ES2874849A1 - SYSTEM AND METHOD OF LOCATION OF BRANCH WITH GROUND FAULT IN DIRECT CURRENT ELECTRICAL SYSTEMS WITH SEVERAL BRANCHES IN PARALLEL (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
SISTEMA Y MÉTODO DE LOCALIZACIÓN DE RAMA CON FALTA A TIERRA SYSTEM AND METHOD OF LOCATION OF BRANCH WITH GROUND FAULT
EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE CORRIENTE CONTINUA CON VARIAS IN ELECTRICAL SYSTEMS OF DIRECT CURRENT WITH SEVERAL
RAMAS EN PARALELOBRANCHES IN PARALLEL
OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION
Sistema y método de localización de rama con falta a tierra en sistemas eléctricos de corriente continua con varias ramas en paralelo basado en la medida de las corrientes de rama y en la puesta a tierra de una impedancia desde un punto eléctrico del sistema a través de un interruptor que conmuta permitiendo o no el retorno de la corriente de defecto una vez se produce una falta a tierra y que analiza las corrientes de cada rama para cada posición del interruptor.System and method of locating branch with earth fault in direct current electrical systems with several branches in parallel based on the measurement of branch currents and grounding an impedance from an electrical point of the system through a switch that switches allowing or not the return of the fault current once an earth fault occurs and that analyzes the currents of each branch for each position of the switch.
La presente invención localiza la rama con defecto a tierra entre las distintas ramas en paralelo de un sistema de corriente continua pudiendo ser el sistema de ramas paralelo equilibrado o no equilibrado. Siendo así de aplicación preferente en sistemas de almacenamiento o generación en corriente continua, por ejemplo y sin carácter limitativo en baterías de coches eléctricos o paneles fotovoltaicos.The present invention locates the ground fault branch between the different parallel branches of a direct current system, the parallel branch system being able to be balanced or unbalanced. Thus, being of preferential application in storage systems or generation in direct current, for example and without limitation in batteries of electric cars or photovoltaic panels.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
Los sistemas de corriente continua están aumentando su presencia en los sistemas eléctricos de potencia debido a la inserción de nuevas capacidades de almacenamiento como las baterías o energía renovable como puede ser la energía solar fotovoltaica. A su vez, también se hacen más latentes en los vehículos, con la electrificación de estos mediante el uso de baterías.Direct current systems are increasing their presence in electrical power systems due to the insertion of new storage capacities such as batteries or renewable energy such as photovoltaic solar energy. In turn, they also become more latent in vehicles, with the electrification of these through the use of batteries.
Para obtener tensiones y corrientes de operación considerablemente elevadas, se han de instalar configuraciones serie-paralelo de elementos (por ejemplo en baterías o en plantas fotovoltaicas) que pueden dificultar el diagnóstico y protección frente a faltas eléctricas.To obtain considerably high operating voltages and currents, series-parallel configurations of elements must be installed (for example in batteries or in photovoltaic plants) that can make it difficult to diagnose and protect against electrical faults.
La protección frente a faltas eléctricas en el sistema eléctrico es de vital importancia para garantizar su buen funcionamiento y la seguridad del personal de operación. El riesgo es considerable frente a faltas a tierra, que pueden provocar corrientes de falta entre dos puntos del circuito si la primera falta no se subsana a tiempo. Por lo que numerosos aparatos se han desarrollado para proteger instalaciones de corriente continua frente a este tipo de faltas, entre los que cabe citar:Protection against electrical faults in the electrical system is of vital importance to guarantee its proper functioning and the safety of personnel. of operation. The risk is considerable against earth faults, which can cause fault currents between two points in the circuit if the first fault is not corrected in time. Therefore, numerous devices have been developed to protect direct current installations against this type of fault, among which we can mention:
- La invención US 20160336899 A1 “PHOTOVOLTAIC SYSTEMS WITH ABNORMALITY DETECTION ARCHITECTURE” trata de localizar las faltas a tierra en o entre celdas midiendo la corriente diferencial entre cada una de las conexiones entre celdas.- The invention US 20160336899 A1 "PHOTOVOLTAIC SYSTEMS WITH ABNORMALITY DETECTION ARCHITECTURE" tries to locate earth faults in or between cells by measuring the differential current between each of the connections between cells.
- La invención US 9853443 B2 “ARC FAULT DETECTION AND EXTINGUISHING” trata de una protección para paneles solares con dos interruptores de conmutación que adquieren distintas posiciones durante el estado sano de operación o durante el estado en falta. La conmutación de estos interruptores permite extinguir faltas si se producen. Para el control de los interruptores se procede a un análisis probabilístico de frecuencia en ondas de corriente de rama a partir de un control PID (controlador proporcional, integral y derivativo) donde si la corriente es menor que un cierto valor calculado, la protección se dispara.- The invention US 9853443 B2 "ARC FAULT DETECTION AND EXTINGUISHING" deals with a protection for solar panels with two commutation switches that acquire different positions during the healthy state of operation or during the faulty state. The switching of these switches allows faults to be extinguished if they occur. To control the switches, a probabilistic analysis of the frequency in branch current waves is carried out from a PID control (proportional, integral and derivative controller) where if the current is less than a certain calculated value, the protection trips .
- El modelo de utilidad con número de publicación ES-1257934 U “SISTEMA DE DETECCIÓN DE FALTAS A TIERRA O CONTRA EL CHASIS EN SISTEMAS DE CORRIENTE CONTINUA CON INVERSORES ALIMENTADOS A PARTIR DE BATERÍAS” trata de una impedancia de puesta a tierra donde se registra corriente o tensión. Si el sistema detecta que la onda tiene componente de corriente continua, esto implica la existencia de una falta en corriente continua.- The utility model with publication number ES-1257934 U "FAULT DETECTION SYSTEM TO GROUND OR AGAINST THE CHASSIS IN DIRECT CURRENT SYSTEMS WITH INVERTERS SUPPLIED FROM BATTERIES" deals with a grounding impedance where current is registered or tension. If the system detects that the wave has a direct current component, this implies the existence of a direct current fault.
- El artículo técnico donde se expone la técnica del documento anterior: J.- The technical article where the technique of the previous document is exposed: J.
M. Guerrero, G. Navarro, C. A. Platero, P. Tian and F. Blázquez, "A Novel Ground Fault Detection Method for Electric Vehicle Powertrains Based on a Grounding Resistor Voltage Analysis," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 56, no. 5, pp.4934-4944, Sept.-Oct. 2020.M. Guerrero, G. Navarro, CA Platero, P. Tian and F. Blázquez, "A Novel Ground Fault Detection Method for Electric Vehicle Powertrains Based on a Grounding Resistor Voltage Analysis," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 56, no. 5, pp. 4934-4944, Sept.-Oct. 2020.
- En el método desarrollado en el artículo Yue Pan, Xuning Feng, Mingxuan Zhang, Xuebing Han, Languang Lu, Minggao Ouyang, ,"Internal short circuit detection for lithium-ion battery pack with parallelseries hybrid connections,” Journal of Cleaner Production, Volume 255, 2020, se detectan fallos internos en baterías mediante el análisis de las corrientes en varios puntos de cada rama. El fallo se detecta observando el desbalance de corrientes entre ramas.- In the method developed in the article Yue Pan, Xuning Feng, Mingxuan Zhang, Xuebing Han, Languang Lu, Minggao Ouyang,, "Internal short circuit detection for lithium-ion battery pack with parallelseries hybrid connections," Journal of Cleaner Production, Volume 255, 2020, internal battery failures are detected by analyzing currents at various points in each branch Failure is detected by observing the unbalance of currents between branches.
Estas invenciones proveen de útiles métodos y sistemas de protección frente a faltas a tierra o cortocircuitos de celdas en caso de no haber podido subsanar la primera falta a tiempo. Las invenciones primera, segunda y quinta mencionadas anteriormente utilizan medidas de corriente en las ramas para poder caracterizar la falta. En la primera se utiliza un sistema diferencial por celda, y la segunda y la quinta se basan en el análisis en frecuencia de corriente y tensión en sistemas con neutro aislado. En cualquiera de estos casos existe el problema de requerirse mucha instrumentación de medida. La tercera de las invenciones propone un punto de referencia respecto a tierra en el sistema de corriente continua, sin embargo, no es capaz de detectar la rama de baterías que tendría el defecto en caso de topologías con más de una rama en paralelo.These inventions provide useful methods and protection systems against ground faults or cell short circuits in the event of not having been able to correct the first fault in time. The first, second and fifth inventions mentioned above use current measurements in the branches to be able to characterize the fault. The first uses a differential system per cell, and the second and fifth are based on the analysis of current and voltage frequency in systems with isolated neutral. In any of these cases there is the problem of requiring a lot of measurement instrumentation. The third of the inventions proposes a reference point with respect to ground in the direct current system, however, it is not capable of detecting the battery branch that would have the fault in the case of topologies with more than one branch in parallel.
La principal ventaja de la presente invención es la localización del defecto a tierra que se produce en una rama de fuentes de corriente continua, utilizando únicamente un punto conectado a tierra mediante una impedancia de puesta a tierra, un interruptor que conecte y desconecte dicha impedancia de puesta a tierra al circuito de potencia y un único sensor de corriente por rama. El método de la invención se basa en medir la componente continua de las corrientes de cada rama, de forma que el tratamiento de datos es sencillo y rápido a efectos de la posterior protección del sistema de corriente continua.The main advantage of the present invention is the location of the ground fault that occurs in a branch of direct current sources, using only a point connected to ground by an impedance of grounding, a switch that connects and disconnects said impedance of grounding to the power circuit and a single current sensor per branch. The method of the invention is based on measuring the direct component of the currents of each branch, so that the data processing is simple and fast for the purposes of the subsequent protection of the direct current system.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
La invención localiza la rama con falta a tierra de sistemas de corriente continua con varias ramas en paralelo, abordando las limitaciones y desventajas que presenta el estado de la técnica previo.The invention locates the ground fault branch of direct current systems with several branches in parallel, addressing the limitations and disadvantages presented by the prior state of the art.
Una realización de la invención considera un sistema de localización de rama con falta a tierra en sistemas eléctricos de corriente continua con varias ramas en paralelo, que consigue estimar y localizar que rama de un sistema serieparalelo, como baterías, paneles solares u otro tipo de elementos con el mismo tipo de configuración, tiene la falta a tierra, una vez detectada la falta a tierra de forma convencional (por ejemplo mediante la lectura de tensión y/o corriente en una impedancia de puesta a tierra), con el sistema de corriente continua en funcionamiento. Obviamente esta detección de falta a tierra se puede realizar mediante cualquier otro sistema o protección configurada para realizar esta función. Posteriormente, una vez detectado el defecto, se utiliza el sistema y método objeto de la presente invención para la localización de la rama con defecto a tierra.One embodiment of the invention considers a branch location system with earth fault in direct current electrical systems with several branches in parallel, which manages to estimate and locate which branch of a parallel series system, such as batteries, solar panels or other types of elements with the same type of configuration, has the earth fault , once the earth fault has been detected in a conventional way (for example by reading voltage and / or current in a grounding impedance), with the direct current system in operation. Obviously, this ground fault detection can be carried out by any other system or protection configured to carry out this function. Subsequently, once the defect has been detected, the system and method object of the present invention is used to locate the branch with a ground fault.
De acuerdo con lo anterior, se requiere el empleo de un sistema de detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua que, por ejemplo, comprenda:In accordance with the foregoing, the use of a ground fault detection system is required in direct current systems that, for example, includes:
- al menos una impedancia de puesta a tierra, conectada entre un punto energizado del circuito y tierra donde se mide tensión entre sus terminales;- at least one grounding impedance, connected between an energized point of the circuit and ground where voltage is measured between its terminals;
- al menos un subsistema detector de falta a tierra que considera la lectura de tensión entre terminales de la impedancia de puesta a tierra, que en caso de disponer de lectura con valor distinto de cero, considera la existencia de un defecto a tierra;- at least one ground fault detector subsystem that considers the voltage reading between the grounding impedance terminals, which in the event of having a reading with a value other than zero, considers the existence of a ground fault;
El sistema de localización de rama con falta a tierra en sistemas de corriente continua con varias ramas en paralelo, de la invención se caracteriza por que comprende:The ground fault branch location system in direct current systems with several branches in parallel, of the invention is characterized in that it comprises:
- al menos un interruptor de puesta a tierra dispuesto en serie con una impedancia de puesta a tierra;- at least one earthing switch arranged in series with an earthing impedance;
- al menos un subsistema emisor de señales de conmutación configurado para abrir y cerrar el interruptor de puesta a tierra para conectar o no el sistema de corriente continua a tierra a través de la impedancia de puesta a tierra y provocar circulación de corriente de falta a tierra cuando al cerrar el interruptor de puesta a tierra existe una falta a tierra;- at least one switching signal emitting subsystem configured to open and close the earthing switch to connect or not the direct current system to earth through the earthing impedance and cause earth fault current flow when closing the earthing switch there is an earth fault;
- al menos un sensor de corriente en cada rama paralelo del sistema de corriente continua, para medida de la corriente en cada rama;- at least one current sensor in each parallel branch of the system of direct current, to measure the current in each branch;
- al menos un subsistema de registro de corrientes de ramas paralelo que registra las medidas de la corriente de cada rama para cada posición de dicho interruptor;- at least one parallel branch current recording subsystem that records the current measurements of each branch for each position of said switch;
- al menos un subsistema de cálculo de variación de corrientes de rama paralelo que calcula la variación de corriente en cada rama para cada posición del interruptor de puesta a tierra según la expresión:- at least one parallel branch current variation calculation subsystem that calculates the current variation in each branch for each position of the earthing switch according to the expression:
Donde:Where:
j: es el número de rama en paralelo de fuentes de corriente continua que conforma el sistema de corriente continua.j: is the number of parallel branch of direct current sources that make up the direct current system.
I1j: es la corriente registrada en la rama “j” para la posición abierta del interruptor de puesta a tierra.I1j: is the current registered in branch “j” for the open position of the earthing switch.
I2j: es la corriente registrada en la rama “j” para la posición cerrada del interruptor de puesta a tierra.I2j: is the current registered in branch “j” for the closed position of the earthing switch.
AIj: es la diferencia relativa de corriente entre las posiciones abierta y cerrada del interruptor de puesta a tierra para la rama paralelo “j”.AIj: is the relative difference in current between the open and closed positions of the earthing switch for the parallel branch “j”.
- al menos un subsistema localizador de rama con falta que establece la rama con falta de defecto a tierra como la rama que experimenta mayor variación de corriente entre los estados abierto y cerrado del interruptor de puesta a tierra.- at least one faulty branch locator subsystem that establishes the faulty branch to earth as the branch that experiences the greatest current variation between the open and closed states of the earthing switch.
Además la invención prevé la incorporación de un subsistema emisor de señal de alarma configurado para emitir una señal de alarma a un dispositivo de diagnóstico o protección externo al sistema, cuando se ha detectado la posición de una rama con defecto.Furthermore, the invention provides for the incorporation of an alarm signal emitting subsystem configured to emit an alarm signal to a diagnostic or protection device external to the system, when the position of a faulty branch has been detected.
En el caso del método de localización de ramas con falta a tierra en sistemas eléctricos de corriente continua con varias ramas en paralelo que comprende detectar la existencia de una rama con defecto de falta a tierra, y se caracteriza por que además comprende:In the case of the ground fault branch location method in direct current electrical systems with several branches in parallel, which comprises detecting the existence of a branch with ground fault fault, and is characterized because it also includes:
• al menos una etapa de emisión de señales de conmutación para abrir y cerrar un interruptor de puesta a tierra del sistema de corriente continua, y provocar circulación de corriente de defecto a tierra cuando se cierra el interruptor y existe una falta a tierra; • at least one stage of emission of switching signals to open and close a grounding switch of the direct current system, and cause ground fault current flow when the switch is closed and there is a ground fault;
• al menos una etapa de medida de la corriente que circula por cada rama paralelo del sistema de corriente continua;• at least one step for measuring the current flowing through each parallel branch of the direct current system;
• al menos una etapa de registro de las medidas de corriente de cada rama para cada posición del interruptor de puesta a tierra; • at least one stage of recording the current measurements of each branch for each position of the earthing switch;
• al menos una etapa de cálculo de variación de corrientes de rama en cada posición del interruptor de puesta a tierra, que calcula dicha variación de corriente en cada rama según la expresión:• at least one branch current variation calculation stage in each position of the earthing switch, which calculates said current variation in each branch according to the expression:
Donde:Where:
j: es el número de rama en paralelo del sistema de corriente continua.j: is the number of parallel branch of the direct current system.
I1j: es la corriente registrada en la rama “j” para la posición abierta del interruptor de puesta a tierra.I1j: is the current registered in branch “j” for the open position of the earthing switch.
I2j: es la corriente registrada en la rama “j” para la posición cerrada del interruptor de puesta a tierra.I2j: is the current registered in branch “j” for the closed position of the earthing switch.
AIj: es la diferencia relativa de corriente entre las posiciones abierta y cerrada del interruptor de puesta a tierra para la rama paralelo “j”.AIj: is the relative difference in current between the open and closed positions of the earthing switch for the parallel branch “j”.
• al menos una etapa localizadora de la rama con falta a tierra que establece la rama con falta a tierra como la rama que experimenta mayor variación de corriente entre los estados abierto y cerrado del interruptor de puesta a tierra.• at least one ground fault branch locator stage that establishes the ground fault branch as the branch that experiences the greatest current variation between the open and closed states of the ground switch.
En el método se prevé una etapa de emisión de una señal de alarma para dispositivos externos, comprendiendo dicha señal de alarma información de la localización de la rama con defecto.In the method, a stage of emission of an alarm signal is foreseen to external devices, said alarm signal comprising information on the location of the faulty branch.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURASBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Se describen aquí de forma breve una serie de figuras, de ejemplos no limitativos, que ayudan a comprender mejor la invención:A series of figures, non-limiting examples, that help to better understand the invention are briefly described here:
La figura 1 muestra una realización de la invención para un sistema de corriente continua con una batería con cuatro ramas en paralelo que alimenta un variador de frecuencia, que a su vez, provee de corriente alterna a un motor. Se mide la corriente de las cuatro ramas a través de sensores en el extremo de salida de cada rama. El punto medio de la primera rama se puede conectar a tierra a través de un interruptor.Figure 1 shows an embodiment of the invention for a direct current system with a battery with four parallel branches that feeds a frequency inverter, which in turn provides alternating current to a motor. The current of the four branches is measured through sensors at the outlet end of each branch. The midpoint of the first branch can be connected to ground via a switch.
La figura 2 muestra la realización de la figura 1 pero los puntos medios de las diferentes ramas están unidos eléctricamente y se mide la corriente de cada rama en el punto medio.Figure 2 shows the embodiment of Figure 1 but the midpoints of the different branches are electrically linked and the current of each branch is measured at the midpoint.
La figura 3 muestra una realización de la invención para un sistema de corriente continua compuesto de un batería con cuatro ramas en paralelo que alimenta una carga resistiva. Se ha representado la impedancia de puesta a tierra conectado al punto medio de la primera rama mediante el interruptor de puesta a tierra. En esta figura y en la siguiente se ha omitido la representación de los subsistemas 9 a 14 de las figuras anteriores, para su simplificación.Figure 3 shows an embodiment of the invention for a direct current system composed of a battery with four parallel branches that supplies a resistive load. The grounding impedance connected to the midpoint of the first branch by the grounding switch has been plotted. In this figure and in the following one, the representation of subsystems 9 to 14 of the previous figures has been omitted, for its simplification.
La figura 4 muestra la realización de la figura 3 pero indicando la corriente de defecto que se establece cuando el interruptor de puesta a tierra está en posición cerrado.Figure 4 shows the embodiment of figure 3 but indicating the fault current that is established when the earthing switch is in the closed position.
La figura 5 muestra un posible diagrama de flujo de la operación del método de la invención para la localización la rama con falta a tierra en sistemas de corriente continua con varias ramas en paralelo.Figure 5 shows a possible flow diagram of the operation of the method of the invention for locating the branch with ground fault in direct current systems with several branches in parallel.
La figura 6 es un ejemplo de medida de corriente en cada una de las ramas de un sistema de corriente continua con fuentes de corriente continua para ambas posiciones de interruptor de conmutación de puesta a tierra. Figure 6 is an example of current measurement in each of the branches of a direct current system with direct current sources for both positions of the grounding switching switch.
REFERENCIAS NUMÉRICAS DE LAS FIGURASNUMERICAL REFERENCES OF THE FIGURES
(1) Polo positivo de un sistema de corriente continua;(1) Positive pole of a direct current system;
(2) Polo negativo de un sistema de corriente continua;(2) Negative pole of a direct current system;
(3) Variador de frecuencia;(3) Frequency inverter;
(4) Motor de corriente alterna;(4) Alternating current motor;
(5) Fuente de corriente continua;(5) Direct current source;
(6) Impedancia de puesta a tierra;(6) Grounding impedance;
(7) Interruptor de puesta a tierra;(7) Earthing switch;
(8) Subsistema de medida de tensión;(8) Voltage measurement subsystem;
(9) Subsistema emisor de señales de conmutación;(9) Switch signal emitting subsystem;
(10) Sensor de corriente;(10) Current sensor;
(11) Subsistema de registro de corrientes de ramas paralelo;(11) Parallel branch current recording subsystem;
(12) Subsistema de cálculo de variación de corrientes de rama; (13) Subsistema de localización de rama con falta;(12) Branch current variation calculation subsystem; (13) Faulty branch location subsystem;
(14) Subsistema emisor de señal de alarma;(14) Subsystem emitting alarm signal;
(15) Resistencia de carga;(15) Load resistance;
(16) Resistencia de falta a tierra;(16) Earth fault resistance;
(17) Corriente de defecto a tierra;(17) Ground fault current;
(18) Medida de tensión en la impedancia de puesta a tierra;(18) Measurement of voltage at grounding impedance;
(19) Etapa de indicación de defecto a tierra;(19) Ground fault indication stage;
(20) Etapa de medida de corriente en cada posición del interruptor; (21) Medidas de corriente y posición de interruptor;(20) Current measurement stage in each switch position; (21) Current measurements and switch position;
(22) Etapa de cálculo de variación de corrientes de rama;(22) Branch current variation calculation stage;
(23) Etapa de localización de rama con falta;(23) Stage of locating the missing branch;
(24) Etapa de emisión de señal de alarma;(24) Stage of alarm signal emission;
(25) Tiempo; (25) Time;
(26) Corriente;(26) Current;
DESCRIPCIÓN DE LA FORMA DE REALIZACIÓN PREFERIDADESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT
Se procede a continuación a hacer una descripción en profundidad de las figuras y de un ejemplo no limitativo explicativo de la invención.An in-depth description of the figures and an explanatory non-limiting example of the invention follows.
La figura 1 muestra un accionamiento eléctrico compuesto por una fuente de corriente continua (5) con cuatro ramas en paralelo conectadas entre terminales positivo (1) y negativo (2) que alimenta a un variador de frecuencia (3) que a su vez provee de corriente alterna a un motor eléctrico (4). En este sistema se ha instalado una impedancia de puesta a tierra (6) a través de un interruptor de puesta a tierra (7). La impedancia de puesta a tierra se conecta en el punto medio de una de las ramas. Dicho sistema dispone de un subsistema de medida de tensión (8) en la impedancia de puesta a tierra (6) que permite distinguir con dicha lectura de tensión si existe o no la presencia de una falta a tierra. Siendo la tensión en la impedancia nula cuando el sistema está sano y teniendo valor distinto a cero cuando existe una falta a tierra, con el interruptor en la posición cerrado. A su vez, se dispone de un subsistema emisor de señales de conmutación (9) que envía señales de cierre y apertura al interruptor (7) y a un subsistema de registro de corrientes de ramas paralelo (11) para que conozca y registre el estado de dicho interruptor, de forma que el subsistema de registro de corrientes de ramas paralelo (11) recopila y registra las corrientes de cada rama, mediante unos sensores de corriente (10), en cada posición del interruptor, y envía dichos registros a un subsistema de cálculo de variación de corrientes de rama (12) que está configurado para calcular las variaciones de corriente entre las posiciones del interruptor abierto y cerrado en cada rama, según la expresión:Figure 1 shows an electric drive composed of a direct current source (5) with four parallel branches connected between positive (1) and negative (2) terminals that feeds a frequency variator (3) which in turn provides alternating current to an electric motor (4). In this system a grounding impedance (6) has been installed through a grounding switch (7). The grounding impedance is connected at the midpoint of one of the branches. Said system has a voltage measurement subsystem (8) in the grounding impedance (6) that makes it possible to distinguish with said voltage reading whether or not there is the presence of a ground fault. Being the voltage at zero impedance when the system is healthy and having a value other than zero when there is a ground fault, with the switch in the closed position. In turn, there is a switching signal emitter subsystem (9) that sends closing and opening signals to the switch (7) and to a parallel branch current recording subsystem (11) so that it knows and records the status of said switch, so that the parallel branch current recording subsystem (11) collects and records the currents of each branch, by means of current sensors (10), in each position of the switch, and sends said records to a subsystem of branch current variation calculation (12) which is configured to calculate the current variations between the open and closed switch positions in each branch, according to the expression:
j: es el número de rama paralelo de fuentes de corriente continua que conforma el sistema de corriente continua.j: is the number of parallel branch of direct current sources that make up the direct current system.
I1j: es la corriente registrada en la rama “j” para la posición abierta del interruptor de puesta a tierra.I1j: is the current registered in branch “j” for the open position of the earthing switch.
I2j: es la corriente registrada en la rama “j” para la posición cerrada del interruptor de puesta a tierra.I2j: is the current registered in branch “j” for the closed position of the earthing switch.
AIj: es la diferencia relativa de corriente entre las posiciones abierta y cerrada del interruptor de puesta a tierra para la rama paralelo “j”.AIj: is the relative difference in current between the open and closed positions of the earthing switch for the parallel branch “j”.
Estas señales son enviadas a un subsistema localizador de rama con falta (13) que considera la rama con mayor variación de corriente como la rama en falta. Finalmente, la información sobre la rama en falta es enviada a un subsistema de emisión de alarma (14) que se comunica con dispositivos externos a la invención.These signals are sent to a faulty branch locator subsystem (13) that considers the branch with the greatest current variation as the faulty branch. Finally, the information about the missing branch is sent to an alarm emission subsystem (14) that communicates with devices external to the invention.
La figura 2 muestra una variante del sistema representado en la figura 1, cuyo funcionamiento es el mismo, pero en este caso se han unido todos los puntos medios de las cuatro ramas, con lo que la corriente de cada rama, en lugar de medirla a la salida de la rama como se realizaba en el ejemplo anterior, en este caso se mide en el punto medio mediante los sensores (10).Figure 2 shows a variant of the system represented in figure 1, whose operation is the same, but in this case all the midpoints of the four branches have been joined, so that the current of each branch, instead of measuring it at the branch output as done in the previous example, in this case it is measured at the midpoint by means of the sensors (10).
La figura 3 muestra un sistema de corriente continua donde las fuentes de corriente continua (5) que constan de cuatro ramas en paralelo, alimentan a una resistencia de carga (15). Cuando se produce una falta a tierra, aparece una resistencia de falta a tierra (16) en una de las ramas, pero si el interruptor conmutador de puesta a tierra está en la posición abierto (7), como sucede en esta figura, no se detecta la existencia de corriente de defecto en el sistema de corriente continua.Figure 3 shows a direct current system where direct current sources (5) consisting of four branches in parallel, feed a load resistance (15). When an earth fault occurs, an earth fault resistor (16) appears in one of the branches, but if the earthing switch is in the open position (7), as in this figure, it is not detects the existence of fault current in the direct current system.
La figura 4 muestra el mismo sistema representado en la figura 3, pero en este caso el interruptor conmutador de puesta a tierra (7) está en la posición cerrado por lo que cuando hay una falta a tierra se permite la circulación de cierta corriente de falta (17) entre los puntos puestos a tierra, es decir el defecto y la impedancia de puesta a tierra (6).Figure 4 shows the same system represented in figure 3, but in this case the earthing switch (7) is in the closed position so that when there is a ground fault, a certain fault current is allowed to flow. (17) between the grounded points, that is the fault and the grounding impedance (6).
La variación entre estado sano y estado en falta producido por la conmutación del interruptor de puesta a tierra (7) permite la localización de la rama con defecto según el diagrama de la figura 5, donde se expone una posible realización no limitativa de la invención. El diagrama propone una etapa de medida de tensión y/o corriente donde se obtiene la medida de tensión en la impedancia de puesta a tierra (18) en la posición cerrada de interruptor (7). La medida se procesa en una etapa de indicación de defecto a tierra (19), donde si el valor es distinto de nulo implica la presencia de una falta. En caso afirmativo, se procede a una etapa de emisión de señales de conmutación para abrir y cerrar el interruptor (7) y se mide la corriente de cada rama en cada posición del interruptor y (20), que se procesan en una etapa de cálculo de variación de corrientes de rama (22) donde se calcula la variación relativa en corriente de cada rama para cada posición del interruptor como:The variation between the healthy state and the faulty state produced by the switching of the earthing switch (7) allows the location of the faulty branch according to the diagram of figure 5, where a possible non-limiting embodiment of the invention is exposed. The diagram proposes a stage of voltage and / or current measurement where the voltage measurement is obtained at the grounding impedance (18) in the closed position of the switch (7). The measurement is processed in an earth fault indication stage (19), where if the value is different from null it implies the presence of a fault. If so, a switching signal emission stage is carried out to open and close the switch (7) and the current of each branch is measured in each position of the switch and (20), which are processed in a calculation stage of variation of branch currents (22) where the relative variation in current of each branch for each switch position is calculated as:
donde:where:
j: es el número de rama paralelo de fuentes de corriente continua que conforma el sistema de corriente continua.j: is the number of parallel branch of direct current sources that make up the direct current system.
I1j: es la corriente registrada en la rama “j” para la posición abierta de un interruptor de puesta a tierra.I1j: is the current registered in branch “j” for the open position of an earthing switch.
I2j: es la corriente registrada en la rama “j” para la posición cerrada de un interruptor de puesta a tierra.I2j: is the current registered in branch “j” for the closed position of an earthing switch.
AIj: es la diferencia relativa de corriente entre las posiciones abierta y cerrada de un interruptor de puesta a tierra para la rama paralelo “j”. AIj: is the relative difference in current between the open and closed positions of an earthing switch for the parallel branch “j”.
Posteriormente, una etapa de localización de rama con falta (23) localiza el defecto a tierra mediante la comparación de los resultados anteriores y estima la rama en falta como la rama cuya variación de corriente entre estados del interruptor de puesta a tierra (7) abierto y cerrado es mayor. Finalmente, la información sobre la rama en falta es enviada a equipos externos para el diagnóstico y protección del sistema de corriente continua mediante una etapa de emisión de señal de alarma (24).Subsequently, a faulty branch location stage (23) locates the earth fault by comparing the previous results and estimates the faulty branch as the branch whose current variation between states of the earthing switch (7) is open and closed is greater. Finally, the information on the faulty branch is sent to external equipment for the diagnosis and protection of the direct current system by means of an alarm signal emission stage (24).
La figura 6 muestra un ejemplo de captura de medidas de corriente continua para varias conmutaciones en el interruptor de puesta a tierra (7) con una impedancia de puesta a tierra de 4.7 kü en la rama 1 y una tensión total del sistema de 480 V. El sistema analizado está basado en una topología de cuatro ramas en paralelo donde se ha obtenido la corriente de cada rama mediante un sensor de corriente (10) en cada una de ellas. Se produce una falta a tierra de 1 kü en la rama 4 de fuentes de corriente continua. En los registros se muestran las corrientes de rama (26) variando en una ventana de tiempo (25) de 100 milisegundos para las cuatro ramas desequilibradas que pueden corresponder por ejemplo a las baterías de un coche eléctrico. Las corrientes en cada rama con la posición abierta y cerrada del interruptor de puesta a tierra (7) con las diferencias relativas que se observan en la figura 5 se recopilan también en la siguiente tabla:Figure 6 shows an example of DC measurement capture for various commutations on the grounding switch (7) with a grounding impedance of 4.7 kü on branch 1 and a total system voltage of 480 V. The analyzed system is based on a topology of four branches in parallel where the current of each branch has been obtained by means of a current sensor (10) in each of them. A 1 kü ground fault occurs in branch 4 of direct current sources. In the registers the branch currents (26) are shown varying in a time window (25) of 100 milliseconds for the four unbalanced branches that may correspond, for example, to the batteries of an electric car. The currents in each branch with the open and closed position of the earthing switch (7) with the relative differences observed in figure 5 are also compiled in the following table:
Con los datos anteriores se concluye que la falta se localiza en la rama 4 al ser la que más variación relativa de corriente dispone. La rama 1 dispone también de variación en la corriente al ser la rama con la impedancia de puesta a tierra instalada y retornar la corriente por dicha rama, pero en esta rama la variación relativa de corriente es menor.With the previous data it is concluded that the fault is located in branch 4 as it is the one with the most relative current variation available. Branch 1 also has a variation in the current as it is the branch with the installed grounding impedance and the current returns through said branch, but in this branch the relative variation in current is less.
El sistema y método de la invención pueden ser de utilidad en el ámbito de las baterías y la tecnología de generación fotovoltaica al tener estos sistemas grandes combinaciones serie-paralelo pudiendo ser de dificultad el diagnóstico de faltas a tierra. The system and method of the invention can be useful in the field of batteries and photovoltaic generation technology, as these systems have large series-parallel combinations, making it difficult to diagnose ground faults.
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Citations (3)
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| JP2017075930A (en) * | 2015-10-13 | 2017-04-20 | 富士電機株式会社 | Method and device for measuring insulation resistance of dc power feeding circuit |
| EP3264550A1 (en) * | 2016-06-21 | 2018-01-03 | Sungrow Power Supply Co., Ltd. | Access control method for parallel direct current power supplies and device thereof |
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-
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| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2874849 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20211105 |
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