MÉTODO DE DETECTAR UNA FALLA DE TIERRA Y APARATO INTERRUPTOR ELÉCTRICO OUE EMPLEA EL MISMO
Antecedentes de la Invención Campo de la Invención Esta invención se refiere generalmente a aparatos interruptores eléctricos y, de manera mas particular, a disyuntores de circuito de falla de tierra. La invención también se refiere a métodos de detectar una falla de tierra. Información Antecedente Los disyuntores de circuito son usados para proteger circuitos eléctricos contra daños debidos a una condición de sobre-corriente, tal como una condición de sobrecarga o una condición de falla o corto circuito relativamente de alto nivel. Por ejemplo, en respuesta a la condición de sobre-corriente, se libera un mecanismo operador impulsado por resorte, a fin de abrir contactos separables del disyuntor de circuito y, de esta manera, interrumpir el flujo de corriente en un sistema de energía protegido. Ejemplos de disyuntores de circuito son divulgados en las patentes US 5,910,760; 6,137,386; 6,144,271; y 6,853,279, que se incorporan en la presente por referencia. En muchas aplicaciones, el disyuntor de circuito también provee protección contra fallas de tierra. Típicamente, un circuito electrónico detecta fuga de corriente a tierra y
genera una señal de disparo de falla de tierra. Por ejemplo, esta señal de disparo energiza un solenoide de disparo de desviación, que libera el mecanismo operador para disparar la apertura de los contactos separables . Un tipo común de circuito de detección de falla de tierra es el detector de oscilador durmiente que incluye bobinas sensoras primera y segunda. Los conductores de línea y neutro del circuito protegido pasan a través de la primera bobina sensora. La salida de esta bobina es aplicada a través de un capacitor de acoplamiento a un amplificador de operaciones seguido por un comparador de ventana que tiene dos valores de referencia. Una falla de línea a tierra ocasiona que la magnitud de la señal amplificada exceda la magnitud de los valores de referencia y, de esta manera, genere una señal de disparo. Al menos el conductor neutro del circuito protegido pasa a través de la segunda bobina sensora. Una falla de neutro a tierra acopla las dos bobinas sensoras, lo que hace que oscile el amplificador, con ello dando como resultado la generación de la señal de disparo. Ver, a manera de ejemplo, las patentes US 5,260,676 y 5,293,522. La corriente de falla de tierra es convencionalmente medida o detectada con algún tipo de transformador de corriente de suma. Para un circuito de energía de tres conductores (v.gr., fases A, B y C) , o cuatro conductores (v.gr. , neutro mas fases A, B y C) , por ejemplo, este transformador de corriente suma las
tres o cuatro corrientes de los conductores y provee una salida que corresponde a la magnitud del desbalance entre las corrientes de los conductores . En algunos disyuntores de circuito conocidos, de varios polos, la corriente de tierra es detectada ya sea internamente, vía un transformador de corriente secundario (v.gr. , montado en una tarjeta de circuito impreso para sumar las corrientes secundarias de los transformadores de corriente de las diversas fases), o externamente, vía un transformador de corriente primario (v.gr., un transformador de corriente de tierra de fuente, que suma la corriente primaria) . En cualquiera de los ejemplos, la salida del transformador de corriente, que normalmente debe ser de cero, representa cualquier corriente de falla de tierra. Existe margen de mejora en aparatos interruptores eléctricos que provean detección de falla de tierra. También existe margen de mejora en métodos de detectar una falla de tierra. Compendio de la Invención Estas y otras necesidades son satisfechas mediante formas de realización de la invención, que eliminan la necesidad de cualquier tipo de transformador de corriente de suma, con ello reduciendo el costo y la complejidad del aparato interruptor eléctrico, tal como un disyuntor de circuito. De acuerdo con un aspecto de la invención, un método de
detectar una falla de tierra de un circuito de energía de corriente alterna, incluyendo una pluralidad de conductores de energía, comprende: para cada uno de los conductores de energía, detectar una corriente alterna que fluye en un conductor correspondiente de los conductores de energía, determinar si la corriente alterna detectada es positiva o negativa, rectificar la corriente alterna detectada para proveer un valor de corriente rectificada, convertir el valor de corriente rectificada a un valor digital con signo que tiene un signo positivo, y cambiar el signo positivo del valor digital con signo a un signo negativo si la corriente alterna detectada es negativa; añadir el valor digital con signo para cada conductor correspondiente de los conductores de energía para proveer una suma; y emplear la suma para determinar si se da como salida una señal de falla de tierra. Como otro aspecto de la invención, un aparato interruptor eléctrico comprende: una pluralidad de conductores de energía; varios pares de contactos separables, cada par de los varios pares estando conectado eléctricamente en serie con un conductor correspondiente de los conductores de energía; un mecanismo operador estructurado para abrir y cerrar los varios pares de contactos separables; para cada uno de los conductores de energía, un sensor de corriente estructurado para detectar una corriente alterna que fluye en un conductor correspondiente de los conductores de energía, un comparador estructurado para
determinar si la corriente alterna detectada es positiva o negativa, un rectificador estructurado para rectificar la corriente alterna detectada para proveer un valor de corriente rectificada, y un convertidor de analógico a digital estructurado para convertir el valor de corriente rectificado a un valor digital con signo que tiene un signo positivo; y un procesador que coopera con el comparador y el convertidor de analógico a digital para cada uno de los conductores de energía, el procesador comprendiendo una rutina estructurada para cambiar el signo positivo del valor digital con signo a un signo negativo si la corriente alterna detectada es negativa, añadir el valor digital con signo para cada uno de los conductores de energía para proveer una suma, y emplear la suma para determinar si da como salia una señal de falla de tierra, el procesador cooperando además con el mecanismo operador para disparar la apertura de los varios pares de contactos separables en respuesta a la señal de falla de tierra. Breve Descripción de los Dibujos Una plena comprensión de la invención puede lograrse a partir de la siguiente descripción de las formas de realización preferidas, cuando se lee en conjunción con los dibujos acompañantes, en los cuales: la figura 1 es un diagrama de bloques de un disyuntor de circuito que incluye un microprocesador de acuerdo con formas de realización de la invención;
la figura 2 es un diagrama de flujo de firmware ejecutado por el microprocesador de la figura 1. Descripción de las Formas de Realización Preferidas La invención es descrita en asociación con un disyuntor de circuito de tres polos que incluye tres conductores de fase y un conductor neutro, aunque la invención es aplicable a un amplio rango de aparatos interruptores eléctricos teniendo una pluralidad de conductores de energía. Como ejemplos no limitativos, puede haber un conductor de energía neutro y cualquier número adecuado de conductores de energía de fase. De manera alternativa, puede haber un sistema de dos conductores de energía, que es un sistema de una sola fase (v.gr. , sin limitación, línea y neutro) . En ausencia de una falla de tierra, la corriente que fluye a través del disyuntor de circuito en un conductor de energía (v.gr., sin limitación, de línea) debe normalmente igualar a la corriente que fluye de regreso a través del otro conductor de energía (v.gr., sin limitación, neutro) del disyuntor de circuito. Como otra alternativa, puede haber un sistema de tres fases sin un neutro, o puede haber un sistema de cuatro conductores de energía donde hay tres conductores de energía de fase y un conductor de energía neutro. El conductor de energía neutro puede o no ser interrumpido. Como se emplea en la presente, el término "varios" significará uno o un entero mayor de uno (es decir, una plurali-dad) .
Haciendo referencia a la figura 1, un aparato interruptor eléctrico, tal como un disyuntor de circuito 2, incluye un conductor de energía neutro (N) 4, varios conductores de energía de fase (v.gr., se muestran tres conductores de energía de fase (A, B y C) 6, 18, 10), y varios pares de contactos separables (v.gr., se muestran cuatro contactos separables 12, aunque la invención es aplicable a aparatos interruptores eléctricos en los cuales el conductor de energía neutro (N) 4 no sea interrumpido) . Cada par de los contactos separables 12 de ejemplo está conectado eléctricamente en serie con un conductor correspondiente del los conductores de energía 4, 6, 8, 10. Como es convencional, un mecanismo operador 14 adecuado está estructurado para abrir y cerrar los contactos separables 12 en respuesta, por ejemplo, a una bobina de disparo 16 que está siendo energizada a través de un circuito con una sola salida o interfaz (no mostrados) . De acuerdo con un importante aspecto de la invención, para cada uno de los conductores de energía 4, 6, 8, 10 de ejemplo, se provee un circuito 18, como se describirá. Como se muestra, por ejemplo, con el conductor de energía de fase A 6, el circuito 18 incluye un sensor de corriente, tal como el transformador de corriente (CT) 20, estructurado para detectar una corriente alterna 21 que fluye en el conductor de energía correspondiente (v.gr., el conductor de energía de fase A 6) , un comparador 22 que determina si la corriente alterna 24 detectada dada como salida del CT 20 es positiva o negativa, un circuito
rectificador 26 (v.gr. , sin limitación, un rectificador de puente de onda completa) que rectifica la corriente alterna 24 detectada para proveer un valor de corriente rectificada 28, y un convertidor de analógico a digital (ADC) 30 que convierte el valor de corriente rectificada 28 en un valor digital con signo 32 que tiene un signo positivo. Un procesador, tal como un microprocesador (µ?) 34, coopera con el comparador 22 y el ADC 30 para cada uno de los conductores de energía 4, 6, 8, 10. El comparador 22 determina si la corriente alterna 24 detectada es positiva 36 o negativa 38, comparando la corriente alterna 24 detectada a un valor de referencia 40 predeterminado, adecuado (v.gr., sin limitación, 2.5 VDC) . La salida 56 del comparador 22 es una señal digital que es ya sea baja o alta. Por ejemplo, si el medio ciclo de la corriente alterna 24 es positivo, entonces esta señal digital será baja. De otra manera, si el medio ciclo de la corriente alterna es negativo, entonces la señal digital será alta. De manera alternativa, la invención es aplicable a la señal digital siendo alta para la corriente alterna 24 siendo positiva, y la señal digital siendo baja para la corriente alterna siendo negativa. Como se discutirá mas adelante en mayor detalle, con relación a la figura 2, el µ? 34 incluye una rutina 42 estructurada para cambiar el signo positivo del valor digital con signo 32 a un signo negativo si la corriente alterna 24 detectada es negativa, según se determina por el comparador 22, añadir los
valores digitales con signo correspondientes a todos los conductores de energía 4, 6, 8, 10 para proveer una suma, y emplear la suma para determinar si se da como salida a manera de respuesta, en la salida 44 del micro-computador (pC) , una señal de disparo de falla de tierra 46, la cual energiza la bobina de disparo 16. De esta manera, el µ? 34 coopera con el mecanismo operador 14 para disparar la apertura de los contactos separables 12 en respuesta a la señal de disparo de falla 46. Como se muestra en la figura 1, las corrientes de las tres fases (v.gr. , la corriente alterna 21 del conductor de energía de fase A 6) y la corriente neutra fluyen a través de los cuatro conductores de energía 4, 6, 8, 10 del disyuntor de circuito 2. Aunque se muestran cuatro conductores de energía 4, 6, 8, 10, la invención es aplicable a aparatos interruptores eléctricos que tienen una pluralidad de conductores de energía (v.gr., sin limitación, línea y neutro; fases A, B y C con o sin neutro) . Para cada uno de los cuatro conductores de energía 4, 6, 8, 10 de ejemplo, la corriente alterna, tal como la corriente 21, es detectada como la corriente primaria por el CT 20. La corriente secundaria 24 del CT 20 es pasada a través del circuito rectificador 26. El valor de corriente rectificada 28 del circuito rectificador 26 es rectificado en onda completa, como se muestra. Este valor de corriente rectificada 28 es usado tanto para proveer corriente a una fuente de energía (no mostrada) para el micro-computador (yC) 48 como para medición de corriente por
el µ? 34 (v.gr. , sin limitación, para varias rutinas de protección incluyendo, pero sin limitarse a, la rutina de falla de tierra 42) . Por ejemplo, la medición de corriente es lograda aplicando la corriente alterna 24 detectada a través de un resistor de carga de precisión (no mostrado) del circuito rectificador 26. Este resistor de carga traduce la corriente secundaria a un voltaje correspondiente que se aplica al canal ADC 50 correspondiente. La corriente correspondiente en cualquiera de los conductores de energía 4, 6, 8, 10 es entonces muestreada por un circuito adecuado, tal como el canal 50 correspondiente de un ADC de cuatro canales 52 de ejemplo del C 48. El yC 48 incluye una pluralidad de entradas y salidas digitales, tales como la salida 44 para la señal de disparo de falla de tierra 46 y una pluralidad de entradas 54 para las salidas 56 de los comparadores 22. Haciendo referencia a la figura 2, la rutina de µ? 42 es mostrada. Primero, en 60, el µ? 34 de la figura 1 lee la amplitud digital del valor de corriente rectificada 28 del canal 50 correspondiente del ADC 52 y el signo 36 o 38 de la corriente alterna detectada 24 del comparador 22 correspondiente para el conductor de energía 6 de la fase A. Los pasos 62, 64 y 66 proveen funciones correspondientes para el conductor de energía 8 de fase B, el conductor de energía 10 de fase C y el conductor de energía 4 neutro, respectivamente. A continuación, en 68, se determina si el signo 36 o
38, como se lee en 60, de la corriente alterna detectada 24 del comparador 22 para el conductor de energía 6 de fase A es un uno lógico, lo que corresponde a un valor de corriente alterna negativo. En contraste, un cero lógico corresponde a un valor de corriente alterna positivo. En caso afirmativo, entonces en 70, el signo positivo de la amplitud digital del valor de corriente rectificada 28 para el conductor de energía 6 de fase A, como se lee en 60, es cambiado a un signo negativo. De otra manera, después de ya sea 68 o 70, la ejecución se reanuda en 72. Los pasos 72 y 74, 76 y 78, y 80 y 82, proveen funciones correspondientes para el conducto de energía 8 de fase B, el conductor de energía 10 de fase C, y el conductor de energía 4 neutro, respectivamente. Después de ya sea 80 u 82, en 84, los valores digitales con signo, como se leen en 60, 62, 64, 66, o como se modifican en 70, 72, 74, 76, son añadidos para proveer una suma (G) . A continuación, en 86, se acumula una suma 88 de los cuadrados de la suma (G) . Como un ejemplo no limitativo, las muestras individuales de corriente de tierra (G) son elevadas al cuadrado y sumadas para proveer una suma global de cuadrados por ciclo de línea. Por ejemplo, un ciclo de línea de corriente a 60 Hz dura alrededor de 16.666 mseg. Hay quince muestras de corriente de línea y de tierra tomadas durante un ciclo de línea de corriente (v.gr., quince muestras a intervalos de 1.11 mseg) . Las muestras individuales son elevadas al cuadrado y sumadas para obtener un
valor rms de la corriente durante todo el ciclo. Esta suma es empleada, en 94, para determinar si hay una condición de falla de tierra o no. Después de 86, en 90, se determina si está completo un ciclo de línea. Como un ejemplo no limitativo, esto se determina después de que quince muestras de corriente de línea y de tierra han sido muestreadas y acumuladas a través de quince iteraciones de pasos 60-86 pares. Si no, entonces en 92, el siguiente conjunto de muestras es obtenido iniciando en 60. De otra manera, en 94, se determina si la suma 88 del paso 86 excede de un valor de disparo predeterminado. En caso afirmativo, entonces, en 96, el µ? 34 fija la señal de disparo de falla de tierra 46 en la salida 44 del C, lo que energiza la bobina de disparo 16 y, de esta manera, dispara la apertura de los contactos separables 12 para los conductores de energía 4, 6, 8, 10 en respuesta a la señal de disparo de falla de tierra 46. Por otra parte, si la suma 88 del paso 86 no excede el valor de disparo predeterminado, entonces se reanuda la ejecución en 92 para el siguiente ciclo de línea. Continuando con referencia a las figuras 1 y 2, si las corrientes instantáneas, tales como la corriente alterna 21, en los cuatro conductores de energía 4, 6, 8, 10 no suman cero de manera instantánea, entonces hay corriente que fluye a tierra. En otras palabras, si hay un desbalance en las corrientes de los cuatro conductores de energía, tales como 21, entonces existe una
corriente de falla de tierra correspondiente. A fin de detectar un desbalance en estas corrientes de los conductores de energía, existe la necesidad de sumar las corrientes de los cuatro conductores de energía en forma de corriente alterna (AC) . Sin embargo, después de que la corriente alterna detectada 24 de la figura 1 pasa a través del circuito rectificador 26 correspondiente, se pierde la información de signo instantánea, correspondiente (positivo o negativo) . El circuito 18 divulgado de la figura 1 y el µ? 48 conservan o preservan esta información de signo (positivo 36 o negativo 38) de una corriente de conductor de energía individual, tal como 21, para uso posterior. El circuito 18 detecta el signo de la corriente AC 21 y provee una salida 56 con ya sea un valor digital bajo, en 36, o un valor digital alto, en 38, a partir del comparador 22, dependiendo del signo de la corriente alterna detectada, secundaria 24. Conociendo la magnitud de las corrientes de los cuatro conductores de energía a partir de los ADCs 30 correspondientes y los respectivos signos de este circuito 18, cualquier desbalance/ corriente de falla de tierra (G) se reconstruye en el µ? 34 en 84 en la figura 2. Ejemplo 1 Para una aplicación de disyuntor de circuito de línea de energía neutra mas una sola línea de energía, no se llevan a cabo los pasos 62, 64, 72, 74, 76, 78, y la suma, en 84, es justo para los valores digitales con signo como se leen en 60, 66, o
como se modifican en 70, 82. Ejemplo 2 Como una alternativa al Ejemplo 1, el número de conductores de energía de fase puede ser dos o mas conductores de energía de fase. Ejemplo 3 El disyuntor de circuito 2 de la figura 1 incluye una capacidad nominal de bastidor, y el valor predeterminado del paso 94 es un porcentaje predeterminado de la capacidad nominal de bastidor . Ejemplo 4 Como ejemplos no limitativos, el valor de disparo predeterminado puede ser cualquier umbral de disparo adecuado. Por ejemplo, el porcentaje predeterminado del Ejemplo 3 es seleccionado del grupo que consiste en 20, 40, 60, 80 y 100% de la capacidad nominal de bastidor del disyuntor. Ejemplo 5 Como un ejemplo no limitativo, la capacidad nominal de bastidor del disyuntor de circuito 2 es de alrededor de 400 A. Ejemplo 6 Como se muestra con el conductor de energía 6 de fase A, la corriente alterna 21 incluye una pluralidad de cruces en cero para el conductor de energía 6. El valor digital con signo 32 corresponde de manera directa a un valor instantáneo del valor de corriente rectificado 28. La rutina µ? 42 está estructurada
de preferencia para ejecución de repetición de manera reiterada (del paso 90 o 94 al paso 92) sin importar la sincronía de los cruces en cero. Como un ejemplo no limitativo, se toman quince conjuntos de muestras cada ciclo de línea (v.gr., sin limitación, alrededor de cada 1.11 mseg para una línea de energía de 60 Hz) . En otras palabras, la ejecución de la rutina 42 y la lectura de los valores en los pasos 60, 62, 64, 66, puede ser asincrona con las formas de onda de corriente alterna de las corrientes de los conductores de energía, tales como la corriente 21. Por ende, en este ejemplo, la corriente alterna 24 detectada (y el valor digital con signo 32 correspondiente) son valores instantáneos de la corriente alterna 21 que fluye en un conductor correspondiente de los conductores de energía 4, 6, 8, 10. Ejemplo 7 De manera alternativa, o en adición a los pasos 86, 90, 92, 94 y 96, la suma (G) es empleada para determinar si la corriente de tierra está sobre un nivel predeterminado adecuado para retraso corto y/o instantáneo. Ejemplo 8 De manera alternativa, o en adición a los pasos 86, 90, 92, 94 y 96, para retraso largo, hay una suma que incluye, por ejemplo, doscientos cuarenta muestras al cuadrado en vez de la suma previamente discutida de quince muestras al cuadrado. Aunque se han descrito en detalle formas de realización específicas de la invención, los técnicos en la materia aprecia-
rán que pueden desarrollarse diversas modificaciones y alternativas a esos detalles a la luz de las enseñanzas globales de la divulgación. En consecuencia, se pretende que los arreglos particulares divulgados sea ilustrativos únicamente y no limitativos del ámbito de la invención, al que debe darse toda la amplitud de las reivindicaciones anexas y cualquiera y todos sus equivalentes .