Sistema y método de localización de defectos a tierra en devanados estatóricos de máquinas síncronas puestas a tierra mediante una impedancia de elevado valor basado en la estimación de la resistencia de defecto a baja frecuencia.

Sistema y método de localización de defectos a tierra en devanados estatóricos de máquinas síncronas puestas a tierra mediante una impedancia de elevado valor basado en la estimación de la resistencia de defecto a baja frecuencia.

La presente invención está dirigida a un método de localización de defectos a tierra en el estator de una máquina síncrona, por ejemplo un generador, y a una planta de generación de energía eléctrica para alimentar una red eléctrica. El método se basa principalmente en la localización de la falta mediante la utilización de variables obtenidas en la etapa de medida y el valor de resistencia de defecto estimado. La obtención de la resistencia de defecto se lleva a cabo a través de la información que proporciona un sistema de inyección de tensión en la impedancia de puesta a tierra a baja frecuencia.

SISTEMA Y MÉTODO DE LOCALIZACIÓN DE DEFECTOS A TIERRA EN DEVANADOS

ESTATÓRICOS DE MÁQUINAS SÍNCRONAS PUESTAS A TIERRA MEDIANTE UNA IMPEDANCIA DE ELEVADO VALOR BASADO EN LA ESTIMACIÓN DE LA RESISTENCIA DE DEFECTO A BAJA FRECUENCIA.

Objeto de la invención La presente invención tiene por objeto presentar un nuevo sistema y método de localización de defectos a tierra en devanados estatóricos de generadores síncronos, basado en la estimación de la resistencia de defecto a baja frecuencia, lo cual permitiría reducir el tiempo y coste de la localización de los defectos a tierra para su posterior reparación.

Antecedentes de la invención Uno de los defectos eléctricos más comunes en los generadores síncronos es el cortocircuito entre una fase y tierra dentro de una ranura del estátor. Las consecuencias de este tipo de faltas dependen sobre todo del punto del devanado estatórico donde se produzca el defecto, esto es, las faltas cercanas a los terminales del generador podrían ser

devastadoras (en generadores cuyo neutro esta rígidamente puesto a tierra) si no se limitan y despejan, mientras que las faltas muy cercanas al neutro del devanado pueden ser casi imperceptibles. Sin embargo, estas últimas pueden resultar incluso más dañinas que las primeras en el caso de que se produzca un segundo defecto fase-tierra en el devanado.

Sobre el defecto a tierra tiene gran influencia el tipo de puesta a tierra del generador, el cual determina directamente el esquema de protección a utilizar para proteger el estator frente a faltas a tierra.

Es práctica habitual poner el neutro a tierra mediante una impedancia Rg de elevado valor

(Rg > 1000 Ω) , de forma que se limite la corriente de defecto a un valor bajo (5 A o 10 A) que no produzca daños en el paquete magnético de la máquina y que, a su vez, pueda ser detectada por los relés de protección correspondientes. En caso de no eliminar un defecto a tierra, éste puede evolucionar a un defecto entre fases, provocando daños severos dentro de la máquina, ya que el valor de la corriente en este último caso sólo está limitado por las impedancias propias del generador. Además, en caso de alcanzarse este defecto entre fases mientras el generador está acoplado a la red, también se debe considerar la aportación al cortocircuito de esta última. En este escenario la protección diferencial de generador (llamada 87G según IEEE Std C37.2-1996) debe despejar la falta. Por esta razón es tan importante detectar los defectos a tierra de forma efectiva.

Tras la detección del defecto, se debe proceder a la localización de la falta para la reparación del devanado. Esta localización no resulta sencilla y habitualmente se realiza tras la parada de la máquina mediante diversas técnicas.

Dado que la práctica habitual es la puesta a tierra mediante impedancia de alto valor, los daños provocados por el defecto suelen ser despreciables a simple vista si se ha detectado adecuadamente, lo que dificulta la localización.

Existen varios métodos de uso común para localizar defectos a tierra en los estátores de las máquinas síncronas. Los más habituales se describen a continuación:

• Inyectar una tensión creciente entre la fase con defecto y el paquete magnético hasta que por efecto de la energía disipada en el cortocircuito se produzca alguna señal, como humo o chispeo, que permita localizar el lugar en el que el devanado está en contacto con el paquete magnético.

• Medir el aislamiento de los devanados del estátor de la máquina síncrona hasta localizar en cuál de ellos está el cortocircuito. Una vez detectado, se divide el devanado en dos trozos y se vuelve a medir el aislamiento de cada uno de los mismos. Cuando se sabe en cuál de ellos está el defecto, se vuelve a repetir la operación, dividiendo el tramo de nuevo en dos trozos, y midiendo el aislamiento en cada uno. Este proceso se repite tantas veces como sea necesario hasta localizar el punto en el que está el cortocircuito.

• Inyectar una tensión alterna en el devanado de excitación del generador con la máquina parada y verificar las tensiones inducidas en los devanados del inducido repitiendo este proceso para diferentes posiciones del rotor.

El método que aquí se presenta tiene la gran ventaja de ser capaz de localizar el defecto mientras la máquina se encuentra en funcionamiento, de modo que al producirse el defecto, la detección y localización se puede realizar de forma conjunta, acelerando así el proceso de localización física del cortocircuito y reduciendo por tanto el tiempo de reparación.

Este método de localización se basa, primero, en la estimación de la resistencia de defecto mediante una fuente de inyección a baja frecuencia, y posteriormente la utilización de este parámetro para la localización del cortocircuito.

Por último conviene tener en cuenta una serie de patentes relacionadas con la invención:

La patente de invención SU1347113-A, titulada: “Protecting three-phase electric motor from faulty operation modes -by using trips reacting to zero phase-sequence with triple frequency”, describe un sistema de detección de faltas a tierra en estátores mediante la medida de una corriente de secuencia cero.

La patente de invención EP344558-A, titulada: “Checking of laminated stator assembly for insulation defects -detecting induced voltage amplitude and phase shifts due to current through interlamination short circuit”, describe un sistema de detección de faltas a tierra en estátores mediante la comparación de las señales de dos devanados acoplados mecánicamente, el cual permite detectar defectos debidos a puntos calientes, pero no determina su posición.

La patente de invención P200901880 titulada “Sistema y método de localización de faltas a tierra en devanados de inducido de máquinas síncronas”. Se trata de un sistema que permite localizar las faltas a tierra en estátores de máquinas síncronas sin realizar la extracción del rotor de la máquina y sin dañar el paquete magnético de la misma. Para localizar defectos se necesita una fuente de tensión alterna para alimentar el devanado de inducido y varios equipos de medida para las fases del estátor.

Descripción de la invención La presente invención permite localizar de manera muy precisa los defectos a tierra en devanados estatóricos de generadores síncronos (1) puestos a tierra con una resistencia de elevado valor (7) . Para la correcta localización es necesario estimar la resistencia de defecto (8) adecuadamente debido a lo que se expone a continuación.

Cuando se produce un defecto a tierra en el estátor de un generador síncrono (1) se produce la aparición de una corriente de defecto (13) , cuyo valor depende del valor de resistencia de puesta a tierra, RN (7) . El valor óhmico de esta resistencia se diseña habitualmente para limitar la corriente que circula por el neutro a 10 A en el peor defecto posible, esto es, defecto rígido a tierra en terminales del generador. Los sistemas de detección de defectos a tierra convencionales se basan en la detección de la sobretensión (11) que aparece en esta resistencia de puesta a tierra (7) (protección 59N según IEEE Std C37.2-1996) o en la sobrecorriente (16) que aparece en la misma (conocida como 51N según el mismo estándar) . Cuando el valor de tensión en la resistencia de puesta a tierra VN (medido en el secundario de un transformador (5) mediante transformadores de medida) supera el umbral de ajuste (típicamente el 5% de la tensión de fase del generador) , la protección 59N (6) dispara el grupo de generación quitándolo de servicio. Si se escoge el esquema análogo 51N (16) , basado en la medida de corriente por el neutro IN, cuando dicha corriente supera el ajuste (análogamente el 5% de 10 A) , la protección dispara el grupo.

En caso de defecto a tierra, existen dos variables desconocidas: la posición del defecto x, y la resistencia de falta Rf (8) . La variable x puede tomar valores entre 0 y 1 (inclusive) donde 0 sería el valor para el caso de defecto en el neutro del generador, N, y 1 el valor para el caso de defecto en terminales. De esta forma, en caso de defecto a tierra ambas variables quedan relacionadas de la siguiente forma:

· = · ( + · (1+ ·2· · · · ) )

(1)

Donde f es la frecuencia (50 Hz) y CT representa el valor de la capacidad a tierra total del sistema de generación, suma de las capacidades del generador (9) y del resto de elementos, tales como el interruptor de grupo, el transformador principal, etc., todas incluidas en (10) . Un es la tensión del devanado estatórico obtenido mediante dispositivos medidores de tensión....

1. Sistema de localización de defectos a tierra en devanados estatóricos de máquinas síncronas puestas a tierra mediante una impedancia de elevado valor, caracterizado porque comprende:

! dispositivos de medida de la tensión de las fases de la máquina síncrona; ! un dispositivo de medida de la tensión en la impedancia de puesta a tierra; ! un dispositivo de inyección de una tensión en la impedancia de puesta a tierra a una frecuencia que puede ser distinta de la frecuencia asignada de la maquina síncrona; ! un dispositivo localizador de defectos a tierra, que dispone de:

o Medios de cálculo de la resistencia de defecto a tierra a partir de las medidas obtenidas mediante el dispositivo de inyección.

o Medios de cálculo de la posición del defecto a partir de las tensiones de fases medidas en la máquina, la tensión en la impedancia de puesta a tierra medida en la máquina y la resistencia de defecto a tierra obtenida previamente.

2. Método de localización de defectos a tierra en devanados estatóricos de máquinas síncronas puestas a tierra mediante una impedancia de elevado valor, que contiene al menos un transformador de potencia para entregar la energía eléctrica generada a la red de alterna, caracterizado porque comprende:

! etapa de medida de las tensiones de las fases de la máquina; ! etapa de medida de la tensión en la impedancia de puesta a tierra; ! etapa de inyección de una tensión en la impedancia de puesta a tierra a una

frecuencia que puede ser distinta de la frecuencia asignada de la máquina síncrona; ! etapa de cálculo de la resistencia de defecto a tierra a partir de las medidas obtenidas con la etapa de inyección ! etapa de cálculo de la posición del defecto a tierra a partir de las tensiones de fases medidas en la máquina, la tensión en la impedancia de puesta a tierra medida en la máquina y la resistencia de defecto a tierra obtenida.

Figura 1

Figura 2

50

40

30

20

10

0

1000

800 600 400 200 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Figura 3

8

6

4

2

0

1000

800 600 400 200 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Figura 4