ES2536798B2 - Sistema y método de protección 100% tierra estátor basado en la medida de tercer armónico autoajustable - Google Patents

Sistema y método de protección 100% tierra estátor basado en la medida de tercer armónico autoajustable Download PDF

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Francisco BLÁNQUEZ DELGADO
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/06—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric generators; for synchronous capacitors

Abstract

Sistema y método de protección 100% tierra estátor basado en la medida de tercer armónico autoajustable.#Método y sistema de protección 100% tierra estator para máquinas síncronas basado en la medida del tercer armónico que se ajusta en función de las condiciones de operación de la máquina, evitando así disparos no deseados.#Para ello se mide el tercer armónico producido por cada devanado de la máquina. A partir de esta medida se calcula el valor teórico que debe tener el tercer armónico en el neutro o en los terminales de dicha máquina. Y por último este valor teórico se compara con la medida en el neutro o en los terminales, determinando que existe defecto si no son iguales.

Description

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DESCRIPCION
Sistema y metodo de protection 100% tierra estator basado en la medida de tercer armonico autoajustable
OBJETO DE LA INVENCION
La presente invention pretende desarrollar una proteccion para faltas del tipo tierra-estator para maquinas smcronas, basada en la medida del tercer armonico en el neutro o en los terminales de la maquina smcrona, que sea autoajustable.
Una clara aplicacion son los sistemas de generation de ene^a electrica, en los que se utilizan generadores smcronos. Con el sistema objeto de la presente invencion se pretende detectar el cortocircuito a tierra producido; independientemente de las condiciones de funcionamiento, carga, etc..., que prevalezcan en el momento del defecto.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Toda instalacion electrica debe estar dotada de sistemas de proteccion que la hagan segura ante posibles cortocircuitos y otros defectos que puedan causar danos tanto a las propias instalaciones como a las personas.
En el caso de grupos de generacion, dichas protecciones deben, ademas, garantizar el suministro de energia a la red del modo mas fiable posible, tratando de discriminar los niveles de gravedad de las faltas que se produzcan.
La falta mas comun que sufre este tipo de maquinas es la falta a tierra. La mayoria de los grupos de generacion utilizan un rele de proteccion de sobretension basado en la medida de la tension de primer armonico en el neutro 59N, con el que se podia proteger en torno a un 90-95% del devanado estatorico; sin embargo era una proteccion inefectiva frente a faltas que se produjeran en las cercanias del neutro de la maquina.
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Existen metodos de proteccion que se basan en la medida del tercer armonico de la tension, bien en el neutro, o bien en terminales de la maquina o en ambos sitios a la vez. El principal problema de la medida del tercer armonico es que este es muy dependiente de las condiciones de funcionamiento de la maquina. Esto provoca que se produzcan disparos no deseados en algunas ocasiones.
Otra alternativa a la medida del tercer armonico se basa en la inyeccion de una tension a frecuencia de valor pequeno en el neutro del generador. Esta ultima tecnica es la mas efectiva y fiable frente a la deteccion y posterior despeje de la falta a tierra, ya que es totalmente independientemente de las condiciones de carga que presente el sistema, entre otros factores. Su principal desventaja es que se trata de una tecnologia muy cara.
Al metodo en el que se mide el tercer armonico en el neutro se le denomina en otras patentes "Third Harmonic Neutral Undervoltage Scheme”. Se trata de un rele (27TN), que solapado con el anteriormente mencionado rele 59N, permite dotar al generador de una proteccion del 100%. El principal concepto en el que se basa esta tecnica es que alla donde se produzca el defecto, la tension de tercer armonico sera nula. Entonces para que esta tecnica sea efectiva la maquina debe ser capaz de generar un valor lo suficientemente alto de tercer armonico en su neutro, una vez producida la falta.
Asumiendo que es asi, lo siguiente a realizar es el ajuste del rele. Segun el trabajo de Ramon Julian Alcantara y Ferran Garda Garda, titulado "100% Stator ground fault protection”, el ajuste se debe disenar atendiendo a las condiciones mas extremas de generacion de tercer armonico de tension; esto es, cuando se tiene mas tension de tercer armonico y cuando se tiene menos.
Tras una serie de simulaciones, se observa que las condiciones mas extremas son cuando la maquina trabaja a plena carga (maximo valor de tercer armonico en el neutro) y a baja carga (menor valor de tercer armonico en el neutro). El ajuste del rele se hara por tanto por encima del valor de tercer armonico, cuando se produzca una falta y por debajo del menor valor de tercer armonico producido por el generador cuando estamos en condiciones de funcionamiento sin falta, para evitar operaciones erroneas.
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En cuanto al metodo de medida del tercer armonico en terminales ("Third Harmonic Overvoltage Protection Method”), la idea es muy parecida al caso explicado anteriormente, la verdadera diferencia significativa es que en vez de realizar el estudio en el neutro, se hace en terminales de la maquina. Evidentemente el esquema del rele y demas elementos es tambien diferente.
Para realizar el ajuste de esta tecnica, se deben realizar medidas para ver las condiciones extremas de generation de tercer armonico de la maquina, ahora en los terminales. Se debe ajustar por debajo del valor de tercer armonico cuando se produce una falta a tierra y por encima del valor maximo de tercer armonico producido por el generador en condiciones de funcionamiento normal para evitar operaciones erroneas.
Finalmente, de los metodos que se basan en la medida del tercer armonico, falta por analizar cuando se realiza la medida tanto en el neutro como en terminales simultaneamente.
Se realiza una comparativa entre el cociente entre los valores de tercer armonico en terminales (numerador) y en el neutro (denominador) y un valor de tension de consigna, multiplicado por un coeficiente de seguridad (1.2), si el cociente es superior al producto de coeficiente de seguridad por el valor de tension de consigna, dispara la proteccion.
Actualmente para evitar los disparos no deseados muchos reles de protection bloquean la actuation de la proteccion 100% tierra estator hasta que no se alcanza una carga minima.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
La presente invention propone un nuevo metodo y sistema de proteccion basada en la medida del tercer armonico autoajustable, de forma que es inmune a las variaciones de tercer armonico que se producen en la maquina, eliminando los disparos no deseados. Para ello se debe medir el tercer armonico producido por la maquina en el momento de operation. A partir de la medida del tercer armonico de la maquina se calcula el que corresponded a condiciones de funcionamiento sin defecto bien en el neutro o en los terminales. Y por ultimo se compara el resultado calculado con la medida del tercer armonico en el neutro o en los terminales, decidiendo si hay defecto o no.
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La principal ventaja es que la medida se realiza en tiempo real independientemente de las condiciones de carga, posicion de la falta y otros factores que limitaban los otros metodos basados en la medida del tercer armonico.
La invention se refiere al diseno de un metodo y sistema de protection que detecta defectos a tierra en proximidades del neutro en estatores de maquinas smcronas.
La presente invencion permite identificar a traves del analisis de la generation de terceros armonicos de tension, las faltas a tierra en el devanado estatorico de una maquina smcrona, independientemente de las condiciones de carga, que afectan de manera importante a la generacion de dichos armonicos y que hacen que los metodos usados en la actualidad, en ocasiones produzcan disparos no deseados al tener un ajuste fijo.
El metodo se basa en la medida continua de la tension de tercer armonico que se produce en cada arrollamiento de la maquina.
A partir de esta medida, y conocidos los datos de resistencia de puesta a tierra y capacidades a tierra del sistema, se calcula el valor de tercer armonico teorico sin defecto que se deberia medir en el neutro o en los terminales de la maquina.
Por ultimo el valor teorico sin defecto se compara con el valor medido en esas condiciones de carga en la maquina. Si estos valores no son iguales se determinara que hay un defecto.
El metodo puede ser aplicado a la tension de tercer armonico en el neutro o en los terminales de la maquina.
BREVE DESCRIPTION DE LAS FIGURAS
La figura 1 representa el esquema general del sistema sobre el que se van a realizar todas las medidas y obtener todos los resultados.
Esta compuesto por los siguientes elementos:
1. El devanado inducido de la maquina smcrona o estator.
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2. Transformador principal.
3. Impedancia de puesta tierra.
4. 5 y 6 Capacidades a tierra de cada fase.
7. Red electrica
8. Cortocircuito fase-tierra.
9. Medida de tension en el neutro de la maquina.
10. 11, 12. Medida de las tensiones de los devanados de la maquina.
13, 14, 15. Medida de las tensiones de 4,5 y 6, respectivamente.
En la figura 2 se representa el diagrama de bloques del primer sistema para la resolution de faltas tierra-estator a traves de la tension medida en la maquina de forma directa (10, 11, 12). Y posterior calculo de la tension de tercer armonico en el neutro de la misma.
16, 17 18. Medida de tension de tercer armonico de cada fase en la maquina.
19. Medida de tension de tercer armonico en el neutro de la maquina de forma teorica.
20. Medida de tension de tercer armonico en el neutro de la maquina de forma directa en tiempo real.
21. Senal de disparo de la protection.
28. Bloque para calculo de la transformada de Fourier.
29. Circuito equivalente monofasico de la figura 1.
30. Bloque comparador.
En la figura 3 se representa el diagrama de procedimiento del segundo sistema para la resolucion de faltas tierra-estator a traves de la tension medida en la maquina de forma directa (10, 11, 12). Y posterior calculo de la tension de tercer armonico en terminales de la misma.
16, 17, 18. Medida de tension de tercer armonico de cada fase en la maquina.
22, 23, 24. Medida de tercer armonico en terminales de la maquina de forma teorica.
25, 26, 27. Medida de tercer armonico en terminales de la maquina de forma directa en tiempo real.
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21. Disparo de la protection.
28. Bloque para calculo de la transformada de Fourier.
31. Circuito equivalente figura 1.
30. Bloque comparador.
• En la figura 4 se representa el diagrama de procedimiento del tercer sistema para la resolution de faltas tierra-estator a traves de la tension medida en la maquina (10, 11, 12) calculada a partir de la medida de la tension en el neutro y en terminales.
15, 14, 13. Medida de tension en terminales de la maquina.
9. Medida de tension en el neutro.
10, 11, 12. Medida de tension en la maquina.
16, 17, 18. Medida de tension de tercer armonico de cada fase en la maquina.
19. Medida de tension de tercer armonico en el neutro de la maquina de forma teorica.
20. Medida de tension de tercer armonico en el neutro de la maquina de forma directa en tiempo real.
21. Disparo de la proteccion.
28. Bloque para calculo de la transformada de Fourier.
29. Circuito equivalente monofasico de la figura 1.
30. Bloque comparador.
• En la figura 5 se representa el diagrama de procedimiento del cuarto sistema para la resolucion de faltas tierra-estator a traves de la tension medida en la maquina calculada a partir de la medida de la tension en el neutro y en terminales.
15, 14, 13. Medida de tension en terminales de la maquina.
9. Medida de tension en el neutro.
10, 11, 12. Medida de tension en la maquina.
16, 17, 18. Medida de tension de tercer armonico de cada fase en la maquina.
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22, 23, 24. Medida de tercer armonico en terminales de la maquina de forma teorica.
25, 26, 27. Medida de tercer armonico en terminales de la maquina de forma directa en tiempo real.
21. Disparo de la protection.
28. Bloque para calculo de la transformada de Fourier.
31. Circuito equivalente figura 1.
30. Bloque comparador.
• Figura 6 es el circuito equivalente monofasico referido a la figura 1. (29)
• Figura 7 es el circuito equivalente de la figura 1. (31).
REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION.
La idea original de la presente invention es que en el momento en el que se produce una falta a tierra en las proximidades del neutro, la tension de tercer armonico en el neutro de la maquina disminuye y la tension de tercer armonico en terminales de la maquina aumenta.
Observando el esquema de la figura 1, y asumiendo que se produce una falta tierra-estator (8) en proximidades del neutro. Para despejar esta falta definimos cuatro procesos distintos para poder hacerlo.
El primer proceso, figura 2, consiste en tomar las medidas de tension en cada una de las fases del estator de la maquina (10, 11 y 12). A continuation obtenemos la componente de tercer armonico, de cada una de las fases de la maquina, a traves de la transformada de Fourier (16, 17, 18).
El siguiente paso es hallar la tension de tercer armonico en el neutro del generador (19), a traves de un calculo teorico basado en un circuito monofasico equivalente de la figura 6 (29). Este algoritmo se debe programar en el rele de proteccion.
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Finalmente se mide la tension en el neutro de la maquina de forma directa (20) y se calcula su transformada de Fourier para hallar la componente de tercer armonico. Se comparan la medida de tension de tercer armonico en el neutro de la maquina de forma teorica (19) y la medida de tension de tercer armonico en el neutro de la maquina de forma directa en tiempo real (20) a traves de bloque comparador (30). Si la medida de tension de tercer armonico en el neutro de la maquina de forma directa en tiempo real (20) es menor que la medida de tension de tercer armonico en el neutro de la maquina de forma teorica (19), la protection disparara (21).
El segundo proceso, figura 3, se basa en un desarrollo similar al primero. De nuevo se toman las medidas de tension en cada una de las fases del estator de la maquina (10, 11 y 12). Seguidamente, se obtiene la componente de tercer armonico de cada una de las fases de la maquina, a traves de la transformada de Fourier (16, 17, 18).
A continuation se halla la tension de tercer armonico en cada una de las fases de los terminales del generador (22, 23, 24), utilizando un circuito equivalente de la figura 1 (31).
Finalmente se mide la tension en cada una de las fases de los terminales (15, 14 y 13) de forma directa en tiempo real y se calcula la tercera componente de la tension a traves de la transformada de Fourier (25, 26, 27). Se compara la medida de tercer armonico en terminales de la maquina de forma teorica (22, 23, 24) con la medida de tercer armonico en terminales de la maquina de forma directa en tiempo real (25, 26, 27) a traves del bloque comparador (30). Si las medidas de tercer armonico en terminales de la maquina de forma directa en tiempo real (25, 26, 27) son mayores que las medidas de tercer armonico en terminales de la maquina de forma teorica (22, 23, 24), la proteccion disparara (21).
El tercer proceso, figura 4, es exactamente igual que el primero, con la unica diferencia de que para hallar la tension en las fases de la maquina no se mide directamente, sino que se mide la tension tanto en terminales (15, 14, 13) como en el neutro (9) y se hace la diferencia para obtener la medida de las tensiones de los devanados de la maquina. (10, 11 y 12).
Los siguientes pasos coinciden con lo explicado en el primer proceso.
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El cuarto proceso, figura 5, es exactamente similar que el segundo, pero como en el tercer proceso, las tensiones en las fases de la maquina se hallan a partir de las medidas de la tension en terminales y neutro. Una vez calculadas, el desarrollo coincide con el del segundo proceso.

Claims (4)

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    REIVINDICACIONES
    1. Sistema de protection 100 % tierra estator de una maquina smcrona (1) basado en la medida del tercer armonico en el neutro de la maquina, caracterizado porque comprende los siguientes subsistemas:
    - equipo de medida de las tensiones en cada una de las fases del devanado estatorico de la maquina (10, 11, 12);
    - medios de calculo del tercer armonico de las tensiones de cada uno de los devanados de la maquina (16, 17, 18);
    - medios de calculo de la tension de tercer armonico teorica (19) que debe aparecer en el neutro de la maquina si no hubiera defecto en la maquina;
    - medios de medida de una tension de tercer armonico medida en el neutro de la maquina de forma directa, continua y en tiempo real (20); y
    - medios de comparacion (30) de la tension de tercer armonico teorica (19) con la tension de tercer armonico medida en el neutro de la maquina de forma directa en tiempo real (20) para determinar si hay defecto en caso de que esta ultima sea menor.
  2. 2. Sistema de proteccion 100 % tierra estator de una maquina smcrona (1) basado en la medida del tercer armonico en los terminales de la maquina, caracterizado porque comprende los siguientes subsistemas:
    - equipo de medida de las tensiones en cada una de las fases del devanado estatorico de la maquina (10, 11, 12);
    - medios de calculo del tercer armonico de las tensiones de cada uno de los devanados de la maquina (16, 17, 18);
    - medios de calculo de la tension de tercer armonico teorica (22, 23, 24) que debe aparecer en las fases de la maquina si no hubiera defecto en la maquina;
    - medios de medida de unas tensiones de tercer armonico en terminales de la maquina de forma directa, continua y en tiempo real (25, 26, 27); y
    - medios de comparacion (30) de la tension de tercer armonico teorica (22, 23, 24) con las tensiones de tercer armonico en terminales de la maquina
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    de forma directa en tiempo real (25, 26, 27) para determinar si hay defecto en caso de que esta ultima sea mayor.
  3. 3. Metodo de protection 100 % tierra estator de una maquina smcrona (1) basado en la medida del tercer armonico en el neutro de la maquina, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
    - medida de las tensiones de cada una de las fases de los devanados estatoricos de la maquina (10, 11, 12);
    - calculo del tercer armonico de las tensiones de cada uno de los devanados de la maquina (16, 17, 18) a traves de la transformada de Fourier;
    - calculo de la tension de tercer armonico teorico (19) que debe aparecer en el neutro de la maquina si no hubiera defecto en la maquina;
    - medida de una tension de tercer armonico medida en el neutro de la maquina de forma directa, continua y en tiempo real (20); y
    - comparacion de la tension de tercer armonico teorica (19) calculada sin defecto con la tension de tercer armonico medida en el neutro de la maquina de forma directa en tiempo real (20) a traves de un bloque comparador (30) para determinar si hay defecto en caso de que esta ultima sea menor.
  4. 4. Metodo de proteccion 100 % tierra estator de una maquina smcrona (1) basado en la medida del tercer armonico en los terminales de la maquina, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
    - medida de las tensiones de cada una de las fases de los devanados estatoricos de la maquina (10, 11, 12);
    - calculo del tercer armonico de las tensiones de cada uno de los devanados de la maquina (16, 17, 18) a traves de la transformada de Fourier;
    - calculo de la tension de tercer armonico teorico (22, 23, 24) que debe aparecer en los terminales de la maquina si no hubiera defecto en la maquina;
    - medida de unas tensiones de tercer armonico en terminales de la maquina de forma directa, continua y en tiempo real (25, 26, 27); y
    - comparacion de la tension de tercer armonico teorica (22, 23, 24) calculada sin defecto con las tensiones de tercer armonico en terminales de la maquina de forma directa en tiempo real (25, 26, 27) a traves de un bloque comparador (30) para determinar si hay defecto en caso de que esta ultima sea mayor.
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