Sistema y método de estimación de resistencia de defecto ante faltas a tierra en devanados rotóricos de máquinas síncronas.

Método de estimación de resistencia de falta ante faltas a tierra en devanados rotóricos de máquinas síncronas.

La presente invención permite la estimación de la resistencia de falta ante defectos a tierra en devanados rotóricos de máquinas síncronas alimentados mediante rectificadores conectados a un transformador. El método presenta la ventaja de poder conocer la magnitud del problema que afecta a la máquina, ya que cuanto mayor sea la resistencia de falta, menor será la corriente de defecto.

La estimación se basa principalmente en el análisis de las componentes armónicas de la tensión en la resistencia de puesta a tierra.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención permite estimar el valor de la resistencia de un defecto a tierra en el devanado rotórico de una máquina síncrona mediante el análisis de las tensiones en la excitatriz de la máquina síncrona y la tensión en una resistencia de puesta a tierra en dicha excitatriz.

Una clara aplicación son los sistemas de generación de energía eléctrica, en los que se utilizan generadores síncronos. Con el método objeto de la presente invención se puede mejorar la localización del defecto, al disponer de un valor aproximado de la resistencia de defecto, sin necesidad de realizar ninguna operación en la máquina.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Toda instalación eléctrica debe estar dotada de sistemas de protección que la hagan segura ante posibles cortocircuitos y otros defectos que puedan causar daños tanto a las propias instalaciones como a las personas.

En el caso de grupos de generación, dichas protecciones deben, además, garantizar el suministro de energía a la red del modo más fiable posible, tratando de discriminar los niveles de gravedad de las faltas que se produzcan.

Generalmente, para la producción de energía eléctrica se utilizan generadores síncronos, cuyos rotores deben ser alimentados en corriente continua. Existen diferentes métodos para inyectar dicha corriente en el rotor de la máquina:

Excitación estática

Excitación indirecta

Con excitatriz y diodos rotativos.

El circuito de excitación de un generador es un sistema de corriente continua aislado de tierra. Una sola falta a tierra no afectará a la operación del generador ni producirá daños de efecto inmediato. Sin embargo, la probabilidad de que una segunda falta a tierra ocurra es mayor después de que se haya producido la primera. Cuando se tiene una segunda falta a tierra, una parte del devanado de excitación estará cortocircuitado, produciendo flujos desequilibrados en el entrehierro de la máquina, que darán como resultado vibraciones y calentamientos.

Ante un cortocircuito a tierra en el rotor del generador, la práctica habitual es utilizar relés de protección para provocar, dependiendo de la estrategia utilizada, bien alarmas, bien la desconexión del grupo.

Existen varios métodos de uso común para detectar defectos a tierra en los rotores de los generadores:

Usando una fuente adicional de tensión continua: una fuente de tensión en serie con el devanado de excitación y con la bobina de un relé de sobrecorriente. Este circuito está conectado a tierra en un punto, de forma que un defecto a tierra en cualquier punto del devanado provocará la circulación de corriente continua

proveniente de la fuente adicional y causará la operación del relé.

Usando una fuente adicional de tensión alterna: una fuente de tensión alterna en serie con dos condensadores, con el devanado de excitación y con la bobina de un relé de sobrecorriente. Este circuito está conectado a tierra en un punto, de forma que un defecto a tierra en cualquier punto del devanado provocará la circulación de corriente alterna y causará la operación del relé.

Por inyección de una onda cuadrada: se inyecta una onda de baja tensión en el devanado de excitación y se recoge la señal devuelta por éste. La forma de la onda se verá modificada debido a las capacidades del devanado. Un relé calcula la resistencia del aislamiento en función de ambas señales.

Además conviene tener en cuenta una serie de patentes relacionadas con la invención:

Tanto la patente internacional de invención titulada: Earth-fault detection system for rotor winding of machine, que describe un sistema de detección de faltas a tierra en rotores utilizando un transformador toroidal; como la patente internacional de invención titulada: Rotor-winding ground-fault detector for electrical rotary machine, que utiliza una cinta de una aleación con memoria de forma que se conecta entre el devanado del rotor y el eje de la máquina, necesitan fuentes de tensión adicionales conectadas en serie.

La patente internacional de invención titulada: `Rotor to earth fault monitoring device", utiliza para detectar los defectos a tierra un fusible que se conecta entre el devanado rotórico y tierra.

La patente internacional de invención titulada: ``Earth fault detection system for electrical machine stator windings calificada como protección

de faltas a tierra en el estator, también es utilizada para detectar fallos en el rotor de los generadores.

Finalmente, la patente titulada Sistema y método de detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores y la patente titulada Sistema y proceso de localización de faltas a tierra en devanados de excitación de máquinas síncronas con excitación estática están muy relacionadas con esta invención, pues también necesitan la instalación de una resistencia de puesta de tierra.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención permite la estimación de la resistencia de falta ante defectos a tierra en devanados rotóricos de máquinas síncronas con excitación extática. Este tipo de sistemas de excitación incluyen al menos, un transformador de tensión (2) y un rectificador controlado (7). El devanado primario dispuesto en triángulo, se conecta a los terminales de la máquina síncrona, mientras que el secundario, en estrella, se conecta al rectificador controlado. El método presenta la ventaja de poder conocer la magnitud del problema que afecta a la máquina, ya que cuanto mayor sea la resistencia de falta, menor será la corriente de defecto.

La estimación se basa principalmente en el análisis de la tensión a la salida del convertidor controlado (10) y la tensión en la resistencia de puesta a tierra (9).

Normalmente el transformador de excitación se encuentra aislado de tierra. Para aplicar este método se debe conectar una impedancia de alto valor óhmico (8) entre el neutro del devanado secundario (4) del transformador de excitación y tierra. En la figura 1 se observa un esquema del sistema descrito.

Para la estimación de la resistencia de falta se deben obtener la componente de corriente continua de la tensión a la salida del convertidor controlado (10) y la componente de tercer armónico de la tensión en la resistencia de puesta a tierra (9).

El método para obtener el valor estimado de resistencia de falta (R/), se llevará a cabo de la siguiente forma:

A partir de la componente de corriente continua de la tensión a la salida del convertidor controlado, VfDC, obtenido mediante el voltímetro (10), es posible estimar el valor del ángulo de disparo de los tiristores a*, mediante la expresión 1 (14), ya que se trata de un rectificador trifásico de doble onda. Efn es la tensión de fase del lado de baja tensión del transformador de excitación (4).

Una vez conocido el ángulo de disparo estimado de los tiristores, es posible obtener Vgl50M*, la tensión de tercer armónico en la resistencia de puesta a tierra (8) en caso de que Rf = 0. Para ello se realiza una descomposición en serie de Fourier de la tensión (10), siendo ax y bx (expresiones 2 y 3) los coeficientes de la componente de tensión de 150 Hz en la resistencia de puesta a tierra (8). La tensión que se mide en la resistencia de puesta a tierra corresponde a la señal de salida de un rectificador trifásico controlado de media onda cuando R¡ = 0, señal cuya componente fundamental es de 150 Hz.

[i]

b

V2 sin x sin 3 x dx

Resolviendo las integrales se obtiene lo siguiente:

[3]

a1 =

(3 V3 y¡2 Efn eos a* sin a* (3 (eos a*)2 + (sin a*)2 - 3))

2 n

[4]

- 3 V3 V2 £<

^cos2a* , cos(4a`) eos 27r/3

fn

b, =

2 n

[5]

Finalmente se obtiene el valor esperado de tensión en la resistencia de puesta a tierra para Rf = 0, mediante la expresión 6 (15):

v,

- r - n 2

glSOM ~ C1 ~

+ b2

[6]

En el caso en que Rf no sea nula, VgíSQ, componente de tercer armónico de la tensión en la resistencia de puesta a tierra (8), es inferior al valor E5i5om* previamente calculado. La resistencia de defecto,/?/, se obtiene mediante la siguiente expresión:

R/=Rg

'gl50M

Vgiso

-1

[7]

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos 15 en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado...

1.- Sistema de estimación de la resistencia de defecto ante faltas a tierra en devanados rotóricos de máquinas síncronas, caracterizado porque comprende:

un sistema de excitación estática alimentados desde un

transformador, a través de un rectificador controlado;

una impedancia de puesta a tierra, conectada entre el neutro del

devanado secundario del transformador de excitación y tierra;

un dispositivo de medida de la tensión en la impedancia de puesta a

tierra;

un dispositivo de medida de la tensión de alimentación del rectificador controlado;

un dispositivo de medida de la tensión de salida del rectificador controlado que alimenta el devanado de excitación de la máquina

síncrona;

un dispositivo encargado de calcular la resistencia de defecto, que dispone de:

o Medios de obtención de la componente continua de la tensión a la salida del rectificador;

o Medios de obtención de la componente de tercer armónico de la tensión en la resistencia de puesta a tierra, mediante el análisis armónico;

o Medios de cálculo del ángulo de disparo del rectificador controlado, a partir de la componente continua de la tensión a la salida del rectificador y de la medida de tensión de alimentación del rectificador controlado; o Medios de cálculo de la componente de tercer armónico máxima esperada, mediante el ángulo de disparo del rectificador controlado obtenido previamente y la medida de tensión de alimentación del rectificador controlado;

o Medios de cálculo de la resistencia de defecto, mediante la componente de tercer armónico medida en la resistencia de puesta a tierra y la componente de tercer armónico estimada previamente;

2.- Método de estimación de la resistencia de defecto ante faltas a tierra en devanados rotóricos de máquinas síncronas, que incluye al menos: un sistema de excitación estática alimentados desde un transformador, a través de un rectificador controlado; una impedancia de puesta a tierra, conectada entre el neutro del devanado secundario del transformador de excitación y tierra; caracterizado porque comprende:

o etapa de medida de la tensión a la salida del rectificador controlado, medida de la tensión en la impedancia de puesta a tierra del transformador de excitación, y medida de la tensión de alimentación del rectificador controlado; o etapa de obtención de la componente continua de la tensión a la salida del rectificador, y de la componente de tercer armónico de la tensión en la resistencia de puesta a tierra, mediante el análisis armónico;

o etapa de obtención del ángulo de disparo del rectificador controlado, a partir de la componente continua de la tensión a la salida del rectificador y de la medida de tensión de alimentación del rectificador controlado; o etapa de obtención de la componente de tercer armónico máxima esperada, mediante el ángulo de disparo del rectificador controlado obtenido previamente y la medida de tensión de alimentación del rectificador controlado; o etapa de obtención de la resistencia de defecto a tierra, mediante la componente de tercer armónico medida en la resistencia de puesta a tierra y la componente de tercer

armónico estimada previamente.