito, se la denomina intensidad de comparación IComparaci�n. Este nuevo método de protección calcula su signo.

• El nuevo método de protección calcula el signo de cada una de las intensidades de defecto obtenidas en los devanados secundarios n' 2 (2.2) de todos los transformadores de intensidad toroidales dispuestos en todas las líneas.

• El nuevo método de protección compara el signo de la intensidad de defecto de comparación IComparaci�n con cada uno de los signos de las intensidades de defecto obtenidas en los devanados

secundarios n' 2 (2.2) de todos los transformadores de intensidad

toroidales dispuestos en las líneas.

Los resultados que se obtienen en la identificación de faltas monofásicas a tierra son:

1. Falta en la línea donde se ha conectado con polaridad invertida el devanado secundario nO 1 (2.1) de su transformador de intensidad toroidal de doble secundario: -Linea con defecto:

Signo (I Comparación ) :f:. Signo (I Secundario n'>2 (2.2) en la linea con defecto) -Líneas sin defecto:

Signo (I Comparación) = Signo (I Secundario n02 (2.2) en las lineas sin defecto)

11. Falta en cualquier otra linea: -Línea con defecto:

Signo (I Compara ci�n ) = Signo (ISecundario n02 (2.2) en la linea con defecto) -Líneas sin defecto:

Signo (IComparaci�n) 1: Signo (I Secundario n"2 (2.2) en las lineas sin defecto)

Por tanto y de forma general, siempre se despeja cualquier falta monofásica a tierra de forma selectiva atendiendo a la comparación direccional entre la intensidad de defecto de comparación y cada una de las intensidades de defecto de cada línea, siendo una solución válida para cualquier opción funcionamiento en cuanto al número de líneas conectadas a las barras principales. La invención se puede habilitar cuando se detecta una tensión homopolar en barras superior a un valor seleccionado previamente.

BREVE DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS

A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

En la FIGURA 1 se muestra un esquema de principio de funcionamiento donde

se observan los siguientes elementos:

(1): Elementos de apertura en carga de las lineas. (2): Transformador de intensidad toroidal.

(2.1): Devanados secundarios nO 1 (2.1) de los transformadores de intensidad

toroidales dispuestos en cada linea. (2.2): Devanados secundarios n� 2 (2.2) de los transformadores de intensidad

toroidales dispuestos en cada línea.

(3):: Líneas de distribución de energía eléctrica. Se han representado solo 4

l�neas de las "n" posibles líneas que se pueden tener.

(4):: Señales analógicas de intensidad de defecto obtenidas en los

devanados secundarios n� 2 (2.2) de los transformadores de intensidad

toroidales instalados en cada línea.

(5):: Barras de distribución principales.

(6):: Señales analógicas de intensidad de defecto obtenidas en los

devanados secundarios nO 1 (2.1) de los transformadores de intensidad

toroidales instalados en cada línea. Estas intensidades se emplean para

obtener la intensidad de defecto de comparación Icomparaci�n.

(7):: Transformador de tensión para med ida de tensión homopola r o

tensiones de fase.

(8):: Señal analógica de tensión homopolar para habilita r el funcionam iento

de este nuevo método.

En la FIGURA 2 se muestra la obtención de la intensidad de defecto de

comparaci�n a partir de la suma de las intensidades de defecto obtenidas en los devanados secundarios nO 1 (2.1) de los transformadores de intensidad

toroidales instalados en cada línea. En la FIGURA 2 se observan los siguientes

elementos:

(2.1): Devanados secundarios nO 1 (2.1) de los transformadores de intensidad toroidales dispuestos en cada línea.

(6): señales analógicas de intensidad de defecto obtenidas en los devanados secundarios nO 1 (2. 1) de los transformadores de intensidad toroidales instalados en cada línea. Estas intensidades se emplean para obtener la intensidad de comparación IComparaci�n

(9): intensidad de defecto de comparación obtenida sumando las intensidades (6) obtenidas en los devanados secundarios n� 1 (2.1) de los transformadores de intensidad toroidales instalados en cada línea.

DESCRIPCi�N DETALLADA DE UN MODO DE REALIZACiÓN

Con referencia a las figuras se ilustra a continuación un ejemplo de realización de la invención que no ha de considerarse con carácter limitativo. Según se muestran en la Figura 1 los elementos que conforman este nuevo método de detección de faltas a tierra, al producirse un defecto a tierra en cualquiera de las lineas (3), el transformador de tensión para medida de tensión homopolar � tensiones de fase (7) detecta tensión homopolar y se obtiene la medida de dicha tensión homopolar (8) en sus terminales. Si esta medida de tensión homopolar supera un valor de ajuste prefijado, el método analiza las intensidades capacitivas que circulan por las líneas (3). Estas circulaciones de intensidades capacitivas por cada línea (3), originan en los devanados secundarios nO 1 (2.1) de los transformadores de intensidad toroidales dispuestos en cada línea, señales analógicas de intensidad de defecto (6). Estas intensidades se emplean para obtener la intensidad de defecto de comparación IComparaci�n (9) según la Figura 2. También al mismo tiempo, en los devanados secundarios nO 2 (2.2) de los transformadores de intensidad toroidales dispuestos en cada linea se obtienen las intensidades (4) analógicas de intensidad de defecto. Con las medidas de las intensidades capacitivas (4) y la intensidad de comparación (9), el método evalúa las direcciones de dichas intensidades capacitivas (4) y de comparación (9).

En la tabla 1 se muestran los resultados de las comparaciones direccionales entre las intensidades capacitivas que circulan por todas las lineas y la intensidad de comparación Icomparaci�n cuando se ha producido un defecto

5 monofásico en una línea genérica LK cuyo devanado secundario nO 1 (2.1) de su transformador de intensidad correspondiente se ha conectado con polaridad contraria que el resto de devanados nO 1 (2.1) de los transformadores de intensidad del resto de lineas.

L�nea: L, ... LK ... LN•1 LN

Secundario nO 1 (2.1) de cada línea: Polaridad P1: Directa Inversa ... Di recta Directa

Polaridad de l a intensidad de comparación: Directa Directa .. . Di recta Directa

Polaridad de l a intensidad de defecto. Secundario nO 2 (2.2) de cada línea.: Directa Inversa ... Di recta Directa

Polaridad de las intensidades: Igual Diferente .. . Igual Igual

TABLA 1

En la tabla 2 se muestran los resultados de las comparaciones direccionales entre las intensidades capacitivas que circulan por todas las líneas y la 15 intensidad de comparación IComparaci�n cuando se ha producido un defecto monofásico en una línea distinta a la de la tabla 1.

L�nea: l, .. . lK ... LN.1 lN

Secundario nO 1 (2.1) de cada línea: Polaridad Pi: Directa Inversa . . . Directa Directa

Polaridad de la intensidad de comparación: Inversa Inversa . . . In versa Inversa

Polaridad de la intensidad de defecto. Secundario nO 2 (2.2) de cada línea.: Directa Inversa ... Directa Directa

Polaridad de las intensidades: Diferente Igual . . . Diferente Diferente

TABLA 2

Como se mencionaba, en la tabla 1 se indican los sentidos de las intensidades

de defecto (4) Y comparación (9) cuando el defecto se ha producido en una

l�nea genérica Lk cuyo devanado secundario nO 1 (2.1) de su transformador de intensidad correspondiente se ha conectado con polaridad contraria que el

10 resto de devanados n� 1 (2.1) de los transformadores de intensidad del resto

de líneas. El método dete rmina que dicha línea Lk es la que tiene el defecto al

tener distintos sentidos la intensidad de comparación (9) con la intensidad de defecto (4) que circula por dicha linea lk. En la tabla 2 se indican los sentidos de las intensidades de defecto (4) y

15 comparación (9) cuando el defecto se ha producido en una linea genérica lk cuyo devanado secundario nO 1 (2.1) de su transformador de intensidad

correspondiente no es el que se conecta con polaridad contraria que el resto de

devanados n� 1 (2.1) de los transformadores de intensidad del resto de líneas.

El método identifica dicha línea Lk como la que tiene el defecto al tener iguales

sentidos tanto la intensidad de comparación (9) como la intensidad de defecto

(4) que circula por dicha linea Lk.

Una vez determinada la línea con defecto, el sistema físico que implemente

este nuevo método enviar� una orden de apertura al interruptor automático (1)

de dicha linea.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Método de protección para redes eléctricas con neutro aislado de tierra, caracterizado por que comprende los siguientes pasos:

5 -medir en cada línea de distribución (3), la intensidad de defecto obtenida en los segundos devanados secundarios (2.2) de los transformadores de

intensidad toroidales (2); -medir en cada línea de distribución (3), la intensidad de defecto obtenida en

los primeros devanados secundarios (2.1) de los transformadores de intensidad 10 toroidales (2) y sumar dichas medidas para obtener la intensidad de comparación , donde todos salvo uno de los transformadores de intensidad

toroidales (2) estan conectado con igual polaridad;

-

determinar la línea con defecto en función de la comparación de los signos 15 entre la intensidad de comparación IComparaci�n Y las intensidades de los

segundos devanados secundarios (2.2) de cada transformador de intensidad

toroidal dispuesto en cada línea de forma que:

a) si el defecto se ha producido en la linea cuyo transformador toroidal se ha conectado con polaridad inversa, la intensidad de comparación

20 IComparaci�n tiene polaridad contraria respecto a la intensidad que circula por el devanado secundario n0 2 (2.2) de dicha línea, mientras que en el resto de líneas sin defecto, la intensidad de comparación Icomparaci�n tiene igual polaridad que las intensidades que circulan por los devanados secundarios n0 2 (2.2) de dichas lineas sanas;

25 b) alternativamente, si el defecto se ha producido en una linea cuyo transformador toroidal no se ha conectado con polaridad inversa, la intensidad de comparación Icomparaci�n tiene la misma polaridad respecto a la intensidad que circula por el devanado secundario n' 2 (2.2) de dicha linea, mientras que en el resto de líneas sin defecto, la intensidad de comparación Icomparaci�n tiene

30 distinta polaridad que las intensidades que circulan por los devanados

secundarios n0 2 (2.2) de dichas líneas sanas.
2. Método de protección según reivindicación 1, caracterizado por que

comprende un paso previo para medir la tensión homopolar en barra (6) y

compararla con un valor seleccionado.
3. Método de protección según reivindicación 1 6 2, caracterizado por que se acciona el elemento de apertura (1) en carga de la línea de distribución (3), en función del resultado de la comparación.
4. Sistema de protección para redes eléctricas con neutro aislado de tierra, caracterizado por que comprende: -medios para medir en cada linea de distribución (3), la intensidad de defecto

obtenida en los segundos devanados secundarios (2.2) de los transformadores de intensidad toroidales (2);

-

medios para medir en cada linea de distribución (3), la intensidad de defecto obtenida en los primeros devanados secundarios (2.1) de los transformadores

de intensidad toroidales (2) y sumar dichas medidas para obtener la intensidad

de comparación , donde todos salvo uno de los transformadores de intensidad

toroidales (2) estim conectado con igual polaridad; -medios para determinar la linea con defecto en función de la comparación de los signos de la intensidad de cada linea y la intensidad de comparación y la polaridad del devanado secundario (2.1).
5.

Sistema de protección según reivindicación 4, caracterizado por que comprende unos medios para medir la tensión homopolar en barra (6) y compararla con un valor seleccionado.
6.

Sistema de protección según reivindicación 4 � 5, caracterizado por que

comprende un elemento de apertura en carga (1) configurado para abrir la línea de distribución (3) de acuerdo con la comparación realizada por los medios para determinar la línea con defecto.