ES2635132B1 - Sistema y método para detectar una condición de fase abierta en la alimentación a un transformador trifásico de arranque - Google Patents
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Abstract
Sistema y método para detectar una condición de fase abierta en la alimentación a un transformador trifásico de arranque.#La presente invención se refiere a un sistema y método para detectar una condición de fase abierta en la alimentación a un transformador trifásico de arranque (1). Este transformador trifásico de arranque (1) es utilizado para vincular una red eléctrica (2) con al menos unos sistemas auxiliares presentes en las centrales nucleares y que deben ser alimentados eléctricamente durante diferentes etapas de operación de las centrales nucleares. En donde el transformador trifásico de arranque (1) comprende un bobinado primario (4) con tres fases (4A, 4B, 4C) conectadas en estrella y un neutro rígido (4N) conectado a tierra y vinculado con una unidad de medida de intensidad configurada para medir la intensidad para detectar una condición de fase abierta.
Description
SISTEMA Y METODO PARA DETECTAR UNA CONDICION DE FASE ABIERTA EN LA ALIMENTACION A UN TRANSFORMADOR TRIFASICO DE ARRANQUE
DESCRIPCION
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OBJETO DE LA INVENCION
La presente invencion se refiere a un sistema y metodo para detectar una condicion de fase abierta en la alimentacion a un transformador trifasico de arranque.
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Este transformador trifasico de arranque es preferentemente utilizado para vincular una red electrica con al menos unos sistemas auxiliares presentes en las centrales nucleares y que deben ser alimentados electricamente durante diferentes etapas de operacion de las centrales nucleares.
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ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Actualmente, las centrales nucleares se desactivan periodicamente para realizar tareas de mantenimiento y recarga de combustible, debido a esto, se requiere 20 alimentar electricamente los sistemas auxiliares de la central nuclear durante dichos periodos no operativos y durante la etapa de arranque de la central nuclear, asi como cuando sobreviene una situacion de indisponibilidad de la red principal.
Mas concretamente, el transformador trifasico de arranque proporciona energia a los 25 sistemas auxiliares cuando estos lo requieran.
Los transformadores de arranque son imprescindibles para asegurar la alimentacion de los servicios auxiliares en parada caliente, parada fria o recarga, cuando la alimentacion principal no esta disponible.
De este modo, la disponibilidad y la fiabilidad de la fuente de alimentacion alternativa deben garantizarse, incluso en los periodos en los que no se esta utilizando, para asegurar el funcionamiento de la central nuclear.
La aparicion de una condition de fase abierta en la alimentation no permite la alimentation electrica a los servicios auxiliares y, por tanto, supone un grave problema de seguridad en las centrales nucleares.
5 Debido a esto, recientemente se ha puesto de relieve la necesidad de detectar condiciones de fase abierta, especialmente en condiciones de carga cero, o proximas a cero, que pueden ocurrir en las alimentaciones a este tipo de transformadores trifasicos de arranque, a fin de asegurar el trabajo de las centrales nucleares en todos sus modos de funcionamiento.
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Actualmente, la solicitud de patente WO2015126412A1 describe una solution para detectar la condicion de fase abierta. Mas concretamente, dicha solicitud de patente describe un metodo de detection basado en la aplicacion de una tension en el neutro del transformador trifasico de arranque y en el analisis armonico de la intensidad del 15 neutro en condiciones normales y en condiciones de fase abierta. De este modo, sin condiciones de fase abierta, la intensidad del neutro contiene el 3° armonico, pero no contiene 5° armonico. Por el contrario, en condiciones de fase abierta, la intensidad del neutro no contiene 3° armonico, pero contiene 5° armonico.
20 A pesar de esto, simplemente el analisis del contenido en armonicos de la intensidad del neutro no ofrece siempre information de la condicion de fase abierta. Esto es debido a que la asimetria del circuito magnetico de los transformadores trifasicos imposibilitaba la consideration del 3° armonico como elemento discriminante. Medidas realizadas en el neutro del transformador trifasico de arranque en la central nuclear de 25 Cofrentes (138kV/6,9 kV) mostraron una muy baja intensidad de neutro en condiciones normales de funcionamiento, poniendo en evidencia las carencias del metodo descrito en la solicitud de patente WO2015126412A1.
Alternativamente a este metodo, es conocido, comercialmente, un sistema que utiliza 30 tres transformadores de intensidad opticos instalados en cada uno de los "bushing” de alta tension de un transformador trifasico para medir su intensidad. Este sistema monitoriza la intensidad de cada una de las fases del transformador trifasico. Basicamente, cuando no se produce una condicion de fase abierta, la intensidad medida por el transformador de intensidad optico es igual a la intensidad de vado. Por
el contrario, cuando manifiesta una condition de fase abierta, la intensidad medida de una o dos fases sera nula.
Mas concretamente, este sistema esta basado fundamentalmente en transformadores 5 de intensidad opticos que cuentan con una capacidad de medir intensidades muy pequenas con una gran precision en contraste con los transformadores de intensidad inductivos. Los transformadores de intensidad opticos son tecnologias con mas de 30 anos de existencia que comienzan a irrumpir en el mercado del transporte y la distribution electrica hoy en dia, pero cuya presencia en sistemas electricos de 10 centrales nucleares es pequena y su experiencia operativa baja.
Una importante debilidad asociada a este sistema es la manifestation de la propia condicion de fase abierta. Concretamente, cuando ocurre este fenomeno, la intensidad medida por el transformador de intensidad no se convierte en nula debido a la 15 intensidad capacitiva del "bushing” del transformador trifasico, imposibilitando la detection de la misma. Asi mismo, dependiendo de en que parte de la red electrica ocurra la condicion de fase abierta, puede haber equipos alimentados por el transformador trifasico, tales como transformadores de tension o las propias capacitancias de las lmeas, que hacen que la intensidad medida no sea cero tras la 20 condicion de fase abierta.
Es preciso destacar que este sistema no seria de aplicacion en el transformador trifasico de arranque de centrales nucleares de configuration similar a la Central Nuclear de Cofrentes. Mas concretamente, estos transformadores trifasicos de 25 arranque estan alimentados por lmeas de tension a 132 kV y su alimentation proviene de fuentes de generation a varios kilometros del emplazamiento. Cabe destacar que esto ocurre en la mayoria de centrales a nivel mundial. Debido a este motivo, en el caso de una condicion fase abierta con falta de alta impedancia a tierra, habria una intensidad por el defecto de falta impedancia, por lo que el paso de intensidad no 30 pasaria a ser nulo.
Adicionalmente, mediante cualquiera de los metodos o sistemas conocidos, hasta ahora, es diffcil detectar la presencia de una condicion de fase abierta para transformadores trifasicos que incorporan el bobinado primario en estrella con neutro a
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tierra, ya que al monitorizar la tension no se detecta la condition de fase abierta en estas circunstancias debido a que el transformador trifasico de arranque recrea la tension de la fase perdida.
Ademas, los transformadores con condiciones de carga cero, o proximas a cero, tal como los transformadores de arranque o auxiliares, presentan serios problemas para detectar condiciones de fase abierta.
Por tanto, existe la necesidad de detectar condiciones de fase abierta de forma temprana y previa a las transferencias de servicios auxiliares a estas fuentes de tension y potencia. Esto es especialmente critico en los transformadores que recrean la tension de la fase abierta, que son, principalmente, los que cumplen las siguientes condiciones:
- Primario en estrella y con neutro rigido a tierra.
- Algun devanado en triangulo (ya sea secundario, terciario de compensation...) y/o nucleo magnetico de tres columnas.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
En la presente invention se describe un sistema para detectar una condicion de fase abierta en un transformador trifasico de arranque que comprende un bobinado primario y un primer y/o un segundo bobinado secundario, y que se encuentra en condiciones de carga cero, o proximas a cero, en donde:
• el bobinado primario comprende tres fases conectadas en estrella y un neutro rigido conectado a tierra,
• el bobinado primario comprende conectores destinados a conectar el transformador trifasico de arranque a una red electrica,
• el neutro rigido esta vinculado con una unidad de medida de intensidad configurada para medir la intensidad del neutro rigido,
• el primer y/o el segundo bobinado secundario comprende tres fases conectadas en triangulo y/o conectadas en un paquete magnetico de tres columnas, y
• el primer y/o el segundo bobinado secundario comprende conectores destinados a conectar el transformador trifasico de arranque a una red electrica auxiliar de
una central nuclear para alimentar electricamente al menos unos sistemas
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auxiliares.
Mas concretamente, el sistema comprende:
• un banco de condensadores vinculado a bornes de conexion de cada fase del bobinado primario para incrementar la intensidad del neutro rigido hasta un valor diferenciador susceptible de ser medido cuando sucede la condicion de fase abierta y diferenciado de unos incrementos transitorios de intensidad en el neutro rigido.
Adicionalmente, la unidad de medida de intensidad comprende un transformador de intensidad y un equipo de medida vinculado con una unidad de control para monitorizar la intensidad del neutro rigido.
El metodo para detectar la condicion de fase abierta en el transformador trifasico de arranque descrito anteriormente comprende:
• medir, mediante la unidad de medida de intensidad, la intensidad del neutro rigido del bobinado primario,
• monitorizar, mediante la unidad de control, la intensidad del neutro rigido del bobinado primario,
• detectar, mediante dicha unidad de control, si el valor de la intensidad del neutro rigido es igual o mayor que el nivel diferenciador y
• notificar, mediante la unidad de control, que se ha igualado o superado dicho valor diferenciador, y por tanto que ha surgido la condicion de fase abierta en el bobinado primario del transformador trifasico de arranque.
DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripcion que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracteristicas de la invencion, de acuerdo con un ejemplo preferente de realization practica de la misma, se acompana como parte integrante de dicha descripcion, un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista esquematica de la conexion de un transformador trifasico de
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arranque con una red electrica y una red electrica auxiliar de una central nuclear.
Figura 2.- Muestra esquematicamente el transformador trifasico de arranque sin una condicion de fase abierta.
Figura 3.- Muestra esquematicamente el transformador trifasico de arranque con una condicion de fase abierta.
Figura 4.- Muestra esquematicamente una realizacion preferente simplificada en el transformador trifasico de arranque de la central nuclear de Cofrentes.
REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
En una realizacion preferente de la invencion, tal y como se muestra en la figura 1, el sistema comprende un transformador trifasico de arranque (1) situado entre la conexion de una red electrica (2) y una red electrica auxiliar (3) de una central nuclear para alimentar al menos unos sistemas auxiliares de esta central nuclear.
Mas concretamente, este transformador trifasico de arranque (1), tal y como se muestra esquematicamente en la figura 2, comprende:
• un bobinado primario (4) que comprende tres fases (4A, 4B, 4C) conectadas en estrella,
• un primer bobinado secundario (5) que comprende tres fases (5A, 5B, 5C) conectadas en triangulo,
• conectores, en el bobinado primario (4), destinados a conectar el transformador trifasico de arranque (1) a la red electrica (2),
• un neutro rigido (4N)conectado a tierra, en el bobinado primario (4), con una unidad de medida de intensidad configurada para medir la intensidad del neutro rigido (4N),
• un banco de condensadores (6A, 6B, 6C) en cada fase (4A, 4B, 4C) del bobinado primario (4) para incrementar la intensidad del neutro rigido (4N) hasta un valor diferenciador cuando sucede la condicion de fase abierta, y
• una unidad de control, vinculada con la unidad de medida de intensidad, para
detectar y monitorizar dicho valor diferenciador.
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Mas concretamente, los bancos de condensadores (6A, 6B, 6C) de cada fase (4A, 4B, 4C) se encuentran conectados en bornes de cada fase (4A, 4B, 4C), y la unidad de medida de intensidad comprende un transformador de intensidad y un equipo de medida vinculado con una unidad de control para monitorizar la intensidad del neutro rigido (4N).
Preferente, este valor diferenciador viene determinado por los siguientes calculos y condiciones.
La figura 3 esquematicamente muestra el transformador trifasico de arranque (1) en donde el bobinado primario (4) presenta una unica condicion de fase abierta, en la fase (4A).
Cuando la simetria de las tres fases (4A, 4B, 4C) del transformador trifasico de arranque (1) y del banco de condensadores (6A, 6B, 6C) es exacta la intensidad del neutro rigido (4N) es igual a cero.
Cuando las condiciones de carga del transformador trifasico de arranque (1) son cero, la intensidad de cada fase (4A, 4B, 4C) es la suma de la intensidad del banco de condensadores (6A, 6B, 6C) y de la intensidad de magnetization para cada fase (4A, 4B, 4C):
Ia = IcA + ImA [1]
Ib = IcB + ImB [2]
Ic= ICC + ImC [3]
En caso de condicion de fase abierta en la fase (4A) del bobinado primario (4), la intensidad del bobinado primario (4) y secundario (5) resultaria:
ItA= IcA + ImA [4]
I’tA= I’tA= I’TC= (IcA + ImA)/K [5]
ItB = IcB + ImA [6]
ITC = ICC + ImA [7]
Por lo tanto, las intensidades de cada fase conductora (4A, 4B, 4C) del bobinado primario
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(4) del transformador trifasico de arranque (1) y la intensidad de neutro rigido (4N) se convierten en:
Ib = (IcB + Lb) - (IcA + ImA) [8]
Ic = (Ice + Imc) - (IcA + ImA) [9]
5 In = Ib + Ie = - 3Ica - 3ImA [10]
Suponiendo que la intensidad de cada banco de condensadores (6A, 6B, 6C) es mucho mayor entre 10 y 20 veces mayor (preferentemente 17 veces mayor) que la intensidad de magnetizacion, la intensidad del neutro rigido (4N) se convierte en aproximadamente:
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In = -3Ica [11]
De este modo, el valor diferenciador de la intensidad es al menos tres veces el valor intensidad del banco de condensadores (6A, 6B, 6C).
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Un ejemplo de este sistema aplicado en la central nuclear de Cofrentes, se muestra en la figura 4, donde se ha instalado el banco de condensadores (6A, 6B, 6C) en el bobinado primario (4) con fases conectadas (4A, 4B, 4C) en estrella y neutro rigido (4N) conectado a tierra del transformador trifasico de arranque (1).
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Adicionalmente, este transformador trifasico de arranque (1) comprende el primer bobinado secundario (5) y un segundo bobinado secundario (5') para alimentar electricamente los sistemas auxiliares de la central nuclear de Cofrentes que lo requieran.
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Mas concretamente, este banco de condensadores (6A, 6B, 6C) ha sido calculado de forma que la intensidad de una fase cualquiera (4A, 4B, 4C) del bobinado primario (4) es igual a:
En donde:
I, es la intensidad de un condensador del banco de condensadores (6A, 6B, 6C) en Amperios.
Q, es la potencia de un condensador del banco de condensadores (6A, 6B, 6C) kVar (4.000 kVar)
U, es el voltaje entre dos fases (4A, 4B, 4C) cualquiera en kV (132 kV).
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De este modo, la intensidad del neutro rigido (4N) en caso de condicion de fase abierta de las fases (4A, 4B, 4C) se incrementa hasta 52,54 A y se corresponde con el valor medible.
Claims (4)
- 510152025REIVINDICACIONES1. Sistema para detectar una condicion de fase abierta en un transformador trifasico de arranque (1) que comprende un bobinado primario (4) y un primer y/o un segundo bobinado secundario (5, 5’), y que se encuentra en condiciones de carga cero, o proximas a cero, en donde:• el bobinado primario (4) comprende tres fases (4A, 4B, 4C) conectadas en estrella y un neutro rigido (4N) conectado a tierra,• el bobinado primario (4) comprende conectores destinados a conectar el transformador trifasico de arranque (1) a una red electrica (2),• el neutro rigido (4N) esta vinculado con una unidad de medida de intensidad configurada para medir la intensidad del neutro rigido (4N),• el primer y/o el segundo bobinado secundario (5, 5’) comprende tres fases conectadas en triangulo y/o conectadas en un paquete magnetico de tres columnas, y• el primer y/o el segundo bobinado secundario (5, 5’) comprende conectores destinados a conectar el transformador trifasico de arranque (1) a una red electrica auxiliar (3) de una central nuclear para alimentar electricamente al menos unos sistemas auxiliares,en donde el sistema esta caracterizado por que comprende:• un banco de condensadores (6A, 6B, 6C) que esta vinculado en bornes de conexion de cada fase (4A, 4B, 4C) del bobinado primario (4) para incrementar la intensidad del neutro rigido (4N) hasta un valor diferenciador, susceptible de ser medido por la unidad de medida de la intensidad, cuando sucede la condicion de fase abierta.
- 2. Sistema segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la unidad de medida de intensidad comprende un transformador de intensidad y un equipo de medida vinculado con una unidad de control para monitorizar la intensidad del neutro rigido (4N) y diferenciarla de incrementos transitorios de intensidad en el neutro rigido (4N) no causados por la condicion de fase abierta.51015
- 3. Metodo para detectar una condicion de fase abierta en un transformador trifasico de arranque (1) descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende:• medir, mediante la unidad de medida de intensidad, la intensidad del neutro rigido (4N) del bobinado primario (4),• monitorizar, mediante la unidad de control, la intensidad del neutro rigido (4N) del bobinado primario (4),• detectar, mediante dicha unidad de control, si el valor de la intensidad del neutro rigido (4N) es igual o mayor que el nivel diferenciador, y• notificar, mediante la unidad de control, que se ha igualado o superado dicho valor diferenciador, y por tanto que ha surgido la condicion de fase abierta en el bobinado primario (4) del transformador trifasico de arranque (1).
- 4. Metodo segun la revindication 3, caracterizado porque el valor diferenciador de la intensidad es al menos tres veces el valor de intensidad del banco de condensadores (6A, 6B, 6C).
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