Un limitador de corriente de falta.

Un limitador de corriente de falta para su incorporación en un circuito eléctrico,

incluyendo dicho limitador de corriente de falta un núcleo magnéticamente saturable (1) y al menos una bobina de fase de CA enrollada alrededor de una parte de dicho núcleo saturable, donde dicho núcleo magnéticamente saturable y dicha al menos una bobina de fase de CA (5) están alojados en un cerramiento (3), caracterizado porque una bobina de polarización de CC (2) está dispuesta fuera de y rodeando dicho cerramiento la cual, durante condiciones de funcionamiento sin faltas de dicho limitador de corriente, polariza dicho núcleo con una saturación magnética para una baja impedancia de inserción, pero durante condiciones con faltas saca dicho núcleo de la saturación magnética para proporcionar de ese modo una mayor impedancia de limitación de corriente en dicho circuito eléctrico.

Un limitador de corriente de falta.

Campo de la invención La presente invención se refiere a limitadores de corriente de falta.

La invención se ha desarrollado principalmente para un limitador de corriente de falta de núcleo saturado de alta tensión y se describirá con referencia a esa aplicación. Sin embargo, la invención no está limitada a ese campo particular de uso y también es adecuado para limitadores de corriente de falta de baja tensión, media tensión, tensión extra-alta y tensión ultra-alta.

Antecedentes de la invención Se conocen limitadores de corriente de falta (FCL) de núcleo saturado. Ejemplos de dispositivos limitadores de corriente de falta superconductores incluyen:

La patente de EE.UU. 7193825 a nombre de Darmann et al.

La patente de EE.UU. 6809910 a nombre de Yuan et al.

La patente de EE.UU. 4490769 a nombre de Boenig.

La publicación de solicitud de patente de EE.UU. número 2002/0018327 a nombre de Walker et al.

Los limitadores de corriente de falta descritos se utilizan con disposiciones de bobinas de cobre de aislamiento seco y, en términos prácticos, solo son adecuados para FCL saturados de CC que utilizan aire como el medio aislante principal. Es decir, el medio aislante estático principal entre las bobinas de fase de CA en un FCL polifásico y entre las bobinas de fase de CA y el núcleo de acero, una bobina de CC, un criostato y la estructura principal se proporciona mediante una separación adecuada con aire. Esto limita sustancialmente el FCL a tecnologías de aislamiento de “tipo seco”. Las tecnologías de tipo seco se refieren normalmente a técnicas de construcción de transformadores que utilizan bobinas de cobre aisladas eléctricamente pero sólo aire estático normal y materiales de barrera aislantes, sólidos y aislados como el equilibrio del medio aislante. En general, el aire forma la mayor parte del material aislante eléctrico entre el lado de alta tensión y los componentes conectados a tierra del FCL. Estos componentes conectados a tierra incluyen el armazón de acero y el recubrimiento.

La utilización de un aislante seco limita el FCL a intervalos de tensión más bajos de tensiones de líneas de CA de hasta 39 kV aproximadamente. Los transformadores y reactores de tipo seco sólo están disponibles comercialmente hasta niveles de tensión de 39 kV aproximadamente. Como resultado, la tecnología demostrada actual para FCL saturados de CC no es adecuada para extenderse a versiones de alta tensión. Los diseños de tipo seco no permiten diseñar una estructura compacta y dimensionada de manera práctica utilizando aire como el medio aislante cuando se manejan tensiones más altas.

Uno de los mercados emergentes principales de los FCL es el intervalo de media a alta tensión (de 33 kV a 166 kV) y de tensión extra-alta (de 166 kV a 750 kV) . Cuando se trabaja con estos intervalos de tensión, la técnica y descripciones bibliográficas actualmente descritas de FCL saturados de CC no son prácticas. La razón principal se debe a consideraciones de diseño de tensión estática, por ejemplo una descarga disruptiva en el medio aislante de aire entre las bobinas de cobre de alta tensión y el criostato o núcleo de acero o las bobinas de CC. Las bobinas de fase de alta tensión en el intervalo de media a alta tensión (superiores a los 39 kV) normalmente necesitan estar sumergidas en uno de los siguientes medios:

Un gas aislante (tal como SF6, nitrógeno, o similar) .

Vacío (más adecuado que 10-3 mbar) .

Un líquido tal como aceite de silicona sintético, aceite vegetal u otros aceites aislantes normalmente disponibles utilizados en la tecnología de reactores y transformadores de media tensión, alta tensión y tensión extra-alta.

Cuando un dispositivo de alta tensión está sumergido en un medio aislante de este tipo, ese medio se denomina normalmente como el “medio aislante volumétrico” o “dieléctrico”.

Normalmente, el dieléctrico tendrá una permitividad relativa del orden de 2 a 4 aproximadamente, excepto para un vacío que tenga una permitividad relativa igual a 1. Estos denominados medios aislantes dieléctricos tienen propiedades electrostáticas de resistencia a descargas disruptivas que son muy superiores a las del aire atmosférico si se utilizan adecuadamente limitando la distancia máxima entre las barreras aislantes sólidas y optimizando la distancia rellena con dieléctrico con respecto a las propiedades de descarga disruptiva de los dieléctricos líquidos o gaseosos particulares.

Los gases y líquidos aislantes volumétricos comúnmente disponibles tienen por lo general una resistencia a las descargas disruptivas del orden de 10 a 20 kV/mm pero se utilizan normalmente de manera que la fuerza media del campo eléctrico no supere el intervalo comprendido entre 6 y 10 kV/mm aproximadamente. Este margen de seguridad con respecto al valor de la fuerza de las descargas disruptivas es necesario ya que incluso si la fuerza media del campo electrostático está comprendida entre 6 y 10 kV/mm, la fuerza máxima del campo electrostático a lo largo de cualquier línea de campo eléctrico isostático puede ser entre 2 y 3 veces la media debido a varios efectos de mejora del campo electrostático.

En general, hay cinco requisitos principales y deseables de un líquido o gas dieléctrico para requisitos de aislamiento volumétrico de alta tensión en instalaciones alojadas tales como transformadores, reactores y limitadores de corriente de falta:

El dieléctrico debe mostrar una resistividad muy alta.

Las pérdidas del dieléctrico deben ser muy bajas.

El líquido debe poder alojar aislantes sólidos sin degradar dicho aislante sólido (por ejemplo, aislamiento entre vueltas en devanados de bobinas o epoxi) .

La resistencia eléctrica a las descargas disruptivas debe ser alta.

El medio debe poder evitar pérdidas de energía térmica.

Por lo general, las técnicas de aislantes sólidos no están todavía disponibles en el intervalo de media a alta tensión (es decir, en tensiones de funcionamiento superiores a los 39 kV) para dispositivos alojados tales como transformadores, reactores y limitadores de corriente de falta. El inconveniente de las técnicas de aislantes sólidos es la presencia de los inevitables huecos en el volumen del aislante sólido o entre las superficies de diferentes materiales, tal como entre materiales aislantes para bobinas y otros materiales aislantes sólidos. Se sabe ampliamente que los huecos en los aislantes sólidos con altas tensiones producen una gran fuerza eléctrica en el hueco debido al efecto de mejora de campo. Esto provoca una ruptura física del material circundante debido a descargas parciales y puede dar lugar finalmente a la aparición de corrientes de fuga y a un fallo total del dispositivo.

Debe reconocerse que un limitador de corriente de falta saturado de CC que utiliza una única o múltiples bobinas de CC para saturar el núcleo de acero, tales como los dados a conocer en la técnica anterior mencionada anteriormente, genera graves problemas cuando las bobinas de cobre de fase de CA ya no pueden tener una construcción de "tipo seco" o cuando el medio aislante principal de todo el dispositivo es aire. Un problema importante en tales disposiciones es la presencia del criostato de acero para refrigerar la bobina HTS de CC y de la propia bobina HTS de CC. El criostato, la bobina y los núcleos de acero están esencialmente a un potencial de tierra con respecto a las bobinas de fase de CA.

Una cuestión aparte, pero que mejora los requisitos de aislamiento de todos los equipos e instalaciones de alta tensión, es que el diseño de aislamiento básico también debe cumplir determinadas normas de ingeniería eléctrica que prueban la tolerancia a varios tipos de sobretensiones y pulsos luminosos en periodos de tiempo predeterminados. Ejemplos, en Australia, de tales normas son los siguientes:

AS2374 Parte 3. Niveles de aislamiento y pruebas de dieléctricos que incluyen la frecuencia de potencia (PF) y pruebas de pulsos de rayos (LI) del todo el transformador.

AS2374 Parte 3.1. Niveles de aislamiento y pruebas de dieléctricos - Separaciones externas con aire.

AS2374 Parte 5. Capacidad de soportar cortocircuitos.

Estas normas no forman una lista exhaustiva de las normas que deben cumplir los equipos eléctricos de alta tensión. Debe observarse que cada país tiene sus propias normas que cubren estas mismas áreas de diseño y la referencia a las normas de un país particular no excluye necesariamente las normas de otros países. De manera ideal, se construyen dispositivos que cumplen las normas de múltiples países.... [Seguir leyendo]

1. Un limitador de corriente de falta para su incorporación en un circuito eléctrico, incluyendo dicho limitador de corriente de falta un núcleo magnéticamente saturable (1) y al menos una bobina de fase de CA enrollada alrededor de una parte de dicho núcleo saturable, donde dicho núcleo magnéticamente saturable y dicha al menos una bobina de fase de CA (5) están alojados en un cerramiento (3) , caracterizado porque una bobina de polarización de CC (2) está dispuesta fuera de y rodeando dicho cerramiento la cual, durante condiciones de funcionamiento sin faltas de dicho limitador de corriente, polariza dicho núcleo con una saturación magnética para una baja impedancia de inserción, pero durante condiciones con faltas saca dicho núcleo de la saturación magnética para proporcionar de ese modo una mayor impedancia de limitación de corriente en dicho circuito eléctrico.

2. Un limitador de corriente de falta de acuerdo con la reivindicación 1, que incluye solamente una bobina de polarización de CC.

3. Un limitador de corriente de falta de acuerdo con la reivindicación 1, que incluye dos o más bobinas de polarización de CC.

4. Un limitador de corriente de falta de acuerdo con la reivindicación 3, en el que las bobinas de polarización de CC están separadas.

5. Un limitador de corriente de falta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicha bobina de polarización de CC es un superconductor a alta temperatura.

6. Un limitador de corriente de falta de acuerdo con la reivindicación 5, en el que dicha bobina de polarización de CC es coincidente y coaxial con dicha al menos una bobina de fase de CA, de manera que dicha parte del núcleo saturable está totalmente saturada.

7. Un limitador de corriente de falta de acuerdo con la reivindicación 6, en el que dicho núcleo magnéticamente saturable tiene la forma de una matriz de columnas de núcleo con bobinas de fase de CA enrolladas cada una en columnas respectivas de dichas columnas de núcleo e interconectadas eléctricamente de tal manera que los sentidos de los campos magnéticos producidos por dichas bobinas de CA son opuestos.

8. Un limitador de corriente de falta de acuerdo con la reivindicación 7, en el que dichas columnas de núcleo tienen una sección transversal rectangular.

9. Un limitador de corriente de falta de acuerdo con la reivindicación 7 o la reivindicación 8, en el que las columnas de núcleo están conectadas mediante una culata en un extremo y están abiertas en el otro extremo.

10. Un limitador de corriente de falta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que dichas columnas de núcleo tienen una sección transversal constante a lo largo de las longitudes de las mismas.

11. Un limitador de corriente de falta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en el que dichas columnas de núcleo son cónicas hacia los extremos de las mismas, por lo que durante un funcionamiento sin faltas del limitador casi la totalidad de dicho núcleo está saturada.

12. Un limitador de corriente de falta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho limitador tiene una configuración de núcleo abierto.

13. Un limitador de corriente de falta de acuerdo con la reivindicación 12, en el que una región de dicho núcleo idéntica a al menos la altura de la bobina de CA está saturada casi totalmente por la bobina de CC para obtener una impedancia de inserción mínima durante condiciones de funcionamiento sin faltas.

14. Un limitador de corriente de falta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho núcleo magnéticamente saturable está hecho de un material laminado de acero para transformadores, acero dulce u otro acero magnético, material de ferrita, polvo compacto aislado de alta permeabilidad o un material ferromagnético.

15. Un limitador de corriente de falta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho núcleo magnéticamente saturable y dichas bobinas de fase de CA están sumergidos en un dieléctrico (4) .

16. Un limitador de corriente de falta de acuerdo con la reivindicación 15, en el que dicho dieléctrico está en forma de un líquido o un gas.

17. Un limitador de corriente de falta de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que dicha bobina de polarización de CC está en forma de una bobina de CC con forma de pista de carreras.

18. Un limitador de corriente de falta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho cerramiento incluye medios de refrigeración además de un dieléctrico (4) .