RECTIFICADORES

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención es de aplicación para sistemas eléctricos en los que intervienen rectificadores, alimentados desde una red de corriente alterna a través de un transformador.

Una clara aplicación son 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. Con el sistema objeto de Ia presente invención se pueden detectar cortocircuitos a tierra tanto en Ia zona de corriente continua como en Ia zona de corriente alterna sin necesidad de ninguna fuente adicional de inyección de corriente o tensión y se puede distinguir en que zona se ha producido el defecto, zona de corriente continua o zona de corriente alterna.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Toda instalación eléctrica debe estar dotada de sistemas de protección que Ia 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 Ia red del modo más fiable posible, tratando de discriminar los niveles de gravedad de las faltas que se produzcan.

Generalmente, para Ia 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 Ia máquina: • Excitación estática

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 Ia operación del generador ni producirá daños de efecto inmediato. Sin embargo, Ia probabilidad de que una segunda falta a tierra ocurra es mayor después de que se haya producido Ia primera. Cuando se tiene una segunda falta a tierra, una parte del devanado de excitación estará cortocircuitado, produciendo flujos desequilibrados en el entrehierro de Ia máquina, que darán como resultado vibraciones y calentamientos.

Ante un cortocircuito a tierra en el rotor del generador, Ia práctica habitual es utilizar relés de protección para provocar, dependiendo de Ia estrategia utilizada, bien alarmas, bien Ia desconexión del grupo.

Existen varios métodos de uso común para detectar defectos a tierra en los rotores de los generadores:

• Usando una fuente adicional de tensión continua: una fuente de tensión en serie con el devanado de excitación y con Ia 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 Ia circulación de corriente continua proveniente de Ia fuente adicional y causará Ia 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 Ia 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 Ia circulación de corriente alterna y causará Ia operación del relé.

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

Además conviene tener en cuenta una serie de patentes relacionadas con Ia invención:

Tanto Ia patente EP131718-B1 , titulada: "Earth-fault detection system for rotor winding of machine", que describe un sistema de detección de faltas a tierra en rotores utilizando un transformador toroidal; como Ia solicitud de patente JP6141461-A, titulada: "Rotor-winding ground-fault detector for electrical rotary machine", que utiliza una cinta de una aleación con memoria de forma que se conecta entre el devanado del rotor y el eje de Ia máquina, necesitan fuentes de tensión adicionales conectadas en serie.

La patente DE2843693-C, titulada: "Rotor to earth fault monitoring device", utiliza para detectar los defectos a tierra un fusible que se conecta entre el devanado rotórico y tierra.

La patente EP643309-B1 , titulada: "Earth fault detection system for electrical machine stator windings" calificada como protección de faltas a tierra en el estator, también es utilizada para detectar fallos en el rotor de los generadores.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un sistema de detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores de acuerdo con Ia reivindicación 1 y a un método de acuerdo con Ia reivindicación 3. Realizaciones preferidas del sistema y del método se definen en las reivindicaciones dependientes.

En el sistema de detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores, dichos sistemas de corriente continua disponen de un transformador, una etapa de corriente alterna a Ia salida del transformador que alimenta al rectificador y una etapa de corriente continua a Ia salida del rectificador. El sistema comprende:

- una impedancia de puesta a tierra en el transformador que alimenta el rectificador;

- un equipo de medida de Ia corriente que circula a través de Ia impedancia de puesta a tierra, o de Ia tensión que existe en Ia misma, obteniendo una señal medida;

- un dispositivo analizador encargado de analizar Ia señal medida y que dispone de:

• medios de obtención de Ia amplitud de dicha señal medida a Ia frecuencia de red f1 y a Ia frecuencia 3xf1 ;

• medios de comparación encargados de comparar dichas amplitudes a Ia frecuencia f1 y 3xf1 con un valor determinado AFALLO. y obtener al menos una señal de salida indicativa de Ia existencia o no de falta a tierra y, en caso de que se haya producido, del lugar donde se ha producido Ia falta.

Los medios de obtención de Ia amplitud de Ia señal medida del dispositivo analizador comprenden preferentemente: - medios para calcular Ia transformada de Fourier encargados de obtener el espectro de Ia señal medida, y

- medios de filtrado a Ia frecuencia f1 y 3xf1 de Ia señal resultante de dichos medios.

Es objeto también de Ia presente invención un método de detección de faltas a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores, que comprende:

- referenciar a tierra, mediante una impedancia de puesta a tierra, el transformador que alimenta el rectificador; - medir Ia corriente que circula a través de Ia impedancia de puesta a tierra , obteniendo una señal medida; - obtener la amplitud de dicha señal medida a Ia frecuencia de red f 1 y a Ia frecuencia 3xf 1 ;

- comparar dichas amplitudes a Ia frecuencia f1 y 3xf1 con un valor determinado AFALLO, y obtener al menos una señal de salida indicativa de Ia existencia o no de falta a tierra y, en caso de que se haya producido, del lugar donde se ha producido Ia falta.

La etapa de obtener Ia amplitud de Ia señal medida a Ia frecuencia de red f1 y a Ia frecuencia 3xf1 pueden comprender a su vez: - calcular Ia transformada de Fourier para obtener el espectro de Ia señal medida, y

- filtrar dicha señal resultante a Ia frecuencia f1 y 3xf1.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Para complementar Ia descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de Ia invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado Io siguiente:

La Figura 1 muestra un esquema del sistema en el que tiene aplicación

Ia presente invención.

La Figura 2 muestra un esquema del método de detección de faltas, indicando el diagrama de bloques del relé,

La Figura 3 muestra un esquema de una realización preferente, correspondiente al caso particular de que el rectificador esté alimentando el devanado de excitación de un generador síncrono.

La Figura 4 muestra Ia forma de onda obtenida en un ensayo de laboratorio, al producirse un cortocircuito en el devanado de excitación de un alternador experimental. La Figura 5 muestra Ia forma de onda obtenida en un ensayo de laboratorio, al producirse un cortocircuito en Ia etapa de corriente alterna del rectificador del sistema de excitación de un alternador experimental. La Figura 6 muestra Ia forma de onda obtenida en un ensayo de laboratorio, al producirse un cortocircuito simultáneo en Ia etapa de alterna y en el devanado de excitación de un alternador experimental.

La Figura 7 muestra un esquema de Ia realización preferente, aplicado a un rectificador de 12 pulsos.

La Figura 8 muestra Ia forma de onda obtenida en un ensayo de laboratorio, al producirse un cortocircuito Ia etapa de alterna de un rectificador de 12 pulsos.

La Figura 9 muestra Ia forma de onda obtenida en un ensayo de laboratorio, al producirse un cortocircuito Ia etapa de continua de un rectificador de 12 pulsos.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

La presente invención permite detectar defectos a tierra en sistemas de corriente continua alimentados mediante rectificadores conectados a un transformador. El método presenta Ia ventaja de que no necesita ninguna fuente adicional y permite distinguir las faltas que se produzcan tanto en Ia etapa de continua como en Ia etapa de alterna, e incluso detecta e identifica las faltas que tengan lugar en ambas etapas simultáneamente.

La Figura 1 muestra un esquema del sistema en el que tiene aplicación Ia presente invención, donde se ha utilizado las siguientes referencias:

1 , el transformador desde el que se alimenta el convertidor.

2, Ia etapa de alterna. 3, el rectificador.

4, Ia etapa de continua.

6, Ia impedancia de puesta a tierra.

23, el equipo de medida (de corriente o tensión).

24, el equipo analizador-comparador de Ia onda.

Normalmente se trata de sistemas aislados de tierra, por Io que debe referenciarse a tierra a través de una impedancia de alto valor óhmico 6. Para Ia detección del defecto se debe medir Ia tensión o Ia comente en Ia impedancia de puesta a tierra 6 del sistema de alimentación de corriente alterna, según se muestra en Ia Figura 1.

Se va a considerar que el rectificador está alimentado a través de un transformador cuyo devanado está conectado en estrella, conexión que permite realizar Ia puesta a tierra tal como se muestra en Ia Figura 1. En caso de que el devanado tenga conexión triángulo se puede utilizar algún método de puesta a tierra basado en un neutro artificial, como puede ser Ia utilización de una reactancia en zig-zag con resistencia o un transformador de cinco columnas con conexión triángulo abierto y una resistencia.

La medida de Ia corriente a través de Ia resistencia de puesta a tierra al producirse un defecto a tierra en el sistema rectificador será de Ia siguiente naturaleza:

• Fallo en Ia etapa de alterna 2: se produce una corriente de mayor o menor amplitud, dependiendo de Ia resistencia de Ia falta, con alta componente de frecuencia igual a Ia de Ia red de alimentación, f1.

• Fallo en Ia etapa de continua 4: se produce una corriente de mayor o menor amplitud, dependiendo de Ia resistencia de Ia falta, con alta componente de una frecuencia tres veces superior a Ia frecuencia de Ia red de alimentación, 3xf1.

• Fallo simultáneo en las etapas de alterna y continua: se produce una corriente con contenido armónico de Ia frecuencia de red f1 y de tres veces Ia frecuencia de red 3xf 1.

En lugar de realizar medida de Ia corriente por Ia impedancia de puesta a tierra, se puede registrar Ia tensión en Ia misma, siendo el método análogo.

El análisis de Ia señal obtenida, se hará de Ia forma representada según

Ia Figura 2, que muestra un esquema del método de detección de faltas, donde se utilizan las siguientes referencias: 7, un calculador que realiza Ia transformada de Fourier.

8, un filtro de f1.

9, un filtro de 3xf1.

10, unos comparadores. 11 , 12 y 13, las señales de salida del relé de protección.

AFALLO, los ajustes de los comparadores. 15, el dispositivo analizador (relé de protección).

Un fallo a tierra en el sistema, hará que aparezca una corriente circulando por Ia impedancia de puesta a tierra 6. Dicha corriente será captada, dependiendo del método elegido, por un sensor de tensión o por uno de corriente, equipo de medida 23, a partir del cual se obtiene una señal medida 5. La señal medida 5 se envía a un dispositivo analizador 15 o relé de protección que efectúa el siguiente tratamiento:

Primero se realiza una transformada de Fourier mediante un calculador de Ia transformada de Fourier 7 para obtener el espectro de Ia señal. Mediante un filtro de f1 8, y otro de 3xf1 9, se leen los valores de dichas componentes de

Ia onda, A _f i y A _3n respectivamente, determinando así si Ia falta se ha producido en Ia etapa de alterna 2 o en Ia de continua 4 (o en ambas).

Estas señales se envían a unos comparadores 10, que estarán previamente regulados a unos valores establecidos, AFALLO, por debajo de los cuales no habrá actuación de Ia protección. La salida del primer comparador es Ia señal de salida 11 , Ia salida del segundo comparador es Ia señal de salida 13, mientras que Ia señal de salida 12 resulta de efectuar Ia operación AND (& en Ia figura) a las salidas de los dos comparadores.

Finalmente, Ia protección de faltas a tierra enviará Ia señal de actuación correspondiente, dependiendo de si el defecto está en Ia etapa de continua 4 (indicado por Ia señal de salida 13), en Ia de alterna 2 (indicado por Ia señal de salida 11) o en ambas (indicado por Ia señal de salida 12). A continuación se describe un modo de realización preferente del objeto de Ia invención, aplicado al caso particular de que el rectificador esté alimentando el devanado de excitación de un generador síncrono, representado en Ia Figura 3, donde se emplean las siguientes referencias: 16, rotor de Ia máquina.

17, estator de Ia máquina.

18, red a Ia que se entrega Ia potencia generada.

La Figura 3 muestra el esquema de un sistema de alimentación al devanado de excitación 16 de una máquina síncrona 17, donde el transformador de excitación 1 tiene conexión en estrella con neutro accesible, en donde se ha instalado una resistencia de puesta a tierra 6.

Para Ia detección del defecto, se debe medir o bien corriente o bien tensión, en dicha resistencia.

Una ventaja del método es que no se necesitan fuentes adicionales de inyección de corriente o tensión.

Ante un defecto de aislamiento a tierra en el sistema de excitación de Ia máquina, tanto si se produce en Ia etapa de alterna 2 como si se produce en Ia de continua 4, o en ambas simultáneamente, aparecerá una corriente que circulará por Ia resistencia de puesta a tierra 6.

Dicha corriente será captada por el equipo de medida 23, que enviará una señal al dispositivo analizador 15. Éste determinará Ia frecuencia de Ia onda medida mediante Ia descomposición en armónicos y en función de esta establecerá Ia posición del defecto. La gravedad del fallo se determina a través de Ia amplitud de Ia onda.

En Ia Figura 4 se puede ver Ia onda obtenida en un ensayo realizado con un alternador experimental de laboratorio, con el devanado de excitación accesible, donde se han realizado diferentes defectos a tierra en distintos puntos del devanado de excitación, es decir en Ia etapa de continua. Se muestra también Ia descomposición en armónicos de dicha onda, destacando el armónico a frecuencia 150Hz, esto es, 3xf1.

En Ia Figura 5 se puede ver Ia onda obtenida en el mismo ensayo, cuando el defecto se produce en Ia etapa de alterna. Se muestra también Ia descomposición en armónicos de dicha onda, destacando el armónico a frecuencia 50Hz, esto es, f1.

Del mismo modo, Ia Figura 6 muestra un defecto simultáneo en las etapas de continua y alterna. Se muestra también Ia descomposición en armónicos de dicha onda, destacando los armónicos a frecuencias 50Hz y 150Hz, esto es, f1 y 3xf1.

A continuación se describe un modo de realización preferente del objeto de Ia invención, aplicado al caso particular de que el sistema utilice un rectificador de 12 pulsos, representado en Ia Figura 7, donde se emplean las siguientes referencias: 19, red de alimentación.

3, rectificador (de 12 pulsos).

4, etapa de continua (carga).

La Figura 7 muestra el esquema de dicho rectificador, alimentado desde una red de tensión alterna 19, por medio de un transformador 1 de tres devanados, un primario, alimentado desde Ia red y dos secundarios, que alimentan los rectificadores.

Se utiliza una resistencia de puesta a tierra 6 conectada al neutro del secundario del transformador con conexión estrella, para referenciar a tierra el sistema a través de una alta resistencia. Pa ra Ia detección del defecto, se debe medir o bien corriente o bien tensión, en dicha resistencia.

La presente invención, es capaz de detectar faltas a tierra tanto en Ia etapa de continua del rectificador como en Ia etapa de alterna, tanto si el cortocircuito se produce en el secundario del transformador que está conectado en estrella, como si se produce en el secundario del transformador conectado en triángulo.

Una falta a tierra en el lado de corriente alterna de alimentación del rectificador produce en Ia resistencia en Ia cual se mide, una onda de Ia frecuencia de Ia red, fl .

Si el defecto se produce en Ia etapa de continua (lado de Ia carga), Ia onda medida en Ia resistencia de puesta a tierra es de frecuencia triple a Ia de Ia red 3xf 1.

El método que aquí se presenta puede, por tanto, detectar un defecto a tierra en un rectificador de 12 pulsos, y distinguir si el fallo se ha producido en Ia etapa de alterna que alimenta al rectificador, en Ia etapa de continua donde está Ia carga, e incluso si el defecto se ha producido simultáneamente en ambos lados.

Las Figuras 8 y 9 muestran las ondas recogidas y su descomposición en armónicos en ensayos de laboratorio con un rectificador de 12 pulsos, cuando el fallo se produce en Ia etapa de alterna (Figura 8), con una onda de 50 Hz y en Ia etapa de continua (Figura 9), con una onda de 150 Hz.