Método para detectar el paso de una falta mediante el salto de fase de la corriente residual.

Método para detectar el paso de una falta mediante el salto de fase de la corriente residual.

La presente invención se refiere a un método y un sistema para detectar el paso de una falta por un punto de medida en una red de distribución de media tensión con una inductancia ajustada para un régimen de neutro resonante. El método se caracteriza por los pasos de: tomar medidas de una corriente residual que circula por el punto de medida de la red de distribución mediante un detector de paso de falta; conmutar una resistencia conmutable, conectada en paralelo con la inductancia, durante un tiempo de conmutación establecido previamente; comprobar, a partir de las mediciones de la corriente residual, si la conmutación del paso anterior ha provocado dos saltos de fase de igual magnitud y de signo contrario separados por el tiempo de conmutación; detectar una falta en el punto de medida, si la comprobación del paso anterior resulta positiva se establece que el punto de medida se encuentra en el paso de una falta.

Método para detectar el paso de una falta mediante el salto de fase de la corriente residual Objeto de la invención

La presente invención tiene aplicación en el sector eléctrico, concretamente en las redes de distribución de media tensión y la detección y señalización de faltas de una manera precisa, fiable y económicamente viable manteniendo la sensibilidad de las protecciones de cabecera.

Antecedentes de la invención

Las redes de distribución en MT (media tensión, es decir, de 1 kV a 33 kV) suelen tener estructura radial. Hay un único punto fuente de la energía eléctrica que se distribuye (barra de subestación), siendo en dicho punto donde se conectan una serie de transformadores desde niveles de tensión de AT (alta tensión, superior a 33 kV) y una serie de salidas ó feeders de distribución a las que se conectan, en diversos puntos de su recorrido, las cargas ó receptores, bajo la forma de transformadores de MT a BT (baja tensión, es decir, menores de 1 kV).

Las redes de distribución en MT son de corriente alterna y, en Europa, siempre trifásica, con los neutros de MT en los transformadores de MT a BT desconectados de tierra. En otros continentes se combina la distribución trifásica con la distribución monofásica en MT, en algunas partes de la red.

En la red trifásica europea, en condiciones normales de servicio (red sana) se cumplen las condiciones de equilibrio:

Suma de las corrientes de fase igual a cero ya que las corrientes de carga tienen el neutro de la transformación MT a BT desconectado y no existe camino de retorno del saldo de estas corrientes.

Suma de las tensiones fase-tierra igual a cero, consecuencia de la igualdad constructiva de las capacidades fase-tierra de todas las fases. Las corrientes de carga-descarga de estas capacidades también sumarán cero.

Como ejemplo de una estructura típica (pétalo) de la red de distribución de MT en el estado de la técnica, se representa en la figura 1 una serie de Centros de transformación (1) (CT) con interruptores de entrada (2) y salida (3) formando una cadena conectada a dos posiciones de cabecera en subestación. En la cabecera se cuenta con un interruptor de cabecera (4) y también pueden identificarse detectores de paso de falta (5).

Se entiende por falta ó cortocircuito la pérdida, en un punto de la red, del aislamiento paralelo que existe en condiciones normales entre dos ó las tres fases del sistema trifásico (falta polifásica) ó entre una de ellas y tierra (falta monofásica). La falta polifásica conlleva la reducción a cero de la diferencia de potencial entre fases en el punto en que se produce la falta. De acuerdo a las leyes físicas de los circuitos (ley de Kirchhoff de las mallas), mientras existe una falta, circula una corriente, dada por la aplicación de la tensión de fuente a la impedancia de la red que está intercalada en serie entre la fuente y el punto en falta (ley de Ohm para corriente alterna). Para ofrecer un servicio eléctrico de calidad en la red de distribución (tensión de suministro razonablemente constante frente a variaciones de la carga), dicha impedancia de la red tiene que ser mucho menor que la presentada por los receptores ó cargas. La consecuencia es que circulan corrientes mucho más elevadas que las de carga en todos los puntos de la red comprendidos entre la fuente (barra de subestación) y el punto donde se encuentra la falta. La circulación de estas corrientes produce efectos térmicos que los elementos de la red solamente pueden soportar durante tiempos breves. Resulta por eso obligada la disposición en la salida de subestación de un elemento de corte (interruptor de cabecera) de apertura automática que, bajo orden de un dispositivo adecuado (relé de protección) abre el circuito y corta el paso de la corriente produciendo con ello la extinción de la falta, la recuperación de los valores normales de la tensión en la red de distribución y la pérdida de servicio en la salida donde se encuentra la falta.

La localización de averías se hace habitualmente dividiendo la red que tiene la avería en dos mitades y energizando una de ellas; a medida que se acota la zona con avería, se devuelve el suministro al resto de la red. Esto ocasiona que en el transcurso de localización se pueden producir incluso varias interrupciones a un mismo usuario de la red.

Utilizando detectores de paso de falta (DPF) puede acotarse mejor la zona donde puede encontrarse la avería, reduciendo así el número de maniobras y energizaciones sobre falta

necesarias para aislar el tramo averiado del resto del circuito y restablecer el servicio a los CTs. Los DPF son dispositivos que detectan el paso de corriente de falta en el punto en el que están instalados y, al reconocer, por la pérdida de tensión, que se ha producido la apertura del interruptor de cabecera, suministran una indicación (local y/o remota) para su uso en la localización del punto en falta. En la red ejemplo de la figura 1 hay representados DPFs en todos los CTs.

Para faltas polifásicas, solamente se tienen valores de corriente superiores a las de carga en los puntos comprendidos entre la fuente y el punto en falta. En consecuencia, para este tipo de faltas, los DPF incluyen elementos de sobreintensidad, cuyo umbral se ajusta por encima del valor de la corriente de carga y una lógica que detecta, por mínima tensión, la apertura del interruptor de cabecera. De esa forma, solo los DPF intercalados "en el paso de la corriente de falta (desde la fuente al punto en falta) señalizarán cuando la línea quede desconectada. Este hecho es lo que da nombre al dispositivo.

En la figura 2 se representa la aparición de una falta polifásica (21) en un tramo de enlace entre CTs. Y en la figura 3 puede verse como los DPF intercalados entre la fuente y el punto en falta detectan y señalizan (31) dicha falta al abrirse el interruptor de cabecera (4).

Para faltas monofásicas, en cambio, solo la tensión fase-tierra de la fase afectada se reduce a cero en el punto en falta. La red trifásica se desequilibra y deja de cumplir las condiciones de red sana (suma de las corrientes de fase y de las tensiones fase-tierra igual a cero). El circuito que recorre la corriente que circula desde la fuente al punto en falta, se completa, a través de tierra, por la conexión del punto neutro de la fuente (transformador de subestación) a tierra, si existe. Esta conexión (régimen de neutro del sistema de distribución) condiciona fuertemente la forma de detectar las faltas monofásicas.

Existen distintas configuraciones de redes atendiendo precisamente a la conexión del neutro. El neutro puede estar conectado a tierra y utilizar entonces las mismas funciones de sobreintensidad que se utilizan para detectar faltas polifásicas, pero también puede limitarse con una inductancia que, colocada entre el neutro y tierra limite la corriente de falta, o también limitarse con una resistencia que, eligiendo un valor suficientemente elevado, puede lograr un valor de corriente de falta tan bajo como se desee circulando por el neutro del transformador. Otra opción existente es aislar el neutro, lo que por construcción reduce a cero la corriente circulante por el neutro del transformador.

Por último, las redes de distribución con neutro resonante, la cual es la configuración preferida para las redes de distribución en muchos países de Europa occidental (como Alemania o Austria) y Escandinavia, desde hace décadas. Su aplicación es más reciente, aunque de forma masiva, en Italia y Francia, mientras que en otros países como España su aplicación ha comenzado muy recientemente. Este tipo de redes se caracterizan por introducir entre el neutro y tierra una inductancia ajustada para la sintonía ó resonancia paralelo con el equivalente capacitivo fase-tierra de la red, a la frecuencia de servicio. La inductancia, llamada bobina Petersen ó ASC (are supression coil), se ajusta para mantener la sintonía en distintas circunstancias de explotación de la red, lo que permite reducir hasta muy cerca de cero la corriente que circula a través de tierra por el punto de contacto. Este régimen permite lograr condiciones muy favorables para la auto-extinción de faltas con arco y al mismo tiempo, los valores tan bajos de corriente de falta, permiten, con puestas a tierra económicas, mantener el sistema en falta sin cortar el servicio, garantizando durante la falta condiciones de seguridad a contactos indirectos en los puntos próximos a ella.

Un problema con neutro resonante, es que los valores de corriente residual son iguales en la red comprendida entre fuente y falta que en la red comprendida entre falta y cargas. Es decir, la corriente residual en una línea es la misma, en módulo y fase, cuando es línea sana y cuando...

1.- Método para detectar el paso de una falta por un punto de medida en una red de distribución de media tensión con una inductancia ajustada para un régimen de neutro resonante, dicho método se caracteriza por que comprende los siguientes pasos:

a) tomar medidas de una corriente residual que circula por el punto de medida de la red de distribución mediante un detector de paso de falta instalado en dicho punto de medida;

b) conmutar una resistencia conmutable, conectada en paralelo con la inductancia, durante un tiempo de conmutación establecido previamente;

c) comprobar, a partir de las mediciones de la corriente residual, si la conmutación del paso anterior ha provocado dos saltos de fase de igual magnitud y de signo contrario separados por el tiempo de conmutación;

d) detectar una falta en el punto de medida, si la comprobación del paso anterior resulta positiva se establece que el punto de medida se encuentra en el paso de una falta.

2.- Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que además comprende el paso de señalizar la detección de la falta enviando a un centro de control una indicación sobre dicha falta.

3.- Método según cualquier de las reivindicaciones anteriores donde la comprobación del paso c) se realiza aplicando, sobre la corriente residual, una función de salto de fase que detecta saltos de fase en magnitudes que varían sinusoidalmente con el tiempo.

4.- Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la posición inicial de la resistencia conmutable es desconectada, consistiendo la conmutación en conectar y desconectar la resistencia durante el tiempo de conmutación establecido.

5.- Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-3 donde la posición inicial de la resistencia conmutable es conectada, consistiendo la conmutación en desconectar y posteriormente conectar la resistencia tras el tiempo de conmutación establecido.

6.- Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la conmutación de la resistencia se realiza manualmente desde un centro de control que controla los detectores de paso de falta.

7.- Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la conmutación de la resistencia se realiza automáticamente desde un equipo de protección cabecera de la red de distribución que, al producirse una detección de tensión residual, envía una orden de conmutar la resistencia para buscar donde se encuentra la falta.

8.- Sistema para detectar el paso de una falta por un punto de medida en una red de distribución de media tensión con una inductancia ajustada para un régimen de neutro resonante, dicho sistema está caracterizado por que comprende:

a) al menos un detector de paso de falta configurado para: tomar medidas de una corriente residual; comprobar, a partir de las mediciones de la corriente residual, los saltos de fase en dicha corriente residual; detectar faltas en el punto de medida al detectar dos saltos de fase de igual magnitud y signos opuestos separados por un tiempo preestablecido.

b) una resistencia conmutable, conectada en paralelo con la inductancia, que al conmutar provoca un cambio de fase en la corriente residual en los puntos de medida situados en el paso de una falta;

9.- Sistema según la reivindicación 8 donde el al menos un detector de paso de falta comprende medios para señalizar la falta y enviar indicaciones de dicha falta.

10.- Sistema según la reivindicación 9 que además comprende un centro de control que recibe señalizaciones del al menos un detector de paso de falta.

11.- Sistema según la reivindicación 10 que además comprende un equipo de protección de la red de distribución, dicho equipo está configurado para, al producirse una falta en la red y antes de dar una orden de disparo a la cabecera, enviar órdenes a la resistencia de que conmute y señalizar la falta.

12.- Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 10-11 donde el detector de paso de falta se implementa en un relé.