ES2454045B2

ES2454045B2 - Sistema y método de localización de defectos a tierra en devanados estatóricos de máquinas síncronas puestas a tierra mediante una impedancia de elevado valor.

Info

Publication number: ES2454045B2
Application number: ES201331852A
Authority: ES
Inventors: Carlos Antonio Platero Gaona; Francisco Rafael BLÁNQUEZ DELGADO; Emilio Rebollo López
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-03-23
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: ES2454045A1

Abstract

Sistema y método de localización de defectos a tierra en devanados estatóricos de máquinas síncronas puestas a tierra mediante una impedancia de elevado valor.#La presente invención está dirigida a un método de localización de defectos a tierra en el estator de una máquina síncrona, por ejemplo un generador, y a una planta de generación de energía eléctrica para alimentar una red eléctrica. El método se basa principalmente en la localización de la falta mediante la utilización de variables obtenidas en la etapa de medida y el valor de resistencia de defecto estimado. La obtención de la resistencia de defecto se lleva a cabo a través de la información que proporciona un sistema de inyección de tensión en la resistencia de puesta a tierra a baja frecuencia.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y método de localización de defectos a tierra en devanados estatóricos de máquinas síncronas puestas a tierra mediante una impedancia de elevado valor.

5

Objeto de la invención

La presente invención tiene por objeto presentar un nuevo sistema y método de localización de defectos a tierra en devanados estatóricos de generadores síncronos, basado en la estimación de la resistencia de defecto a baja frecuencia, lo cual permitiría reducir el tiempo 10 y coste de la localización de los defectos a tierra para su posterior reparación.

Antecedentes de la invención

Uno de los defectos eléctricos más comunes en los generadores síncronos es el 15 cortocircuito entre una fase y tierra dentro de una ranura del estátor. Las consecuencias de este tipo de faltas dependen sobre todo del punto del devanado estatórico donde se produzca el defecto, esto es, las faltas cercanas a los terminales del generador podrían ser devastadoras (en generadores cuyo neutro esta rígidamente puesto a tierra) si no se limitan y despejan, mientras que las faltas muy cercanas al neutro del devanado pueden ser casi 20 imperceptibles. Sin embargo, estas últimas pueden resultar incluso más dañinas que las primeras en el caso de que se produzca un segundo defecto fase-tierra en el devanado.

Sobre el defecto a tierra tiene gran influencia el tipo de puesta a tierra del generador, el cual determina directamente el esquema de protección a utilizar para proteger el estator frente a 25 faltas a tierra.

Es práctica habitual poner el neutro a tierra mediante una impedancia Rg de elevado valor (Rg > 1000 Ω), de forma que se limite la corriente de defecto a un valor bajo (5 A o 10 A) que no produzca daños en el paquete magnético de la máquina y que, a su vez, pueda ser 30 detectada por los relés de protección correspondientes. En caso de no eliminar un defecto a tierra, éste puede evolucionar a un defecto entre fases, provocando daños severos dentro de la máquina, ya que el valor de la corriente en este último caso sólo está limitado por las impedancias propias del generador. Además, en caso de alcanzarse este defecto entre fases mientras el generador está acoplado a la red, también se debe considerar la 35 aportación al cortocircuito de esta última. En este escenario la protección diferencial de generador (llamada 87G según IEEE Std C37.2-1996) debe despejar la falta. Por esta razón es tan importante detectar los defectos a tierra de forma efectiva.

Tras la detección del defecto, se debe proceder a la localización de la falta para la 40 reparación del devanado. Esta localización no resulta sencilla y habitualmente se realiza tras la parada de la máquina mediante diversas técnicas.

Dado que la práctica habitual es la puesta a tierra mediante impedancia de alto valor, los daños provocados por el defecto suelen ser despreciables a simple vista si se ha detectado 45 adecuadamente, lo que dificulta la localización.

Existen varios métodos de uso común para localizar defectos a tierra en los estátores de las máquinas síncronas. Los más habituales se describen a continuación:

50

• Inyectar una tensión creciente entre la fase con defecto y el paquete magnético hasta que por efecto de la energía disipada en el cortocircuito se produzca alguna señal, como humo o

chispeo, que permita localizar el lugar en el que el devanado está en contacto con el paquete magnético.

• Medir el aislamiento de los devanados del estátor de la máquina síncrona hasta localizar en cuál de ellos está el cortocircuito. Una vez detectado, se divide el devanado en dos trozos y se vuelve a medir el aislamiento de cada uno de los mismos. Cuando se sabe en 5 cuál de ellos está el defecto, se vuelve a repetir la operación, dividiendo el tramo de nuevo en dos trozos, y midiendo el aislamiento en cada uno. Este proceso se repite tantas veces como sea necesario hasta localizar el punto en el que está el cortocircuito.

• Inyectar una tensión alterna en el devanado de excitación del generador con la máquina parada y verificar las tensiones inducidas en los devanados del inducido repitiendo este 10 proceso para diferentes posiciones del rotor.

Por último conviene tener en cuenta una serie de patentes relacionadas con la invención:

La patente de invención SU1347113-A, titulada: “Protecting three-phase electric motor from 15 faulty operation modes - by using trips reacting to zero phase-sequence with triple frequency”, describe un sistema de detección de faltas a tierra en estátores mediante la medida de una corriente de secuencia cero.

La patente de invención EP344558-A, titulada: “Checking of laminated stator assembly for insulation defects - detecting induced voltage amplitude and phase shifts due to current 20 through interlamination short circuit”, describe un sistema de detección de faltas a tierra en estátores mediante la comparación de las señales de dos devanados acoplados mecánicamente, el cual permite detectar defectos debidos a puntos calientes, pero no determina su posición.

25

La patente de invención P200901880 titulada “Sistema y método de localización de faltas a tierra en devanados de inducido de máquinas síncronas”. Se trata de un sistema que permite localizar las faltas a tierra en estátores de máquinas síncronas sin realizar la extracción del rotor de la máquina y sin dañar el paquete magnético de la misma. Para localizar defectos se necesita una fuente de tensión alterna para alimentar el devanado de 30 inducido y varios equipos de medida para las fases del estátor.

Descripción de la invención

El método que aquí se presenta tiene la gran ventaja de ser capaz de localizar el defecto 35 mientras la máquina se encuentra en funcionamiento, de modo que al producirse el defecto, la detección y localización se puede realizar de forma conjunta, acelerando así el proceso de localización física del cortocircuito y reduciendo por tanto el tiempo de reparación.

Este método de localización se basa, primero, en la estimación de la resistencia de defecto 40 mediante una fuente de inyección a baja frecuencia, y posteriormente la utilización de este parámetro para la localización del cortocircuito.

El sistema de localización de defectos a tierra en devanados estatóricos de máquinas síncronas puestas a tierra mediante una impedancia de elevado valor, está formado por: 45

 dispositivos de medida de la tensión de las fases de la máquina síncrona, como pueden ser los transformadores de medida de tensión en terminales del generador que existen generalmente en todas las centrales de generación.

50

 un dispositivo de medida de la tensión en la resistencia de puesta a tierra, como puede ser el transformador de protección de medida de tensión, que habitualmente

existe en las centrales de generación, y cuya medida se utiliza para las protecciones convencionales tierra estátor (51N y 59N).

 un dispositivo de inyección de una tensión en la resistencia de puesta a tierra a una frecuencia que puede ser distinta de la frecuencia asignada de la maquina síncrona. 5 Este sistema de inyección, descrito previamente, existe comercialmente y es extensamente utilizado en generadores de gran potencia.

 un dispositivo localizador de defectos a tierra, que dispone de:

10

o Medios de cálculo de la resistencia de defecto a tierra a partir de las medidas obtenidas mediante el dispositivo de inyección, a través de la expresión.

o Medios de cálculo de la posición del defecto a partir de las tensiones de fases medidas en la máquina, la tensión en la resistencia de puesta a tierra medida 15 en la máquina y la resistencia de defecto a tierra obtenida previamente, a través de la expresión.

Finalmente, como resumen, el método de localización de defectos a tierra en devanados estatóricos de máquinas síncronas puestas a tierra mediante una impedancia de elevado 20 valor está formado por las siguientes etapas:

 etapa de medida de las tensiones de las fases de la máquina, mediante los dispositivos de medida de la tensión de las fases de la máquina síncrona descritos previamente. 25

 etapa de medida de la tensión en la resistencia de puesta a tierra mediante un dispositivo de medida de la tensión en la resistencia de puesta a tierra descrito previamente.

 etapa de inyección de una tensión en la resistencia de puesta a tierra a una frecuencia que puede ser distinta de la frecuencia asignada de la máquina síncrona, 30 descrito previamente.

 etapa de cálculo de la resistencia de defecto a tierra a partir de las medidas obtenidas con la etapa de inyección.

 etapa de cálculo de la posición del defecto a tierra a partir de las tensiones de fases medidas en la máquina, la tensión en la resistencia de puesta a tierra medida en la 35 máquina y la resistencia de defecto a tierra obtenida.

Breve descripción de los dibujos

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. 40

FIGURA 1. Muestra un esquema simplificado de una planta de generación con las protecciones tierra-estátor convencionales, donde:

(1) Máquina síncrona principal 45

(2) Interruptor de grupo

(3) Transformador principal

(4) Red de alterna

(5) Transformador de protección

(6) Protección de sobretensión de neutro (59N)

(7) Resistencia de puesta a tierra

(8) Resistencia de defecto 5

(9) Capacidades a tierra del generador síncrono

(10) Capacidades a tierra del interruptor de grupo, transformador principal y otros

(11) Tensión en la resistencia de puesta a tierra

(12) Tensión en terminal de la fase con defecto

(13) Corriente de defecto 10

(14) Tensión de la porción de devanado desde el neutro, N, hasta el punto de defecto, x

(15) Tensión de la porción de devanado desde el punto de defecto, x hasta el terminal de la fase con defecto, A

(16) Corriente por el neutro del generador. 15

FIGURA 2. Muestra un esquema simplificado de una planta de generación con la protección tierra-estátor de inyección de baja frecuencia, donde:

(17) Filtro paso-banda

(18) Relé de obtención de impedancia a baja frecuencia

(19) Fuente de tensión de baja frecuencia 20

(20) Transformador de puesta a tierra

(21) Corriente por el defecto de baja frecuencia.

FIGURA 3. Muestra los errores en la localización de los defectos mediante el cociente entre la tensión en la resistencia de puesta a tierra y la tensión de fase del generador, para 25 cualquier punto del devanado (x de 0 a 1) y para valores de Rf desde 0 (defecto rígido a tierra) hasta 1000 Ω.

FIGURA 4. Muestra los errores en la localización de los defectos mediante el algoritmo simplificado de localización para cualquier punto del devanado (x de 0 a 1) y para valores de 30 Rf desde 0 (defecto rígido a tierra) hasta 1000 Ω.

Realización preferente de la invención

La presente invención permite localizar de manera muy precisa los defectos a tierra en 35 devanados estatóricos de generadores síncronos (1) puestos a tierra con una resistencia de puesta a tierra (7) de elevado valor. Para la correcta localización es necesario estimar la resistencia de defecto (8) adecuadamente debido a lo que se expone a continuación.

Cuando se produce un defecto a tierra en el estátor de un generador síncrono (1) se produce la aparición de una corriente de defecto (13), cuyo valor depende del valor de resistencia de puesta a tierra RN (7). El valor óhmico de esta resistencia se diseña habitualmente para limitar la corriente que circula por el neutro a 10 A en el peor defecto posible, esto es, defecto rígido a tierra en terminales del generador. Los sistemas de 5 detección de defectos a tierra convencionales se basan en la detección de la sobretensión (11) que aparece en esta resistencia de puesta a tierra RN (7) (protección 59N según IEEE Std C37.2-1996) o en la sobrecorriente (16) que aparece en la misma (conocida como 51N según el mismo estándar). Cuando el valor de tensión en la resistencia de puesta a tierra VN (medido en el secundario de un transformador (5) mediante transformadores de medida) 10 supera el umbral de ajuste (típicamente el 5% de la tensión de fase del generador), la protección de sobretensión del neutro 59N (6) dispara el grupo de generación quitándolo de servicio. Si se escoge el esquema análogo 51N (16), basado en la medida de corriente por el neutro IN, cuando dicha corriente supera el ajuste (análogamente el 5% de 10 A), la protección dispara el grupo. 15

En caso de defecto a tierra, existen dos variables desconocidas: la posición del defecto x, y la resistencia de falta Rf (8). La variable x puede tomar valores entre 0 y 1 (inclusive) donde 0 sería el valor para el caso de defecto en el neutro del generador, N, y 1 el valor para el caso de defecto en terminales. De esta forma, en caso de defecto a tierra ambas variables 20 quedan relacionadas de la siguiente forma:

: (1)

Donde f es la frecuencia (50 Hz) y CT representa el valor de la capacidad a tierra total del sistema de generación, suma de las capacidades del generador (9) y del resto de 25 elementos, tales como el interruptor de grupo, el transformador principal, etc., todas incluidas en (10). Un es la tensión del devanado estatórico obtenido mediante dispositivos medidores de tensión.

Como se observa, determinar la posición del defecto, esto es, el valor de la variable x sin 30 tener información del valor de Rf, resulta imposible pues esta última afecta de forma considerable. Si se obvia el valor de Rf y de las capacidades a tierra CT en la expresión anterior, se puede obtener una primera estimación de la localización del defecto cuya expresión es la siguiente:

35

: (2)

Con esta primera expresión se consiguen resultados muy poco precisos que resultan inaceptables para un sistema de localización. En la Figura 3 se muestran los errores (en %) de localización para defectos en cualquier punto del devanado (x desde 0 a 1) y para valores de Rf desde 0 (defecto rígido a tierra) hasta 1000 Ω. Estos resultados están obtenidos 40 utilizando los siguientes valores típicos de un generador real de 500 MVA: CT = 2 µF (considerablemente alto), RN = 1212 Ω y una tensión de fase del generador de 21/√ kV. Como se observa, solo en el caso de que la resistencia de defecto tenga un valor próximo a cero, la precisión es aceptable. Según crece el valor de la resistencia de falta y la posición del defecto los errores son mayores. 45

Tras describir la relevancia de conocer el valor de la resistencia de defecto Rf (8) se describe a continuación el método para obtener dicha resistencia de defecto y el algoritmo completo para la localización de las faltas a tierra.

La resistencia de defecto Rf (8) se estima mediante la inyección de una onda de baja 5 frecuencia (Figura 2) en la resistencia de puesta a tierra RN (7). Estos sistemas de inyección ya se encuentran muy extendidos como sistemas de detección de defectos. El esquema de inyección que se muestra en la Figura 2 es uno de los esquemas llamados “100 % tierra-estátor” debido a que cubren la porción de devanado que las protecciones convencionales (51N y 59N) no protegen (debido al ajuste descrito previamente que evita los disparos 10 intempestivos).

El sistema de inyección de baja frecuencia consiste en una fuente de inyección de baja frecuencia (19), un filtro paso-banda (17) y un transformador (20). La impedancia a baja frecuencia es obtenida mediante la tensión y corriente de baja frecuencia (18), y se expresa 15 de la siguiente forma:

: (3)

Donde Z20Hz es la impedancia a 20 Hz, Xs es la reactancia serie del transformador (20), Rs es la resistencia serie que añade el filtro paso-banda (17) y el transformador (20), y fi es la 20 frecuencia de inyección (típicamente 20 Hz). De esta forma, mediante esta última expresión se puede obtener una estimación de la resistencia de defecto Rf (8).

Se describe a continuación un modo de realización del equipo, que puede servir como ejemplo de aplicación, a la vez que permite describir mejor la invención. 25

Este método de localización se presta de forma muy adecuada a su implementación en relés de protección multifunción actuales. De esta forma, además de detectar el defecto a tierra, podrían localizarlo de forma aproximada permitiendo así una localización física más rápida en el proceso de reparación del generador síncrono. Sin embargo, para una implementación 30 adecuada de este algoritmo sería conveniente realizar algunas simplificaciones que permitiría reducir la carga computacional del algoritmo sin sacrificar excesivamente la precisión. La primera simplificación consiste en despreciar la parte imaginaria (correspondiente al efecto de las capacidades a tierra) en la expresión (1). De esta forma, dicha expresión queda como sigue: 35

Por otra parte, la segunda simplificación consiste en despreciar de nuevo la parte imaginaria de la expresión (3) correspondiente al efecto de las capacidades a tierra (que tiene una influencia mucho menor que en el caso anterior dado que la frecuencia de inyección es muy 40 baja). De esta forma, dicha expresión queda como sigue:

Donde R20Hz es la parte resistiva de la impedancia a baja frecuencia. Esta componente resistiva es extraída de forma muy precisa por los relés actuales. 45

De esta forma el valor de la resistencia de defecto calculada Rf y la localización del mismo x es determinada como sigue:

5

( )

Mediante este algoritmo se pueden estimar ambas variables de forma muy precisa y rápida. Considerando los datos típicos de un generador real de 500 MVA previamente descritos (CT 10 = 2 µF, RN = 1212 Ω y una tensión de fase del generador de 21/√ kV), los errores (en %) de localización de defectos a tierra en cualquier punto del devanado (x desde 0 a 1) y para valores de Rf desde 0 (defecto rígido a tierra) hasta 1000 Ω, se muestran en la Figura 4. Como se aprecia en esta figura, los errores se reducen considerablemente respecto de la primera estimación descrita (Figura 3). 15

Claims

REIVINDICACIONES

1.- Sistema de localización de defectos a tierra en devanados estatóricos de máquinas síncronas puestas a tierra mediante una impedancia de elevado valor, caracterizado porque comprende: 5

 dispositivos de medida de la tensión de las fases de la máquina síncrona (1);

 un dispositivo de medida de la tensión en la resistencia de puesta a tierra RN (7);

 un dispositivo de inyección de una tensión de baja frecuencia en la resistencia de puesta a tierra RN (7), a una frecuencia que puede ser distinta de la frecuencia 10 asignada de la maquina síncrona;

 un dispositivo localizador de defectos a tierra, que dispone de:

o Medios de cálculo de la resistencia de defecto Rf (8) a tierra a partir de las medidas obtenidas mediante el dispositivo de inyección, y

o Medios de cálculo de la posición (x) del defecto a partir de las tensiones de 15 fases medidas en la máquina, la tensión en la resistencia de puesta a tierra RN (7) medida en la máquina y la resistencia de defecto Rf (8) a tierra obtenida previamente.
2.- Sistema de localización, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que los dispositivos de medida de la tensión de las fases de la máquina síncrona (1) son unos 20 transformadores de medida de tensión en terminales del generador.
3.- Sistema de localización, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el dispositivo de medida de la tensión en la resistencia de puesta a tierra RN (7) es un transformador de protección (5) de tensión. 25
4.- Sistema de localización, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el dispositivo de inyección de baja frecuencia consiste en una fuente de inyección de baja frecuencia (19), un filtro paso-banda (17) y un transformador (20).

30
5.- Método de localización de defectos a tierra en devanados estatóricos de máquinas síncronas puestas a tierra mediante una impedancia de elevado valor, que contiene al menos un transformador de potencia para entregar la energía eléctrica generada a la red de alterna, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

35

 a) medida de las tensiones de las fases de la máquina;

 b) medida de la tensión en la resistencia de puesta a tierra RN (7);

 c) inyección de una tensión en la resistencia de puesta a tierra RN (7) a una frecuencia que puede ser distinta de la frecuencia asignada de la máquina síncrona;

 d) cálculo de la resistencia de defecto Rf (8) a tierra a partir de las medidas 40 obtenidas con la etapa de inyección; y

 e) cálculo de la posición (x) del defecto a tierra a partir de las tensiones de fases medidas en la máquina, la tensión en la resistencia de puesta a tierra RN (7) medida en la máquina y la resistencia de defecto Rf (8) a tierra obtenida.
6.- Método de localización, de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que el cálculo de la resistencia de defecto Rf (8) de la etapa d) se realiza a través de la siguiente expresión:

donde: 5

Z20Hz es la impedancia a baja frecuencia, 20 Hz,

Rs es la resistencia serie que añade un filtro paso-banda (17) y un transformador (20),

Xs es la reactancia serie del transformador (20), y

fi es la frecuencia de inyección proveniente de una fuente de inyección de baja frecuencia 10 (19).
7.- Método de localización, de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por que despreciando la parte imaginaria de la expresión anterior, la resistencia de defecto Rf (8) es determinada por:

15
8.- Método de localización, de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que el cálculo de la posición (x) de defecto de la etapa e) se realiza a través de la siguiente expresión:
9.- Método de localización, de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado por que 20 despreciando la parte imaginaria de la expresión anterior, la posición (x) del defecto es determinada por: ( )