SISTEMA DE PROTECCION DE LINEA ELECTRICA PARA DETERMINAR EL SENTIDO EN EL QUE SE PRODUCE UNA FALTA.
Sistema de protección de línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una falta,
que emplea la potencia de secuencia inversa y homopolar que circula por el punto en el que está situada la unidad y la consumida por la línea para determinar la dirección en que se encuentra el cortocircuito. Para ello calcula un valor escalar a partir de las tensiones (V{sub,0},V{sub,2}), intensidades (I{sub,0},I{sub,2}), impedancias (Z{sub,L0},Z{sub,L2}) de secuencia inversa y homopolar y los valores ajustados por el usuario ({al}, {be}) que se compara con dos referencias prefijadas (K{sub,F}, K{sub,R}), también fijadas por el usuario, para determinar la dirección de la falta.
El valor escalar se calcula mediante la siguiente expresión:
**Figura 01**
La regla de decisión para determinar la dirección de la falta es:
- Si k
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200602716.
Solicitante: UNIVERSIDAD DEL PAIS VASCO-EUSKAL HERRIKO UNIBERTSITATEA.
Nacionalidad solicitante: España.
Provincia: VIZCAYA.
Inventor/es: URIONDO ARRUE, FELIPE, HERNANDEZ GONZALEZ, JOSE RAMON.
Fecha de Solicitud: 25 de Octubre de 2006.
Fecha de Publicación: .
Fecha de Concesión: 30 de Abril de 2010.
Clasificación Internacional de Patentes:
- H02H3/08B
- H02H3/40B
Clasificación PCT:
- H02H3/08 ELECTRICIDAD. › H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA. › H02H CIRCUITOS DE PROTECCION DE SEGURIDAD (indicación o señalización de condiciones de trabajo indeseables G01R, p. ej. G01R 31/00, G08B; localización de defectos a lo largo de las líneas G01R 31/08; dispositivos de protección H01H). › H02H 3/00 Circuitos de protección de seguridad para desconexión automática respondiendo directamente a un cambio indeseado de las condiciones eléctricas normales de trabajo con o sin reconexión (especialmente adaptados para máquinas o aparatos de tipos especiales o para la protección seccional de sistemas de cables o líneas H02H 7/00; sistemas para conmutación de la alimentación de reserva H02J 9/00). › sensible a un exceso de corriente (sensibles a una temperatura anormal causada por un exceso de corriente H02H 5/04).
- H02H3/40 H02H 3/00 […] › sensibles a la relación entre tensión y corriente.
Fragmento de la descripción:
Sistema de protección de línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una falta.
Sector de la técnica
Para un equipo de protección responsable de responder ante los cortocircuitos que se producen en una determinada línea eléctrica es imprescindible determinar, cuando se produce un cortocircuito, si éste ha tenido lugar en la dirección de la línea que está cubriendo (falta hacia delante) o en la dirección contraria (falta detrás).
La unidad responsable de determinar la dirección en la que se ha producido la falta se denomina comúnmente unidad direccional y tiene un papel primordial en la calidad del equipo de protección en el que se integra.
Estado de la técnica
Hay diferentes tipos de unidades direccionales (21), (11) (referencias de documentación) entre los más populares se encuentran las unidades direccionales polarizadas por tensión de secuencia inversa y las unidades direccionales polarizadas por tensión de secuencia homopolar (13), (6) (referencias de documentación). Estas unidades determinan la dirección en que se ha producido la falta empleando el desfase existente entre la tensión y la intensidad cuando se produce una falta, para ello se calcula el siguiente valor:
Donde:
La regla de decisión para determinar la dirección de la falta es:
Estas unidades presentan ciertos inconvenientes cuando el extremo de línea en el que están instaladas es un extremo fuerte o, lo que es lo mismo, cuando la impedancia fuente en ese extremo es muy pequeña. En estos casos, la tensión de secuencia es muy pequeña y trabajar con tensiones pequeñas provoca una importante reducción de la sensibilidad de la unidad. Para conseguir evitar este problema se han desarrollado y patentado las unidades direccionales de impedancia de secuencia inversa y secuencia homopolar (3), (5), (2), (1), (4) (referencias de documentación). Estas unidades calculan la impedancia de secuencia inversa u homopolar y la comparan con unos valores preestablecidos para determinar la dirección en la que se ha producido la falta. Para ello calculan la expresión:
Donde:
La regla de decisión para determinar la dirección de la falta es:
Donde ZF y ZR son ajustes definidos por el usuario que dependen de las impedancias de la línea que debe proteger la unidad.
La limitación más importante de las unidades de impedancia es que, en caso de que la secuencia concreta en la que basan su funcionamiento no esté presente en el cortocircuito, no son capaces de dar una respuesta fiable. Para superar este problema se ha diseñado una unidad que selecciona la más adecuada entre los direccionales de impedancia de secuencia inversa y de secuencia homopolar en función de las magnitudes existentes en el punto donde está instalada la unidad (1) (referencia de documentación). El problema es que este método puede conducir a seleccionar distintas polarizaciones en ambos extremos de línea y, tal y como se recoge en la bibliografía, el empleo de distintas polarizaciones en ambos extremos de línea, dependiendo de la configuración de la red, da lugar a operaciones erróneas del sistema de protección (9) (referencia de documentación).
Por lo tanto, aún existe la necesidad de una unidad direccional que recoja las ventajas de todas las unidades direccionales existentes y que, entre otros avances que se detallarán más adelante, sea capaz de responder adecuadamente en total ausencia de tensiones e intensidades de secuencia inversa o de secuencia homopolar y que sea capaz de responder adecuadamente cuando está incluida en un sistema de protección que incluye ambos extremos de línea.
Para ello se ha desarrollado una nueva filosofa de unidad direccional que no se apoya en una polarización por tensión o por intensidad ni en el cálculo de una impedancia, sino en una polarización por potencia que, empleando las potencias de secuencia inversa y homopolar que surgen cuando se produce un cortocircuito, determina la dirección en la que se ha producido el mismo.
Esta nueva polarización puede ser empleada gracias a una teoría inédita desarrollada por los creadores de esta invención que demuestra que, cuando se trabaja con tensiones o intensidades, las relaciones entre secuencias dependen de la fase o fases entre las que se ha producido el cortocircuito así como del tipo de falta, pero que las relaciones en potencia entre las distintas secuencias son totalmente generales e independientes de los factores citados, lo que permite trabajar con todas las secuencias simultáneamente. Además, esta teoría cuantifica y relaciona todos los tipos de potencia que surgen al producirse un cortocircuito y gracias a ello permite el empleo de todas las secuencias presentes en la falta simultáneamente. El empleo simultáneo -y no consecutivo- de las distintas secuencias hace que esta nueva unidad direccional sea netamente superior a todos los planteamientos anteriores en todos los sentidos.
Como se detallará más adelante, las unidades existentes hasta la fecha pueden ser consideradas casos particulares de la nueva unidad y, por ello, la nueva unidad incluye todas las unidades anteriores y posee un nuevo conjunto de propiedades que sólo se pueden conseguir con ella.
La documentación más importante para conocer al detalle cuál es el estado del arte es la que citamos a continuación:
Reivindicaciones:
1. Sistema de protección de línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una falta, caracterizado porque consta de una unidad direccional que recibe las magnitudes de la línea eléctrica de tensión de secuencia homopolar (V0), tensión de secuencia inversa (V2), intensidad de secuencia homopolar (I0), intensidad de secuencia inversa (I2), constando la unidad direccional de:
a) un módulo de supervisión con medios para activarse total o parcialmente solo ante situaciones de cortocircuito/falta;
b) un módulo calculador de potencias que consta de medios para
b1) calcular la potencia de secuencia inversa (S2) que circula por el punto en el que está instalado el sistema, de acuerdo con la expresión:
siendo I2*. la conjugada de la intensidad de secuencia inversa (I2);
b2) calcular la potencia de secuencia inversa consumida por la totalidad de la línea (SL2), de acuerdo con la siguiente expresión:
siendo ZL2 la impedancia de la línea eléctrica de secuencia inversa;
b3) calcular la potencia de secuencia homopolar (S0) que circula por el punto en el que está instalado el sistema, de acuerdo con la expresión:
siendo I0* la conjugada de la intensidad de secuencia homopolar (I0).
b4) calcular la potencia de secuencia homopolar consumida por la totalidad de la línea SL0, de acuerdo a la siguiente expresión:
siendo ZL0 la impedancia homopolar de la línea eléctrica;
c) un módulo de decisión que consta de medios para:
c1) determinar una señal de polarización que responde a la expresión:
donde SL0 y SL2 son las potencias de secuencia inversa y homopolar y a y ß son valores fijados por el usuario que reflejan el porcentaje de cada secuencia que se desea emplear para minimizar la probabilidad de operaciones incorrectas;
c2) determinar una señal de operación que responde a la expresión:
donde S0 y S2 son las potencias de secuencia inversa y homopolar y K es el valor frontera elegido por el usuario, siendo K=KF para faltas delante y K=KR el valor frontera para faltas detrás;
c3) determinar la parte real (Re) del producto de la señal de operación por el conjugado de la señal de polarización, de acuerdo con la expresión:
c4) decidir que el sentido de la falta se ha producido "delante" del sistema cuando la parte real (Re) es negativo y "detrás" cuando la parte real es positiva, lo que formalmente se expresa:
2. Sistema de protección de línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una falta, según reivindicación anterior, caracterizado porque deducida de
y fijados la K como valor frontera KF para faltas delante y el valor frontera KR para faltas detrás, dispone el módulo de decisión de medios direccionales para decidir que si:
activándose su correspondiente salida.
3. Sistema de protección de línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una falta, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sistema consta de circuitos contadores, uno que cuenta las muestras durante las que se mantiene la salida "hacia delante" activada y otro que cuenta las muestras durante las que se mantiene la salida "hacia detrás" activada, activándose la salida de los circuitos contadores cuando el número de muestras acumulado es tal que el tiempo durante el cuál se ha mantenido la respuesta es superior al correspondiente a una temporización predeterminada.
4. Sistema de protección de línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una falta, según reivindicación 3, caracterizado porque consta de un circuito contador que, durante un tiempo prefijado, bloquea la activación de la salida en sentido "delante" para no permitir que cambios de flujo debidos a actuaciones de unos interruptores asociados del sistema den lugar a actuaciones indebidas de la unidad.
5. Sistema de protección de línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una falta, según reivindicación 1, caracterizado porque consta de un módulo de adaptación de señal que consta de:
a) un circuito que determina el valor de la tensión y la intensidad de secuencia inversa a partir de las tensiones e intensidades de las tres fases de la línea en el punto donde está instalada la unidad direccional y cuya relación con los fasores de esas tensiones e intensidades de las fase R, S y T viene dada por la expresión:
b) un circuito que calcula, el valor de la tensión y la intensidad de secuencia homopolar a partir de tensiones e intensidades de las tres fases de la línea con la expresión:
6. Sistema de protección de línea eléctrica para determinar el sentido en el que se produce una falta, según reivindicación 1, caracterizado porque el módulo de supervisión consta de tres circuitos:
a) Un circuito cuya salida se activa si el valor eficaz de la corriente de secuencia inversa, de la corriente homopolar, o el de ambas corrientes superan un determinado umbral prefijado por el usuario;
b) un circuito cuya salida se activa si el valor eficaz de la corriente de secuencia inversa o de la secuencia homopolar es superior a un determinado porcentaje de la corriente de secuencia directa;
c) un circuito que se activa si el usuario ha decidido emplear un medio direccional, definiéndolo así en una tabla de ajustes del sistema y decidiendo que un medio direccional se activa solamente cuando las salidas de dichos tres circuitos están activas simultáneamente.
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