ES2224116T3 - Metodo de medicion del estado de aislamiento y aparato para un sistema descentralizado generador de energia. - Google Patents
Metodo de medicion del estado de aislamiento y aparato para un sistema descentralizado generador de energia.Info
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Abstract
UN OBJETO DE LA PRESENTE INVENCION ES PROPORCIONAR UN METODO DE MEDICION DE ESTADO DE AISLAMIENTO Y UN APARATO DE APRECIACION PARA UN SISTEMA DE CONVERSION DE ENERGIA, EL CUAL PUEDE CONTROLAR EL ESTADO DE AISLAMIENTO DE UNA TRAYECTORIA ELECTRICA CON UN EXTREMO AL QUE ESTA CONECTADA UNA FUENTE DE ENERGIA, O LA PROPIA FUENTE DE ENERGIA EN UN ESTADO DE NO UTILIZACION DE LA FUENTE DE ENERGIA, Y PUEDE EVITAR UN FALLO INESPERADO. UN SISTEMA DE PILA SOLAR CONECTADA A UN EXTREMO DE UNA TRAYECTORIA ELECTRICA ESTA AJUSTADO EN UN ESTADO SIN TOMA DE TIERRA BAJO OPERACION DE UN CONMUTADOR DE ALTERACION, Y UN CONMUTADOR DE MEDICION QUE RECIBE UNA ORDEN DE OPERACION DESDE UN CIRCUITO DE OPERACION QUE APLICA TEMPORALMENTE UNA TENSION ALTA A LA TRAYECTORIA ELECTRICA. UN DETECTOR DE CORRIENTE DETECTA UN FLUJO DE CORRIENTE DEBIL A TRAVES DE LINEAS DE CONEXION, Y SUMINISTRA DATOS DE DETECCION A UNA UNIDAD DE APRECIACION DE AISLAMIENTO. LA UNIDAD DE APRECIACION DE AISLAMIENTO CALCULA LA RESISTENCIA DEL AISLADOREN BASE A LA MAGNITUD DE LA TENSION APLICADA, Y A LA MAGNITUD DE LA CORRIENTE DEBIL DETECTADA POR EL DETECTOR DE CORRIENTE. SI SE DETECTA UNA ANOMALIA, SE VISUALIZA INFORMACION INDICANDO LA ANOMALIA EN UNA UNIDAD DE VISUALIZACION. DE ESTE MODO, PUEDE EVITARSE UN FALLO INESPERADO.
Description
Método de medición del estado de aislamiento y
aparato para un sistema descentralizado generador de energía.
La presente invención se refiere a un método de
medición del estado de aislamiento de una fuente de energía y a un
aparato para evaluar el estado de aislamiento y, más
particularmente, a un sistema conversor de energía que está
representado por un sistema generador de energía del tipo de
dispersión, especialmente, un sistema generador de energía por luz
solar, y que dispone de una línea eléctrica que pasa a un estado de
no-conexión a tierra bajo una condición
predeterminada y, más específicamente, a un método de medición y un
aparato de evaluación del estado de aislamiento de una línea
eléctrica y a una fuente de energía en un estado de
no-utilización de una fuente de energía del tipo de
dispersión, y a un sistema generador de energía del tipo de
dispersión que utiliza la misma.
En los últimos años, después de un aumento en la
demanda de energía, un sistema de interconexión de sistemas
generadores de energía del tipo de dispersión que desempeña un
papel de compensación en una planta productora de energía de
grandes dimensiones, ha recibido especialmente mucha atención. Sin
embargo, para hacer funcionar un sistema generador de energía del
tipo de dispersión de este tipo, el sistema debe ser siempre
supervisado de forma estricta, tal como definen los Estándares
Técnicos de Equipamientos Eléctricos. Cuando el sistema generador
de energía se utiliza de forma independiente, es preferible
supervisar el sistema de forma estricta todo el tiempo.
Para promocionar una amplia utilización del
sistema generador de energía del tipo de dispersión en las
aplicaciones domésticas, el sistema debe suministrar energía
eléctrica de forma estable y debe ofrecer seguridad sin requerir
ninguna atención especial por parte de un usuario. Para este
propósito, se requiere un sistema conversor de energía con una
función de este tipo.
La figura 12 muestra un ejemplo de un sistema
generador de energía por luz solar basada en un sistema conversor de
energía para detectar una fuga a tierra de una corriente continua
DC.
Una unidad (108) de protección de la
interconexión, a modo de medio para dejar inoperativo un circuito
inversor (102) después de producirse un fallo (fuga a tierra), está
insertado en una línea eléctrica (103) para conectar una matriz
(101) de células solares a modo de fuente de energía de corriente
continua DC y el circuito inversor (102) que constituye un
acondicionador (109) de energía a modo de sistema conversor de
energía.
A modo de medios para detectar una fuga a tierra
de una corriente continua DC, dos resistores (104) divisores de
tensión, con la misma resistencia eléctrica, están conectados entre
dos líneas eléctricas de la línea eléctrica (103), y un detector de
corriente (105) está insertado en una línea de tierra que se
extiende desde el punto de división de tensión de los resistores. Un
circuito (106) de evaluación de corriente de fuga a tierra está
conectado al detector (105) de corriente, y funciona después de la
recepción de una señal de salida desde el detector (105) de
corriente. Un circuito (107) de control del inversor funciona de
acuerdo con una señal de salida desde el circuito (106) de
evaluación de la corriente de fuga a tierra, supervisando por tanto
la presencia/ausencia de una fuga a tierra, por lo menos, en una de
las líneas de la línea eléctrica
(103).
(103).
Sin embargo, en la disposición mencionada
anteriormente del sistema generador de energía por luz solar, puede
detectarse una irregularidad de la matriz (101) de células solares
o de la línea eléctrica (103) sólo después de haber circulado una
corriente de fuga a tierra, es decir, después de que el panel de la
matriz (101) de células solares a modo de fuente de energía o una
parte cargada eléctricamente de su cableado ha sufrido una fuga a
tierra. Además, cuando un circuito se conecta a tierra con un
potencial intermedio entre los niveles + y - de la matriz (101) de
células solares, la detección se desactiva por sí misma. Por lo
tanto, el peligro de fuga a tierra no puede predecirse en el
sistema convencional.
La presente invención se ha realizado para
solucionar los problemas convencionales, y se ocupa de dar a conocer
un método de medición de un estado de aislamiento y una unidad de
evaluación que puede supervisar el estado de aislamiento de una
línea eléctrica en uno de cuyos extremos se puede conectar una
fuente de energía, o el estado de aislamiento de una fuente de
energía en sí misma en un estado de no-utilización
de la fuente de energía y puede evitar un fallo imprevisto, y dar a
conocer un sistema generador de energía del tipo de dispersión que
utiliza la
misma.
misma.
El extracto de la Patente japonesa número
JP-A-7119264 da a conocer una
disposición para detectar una fuga a tierra en un circuito de célula
solar en el cual una serie de diodos en serie están conectados en
paralelo con la célula solar. Una fuente de energía para probar una
corriente alterna AC conectada a tierra está conectada al punto
medio de los diodos en serie y un transformador de detección
detecta la corriente en la conexión a la energía de corriente
alterna
AC.
AC.
El extracto de la Patente japonesa número
JP-A-7119264 está dirigido a
eliminar la necesidad de cortocircuitar de forma directa los
terminales de salida y lo hace conectando un resistor auxiliar
entre los terminales de salida de la matriz de células solares y
aplicando tensiones positivas y negativas sobre puntos escogidos
del resistor auxiliar.
De acuerdo con un aspecto de la presente
invención, se da a conocer un método de medición de un estado de
aislamiento tal como se indica en la reivindicación 1.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente
invención se da a conocer un aparato para determinar el estado de
aislamiento de una fuente de energía tal como se indica en la
reivindicación 6.
Para que la presente invención sea entendida más
fácilmente, se describirán a continuación varias realizaciones a
título de ejemplo y en referencia a los dibujos adjuntos, en los
cuales:
la figura 1 es un diagrama de bloques que muestra
una realización preferente de la presente inven-
ción;
ción;
la figura 2 es un diagrama de bloques que muestra
una disposición que utiliza una fuente interconectada de energía a
modo de una unidad generadora de tensión de la presente
invención;
la figura 3 es un diagrama de bloques que muestra
otra realización de la presente invención;
la figura 4 es un diagrama de bloques que muestra
todavía otra realización de la presente invención;
la figura 5 es un diagrama de bloques que muestra
todavía otra realización de la presente invención;
la figura 6 es un diagrama de bloques que muestra
todavía otra realización de la presente invención;
la figura 7 es un diagrama de flujo que muestra
el funcionamiento de una unidad de evaluación del aislamiento
utilizada en la presente invención;
la figura 8 es un diagrama de flujo que muestra
el funcionamiento de una unidad operativa utilizada en la presente
invención;
la figura 9 es un diagrama de flujo que muestra
el funcionamiento de una unidad de control del inversor de corriente
utilizado preferentemente en la presente invención;
la figura 10 es una gráfica que muestra un
ejemplo de determinación del umbral de una resistencia eléctrica de
aislamiento;
la figura 11 es una tabla que explica los valores
estándar de las resistencias eléctricas de aislamiento; y
la figura 12 es un diagrama de bloques que
muestra la disposición de un sistema generador de energía por luz
solar a modo de sistema conversor de energía para compararla con la
presente invención.
A continuación, la presente invención será
descrita en referencia a los dibujos adjuntos.
La figura 1 es un diagrama de bloques que muestra
un sistema de interconexión preferente de sistemas generadores de
energía del tipo de dispersión, que utiliza la presente
invención.
Una fuente de energía del tipo de dispersión
puede comprender ya sea una fuente de energía de corriente continua
DC tal como una célula solar, como una fuente de energía de
corriente alterna AC tal como un generador de energía eólico,
siempre que pueda suministrar energía eléctrica a una carga. De
forma alternativa, la fuente de energía del tipo de dispersión
puede comprender una célula de combustible o un generador de
energía a diesel, que puede suministrar una energía eléctrica
estable.
Más específicamente, se utiliza preferentemente
una matriz de células solares constituida conectando eléctricamente
en serie y en paralelo una serie de módulos de célula solar.
Un acondicionador (2) de energía es un aparato
para convertir una energía eléctrica de entrada en energía eléctrica
que ha de ser utilizada según sea necesario.
Cuando se utilizan células solares para la
generación de energía del tipo de dispersión, se prefiere un
aparato que puede convertir la energía eléctrica de corriente
continua DC en energía eléctrica de corriente alterna AC que se
utiliza generalmente en el hogar, y puede conectar la energía
eléctrica convertida a un sistema de corriente alterna AC. Algunos
sistemas generadores de energía pueden convertir una tensión de una
entrada de energía eléctrica de corriente continua DC en otra
tensión, y pueden emitir la tensión convertida.
Una unidad (21) del conversor es un circuito para
convertir una energía de entrada en otra energía eléctrica. Cuando
la fuente (1) de energía del tipo de dispersión comprende una
matriz de células solares, se ejemplifica un circuito inversor para
llevar a cabo la conversión DC/AC De forma alternativa, puede
utilizarse un circuito conversor DC/AC.
Adicionalmente, puede utilizarse un circuito
conversor AC/AC en correspondencia con la fuente (1) de energía del
tipo de dispersión utilizada.
Más específicamente, la unidad (21) del conversor
está constituida utilizando un tiristor GTO (con desactivación de
puerta), un transistor IGBT (Transistor Bipolar de Puerta Aislada),
un transistor MOSFET de potencia, o similares a modo de dispositivo
de potencia.
La unidad (22) de control del conversor controla
la unidad (21) del conversor. Más específicamente, un circuito de
control del inversor a modo de unidad de control del conversor
tiene preferentemente una función de detener al circuito inversor
(21) en respuesta a una orden desde una unidad (253) de evaluación
de aislamiento, además de su función requerida normalmente tal como
una función de conexión a un sistema. En este caso, la unidad (22)
de control del conversor puede comprender una CPU y similares.
Una unidad (23) de protección de conexión
desconecta automáticamente, un sistema y la fuente (1) de energía
del tipo de dispersión entre sí, cuando la salida de energía
eléctrica desde el circuito inversor a modo de unidad (21) del
conversor supera la gama del rendimiento de energía eléctrica en el
que se alcanza la conexión al sistema.
Cuando la unidad (23) de protección de conexión
desconecta eléctricamente la fuente (1) de energía del tipo de
dispersión, puede quedar dispuesta en el lado del sistema
correspondiente a la unidad (21) del conversor del acondicionador
(2) de energía, o puede quedar dispuesta entre la fuente (1) de
energía del tipo de dispersión y la unidad (21) del conversor.
Adicionalmente, la unidad (23) de protección de conexión puede
servir también como una unidad de disyuntor de distribución de
energía que está dispuesta fuera del acondicionador (2) de energía,
y utiliza un disyuntor dispuesto entre una fuente de energía
eléctrica comercial normal y una carga.
Un inversor de corriente (24) conmuta
eléctricamente un estado de funcionamiento entre un estado de
funcionamiento normal y un estado de medición de la resistencia
eléctrica de aislamiento. En el estado de medición de la
resistencia eléctrica de aislamiento, el circuito inversor (21) como
la unidad del conversor está desconectado de su entrada para
proteger la unidad del conversor.
Una unidad operativa (251) emite una señal de
orden de funcionamiento para iniciar la medición de las
resistencias eléctricas de aislamiento. La unidad operativa (251)
dispone preferentemente de una disposición de circuito en la que
comprueba si el inversor de corriente (24) está conmutado al estado
de medición de la resistencia eléctrica de aislamiento, y no emite
ninguna señal si el inversor de corriente (24) no está conmutado al
estado de medición de la resistencia eléctrica de aislamiento.
Este circuito comprende, por ejemplo, un circuito
comparador, y similares.
Un interruptor (252) de medición conecta
eléctricamente la fuente (1) de energía del tipo de dispersión, que
forma un circuito cerrado a través del inversor de corriente (24) y
unidad generadora de tensión en respuesta a la señal de orden de
funcionamiento desde la unidad operativa (251), y aplica una alta
tensión a un tendido eléctrico (30).
Una unidad (253) de evaluación del aislamiento
evalúa el estado de aislamiento de la fuente (1) de energía del tipo
de dispersión y del tendido eléctrico (30) que forma un circuito
cerrado.
Más específicamente, un detector de corriente
mide la magnitud de una corriente débil que circula entre el
tendido eléctrico (30) y tierra, y la unidad (253) de evaluación
del aislamiento evalúa el estado de aislamiento mediante la
comparación del resultado de la medida obtenida con un valor
almacenado previamente en, por ejemplo, una memoria ROM.
La unidad (253) de evaluación del aislamiento
puede estar constituida de forma integral con la unidad operativa
(251), el detector de corriente, y similares.
Una unidad generadora de tensión aplica una alta
tensión, por ejemplo, al tendido eléctrico (30) para evaluar el
estado de aislamiento. La unidad generadora de tensión utiliza, a
modo de fuente de energía generadora de tensión, una batería de
litio o manganeso como batería primaria (262), una batería de
acumuladores de plomo, una batería de iones de litio, o similares
como batería secundaria, o la fuente de energía del sistema. Cuando
la tensión de salida de la fuente de energía generadora de tensión
es demasiado pequeña para evaluar el estado de aislamiento, es
controlada hacia un valor de tensión apropiado utilizando un
circuito elevador de tensión (261).
Cuando se utiliza una fuente de energía de
corriente alterna AC del tipo de la fuente de energía del sistema
como fuente de energía generadora de tensión, la unidad (26)
generadora de tensión comprende preferentemente un circuito
rectificador (263) a modo de circuito para convertir una tensión AC
a una tensión DC Nótese que la tensión aplicada puede ser o bien DC
o un pulso de tensión. Si el dispositivo para medir el estado de
aislamiento tiene una precisión alta, no es necesario aplicar altas
tensiones (de 100 a 2.000 V).
Esta realización incluye además detectores de
tensión similares a los detectores (271) y (272) mostrados en la
figura 4 de los dibujos. Estos detectores especifican o determinan
la ubicación de una parte con aislamiento defectuoso o de una parte
donde la resistencia eléctrica del aislamiento o del aislante se ha
reducido.
Cuando se detecta un estado de aislamiento
defectuoso, la unidad (28) de visualización muestra un mensaje
indicándolo, generando por tanto una alarma.
En algunos casos, la unidad (28) de visualización
puede mostrar un mensaje de alarma indicando que la resistencia
eléctrica de aislamiento se ha reducido, aunque puede no haberse
producido un estado de aislamiento defectuoso. La unidad de
visualización puede comprender un diodo LED o puede comprender un
visualizador de cristal líquido o un visualizador de haz de
electrones.
Esta realización incluye asimismo un circuito de
memoria similar al circuito de memoria (29) mostrado en la figura 5
de los dibujos. Este circuito de memoria almacena la resistencia
eléctrica de aislamiento o el valor actual de la corriente débil en
el momento en que tiene lugar un estado de aislamiento defectuoso
para determinar la ubicación de una parte con aislamiento defectuoso
posteriormente, después de transcurrir un periodo de tiempo
predeterminado.
Más específicamente, el circuito de memoria
comprende una memoria semiconductora, un dispositivo de
almacenamiento magnético, o similares.
El tendido eléctrico (30) suministra energía
eléctrica desde la matriz (1) de células solares a la unidad (21)
del conversor.
En la modalidad de medición del estado de
aislamiento, el tendido eléctrico (30) es desconectado de la unidad
(21) del conversor, y se aplica una alta tensión sobre el tendido
eléctrico (30).
Las líneas (31) de conexión se utilizan para
suministrar una alta tensión sobre el tendido eléctrico (30).
Un resistor (321) divisor de tensión detecta una
fuga a tierra de una fuente de energía de corriente continua DC de
entrada.
El resistor (321) divisor de tensión comprende
dos resistores con la misma resistencia eléctrica.
Un detector (322) de corriente mide una corriente
de fuga a tierra que circula cuando una fuente de energía de
corriente continua DC de entrada provoca una fuga a tierra.
El detector (322) de corriente puede utilizarse
comúnmente como un detector de corriente para medir una corriente
débil que circula a través de las líneas (31) de conexión, tal como
se describirá más adelante en la realización 3.
Una unidad (323) de evaluación de la corriente de
fuga a tierra comprueba el nivel de detección del detector (322) de
corriente para evaluar si se ha producido una fuga a tierra.
Realización
1
La figura 1 muestra un sistema generador de
energía por luz solar a modo de sistema generador de energía del
tipo de dispersión sobre la que se aplica la presente
invención.
El sistema será descrito a continuación en
relación a la figura 1.
Una matriz (1) de células solares que funciona a
modo de fuente de energía introduce energía eléctrica de DC a un
circuito inversor de una unidad (21) del conversor que constituye
un acondicionador (2) de energía a modo de unidad conversora de
energía a través de un tendido eléctrico (30). Después de que la
energía eléctrica de DC se convierta en energía eléctrica de AC, la
energía eléctrica de AC es suministrada a las líneas de distribución
a través de los terminales de salida (2c) y (2d). El acondicionador
(2) de energía eléctrica incluye normalmente un circuito inversor
para convertir energía eléctrica de DC en energía eléctrica de AC
cuando la fuente de energía eléctrica emite energía de DC (se
utiliza un conversor AC-AC cuando la fuente de
energía emite energía de AC), un circuito de control del inversor
como unidad (22) de control del conversor para controlar el
circuito inversor que funciona a modo de unidad (21) del conversor,
y una unidad (23) de protección de conexión para la conexión del
sistema.
Adicionalmente, un inversor de corriente (24) del
tipo de enclavamiento de dos circuitos, que comprende, por ejemplo,
un relé, un relé semiconductor, o similares, está insertado en el
tendido eléctrico (30) para conectar la matriz (1) de células
solares y el circuito inversor. Durante un periodo nocturno, en el
que la matriz (1) de células solares no funciona o cuando la
generación de energía se detiene cubriendo la luz incidente sobre la
matriz de células solares para realizar la evaluación, el inversor
de corriente (24) cortocircuita los terminales de entrada (2a) y
(2b), y desconecta la matriz (1) de células solares de la unidad
(21) del conversor. El inversor de corriente (24) puede estar
controlado para ser cortocircuitado cuando el circuito inversor
(21) se detiene, y puede estar controlado para conectar el circuito
inversor (21) cuando el circuito inversor (21) es iniciado mediante
otros medios. El inversor de corriente (24) puede ser conmutado
manualmente según sea necesario.
Un interruptor (252) de medición, que comprende,
por ejemplo, un relé, un relé semiconductor, o similares, está
insertado en una línea del tendido eléctrico (30). El interruptor
(252) de medición está controlado para mantenerse desconectado en
un estado normal (es decir, cuando se utiliza la matriz (1) de
células solares), y está controlado para conectarse en respuesta a
una orden de funcionamiento desde una unidad operativa (251). El
interruptor (252) de medición está conectado a una fuente (26) de
energía generadora de alta tensión (unidad generadora de tensión).
En esta realización, la unidad (26) generadora de tensión,
comprende una batería primaria (262), y un circuito (261) elevador
de tensión que eleva la tensión de salida de la batería primaria
(262), y que tiene una línea conectada a tierra. La unidad (26)
generadora de tensión está conectada al tendido eléctrico (30) a
través de las líneas (31) de conexión durante un periodo de tiempo
requerido para la evaluación. Debido a que la evaluación se realiza
bajo una condición en que el inversor de corriente (24) está
cortocircuitado, la unidad operativa (251) emite una orden de
funcionamiento después de que el inversor de corriente (24) es
cortocircuitado.
Si la unidad operativa (251) comprende un
circuito de temporización, y emite una orden de funcionamiento
durante 5 segundos aproximadamente, por ejemplo, a las 12 en punto
de cada noche, puede evitarse que se realice la evaluación del
aislamiento varias veces en un día, y puede evitarse que se
descargue la batería primaria (262). Por lo tanto, es deseable una
disposición de este tipo. Por supuesto, el interruptor (252) de
medición puede ser pulsado manualmente cuando el inversor de
corriente (24) está cortocircuitado.
En esta realización, el circuito (261) elevador
de tensión eleva una tensión de la batería primaria (262). En lugar
de la batería primaria, puede utilizarse una batería secundaria de
tipo acumulativo, una fuente de energía de otro sistema de
distribución, otro sistema generador de energía, o similares.
Cuando el interruptor (252) de medición está
cerrado, un detector de corriente (254) detecta una corriente débil
que circula a través de las líneas (31) de conexión, y suministra
los datos de detección a una unidad (253) de evaluación del
aislamiento que comprende, por ejemplo, un amplificador
operacional, un comparador, y similares. La unidad (253) de
evaluación del aislamiento calcula la resistencia eléctrica de
aislamiento en base a la magnitud de una tensión aplicada desde la
unidad (26) generadora de tensión y la magnitud de la corriente
débil detectada por el detector (254) de corriente. Si la
resistencia eléctrica de aislamiento calculada es inferior a un
valor estándar, la unidad (253) de evaluación del aislamiento
suministra información indicándole esto al circuito (22) de control
del inversor, y suministra asimismo la información a una unidad
(28) de visualización para mostrar un mensaje correspondiente.
(Nótese que el valor estándar de la resistencia eléctrica de
aislamiento es un valor definido por el Artículo 1 del Estándar
Técnico de Equipamientos Eléctricos Japonés, y está definido
preferentemente tal como muestra la figura 11).
Si la tensión aplicada desde la unidad (26)
generadora de tensión es siempre constante, la unidad (253) de
evaluación del aislamiento no necesita calcular la resistencia
eléctrica de aislamiento, sino que puede evaluar el estado de
aislamiento en base sólo a la magnitud de la corriente débil
detectada por el detector (254) de corriente. En este caso, debido
a que el aparato puede ser realizado de forma sencilla en términos
de diseño de circuito, puede obtenerse una estructura simple de
aparato de bajo coste que no presenta fallos. Cuando la resistencia
eléctrica de aislamiento es inferior al valor estándar, el inversor
de corriente (24) es controlado para no ser conmutado, de forma que
el circuito (22) de control del inversor no inicia el circuito
inversor (21) a la mañana siguiente cuando la matriz (1) de células
solares debería producir energía eléctrica de forma normal, y se
inicia una modalidad de fallo.
La figura 10 muestra un cambio en la resistencia
eléctrica de aislamiento durante un día, cuando de forma gradual
tiene lugar un estado de aislamiento defectuoso. En este caso, si se
establece el valor estándar para ser un primer umbral (1), mediante
el establecimiento de un segundo umbral (2), se puede evitar un
fallo imprevisto de forma más fiable. Cuando se instala el sistema
inicialmente, se mide la resistencia eléctrica de aislamiento del
sistema y se almacena como valor inicial. Debido a que la
resistencia eléctrica de aislamiento varía de forma considerable
dependiendo del estado de medición, se determina mediante cálculos
un margen de error, y se determina que una línea que excede el
margen de error respecto a la resistencia eléctrica de aislamiento
inicial almacenada es el umbral (2).
Cuando la resistencia eléctrica de aislamiento
medida queda dentro de un margen definido dentro de los umbrales
(2) y (1), este tipo de estado se determina como estado de
precaución, para no iniciar el modo de fallo. En este estado sólo
se muestra un mensaje de alarma. Por lo tanto, la matriz (1) de
células solares puede funcionar de forma normal.
De esta forma, la resistencia eléctrica de
aislamiento de la matriz (1) de células solares y del tendido
eléctrico (30) conectado es medida de forma periódica (cada noche),
y cuando se detecta una irregularidad, se cortocircuitan los
terminales de entrada (2a) y (2b) para detener la generación de
tensión, protegiendo por tanto el aparato y similares. Al mismo
tiempo, la unidad (28) de visualización puede mostrar un mensaje de
alarma para un usuario o similar, o puede enviarse un mensaje de
alarma a un administrador del equipo o similar, a través de una
línea telefónica. En particular, cuando se usan células solares
encapsuladas con resina, a menudo se desarrolla una fuga a tierra, y
la presente invención es especialmente efectiva para un caso de
este tipo.
En esta realización, ha sido indicado a título de
ejemplo un sistema de sistemas de interconexión como un sistema
generador de energía. Sin embargo, la presente invención puede
aplicarse también a un sistema independiente no interconectado.
Nótese que las figuras 7, 8 y 9 son diagramas de
flujo que muestran las operaciones de control de la unidad de
evaluación del aislamiento, la unidad operativa, y el inversor de
corriente para hacer funcionar la matriz de células solares.
Realización
2
La figura 2 muestra otra realización de un
sistema generador de energía por luz solar sobre la que se aplica
la presente invención.
En la Realización 2, en la disposición de la
unidad (26) generadora de tensión, la batería primaria (262) de la
Realización 1 es reemplazada por una tensión obtenida rectificando
una tensión AC en el lado del sistema mediante un circuito
rectificador (263). En la Realización 2, la unidad (26) generadora
de tensión siempre puede ser utilizada de forma estable como una
fuente de energía generadora de alta tensión. La disposición de
esta realización no requiere cambiar ninguna batería que esté
funcionando como una fuente de energía generadora de tensión.
En esta realización, el interruptor (252) de
medición está dispuesto en la unidad (26) generadora de tensión en
el lugar de la posición de las líneas (31) de conexión. Con esta
disposición puede alcanzarse el objetivo de la presente invención.
Lo mismo se aplica a la Realización 1, y el interruptor (252) de
medición puede disponerse en una posición diferente a la de las
líneas (31) de conexión siempre que pueda conseguir una función a
modo de medio de aplicación de tensión para aplicar una alta
tensión a través del tendido eléctrico (30) y un punto conectado a
tierra.
Las otras operaciones son las mismas que las de
la Realización 1.
Realización
3
La figura 3 muestra todavía otra realización de
un sistema generador de energía por luz solar a la cual se aplica la
presente invención.
En esta realización, debido a que el inversor de
corriente (24) pasa de ser del tipo de enclavamiento de dos
circuitos al tipo de enclavamiento de tres circuitos, y el
interruptor (252) de medición adopta la forma de un inversor de
corriente, puede utilizarse también un detector (322) de corriente
para detectar una fuga a tierra como un detector para detectar la
resistencia eléctrica de aislamiento.
Durante, por ejemplo, un periodo nocturno en el
que la matriz (1) de células solares no funciona, el inversor de
corriente (24) cortocircuita los terminales de entrada (2a) y (2b)
para desconectar la matriz (1) de células solares del circuito
inversor (21) como la unidad conversora, y conectarla a tierra a
través del detector (322) de corriente.
En un estado normal, el interruptor (252) de
medición está conectado en el lado de tierra, y cuando el
interruptor (252) de medición recibe una orden de funcionamiento
desde la unidad operativa (251), se aplica una alta tensión desde
la unidad (26) generadora de tensión sobre el tendido eléctrico
(30). La unidad (26) generadora de tensión se conecta durante un
tiempo requerido para la evaluación del tendido eléctrico (30).
El tiempo de medición es preferentemente de 2 a
10 segundos, aunque depende de la precisión de los detectores y de
la disposición de la fuente de energía.
El detector (322) de corriente detecta una
corriente débil que circula en ese momento, y suministra los datos
de detección a la unidad (253) de evaluación del aislamiento. La
unidad (253) de evaluación del aislamiento calcula la resistencia
eléctrica de aislamiento en base a la tensión aplicada y a la
corriente débil detectada. Si la resistencia eléctrica de
aislamiento calculada es inferior al valor estándar, la unidad
(253) de evaluación del aislamiento suministra información
indicando esto a la unidad (22) de control del conversor, y
asimismo suministra la información a la unidad (28) de
visualización para mostrar un mensaje correspondiente. Al igual que
en la Realización 1, cuando la resistencia eléctrica de aislamiento
es inferior al valor estándar, la matriz (1) de células solares se
mantiene conectada a tierra sin conmutar el inversor de corriente
(24), estableciendo así una modalidad de fallo.
Las operaciones del resistor (321) divisor de
tensión, del detector (322) de corriente, y de una unidad (323) de
evaluación de la corriente de fuga a tierra en un estado normal son
controladas del mismo modo que las de un resistor (104) divisor de
tensión, las del detector de corriente (105), y las de una unidad
(106) de evaluación de la corriente de fuga a tierra descritas en un
ejemplo comparativo.
Debido a que la Realización 3 puede utilizar de
forma común el detector (322) de corriente para evaluar una fuga a
tierra del mismo modo que el detector (254) de corriente de las
realizaciones 1 y 2, se puede reducir el coste de acuerdo con lo
anterior. Además, puede obtenerse la ayuda de la unidad (323) de
evaluación de la corriente de fuga a tierra que funciona después de
tener lugar una fuga a tierra, lo que resulta una comodidad.
Adicionalmente, debido a que la matriz (1) de células solares puede
ser conectada a tierra después de tener lugar un fallo, esta
realización puede mejorar la seguridad en comparación con las
realizaciones 1 y 2.
En cada una de las realizaciones 1 y 2, la
resistencia eléctrica de aislamiento se mide durante la noche. Sin
embargo, la medición puede realizarse durante el día siempre que el
circuito cortocircuitado que incluye los terminales de entrada (2a)
y (2b) y el inversor de corriente (24) del tipo de enclavamiento de
dos circuitos, tenga una capacidad que pueda resistir la corriente
de cortocircuito de la matriz (1) de células solares conectada. Sin
embargo, en algunos sistemas debido a que la corriente de
cortocircuito llega a elevarse varias decenas de amperio, la
medición se realiza preferentemente durante la noche incluso aunque
el circuito cortocircuitado tenga una capacidad que pueda resistir
la corriente.
Realización
4
La figura 4 muestra todavía otra realización de
un sistema generador de energía por luz solar de acuerdo con la
presente invención.
En esta realización, un circuito para determinar
la ubicación de una parte con aislamiento defectuoso está dispuesto
a modo de circuito que ha de ser añadido a cada una de las
Realizaciones 1 a 3. Más específicamente, los detectores de tensión
(271) y (272) están dispuestos entre los terminales de entrada (2a)
y (2b) y tierra, en el tendido eléctrico desde el inversor del
inversor de corriente (24). Los detectores de tensión (271) y (272)
detectan tensiones en las líneas del tendido eléctrico (30), y
suministran las tensiones detectadas a la unidad (253) de
evaluación del aislamiento.
Con esta disposición, puede estimarse la
ubicación de una parte con un aislamiento defectuoso en la matriz
(1) de células solares, de acuerdo con la diferencia entre los
valores de tensión detectados por los dos detectores de tensión
(271) y (272).
Por ejemplo, cuando las resistencias eléctricas
de los dos resistores que constituyen el resistor (321) divisor de
tensión son de 1 M\Omega, y la matriz (1) de células solares está
constituida por un circuito en serie de diez módulos de célula
solar de 20 V, si el terminal de entrada (2a) está conectado a
tierra con una resistencia eléctrica de aislamiento de 100
k\Omega, un detector de tensión (271) indica 0 V, y el otro
detector de tensión (272) indica 182 V. En contraste con esto,
cuando tiene lugar un estado de aislamiento defectuoso en el lado
del terminal de entrada (2b), el detector de tensión (271) indica
182 V, y el detector de tensión (272) indica 0 V. Cuando tiene
lugar un estado de aislamiento defectuoso de 100 k\Omega en un
cable entre el tercer y cuarto módulos de célula solar, empezando
desde el fondo, el detector de tensión (271) indica 127 V y el
detector de tensión (272) indica 55 V. Más específicamente,
observando los valores de tensión de los dos detectores de tensión,
puede estimarse una posición de la matriz (1) de células solares
donde la resistencia eléctrica de aislamiento se ha reducido.
Por lo tanto, si un día se detecta una
irregularidad después de la medición de la resistencia eléctrica de
aislamiento durante la noche, tras elevarse suficientemente la
tensión de la matriz de células solares al día siguiente, las
tensiones son detectadas provisionalmente después de hacer
funcionar de forma manual o automática de la unidad operativa (251),
y puede mostrarse la ubicación de una parte donde la resistencia
eléctrica de aislamiento se ha reducido, en la unidad (28) de
visualización, en base al equilibrio de tensiones.
Por otro lado, los valores de tensión medidos
durante el día pueden almacenarse en un circuito que comprende, por
ejemplo, una memoria RAM, y cuando se detecta una irregularidad
después de la medición de la resistencia eléctrica de aislamiento
durante la noche, la información puede suministrarse a la unidad
(22) de control del conversor, y puede mostrarse en la unidad (28)
de visualización la ubicación de una parte donde la resistencia
eléctrica de aislamiento se ha reducido.
Realización
5
La figura 5 muestra todavía otra realización de
un sistema generador de energía del tipo de dispersión de acuerdo
con la presente invención.
En esta realización, un circuito para determinar
la ubicación de una parte con aislamiento defectuoso está dispuesto
como un circuito para ser añadido a cada una de las Realizaciones 1
a 3. En este caso, sólo el detector de tensión (271) está insertado
en el tendido eléctrico desde el inversor del inversor de corriente
(24). El detector de tensión (271) detecta una tensión de una línea
del tendido eléctrico, y suministra la tensión detectada a la unidad
(253) de evaluación del aislamiento. Adicionalmente, la unidad
(253) de evaluación del aislamiento está dotada de un circuito de
memoria (29) tal como una memoria semiconductora, un dispositivo de
almacenamiento magnético, o similares, y el circuito de memoria
(29) almacena la resistencia eléctrica de aislamiento medida
durante la noche.
Con esta realización, cuando un día se detecta
una irregularidad después de la medición de la resistencia eléctrica
de aislamiento durante la noche, la resistencia eléctrica de
aislamiento medida se almacena en el circuito de memoria (29), y
tras elevarse suficientemente la tensión de la matriz de células
solares al día siguiente, la tensión es detectada provisionalmente y
puede calcularse el equilibrio de tensiones de la Realización 4 en
base a la magnitud de la tensión detectada y la resistencia
eléctrica de aislamiento almacenada. En base al equilibrio de
tensiones, la ubicación de una parte donde la resistencia eléctrica
de aislamiento se ha reducido puede mostrarse en un visualizador de
cristal líquido como la unidad (28) de visualización.
Las otras operaciones son las mismas que las de
la Realización 4.
Con esta disposición, puede obtenerse el mismo
efecto que en la Realización 4 aunque el número de detectores de
tensión puede reducirse a uno.
Realización
6
Esta realización indica a título de ejemplo un
sistema generador de energía del tipo que funciona de forma
independiente, sobre la que se aplica un aparato de evaluación del
estado de aislamiento de acuerdo con la presente invención.
Esta realización utiliza un generador de energía
eólico en lugar de la matriz de células solares de la Realización
1.
Además, en la unidad del conversor, el conversor
DC-AC es reemplazado por un conversor
AC-DC de acuerdo con lo anterior.
Un sistema que sirve como una carga vista desde
la fuente de energía es reemplazado por una carga tal como una
unidad normal de acumulación y/o un sistema de iluminación.
En lugar de la unidad de visualización para
mostrar el estado de aislamiento y similares, se transmite una señal
que indica el estado de aislamiento utilizando una unidad
inalámbrica, y el estado de aislamiento se muestra en otro
lugar.
Del mismo modo, en esta realización, el estado de
aislamiento puede ser evaluado como en la Realización 1.
Tal como se ha descrito anteriormente, de acuerdo
con la realización descrita en cada una de las reivindicaciones 1 y
6, el sistema conversor de energía puede medir y evaluar de forma
manual y/o automática el estado de aislamiento del tendido
eléctrico del tipo del tendido eléctrico en el lado de la entrada,
en el generador de energía, en el panel de células solares, y
similares sin requerir ninguna atención especial por parte de un
usuario. Por esta razón se puede evitar un fallo imprevisto causado
por una fuga a tierra, y se puede proporcionar un sistema que es
muy preferente en términos de garantizar la seguridad de un
usuario. Como resultado, un sistema generador de energía del tipo
de dispersión de energía limpia tal como un sistema generador de
energía por luz solar se puede utilizar de forma general como una
aplicación doméstica, y un sistema de este tipo puede contribuir a
una mejora del medio ambiente a escala global. En la evaluación del
estado de aislamiento del sistema conversor de energía, la
resistencia eléctrica de aislamiento se calcula en base a la
magnitud de la alta tensión y la magnitud de la corriente, y el
estado de aislamiento del tendido eléctrico o de la fuente de
energía se evalúa en base a la magnitud de la resistencia eléctrica
de aislamiento. Por lo tanto, la medición y la evaluación del
estado de aislamiento puede facilitarse directamente utilizando el
valor estándar de la resistencia eléctrica de aislamiento. Además,
el diseño del sistema se
simplifica.
simplifica.
De acuerdo con las realizaciones de las
reivindicaciones 2 y 6, se evalúa si la resistencia eléctrica de
aislamiento supera o no dos umbrales diferentes. De ese modo, puede
detectarse por etapas un estado de aislamiento defectuoso. Una
detección de este tipo es preferible en términos de funcionamiento
del
sistema.
sistema.
De acuerdo con las realizaciones de las
reivindicaciones 4 y 6, debido a que el tendido eléctrico comprende
un tendido eléctrico de DC de dos líneas, la invención puede
aplicarse a un sistema conversor DC-AC general,
además de los efectos mencionados anteriormente.
La magnitud de la resistencia eléctrica de
aislamiento medida por la medición del estado de aislamiento es
almacenada. Tras conectar de nuevo la fuente de energía, se mide
una tensión entre una línea del tendido eléctrico y el punto
conectado a tierra, y se estima la ubicación de la parte con
aislamiento defectuoso en base a la magnitud de la tensión detectada
y la magnitud de la resistencia eléctrica de aislamiento
almacenada. Por este motivo, se puede estimar la posición de una
parte con aislamiento defectuoso en la fuente de energía.
De acuerdo con la realización de la
reivindicación 6, el estado de aislamiento puede medirse eliminando
el consumo de la fuente de energía utilizada a modo de medio de
aplicación de tensión.
De acuerdo con la realización de la
reivindicación 7, el estado de aislamiento del tendido eléctrico
puede evaluarse utilizando un sistema simple.
De acuerdo con la realización de la
reivindicación 12, una batería primaria o secundaria, disponible de
forma relativamente fácil, puede utilizarse a modo de fuente de
energía de los medios de aplicación de tensión.
De acuerdo con la realización de la
reivindicación 13, un aparato de supervisión del estado de
aislamiento, según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 12 está
conectado a una fuente de energía.
Por esta razón, el sistema conversor de energía
puede evaluar automáticamente el estado de aislamiento del tendido
eléctrico tal como un tendido eléctrico en el lado de la entrada,
en el generador de energía, en el panel de células solares, y
similares sin requerir ninguna atención especial por parte de un
usuario. Por esta razón, se puede evitar un fallo imprevisto causado
por una fuga a tierra, y se puede proporcionar un sistema que es
muy preferente en términos de gestión del uso por parte de un
usuario. Como resultado, un sistema generador de energía del tipo
de dispersión de energía limpia tal como un sistema generador de
energía por luz solar se puede utilizar de forma general como una
aplicación doméstica, y un sistema de este tipo puede contribuir a
la mejora del medio ambiente a escala global.
Si la fuente de energía de DC comprende una
célula solar al igual que en la realización de la reivindicación,
la presente realización se puede aplicar a un sistema generador de
energía por luz solar, la cual se ha hecho progresivamente popular.
Adicionalmente, si la célula solar comprende un módulo de célula
solar flexible, el sistema generador de energía se puede hacer más
popular.
De acuerdo con la realización de la
reivindicación 11, debido a que la fuente generadora de energía que
genera alta tensión comprende un circuito elevador de tensión para
elevar la tensión del sistema de distribución de energía, se puede
omitir una operación molesta de intercambio de ciertas anomalías,
por ejemplo, de una célula primaria.
De acuerdo con la realización de la
reivindicación 16, debido a que el rendimiento de aislamiento de
una resina cambia con el tiempo, se puede estimar básicamente por
adelantado un periodo después del cual tiene lugar un estado de
aislamiento defectuoso.
Mediante las reivindicaciones 17 y 18, la
presente realización se puede aplicar de forma conveniente como un
sistema generador de energía del tipo de dispersión o de sistema
generador de energía independiente.
Claims (18)
1. Método de determinación del estado de
aislamiento de una fuente (1) de energía conectada mediante un
tendido eléctrico formado por líneas de energía a unos medios (21)
de conversión de energía, comprendiendo el método: la etapa de
formación de un circuito abierto en el tendido eléctrico entre la
fuente de energía y dichos medios (21) de conversión de energía; la
etapa de formación de un cortocircuito entre las líneas de energía;
la etapa de aplicación de una tensión entre las líneas de energía
cortocircuitadas y tierra; la etapa de medición de la corriente
producida por dicha tensión aplicada para determinar un valor de la
resistencia eléctrica; la etapa de almacenamiento del valor medido;
la etapa de cancelación del cortocircuito; la etapa de reconexión de
la fuente de energía a los medios de conversión de energía; la
etapa de medición de una tensión en dicho tendido eléctrico; y la
etapa de localización de una sección con aislamiento defectuoso en
la fuente de energía en base al valor de tensión medido y el valor
determinado de la resistencia eléctrica.
2. Método, según la reivindicación 1, que incluye
la etapa de determinación del estado de aislamiento de la fuente de
energía en base a un primer umbral relacionado con un estado de
aislamiento inicial y a un segundo umbral, siendo comparado el
valor determinado de la resistencia eléctrica con los dos umbrales
diferentes que deben ser sobrepasados antes de determinar un
problema de aislamiento.
3. Método, según la reivindicación 2, en el que
el primer umbral representa un estado de aislamiento inicial
satisfactorio y el segundo umbral representa un fallo del estado de
aislamiento, y se da una indicación de advertencia cuando la
resistencia eléctrica de aislamiento medida queda entre dichos
primer y segundo umbrales.
4. Método, según cualquier reivindicación
precedente, en el que el tendido eléctrico comprende el tendido
eléctrico de corriente continua DC de dos líneas.
5. Método, según cualquier reivindicación
precedente, en el que el tiempo de aplicación de tensión queda
dentro de una gama de 2 a 5 segundos.
6. Aparato para la determinación del estado de
aislamiento de una fuente (1) de energía conectable a unos medios
de conversión de energía, que comprende:
medios para la disposición de un tendido
eléctrico de corriente continua DC de dos líneas entre dicha fuente
de energía y dichos medios de conversión; medios (24) para
cortocircuitar dicha fuente de energía según dicho tendido
eléctrico, y para formar un circuito abierto entre dichos medios de
conversión de energía y dicho tendido eléctrico;
medios (26) de aplicación de tensión para aplicar
una tensión entre dicha fuente (1) de energía cortocircuitada y
tierra;
medios (254) de medición de corriente para medir
una corriente generada por la tensión aplicada;
medios (253) para determinar el estado de
aislamiento de dicha fuente de energía en base a un primer valor
umbral relacionado con un estado de aislamiento inicial en base al
valor de corriente medido por dichos medios de medición de
corriente, y en base a un segundo valor umbral relacionado a un
error en el estado de aislamiento según se determina en base al
primer valor umbral; un detector (271) de tensión ubicado entre una
línea del tendido eléctrico y tierra, y medios (29) de memoria para
almacenar el valor medido por dichos medios de medición de
corriente, y dichos medios (253) para determinar el estado de
aislamiento de dicha fuente de energía adaptados para estimar la
ubicación de una parte con aislamiento defectuoso en la fuente de
energía en base a una salida de dicho detector de tensión y el
valor almacenado.
7. Aparato, según la reivindicación 6, en el que
dicho primer umbral representa un estado de aislamiento inicial
satisfactorio y el segundo umbral representa un fallo del estado de
aislamiento, incluyendo el aparato medios adicionales para dar una
indicación cuando la resistencia eléctrica de aislamiento medida
queda entre dichos primer y segundo umbrales.
8. Aparato, según la reivindicación 7, y que
incluye medios (28) de visualización para dar una indicación del
estado de aislamiento en respuesta a una salida de dichos medios
(253) para determinar el estado de aislamiento de dicha fuente (1)
de energía.
9. Aparato, según la reivindicación 8, en el que
cada línea de dicho tendido eléctrico tiene un detector de tensión
(271, 272) correspondiente, y en el que dichos medios (253) para
determinar el estado de aislamiento de dicha fuente de energía
están adaptados para estimar la ubicación de una parte con
aislamiento defectuoso en base a la salida de dichos detectores de
tensión correspondientes.
10. Aparato, según cualquiera de las
reivindicaciones 6 a 9, que comprende además unos medios (261) para
elevar la tensión generada por dichos medios de aplicación de
tensión.
11. Aparato, según cualquiera de las
reivindicaciones 6 a 10, en el que dichos medios de aplicación de
tensión comprenden, por lo menos, una batería primaria (262) o una
batería secundaria.
12. Sistema que comprende unos medios de
conversión de energía conectados a un aparato según cualquiera de
las reivindicaciones 6 a 11.
13. Sistema, según la reivindicación 12, en el
que la fuente de energía comprende una célula solar.
14. Sistema, según la reivindicación 13, en el
que la célula solar comprende un módulo de célula solar
flexible.
15. Sistema, según la reivindicación 13, en el
que la célula solar comprende un módulo de célula solar encapsulada
con resina.
16. Sistema, según cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 15 en combinación con una carga, en el que la
carga comprende un sistema de distribución de energía.
17. Sistema, según cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 16, en el que los medios (21) de conversión
están adaptados para convertir energía de corriente continua DC de
entrada desde una fuente de energía, en energía de corriente
alterna AC.
18. Sistema, según cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 15 en combinación con una carga, en el que la
carga comprende unos medios de acumulación.
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| JP11411094 | 1994-04-30 | ||
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