Método y sistema para la detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante un rectificador.

Método y sistema para la detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante un rectificador.

La presente invención se refiere a un método y un sistema para la detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante un rectificador y un transformador. La invención comprende: obtener una señal de tensión en una impedancia de puesta a tierra conectada al transformador; obtener una segunda señal de tensión entre uno de los terminales del rectificador y el neutro del transformador; realizar una comparación angular entre los vectores de tensión correspondientes a ambas señales de tensión; y determinar si existe una falta en función de un umbral preestablecido.

Método y sistema para la detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante un rectificador

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención tiene aplicación en el campo de los sistemas eléctricos. Específicamente, permite detectar faltas a tierra en sistemas eléctricos alimentados desde una red corriente alterna en los que intervienen rectificadores, como por ejemplo los sistemas de generación de energía eléctrica, en los que el sistema de excitación de los generadores síncronos se alimenta por medio de un rectificador a través de un transformador de excitación, principalmente los de gran potencia.

ANTECEDENTES

Hoy en día, toda instalación eléctrica debe estar dotada de sistemas de protección que la hagan segura ante posibles cortocircuitos y otros defectos que puedan causar daños tanto a las propias instalaciones como a las personas.

En el caso de grupos de generación, dichas protecciones deben, además, garantizar el suministro de energía a la red del modo más fiable posible, tratando de discriminar los niveles de gravedad de las faltas que se produzcan.

Generalmente, para la producción de energía eléctrica se utilizan generadores síncronos, cuyos rotores debe ser alimentado en corriente continua. Existen diferentes métodos para inyectar dicha corriente en el rotor de la máquina, entre los que están la excitación estática o la excitación indirecta con excitatriz y diodos rotativos.

El circuito de excitación de un generador es un sistema de corriente continua aislado de tierra. Una sola falta a tierra no afectará a la operación del generador ni producirá daños de efecto inmediato. Sin embargo, la probabilidad de que una segunda falta a tierra ocurra es mayor después de que se haya producido la primera. Cuando se tiene una segunda falta a tierra, una parte del devanado de excitación estará cortocircuitado, produciendo flujos desequilibrados en el entrehierro de la máquina, que darán como resultado vibraciones y calentamientos.

Ante un cortocircuito a tierra en el rotor del generador, la práctica habitual es utilizar bien relés de protección o bien alarmas, para proceder a la desconexión del grupo.

En el estado del arte existen soluciones de uso común para detectar defectos a tierra en los rotores de los generadores, como por ejemplo:

usando una fuente adicional de tensión continua: una fuente de tensión en serie con el devanado de excitación y con la bobina de un relé de sobrecorriente. Este circuito está conectado a tierra en un punto, de forma que un defecto a tierra en cualquier punto del devanado provocará la circulación de corriente continua proveniente de la fuente adicional y causará la operación del relé.

Usando una fuente adicional de tensión alterna: una fuente de tensión alterna en serie con dos condensadores, con el devanado de excitación y con la bobina de un relé de sobrecorriente. Este circuito está conectado a tierra en un punto, de forma que un defecto a tierra en cualquier punto del devanado provocará la circulación de corriente alterna y causará la operación del relé.

Por inyección de una onda cuadrada: se inyecta una onda de baja tensión en el devanado de excitación y se recoge la señal devuelta por éste. La forma de la onda se verá modificada debido a las capacidades del devanado. Un relé calcula la resistencia del aislamiento en función de ambas señales.

Además, existen otra serie de soluciones en el estado del arte que divulgan sistemas de detección de faltas a tierra en rotores utilizando transformadores toroidales, como por ejemplo utilizando una cinta de una aleación con memoria, de forma que se conecta entre el devanado del rotor y el eje de la máquina, pero este tipo de soluciones exige fuentes de tensión adicionales conectadas en serie. Otras soluciones recurren a conectar un fusible entre el devanado rotórico y tierra para detectar los defectos a tierra.

El estado del arte también cuenta con alternativas donde una resistencia de puesta a tierra es conectada en el neutro del transformador que alimenta el rectificador. El criterio de detección utilizado es un criterio de comparación del valor del módulo de la tensión medida en la resistencia de puesta a tierra con un valor predeterminado para decidir si hay defecto a tierra. No obstante, cuando se trata de máquinas con gran capacidad a tierra, presentan el problema de que la corriente a tierra por dichas capacidades puede confundirse con defectos en el centro del devanado de excitación y provocar disparos no deseados causados por la corriente que circula por las capacidades en funcionamiento normal sin defecto.

Por tanto, el estado del arte no cuenta con soluciones fiables para la detección de fallos en sistemas de gran capacidad a tierra, como es el caso de los generadores de gran potencia.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención resuelve los problemas mencionados anteriormente y permite la detección de faltas de defecto a tierra en sistemas de corriente continua basándose en la comparación angular de dos vectores de tensión, con la ventaja de que no necesita ninguna fuente adicional y aportando inmunidad frente a las corrientes capacitivas parásitas. Para ello se presenta, según un primer aspecto de la invención, un método de detección de faltas a tierra para sistemas de corriente continua alimentados a través de un rectificador y un transformador. El método comprende:

a) obtener una primera señal de tensión en una impedancia de puesta a tierra conectada al transformador;

b) obtener una segunda señal de tensión entre uno de los terminales del rectificador y el neutro del transformador;

c) calcular un primer vector de tensión de un armónico de la primera señal de tensión;

d) calcular un segundo vector de tensión de un armónico, del mismo orden que el armónico del paso c), de la segunda señal de tensión;

e) calcular la diferencia entre el argumento del primer vector y el argumento del segundo vector;

f) determinar una falta de defecto a tierra si la diferencia es inferior a un umbral preestablecido.

De acuerdo a diferentes realizaciones de la presente invención, la segunda señal de tensión puede obtenerse entre el terminal positivo o el negativo del rectificador y el neutro del transformador.

La presente invención contempla la posibilidad de que el armónico utilizado sea el tercer armónico de la señal de tensión. De acuerdo a una de las realizaciones, donde el transformador se alimenta desde una red de alimentación con una cierta frecuencia, se contempla la posibilidad de obtener el tercer armónico calculando el triple de dicha cierta frecuencia.

El umbral preestablecido para determinar si existe una falta de defecto a tierra puede

variarse utilizando un módulo de ajuste, de acuerdo a una de las realizaciones de la

invención.

Una de las posibilidades contempladas por la presente invención para establecer el umbral es, de acuerdo a una realización particular, fijarlo de acuerdo a pruebas experimentales, con distintos valores de impedancia de puesta a tierra conectada al transformador, en sistemas con un porcentaje de defecto conocido.

Se contempla la posibilidad de que la impedancia de puesta a tierra conectada al transformador adopte cualquier valor entre 10 ohmios y 10.000 ohmios.

Un segundo aspecto de la presente invención se refiere un sistema de detección de faltas a tierra para sistemas de corriente continua alimentados a través de un rectificador, que a su vez se alimenta mediante un transformador. El sistema comprende:

- una impedancia (2) de puesta a tierra conectada entre el transformador (1) y tierra;

- un primer módulo medidor de tensión, conectado a la impedancia de puesta de tierra, que obtiene una primera señal de tensión;

un segundo módulo medidor de tensión, conectado entre uno de los terminales del rectificador y el neutro del transformador, que obtiene una segunda señal de tensión;

un primer módulo de cálculo, conectado a la salida del primer módulo medidor de tensión, que obtiene un primer vector de tensión de un armónico de la primera señal de tensión;

un segundo módulo de cálculo, conectado a la salida del segundo medidor de tensión, que obtiene un segundo vector de tensión, de un armónico del mismo orden que el armónico de la primera señal de tensión, de la segunda señal de tensión;

un módulo restador, que recibe los vectores obtenidos por ¡os módulos de cálculo y calcula la diferencia entre los argumentos de dichos vectores; un módulo comparador, que compara la diferencia calculada y, en caso de ser menor a un umbral preestablecido,...

1.- Método de detección de faltas a tierra para sistemas de corriente continua alimentados a través de un rectificador y un transformador, donde el método comprende los siguientes pasos:

a) obtener una primera señal de tensión en una impedancia de puesta a tierra conectada al neutro transformador;

b) obtener una segunda señal de tensión entre uno de los terminales del rectificador y el neutro transformador;

c) calcular un primer vector de tensión de un armónico de la primera señal de tensión;

d) calcular un segundo vector de tensión de un armónico, del mismo orden que el armónico del paso c), de la segunda señal de tensión;

e) calcular la diferencia entre el argumento del primer vector y el argumento del segundo vector;

f) determinar una falta de defecto a tierra si la diferencia es inferior a un umbral preestablecido.

2.- Método de acuerdo a la reivindicación 1, donde la segunda señal de tensión se obtiene entre un terminal positivo del rectificador y el neutro transformador o entre un terminal negativo del rectificador y el neutro transformador.

3.- Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde el armónico es el tercer armónico de la señal de tensión.

4. Método de acuerdo a la reivindicación 3, donde el transformador se alimenta desde una red de alimentación con una frecuencia, el tercer armónico se calcula como el triple de dicha frecuencia.

5.- Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores que además comprende variar el umbral mediante un módulo de ajuste.

6.- Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde el umbral se fija de acuerdo a pruebas experimentales, con distintos valores de impedancia de puesta a tierra conectada al transformador, en sistemas con un porcentaje de defecto conocido.

7.- Método de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la impedancia de puesta tierra conectada al transformador tiene un valor entre 10 ohmios y 10.000 ohmios.

8.- Sistema de detección de faltas a tierra para sistemas de corriente continua alimentados a través de un rectificador, que a su vez se alimenta mediante un transformador, que comprende:

- una impedancia (2) de puesta a tierra conectada entre el neutro del transformador (1) y tierra;

- un primer módulo medidor de tensión, conectado a la impedancia de puesta de tierra, que obtiene una primera señal de tensión;

- un segundo módulo medidor de tensión, conectado entre uno de los terminales del rectificador y el neutro del transformador, que obtiene una segunda señal de tensión;

- un primer módulo de cálculo, conectado a la salida del primer módulo medidor de tensión, que obtiene un primer vector de tensión de un armónico de la primera señal de tensión;

- un segundo módulo de cálculo, conectado a la salida del segundo medidor de tensión, que obtiene un segundo vector de tensión, de un armónico del mismo orden que el armónico de la primera señal de tensión, de la segunda señal de tensión;

un módulo restador, que recibe los vectores obtenidos por ¡os módulos de cálculo y calcula la diferencia entre los argumentos de dichos vectores; un módulo comparador, que compara la diferencia calculada y, en caso de ser menor a un umbral preestablecido, determina que existe una falta de defecto a tierra.

9.- Sistema de acuerdo a la reivindicación 8 donde el segundo módulo medidor de tensión está configurado para obtener la segunda señal de tensión entre un terminal positivo del rectificador y el neutro del transformador o entre un terminal negativo del rectificador y el neutro del transformador.

10.- Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 8-9 donde el primer y el segundo módulos de cálculo están configurados para obtener el tercer armónico de la primera y segunda señales de tensión respectivamente.

11.- Sistema de acuerdo a cualquier de las reivindicaciones 8-10 que además comprende un

módulo de ajuste conectado al módulo comparador para variar el umbral preestablecido.

12.- Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 8-11 donde la impedancia de puesta tierra conectada al transformador tiene un valor entre 10 ohmios y 10.000 ohmios.