Sistema y proceso de localización de faltas a tierra en devanados de excitación de máquinas síncronas con excitación estática.

Se trata de un sistema y método de localización de faltas a tierra cuyo transformador de excitación tiene el neutro accesible. Tiene la ventaja que ahorra mucho tiempo a la hora de reparar la máquina en caso de detecto a tierra del devanado de excitación, ya que localiza el defecto con la máquina en funcionamiento, permitiendo conocer en el momento de la desconexión de la máquina de la red el lugar del defecto.El sistema comprende:- una resistencia de puesta a tierra (4) en el transformador (1) que alimenta el rectificador (2);- un equipo de medida (6) de la tensión que cae en la resistencia de puesta a tierra (4);- un equipo de medida (7) de la tensión de alimentación del rotor,- un dispositivo analizador (13) encargado de analizar las señales medidas y que dispone de:- medios de obtención de las componentes de tensión alterna y continua (8) de las ondas medidas por los equipos 6 y 7;- medios de cálculo (9) y (10) encargados de obtener los valores necesarios para trazar la recta que relaciona la posición del defecto con el nivel de tensión continua medido en la resistencia de puesta a tierra (4);- medios de obtención de la recta "Vdc-posición del defecto" (11) a partir de la cual se determina la posición del cortocircuito en el devanado, devolviendo la correspondiente señal (12)

Sistema y proceso de localización de faltas a tierra en devanados de excitación de máquinas síncronas con excitación estática.

Objeto de la invención

La presente invención es de aplicación para máquinas síncronas que tienen su devanado de excitación alimentado, normalmente ubicado en el rotor, desde una red de corriente alterna a través de un transformador de excitación y un rectificador.

El sistema objeto de la presente invención permite localizar la posición de un cortocircuito a tierra que se produzca en el devanado de excitación de la máquina síncrona sin necesidad de extraer el rotor. La localización se realiza con la máquina en funcionamiento, lo cual conlleva un importante ahorro en tiempo y dinero a la hora de reparar la máquina síncrona.

La localización se realiza mediante varios cálculos a partir de las componentes de alterna y de continua de las tensiones de alimentación al rotor y de la tensión medida en una resistencia de puesta a tierra instalada en el neutro del transformador que alimenta el devanado de excitación.

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.

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, sin embargo, ninguno de ellos es capaz de localizar la posición del cortocircuito, sino que se limitan a señalar su existencia.

Un sistema que sí permite la localización es el basado en sensores de efecto Hall, pero se limita a discriminar si la falta se ha producido en el interior del rotor o en las conexiones con el sistema de inyección de continua (anillos, escobillas), y por tanto, no localiza el punto exacto.

Los métodos empleados normalmente para localizar la posición del defecto en el devanado del rotor conllevan el desmontaje de la máquina y la medida de aislamiento del devanado en diferentes puntos hasta encontrar la zona dañada.

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

La patente internacional de invención DD291643-A, titulada: "Testing and locating faults of rotor windings - applying voltage at each second segment of rotor in static position of commutator", compara una tensión inducida en el rotor de la máquina con un valor límite preestablecido.

La patente de invención US4808932-A, titulada: "Rotor fault and location detector for induction motor - with synchronisation signal generated once per revolution when section of rotor is closed to stator referece point", emplea un medidor de flujo y realiza una media de las medidas. Los picos que sobrepasen la media son indicadores de daños en las barras del rotor.

La patente de invención P200900403, titulada: "Sistema y método de detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores", describe un método de detección de faltas a tierra en devanados de excitación de máquinas síncronas. Este sistema presenta la ventaja con respecto a los sistemas comerciales actuales de no consumir energía en régimen permanente, ya que utiliza una impedancia de puesta a tierra en la red de alterna desde donde se alimenta el devanado de excitación.

Descripción de la invención

La invención se refiere a un sistema y proceso de localización de faltas a tierra en máquinas síncronas cuyos devanados de excitación están alimentados mediante rectificadores Para realizar la localización de la falta se debe instalar una resistencia de puesta a tierra de alto valor óhmico, del orden de 5000 Ω, en el neutro del transformador que alimenta el devanado de excitación, caso de devanado en estrella, o un neutro artificial en caso que se trate de un devanado en triángulo.

El proceso de localización se basa en cálculos a partir de las medidas de las componentes de alterna y continua de la tensión de alimentación al devanado de excitación y de las componentes de alterna y continua de la tensión que aparece en la resistencia de puesta a tierra en caso de defecto en el devanado de excitación.

Denominando:

Vdc, componente de continua de la tensión medida en la impedancia de puesta a tierra.

Vac, componente de alterna de la tensión medida en la impedancia de puesta a tierra.

Ufdc componente de continua de la tensión medida en el devanado de excitación de la máquina síncrona.

Ufac componente de alterna de la tensión medida en el devanado de excitación de la máquina síncrona.

El proceso para calcular la posición de un defecto dentro del devanado de excitación sería el siguiente:

A partir de las medidas de las componentes de alterna Vac y Ufac se calcula la resistencia de defecto, que llamaremos Rdc, mediante la siguiente expresión, conocido el valor de la resistencia de puesta a tierra (Rpat):

Una vez conocido el valor de Rdc, el siguiente paso consiste en obtener la relación entre la componente de continua de la tensión que aparece en la resistencia de puesta a tierra Vdc y la posición del defecto. Teniendo en cuenta que dicha relación viene determinada por una recta, para su cálculo sólo serán necesarios dos puntos. Uno de ellos está determinado por el punto medio del devanado, ya que al producirse un defecto en ese punto, no aparece componente de continua en la tensión que medimos en la impedancia de puesta a tierra; es decir, Vdc = 0.

El otro punto necesario se obtendrá de la siguiente expresión:

Donde Vdc₀ es el valor de Vdc que se obtendría si el defecto se produjera en el extremo alimentado con tensión negativa del devanado de excitación. Este punto se ha tomado como origen del devanado, denominándolo como 0%. Siendo el 100% el otro extremo del devanado, es decir el alimentado con tensión positiva(Figura 5).

La máxima componente de continua Vdc que aparece en caso de defecto se obtiene cuando el fallo se produce en un extremo del devanado de excitación, y se hace nula si el defecto se encuentra en el centro del devanado. En el otro extremo del devanado el valor vuelve a ser máximo pero con distinta polaridad (Figura 4).

Conocida la relación entre la tensión Vdc y la posición del defecto, a partir de ahora se denominará "Recta Vdc-posición del defecto", ya se puede calcular el punto donde se ha producido el fallo, entrando en la recta con el valor de continua medido en la impedancia de puesta a tierra, Vdc.

Breve descripción de las figuras

La Figura 1 muestra un esquema del sistema en el que tiene aplicación la presente invención, siendo (1), el transformador desde el que se alimenta el convertidor, (2), el rectificador controlado, (3), la máquina síncrona, y (4), la resistencia de puesta a tierra del transformador de excitación.

La Figura 2 muestra un esquema del tipo de defectos que el método que se presenta permite localizar, donde (5) es la resistencia de falta a tierra en un punto cualquiera del devanado...

1. Sistema de localización de faltas a tierra en devanados de excitación de máquinas síncronas con excitación estática, alimentados desde un transformador (1) a través de un rectificador controlado (2), caracterizado por que comprende:

- una resistencia de puesta a tierra (4) en el transformador (1) que alimenta el rectificador (2);

- un equipo de medida (6) de la tensión que aparece en la resistencia de puesta a tierra (4) en caso de defecto a tierra en el devanado de excitación;

- un equipo de medida (7) de la tensión de salida del rectificador (2) que alimenta el devanado de excitación de la máquina síncrona (3);

- un dispositivo localizador (13) encargado de analizar las señales medidas, que dispone de:

• medios de obtención de las componentes alterna y continua (8) de las tensiones medidas en la resistencia de puesta a tierra y en el devanado de excitación por los sensores (6) y (7);

• medios de cálculo de la resistencia de defecto (9) a partir de las componentes de alterna de las tensiones medidas;

• medios de cálculo de la relación entre la componente de continua de la tensión que aparece en la resistencia de puesta a tierra y la posición del defecto, sabiendo que esta componente es nula si el defecto se produce en el punto medio del devanado.

• medios de cálculo de la posición del defecto a partir de la medida de componente continua de la tensión que aparece en caso de defecto a tierra en el devanado de excitación y la relación de esta con la posición del defecto, proporcionando la señal de salida (12).

2. Proceso de localización de faltas a tierra en devanados de excitación de de máquinas síncronas con excitación estática, alimentados desde un transformador (1) a través de un rectificador controlado (2), caracterizado por realizar la localización del defecto mediante el análisis de las componentes de continua y de alterna, tanto de la tensión de alimentación del devanado de excitación como de la tensión que aparece en una resistencia de puesta a tierra (4) en caso de defecto a tierra, consistiendo dicho análisis en:

- determinación de la resistencia de defecto utilizando las componentes de alterna de la tensión de alimentación del devanado de excitación y de la tensión que aparece en la resistencia de puesta a tierra;

- determinación de la componente de continua máxima de tensión que aparecería en caso de defecto en el extremo del devanado de excitación, con la resistencia de defecto calculada;

- determinación de la posición del defecto con la medida de la componente de continua de la tensión en la resistencia de puesta a tierra, conocidos el valor máximo que aparecería en el extremo del devanado, que en el punto medio del devanado la componente continua de la tensión es nula, y sabiendo que la evolución de esta componente continua a lo largo del devanado es lineal.