Sistema y método de protección 100% tierra estátor basado en la medida de tercer armónico autoajustable.

Sistema y método de protección 100% tierra estátor basado en la medida de tercer armónico autoajustable.

Método y sistema de protección 100% tierra estator para máquinas síncronas basado en la medida del tercer armónico que se ajusta en función de las condiciones de operación de la máquina, evitando así disparos no deseados.

Para ello se mide el tercer armónico producido por cada devanado de la máquina. A partir de esta medida se calcula el valor teórico que debe tener el tercer armónico en el neutro o en los terminales de dicha máquina. Y por último este valor teórico se compara con la medida en el neutro o en los terminales, determinando que existe defecto si no son iguales.

SISTEMA Y MÉTODO DE PROTECCIÓN 100% TIERRA ESTÁTOR

BASADO EN LA MEDIDA DE TERCER ARMÓNICO AUTOAJUSTABLE

D E S C R I P C I Ó N

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pretende desarrollar una protección para faltas del tipo tierra-estátor para máquinas síncronas, basada en la medida del tercer armónico en el neutro o en los terminales de la máquina síncrona, que sea autoajustable.

Una clara aplicación son los sistemas de generación de energía eléctrica, en los que se utilizan generadores síncronos. Con el sistema objeto de la presente invención se pretende detectar el cortocircuito a tierra producido; independientemente de las condiciones de funcionamiento, carga, etc, que prevalezcan en el momento del defecto. 15

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

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. 20

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.

La falta más común que sufre este tipo de máquinas es la falta a tierra. La mayoría de los grupos de generación utilizan un relé de protección de sobretensión basado en la medida de la tensión de primer armónico en el neutro 59N, con el que se podía proteger en torno a un 90-95% del devanado estatórico; sin embargo era una protección inefectiva frente a faltas que se produjeran en las cercanías del neutro de la máquina.

Existen métodos de protección que se basan en la medida del tercer armónico 5 de la tensión, bien en el neutro, o bien en terminales de la máquina o en ambos sitios a la vez. El principal problema de la medida del tercer armónico es que este es muy dependiente de las condiciones de funcionamiento de la máquina. Esto provoca que se produzcan disparos no deseados en algunas ocasiones.

Otra alternativa a la medida del tercer armónico se basa en la inyección de una tensión a frecuencia de valor pequeño en el neutro del generador. Esta última técnica es la más efectiva y fiable frente a la detección y posterior despeje de la falta a tierra, ya que es totalmente independientemente de las condiciones de carga que presente el sistema, entre otros factores. Su principal desventaja es 15 que se trata de una tecnología muy cara.

Al método en el que se mide el tercer armónico en el neutro se le denomina en otras patentes "Third Harmonic Neutral Undervoltage Scheme". Se trata de un relé (27TN) , que solapado con el anteriormente mencionado relé 59N, permite 20 dotar al generador de una protección del 100%. El principal concepto en el que se basa esta técnica es que allá donde se produzca el defecto, la tensión de tercer armónico será nula. Entonces para que esta técnica sea efectiva la máquina debe ser capaz de generar un valor lo suficientemente alto de tercer armónico en su neutro, una vez producida la falta. 25

Asumiendo que es así, lo siguiente a realizar es el ajuste del relé. Según el trabajo de Ramón Julián Alcántara y Ferrán García García, titulado "100% Stator ground fault protection", el ajuste se debe diseñar atendiendo a las condiciones más extremas de generación de tercer armónico de tensión; esto es, cuando se 30 tiene más tensión de tercer armónico y cuando se tiene menos.

Tras una serie de simulaciones, se observa que las condiciones más extremas son cuando la máquina trabaja a plena carga (máximo valor de tercer armónico en el neutro) y a baja carga (menor valor de tercer armónico en el neutro) . El ajuste del relé se hará por tanto por encima del valor de tercer armónico, cuando se produzca una falta y por debajo del menor valor de tercer armónico producido 5 por el generador cuando estamos en condiciones de funcionamiento sin falta, para evitar operaciones erróneas.

En cuanto al método de medida del tercer armónico en terminales ("Third Harmonic Overvoltage Protection Method") , la idea es muy parecida al caso 10 explicado anteriormente, la verdadera diferencia significativa es que en vez de realizar el estudio en el neutro, se hace en terminales de la máquina. Evidentemente el esquema del relé y demás elementos es también diferente.

Para realizar el ajuste de esta técnica, se deben realizar medidas para ver las 15 condiciones extremas de generación de tercer armónico de la máquina, ahora en los terminales. Se debe ajustar por debajo del valor de tercer armónico cuando se produce una falta a tierra y por encima del valor máximo de tercer armónico producido por el generador en condiciones de funcionamiento normal para evitar operaciones erróneas. 20

Finalmente, de los métodos que se basan en la medida del tercer armónico, falta por analizar cuando se realiza la medida tanto en el neutro como en terminales simultáneamente.

Se realiza una comparativa entre el cociente entre los valores de tercer armónico en terminales (numerador) y en el neutro (denominador) y un valor de tensión de consigna, multiplicado por un coeficiente de seguridad (1.2) , si el cociente es superior al producto de coeficiente de seguridad por el valor de tensión de consigna, dispara la protección. 30

Actualmente para evitar los disparos no deseados muchos relés de protección bloquean la actuación de la protección 100% tierra estátor hasta que no se alcanza una carga mínima.

La presente invención propone un nuevo método y sistema de protección 5 basada en la medida del tercer armónico autoajustable, de forma que es inmune a las variaciones de tercer armónico que se producen en la máquina, eliminando los disparos no deseados. Para ello se debe medir el tercer armónico producido por la máquina en el momento de operación. A partir de la medida del tercer armónico de la máquina se calcula el que correspondería a condiciones de 10 funcionamiento sin defecto bien en el neutro o en los terminales. Y por último se compara el resultado calculado con la medida del tercer armónico en el neutro o en los terminales, decidiendo si hay defecto o no.

La principal ventaja es que la medida se realiza en tiempo real 15 independientemente de las condiciones de carga, posición de la falta y otros factores que limitaban los otros métodos basados en la medida del tercer armónico.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN 20

La invención se refiere al diseño de un método y sistema de protección que detecta defectos a tierra en proximidades del neutro en estátores de máquinas síncronas.

La presente invención permite identificar a través del análisis de la generación de 25 terceros armónicos de tensión, las faltas a tierra en el devanado estatórico de una máquina síncrona, independientemente de las condiciones de carga, que afectan de manera importante a la generación de dichos armónicos y que hacen que los métodos usados en la actualidad, en ocasiones produzcan disparos no deseados al tener un ajuste fijo. 30

El método se basa en la medida continua de la tensión de tercer armónico que se produce en cada arrollamiento de la máquina.

A partir de esta medida, y conocidos los datos de resistencia de puesta a tierra y capacidades a tierra del sistema, se calcula el valor de tercer armónico teórico 5 sin defecto que se debería medir en el neutro o en los terminales de la máquina.

Por último el valor teórico sin defecto se compara con el valor medido en esas condiciones de carga en la máquina. Si estos valores no son iguales se determinará que hay un defecto. 10

El método puede ser aplicado a la tensión de tercer armónico en el neutro o en los terminales de la máquina.

BREVE DESCRIPICIÓN DE LAS FIGURAS 15

La figura 1 representa el esquema general del sistema sobre el que se van a realizar todas las medidas y obtener todos los resultados.

Está compuesto por los siguientes elementos:

1. El devanado inducido de la máquina síncrona o estator.

2. Transformador principal. 20

3. Impedancia de puesta tierra.

4, 5 y 6 Capacidades a tierra de cada fase.

7. Red eléctrica 8. Cortocircuito fase-tierra.

9. Medida de tensión en el neutro de la máquina. 25

10, 11, 12. Medida de las tensiones de los devanados de la máquina.

13, 14, 15. Medida de las tensiones de 4, 5 y 6, respectivamente.

En la figura 2 se representa el diagrama de bloques del primer sistema para la resolución de faltas tierra-estátor a través de la tensión medida en la máquina de forma directa (10, 11,...

1. Sistema de protección 100 % tierra estátor de una máquina síncrona (1) basado en la medida del tercer armónico en el neutro de la máquina, caracterizado porque comprende los siguientes subsistemas:

- Equipo de medida de las tensiones en cada una de las fases del 5 devanado estatórico de la máquina.

- Medios de cálculo del tercer armónico de las tensiones de cada uno de los devanados de la máquina.

- Medios de cálculo de la tensión de tercer armónico teórica que debe aparecer en el neutro de la máquina si no hubiera defecto en la máquina. 10

- Medios de comparación de la tensión de tercer armónico teórica calculada sin defecto con la tensión medida en el neutro para determinar si hay defecto en caso de que esta última sea menor.

2. Sistema de protección 100 % tierra estátor de una máquina síncrona (1) 15 basado en la medida del tercer armónico en los terminales de la máquina, caracterizado porque comprende los siguientes subsistemas:

- Equipo de medida de las tensiones en cada una de las fases del devanado estatórico de la máquina.

- Medios de cálculo del tercer armónico de las tensiones de cada uno de 20 los devanados de la máquina.

- Medios de cálculo de la tensión de tercer armónico teórica que debe aparecer en las fases de la máquina si no hubiera defecto en la máquina.

- Medios de comparación de la tensión de tercer armónico teórica calculada sin defecto con la tensión medida en las fases para determinar 25 si hay defecto en caso que esta última sea mayor.

3. Método de protección 100 % tierra estator de una máquina síncrona (1) basado en la medida del tercer armónico en el neutro de la máquina, caracterizado porque comprende las siguientes etapas: 30

- Etapa de medida de las tensiones de cada una de las fases de los devanados estatóricos de la máquina.

- Etapa de cálculo del tercer armónico de las tensiones de cada uno de los devanados de la máquina.

- Etapa de cálculo de la tensión de tercer armónico teórico que debe aparecer en el neutro de la máquina si no hubiera defecto en la máquina.Etapa de comparación de la tensión de tercer armónico teórica 5 calculada sin defecto con la tensión medida en el neutro para determinar si hay defecto en caso que esta última sea menor.

4. Método de protección 100 % tierra estaátor de una máquina síncrona (1) basado en la medida del tercer armónico en los terminales de la máquina, 10 caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

- Etapa de medida de las tensiones de cada una de las fases de los devanados estatóricos de la máquina.

- Etapa de cálculo del tercer armónico de las tensiones de cada uno de los devanados de la máquina. 15

- Etapa de cálculo de la tensión de tercer armónico teórico que debe aparecer en los terminales de la máquina si no hubiera defecto en la máquina.

- Etapa de comparación de la tensión de tercer armónico teórica calculada sin defecto con la tensión medida en los terminales para determinar si hay defecto en caso que esta última sea mayor.