ES2588260B2 - Procedimiento y dispositivo para la determinación del estado del conductor neutro en una instalación eléctrica - Google Patents

Abstract

La presente invención describe un procedimiento y un dispositivo de puesta en práctica para la determinación del estado del conductor neutro en una instalación eléctrica de distribución de B.T. mediante la determinación indirecta del valor real de la resistencia del conductor neutro, así como otros parámetros que informan sobre el estado de dicho conductor, como son su sección real y las pérdidas energéticas en el mismo, utilizándose para ello el valor de la componente de la potencia de neutro del sistema medida en las cargas a la frecuencia fundamental.

Description

DESCRIPCIÓN

PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA LA DETERMINACIÓN DEL ESTADO DEL CONDUCTOR NEUTRO EN UNA INSTALACIÓN ELÉCTRICA

5

Campo de la invención

La presente invención se refiere de forma general a la determinación del estado de conservación del conductor neutro en las instalaciones eléctricas de distribución de baja tensión (B.T.) y a la medida indirecta de la 10 resistencia, la sección y las pérdidas en dicho conductor, basándose en el análisis de los efectos energéticos que el conductor neutro produce sobre los receptores eléctricos y, más concretamente, a la medida de la potencia de neutro de las cargas, así como su aplicación en instrumentos de 15 medida dedicados a la vigilancia preventiva del conductor neutro y en la realización de dispositivos de protección de cargas e instalaciones eléctricas, en general.

Antecedentes de la invención 20

El conductor neutro en las instalaciones eléctricas de distribución de B.T. tiene la misión de mantener equilibradas las tensiones de las fases de los receptores, con valores eficaces iguales o aproximados al valor nominal de la tensión de la red eléctrica, así como facilitar la 25 evacuación de una parte de los efectos de los desequilibrios (y también de las distorsiones armónicas), a través de la corriente del neutro. La rotura o bien la disminución de la sección efectiva del conductor neutro en las redes eléctricas dan lugar a efectos bien conocidos en 30 la práctica industrial. En general, los receptores de las instalaciones eléctricas son sometidos a sobretensiones permanentes (F. Redondo Quintela y otros, “Sobretensiones

por corte de neutro”. Universidad de Salamanca), que suelen conducir al deterioro de dichos receptores y a su consiguiente puesta fuera de servicio. La presencia de sobretensiones en las cargas debido, en este caso, al incremento del valor de los terceros harmónicos de tensión 5 son objeto de estudio en las publicaciones “The Effect of Neutral Path Impedance on Voltage and Current Distortion. Parts I and II”, presentadas por A.E. Emanuel y J.A. Orr en la 2004 11th Conference on Harmonics and Quality of Power. Estos efectos sobre las tensiones de las cargas evidencian 10 la importancia de conocer en cada momento el estado del conductor neutro y la necesidad de disponer de dispositivos de protección de instalaciones eléctricas frente a fallas intempestivas del conductor neutro.

El deterioro del conductor neutro puede ser conocido 15 mediante procedimientos directos e indirectos. Los primeros consisten en la medida sobre el propio conductor neutro, aplicando técnicas como la reflectometría de señales (en tiempo o en frecuencia), para conocer su continuidad. Los procedimientos indirectos principalmente utilizados hasta 20 el momento presente son dos. El primero tiene su fundamento en la vigilancia de las tensiones en las fases de los receptores y su protección, mediante relés de máxima y de mínima tensión, frente a las sobretensiones y subtensiones que ocurren como consecuencia del deterioro del conductor 25 neutro. No obstante, este procedimiento no permite realizar un verdadero mantenimiento preventivo, ya que los relés actúan cuando el fallo en el conductor neutro es muy importante y, en ocasiones, cuando las líneas trabajan en condiciones muy inferiores a su funcionamiento nominal, 30 este sistema de protección es inoperante, dado que, en estos casos, pueden producirse disminuciones importantes de la sección del conductor neutro, sin que las tensiones en

las fases de los receptores aumenten significativamente.

El segundo procedimiento indirecto consiste en la medida de las corrientes circulantes por el conductor neutro. La gran mayoría de los sistemas basados en este procedimiento han sido aplicados a la vigilancia del 5 conductor de puesta a tierra del neutro, más que a la detección del estado del conductor neutro, en sí mismo. No obstante, en la patente US 4012668A (“Ground fault and neutral fault detection circuit”), publicada el 15 de marzo de 1977, se describe un sistema de protección de 10 instalaciones frente a defectos a tierra, consistente en medir la diferencia de las corrientes en las líneas y en el neutro, que también podría ser utilizado para detectar fallas en el conductor neutro. Su principal inconveniente es que cuando las diferencias entre las corrientes de las 15 fases y del neutro son muy pequeñas, el error puede llegar a ser importante.

Por tanto, sigue existiendo en la técnica la necesidad de un procedimiento alternativo que permita determinar el estado de conservación del conductor neutro en una 20 instalación eléctrica para así proporcionar un mantenimiento preventivo y protección de la red eléctrica.

Sumario de la invención

Para solucionar los problemas de la técnica anterior, 25 en el presente documento se describe un nuevo procedimiento indirecto que, a diferencia de los indicados anteriormente, es capaz de medir con gran exactitud la resistencia real y, por tanto, la sección física real del conductor neutro en cualquier instante, asegurando, de esta manera, un 30 verdadero mantenimiento preventivo y una protección efectiva de las redes eléctricas frente al deterioro o corte del conductor neutro. Este procedimiento se basa en

la medida del impacto energético del conductor neutro sobre las cargas.

Los efectos energéticos del conductor neutro en las instalaciones eléctricas están determinados por una nueva magnitud, desarrollada por los autores de la presente 5 invención, que se ha denominado “potencia de neutro del sistema” (Sn). Su formulación y algunas de sus propiedades se describen por primera vez en el presente documento, aplicadas a la detección del estado de conservación del conductor neutro y a la protección de las instalaciones 10 eléctricas.

La potencia de neutro del sistema (Sn) no es ninguna de las bien conocidas potencias activa, reactiva y aparente del neutro, que están determinadas por la corriente del neutro. Se trata de una nueva potencia, obtenida a partir 15 de metodología propuesta en el presente documento, en cuya expresión están implícitamente incluidas las potencias anteriores, además de los productos de tensiones y corrientes que representan a las energías de desequilibrio y de distorsión, que se manifiestan en las redes eléctricas 20 como consecuencia del funcionamiento del conductor neutro.

Por tanto, la presente invención da a conocer un procedimiento y un dispositivo de puesta en práctica para la determinación indirecta del valor real de la resistencia del conductor neutro en instalaciones eléctricas de 25 distribución de B.T., así como otros parámetros que informan sobre el estado de dicho conductor, como son su sección real y las pérdidas energéticas en el mismo, utilizándose para ello el valor de la componente de la potencia de neutro del sistema medida en las cargas a la 30 frecuencia fundamental.

En concreto, la presente invención da a conocer un procedimiento para la determinación del estado del

conductor neutro en una instalación eléctrica que comprende:

i) calcular la resistencia teórica del neutro () en el instante inicial, a partir de las siguientes características de la línea: sección nominal inicial del conductor (A0), generalmente conocida, 5 longitud estimada o medida del cable (l0) y conductividad (0) del conductor utilizado (generalmente de cobre o aluminio), a la temperatura de trabajo nominal del cable, determinada por las normativas vigentes, 10 dependiendo del tipo de línea (subterránea, aérea o interior), 0nr

[1]

ii) adquirir los valores instantáneos de tensión (vA, vB, vC) e intensidad (iA, iB, iC) de las fases (A, B, 15 C) en el punto de conexión de las cargas con la red eléctrica, separando sus componentes a la frecuencia fundamental (vA1, vB1, vC1) y (iA1, iB1, iC1), de las corrientes de frecuencia no fundamental (iAh, iBh, iCh); 20

ii-a) determinar, a partir de las componentes a la frecuencia fundamental, las componentes de secuencia homopolar a la frecuencia fundamental de las tensiones (v01l) y corrientes (i01); 25

iii) obtener el ángulo de desfase entre las tensiones y corrientes de secuencia homopolar en la carga, a la frecuencia fundamental (01l), como la diferencia entre la fase inicial de dichas tensiones y corrientes (01l, 01): 30

[2]

iv) calcular la potencia de neutro de la carga a la frecuencia fundamental (Sn1l) según la siguiente expresión:

[3]

v) determinar el valor de la diferencia relativa c 5 entre la potencia de neutro de la carga y la potencia de neutro del sistema, comenzando por sustituir el valor = en la siguiente función potencial cnr

[4] 10

en la que los valores de k y de a se conocen a partir de tablas mostradas a continuación en el presente documento;

vi) calcular la potencia de neutro del sistema a la frecuencia fundamental (), como: 15 cns1

[5]

vii) determinar la potencia de neutro de la fuente a la frecuencia fundamental () basándose en la siguiente expresión: csnS1

[6] 20

viii) obtener el valor eficaz de la tensión de secuencia homopolar en la fuente, a la frecuencia fundamental (), de acuerdo con la expresión: csV01

[7]

ix) calcular el ángulo de desfase () entre las 25 cs01

tensiones y corrientes de secuencia homopolar en la fuente, a la frecuencia fundamental, según la expresión:

[8]

x) determinar las potencias activas de secuencia 5 homopolar de la fuente () y de la carga (P01l), a la frecuencia fundamental, en función de las siguientes expresiones: csP01

[9]

en el que la primera de ellas se calcula, mientras 10 que la segunda se obtiene a partir de tensiones y corrientes medidas en la carga;

xi) calcular las pérdidas en el conductor neutro a la frecuencia fundamental como:

[10] 15

xii) obtener la resistencia calculada del neutro () a partir de la siguiente relación: cnr

[11]

xiii) en el caso de que el valor de sea muy próximo a , la resistencia real del conductor neutro queda 20 determinada y coincide con el valor teórico obtenido en el instante inicial del procedimiento, 0nr

[12]

xiv) en el caso de que los valores de y difieran, repetir las etapas v) a xii), utilizando el valor 25 de obtenido cada vez en la etapa xii) hasta alcanzar un valor de convergencia (), que será cnr0nrconvnr

el valor real de la resistencia del neutro,

[13]

xv) obtener la sección real del conductor neutro como:

[15]

En caso de que la sección real del conductor neutro 5 disminuya por debajo de un umbral determinado con respecto a la sección inicial del conductor neutro, el procedimiento puede comprender la etapa de emitir una alarma y/o abrir la instalación para su protección.

La presente invención también da a conocer un 10 dispositivo para la determinación del estado del conductor neutro en una instalación eléctrica. El dispositivo comprende:

- medios de entrada para la introducción de datos por parte de un usuario; 15

- medios físicos de medida y adquisición de señales eléctricas; y

- medios de cálculo programables para llevar a cabo los cálculos del procedimiento según la presente invención. 20

Realizaciones preferidas del procedimiento y dispositivo de la presente invención se definen en las reivindicaciones dependientes.

Breve descripción de las figuras 25

Para complementar la descripción del procedimiento y dispositivo para la determinación indirecta de la resistencia del conductor neutro y de otras magnitudes, como la sección y las pérdidas energéticas, que informan del estado de conservación y de funcionamiento de dicho 30 conductor, y con objeto de ayudar a una mejor comprensión

de las características de la invención, de acuerdo con ejemplos preferentes de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción un conjunto de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: 5

La figura 1 es un gráfico que representa la variación de la diferencia relativa () entre la potencia de neutro de la carga y la potencia de neutro del sistema en función del incremento de la resistencia del neutro.

La figura 2 muestra la línea de tendencia de la 10 diferencia relativa entre la potencia de neutro de la carga y del sistema en función del incremento de la resistencia del neutro, para un cable de 30 m, 25 mm2 de sección y temperaturas de 30ºC y 70ºC, y su ajuste a una función potencial. 15

La figura 3 es un diagrama que muestra la secuencia operacional del procedimiento según una realización preferida de la invención, aplicable a instrumentos de medida y de vigilancia del estado del conductor neutro.

La figura 4 es un diagrama que representa una 20 realización de un dispositivo para la medida de la resistencia, sección y pérdidas en el conductor neutro.

La figura 5 es un diagrama que representa los módulos de programación para el instrumento de medida y vigilancia del estado del conductor neutro según una realización 25 preferida de la presente invención.

La figura 6 muestra una posible disposición de la pantalla del instrumento de medida y de vigilancia del estado del conductor neutro.

La figura 7 es un diagrama que muestra la secuencia 30 operacional del procedimiento según una realización de la invención aplicado a la protección de instalaciones eléctricas frente al deterioro del conductor neutro.

La figura 8 es un diagrama que representa una realización de un relé de protección de instalaciones eléctricas frente al deterioro del conductor neutro.

La figura 9 es un diagrama que representa los módulos de programación para el relé de protección de instalaciones 5 eléctricas frente al deterioro del conductor neutro.

La figura 10 es un diagrama que representa el aumento de la tensión en la carga en función del aumento de la resistencia del conductor neutro.

10

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

La “potencia de neutro del sistema” (Sn) es una magnitud que mide el efecto combinado de las energías que se manifiestan en las instalaciones eléctricas como consecuencia del funcionamiento del conductor neutro, las 15 cuales pueden ser advertidas por el diferente valor que tienen las potencias aparentes de fuentes y cargas directamente conectadas. La existencia de la potencia de neutro del sistema es necesaria para que se verifique el principio de conservación de la energía en el conjunto del 20 sistema eléctrico. El módulo de la potencia de neutro del sistema a la frecuencia fundamental (50-60 Hz) responde a la siguiente expresión:

en la que V01l y V01s son los valores eficaces de las 25 componentes de secuencia homopolar de las tensiones en las fases de la carga y de la fuente, respectivamente, medidas a la frecuencia fundamental en el punto de conexión de las cargas con la red eléctrica, e Ia1, Ib1, Ic1 son los valores eficaces de las corrientes de frecuencia fundamental 30 medidas en las fases de la carga. La potencia de neutro del sistema tiene unidades de potencia aparente. En su

expresión están implícitamente incluidas las pérdidas Joule en el conductor neutro (así como la potencia reactiva del neutro); por esta razón, la potencia de neutro del sistema (Sn1) y la resistencia del conductor neutro (rn) están relacionadas. 5

Desde el punto de vista de su utilidad práctica, se distinguen, en primera instancia, dos componentes de la potencia de neutro del sistema. La primera componente, Sn1s, es la potencia de neutro de la fuente, magnitud que cuantifica los efectos del neutro sobre el transformador y 10 las líneas. La segunda componente, Sn1l, es la potencia de neutro de las cargas, que mide el impacto energético del conductor neutro sobre los receptores; su valor es generalmente mayor que Sn1s y aumenta significativamente al incrementarse la resistencia del neutro. Esta componente de 15 la potencia de neutro del sistema permite explicar, desde un punto de vista energético, la existencia de sobretensiones en las cargas y el mayor valor de la potencia aparente de las cargas desequilibradas y distorsionadas, por encima de la potencia aparente de las 20 fuentes, como consecuencia del deterioro del conductor neutro.

El valor de la potencia de neutro de las cargas (Sn1l) depende, lógicamente, de la instalación eléctrica en donde se mida esta magnitud. Sin embargo, basándose en análisis 25 previos realizados, se ha podido constatar que su diferencia relativa () con la potencia de neutro del sistema (Sn1),

es completamente independiente de las cargas y, para una 30 línea dada, sólo depende del valor de la resistencia del neutro (rn). Este hecho tiene gran importancia práctica en

la presente invención, pues simplifica considerablemente el procedimiento y el dispositivo para la obtención de la resistencia del neutro, al evitarse la necesidad de medir simultáneamente en la fuente (que es, generalmente, de acceso muy restringido) y en las cargas. Según la presente 5 invención, el valor de la resistencia del neutro puede determinarse con gran exactitud midiendo sólo en el punto de conexión de las cargas con la red eléctrica.

La diferencia relativa, , entre la potencia de neutro de las cargas (Sn1l) y la potencia de neutro del sistema 10 (Sn1) es igual a 1 en el caso ideal de resistencia del neutro igual a cero (rn = 0) y, para cada línea de características (longitud, sección, temperatura de trabajo, etc.) determinadas, evoluciona hacia cero según una función potencial, conforme aumenta el valor de la resistencia del 15 neutro (rn), que responde a la siguiente expresión general:

en la que los coeficientes k y a son independientes de la carga; y se han tabulado y están disponibles para las distintas secciones normalizadas y longitudes de los cables, 20 a las temperaturas normales de trabajo del conductor, fijadas por la actual normativa. Las siguientes tablas dan a conocer valores de los coeficientes k y a para distintas secciones y longitudes de cable, a temperaturas de 30ºC y 70ºC: 25

A0 mm2

Longitudes de cables de cobre aislados a 30ºC, l0 (m)

10

20 30 40 50 75 100

K 10-2

a K 10-2 a K 10-2 a K 10-2 a K 10-2 a K 10-2 a K 10-2 a

10

6,36 1,59 4,35 1,637 3,86 1,65 3,65 1,657 3,52 1,662 3,4 1,67 3,34 1,67

16

9,22 1,532 5,35 1,612 4,39 1,635 4,00 1,646 3,79 1,653 3,55 1,66 3,45 1,664

25

15,15 1,421 7,61 1,563 5,61 1,606 4,78 1,626 4,35 1,637 3,86 1,65 3,65 1,657

35

21,5 1,305 10,42 1,509 7,17 1,573 5,78 1,602 5,06 1,619 4,24 1,64 3,9 1,649

50

30,3 1,144 15,15 1,421 9,95 1,517 7,61 1,563 6,36 1,589 4,94 1,62 4,35 1,637

70

39,6 0,968 21,5 1,305 14,04 1,44 10,42 1,509 8,4 1,548 6,04 1,60 5,06 1,619

95

46,16 0,841 27 1,205 17,97 1,369 13,25 1,456 10,52 1,507 7,22 1,57 5,82 1,601

120

54,41 0,676 35,34 1,05 24,65 1,248 18,4 1,362 14,53 1,432 9,57 1,53 7,36 1,569

A0 mm2

Longitudes de cables de cobre aislados a 70ºC, l0 (m)

10

20 30 40 50 75 100

K 10-2

a K 10-2 a K 10-2 a K 10-2 a K 10-2 a K 10-2 a K 10-2 a

10

5,76 1,603 4,14 1,642 3,74 1,65 3,58 1,66 3,47 1,663 3,37 1,667 3,32 1,669

16

8,38 1,552 5,05 1,523 4,23 1,64 3,91 1,658 3,72 1,659 3,51 1,652 3,42 1,659

25

13,08 1,459 6,79 1,58 5,17 1,62 4,49 1,633 4,15 1,642 3,75 1,654 3,58 1,66

35

18,59 1,358 9,08 1,354 6,41 1,59 5,3 1,613 4,71 1,627 4,05 1,645 3,78 1,653

50

26,7 1,21 13,08 1,459 8,71 1,54 6,79 1,58 5,77 1,602 4,62 1,63 4,15 1,642

70

36,08 1,036 18,91 1,352 12,32 1,47 9,22 1,532 7,53 1,565 5,56 1,607 4,75 1,626

95

44,35 0,876 25,39 1,234 16,79 1,39 12,38 1,472 9,86 1,519 6,85 1,579 5,58 1,607

120

50,81 0,748 31,49 1,122 21,46 1,31 15,88 1,41 12,54 1,649 8,39 1,548 6,58 1,585

Pueden obtenerse valores de k y de a para longitudes y temperaturas intermedias a las de las tablas anteriores mediante interpolación. 5

En la figura 1 se muestra la evolución de la diferencia relativa entre la potencia de neutro de la carga y la potencia de neutro del sistema en función del incremento de la resistencia del neutro, para diferentes longitudes del cable, con una sección de 10 mm2 y una 10 temperatura de 70ºC.

En la figura 2 se muestra la línea de tendencia de la diferencia relativa () entre la potencia de neutro de la carga y del sistema en función del incremento de la resistencia del neutro, para un cable de 30 m, 25 mm2 de 15 sección y a temperaturas de 30ºC y 70ºC, así como su ajuste a una función potencial.

Estas dos figuras 1 y 2 ilustran por tanto cómo evoluciona la diferencia relativa () hacia cero según una función potencial, a medida que aumenta el valor de la 20

resistencia del neutro (rn), para diferentes valores de longitud de cable, sección de cable y temperatura de trabajo.

Tal como se mencionó anteriormente, la presente invención da a conocer según un primer aspecto un 5 procedimiento para la determinación del estado del conductor neutro en una instalación eléctrica mediante medida indirecta de la resistencia, sección y pérdidas energéticas en el conductor neutro de las instalaciones eléctricas de distribución de B.T. Según una realización 10 preferida, el procedimiento de la invención comprende:

i) calcular la resistencia teórica del neutro () en el instante inicial del procedimiento, a partir de las siguientes características de la línea: sección nominal del conductor (A0), generalmente conocida, 15 longitud estimada o medida del cable (l0) y conductividad (0) del conductor utilizado (generalmente cobre o aluminio), a la temperatura de trabajo nominal del cable, determinada por las normativas vigentes, dependiendo del tipo de línea 20 (subterránea, aérea o interior),

[1]

ii) adquirir los valores instantáneos de tensión (vA, vB, vC) e intensidad (iA, iB, iC) de las fases (A, B, C) en el punto de conexión de las cargas con la red 25 eléctrica, separando sus componentes a la frecuencia fundamental (vA1, vB1, vC1) y (iA1, iB1, iC1), de las corrientes de frecuencia no fundamental (iAh, iBh, iCh);

ii-a) determinar, a partir de las componentes a la 30 frecuencia fundamental, las componentes de

secuencia homopolar a la frecuencia fundamental de las tensiones (v01l) y corrientes (i01),

ii-b) opcionalmente, determinar, a partir de las corrientes de frecuencia no fundamental, las 5 corrientes de terceros armónicos (i0h);

iii) obtener el ángulo de desfase entre las tensiones y corrientes de secuencia homopolar en la carga, a la frecuencia fundamental (01l), como la diferencia entre la fase inicial de dichas tensiones y 10 corrientes (01l, 01):

[2]

iv) calcular la potencia de neutro de la carga a la frecuencia fundamental (Sn1l) según la siguiente expresión: 15

[3]

v) determinar el valor de la diferencia relativa c entre la potencia de neutro de la carga y la potencia de neutro del sistema, comenzando por sustituir el valor = en la siguiente función 20 potencial

[4]

en la que los valores de k y a son los mostrados en las tablas anteriores para diferentes secciones (A0) y longitudes (l0) de los cables, para dos 25 temperaturas de trabajo de los mismos: 30ºC y 70ºC.

vi) calcular la potencia de neutro del sistema a la frecuencia fundamental (), como:

[5]

vii) determinar la potencia de neutro de la fuente a la frecuencia fundamental () basándose en la siguiente expresión:

[6]

viii) obtener el valor eficaz de la tensión de secuencia 5 homopolar en la fuente, a la frecuencia fundamental (), de acuerdo con la expresión:

[7]

ix) calcular el ángulo de desfase () entre las tensiones y corrientes de secuencia homopolar en la 10 fuente, a la frecuencia fundamental, según la expresión:

[8]

x) determinar las potencias activas de secuencia homopolar de la fuente () y de la carga (P01l), a 15 la frecuencia fundamental, en función de las siguientes expresiones:

[9]

en el que la primera de ellas se calcula, mientras que la segunda se obtiene a partir de tensiones y 20 corrientes medidas en la carga;

xi) calcular las pérdidas en el conductor neutro a la frecuencia fundamental como:

[10]

xii) obtener la resistencia calculada del neutro () a 25 partir de la siguiente relación:

[11]

xiii) en el supuesto de que el valor de sea muy próximo a (la diferencia aceptable entre ambos valores puede fijarse por el usuario, dependiendo del error máximo admisible), la resistencia real 5 del conductor neutro queda determinada y coincide con el valor teórico obtenido en el instante inicial del procedimiento,

[12]

xiv) en el caso de que los valores de y difieran, 10 repetir las etapas v) a xii), utilizando el valor de obtenido cada vez en la etapa xii) hasta que se alcance un valor de convergencia (), que será el valor real de la resistencia del neutro,

[13] 15

xiv’) opcionalmente, determinar las pérdidas reales en el conductor neutro, basándose en la siguiente expresión:

[14]

en la que I0h es el valor eficaz de los terceros 20 armónicos; y

xv) obtener la sección real del conductor neutro como:

[15]

La longitud del cable (l0) puede estimarse con bastante aproximación a simple vista, principalmente en 25 instalaciones de baja tensión, en las que las longitudes no suelen ser grandes. También puede medirse empleando cualquiera de varios procedimientos conocidos por los

expertos en la técnica, tales como en base a los planos de la instalación, mediante el uso de metros o mediante dispositivos tales como reflectómetros.

Según una realización preferida de la presente invención, el procedimiento incluye además la etapa de 5 emitir una alarma para avisar a un usuario de una situación de peligro en caso de que la sección real del conductor neutro disminuya por debajo de un umbral determinado con respecto a la sección inicial del conductor neutro.

La cantidad de disminución de la sección del conductor 10 que da lugar a una situación de peligro depende de cada aplicación y puede determinarla fácilmente el experto en la técnica. En concreto, depende de si la línea que está analizándose está muy cargada o poco cargada. En una línea poco cargada pueden producirse reducciones de hasta 5 veces, 15 o incluso superiores, en la sección del neutro sin que las sobretensiones en las fases de las cargas sean apreciables. Sin embargo, en una línea muy cargada, bastan reducciones del neutro de tan solo un 25% para que las sobretensiones en la instalación sean peligrosas. Según una realización 20 preferida, se define un umbral de peligrosidad para las disminuciones de la sección del neutro comprendido entre el 25% y el 50% de su valor nominal.

En la figura 10 se muestra un diagrama que representa el aumento de la tensión en la carga en función de la 25 resistencia del conductor neutro, relacionada con la disminución de la sección del mismo. Se trata en este caso de una línea de cobre, de 50 m de longitud y 50 mm2 de sección, con aislamiento de PVC, trabajando en dos situaciones: descargada y muy cargada. Un aumento de 5 30 veces la resistencia del conductor neutro significa que dicho conductor está muy deteriorado; a punto de cortarse. Tal como puede apreciarse en la figura, si la línea que

conecta al transformador con la instalación eléctrica trabaja poco cargada, pueden producirse incrementos de hasta 5 veces en la resistencia de dicho conductor (lo que equivale a disminuciones del mismo valor en su sección) sin que la tensión en la carga sea peligrosa (236,82 V). Sin 5 embargo, en una línea muy cargada, bastan incrementos de resistencia del neutro de tan sólo 2 veces para alcanzar valores de tensión peligrosos (próximos a los 240 V).

Según otra realización preferida de la presente invención, el procedimiento incluye además la etapa de 10 abrir la instalación para protegerla en caso de que la sección real del conductor neutro disminuya por debajo de un umbral determinado con respecto a la sección inicial del conductor neutro.

Según una realización preferida de la presente 15 invención, se da a conocer un dispositivo para la determinación del estado del conductor neutro de una instalación eléctrica, que comprende:

- medios de entrada para la introducción de datos por parte de un usuario; 20

- medios físicos de medida y adquisición de señales eléctricas; y

- medios de cálculo programables para llevar a cabo los cálculos del procedimiento según la presente invención. 25

Según una realización preferida, el dispositivo comprende además medios de visualización para presentar al usuario el resultado de al menos uno de los valores obtenidos por los medios de cálculo programables.

Según otra realización preferida los medios de entrada 30 y los medios de visualización se combinan formando una pantalla táctil. Según otras realizaciones de la invención, los medios de entrada pueden estar constituidos por un

teclado, botones pulsadores, botones giratorios, etc., mientras que los medios de visualización están constituidos por una pantalla, medios luminosos (luces, LED, etc.) y similares.

La figura 3 muestra una realización preferida del 5 procedimiento para la determinación indirecta de la resistencia del neutro según la presente invención y su aplicación a analizadores de redes e instrumentos de vigilancia del estado de conservación del conductor neutro en instalaciones eléctricas. El procedimiento comprende las 10 siguientes etapas:

- Procesado digital (1) de señales muestreadas obtenidas por los medios físicos (véase la figura 4) de medida y adquisición de señales eléctricas del dispositivo, obteniéndose (en 3) los valores eficaces y las fases 15 iniciales de los terceros armónicos de corriente, y obteniéndose además (en 4) las matrices de valores eficaces y fases iniciales de tensión e intensidad a frecuencia fundamental para cada fase, en total seis matrices para cada fase de tensión e intensidad. 20

- Con estas matrices se obtienen (en 5) los valores eficaces y fases iniciales de las componentes de secuencia homopolar de las tensiones y corrientes de la carga a la frecuencia fundamental.

- A partir de las matrices de valores eficaces de 25 intensidad para la frecuencia fundamental (en 4) y de la tensión de secuencia homopolar (en 5), se obtienen las potencias de neutro de la carga a la frecuencia fundamental (en 6), según la expresión [3] mostrada anteriormente.

- A partir de las características iniciales de la 30 línea (sección, longitud, conductividad del conductor, según su temperatura de trabajo), se obtiene (en 2) la resistencia inicial (teórica) de la línea, según la

expresión [1], indicada anteriormente.

- A partir de las tablas que contienen los valores de los coeficientes k y a, mostradas anteriormente, y del valor inicial de la resistencia del neutro [1], se obtiene la diferencia relativa entre la potencia de neutro de la 5 carga y la potencia de neutro del sistema de acuerdo con la expresión [4], de donde se determina esta última potencia, tal como se indica en la expresión [5] mostrada anteriormente, así como la potencia de neutro de la fuente, aplicando la expresión [6], mostrada anteriormente. 10

- A partir de la potencia de neutro de la fuente y de los valores eficaces de las corrientes de línea, se obtiene el valor eficaz de la tensión homopolar de la fuente, según la expresión [7] mostrada anteriormente, así como se calcula el ángulo de desfase entre dicha tensión y 15 la corriente homopolar de la fuente de acuerdo con la expresión [8], en la que el ángulo de desfase entre las tensiones y corrientes de secuencia homopolar en la carga se han determinado según la expresión [2], indicada anteriormente. 20

- A partir de las tensiones y corrientes de secuencia homopolar en las fases de la fuente y de la carga, y de sus ángulos de desfase respectivos, se obtienen las potencias activas de secuencia homopolar en la fuente (subíndice s) y en la carga (subíndice l), según las 25 expresiones [9] mostrada anteriormente.

- A partir de las potencias activas de secuencia homopolar de la fuente y de la carga, se obtienen las pérdidas en el conductor neutro, de acuerdo con la expresión [10], así como la resistencia calculada del 30 neutro, según la expresión [11], indicada anteriormente.

- A partir de la resistencia real del neutro, definida por la expresión [12] o la expresión [13],

indicadas anteriormente, se obtienen (en 8) las pérdidas reales del neutro, de acuerdo con la expresión [14], y la sección real del conductor neutro (en 8), según la expresión [15], ambas indicadas anteriormente.

- La información gráfica y numérica de la 5 resistencia del neutro, su sección y las pérdidas en el conductor neutro, así como ciertos valores de las magnitudes físicas utilizadas durante el procedimiento, se visualizan (en 9) en unos medios de visualización, por ejemplo en una pantalla. 10

En la figura 4 se muestra un dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento anteriormente descrito mostrado en la figura 3. En este caso, el dispositivo comprende unos medios físicos de medida y adquisición de señales eléctricas (A) (hardware) y un procesador (B), así 15 como un programa de medida (medios de cálculo) de la resistencia del neutro (C) y unos medios de visualización (D).

Los medios físicos (A) comprenden unos acondicionadores de señal y una tarjeta de adquisición de 20 datos; los primeros adaptan los valores instantáneos de las tensiones y corrientes del secundario de unos sensores de medida de tensión e intensidad (E), de tal manera que las tensiones en sus salidas pueden ser aplicables a las entradas analógicas de la tarjeta de adquisición o medios 25 equivalentes, que convierte las señales analógicas de tensión e intensidad en una serie de muestras discretas que se utilizan como entrada en el programa de medida. Asimismo hay un procesador (B) con una placa base en la que se coloca la tarjeta de adquisición para que se puedan 30 intercambiar las muestras discretas de las señales de tensión e intensidad con el programa de medida (C), en el cual pueden introducirse las especificaciones iniciales de

la línea y del neutro (sección, longitud y conductor). Además hay una pantalla táctil u otros medios de visualización (D) en los que se visualiza toda la información sobre las formas de onda y el valor de todas las magnitudes eléctricas relacionadas con la medida de la 5 resistencia del conductor neutro, de su sección y pérdidas, a saber: tensiones, intensidades, potencias de neutro del sistema y sus componentes en la fuente y en la carga.

El programa de medida (C) comprende los siguientes módulos (figura 5): 10

- Módulo de procesado digital de señal (11), que adquiere muestras de tensión e intensidad, y las guarda en un vector para cada una de ellas.

- Módulo de resistencia teórica del neutro (13), que calcula la resistencia inicial del neutro, de acuerdo con 15 la expresión [1], basándose en los datos de sección, longitud y conductividad del conductor introducidos en la entrada de datos de usuario (12).

- Módulo de análisis (14), en el que se obtienen los valores eficaces y la fase inicial de las tensiones y 20 corrientes de frecuencia fundamental, así como las corrientes de terceros armónicos, a partir de las muestras adquiridas en el módulo de procesado digital de señal (11).

- Módulo de simétricas (15), que obtiene las matrices de las componentes de secuencia homopolar, en valor eficaz 25 y en fase, de las tensiones y corrientes de la carga a la frecuencia fundamental, a partir de las matrices obtenidas en el módulo anterior.

- Módulo de potencias de neutro (16), encargado de obtener los valores de las potencias de neutro del sistema 30 y de sus componentes en la fuente y en la carga, así como las potencias de secuencia homopolar en la fuente y en la carga y las pérdidas energéticas en el conductor neutro,

según las expresiones [2] a [10], a partir de las matrices de tensiones y corrientes de los dos módulos anteriores, así como de las matrices de valores de diferencia relativa de las potencias de neutro de la carga y del sistema, correspondientes a cada valor de la resistencia teórica del 5 neutro, obtenida en el módulo (13).

- Módulo de resistencia del neutro y pérdidas (17), en el que se obtiene la resistencia y la sección real del conductor neutro, así como las pérdidas en dicho conductor, basándose en los datos obtenidos en el módulo de potencias 10 de neutro (16), de acuerdo con las expresiones [11] a [15].

- Módulo de visualización (18), encargado de mostrar en una pantalla la información gráfica y numérica de la resistencia, sección y pérdidas en el conductor neutro, así como la información sobre el estado de conservación de 15 dicho conductor en una barra con tres colores (verde, amarillo o naranja y rojo), tal como se muestra en la figura 6.

Aunque no se muestra en las figuras, según una realización preferida de la invención el dispositivo 20 comprende además unos medios de alarma para emitir una alarma para avisar a un usuario de una situación de peligro en caso de que la sección real del conductor neutro disminuya por debajo de un umbral determinado con respecto a la sección inicial del conductor neutro. La alarma 25 emitida por dichos medios de alarma puede ser, por ejemplo, una alarma acústica, una alarma visual o una combinación de ambas.

La figura 7 muestra otra posible realización del procedimiento para la determinación indirecta de la 30 resistencia del neutro y su aplicación a dispositivos de protección de instalaciones eléctricas frente al deterioro del conductor neutro (relés de protección), objeto de la

presente invención. Comprende las mismas operaciones (1), (2), (4), (5) y (6) del procedimiento anterior, aplicado a la realización de analizadores de redes e instrumentos de vigilancia del estado del neutro, aunque en este caso no es necesario el cálculo de los terceros armónicos (3), ni de 5 las pérdidas en el conductor neutro (8). Como diferencia, el presente procedimiento integra el cálculo de la sección del conductor neutro dentro de la etapa 7. En concreto, a partir de las potencias activas de secuencia homopolar de la fuente y de la carga, según las expresiones [9], se 10 obtiene (en 7) la resistencia real del neutro, de acuerdo con las expresiones [10] a [13], así como la sección real del conductor neutro (en 7), según la expresión [15], indicada anteriormente.

Adicionalmente, el procedimiento comprende la 15 siguiente nueva etapa:

- En función de los valores de la resistencia y de la sección real del conductor neutro y de su comparación con un valor establecido como referencia (entre 1,25 y 1,5 veces la resistencia nominal del conductor neutro), se 20 activarán unos medios de protección (en 10), que pueden ser la bobina de activación de un interruptor mecánico o el circuito de disparo para un interruptor estático.

El dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento de protección, como se muestra en la figura 25 8, comprende unos medios físicos de medida y adquisición de señales eléctricas (A) (hardware) y un procesador (B), así como un programa de medida (medios de cálculo) de la resistencia del neutro (F) y unos medios de protección (G) formados por unos medios de activación (H) y un interruptor 30 (I).

Las señales de salida de los sensores internos de medida de tensión e intensidad (E) se adaptan por unos

acondicionadores de señal y se aplican a las entradas analógicas de una tarjeta de adquisición de datos o medios equivalentes, elementos, todos ellos, que integran los medios físicos de adquisición de datos (A), mostrados en la figura 8. La tarjeta de adquisición de datos se encuentra 5 dispuesta en una placa base de un procesador (B), que intercambia con el programa (F) las muestras discretas de las señales de tensión e intensidad, procedentes de la tarjeta de adquisición de datos; el programa (F) admite la introducción de las especificaciones iniciales de la línea 10 y del neutro (sección, longitud y conductividad del conductor), por parte del usuario, e intercambia información con los medios de activación (H) de los medios de protección (G), gestionando la aplicación o no de una señal de activación de un interruptor (I), obtenida a 15 través de los medios físicos (A), en función de las condiciones en las que se encuentra el conductor neutro.

El programa (F) consta de los mismos módulos (11) a (15), con funciones similares que en la aplicación para analizadores de redes e instrumentos de vigilancia del 20 estado del conductor neutro descrito anteriormente, y comprende, adicionalmente, los siguientes módulos (figura 9):

- Módulo de potencias de neutro (19), encargado de obtener los valores de las potencias de neutro del sistema 25 y de sus componentes en la fuente y en la carga, según las expresiones [2] a [10], a partir de las matrices de tensiones y corrientes de los módulos (14) y (15), así como de las matrices de valores de diferencia relativa de las potencias de neutro de la carga y del sistema, 30 correspondientes a cada valor de la resistencia teórica del neutro, obtenida en el módulo (13); este módulo integra también el cálculo de la resistencia y de la sección real

del conductor neutro, de acuerdo con las expresiones [11], [12], [13] y [15], no siendo estrictamente necesaria la determinación de las pérdidas en el neutro para esta aplicación.

- Módulo de protección (20), encargado de decidir la 5 aplicación de la señal de activación del interruptor (I) en función del valor de la resistencia (o de la sección) del conductor neutro, obtenido del módulo anterior.

La invención se ha descrito según realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia 10 resultará evidente que pueden introducirse múltiples variaciones en dichas realizaciones preferentes sin apartarse del objeto de la invención reivindicada.

Claims (18)

1. REIVINDICACIONES

   1. Procedimiento para la determinación del estado del conductor neutro en una instalación eléctrica que comprende las etapas de:

   i) calcular la resistencia teórica del neutro () 5 en el instante inicial, a partir de las siguientes características de la línea: sección nominal inicial del conductor (A0), generalmente conocida, longitud estimada o medida del cable (l0) y conductividad (0) del conductor utilizado 10 (generalmente de cobre o aluminio), a la temperatura de trabajo nominal del cable, determinada por las normativas vigentes, dependiendo del tipo de línea (subterránea, aérea o interior), 15

   [1]

   ii) adquirir los valores instantáneos de tensión (vA, vB, vC) e intensidad (iA, iB, iC) de las fases (A, B, C) en el punto de conexión de las cargas con la red eléctrica, separando sus componentes a la 20 frecuencia fundamental, (vA1, vB1, vC1) y (iA1, iB1, iC1), de las corrientes de frecuencia no fundamental (iAh, iBh, iCh);

   ii-a) determinar, a partir de las componentes a la frecuencia fundamental, las 25 componentes de secuencia homopolar a la frecuencia fundamental de las tensiones (v01l) y corrientes (i01);

   iii) obtener el ángulo de desfase entre las tensiones y corrientes de secuencia homopolar en la carga, 30 a la frecuencia fundamental (01l), como la

   diferencia entre la fase inicial de dichas tensiones y corrientes (01l, 01):

   [2]

   iv) calcular la potencia de neutro de la carga a la frecuencia fundamental (Sn1l) según la siguiente 5 expresión:

   [3]

   v) determinar el valor de la diferencia relativa c entre la potencia de neutro de la carga y la potencia de neutro del sistema, comenzando por 10 sustituir el valor = en la siguiente función potencial

   [4]

   en la que los valores de k y de a se conocen a partir de tablas mostradas a continuación en el 15 presente documento;

   vi) calcular la potencia de neutro del sistema a la frecuencia fundamental (), como:

   [5]

   vii) determinar la potencia de neutro de la fuente a 20 la frecuencia fundamental () basándose en la siguiente expresión:

   [6]

   viii) obtener el valor eficaz de la tensión de secuencia homopolar en la fuente, a la 25 frecuencia fundamental (), de acuerdo con la expresión:

   [7]

   ix) calcular el ángulo de desfase () entre las tensiones y corrientes de secuencia homopolar en la fuente, a la frecuencia fundamental, según la expresión: 5

   [8]

   x) determinar las potencias activas de secuencia homopolar de la fuente () y de la carga (P01l), a la frecuencia fundamental, en función de las siguientes expresiones: 10

   [9]

   en el que la primera de ellas se calcula, mientras que la segunda se obtiene a partir de tensiones y corrientes medidas en la carga;

   xi) calcular las pérdidas en el conductor neutro a 15 la frecuencia fundamental como:

   [10]

   xii) obtener la resistencia calculada del neutro () a partir de la siguiente relación:

   [11] 20

   xiii) en el caso de que el valor de sea muy próximo a , la resistencia real del conductor neutro queda determinada y coincide con el valor teórico obtenido en el instante inicial del procedimiento, 25

   [12]

   xiv) en el caso de que los valores de y difieran, repetir las etapas v) a xii), utilizando el valor de obtenido cada vez en la etapa xii) hasta alcanzar un valor de convergencia (), que será el valor real de la 5 resistencia del neutro,

   [13]

   xv) obtener la sección real del conductor neutro como:

   [15] 10
2. 2. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además la etapa ii-b) de determinar, a partir de las corrientes de frecuencia no fundamental, las corrientes de terceros armónicos (i0h).
3. 3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado 15 por que comprende además la etapa xiv’) de determinar las pérdidas reales en el conductor neutro, basándose en la siguiente expresión:

   [14]
4. 4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 anteriores, caracterizado por que comprende además la etapa de emitir una alarma para avisar a un usuario de una situación de peligro en caso de que la sección real del conductor neutro disminuya por debajo de un umbral determinado con respecto a la sección inicial 25 del conductor neutro.
5. 5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende además la etapa de abrir la instalación para protegerla en caso de que la sección real del conductor neutro disminuya 30

   por debajo de un umbral determinado con respecto a la sección inicial del conductor neutro.
6. 6. Dispositivo para la determinación del estado del conductor neutro en una instalación eléctrica, comprendiendo dicho dispositivo: 5

   - medios de entrada para la introducción de datos por parte de un usuario;

   - medios físicos de medida y adquisición de señales eléctricas; y

   - medios de cálculo programables para llevar a cabo 10 los cálculos del procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.
7. 7. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado por que comprende además:

   - sensores de medida de tensión e intensidad; y 15

   - un procesador.
8. 8. Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado por que los medios físicos de medida y adquisición de señales eléctricas comprenden:

   - acondicionadores de señal para adaptar los valores 20 proporcionados por los sensores de medida de tensión e intensidad; y

   - una tarjeta de adquisición de datos que recibe señales adaptadas de los acondicionadores de señal y las comunica a los medios de cálculo programables 25 a través del procesador.
9. 9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado por que comprende además unos medios de visualización para presentar al usuario el resultado de al menos uno de los valores obtenidos por 30 los medios de cálculo programables.
10. 10. Dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado por que los medios de entrada y los medios de

    visualización se combinan formando una pantalla táctil.
11. 11. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, caracterizado por que comprende además unos medios de alarma para emitir una alarma para avisar a 5 un usuario de una situación de peligro en caso de que la sección real del conductor neutro disminuya por debajo de un umbral determinado con respecto a la sección inicial del conductor neutro.
12. 12. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado 10 por que los medios de alarma emiten una alarma acústica.
13. 13. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11 y 12, caracterizado por que los medios de alarma emiten una alarma visual. 15
14. 14. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 13, caracterizado por que los medios de cálculo comprenden:

    - un módulo de procesado digital de señal;

    - un módulo de resistencia teórica del neutro; 20

    - un módulo de análisis;

    - un módulo de simétricas;

    - un módulo de potencias de neutro;

    - un módulo de resistencia del neutro y pérdidas; y

    - un módulo de visualización. 25
15. 15. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8 y 11 a 13, caracterizado por que comprende además unos medios de protección para abrir la instalación para protegerla en caso de que la sección real del conductor neutro disminuya por debajo de un umbral 30 determinado con respecto a la sección inicial del conductor neutro.
16. 16. Dispositivo según la reivindicación 15, caracterizado

    por que los medios de protección comprenden unos medios de activación y un interruptor activado por los medios de activación.
17. 17. Dispositivo según la reivindicación 16, caracterizado por que los medios de activación son una bobina de 5 activación.
18. 18. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17, caracterizado por que los medios de cálculo comprenden:

    - un módulo de procesado digital de señal; 10

    - un módulo de resistencia teórica del neutro;

    - un módulo de análisis;

    - un módulo de simétricas;

    - un módulo de potencias de neutro; y

    - un módulo de protección. 15