ES2435733A2

ES2435733A2 - Sistemas, procedimientos y dispositivo electrónico inteligente para protección de un generador de fallo de conexión a tierra

Info

Publication number: ES2435733A2
Application number: ES201290026A
Authority: ES
Inventors: O. III SCHWEITZER Edmund; Veselin Skendzic; Gabriel Benmouyal; A. HALL Bruce; Rogerio Scharlach
Original assignee: Schweitzer Engineering Laboratories Inc
Current assignee: Schweitzer Engineering Laboratories Inc
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2013-12-23
Anticipated expiration: 2030-10-13
Also published as: US20110085272A1; ES2435733A9; ES2435733B2; ES2435733R1; ZA201202110B; CA2777379C; AU2010306876B2; BR112012008681A2; MX2012004040A; AU2010306876A1; WO2011047010A1; US8405940B2; CA2777379A1

Abstract

Se divulga un sistema de detección de fallos de bobinado a tierra que incluye una fuente de señales de inyección en comunicación eléctrica con un bobinado de un generador de energía eléctrica por medio de un transformador de inyección. El bobinado puede ser acoplado a tierra por medio de una vía de bobinado a tierra y la fuente de generación de señales puede generar una señal de inyección capaz de ser inyectada en el bobinado usando el transformador de inyección. El sistema divulgado puede incluir además un módulo de protección en comunicación con la fuente de señales de inyección y el generador de energía eléctrica configurado para recibir la señal de inyección y una señal relacionada con la corriente a través de la vía de bobinado a tierra, y para determinar la ocurrencia de una condición de fallo de bobinado a tierra basándose al menos en parte en la señal de inyección y en la señal relacionada con la corriente a través de la vía de bobinado a tierra.

Description

Sistemas, procedimientos y dispositivo electrónico inteligente para protección de un generador de fallo de conexión a tierra

Campo técnico

Esta divulgación se refiere a sistemas, procedimientos y dispositivo electrónico inteligente para protección de un generador eléctrico y, más concretamente, a sistemas, procedimientos y dispositivo electrónico inteligente para detección de fallos de conexión a tierra usando una fuente de inyección.

Descripción del estado de la técnica antElrior

Un sistema de generación y distribución dE~ energía eléctrica puede incluir equipamiento de sistema eléctrico tal como generadores, seccionadores de circuito, conmutadores, colectores, líneas de transmisión, transformadores, baterías de condensadores, y similares. Dicho equipamiento puede ser monitorizado, controlado, automatizado ylo protegido usando dispositivos electrónicos inteligentes nEOs") que reciben información del sistema de energía eléctrica de los dispositivos, adoptan decisiones basadas en la información, y realizan monitorización, control, protección y/o salidas de automatización a los dispositivos.

los generadores eléctricos pueden ser monitorizados y protegidos de varios fallos ylo condiciones de funcionamiento usando uno o más lEOs. Por ejemplo. un lEO se puede usar para monitorizar un generador por interrllpción de una vía de toma de tierra del rotor (escobilla de toma de tierra). Las realizaciones de dicho lEO pueden usar varios algoritmos de protección, tales como los divulgados E!n la patente de EE. UU. nO. 7,498,818, titulada "Aparato y Procedimiento para detección de una escobilla de toma de tierra en un Circuito de Rotor de Generador Síncrono", que se incorpora a la presente divulgación como referencia.

los generadores usados en sistemas de generación y distribución de energía eléctrica pueden incluir conexión a tierra del estator en diversas configuraciones. Por ejemplo, los bobinados del estator del generador pueden ser conectados a tierra usando alta impedancia, resistencia media, baja resistencia, baja inductancia, ylo configuraciones de conexión a tierra resonantes. Alternativamente, los bobinados del estator pueden no estar conectados a tierra. La monitorización de la conexión a tierra de los bobinados del estator en un generador eléctrico puede proteger el generador de daños en casos donde el aislamiento del bobinado del estator o del sistema de conexión a tierra del estator presentan fallos de funcionamiento que pueden ocasionar una variedad de condiciones no deseables que pueden dañar el generador ylo el estator del generador incluyendo por ejemplo, condiciones de fallo de estator a tierra.

Sumario de la invención

Se revelan en la presente memoria, sistemas, procedimientos y dispositivo para detección de fallos de conexión a tierra de un generaclor eléctrico.

Los sistemas, procedimientos y dispositivo electrónico inteligente divulgado en la presente invención permiten detectar condiciones de fallo del estator a tierra e implementar una o más acciones que protejan al generador ylo al estator del generador de daños. En realizaciones de la presente invención, una señal de inyección se inyecta a un bobinado del estator. Usando dicha señal de inyección y una señal medida relativa a una corriente en la vía del estator a tierra, la ocurrencia de una condición de fallo del estator a tierra puede ser identificada. Usar la señal de inyección para determinar condiciones de fallo de estator a tierra como se describe en las realizaciones presentadas, permite una más precisa detección de condiciones de fallo y que el sistema diferencie las señales de inyección para la detección de fallos de las señales de funcionamiento normales del sistema de generación.

En una realización de la presente invención se proporciona un sistema de detección de fallos del bobinado del generador a tierra que comprende:

una primera fuente de inyección de señales en comunicación eléctrica con un primer bobinado de un primer generador de energia eléctrica por medio de un primer transformador de inyección, comprendiendo la primera fuente de inyección de señales un primer generador de señales para generaCión de una primera señal de inyección capaz de ser inyectada en el primer bobinado usando el primer transformador de inyección, estando acoplado el primer bobinado a tierra por medio de una primera via; y un modulo de protección en comunicación con la primera fuente de inyección de señales y

con el primer generador de energra eléctrica, el módulo de protección configurado para recibir la primera señal de inyección y una señal relacionada con la corriente a traves de la primera vía y para determinar la ocurrencia de una condición de fallo de bobinado a tierra basándose al menos en parte en la primera señal de inyección y la señal relacionada con la corriente a través de la primera vía, en el que la primera señal de inyección está configurada para permitir que el módulo de protección diferencie la primera señal de inyección de las señales resultantes del funcionamiento normal del primer generador de energía eléctrica.

En otra realización de la presente invención se proporciona un procedimiento para la detección de fallos de bobinado a tierra en un generador que comprende:

inyectar, por una fuente de inyección de señales que comprende un generador de señales en comunicación eléctrica con un bobinado de un generador de energía eléctrica por medio de un transformador de inyección, una senal de inyeCCión al bobinado usando el transformador de inyección, estando el bobinado acoplado a tierra por medio de una vía de bobinado a tierra; y

detectar, por un modulo de protección Eln comunicación con la fuente de señales de inyección y con el generador de energía elúctrica, la ocurrencia de una condición de fallo de bobinado a tierra basándose al menos en parte en la señal de inyección y en una señal relacionada con la corriente a través de la vía del bobinado a tierra, en el que la señal de inyección eS generada para permitir que el módulo de protección diferencie la señal de inyección de señales resultantes del funcionamiento normal del generador de energía eléctrica.

En otra realización de la presente invención se proporciona un dispositivo electrónico inteligente que comprende:

una salida de inyección configurada para ser acoplada a un bobinado de un generador; un procesador; un medio de almacenamiento legible por ordenador, que comprende: un modulo de inyección de seflales ejecutable sobre el procesador y configurado para generar una señal de inyección capaz de ser inyectada en el bobinado del generador por medio de la salida de inyección, estando ac'oplado el bobinado a tierra por medio de una vía; y un modulo de protección ejecutable sobre el procesador y configurado para recibir la señal

de inyección y una señal relacionada con la corriente a través de la vía y configurado para determinar la ocurrencia de una condición de fallo de bobinado a tierra basándose al menos en parte en la señal de inyección y en la señal relacionada con la corriente a través de la vía.

Breve descripción de los dibujos

Se describen realizaciones de la divulgación no limitativas y no exhaustivas, que incluyen varias realizaciones de la divulgación con rElferencia a las figuras, en las que:

La figura 1 ilustra un diagrama de bloques de una realización de un sistema que incluye un generador eléctrico que usa como toma de tierra un estator de alta impedancia que incluye inyección de tierra del estator y protección.

La figura 2 ilustra un diagrama de bloques de un sistema que incluye un generador eléctrico que usa como toma de tierra un estator de alta impedancia que incluye inyección de toma de tierra del estator y protección.

La figura 3 ilustra un diagrama de bloques de una realización de un sistema que incluye un generador eléctrico que usa como toma de tierra un estator de alta impedancia que incluye inyección de toma de tierra y protección.

La figura 4 ilustra un diagrama de bloques simplificado del sistema ilustrado en la figura 2.

l a figura 5 ilustra señales de inyección que pueden ser usadas por un dispositivo electrónico inteligente para detectar condiciones de fallo de estator a tierra.

la figura 6 ilustra una señal de inyección senoidal múltiple de Schoreder.

la figura 7 ilustra un diagrama de bloques de una realización de un sistema que incluye un generador eléctrico que tiene inyección de toma de tierra del estator y protección que usa una fuente de inyección de forma de onda variable.

la figura 8 ilustra un diagrama de bloques de una realización de un dispositivo electrónico inteligente configurado para generar una s'eñal de entrada de inyección y para monitorizar

un generador para condiciones de fallo de estator a tierra.

La figura 9 ilustra un diagrama de un dis·positivo electrónico inteligente configurado para monitorizar y proteger un sistema que incluye múltiples generadores, de fallos de estator a tierra.

Descripción detallada

Las realizaciones de la divulgación se entenderán mejor con referencia a los dibujos. Se entenderá fácilmente que los components de las realizaciones divulgadas, tal como se descrien y se ilustran en las figuras de la presente divulgación, podrfan disponerse y diseñarse con diferentes configuraciones. Por lo tanto, la siguiente descripción detallada de los sistemas y procedimientos de la divulgación no se pretende que limiten el ámbito de la divulgación reivindicado, sino que es merarnente representativa de posibles realizaciones de la divulgación, Además, las etapas de un procedimiento no tienen que ser ejecutadas necesariamente en orden específico alguno, ni incluso sucesivamente, ni las etapas tienen que ser ejecutadas solamente una vez, salvo que se especifique otra cosa.

En algunos casos, no se muestran ni se describen en detalle estructuras u operaciones muy conocidas. Además, los aspectos, estructuras u operaciones descritos pueden combinarse de cualquier manera adecuada en una o más realizaciones. Se entenderá también fácilmente que los componentes de las realizaciones descritas e ilustrada generalmente en las figuras de la presente divulgación pCldrían disponerse y diseñarse con una amplia variedad de configuraciones diferentes.

Varios aspectos de las realizaciones descritas serán ilustrados como módulos o componentes de software. Según su u~)o en la presente divulgación , un módulo o componente de software puede incluir cualquier tipo de instrucción de ordenados o código ejecutable en ordenador localizado dentro de un dispositivo de memoria que es operable en conjunción con el hardware adecuado para implementar las instrucciones programadas. Un módulo o componente de software puede comprender, por ejemplo, uno o más bloques fisicos o lógiCOS de instrucciones de ordenador, que pueden estar organizados como rutina, programa, Objeto, componente, estructura de datos, etc., que realiza una o más tareas o implementan tipos de datos abstractos espe!ciales.

En ciertas realizaciones, un módulo o componente de software concreto puede comprender instrucciones diferentes almacenadas en diferentes ubicaciones de un dispositivo de

memoria, que implementan conjuntamente la funcionalidad descrita del módulo. Por supuesto, un modulo o componente puede comprender una sola instrucción o muchas instrucciones, y puedes estar distribuidas en varios segmentos de código diferentes, entre programas diferentes, y a través de varios dispositivos de memoria. Algunas realizaciones pueden ser practicadas en un entorno informático distribuido donde las tareas son realizadas por un dispositivo de proceSio remoto enlazado a través de una red de comunicaciones. En un entorno informátk:o distribuido. Los módulos o componentes de software pueden estar ubicados en modules o componentes de software pueden estar ubicados en dispositivos de almacenamiento memoria local y/o remota. Ademas, los datos que están conectados o unidos entre si en un registro de base de datos pueden ser residentes en el mismo dispositivo de memoria, o a través de varios dispositivos de memoria, y pueden estar conectados entre si en campos de un registro de una base de datos a través de una red.

Se pueden plasmar realizaciones como un producto de programa de ordenador que incluye un medio legible en máquina no transitorio que tiene, almacenadas en el mismo, instrucciones que pueden ser usadas para programar un ordenador (u otro dispositivo electrónico) para realizar procesos descritos en la presente divulgación. El medio legible en máquina no transitorio puede incluir pero no se limita a, discos duros, disquetes, discos ópticos CO-ROMs, OVO-ROMs, ROMs, RAMs, EPROMs, EEPROMs, tarjetas magnéticas u ópticas, dispositivos de memoria de estado sólido, u otros tipos de medio legible en máquina adecuados para almacenamiento de instrucciones electrónicas.

La figura 1 ilustra un diagrama de bloques de una realización de un sistema 100 que incluye un generador eléctrico que usa conexión .3 tierra de un estator de alta impedancia y que incluye inyección y protección de conexión a tierra del estátor. Aunque varias realizaciones divulgadas en la presente divulgación incluyen bobinados del generador integrados en un estator; se contemplan también bobinados del generador integrados en un rotor. El generador incluye tres bobinados 102A, 1028, Y 102C de estátor, cada uno de los cuales está acoplado al nodo 104. El nodo 104 puede ser acoplado a la conexión a tierra por medio de un resistor 106 que tiene una resistencia Rn. De acuerdo a algunas realizaciones, una vía de fallo de estator a tierra que tiene una resistencia de vía equivalente R¡ puede ser usada en la determinación de la ocurrencia de la condición de fallo de conexión a tierra del estátor. La vía 108 de fallo del estator a tierra se muestra en lineas discontinuas para indicar que la vía de fallo estator a tierra no es un componente real del sistema 100, sino que más bien representa una resistencia eléctrica equivalente de una vía entre el estator y tierra.

De acuerdo a realizaciones divulgadas en la presente divulgación, el sistema 100 puede incluir un lEO 11 0 configurado para monitorizar y proteger el generador. El lEO 100 puede incluir una fuente 11 2 de inyección que está configurada para inyectar una señal eléctrica a través del resistor 106 por medio de un transformador 114. En algunas realizaciones, la fuente 11 2 de inyección puede estar config.urada además para emitir la señal eléctrica a un módulo 116 de protección, que esta confi!~urado para monitorizar la impedancia de la vía 108 de fallo del estator a tierra. El modulo 116 de protección puede estar configurado también para recibir una señal eléctrica emitida por el transformador 118 de corriente asociado al paso de corriente desde fa pluralidad de bobinados 102A, 102 B, Y 102C del estalor. Sobre la base de las señales recibidas por el módulo 116 de protección, la ocurrencia de una condición de fallo de un estator a tierra puede ser detectada y la acción protectora puede ser adoptada para prevenir daños al generador.

la figura 2 ilustra un diagrama de bloques de una realización de un sistema 200 Que incluye un generador eléctrico que usa la conexión a tierra de un estalor de alta impedancia que incluye inyección de tierra del estator y protección. El generador del sistema 200 puede incluir una pluralidad de bobinados 202A, 202B, Y 202C del estátor, cada uno de los cuales es acoplado al nodo 204. El nodo 204 pue(je ser acoplado a la vía de conexión a tierra por medio de un lado de alto voltaje de un trélOsformador 214. Un resistor 206 que tiene una resistencia de Rl puede ser acoplado a través de un lado de bajo voltaje del transformador

214. De acuerdo con algunas realizaciones, una vía 208 de fallo de estator a tierra que tiene una resistencia de Rf puede ser usada en la determinación de la ocurrencia de una condición de fallo de la conexión a tierra de·1 estator. la vía 208 de fallo de de la conexión a tierra del estátor a tierra se muestra en líneas discontinuas para indicar que la vía de fallo de estator a tierra no es un componente real del sistema 200, sino que más bien representa una resistencia eléctrica equivalente de una vía entre el estator y tierra.

El sistema 200 puede incluir un lEO 210 configurado para monitorizar y protege el generador. El lEO 210 puede incluir una fuente 212 de inyección que está configurada para inyectar una señal eléctrica a través de la via del estator a tierra por medio del transformador 214_ En algunas realizaciones, la fuente 212 de inyección puede estar configurada además para emitir la señal eléctrica a un módulo 216 protección configurado para monitorizar la impedancia equivañente de la vía 206 del estátor a tierra. El módulo 216 de protección puede estar configurado también para recibir una señal eléctrica emitida por el transformador 218 de corriente asociado al paso de corriente desde los bobinados del estator a tierra. Sobre la base de las ser'iales recibidas por el módulo 216 de protección, se puede detectar la ocurrencia de una condición de fallo de un estator a tierra y se puede adoptar la acción protectora para prevenir fallos al generador del sistema 200.

La figura 3 ilustra un diagrama de bloques eje una realización de un sistema 300 que incluye un generador eléctrico que usa la conexión a tierra del estator de alta impedancia que incluye inyección a tierra del estator y protl3cción. El generador puede incluir una pluralidad de bobinados 302A, 3028, Y 302e de estator, cada uno de los cuales se acopla al nodo 304. En algunas realizaciones, una vía 308 de fallo que tiene una resistencia RI puede ser usada en la determinación de la ocurrencia de una condición de fallo de de la conexión a tierra del est~Hor. La vía 308 de fallo del estator a tierra se muestra con lineas discontinuas para indicar que la vía de fallo del estator a tierra no es un componente real del sistema 100, sino que más bien representa una resistencia eléctrica equivalente de una vfa entre el estator y tierra.

De acuerdo con algunas realizaciones, el sistema 300 puede incluir un lEO 310 configurado para monitorizar y proteger el generador. El lEO 310 puede incluir una fuente 312 de inyección configurada para inyectar una serial eléctrica a través de los bobinados del estator del generador 302A, 3028, Y 302e por mE~dio del transformador 314. Un resistor 306 que tiene una resistencia Rl puede ser acoplado a través de un lado de bajo voltaje del transformador 314. En algunas realizaciones, la fuente 312 de inyección puede estar configurada además para emitir la señal eléctrica a un modulo 316 de protección configurado para monitorizar la impedancia de fugas de los bobinados del estátor. El módulo 316 de protección puede ser configurado también para recibir una señal eléctrica emitida por un transformador 318 de corriente asociado al paso de corriente desde los bobinados del estator a tierra. Basándose en las señales recibidas por el módulo 316 de protección, puede ser determinada la ocurrencia de una condición de fallo de un estátor a tierra y se puede adoptar la acción protectora para prevenir daños al generador.

La figura 4 ilustra un diagrama de bloques de una realización de un sistema 400, que incorpora ciertos componentes también ilustrados en la figura 2. por facilidad de referencia, dichos componentes de la figura 4 que también se muestran en la figura 2 están designados con los mismos números de referencia, También pueden ser aplicados principios similares a los sistemas 100 y 300, que están ilustrados en la figura 1 yen la figura 3, respectivamente.

EIIED 410 puede incluir una fuente de inyección que incluye una fuente 402 de corriente y

una resistencia 404 de la fuente. La fuente 402 de corriente puede inyectar una señal eléctrica a través de la vía 208 de fallo del Hstator a tierra que tiene una resistencia RI'

En ausencia de una condición de fallo de estátor a tierra, la via 208 de fallo del estator a tierra tendrá una impedancia equivalente a alta resistencia, sin embargo, cuando se produce una condición de fallo del estalor a tierra, lél relación del voltaje VL a través del resistor 206 a la corriente Il será proporcional a la resistencia Rr de la vía 208 de fallo del estator a tierra de acuerdo con la ecuación (1).

En la ecuación (1), N es la proporción de bobinado del transformador 214.

El voltaje Vl a través del transformador 214 y del resistor 206 puede ser medido a través de un divisor del voltaje resistivo que incluye los resistores 408 y 410 que tienen una proporción DR calculada de acuerdo con la ecuación (2).

En la ecuación (2), R1 es la resistencia del resistor 408 acoplado entre un primer terminal de la fuente 416 de inyección y el módulo 216 de protección, y R2 es la resistencia del resistor 410 acoplado entre un segundo terminal de la fuente 416 de inyección y el módulo 216 de protección.

Sobre la base de un voltaje VR medido a través del resistor R2 y de una corriente IR medida por el transformador 218 de corriente, la resistencia del fallo Rr a través de la vía 208 de estator a tierra puede ser calculada por el módulo 216 de protección de acuerdo con la ecuación (3):

En la ecuación (3) N es la proporción del bobinado del transformador 214 y n es la

proporción del bobinado del transformador 218 de corriente.

Oe acuerdo con realizaciones divulgadas en la presente divulgación, comparando la impedancia equivalente de la via 208 de fallo del estator a tierra con una resistencia específica, se puede detectar la ocurrencia de una condición de fallo de estator a tierra. En algunas realizaciones, si la impedancia equivalente de la vía 208 de fallo del estator a tierra está por debajo de un umbral especificado (es decir, indicando un fallo de estátor a tierra), en ese caso, el módulo 216 de protección detectara una condición de fallo y señalará a un lEO consecuentemente. En respuesta a la señal del modulo 216 de protección, el lEO puede tomar acciones para proteger el generador del sistema 200 de daños tales como, por ejemplo, iniciar una alarma, establecer una salida de contacto, señalizar a un seccionador para cambiar de estado, o similares.

En algunas realizaciones, el lEO 410 pUl:!de adoptar acciones a diferentes umbrales de resistencia Rr del fallo detectado. Por ejemplo, si la resistencia Rr del fallo detectado está por debajo de un primer umbral especificado, en ese caso el lEO 410 puede adoptar una primera acción (por ejemplo, inicio de una alarma visual, una alarma de audio, o similares) que continúa durante un espacio de tiempo especificada o no especificado. Si la impedancia equivalente de la vía 208 de fallo del esté:¡tor a tierra cae por debajo un segundo umbral especificado, en ese caso el lEO puede adoptar una segunda acción, que puede incluir la emisión de una señal de desconexión para detener el funcionamiento del generador del sistema 200. En algunas realizaciones, la segunda acción puede no comenzar hasta haya pasado un tiempo especificado asociado con la primera acción.

En algunas realizaciones, la fuente 402 de' corriente puede inyectar una señal modulada a 20 Hz. Va que los generadores eléctricc)s operan a una frecuencia de funcionamiento nominal de 50 Hz o 60 Hz, el módulo 2'16 de protección puede diferenciar la señal de inyección de 20 Hz de señales resultantes de la frecuencia de funcionamiento normal de un generador 400 que opera a por ejemplo, 50 Hz o 60 Hz. Durante el inicio (o ascenso), la frecuencia de fun cionamiento del generador puede variar entre O Hz y la frecuencia de funcionamiento nominal. Consecuentemente, durante el inicio, la frecuencia de funcionamiento real puede estar próxima a la frecuencia de una señal de inyección de 20 Hz (es decir, 10 Hz a rO Hz durante el ascenso).

Oe acuerdo con realizaciones divulgadas en la presente divulgación, la protección contra condiciones de fallo de estator a tierra durante el inicio se puede lograr usando señales de inyección que puedan ser diferenciadas de las señales de funcionamiento normales del generador. La figura 5 ilustra señales de inyección que pueden ser usadas por un lEO para detectar condiciones de fallo del estator a tierra. Las salidas de señales de inyección de una fuente de inyección se pueden diseñar para permitir que un módulo de protección diferencie la señal de inyección de las señales de funcionamiento normal del generador. Dichas señales pueden incluir, por ejemplo, una sl3ñal 500 de variación rápida o chirrido (del inglés "chirp signal"), una señal 502 senoidal mliltiple de Schroeder, una seríal 504 de sucesión binaria de longitud máxima (MLBS), una :señal 506 de ruido, ylo una señal 508 de ruido explosivo (del inglés "burst noise").

En una realizacin que usa la señal 502 senoidal múltiple de Schroeder como seríal de inyección, la señal puede ser generada de acuerdo con la ecuación (4).

,.

X= ¿:AcoS(2'!fK1+?K )

K.'

En la ecuación (4), fk = k·fo (es decir, las frecuencias del componente), fo es el paso de

frecuencia (es decir, resolución), y ,pI: = K(K'I}n-, es decir, las fases componentes

F

individuales)

Seleccionando u omitiendo los componentes de frecuencias individuales, modificando su amplitud, y modificando su fase, se puede !lenerar una señal senoidal múltiple de Schroeder e inyectarla a un lEO para distinguir mejor la sei'lal inyectada de otras señales de funcionamiento del generador durante el inicio. Por ejemplo, una sei'lal senoidal múltiple de Schroeder puede ser inyectada teniendo un periodO de señal (es decir, 11fo) de 0.2 s y componentes de frecuencia separados 5 Hz. En algunas realizaciones, el establecimiento de frecuencias puede ser seleccionado de manera tal que ninguna esté relacionada armónicamente con la frecuencia de funcionamiento nominal del generador. Por ejemplo, si un generador tiene una frecuencia de funcionamiento nominal de 50 Hz, un conjunto de componentes de frecuencias seleccionados (fk) puede incluir 15 Hz, 20 Hz, 35 Hz, Y 40 Hz (es decir, ninguna de las cuales puede ser relacionada arm6nicamente con la frecuencia de funcionamiento nominal de 50 Hz). Una señal senoida1 múltiple de Schroeder que tenga dichos componentes de frecuencia de 5, 20, 25, Y 40 Hz está ilustrada en la figura 6. En ciertas realizaciones, la señal inyectada puede tener un promedio pequeño de picos de señal (es decir, relación de pico a proporción promedio) lo que permite el uso de la fuente de inyección en un rango dinámico. Adem{¡s, en algunas realizaciones, se pueden usar técnicas de optimización no lineal alguna para reducir la relación de pico a proporción promedio de una señal que tiene una combinación dada de componentes de frecuencia seleccionados.

La figura 7 ilustra un diagrama de bloques de una realización de un sistema 700 que incluye un generador eléctrico que tiene inyección de conexión de estator a tierra y protección , que usa una fuente 712 de inyección de forma de onda variable. El generador del sistema 700 puede incluir una pluralidad de bobinados 702A, 7028, Y 702C de estátor, cada uno de los cuales es acoplado a un nodo 704. El nodo 704 puede ser acoplado a tierra por medio de un lado de alto vOltaje de un transformador "114. Un resistor 706 con una resistencia de RL puede ser acoplado a través de un lado de bajo voltaje del transformador 714. De acuerdo con algunas realizaciones, se puede usar una vía 708 de fallo de estator a tierra que tenga una resistencia equivalente de R, para determinar la ocurrencia de una condición de fallo de estator a tierra. La vía 708 de fallo de estator a tierra se muestra con líneas discontinuas para indicar que la vía de fallo de estator a tierra no es un componente real del sistema 100, sino que más bien representa una resistencia eléctrica equivalente de una vía entre el estator y tierra.

En algunas realizaciones, el sistema 700 puede incluir un lEO 710 configurado para monitorizar y proteger el generador del sistema 700. El lEO 710 puede incluir una fuente 712 de inyección de forma de onda variable configurada para inyectar una señal eléctrica a través de la vía de estator a tierra por medio del transformador 714. En algunas realizaciones, la fuente 712 de inyección de forma de onda variable puede ser configurada además para emitir la señal eléctrica inyectada a un módulo 716 de protección, que es configurado para monitorizar la impedancia de la via 708 de estator a tierra. El módulo 716 de protección puede ser configurado también para recibir una señal eléctrica emitida por el transformador 718 de corriente asociado al paso de los bobinados del estator a tierra. Sobre la base de las señales recibidas por el módulo 716 de protección, de puede determinar la ocurrencia de una condición de fallo de un estator a tierra y se puede adoptar la acción de protección para prevenir daños al generador y/o al sistema 700.

En algunas realizaciones, la fuente 712 dE! inyección de forma de onda variable puede ser capaz de generar una pluralidad de formas de onda de señal de inyección tales como, por ejemplo, las formas de onda de señal ilustradas en las figuras 5 y 6. Como se ilustra en la figura 7, la fuente 712 de inyección de forma de onda variable puede ser modelada como una pluralidad de fuentes de corriente conectadas en paralelo (por ejemplo, en el caso de que se seleccionen un conjunto de múltiples frecuencias componentes), cada una con su propia frecuencia de señal seleccionada independientemente. Cambiando el número de fuentes de corriente y sus respectivas frecuencias y/o amplitudes de salida en la fuente 712 de inyección de forma de onda variable, se puede también cambiar y/o optimizar la forma de onda de la señal En algunas realizaciones, la señal inyectada puede ser optimizada sobre la base de los parámetros específicos del generador del sistema 700 protegido por el lEO 710 tal como, por ejemplo, la frecuencia de funcionamiento nominal del generador.

La figura 8 ilustra un diagrama de bloque~s de una realización de un lEO 800 configurado pata generar una señal de entrada de inyección y para monitorizar un generador (no mostrado) para detectar condiciones de fallo del estator a tierra. Como se ilustra, el lEO 800 puede incluir una fuente 808 de energía eléctrica aislada configurada para suministrar una señal de inyección a una salida 838 de in)Iección de energía eléctrica recibida de la fuente de alimentación independiente. En algunas realizaciones, la fuente 808 de energía eléctrica aislada puede estar configurada para suministrar la senal de inyección aún cuando el generador no esté en funcionamiento. La fuente 808 de energía eléctrica aislada puede estar configurada mejor para suministrar energía eléctrica a una unidad de proceso central (CPU) 822.

En ciertas realizaciones, la CPU 822 puede incluir un procesador que, en varias realizaciones, puede comprender uno o más microprocesadores, disposiciones de compuertas programables en campo (FPGAs) , aplicación de circuitos integrados especificos (ASICs), y similares, configurados para eje:cutar instrucciones electrónicas almacenadas en un medio legible por ordenador en comunicación electrónica con la CPU 822. La CPU 822 puede ejecutar uno o más módulos funcionales que incluyen , por ejemplo, un módulo 824 generador de señales de entrada, un módulo 826 de protección y/o un módulo 842 de control. En algunas realizaciones, el modulo 824 generador de señales de entrada puede estar configurado para generar un señal dj~ inyección emitida al generador del lEO 800 por medio de la salida 838 de inyección. Especialmente, el modulo 824 generador de señales de entrada puede dirigir un convertidor de digital a analógico (OAC) 814 acoplado a la CPU 822 por medio de un circuito intermedio de aislamiento (ISO) 818 para salida de una señal de inyección analógica. En ciertas realizaciones, la salida de la senal de inyección analógica por el DAC 814 puede ser amplificada por un amplificador 812 (por ejemplo, amplificador de banda ancha, un amplificador da clase D, y/o un amplificador de al1a eficiencia) que puede recibir energia eléctrica de la fuente 808 de energía eléctrica.

La corriente de salida de la señal de inyección del amplificador 812 puede ser muestreada por un convertidor de analógico a digital (.l\DC) 816 por medio de un transformador 810 de corriente. Ademas, el voltaje de salida de la señal de inyección del amplificador puede ser muestreado por el ADC 816 por medio de un divisor resistivo que incluye resistores 802, 804, Y 806. Ademas, la corriente de paso de los bobinados del estátor del generador a tierra puede ser recibida por el IED 800 de transformadores de corriente (por ejemplo, transformadores 120, 220, Y 320 de corriente ilustrados en las figuras 1-3, respectivamente) a una entrada 840 de corriente del estatal' y muestreada por el ADC 816. En respuesta a estas entradas, el ADC 816 puede suministrar información relativa a la corriente y voltaje de salida de la señal de inyección muestreada así como la corriente de estator a tierra muestreada a la CPU 822. En algunas realizaciones, la información suministrada a la CPU 822 del ADC 816 puede ser enrutada por medio de un ISO 820.

De acuerdo con algunas realizaciones, un módulo 826 de protección ejecutado por la CPU 822 puede usar la información suministrada por el ADC 816 en conjunción con la información relativa a las proporciones die bobinado del transformador, proporciones de bobinado del transformador de corriente, y resistencias de los resistores 802-806 para calcular la impedancia equivalente de una \/ía de fallo del estator a tierra usando la ecuación

3. Comparando la impedancia equivalente con una resistencia especificada, se puede detectar la ocurrencia de una condición de fallo de estator a tierra. Como se expuso anteriormente, si la impedancia equivalente de una vía de fallo de un estator a tierra está por debajo de un umbral especificado (es decir, que indica un fallo del estator a tierra), en ese caso el módulo 826 de protección puede adoptar acciones para proteger el generador de daños tales como, por ejemplo, inicio de una alarma, establecer un contacto de salida, actuación de un seccionador, o similares.

En algunas realizaciones, el modulo 826 de protección puede recibir información del módulo 824 generador de señales de entrada, relativa a la señal de inyección. El análisis de las señales muestreadas por el DAC 814 y el ADC 816 se puede realizar usando un transformador de Fourier discreto, a lo lamo del filtro de Cosine, u otros filtros de longitud igualo próxima al periodo de la señal (1/fO) ..

En algunas realizaciones, la CPU 822 pUE!de ejecutar un módulo 842 de control, que está configurado para facilitar la comunicaciÓn con el lEO 800 (por ejemplo, por medio del protocolo lEC 61850, Estándar de Ethernet, SONET, o similares). En algunas realizaciones, el modulo 842 de control puede dirigir el IED 800 u otro aparato acoplado comunicativa mente al lEO 800 para adoptar la acción de protección para proteger el generador de daños cuando es detectado un fallo de estator a tierra por el módulo 826 de protección.

5 El lEO BOO puede interactuar con otros dispositivos del sistema de energía eléctrica por medio de una o más entrada/salida de datos (110) 828~836. Por ejemplo, el lEO 800 puede incluir interfaces 828-830 de fibra óptica, interfaces 832 de 110, y puertos 834-836 de Ethernet que, en algunas realizaciones puede usar fibra Ethernet. En algunas realizaciones, las entradas/salidas de datos 828-836 pueden interactuar con el lEO 800 con un dispositivo

10 interfaz de máquina humana (HMI), un ordenador portátil, un ordenador de escritorio, un sistema de control de supervisión y adquisición de datos del sistema (SCAOA), un sistema de control y situación de area amplia 0NCSA) o cualquier otro sistema similar. Las 1I0s de datos pueden ser acopladas comunicativa mente a la CPU 822.

15 En algunas realizacione s, la CPU 822 pUE!de ejecutar un módulo 842 de control, que está configurado para facilitar la comunicación con el lEO 800 (por ejemplO por medio del protocolo lEC 61850, estándar de Ethernet, SONET, o similares). En algunas realizaciones, el módulo 842 de control puede hacer que el lEO 800 u otro aparato acoplado comunicativamente al lEO 800 adopten acciones de protección del generador de daños

20 cuando un fallo de estator a tierra es detectado por el módulo 826 de protección.

La figura 9 ilustra una realización de un sistema 900 configurado para monitorizar y proteger múltiples generadores 902 y 904 de fallos del estator a tierra. Como se ilustra, los generadores 902 y 904 pueden ser acoplados a un transformador 906 (por ejemplo, un 25 transformador elevador) que, en algunas realizaciones, puede estar integrado en una configuración de estrella en della. Los bobinados del estátor de los generadores 902 y 904 pueden ser acoplados a tierra por resistores 912 y 916, respectivamente. Además, pueden ser acoplados los seccionadores 908 y 910 entre los generadores 902 y 904, respectivamente, y el transformador 906 de ampliación. En algunas realizaciones, los

30 seccionadores 908 y 910 pueden ser activados por instrucciones generadas por el módulo 930 de control.

De acuerdo con realizaciones diVUlgadas Eln la presente divulgación, el sistema 900 puede incluir un lEO 924 configurado para generar una o más señales de entrada de inyección y 35 monitorizar los generadores 902 y 904 pam prevenir condiciones de fallo de estátor a tierra. Un generador 926 de señales de entrada incluido en el lEO 924 puede estar configurado

para generar una o más señales (por ejemplo, señal senoidal múltiple de Schroeder) inyectadas al generador 926 de señales de entrada por medio de transformadores 914 y 918 para monitorización de los generadores 902 y 904, respectivamente. El generador 926 de se~ales de entrada puede emitir la señal de entrada a un módulo 928 de protección incluido en el lEO 924 para su uso en la detección de fallos de estalor a tierra en los generadores 902 y 904. El modulo 928 de protección puede ser configurado para recibir información de corriente de estator a tierra de los transformadores 920 y 922 de corriente.

Basándose en la señal inyectada, los datos: de los transformadores 920 y 922 de corriente y los parámetros del dispositivo conocidos, el módulo 928 de protección puede detectar la ocurrencia de condiciones de un fallo del estator a tierra y adoptar acciones de protección para prevenir daños a los generadores 902 y 904. En algunas realizaciones, el modulo 928 de protección ilustrado en la figura 9 puede ser configurado además para determinar cual de los generadores 902 y 904 está experimentando un fallo del estator a tierra. En dichas realizaciones, puede ser generada e inyectada una diferente señal de inyección por el generador 926 de señales de entrada a cada uno de los generadores 902 y 904. Por ejemplo, el generador 926 de señales de entrada puede ser configurado para generar una señal senoidal múltiple de Schroeder usando cuatro frecuencias discretas y dos frecuencias de salida para cada uno de los transformadores 914 y 918 de inyección. Basándose en estas señales inyectadas diferentes, el módulo 928 de protección puede determinar cual de los generadores 902 o 904 está presentando una condición de fallo de estator a tierra usando, por ejemplo, un planteamiento de cero secuencia .

En ciertas realizaciones, los datos de los transformadores 920 y 922 de corriente, que incluyen niveles de corriente medidos, pueden ser comparados por el módulo 928 de protección para cada una de una pluralidad de frecuencias de señal inyectadas. El nivel de corriente a una detenninada frecuencia puede ser proporcional a la distancia al fallo desde una fuente de inyección dada. En algunas realizaciones. cuando no hay fallo alguno, los niveles de corriente medidos pueden ser similares. Basándoseen esta relación, el modulo 928 de protección puede comparar los niveles de corriente medidos para determinar información relativa a la ubicación de un fallo.

Pueden hacerse muchos cambios a los detalles de las realizaciones antes descritas sin salir de los principios subyacentes de esta divulgación. Por la tanto, el ámbito de la presente invención estaría determinado solamente por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de detección de fallos del bobinado de un generador a tierra, caracterizado porque comprende:

una primera fuente de inyección de señales en comunicación eléctrica con un primer bobinado de un primer generador de energía eléctrica por medio de un primer transformador de inyección, comprendiendo la primera fuemte de inyección de sef'lales un primer generador de señales para generación de una primeré:1 señal de inyección capaz de ser inyectada en el primer bobinado usando el primer transformador de inyección, estando acoplado el primer bobinado a tierra por medio de una primera vía; y

un modulo de protección en comunicación con la primera fuente de inyección de seriales y con el primer generador de energía eléctrica, el módulo de protección configurado para recibir la primera señal de inyección y una señal relacionada con la corriente a través de la primera vía y para determinar la ocurrencia de una condición de fallo de bobinado a tierra basándose al menos en parte en la primer;;1 señal de inyección y la señal relacionada con la corriente a través de la primera vía,

en el que la primera señal de inyección estii configurada para permitir que el módulo de protección diferencie la primera señal de inlfección de las señales resultantes del funcionamiento normal del primer generador de energía eléctrica.
2.

El sistema de la reivindicación 1, caracterizado porque la primera fuente de inyección es una fuente de forma de onda variable.
3.

El sistema de la reivindicación 1. caracterizado porque la primera señal de inyección comprende una señal aleatoria.
4.

El sistema de la reivindicación 1, caracterizado porque la primera señal de inyección comprende una señal senoidal múltiple.
5.

El sistema de la reivindicación 4, caracterizado porque la señal senoidal múltiple comprende un subconjunto seleccionado de frecuencias.
6.

El sistema de la reivindicación 5, caracterizado porque el subconjunto seleccionado de frecuencias comprende frecuencias que no están asociadas armónicamente a una frecuencia de funcionamiento nominal del generador.
7.

El sistema de la reivindicación 4, caracterizado porque la serial senoidal múltiple es una señal senoidal múltiple de Schroeder.
8.

El sistema de la reivindicación 1, caracterizado porque la primera señal de inyección comprende múltiples frecuencias.
9.

El sistema de la reivindicación 1, caracterizado porque el módulo de protección está configurado para adoptar una acción para proteger el generador de energía eléctrica de daños cuando se detecta la ocurrencia de una condición de fallo de bobinado a tierra.
10.

El sistema de la reivindicación 1, caraCÍlerizado porque:

la primera fuente de inyección de señal está en comunicación eléctrica con un segundo bobinado de un segundo generador de energía eléctrica por medio de un segundo transformador de inyección,

el primer generador de señales de la primera fuente de inyección de señales está configurado para generar una segunda señal de inyección capaz de ser inyectada en el segundo bobinado usando el segundo tr:ansformador de inyección, estando el segundo bobinado acoplado a tierra por medio de una segunda vía, y

el modulo de protección está en comunicación con el segundo generador de energía eléctrica y está configurado para recibir la segunda señal de inyección y una señal relacionada e.Dn la corriente a través de la segunda vía y para determinar la ocurrencia de una condición de fallo de bobinado a tierra basado al menos en parte en la segunda señal de inyección yen la señal relacionada con la corriente a través de la segunda via.
11.

El sistema de la reivindicación 10, caracterizado porque el módulo de protección está configuradO además para determinar cuál de entre el primero y el segundo bobinados está experimentando una condición de fallo de bobinado a tierra.
12.

El sistema de la reivindicación 1, caract,erizado porque comprende además:

una segunda fuente de inyección de señales en comunicación eléctrica con un segundo bobinado de un segundo generador de energía eléctrica por medio de un segundo transformador de inyección, comprendiendo la segunda fuente de inyección de señales un

5 segundo generador de señales configurado para generar una segunda señal de inyección capaz de ser inyectada en el segundo bobinado usando el segundo transformador de inyección, estando acoplado el segundo bolbinado a tierra por medio de una segunda vía,

en el que el modulo de protección está len comunicación con el segundo generador de

10 energía eléctrica y está configurado para recibir la segunda señal de inyección y con una señal relacionada con la corriente a través de la segunda vía y para determinar la ocurrencia de una condición de falio de bobinado a tierra basado al menos en parte en la segunda señal de inyección yen la señal relacionada con la corriente a través de la segunda via, y

15 en el que el primero y el segundo generadores de energía eléctrica están conectados a un transformador en paralelo.
13. El sistema de la reivindicación 12, caracterizado porque el sistema comprende además un puerto de comunicaciones y un procesador en comunicación con el puerto de

20 comunicaciones, en el que el modulo de protección y un módulo de comunicaciones son ejecutados por el procesador.
14. El sistema de la reivindicación 12, caraGterizado porque la primera señal de inyección es diferente de la segunda señal de inyección.
15. Un procedimiento para la detección de fallos de bobinado a tierra en un generador caracterizado porque comprende:

inyección, por una fuente de inyección de señales que comprende un generador de señales

30 en comunicación eléctrica con un bobinado de un generador de energía eléctrica por medio de un transformador de inyección, de una señal de inyección al bobinado usando el transformador de inyección, estando el bobinado acoplado a tierra por medio de una vía de bobinado a tierra; y

35 detección, por un modulo de protección en comunicación con la fuente de señales de inyección y con el generador de energía eléctrica, de la ocurrencia de una condición de fallo de bobinado a tierra basándose al menos en parte en la señal de inyección y en una señal relacionada con la corriente a través de la vra del bobinado a tierra,

en el que la señal de inyección es generada para permitir que el módulo de protección diferencie la señal de inyección de señales resultantes del funcionamiento normal del generador de energía eléctrica.
16.

El procedimiento de la reivindicación 1 ~5, caracterizado porque la fuente de inyección es una fuente de forma de onda variable.
17.

El procedimiento de la reivindicación 15, caracterizado porque la señal de inyección comprende una señal similar a ruido.
18.

El procedimiento de la reivindicación 15, caracterizado porque la seiial de inyección comprende una señal senoidal múltiple.
19.

El procedimiento de la reivindicación 1 a, caracterizado porque la señal senoidal múltiple comprende un subconjunto seleccionado dl~ frecuencias.
20.

El procedimiento de la reivindicación 19, caracterizado porque el subconjunto seleccionado de frecuencias comprende frecuencias que no están relacionadas armónicamente con una frecuencia de funcionamiento nominal del generador.
21.

El procedimiento de la reivindicación 19, caracterizado porque la señal senoidal múltiple es una señal senoidal múltiple de SchroedE~r.
21.

El procedimiento de la reivindicación 14, caracterizado porque la señal de inyección comprende múltiples frecuencias.
22.

El procedimiento de la reivindicación 2.1, caracterizado porque el módulo de protección está configurado para detectar una condición de fallo de bobinado a tierra usando las múltiples frecuencias.
23.

El procedimiento de la reivindicación 14, caracterizado porque la detección de una condición de fallo de bobinado a tierra incluye la medición de la impedancia de la vía de bobinado a tierra.
24.

El procedimiento de la reivindicación 14, caracterizado porque el procedimiento comprende además la adopción de una acción para proteger el generador de energia eléctrica de daños cuando es detectada una condición de fallo de bobinado a tierra.
25.

Un dispositivo electrónico inteligente caracterizado porque comprende:

una salida de inyección configurada para ser acoplada a un bobinado de un generador;

10 un procesador;

un medio de almacenamiento legible por ordenador, que comprende:

un modulo de inyección de señales ejecutable sobre el procesador y configurado para 15 generar una señal de inyección capaz de de ser inyectada en el bobinado del generador por medio de la salida de inyección, estando acoplada el bobinado a tierra por medio de una vía;

y

un modulo de protección ejecutable sobre el procesador y configurado para recibir la señal

20 de inyección y una señal relacionada con I,a corriente a través de la vía, y configurado para determinar la ocurrencia de una condición de fallo de bobinado a tierra basándose al menos en parte en la señal de inyección y en la señal relacionada con la corriente a través de la vía.