MÉTODO Y SISTEMA DE DISCRIMINACIÓN DE FALTAS A TIERRA EN CIRCUITOS CON TRANSICIONES LÍNEA AÉREA – CABLE 5 DESCRIPCIÓN OBJETO DE LA INVENCIÓN La presente invención tiene por objeto presentar un nuevo sistema de bloqueo 10 de reenganche para faltas monofásicas a tierra en redes de energía eléctrica que cuentan con transiciones línea aérea – cable en las que dichos cables tienen las pantallas puestas a tierra en un solo punto. Este nuevo sistema discrimina si la falta monofásica a tierra se ha producido en la línea aérea o en el cable siendo válida su aplicación para redes en las cuales se han puesto a 15 tierra las pantallas de los cables en sólo uno de sus dos extremos. En base a esta discriminación, el sistema permitirá el reenganche si la falta se ha producido en la línea aérea o bloqueará dicho reenganche si la falta se ha producido en el cable. Esta invención está orientada a redes de distribución de energía eléctrica con neutro puesto a tierra de forma rígida o a través de 20 impedancia limitadora. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Uno de los principales problemas que presenta la operación de los sistemas 25 eléctricos de potencia es la habilitación de las maniobras de reenganche una vez despejadas las faltas monofásicas correspondientes. Si la falta se ha producido en la línea aérea y se permite dicho reenganche, la maniobra puede tener éxito, ya que el aislamiento de la línea aérea es aire que es regenerable. En cambio, si la falta se ha producido en el tramo de cable y se permite el 30 reenganche, la maniobra no puede tener éxito y trae consigo daños más
severos en dicho cable al reenganchar contra un defecto, y es una maniobra dura para el resto de equipos de la red eléctrica. La detección de faltas monofásicas a tierra en redes de suministro de energía 5 eléctrica con transiciones líneas aéreas -cables, se realiza de varias maneras diferentes. Una forma de detección de faltas monofásicas a tierra es la instalación de protecciones de distancia que son capaces de calcular la distancia desde el 10 punto del defecto hasta el punto donde se éstas encuentran instaladas. Cuando la distancia calculada es inferior a la longitud del elemento protegido, dichos elementos de protección envían señales de alarma y/o disparo a los elementos de apertura en carga. Esta técnica se emplea habitualmente en la protección de líneas aéreas. Este tipo de protecciones no tienen la precisión suficiente 15 para discriminar si la falta se ha producido en la línea aérea o en el cable. Otra forma de detección de faltas monofásicas a tierra comprende la instalación de protecciones diferenciales de línea que comprueban permanentemente si las intensidades que entran por un extremo de una línea aérea o cable 20 coinciden con las intensidades que salen por dicha línea o cable. En caso de no ser así, dichos elementos de protección envían señales de alarma y/o disparo a los elementos de apertura en carga. Esta técnica se emplea habitualmente tanto en la protección de líneas aéreas de cualquier longitud como en la protección de cables de longitudes inferiores a 20 km. Este sistema 25 de protección sólo se emplea para proteger los tramos completos del circuito, sin discriminación sobre si la falta se ha producido a un lado o a otro de una transición línea aérea -cable. La detección de faltas monofásicas a tierra también se realiza instalando protecciones de sobreintensidad de neutro que miden permanentemente el 30 módulo de la intensidad de defecto monofásico a tierra. Esta técnica se emplea habitualmente tanto en la protección de líneas aéreas de cualquier longitud como en la protección de cables también de cualquier longitud. Este método
tampoco discrimina la situación del defecto a un lado o a otro de una transición línea aérea -cable. Otra posibilidad en la detección de faltas monofásicas a tierra es la instalación 5 de protecciones de sobreintensidad con característica direccional, que miden permanentemente los módulos de la intensidad de defecto monofásico a tierra y de la tensión homopolar existente en todo defecto monofásico a tierra, así como el ángulo existente entre ambas magnitudes. Las medidas de tensión e intensidad homopolares de defecto se obtienen a partir de: 10 • Tensión homopolar: transformador de tensión con sus devanados secundarios conectados en triángulo abierto. • Intensidad homopolar: transformador de intensidad toroidal que abrace las tres fases o conexión Holmgreen. 15 En base a la posición relativa de la intensidad homopolar de defecto con la tensión homopolar, se obtiene una señal de alarma y/o disparo a los elementos de apertura en carga. 20 25 El criterio de disparo utilizado empleando las medidas de tensión e intensidad homopolares descritas, es el siguiente: • Existencia de una tensión homopolar superior a un ajuste definido anteriormente. • • Existencia de una intensidad homopolar superior a un ajuste predefinido. Existencia de un ángulo de desfase determinado entre la tensión homopolar medida y la intensidad homopolar medida. Se necesita, por tanto, el cumplimiento de tres condiciones previas antes de efectuar la orden de disparo al elemento de corte en carga correspondiente a la línea aérea o al cable en situación de falta. Esta técnica se emplea 30 habitualmente tanto en la protección de líneas aéreas de cualquier longitud como en la protección de cables también de cualquier longitud. Esta técnica
tampoco discrimina si la falta se ha producido a un lado o a otro de una transición línea aérea -cable. Por tanto, ninguno de estos procedimientos determina de forma precisa la 5 ubicación del defecto. Algunas patentes relacionadas con una posible solución del problema técnico planteado son las siguientes: • DETECTION OF EARTH FAUL TS IN THREE PHASE SYSTEMS (G01 R 31/08; International Publication Number: WO 2004/079378 A1). Esta 10 patente se ha definido para sistemas eléctricos de potencia con neutro puesto a tierra a través de una reactancia, no aislados de tierra por tanto. No presenta una definición de criterios de detección de faltas a tierra en función de la aparición tensiones homopolares. • 15 20 25 • METHOD OF DETECTING AND LOCATING A HIGH-RESISTANCE EARTH FAUL T IN AN ELECTRIC POWER NETWORK (G01 R 31/08; International Publication Number: WO 98/20356). Esta patente detecta faltas a tierra comparando primero la componente de tensión homopolar con la componente de tensión de secuencia directa de la red, y después la componente de tensión homopolar con la impedancia homopolar de la red. Finalmente, realiza una comparación entre la intensidad de defecto y la componente de secuencia directa de la tensión de red. La invención objeto de la presente patente no compara las componentes de secuencia directa y homopolar de la tensión de red ni aplica un criterio de direccionalidad para determinar la línea que presenta el defecto a tierra. RELÉ DIRECCIONAL PARA LA VIGILANCIA DE AL MENOS UNA LfNEA DE TRANSPORTE DE ENERGfA ELÉCTRICA ALTERNA (H01 H; International Publication Number: ES 466782 A 1). Esta patente detecta faltas a tierra calculando la impedancia de defecto en módulo y argumento, empleando un criterio direccional para discriminar la dirección 30 del defecto. La invención objeto de la presente patente no aplica un criterio de direccionalidad para determinar la línea que presenta el defecto a tierra.
5 • METHOD FOR DETERMINING LOCATION OF PHASE-TO-EARTH FAULT (G01R 31/08; International Publication Number: EP 1739441 A1). Esta patente determina la localización del defecto monofásico a tierra en redes trifásicas calculando una curva de carga equivalente en la línea que representa una caída de tensión a lo largo de la misma en situación de fallo. La invención objeto de la presente patente no calcula ninguna caída de tensión en la línea para localizar el defecto. • METHOD ANO SYSTEM FOR DETERMINING LOCATION OF PHASE-TO-EARTH FAULT (G01 R 31/08; International Publication Number: EP 2 10 000 811 A1). Esta patente determina la localización del defecto monofásico a tierra en redes trifásicas calculando la reactancia del lazo de falta. Determina la zona con defecto por ser ésta el tramo más cercano al punto de medida de todos los tramos para el cual la suma de la reactancias de secuencia directa y homopolar del tramo con defecto y la 15 misma suma de reactancias de secuencias directa y homopolar del resto de los tramos, entre el punto de medida y el tramo en falta, es mayor o igual que la reactancia del lazo de falta determinada. Según lo expuesto anteriormente ninguna de estas patentes soluciona el 20 problema de discriminar que el defecto se encuentra en el cable y bloquear el reenganche. DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN 25 En el caso de faltas en líneas aéreas es una práctica habitual realizar una operación que se conoce como reenganche. En esta operación se deja sin tensión la línea y en muchos casos desaparece el cortocircuito. Al ser una línea aérea, el aislamiento es aire, que es regenerable. Si una vez trascurrido un tiempo se vuelve a conectar la línea, se restablece el servicio eléctrico, 30 minimizando el efecto del cortocircuito en la red.
Sin embargo, en el caso de un cable aislado, la operación de reenganche no puede funcionar, debido a que el aislamiento es plástico y en caso de defecto no puede regenerarse. 5 Las líneas aéreas de distribución suelen comenzar con un primer tramo de cable. Este tramo de cable une las cabinas con el primer apoyo de la línea. Por tanto, si se dispone la función de reenganche y el defecto es en el primer tramo de cable, el reenganche no tiene éxito. Sin embargo, si es en el tramo aéreo puede que sí lo tenga. 10 La presente invención permite discriminar de forma selectiva la zona donde se han producido faltas monofásicas a tierra en circuitos que cuentan con transiciones línea aérea -cable. Este nuevo sistema es capaz de discriminar si la falta monofásica a tierra se ha producido en la línea en su tramo aéreo o en 15 su tramo de cable, de forma que permite que se lleve a cabo la operación de reenganche o lo bloquea. Su aplicación es válida en: 20 • • Sistemas eléctricos en los que se han conectado a tierra las pantallas de los cables en sólo uno de sus dos extremos, preferentemente en el lado de la subestación, para simplificar la realización práctica del sistema. Sistemas eléctricos con el neutro rígidamente conectado a tierra o a través de una impedancia. En caso de defecto a tierra la corriente en la fase con defecto va a ser más 25 elevada que en las otras dos fases sanas. Si el defecto es en el cable, en la pantalla del conductor con defecto va a circular una corriente del mismo orden que la que circula en la fase donde se ha producido el defecto. Esta corriente es muy superior a la que circula por las otras dos pantallas, que es prácticamente nula. En caso de que el defecto se produzca en el tramo de línea 30 aérea, las corrientes por las pantallas serán prácticamente nulas y debidas únicamente a la capacidad del conductor.
Por tanto, la zona con defecto se discrimina comparando la corriente que circula por las pantallas entre sí. Si una es muy superior a las otras dos, el defecto es en el tramo correspondiente al cable. Para realizar dicha comparación se puede ajustar el número de veces que la corriente máxima por 5 una de las pantallas es superior a cualquiera de las otras dos. Otra forma de discriminar sería si la corriente por la pantalla es del mismo orden que la corriente de la fase con defecto a tierra. Del mismo modo se podría ajustar la diferencia entre estas dos corrientes en el equipo 10 discriminador para hacer esta comparación y por tanto para bloquear o no el reenganche. La discriminación se puede realizar de una forma muy sencilla simplemente midiendo la suma de las corrientes que circulan por las tres pantallas. Si esta 15 corriente es mayor que cero quiere decir que hay defecto en el cable. Para hacer el bloqueo se podría implementar una dispositivo que compare la corriente con un umbral, ya que si simplemente se considera mayor que cero pudiera haber disparos no deseados. 20 Por último se pueden comparar la suma de las corrientes de las pantallas, utilizando un solo transformador de corriente, con la suma de las corrientes de las fases. En caso de falta en algún cable, la suma de las corrientes de las pantallas de los cables es del mismo orden que la suma de las corrientes de las fases. En caso de que el defecto sea en la línea aérea, la corriente por las 25 pantallas de los cables es prácticamente nula. Por tanto se puede ajustar la diferencia entre estas dos corrientes para decidir donde se ha producido el defecto. 30 BREVE DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan
expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta. Se muestra en la Figura 1 un esquema básico del nuevo sistema de 5 localización del defecto en una red con neutro rígidamente conectado a tierra que cuenta con una transición línea aérea-cable, donde se observan los siguientes elementos: (1) puestas a tierra en una subestación extremo (4) y en los apoyos de la línea aérea (5). 10 (2) puesta a tierra en la subestación (3) donde se instala el nuevo sistema de discriminación (7). (3) subestación extremo donde se instala el nuevo sistema de discriminación (7). (4) subestación extremo donde se conecta la línea aérea (5). 15 (5) línea aérea. (6) transición línea aérea-cable. (7) nuevo sistema de discriminación La Figura 2 muestra un esquema general de una red con el neutro conectado a 20 tierra a través de una impedancia limitadora que cuenta con una transición línea aérea-cable donde, además de los elementos descritos en la Figura 1, se observan los siguientes elementos: (23) impedancias limitadoras del defecto a tierra. 25 La Figura 3 muestra un esquema de principio de funcionamiento, donde se observan los siguientes elementos: (8) entrada digital de disparo de alguna protección de la línea al nuevo sistema de discriminación de falta (9). (9) nuevo sistema de discriminación de la falta. 30 (10) transformador de intensidad dispuesto para medir la intensidad en la pantalla (12) de un cable de potencia (13). (11) intensidad secundaria de transformador de intensidad (10).
(12) pantalla de los cables de potencia. (13) cables de potencia. (14) contacto libre de potencial normalmente abierto de salida para indicación de falta en línea. 5 (15) contacto libre de potencial normalmente abierto de salida para indicación de falta en cable subterráneo. (16) puesta a tierra de las pantallas (12) en un solo punto. En las Figuras 4, 5 Y 6 se muestran otros esquemas de principio de 10 funcionamiento, donde se observan los mismos elementos que en la Figura 3. 15 20 25 30 La Figura 7 muestra un esquema de la lógica de indicación de la línea en situación de falta, donde se observan los siguientes elementos: (8) entrada digital de disparo de alguna protección de la línea al nuevo sistema de discriminación de falta (9). (14) contacto libre de potencial normalmente abierto de salida para indicación de falta en línea. (15) contacto libre de potencial normalmente abierto de salida para indicación de falta en cable subterráneo. (17) señal analógica de intensidad que circula por una pantalla. (18) convertidor analógico-digital de señal. (19) microprocesador para realizar el cálculo de los módulos y los argumentos de las tres intensidades que circulan por las pantallas, y ejecutar el algoritmo descrito anteriormente. (20) relé auxiliar para indicación de falta en el cable subterráneo. (21) relé auxiliar para indicación de falta en el lado aéreo. (22) memoria para guardar las lecturas de intensidad de cada pantalla de los cables principales entre el instante en que recibe la señal (8) de disparo de alguna protección. La Figura 8 muestra un esquema general de un sistema de distribución con el neutro conectado a tierra a través de una impedancia limitadora que cuenta con
5 10 15 20 una subestaéión (24) bajo envolvente (cabinas). De dicha subestación salen cables aislados hasta el primer apoyo de las líneas aéreas. REALIZACiÓN PREFERENTE DE LA INVENCiÓN El sistema objeto de la presente patente tiene especial interés en subestaciones de distribución donde se emplean subestaciones con envolvente metálica (cabinas) y las líneas son aéreas. La unión entre las cabinas y las líneas aéreas se realiza mediante cable, tal como se muestra en la Figura 8. En estos sistemas de distribución con líneas aéreas se utiliza la técnica del reenganche. En caso de tener un defecto en los cables de salida y realizar el reenganche, éste sería fallido y los daños en el cable se agravarían tras cerrar de nuevo existiendo defecto en el cable. El nuevo sistema de bloqueo del reenganche ante defectos monofásicos a tierra se instala en la subestación donde terminan (o parten) los cables por dos motivos fundamentales: • • facilidad de instalación del nuevo equipo de bloqueo en la propia subestación. disponibilidad de tensión auxiliar de alimentación al nuevo sistema de bloqueo. El nuevo sistema de bloqueo del reenganche de defecto a tierra (9) determina, 25 gracias a la lógica de la Figura 7, en qué tramo se encuentra el defecto. La discriminación se realiza según: • • 30 • se recibe la señal (8) de inicio de grabación de las tres intensidades de las tres pantallas (Figura 2). El microprocesador (19) calcula los módulos de las tres intensidades que circulaban por las tres pantallas. El microprocesador (19) calcula las relaciones entre los módulos. Si las relaciones entre el módulo mayor y los otros dos son mayores que un
valor ajustable, por ejemplo 5, el microprocesador (19) excita al relé (20) de indicación de defecto en cable y se señaliza a través del contacto libre de potencial (15), bloqueando el reenganche. En caso contrario la indicación será de defecto en línea aérea y se señaliza a través del 5 contacto libre de potencial (14).