Método y sistema de protección para redes eléctricas con neutro aislado de tierra.
La presente invención es un nuevo método y sistema de detección selectiva de faltas a tierra en redes de distribución de energía eléctrica cuyo régimen de neutro es aislado de tierra.
Se identifica la línea que tiene un defecto monofásico a tierra en base a comparaciones direccionales entre todas las intensidades de defecto que circulan por las líneas en servicio y una intensidad de referencia.
La invención está orientada a redes de distribución de energía eléctrica con neutro puesto a tierra de forma aislada rígida o a través de una impedancia de alto valor óhmico.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201230777.
Solicitante: UNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRID.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: PLATERO GAONA,CARLOS ANTONIO, BLAZQUEZ GARCIA,FRANCISCO, GRANIZO ARRABE,RICARDO, REBOLLO LÓPEZ,Emilio, BLÁNQUEZ DELGADO,Francisco, ÁLVAREZ GÓMEZ,Fernando.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- G01R31/08 FISICA. › G01 METROLOGIA; ENSAYOS. › G01R MEDIDA DE VARIABLES ELECTRICAS; MEDIDA DE VARIABLES MAGNETICAS (indicación de la sintonización de circuitos resonantes H03J 3/12). › G01R 31/00 Dispositivos para ensayo de propiedades eléctricas; Dispositivos para la localización de fallos eléctricos; Disposiciones para el ensayo eléctrico caracterizadas por lo que se está ensayando, no previstos en otro lugar (ensayo o medida de dispositivos semiconductores o de estado sólido, durante la fabricación H01L 21/66; ensayo de los sistemas de transmisión por líneas H04B 3/46). › Localización de defectos en los cables, líneas de transmisión o redes.
- H02H3/16 ELECTRICIDAD. › H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA. › H02H CIRCUITOS DE PROTECCION DE SEGURIDAD (indicación o señalización de condiciones de trabajo indeseables G01R, p. ej. G01R 31/00, G08B; localización de defectos a lo largo de las líneas G01R 31/08; dispositivos de protección H01H). › H02H 3/00 Circuitos de protección de seguridad para desconexión automática respondiendo directamente a un cambio indeseado de las condiciones eléctricas normales de trabajo con o sin reconexión (especialmente adaptados para máquinas o aparatos de tipos especiales o para la protección seccional de sistemas de cables o líneas H02H 7/00; sistemas para conmutación de la alimentación de reserva H02J 9/00). › sensibles a una corriente de defecto a tierra o a masa (con disposiciones para medidas de equilibrio o diferenciales H02H 3/26).
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Fragmento de la descripción:
MÉTODO Y SISTEMA DE PROTECCIÓN PARA REDES ELÉCTRICAS CON
NEUTRO AISLADO DE TIERRA
OBJETO DE LA INVENCIÓNLa presente invención tiene por objeto presentar un nuevo método y sistema de detección de faltas monofásicas a tierra en redes de energía eléctrica con neutro aislado de tierra (es decir, puesto a tierra a través de una impedancia de muy alto valor óhmico) . Este nuevo método y sistema ofrece una total selectividad en la detección de la zona en condición de falta evitando disparos no deseados ó erróneos al efectuar comparaciones direccionales entre distintas intensidades. No compara la tensión homopolar con la intensidad homopolar como hacen normalmente las actuales protecciones direccionales de sobreintensidad de falta a tierra en redes de energía eléctrica con neutro aislado de tierra o puesto a tierra a través de una impedancia de muy alto valor óhmico.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Al producirse faltas monofásicas a tierra en redes de suministro de energía eléctrica con neutro aislado de tierra o puesto a tierra a través de una impedancia de muy alto valor óhmico, se elevan los potenciales de las otras dos fases sanas, pasando a tomar valores de tensión de línea en vez de fase. Esta sobretensión debe ser soportada por todos los elementos de potencia que componen dicha red durante un tiempo que puede llegar a durar varias horas no debiéndose deteriorar su aislamiento. En los sistemas de energía eléctrica con neutro aislado de tierra o puesto a tierra a través de una impedancia de muy alto valor óhmico, en caso de defecto a tierra circula corriente homopolar de defecto por todas las líneas, siendo difícil identificar la línea con el defecto, particularmente en instalaciones donde existan algunas líneas de gran longitud respecto a las demás.
Una forma de detectar de forma selectiva la línea en falta consiste en inyectar en el sistema una señal de tensión de pequeña amplitud. Se calcula, por tanto, de forma permanente, la resistencia de aislamiento en cada línea. Una vez alcanzado un nivel de aislamiento correspondiente a una situación de defecto, el sistema de protección proporciona primeramente una señal de alarma y, en caso de descenso progresivo del aislamiento, una segunda señal de disparo. Esta técnica se ha venido utilizando normalmente en redes de distribución eléctrica de Baja Tensión. Otra forma de detección selectiva de faltas monofásicas a tierra, en redes de suministro de energía eléctrica que están aisladas de tierra, es la protección direccional de sobreintensidad de corriente a tierra homopolar, que necesita conocer los vectores tensión homopolar en barras de distribución e intensidad homopolar en cada una de las posiciones de línea, debiéndose instalar normalmente una protección de este tipo en cada una de las líneas. Las medidas de tensión e intensidad homopolares del defecto se obtienen a partir de:
• Tensión homopolar en barras de distribución: transformador de tensión con sus devanados secundarios conectados en triángulo abierto.
• Intensidades homopolares en cada posición de línea: transformador de intensidad, normalmente toroidal, que abrace las tres fases.
En base a la posición relativa de las intensidades homopolares de defecto en cada línea con la tensión homopolar común a todas las líneas, se dispara la línea con defecto a tierra. El criterio de disparo utilizado empleando las medidas de tensión e intensidad homopolares descritas, es el siguiente:
• Existencia de una tensión homopolar en barras superior a un ajuste definido anteriormente.
• Existencia de la componente capacitiva de las intensidades de falta superior a un ajuste predefinido.
• Existencia de un ángulo de desfase determinado entre la tensión homopolar medida en barras de distribución y la intensidad homopolar medida en la línea en falta.
Se necesita, por tanto, el cumplimiento de tres condiciones previas antes de efectuar la orden de disparo al interruptor automático correspondiente a la línea en situación de falta.
Existen algunas patentes relacionadas con posibles soluciones del problema técnico planteado: -WO 2004/079378 A1 (“Detection of earth faults in three phase Systems”) esta solicitud de patente se ha definido para sistemas eléctricos de potencia con neutro puesto a tierra a través de una reactancia, no aislados de tierra por tanto. Tampoco presenta una definición de criterios de detección de faltas a tierra en función de la aparición tensiones homopolares. -WO 98/20356 (“Method of detecting and locating a high-resistance earth fault in an electric power network”) esta solicitud de patente plantea detectar faltas a tierra comparando la componente de tensión homopolar en primera instancia con la componente de tensión de secuencia directa de la red y, en segunda instancia, con la impedancia homopolar de la red. Finalmente, se realiza una comparación entre la intensidad de defecto y la componente de secuencia directa de la tensión de red. En cambio, la presente invención no compara las componentes de secuencia directa y homopolar de la tensión de red ni aplica un criterio de direccionalidad para determinar la línea que presenta el defecto a tierra. -ES 466782 A1 (“Relé direccional para la vigilancia de al menos una línea de transporte de energía eléctrica alterna”) esta solicitud de patente detecta faltas a tierra calculando la impedancia de defecto en módulo y argumento, empleando un criterio direccional para discrimina la dirección del defecto. En cambio, la presente invención no aplica un criterio de direccionalidad para determinar la línea que presenta el defecto a tierra.
-ES 389113 (“Perfeccionamientos en aparatos de detección y protección de faltas a tierra en redes de distribución de tensión eléctrica”) , esta patente detecta la línea en falta identificando la dirección de la intensidad homopolar. En cambio, la presente invención no aplica un criterio de direccionalidad para determinar la línea que presenta el defecto a tierra.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención permite detectar de forma selectiva en sistemas de suministro de energía eléctrica con neutro aislado de tierra, es decir puesto a tierra a través de una impedancia de muy alto valor óhmico, la línea que se encuentra en situación de defecto monofásico a tierra. Los defectos monofásicos representan más del 90% de total de faltas que se producen en redes de energía eléctrica, se origina una disminución de la tensión en la fase con defecto y un aumento en las tensiones de las otras dos fases sin defecto. De forma que resulta imprescindible su detección y localización precisa. Sin embargo, este tipo de defecto impide su localización si se emplean solo protecciones voltimétricas. Por tanto, es preciso medir otras magnitudes tales como las intensidades capacitivas que circulan por todas las líneas en servicio cuando se produce este tipo de defecto en sistemas de suministro de energía eléctrica con neutro puesto a tierra. En los sistemas eléctricos con neutro aislado de tierra, cuando se produce un defecto monofásico a tierra en una fase, la capacidad de dicha fase en todo el sistema eléctrico queda cortocircuitada y, por tanto, no hace circular ninguna intensidad debida a la capacidad de dicha fase con defecto. Esta nueva invención propone utilizar transformadores de intensidad toroidales de doble devanado secundario con idénticas características en cuanto a relación de transformación, clase y potencia de precisión se refiere. El principio de funcionamiento se basa en la comparación de los signos de las intensidades de defecto captadas por los transformadores de intensidad
toroidales dispuestos en cada una de las líneas conectadas a las mismas barras de distribución generales. Este método presenta las siguientes características:
• Los transformadores de intensidad toroidales dispuestos en todas las líneas han de tener dos devanados secundarios idénticos, primer secundario nº 1 denominado desde este momento devanado secundario 2.1 y segundo secundario nº 2 denominado también desde ahora devanado secundario 2.2.
• Todos los transformadores de intensidad toroidales dispuestos en todas las líneas han de conectarse con el mismo criterio de polaridad, es decir, con todos sus terminales primarios 1.1 mirando a barras ó mirando a las líneas.
• Todos los terminales secundarios 2.1 de los transformadores de intensidad toroidales se conectan a tierra, o bien todos los terminales secundarios 2.2.
• Se forma un circuito de medida sumando todas las intensidades de defecto obtenidas en los devanados secundarios...
Reivindicaciones:
1. Método de protección para redes eléctricas con neutro aislado de tierra, caracterizado por que comprende los siguientes pasos: -medir en cada línea de distribución (3) , la intensidad de defecto obtenida en los segundos devanados secundarios (2.2) de los transformadores de intensidad toroidales (2) ; -medir en cada línea de distribución (3) , la intensidad de defecto obtenida en los primeros devanados secundarios (2.1) de los transformadores de intensidad toroidales (2) y sumar dichas medidas para obtener la intensidad de comparación, donde todos salvo uno de los transformadores de intensidad toroidales (2) están conectado con igual polaridad;
-determinar la línea con defecto en función de la comparación de los signos entre la intensidad de comparación IComparación y las intensidades de los segundos devanados secundarios (2.2) de cada transformador de intensidad toroidal dispuesto en cada línea de forma que:
a) si el defecto se ha producido en la línea cuyo transformador toroidal se ha conectado con polaridad inversa, la intensidad de comparación IComparación tiene polaridad contraria respecto a la intensidad que circula por el devanado secundario nº2 (2.2) de dicha línea, mientras que en el resto de líneas sin defecto, la intensidad de comparación IComparación tiene igual polaridad que las intensidades que circulan por los devanados secundarios nº2 (2.2) de dichas líneas sanas; b) alternativamente, si el defecto se ha producido en una línea cuyo transformador toroidal no se ha conectado con polaridad inversa, la intensidad de comparación IComparación tiene la misma polaridad respecto a la intensidad que circula por el devanado secundario nº2 (2.2) de dicha línea, mientras que en el resto de líneas sin defecto, la intensidad de comparación IComparación tiene distinta polaridad que las intensidades que circulan por los devanados secundarios nº2 (2.2) de dichas líneas sanas.
2. Método de protección según reivindicación 1, caracterizado por que comprende un paso previo para medir la tensión homopolar en barra (6) y compararla con un valor seleccionado.
3. Método de protección según reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que se acciona el elemento de apertura (1) en carga de la línea de distribución (3) , en función del resultado de la comparación.
4. Sistema de protección para redes eléctricas con neutro aislado de tierra, caracterizado por que comprende: -medios para medir en cada línea de distribución (3) , la intensidad de defecto obtenida en los segundos devanados secundarios (2.2) de los transformadores de intensidad toroidales (2) ; -medios para medir en cada línea de distribución (3) , la intensidad de defecto obtenida en los primeros devanados secundarios (2.1) de los transformadores de intensidad toroidales (2) y sumar dichas medidas para obtener la intensidad de comparación, donde todos salvo uno de los transformadores de intensidad toroidales (2) están conectado con igual polaridad; -medios para determinar la línea con defecto en función de la comparación de los signos de la intensidad de cada línea y la intensidad de comparación y la polaridad del devanado secundario (2.1) .
5. Sistema de protección según reivindicación 4, caracterizado por que comprende unos medios para medir la tensión homopolar en barra (6) y compararla con un valor seleccionado.
6. Sistema de protección según reivindicación 4 ó 5, caracterizado por que comprende un elemento de apertura en carga (1) configurado para abrir la línea de distribución (3) de acuerdo con la comparación realizada por los medios para determinar la línea con defecto.
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