Sistema electrónico activo de puesta a tierra para su uso en redes de distribución de alta tensión.

La invención se refiere a un sistema electrónico (11) de puesta atierra que se conecta en serie con un neutro (17) y con la puesta a tierra de un transformador de potencia (12) en cualquiera desus posibles configuraciones en una red de distribución de alta tensión,

que: - es un sistema electrónico de puesta a tierra activa configurado para actuar sobre una corriente que circula por dicha puesta a tierra, para lo cual comprende: - medios de inyecciónen dicha puesta a tierra de una corriente controlada en todo momento en amplitud, fase y componentes frecuenciales.

Sistema electrónico activo de puesta a tierra para su uso en redes de distribución de alta tensión.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un sistema electrónico activo de puesta a tierra de una red de distribución que se puede conectar en serie con un neutro, que puede ser tanto el neutro de los transformadores de potencia de 5 subestaciones eléctricas, o bien un neutro creado a partir de elementos auxiliares, cuya finalidad es la de extinguir faltas monofásicas transitorias a tierra, así como detectar y localizar faltas monofásicas a tierra, tanto transitorias como permanentes, en sistemas de distribución de energía eléctrica de alta tensión.

Antecedentes de la invención

Es un hecho suficientemente contrastado que uno de los índices que mide el nivel de desarrollo de un país es la 10 energía que éste consume. De igual manera es sencillo suponer que, a medida que la demanda energética de un país crece, la infraestructura eléctrica de generación, transporte y distribución se hace más compleja y difícil de gobernar, complicando el control y las posibles soluciones de las incidencias y cortes de suministro, y por tanto multiplicando las opciones para su resolución.

Los cortes e interrupciones de suministro tienen un efecto negativo sobre la forma en la que el usuario final percibe 15 la calidad de la energía que se le suministra. Por ello, a las compañías eléctricas se les exige un suministro de dicha energía con un alto nivel de calidad que permita asegurar un funcionamiento sin fallos de los equipos de alta tecnología. Dentro de las diferentes causas de interrupción del suministro eléctrico, los fallos eléctricos ocupan un lugar muy destacado. Según datos estadísticos de las compañías eléctricas, la mayoría de los fallos que se producen en los sistemas de potencia son fallos monofásicos a tierra, debido a diferentes causas: contactos de 20 árboles y pájaros sobre las líneas, fallos en los aislamientos, rotura de conductores, contaminación proveniente de actividades industriales o depósitos salinos en áreas costeras, actos vandálicos, etc.

Consecuentemente, uno de los aspectos más importantes para fortalecer el sistema de energía frente a fallos monofásicos a tierra es la existencia de una correcta sintonía entre la puesta a tierra del neutro del transformador (puesta a tierra de servicio) y los diferentes dispositivos y la metodología empleados para la protección, detección y 25 localización de fallos eléctricos monofásicos. En primer lugar, en lo que se refiere a la seguridad de las instalaciones, el tratamiento del neutro no tiene influencia sobre las tensiones y corrientes de servicio en las redes con una estructura y carga simétricas (equilibradas) . Sin embargo, en caso de fallos de puesta a tierra, el comportamiento de la red está influenciado esencialmente por el tratamiento del neutro, debiendo ser tenidas en cuenta las corrientes de fallo, las sobretensiones y las tensiones de servicio requeridas por los equipamientos y las 30 dimensiones de las mismas. Las corrientes a tierra, por una parte, influyen en los sistemas vecinos (redes de comunicaciones, redes de distribución de gas y agua) y, por otra parte suponen una elevación del potencial de tierra, lo que puede representar un peligro para las personas.

Las exigencias técnicas del tratamiento del neutro se pueden dividir en exigencias dependientes de la corriente y en exigencias técnicas dependientes de la tensión. 35

Exigencias dependientes de la corriente son:

Bajas corrientes Pequeños efectos de los arcos eléctricos con, eventualmente, una extinción automática del arco.

Pequeñas influencias sobre las otras redes, por ejemplo, sobre las líneas férreas y las líneas de telecomunicación, redes de distribución de gas y agua. 40

Bajas tensiones de paso y contacto en el punto de fallo.

Exigencias dependientes de la tensión son:

Bajo incremento de las tensiones de servicio sobre los conductores sanos.

Utilización de pararrayos con una tensión nominal más baja.

Evitar los fallos consecutivos mediante un aislamiento perfecto de las fases. 45

Evitar las sobretensiones posteriores al cebado y extinción del arco eléctrico y a las maniobras de conexión.

Evitar las tensiones desplazadas en el servicio sin fallos incluso por los conductores múltiples.

Evitar las ferro-resonancias después de la eliminación del fallo de puesta a tierra y durante las maniobras de conexión.

Además de las exigencias anteriores, importantes desde el punto de vista de las compañías eléctricas, desde el punto de vista del usuario habría que tener en cuenta aspectos como:

Fuente de alimentación sin interrupción a cada consumidor 5

Compatibilidad con la fuente de alimentación a los procesos industriales Según el nivel de tensión, la estructura de la red y también su tasa de fallos, todas estas exigencias no se pueden realizar totalmente.

El tratamiento del neutro de los transformadores de las subestaciones de distribución tiene gran influencia en la explotación de la red, los criterios de protección de las redes y, por lo tanto, en la calidad del suministro. Dicho 10 tratamiento del neutro es un tema sujeto a continuas investigaciones con el fin de satisfacer lo más posible los requerimientos de los sistemas modernos. Debido a aspectos técnicos y legales, el método de puesta a tierra ha evolucionado de forma diferente en los distintos países.

Las diferentes tecnologías básicas aplicadas al método de puesta a tierra del neutro se pueden resumir en las tres siguientes tecnologías: 15

Puesta a tierra a través de una impedancia: A la impedancia homopolar así insertada se le puede dar un valor tal que limite a valores predeterminados la corriente de cortocircuito, la caída de tensión en línea y las sobretensiones en las fases sanas. Para ello, se utilizan diversos grados de puesta a tierra, desde el rígidamente, o efectivamente, puesto a tierra hasta el de alta impedancia.

Puesta a tierra aislada: Es un sistema sin conexión intencionada a tierra, excepto a través de indicadores 20 de tensión, dispositivos de medición u otros equipos de muy alta impedancia. Aunque se llama aislado, este sistema está en realidad acoplado con tierra a través de la capacidad distribuida de sus devanados de fase y conductores. En condiciones normales, el neutro de un sistema aislado con cargas equilibradas estará próximo al potencial de tierra, manteniéndose así la capacidad equilibrada entre cada conductor de fase y tierra. 25

Puesta a tierra compensada o resonante: Un sistema puesto a tierra en forma resonante es aquel en el cual la corriente de fallo capacitiva originada por las admitancias que existen entre el sistema y tierra se neutraliza o compensa mediante una corriente inductiva de igual valor. Esta corriente inductiva se genera mediante una reactancia denominada bobina de compensación o bobina de extinción del arco o neutralizador de fallo de puesta a tierra o bobina Petersen. Este tipo de reactancias incorpora, en algunos 30 casos, un motor o un mando manual que permite ajustar su valor en función de las necesidades de explotación de la red.

El procedimiento de puesta a tierra compensado parte de la premisa de que, cuando la corriente de fallo es de un valor suficientemente bajo, existe una alta probabilidad de que, en caso de que sea transitoria, se produzca la auto-extinción de la misma. Partiendo de esa base, la principal ventaja de este tipo de puestas a tierra radica en la 35 disminución de la circulación de corriente en los fallos monofásicos a tierra, de forma que el fallo pueda llegar a extinguirse sin interrupción del suministro eléctrico, siempre que no sea permanente.

Actualmente el dispositivo para la puesta a tierra compensada que se utiliza es la bobina Petersen, pudiendo citar en este sentido la solución definida en la patente DE-304823-A, que constituye una solución basada en un componente pasivo. 40

A partir de esta solución se han ideado diferentes alternativas que, utilizando la misma idea de conexión a tierra mediante una inductancia, han tratado de mejorar alguna de las características de la mencionada solución, sobre todo en lo relativo a la afinación de la bobina.

Una de las alternativas utiliza una inductancia ajustable, posibilitando su afinación (con un rango limitado) en función de los cambios de topología de la red mediante un mando manual o un motor que, actuando sobre el núcleo 45 magnético, permite la modificación del valor de la inductancia.

Otra de las mejoras para la afinación de la bobina Petersen se obtiene a partir de la aplicación... [Seguir leyendo]

1. Sistema electrónico de puesta a tierra que es conectable en serie con un neutro (17) y con la puesta a tierra de un transformador de potencia (12) en cualquiera de sus posibles configuraciones en una red de distribución de alta tensión, en el que dicho sistema electrónico de puesta a tierra es un sistema electrónico activo de puesta a tierra (11) configurado para actuar sobre una corriente que circula por dicha puesta a tierra, comprendiendo dicho sistema 5 electrónico activo de puesta a tierra (11) medios para inyectar una corriente, que esté controlada en todo momento en sus componentes de amplitud, fase y frecuencia, a dicha puesta tierra, en el que dichos medios para inyectar una corriente comprenden al menos un elemento de captura de tensión (6) y al menos un elemento de captura de corriente (7) , y al menos un sistema de protección y control (8) que recibe las magnitudes capturadas (, , , ) de dicho al menos un elemento de captura de tensión (6) y de dicho al menos un elemento de captura 10 de corriente (7) , y que está configurado para calcular un valor de dicha corriente a inyectar, caracterizado porque dichos elementos de captura de tensión y de corriente (6, 7) están configurados para obtener las siguientes mediciones:

- : tensión de neutro medida como la caída de tensión entre el neutro (17) y tierra de la red, cuyo componente de frecuencia a frecuencia f es ; 15

- : corriente de neutro medida directamente en el neutro de la red, cuyo componente de frecuencia a frecuencia f es ;

- : corriente homopolar de cada línea (13) de la red medida en cada una de las mismas, cuyo componente de frecuencia a frecuencia f es y - : magnitud de referencia que corresponde con la medida de una tensión compuesta de la citada red, 20

comprendiendo además el sistema electrónico activo de puesta a tierra (11) :

- al menos un elemento convertidor electrónico (1) cuya salida está conectada en serie con dicho neutro (17) , que está configurado para generar dicha corriente, cuyo valor es calculado por el sistema de protección y control (8) , convertidor electrónico (1) que está configurado para inyectar una corriente cuya frecuencia está entre 5 y f0 Hz, que es para la frecuencia nominal de red, y cuyo valor es inferior al 20% de la corriente capacitiva de la red y, con 25 dicha corriente se calcula la impedancia capacitiva equivalente total de la red en el componente f de frecuencia, XfC, y luego en f0, Xf0C, como:

sen

donde es la impedancia inductiva total equivalente del neutro de la red del componente f de frecuencia 30

es el ángulo de la tensión del neutro del componente f de frecuencia es el ángulo de la corriente del neutro del componente f de frecuencia.

2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un sistema de alimentación (3) que proporciona a dicho convertidor electrónico (1) tensión y corriente para que realice la inyección correspondiente a la función que se ha de llevar a cabo.

3. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque permite determinar la existencia de un fallo monofásico, tanto permanente como transitorio, realizando la siguiente comprobación de una sobretensión en el neutro en valores efectivos de tensión a f0 Hz:

donde

es la impedancia inductiva equivalente total del neutro de la red a f0 Hz

es una tensión de umbral pre-establecida, ajustada por el usuario y cuyo valor depende de la configuración de la red, de la impedancia en la puesta a tierra y del desequilibrio natural de la red.

4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque permite identificar qué fase tiene 10 un fallo, tanto en fallos permanentes como transitorios, comparando el ángulo de la tensión de neutro medida a f0 Hz, , y si se toma como la tensión compuesta : refU

cuando el ángulo de esté entre 300º y 60º, indica que el fallo está en una fase B;

cuando el ángulo de esté entre 60º y 180º, indica que el fallo está en una fase A;

y cuando el ángulo de esté entre 180º y 300º, indica que el fallo estará en una fase C. 15

5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque permite identificar qué fase tiene un fallo, tanto en fallos permanentes como transitorios, para lo cual se inyecta una corriente controlada de frecuencia f, y se realiza la siguiente comprobación para cada una de las líneas (13) de la red:

sn

donde es un componente de frecuencia entre 5 y f0 Hz

es el valor ajustable con el que se define la variación permitida para que sea considerada una situación de fallo.

6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque permite medir la distancia hasta el 25 punto del fallo, tanto en fallos permanentes como transitorios, para lo cual se inyecta una corriente controlada de frecuencia f con la que se puede realizar los siguientes cálculos para obtener el valor de la distancia en función de la impedancia de la línea:

y

sen

Distancia_a_fallo =

donde es la impedancia de la línea en fallo en ohm/km;

es un componente de frecuencia entre f0 Hz y 1.000 Hz; y es el ángulo de la impedancia calculada. 5

7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque permite extinguir un fallo monofásico transitorio en la red mediante una inyección controlada de intensidad en el neutro calculada para anular la tensión de la fase en fallo.

8. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque permite la modificación controlada y por tiempo indefinido de las tensiones fase-tierra y neutro-tierra de la red mediante la inyección de una corriente 10 de f0 Hz calculada a partir de las siguientes expresiones:

Corriente para compensar el desequilibrio natural de la red:

resultando el ángulo de IcompDeseqNat: compDeseqNat = NDeseq +90º;

Corriente para obtener una tensión deseada: 15

resultando el ángulo de IVDeseada: VDeseada = VDeseada -90º

donde es la tensión a la que se quiere someter al neutro de la red.

Por lo tanto, la intensidad a inyectar por el convertidor sería:

9. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho sistema (11) está incluido en una única envolvente.

10. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho sistema está incluido en envolventes independientes.

11. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que dicho neutro (17) es un neutro del 25 transformador de potencia (12) .

12. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que dicho neutro es un neutro creado a partir de elementos auxiliares.