Un método para la detección de fallos en un transformador de potencia trifásico de n-devanados que comprende las etapas de:

• para cada uno de los devanados (Wi, donde i=1,..., n):

- medir las tres corrientes de fase (IL1_Wi; IL2_Wi; IL3_Wi),

- decidir (7) si se realizará la reducción de la corriente de secuencia cero (I0_Wi) dependiendo de al menos una configuración del usuario (KWi) y si es así, deducir la corriente de secuencia cero (I0_Wi) de cada una de las corrientes de las tres fases (IL1_wi; IL2_wi; IL3_wi),

- generar corrientes normalizadas realizando una compensación de magnitud (3) y una compensación del desplazamiento del ángulo de fase (4) sobre los resultados de la etapa anterior,

• seguido por las etapas para cada una de las fases (Lx, donde, x=1, 2, 3):

- comparar (5) la corriente normalizada de un devanado único con las corrientes normalizadas de los demás devanados, y

- generar una señal de fallo, si la diferencia entre el devanado único y los demás devanados excede un nivel predefinido

Método y dispositivo para detección de fallos en un transformador de potencia trifásico de n-devanados.

Campo técnico de la invención

La presente invención se refiere a un método y un dispositivo para una detección de fallos avanzada y mejorada en un transformador de potencia trifásico de n-devanados. El método y el dispositivo pueden usarse en la protección diferencial de todos los tipos de transformadores de potencia incluyendo los transformadores de desplazamiento de fase.

Antecedentes de la invención

La medición de las corrientes diferenciales es una técnica utilizada en una amplia diversidad de aplicaciones de sistemas de potencia. Por ejemplo, la técnica se usa a menudo en la protección de equipos de sistemas de potencia, tales como transformadores, generadores, motores y similares. Generalmente las técnicas de medición de corrientes diferenciales involucran monitorizar la corriente tanto en el terminal de entrada como en el terminal de salida de un dispositivo, normalizar las corrientes de entrada y de salida medidas para compensar cambios en la fase y la magnitud de las corrientes medidas que pueden introducirse por el dispositivo durante el normal funcionamiento, y a continuación comparar las corrientes normalizadas de entrada y de salida. Si la diferencia entre las corrientes normalizadas de entrada y de salida es cero, entonces es de suponer que el dispositivo está funcionando adecuadamente. Por el contrario, una diferencia detectada entre las corrientes de entrada y de salida normalizadas puede indicar un fallo dentro del dispositivo. En respuesta a la detección de un fallo, un relé diferencial emite un comando de salida a los interruptores relevantes del circuito, para cortar la potencia al objeto protegido y para impedir un daño adicional.

Debido a la reestructuración de la industria de potencia con el principal objetivo de la liberalización del mercado eléctrico, se han planteado requisitos más estrictos para el control del flujo de potencias activa y reactiva sobre las empresas eléctricas de servicio público. Este proceso indica que hay una necesidad en aumento de herramientas adecuadas para controlar el flujo de potencia dentro de una red determinada. El dispositivo usado más comúnmente para este propósito es un transformador de potencia de una construcción especial llamado a menudo transformador de desplazamiento de fase (PST) o transformador de regulación del ángulo de fase (PAR).

En principio, los aspectos técnicos de un transformador de desplazamiento de fase son más bien simples: proporciona un desplazamiento de fase bien definido pero cambiable entre los terminales de primario y secundario. Normalmente el desplazamiento de fase puede variarse durante el funcionamiento en etapas definitivas por el uso de uno o más cambiadores terminales de carga (OLTC). En la mayor parte de los casos puede cambiarse el signo del desplazamiento de fase de adelanto a atraso.

Actualmente hay disponibles diferentes tipos de diseños de PST. Esto hace el esquema de protección para cada tipo de PST más bien único y de este modo difícil. Actualmente, no hay ningún fabricante de relés, que puede proporcionar un relé de protección diferencial único para todos estos dispositivos, independientemente de su diseño.

Dentro de esta área de la tecnología varias invenciones tratan de solventar estas clases de problemas y se han concedido algunas patentes.

Técnica anterior

Los transformadores de potencia normalizados son dispositivos eléctricos, que proporcionan una variación de la magnitud del voltaje y un desplazamiento del ángulo de fase constante a través del transformador de potencia. El desplazamiento de fase puede tener un valor de n*30º (n es un número entero entre 0 y 11), dependiendo de los detalles particulares de construcción del transformador.

La protección diferencial de los transformadores de potencia se ha usado durante décadas. Con relés estáticos o electromecánicos se usan CT externos de interposición para compensar el desplazamiento del ángulo de fase y la variación de la magnitud de corriente entre los dos lados del transformador de potencia protegido. Sin embargo, son bien conocidos los siguientes inconvenientes:

Con relés numéricos no se requieren CT externos de interposición. La compensación se proporciona internamente dentro del relé por software. Las características de un relé diferencial numérico son las siguientes:

Se define un transformador de potencia no normalizado como un transformador de potencia que tiene un desplazamiento del ángulo de fase variable o un desplazamiento del ángulo de fase fijo distinto de 30º o un múltiplo de 30º.

Actualmente están disponibles diferentes diseños de transformadores especiales de potencia conocidos como PST, como se describe en la Normativa Internacional IEC 62032. Esto hace el esquema de protección para cada tipo de PST bastante único y por lo tanto difícil, como se describe en el informe especial del IEEE/PSRC "Protection of Phase Angle Regulating Transformers (PAR)". Actualmente no hay ningún relé diferencial que pueda proporcionar protección diferencial para cualquier PST independientemente de su diseño y el desplazamiento máximo del ángulo de fase.

La razón es que debido al desplazamiento de fase continuamente cambiante del PST, aparecerá una falsa corriente diferencial. La magnitud de esta falsa corriente diferencial puede estimarse de acuerdo con la siguiente ecuación:

donde:

I_d es la magnitud de la falsa corriente diferencial

Icarga es la corriente del PST a través de la carga, y

Theta es el desplazamiento del ángulo de fase entre los dos lados del PST.

En la patente US6507184 se describen un método y un aparato para la medición de corrientes diferenciales en un sistema de potencia trifásico. Esta invención está dispuesta para medir la corriente diferencial entre un primer y un segundo terminales y para obtener, para cada una de las fases, una medición de estas corrientes. Sin embargo este método no permite una reducción configurable de las corrientes de secuencia cero y no proporciona la compensación de magnitud.

Otro problema que no puede resolverse aplicando la protección tradicional diferencial de los transformadores de potencia es el reconocimiento de un fallo entre vueltas de bajo nivel, cuando sólo están cortocircuitadas unas pocas vueltas de los devanados del trasformador de potencia. En este caso sólo se medirán cambios muy pequeños en las corrientes en los terminales del transformador, mientras que se produce un corriente de fallo elevada en las vueltas cortocircuitadas. Esto se debe a la proporción comparativamente alta de la proporción de transformación entre los devanados del transformador como un conjunto y los pocos elementos cortocircuitados. La sensibilidad de los métodos de detección de fallos durante la protección diferencial conocidos en el presente no es suficiente para reconocer este fallo entre vueltas de un devanado antes de que se transforme en un fallo de tierra más serio, que es costoso reparar, especialmente si afecta al núcleo de hierro del transformador de potencia. Un fallo entre vueltas no detectado puede ser también la causa de un peligroso arco dentro del tanque de aceite de un transformador de potencia.

Un modo para detectar tales fallos entre vueltas puede ser el uso del llamado relé Buchhoiz, también conocido como relé de gas o relé de presión súbita. El relé Buchhoiz se...

1. Un método para la detección de fallos en un transformador de potencia trifásico de n-devanados que comprende las etapas de:

• para cada uno de los devanados (Wi, donde i=1,..., n):

• seguido por las etapas para cada una de las fases (Lx, donde, x=1, 2, 3):

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, donde el devanado único es el devanado primario (W1) y los demás devanados son el segundo y siguientes devanados (W2,..., Wn).

3. Un método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 ó 2, donde para cada una de las fases (Lx) las corrientes normalizadas se comparan añadiendo la corriente normalizada del devanado único (W1) a la suma de las corrientes normalizadas de los demás devanados determinando por lo tanto las corrientes diferenciales orientadas a las fases (I_{Dif_Lx}) de acuerdo con:

con

y donde se genera una señal de fallo si una de las corrientes diferenciales orientadas a las fases (I_{Dif_Lx}) excede un nivel predefinido.

4. Un método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 ó 2, donde para cada una de las fases (Lx) se comparan las corrientes normalizadas comparando el fasor de la corriente normalizada del devanado único (W1) con el fasor negativo de la suma de corrientes normalizadas de todos los demás devanados (W2,...,Wn) de acuerdo con:

con

y donde se genera una señal de fallo si para una de las fases (Lx) la magnitud y/o el ángulo de fase entre los dos fasores correspondientes excede un nivel predefinido.

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 4, donde adicionalmente el desplazamiento del ángulo de fase entre el devanado único (W1) y los demás devanados (W2 a Wn) se comprueba para las contribuciones de las componentes de secuencia positiva y negativa.

6. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 ó 5, donde se comparan los tres ángulos de fase entre los dos fasores correspondientes de las tres fases (Lx) y donde se indica un fallo en la compensación del desplazamiento del ángulo de fase (4) si los tres ángulos de fase son del mismo tamaño.

7. Un método de acuerdo con las reivindicaciones 5 y 6, donde el desplazamiento del ángulo de fase de la contribución de la componente de secuencia positiva se compara con los tres ángulos de fase y donde se aprueba una fallo en la compensación del desplazamiento del ángulo de fase (4) si son todos del mismo tamaño.

8. Un método de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores, donde se mide la corriente de secuencia cero (I_{0_Wi}) para al menos uno de los devanados (Wi) en el punto neutro común de los devanados.

9. Un método de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores de 1 a 7, donde se determina la corriente de secuencia cero (I_{0_Wi}) para al menos uno de los devanados (Wi) a partir de las tres corrientes de fase medidas (I_{L1_Wi}; I_{L2_Wi}; I_{L3_Wi}) usando la ecuación:

10. Un método de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores, donde para cada uno de los devanados (Wi) se realiza la compensación de magnitud dividiendo las corrientes de fase medidas (I_{L1_Wi}; I_{L2_Wi}; I_{L3_Wi}) a través de la corriente base (I_{b_Wi}) usando la ecuación:

donde

S_{max_Wi} es la potencia nominal de las tres fases del devanado correspondiente (Wi) y U_r es el voltaje nominal entre fases sin carga del devanado correspondiente (Wi).

11. Un método de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores, donde la detección del fallo se realiza en un transformador de potencia que tiene un desplazamiento del ángulo de fase variable o un desplazamiento de fase fijo distinto de 30º y distinto de un múltiplo de 30º.

12. Un método de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores, donde en el caso de que el transformador de potencia esté acoplado a un cambiador de terminales de carga (OLTC), se determina la corriente base (I_{b_Wi}) para el correspondiente devanado (Wi) de acuerdo con la posición (13) del cambiador de terminales.

13. Un método de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores, donde el ángulo de fase (i) para la compensación del desplazamiento del ángulo de fase (4) se determina para cada uno de los devanados (Wi) leyendo al menos un parámetro fijo determinado por el usuario.

14. Un método de acuerdo con la reivindicación 12, donde el ángulo de fase (i) para la compensación del desplazamiento del ángulo de fase (4) se determina a partir de la tabla de búsqueda correspondiente al devanado (Wi) del cambiador de terminales de carga que describe la relación entre las diferentes posiciones del cambiador de terminales de carga y las correspondientes variaciones del ángulo de fase.

15. Un método de acuerdo con la reivindicación 14, donde en el caso de cambiadores de terminales de carga múltiples se determina el ángulo de fase (i) para la compensación del desplazamiento del ángulo de fase (4) para los devanados correspondientes a partir de más de una tabla de búsqueda de acuerdo con el número de cambiadores de terminales.

16. Un método de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores de 1 a 12, donde el ángulo de fase (i) para la compensación del desplazamiento del ángulo de fase (4) se recibe para cada uno de los devanados a través de una red de comunicaciones desde un sistema de control externo.

17. Método de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores de 1 a 12, donde en el caso de un transformador de desplazamiento de fase (PST) se determina el ángulo de fase (i) para la compensación del desplazamiento del ángulo de fase (4) para cada uno de los devanados (Wi) por un algoritmo interno a partir de los voltajes de secuencia positiva cuando el PST no está cargado, o a partir de las corrientes de secuencia positiva cuando el PST está cargado.

18. Dispositivo para la detección de fallos en un transformador de potencia trifásico de n-devanados que comprende:

19. Un producto programa de ordenador plasmado sobre uno o más medios legibles de ordenador para implementar un método de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1-17.