WO2017212088A1 - Procedimiento y dispositivo para la determinación del estado del conductor neutro en una instalación eléctrica - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates generally to the determination of the conservation state of the neutral conductor in the low voltage (BT) electrical distribution installations and to the indirect measurement of the resistance, section and losses in said conductor, based on the analysis of the energy effects that the neutral conductor produces on the electric receivers and, more specifically, to the measure of the neutral power of the loads, as well as its application in measuring instruments dedicated to the preventive monitoring of the neutral conductor and in the realization of load protection devices and electrical installations, in general.
- BT low voltage
- the neutral conductor in the electrical distribution installations of BT has the mission of maintaining balanced the voltages of the phases of the receivers, with effective values equal or approximate to the nominal value of the voltage of the electrical network, as well as facilitating the evacuation of a part of the effects of imbalances (and also harmonic distortions), through the neutral current.
- the breakage or the decrease of the effective section of the neutral conductor in the electrical networks give rise to effects well known in industrial practice.
- the receivers of the electrical installations are subjected to permanent overvoltages (F. Redondo Qu ⁇ ntela and others, "Overvoltages due to neutral cut". University of Salamanca), which usually lead to the deterioration of said receivers and their subsequent decommissioning. .
- the deterioration of the neutral conductor can be known by direct and indirect procedures.
- the former consist of the measurement on the neutral conductor itself, applying techniques such as signal reflectometry (in time or frequency), to know its continuity.
- the indirect procedures mainly used so far are two. The first is based on the monitoring of voltages in the phases of the receivers and their protection, by means of maximum and minimum voltage relays, against overvoltages and undervoltages that occur as a result of the deterioration of the neutral conductor.
- the second indirect procedure consists in the measurement of the circulating currents through the neutral conductor.
- the vast majority of systems based on this procedure have been applied to the grounding conductor monitoring of the neutral, rather than the detection of the neutral conductor state, itself.
- US Patent 4012668A Ground fault and neutral fault detection circuit
- a system of protection of installations against earth faults is described, consisting of measuring the difference of currents in the lines and in the neutral, which could also be used to detect faults in the neutral conductor. Its main drawback is that when the differences between the phase and neutral currents are very small, the error can become important.
- this document describes a new indirect procedure that, unlike those indicated above, is capable of measuring with real accuracy the real resistance and, therefore, the actual physical section of the neutral conductor at any time, ensuring, in this way, a true preventive maintenance and effective protection of the electrical networks against deterioration or cutting of the neutral conductor.
- This procedure is based on the measurement of the energy impact of the neutral conductor on the loads.
- system neutral power S n
- the neutral power of the system (S n ) is none of the well-known active, reactive and apparent powers of the neutral, which are determined by the neutral current. It is a new power, obtained from the methodology proposed in this document, whose expression implicitly includes the previous powers, in addition to the products of voltages and currents that represent the imbalance and distortion energies, which are manifested in electrical networks as a result of the neutral conductor operation.
- the present invention discloses a method and an implementation device for indirect determination of the real value of the resistance of the neutral conductor in electrical installations of distribution of BT, as well as other parameters that inform about the state of said conductor, as are its real section and the energy losses in it, using the value of the neutral power component of the system measured in the loads at the fundamental frequency.
- the present invention discloses a method for determining the condition of the neutral conductor in an electrical installation comprising:
- initial moment based on the following characteristics of the line: initial nominal section of the conductor (A 0 ), generally known, estimated or measured length of the cable (lo) and conductivity ( ⁇ ⁇ ) of the conductor used (usually copper or aluminum ), at the nominal working temperature of the cable, determined by current regulations, depending on the type of line (underground, aerial or inside) ,
- ii) acquire the instantaneous values of voltage (v A , v B , v c ) and intensity (i A , I B , ic) of the phases (A, B, C) at the point of connection of the loads with the network electrical, separating its components at the fundamental frequency (v A i, V B I, VCI) and (i A iv ⁇ BI, ici), from non-fundamental frequency currents (i A h, ⁇ Bh, ich);
- ii-a determine, from the components at the fundamental frequency, the components of the homopolar sequence at the fundamental frequency of the voltages (v 0 n) and currents (ioi);
- the first one is calculated, while the second one is obtained from voltages and currents measured in the load;
- xi calculate the losses in the neutral conductor at the fundamental frequency such as: xii) obtain the calculated resistance of the neutral to from the following relationship:
- the procedure may include the step of issuing an alarm and / or opening the installation for protection.
- the present invention also discloses a device for determining the condition of the neutral conductor in an electrical installation.
- the device comprises:
- Figure 1 is a graph representing the variation of the relative difference ( ⁇ ) between the neutral power of the load and the neutral power of the system as a function of the increase in neutral resistance.
- Figure 2 shows the trend line of the relative difference between the neutral power of the load and the system as a function of the increase in neutral resistance, for a 30 m, 25 mm 2 section cable and 30 ° temperatures C and 70 ° C, and its adjustment to a potential function.
- Figure 3 is a diagram showing the operational sequence of the process according to a preferred embodiment of the invention, applicable to measuring and monitoring instruments of the neutral conductor state.
- Figure 6 shows a possible arrangement of the display of the measuring instrument and monitoring the condition of the neutral conductor.
- Figure 7 is a diagram showing the operational sequence of the process according to an embodiment of the invention applied to the protection of electrical installations against deterioration of the neutral conductor.
- Figure 8 is a diagram showing an embodiment of a relay for protection of electrical installations against deterioration of the neutral conductor.
- Figure 9 is a diagram showing the programming modules for the protection relay of electrical installations against deterioration of the neutral conductor.
- Figure 10 is a diagram depicting the increase in load voltage as a function of the increase in neutral conductor resistance.
- the "neutral power of the system” (S n ) is a magnitude that measures the combined effect of the energies that are manifested in the electrical installations as a result of the neutral conductor operation, which can be noticed by the different value of the apparent powers of directly connected sources and loads.
- the existence of the neutral power of the system is necessary to verify the principle of conservation of energy in the whole electrical system.
- the module of the neutral power of the system at the fundamental frequency (50-60 Hz) responds to the following expression:
- V 0 n and V 0 i s are the effective values of the homopolar sequence components of the voltages in the load and source phases, respectively, measured at the fundamental frequency at the point of connection of the loads with the mains
- I a i, I b i, I c i are the effective values of the fundamental frequency currents measured in the phases of the load.
- the neutral power of the system has apparent power units. Its expression implicitly includes Joule losses in the neutral conductor (as well as the reactive power of the neutral); for this reason, the system's neutral power (S n i) and the neutral conductor resistance (r n ) are related.
- the first component, S n i s is the neutral power of the source, a quantity that quantifies the effects of the neutral on the transformer and the lines.
- the second component, S n ii is the neutral power of the charges, which measures the energy impact of the neutral conductor on the receivers; its value is generally greater than S n i s and increases significantly as the neutral resistance increases.
- This component of the neutral power of the system allows to explain, from an energy point of view, the existence of overvoltages in the loads and the greater value of the apparent power of the unbalanced and distorted loads, above the apparent power of the sources , as a consequence of the deterioration of the neutral conductor.
- the value of the neutral power of the loads (S n ii) depends, logically, on the electrical installation where this magnitude is measured. However, based on previous analyzes, it has been found that its relative difference ( ⁇ ) with the neutral power of the system (S n i),
- the value of the neutral resistance can be determined with great accuracy by measuring only at the point of connection of the loads with the mains.
- coefficients kya are independent of the load; and they have been tabulated and are available for the different standardized sections and cable lengths, at the normal working temperatures of the conductor, set by current regulations.
- the following tables show values of the coefficients k and for different sections and cable lengths, at temperatures of 30 ° C and 70 ° C:
- Values of k and a can be obtained for intermediate lengths and temperatures to those of the previous tables by interpolation.
- Figure 1 shows the evolution of the relative difference between the neutral power of the load and the neutral power of the system as a function of the increase in neutral resistance, for different cable lengths, with a section of 10 mm 2 and a temperature of 70 ° C.
- Figure 2 shows the trend line of the relative difference ( ⁇ ) between the neutral power of the load and the system as a function of the increase in neutral resistance, for a 30 m, 25 mm 2 section cable and at temperatures of 30 ° C and 70 ° C, as well as its adjustment to a function potential
- the present invention discloses according to a first aspect a method for determining the state of the neutral conductor in an electrical installation by indirect measurement of the resistance, section and energy losses in the neutral conductor of the electrical installations of BT distribution
- the process of the invention comprises:
- nominal conductor section A 0
- estimated or measured length of the cable Lo
- conductivity ⁇ ⁇
- ii) acquire the instantaneous values of voltage (v A , v B , v c ) and intensity (i A , ⁇ B, ic) of the phases (A, B, C) at the point of connection of the loads with the mains , separating its components at the fundamental frequency (v A i, V B I, VCI) and (i A iv ⁇ BI, ici), from non-fundamental frequency currents (i A h, ⁇ Bh, ich);
- ii-a determine, from the components at the fundamental frequency, the components of homopolar sequence at the fundamental frequency of the voltages (v 0 n) and currents (ioi), ii-b) optionally, determine, from the non-fundamental frequency currents, the harmonic third-party currents (ioh) iii) obtain the offset angle between homopolar sequence voltages and currents in the load, at the fundamental frequency ( ⁇ ) r as the difference between the initial phase of said voltages and currents ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ):
- the first one is calculated, while the second one is obtained from voltages and currents measured in the load;
- the acceptable difference between both values can set by the user, depending on the maximum permissible error
- the actual resistance of the neutral conductor is determined and coincides with the theoretical value obtained at the initial moment of the procedure
- the length of the cable (lo) can be estimated quite closely with the naked eye, mainly in low voltage installations, in which the lengths are usually not large. It can also be measured using any of several procedures known to those skilled in the art, such as based on installation drawings, by the use of meters or by devices such as reflectometers.
- the method further includes the step of issuing an alarm to warn a user of a dangerous situation in case the actual section of the neutral conductor decreases below a certain threshold with respect to the section Initial neutral conductor.
- the amount of decrease in the conductor section that results in a hazardous situation depends on each application and can be easily determined by the person skilled in the art. Specifically, it depends on whether the line being analyzed is heavily loaded or underloaded. In a low-charged line, reductions of up to 5 times, or even higher, can occur in the neutral section without the overvoltages in the load phases being noticeable. However, in a very charged line, neutral reductions of only 25% are sufficient for overvoltages in the installation to be dangerous. According to a preferred embodiment, a hazard threshold is defined for decreases in the neutral section between 25% and 50% of its nominal value.
- Figure 10 shows a diagram that represents the increase in the voltage in the load as a function of the resistance of the neutral conductor, related to the decrease in the section of the same.
- it is a copper line, 50 m long and 50 mm 2 in section, with PVC insulation, working in two situations: unloaded and heavily charged.
- a 5-fold increase in neutral conductor resistance means that the conductor is very damaged; about to cut.
- increases of up to 5 times in the resistance of said conductor can occur (which is equivalent to decreases of the same value in its section) without that the voltage on the load is dangerous (236.82 V).
- increases in neutral resistance of only 2 times are enough to reach dangerous voltage values (close to 240 V).
- the method further includes the step of opening the installation to protect it in case the actual section of the neutral conductor decreases below a certain threshold with respect to the initial section of the neutral conductor.
- a device for determining the neutral conductor state of an electrical installation comprising:
- the device further comprises display means to present to the user the result of at least one of the values obtained by the programmable calculation means.
- the input means and the display means are combined forming a touch screen.
- the input means can be constituted by a keyboard, push buttons, rotary buttons, etc.
- the display means are constituted by a screen, luminous means (lights, LEDs, etc.) and Similar.
- Figure 3 shows a preferred embodiment of the procedure for indirect determination of the neutral resistance according to the present invention and its application to network analyzers and instruments for monitoring the conservation status of the neutral conductor in electrical installations.
- the procedure comprises the following stages:
- Digital processing (1) of sampled signals obtained by physical means for measuring and acquiring electrical signals from the device, obtaining (in 3) the effective values and the initial phases of the third harmonics of current, and also obtaining (in 4) the matrices of effective values and initial phases of voltage and intensity at fundamental frequency for each phase, in total six matrices for each phase of tension and intensity.
- the initial (theoretical) resistance of the line is obtained (in 2), according to the expression [1], indicated above.
- the effective value of the homopolar voltage of the source is obtained, according to the expression [7] shown above, as well as the angle of offset between said voltage and the homopolar current of the source according to the expression [8], in which the offset angle between the voltages and currents of homopolar sequence in the load have been determined according to the expression [2], indicated above.
- the homopolar sequence active powers in the source (subscript s) and in the charge (subscript) are obtained 1), according to the expressions [9] shown above.
- the graphical and numerical information of the neutral resistance, its section and the losses in the neutral conductor, as well as certain values of the physical quantities used during the procedure, are displayed (in 9) on display means, for example in a screen.
- Figure 4 shows a device for the implementation of the procedure described above shown in Figure 3.
- the device comprises physical means for measuring and acquiring electrical signals (A) (hardware) and a processor ( B), as well as a measurement program (calculation means) of the neutral resistance (C) and display means (D).
- A electrical signals
- B processor
- C neutral resistance
- D display means
- the physical means (A) comprise signal conditioners and a data acquisition card; the first adapt the instantaneous values of the secondary voltages and currents of some voltage and intensity measurement sensors (E), so that the voltages at their outputs may be applicable to the analog inputs of the acquisition card or equivalent means, which converts the analog voltage and current signals into a series of discrete samples that are used as input in the measurement program.
- a processor (B) with a motherboard on which the acquisition card is placed so that discrete samples of the voltage and intensity signals can be exchanged with the measurement program (C), into which the initial specifications of the line and neutral (section, length and conductor).
- a touch screen or other display means in which all the information about the waveforms and the value of all the electrical quantities related to the measurement of the neutral conductor resistance, its section and losses are displayed. , namely: voltages, intensities, neutral powers of the system and its components at the source and in the load.
- the measurement program (C) comprises the following modules (figure 5):
- - Display module responsible for displaying on a screen the graphic and numerical information of the resistance, section and losses in the neutral conductor, as well as the information on the conservation status of said conductor in a bar with three colors ( green, yellow or orange and red), as shown in figure 6.
- the device further comprises alarm means for issuing an alarm to notify a user of a dangerous situation in case the actual section of the neutral conductor decreases below of a certain threshold with respect to the initial section of the driver neutral.
- the alarm emitted by said alarm means may be, for example, an acoustic alarm, a visual alarm or a combination of both.
- Figure 7 shows another possible embodiment of the procedure for indirect determination of the neutral resistance and its application to protective devices of electrical installations against deterioration of the neutral conductor (protection relays), object of the present invention. It includes the same operations (1), (2), (4), (5) and (6) of the previous procedure, applied to the performance of network analyzers and instruments for monitoring the neutral status, although in this case it is not It is necessary to calculate the third harmonics (3), or the losses in the neutral conductor (8). As a difference, the present procedure integrates the calculation of the neutral conductor section within step 7.
- the procedure comprises the following new stage:
- protective means will be activated (in 10), which can be the activation coil of a mechanical switch or the trip circuit for a static switch.
- the device for implementing the protection procedure comprises physical means for measuring and acquiring electrical signals (A) (hardware) and a processor (B), as well. as a measurement program (calculation means) of the neutral resistance (F) and protection means (G) formed by activation means (H) and a switch (I) ⁇
- the output signals of the internal voltage and intensity measurement sensors (E) are adapted by signal conditioners and are applied to the analog inputs of a data acquisition card or equivalent means, elements, all of which integrate the physical data acquisition means (A), shown in Figure 8.
- the data acquisition card is arranged on a motherboard of a processor (B), which exchanges discrete signal samples with the program (F) of voltage and intensity, coming from the data acquisition card; the program (F) supports the introduction of the initial specifications of the line and the neutral (section, length and conductivity of the conductor), by the user, and exchanges information with the activation means (H) of the protection means ( G), managing the application or not of an activation signal of a switch (I), obtained through physical means (A), depending on the conditions in which the neutral conductor is.
- the program (F) consists of the same modules (11) to (15), with similar functions as in the application for network analyzers and neutral conductor status monitoring instruments described above, and additionally comprises the following modules ( Figure 9):
- - Neutral powers module (19) in charge of obtaining the values of the neutral powers of the system and its components at the source and in the load, according to the expressions [2] to [10], from the matrices of voltages and currents of the modules (14) and (15), as well as of the matrices of relative difference values of the neutral powers of the load and the system, corresponding to each value of the theoretical resistance of the neutral, obtained in the module (13);
- This module also integrates the calculation of the resistance and the actual section of the neutral conductor, in accordance with the expressions [11], [12], [13] and [15], and the determination of the losses in the neutral for this application.
- Protection module (20) responsible for deciding the application of the switch activation signal (I) based on the resistance value (or section) of the neutral conductor, obtained from the previous module.
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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
PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA LA DETERMINACIÓN DEL ESTADO DEL CONDUCTOR NEUTRO EN UNA INSTALACIÓN ELÉCTRICA
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 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, asi como su aplicación en instrumentos de 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
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, asi como facilitar la 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 la práctica industrial. En general, los receptores de las instalaciones eléctricas son sometidos a sobretensiones permanentes (F. Redondo Quíntela 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 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 llth Conference on Harmonics and Quality of Power. Estos efectos sobre las tensiones de las cargas evidencian 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 mediante procedimientos directos e indirectos. Los primeros consisten en la medida sobre el propio conductor neutro, aplicando técnicas como la reflectometria de señales (en tiempo o en frecuencia) , para conocer su continuidad. Los procedimientos indirectos principalmente utilizados hasta 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 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, 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 conductor de puesta a tierra del
neutro, más que a la detección del estado del conductor neutro, en si 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 instalaciones frente a defectos a tierra, consistente en medir la diferencia de las corrientes en las lineas 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 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 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, 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 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 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 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 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 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 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 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, longitud estimada o medida del cable (lo) y conductividad (γο) del conductor utilizado (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) ,
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 frecuencia fundamental (vAi, VBI, VCI) y (iAiv ÍBI, ici) , de las corrientes de frecuencia no fundamental (iAh, ÍBh, ich) ;
ii-a) determinar, a partir de las componentes a la frecuencia fundamental, las componentes de secuencia homopolar a la frecuencia fundamental de las tensiones (v0n) y corrientes (ioi) ;
iii) obtener el ángulo de desfase entre las tensiones y corrientes de secuencia homopolar en la carga, a la frecuencia fundamental (φοιι) r como la diferencia entre la fase inicial de dichas tensiones y corrientes (α,οιι, βοι) :
iv) calcular la potencia de neutro de la carga a la frecuencia fundamental (Snii) según la siguiente ex resión :
v) determinar el valor de la diferencia relativa entre
la potencia de neutro de la carga y la potencia de neutro del sistema, comenzando por sustituir el valor en Ia siguiente función potencial
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:
vii) determinar la potencia de neutro de la fuente a la frecuencia fundamental basándose en la siguiente
expresión :
viii) obtener el valor eficaz de la tensión de secuencia homopolar en la fuente, a la frecuencia fundamental de acuerdo con la expresión:
ix) calcular el ángulo de desfase entre las tensiones
y corrientes de secuencia homopolar en la fuente, a la frecuencia fundamental, según la expresión:
x) determinar las potencias activas de secuencia homopolar de la fuente y de la carga (P011)/ a la frecuencia
fundamental, en función de las siguientes expresiones:
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 la frecuencia fundamental como:
xii) obtener la resistencia calculada del neutro a
partir de la siguiente relación:
xiii) en el caso de que el valor de sea muy próximo a
xiv) en el caso de que los valores de 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 resistencia del neutro,
xv) obtener la sección real del conductor neutro como:
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, 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 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;
- 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. Realizaciones preferidas del procedimiento y dispositivo de la presente invención se definen en las reivindicaciones dependientes .
Breve descripción de las figuras
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 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:
La figura 1 es un gráfico que representa la variación de la diferencia relativa (ε) 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 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 30°C y 70°C, y su ajuste a una función potencial.
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 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 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 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 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.
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 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 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 V0n y V0is son los valores eficaces de las 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 Iai, Ibi, Ici son los valores eficaces de las corrientes de frecuencia fundamental 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 (Sni) y la resistencia del conductor neutro (rn) están relacionadas.
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, Snis, es la potencia de neutro de la fuente, magnitud que cuantifica los efectos del neutro sobre el transformador y las líneas. La segunda componente, Snii, 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 Snis y aumenta significativamente al incrementarse la resistencia del neutro. Esta componente de 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 fuentes, como consecuencia del deterioro del conductor neutro.
El valor de la potencia de neutro de las cargas (Snii) depende, lógicamente, de la instalación eléctrica en donde se mida esta magnitud. Sin embargo, basándose en análisis previos realizados, se ha podido constatar que su diferencia relativa
(ε) con la potencia de neutro del sistema (Sni) ,
es completamente independiente de las cargas y, para una linea 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 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, ε, entre la potencia de neutro de las cargas (Snii) y la potencia de neutro del sistema (Sni) es igual a 1 en el caso ideal de resistencia del neutro igual a cero (rn = 0) y, para cada linea de características (longitud, sección, temperatura de trabajo, etc.) determinadas, evoluciona hacia cero según una función potencial, conforme aumenta el valor de la resistencia del 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, 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 30°C y 70°C:
Pueden obtenerse valores de k y de a para longitudes y temperaturas intermedias a las de las tablas anteriores mediante interpolación.
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 temperatura de 70°C.
En la figura 2 se muestra la linea de tendencia de la diferencia relativa (ε) 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 a temperaturas de 30°C y 70°C, asi como su ajuste a una función
potencial .
Estas dos figuras 1 y 2 ilustran por tanto cómo evoluciona la diferencia relativa (ε) hacia cero según una función potencial, a medida que aumenta el valor de la 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 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 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, longitud estimada o medida del cable (lo) y conductividad (γο) 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 (subterránea, aérea o interior),
ii) adquirir los valores instantáneos de tensión (vA, vB, vc) e intensidad (iA, ÍB, ic) de las fases (A, B, C) en el punto de conexión de las cargas con la red eléctrica, separando sus componentes a la frecuencia fundamental (vAi, VBI, VCI) y (iAiv ÍBI, ici) , de las corrientes de frecuencia no fundamental (iAh, ÍBh, ich) ;
ii-a) determinar, a partir de las componentes a la frecuencia fundamental, las componentes de
secuencia homopolar a la frecuencia fundamental de las tensiones (v0n) y corrientes (ioi), ii-b) opcionalmente, determinar, a partir de las corrientes de frecuencia no fundamental, las corrientes de terceros armónicos (ioh) iii) obtener el ángulo de desfase entre las tensiones y corrientes de secuencia homopolar en la carga, a la frecuencia fundamental (φοιι) r como la diferencia entre la fase inicial de dichas tensiones y corrientes (α,οιι, βοι) :
iv) calcular la potencia de neutro de la carga a la frecuencia fundamental (Snii) según la siguiente expresión :
v) determinar el valor de la diferencia relativa sc 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
en la que los valores de k y a son los mostrados en las tablas anteriores para diferentes secciones (A0) y longitudes (lo) de los cables, para dos temperaturas de trabajo de los mismos: 30°C y 70°C.
vi) calcular la potencia de neutro del sistema a la frecuencia fundamental como:
vii) determinar la potencia de neutro de la fuente a la frecuencia fundamental basándose en la siguiente
expresión :
viii) obtener el valor eficaz de la tensión de secuencia homopolar en la fuente, a la frecuencia fundamental de acuerdo con la expresión:
ix) calcular el ángulo de desfase entre las tensiones
y corrientes de secuencia homopolar en la fuente, a la frecuencia fundamental, según la expresión:
x) determinar las potencias activas de secuencia homopolar de la fuente y de la carga (P011), a la frecuencia
fundamental, en función de las siguientes expresiones:
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 la frecuencia fundamental como:
xii) obtener la resistencia calculada del neutro a
partir de la siguiente relación:
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 del conductor neutro queda determinada y coincide con el valor teórico obtenido en el instante inicial del procedimiento,
xiv) en el caso de que los valores de difieran,
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,
xiv' ) opcionalmente, determinar las pérdidas reales en el conductor neutro, basándose en la siguiente expresión:
en la que es el valor eficaz de los terceros
armónicos; y
xv) obtener la sección real del conductor neutro como:
La longitud del cable (lo) puede estimarse con bastante aproximación a simple vista, principalmente en 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 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 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 linea que está analizándose está muy cargada o poco cargada. En una linea poco cargada pueden producirse reducciones de hasta 5 veces, o incluso superiores, en la sección del neutro sin que las sobretensiones en las fases de las cargas sean apreciables. Sin embargo, en una linea muy cargada, bastan reducciones del neutro de tan solo un 25% para que las sobretensiones en la instalación sean peligrosas. Según una realización 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 resistencia del conductor neutro, relacionada con la disminución de la sección del mismo. Se trata en este caso de una linea 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 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 linea 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 embargo, en una linea 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 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 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;
- 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.
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 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 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 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 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.
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 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 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 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.
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 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.
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 1), según las 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 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 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.
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 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 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 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 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 linea 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 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 ) :
- 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 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 corrientes de frecuencia fundamental, asi 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 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 y de sus componentes en la fuente y en la carga, asi 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, asi 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 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, asi como las pérdidas en dicho conductor, basándose en los datos obtenidos en el módulo de potencias 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, asi como la información sobre el estado de conservación de 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 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 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 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 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 obtiene (en 7) la resistencia real del neutro, de acuerdo con las expresiones [10] a [13], asi como la sección real del conductor neutro (en 7), según la expresión [15], indicada anteriormente.
Adicionalmente, el procedimiento comprende la 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 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 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 (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 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 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 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 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 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, 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 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 resultará evidente que pueden introducirse múltiples variaciones en dichas realizaciones preferentes sin apartarse del objeto de la invención reivindicada.
Claims
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 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 (lo) y conductividad (γο) del conductor utilizado (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) ,
ii) adquirir los valores instantáneos de tensión (vA, vB, vc) e intensidad (iA, ÍB, ic) de las fases (A, B, C) en el punto de conexión de las cargas con la red eléctrica, separando sus componentes a la frecuencia fundamental, (vAi, vBi, vCi) y (iAi, ÍBI, ici) , de las corrientes de frecuencia no fundamental (iAh, ÍBh, ich) ; ii-a) determinar, a partir de las componentes a la frecuencia fundamental, las componentes de secuencia homopolar a la frecuencia fundamental de las tensiones (v0n) y corrientes (ioi) ;
iii) obtener el ángulo de desfase entre las tensiones y corrientes de secuencia homopolar en la carga, a la frecuencia fundamental (φοιι) r como la diferencia entre la fase inicial de dichas tensiones y corrientes (α,οιι, βοι) :
iv) calcular la potencia de neutro de la carga a la frecuencia fundamental (Snii) según la siguiente ex resión :
v) determinar el valor de la diferencia relativa
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
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
vii) determinar la potencia de neutro de la fuente la frecuencia fundamental basándose en la
siguiente expresión:
viii) obtener el valor eficaz de la tensión de secuencia homopolar en la fuente, a la frecuencia fundamental
de acuerdo con la expresión:
ix) calcular el ángulo de desfase entre las
tensiones y corrientes de secuencia homopolar en la fuente, a la frecuencia fundamental, según la
expresión :
x) determinar las potencias activas de secuencia homopolar de la fuente y de la carga (P011), a
la frecuencia fundamental, en función de las siguientes expresiones:
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 la frecuencia fundamental como:
xii) obtener la resistencia calculada del neutro a
partir de la siguiente relación:
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,
xiv) en el caso de que los valores de 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 resistencia del neutro,
xv) obtener la sección real del conductor neutro como:
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 (ioh) ·
3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado por que comprende además la etapa xiv' ) de determinar las pérdidas reales en el conductor neutro, basándose en la siguiente expresión:
4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 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 del conductor neutro.
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 por debajo de un umbral determinado con respecto a la sección inicial del conductor neutro.
6. Dispositivo para la determinación del estado del conductor neutro en una instalación eléctrica, comprendiendo dicho dispositivo :
- 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 los
cálculos del procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.
7. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado por que comprende además :
- sensores de medida de tensión e intensidad; y
- un procesador.
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 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 a través del procesador.
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 los medios de cálculo programables.
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. 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 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. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado por que los medios de alarma emiten una alarma acústica.
13. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11 y
12, caracterizado por que los medios de alarma emiten una alarma visual.
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;
- 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 .
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 determinado con respecto a la sección inicial del conductor neutro.
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. Dispositivo según la reivindicación 16, caracterizado por que los medios de activación son una bobina de activación.
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;
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.
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|---|---|---|---|
| ESP201630767 | 2016-06-07 | ||
| ES201630767A ES2588260B2 (es) | 2016-06-07 | 2016-06-07 | Procedimiento y dispositivo para la determinación del estado del conductor neutro en una instalación eléctrica |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2017212088A1 true WO2017212088A1 (es) | 2017-12-14 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| PCT/ES2017/070185 WO2017212088A1 (es) | 2016-06-07 | 2017-03-30 | Procedimiento y dispositivo para la determinación del estado del conductor neutro en una instalación eléctrica |
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|---|---|
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| WO (1) | WO2017212088A1 (es) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ES2712350A1 (es) * | 2018-11-14 | 2019-05-10 | Univ Valencia Politecnica | Procedimiento y sistema de medicion de falta de simetria en motores de induccion trifasicos |
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2016
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-
2017
- 2017-03-30 WO PCT/ES2017/070185 patent/WO2017212088A1/es active Application Filing
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| WO2020099709A1 (es) * | 2018-11-14 | 2020-05-22 | Universitat Politecnica De Valencia | Procedimiento y sistema de medición de falta de simetría en motores de inducción trifásicos |
Also Published As
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| ES2588260A1 (es) | 2016-10-31 |
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