ES2532677A1 - Método y sistema de detección de defectos a tierra en redes de corriente continua de cables aislados - Google Patents

Método y sistema de detección de defectos a tierra en redes de corriente continua de cables aislados Download PDF

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Abstract

Método y sistema de detección de defectos a tierra en redes de corriente continua de cables aislados. La presente invención trata de un método y un sistema de detección selectiva de defectos a tierra en redes de corriente continua formadas por cables aislados que tienen sus pantallas conectadas a tierra en, al menos, uno de sus dos extremos. Se identifica el cable que tiene un defecto a tierra, al medir y analizar las intensidades que circulan por las pantallas de los cables. Dichas intensidades de defecto que circulan por las pantallas se pueden medir de varias formas. Esta patente trata de solucionar el problema de detectar una falta a tierra de forma selectiva en redes eléctricas con cables aislados en corriente continua, y presenta la ventaja de que la medida de la corriente en las pantallas es más sencilla que en el propio conductor, ya que la tensión de aislamiento requerida para el equipo de medida es muy inferior a si se midiera en el cable.

Description

OBJETO DE LA INVENCiÓN
10 La presente invención tiene por objeto presentar un nuevo método y sistema de detección de faltas a tierra en redes de energía eléctrica de corriente continua con cables aislados. Este nuevo método ofrece una perfecta detección del cable aislado con defecto, mientras que el nuevo sistema al implementar dicho método y llevarlo a la práctica, garantiza la indicación del cable con defecto y proporciona una selectividad
15 total para evitar así disparos no deseados ó erróneos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN
En redes de suministro de energía eléctrica compuestas por cables aislados en
20 corriente continua, al producirse un defecto a tierra por deterioro del aislamiento del cable, el valor de la intensidad de defecto puede presentar valores muy elevados, haciéndose imprescindible su rápida detección y eliminación , ya que todos los elementos de potencia que conforman la red de suministro de corriente continua se ven sometidos a altas solicitaciones térmicas, pudiéndose originar daños severos.
25 Una forma de detectar, de forma no selectiva, el cable con defecto, consiste en inyectar en la red de suministro una señal de tensión de pequeña amplitud y de una determinada frecuencia. Se calcula, por tanto, de forma permanente, la resistencia de aislamiento de la propia red. Para conocer qué cable presenta el defecto hay que ir
30 retirando del servicio uno a uno hasta que dicha resistencia de aislamiento ascienda a valores normales que indiquen un buen aislamiento. Normalmente, cuando se alcanza un nivel de aislamiento correspondiente a una situación de defecto, el sistema de protección proporciona primeramente una senal de alarma y, en caso de mayor descenso del aislamiento, una segunda senal de disparo. Esta técnica se ha venido
35 utilizando normalmente en redes de distribución eléctrica de Baja Tensión .
DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN
5 La presente invención permite detectar de forma selectiva en redes de suministro de energía eléctrica de corriente continua, el cable ó cables aislados que se encuentran en situación de defecto a tierra.
Los defectos a tierra representan más del 90% del total de faltas que se producen en
10 redes de energía eléctrica, por lo que resulta imprescindible su detección y localización precisa. Si solo se emplean protecciones voltimétricas que midan las tensiones en distintos puntos de dichas redes de distribución, este tipo de defecto no puede localizarse. Por tanto, es preciso medir otras magnitudes, y en tal sentido la presente invención propone medir las intensidades que circulan por las pantallas de los cables
15 aislados que conform an la red de distribución de corriente continua.
En los sistemas eléctricos de suministro de energía eléctrica de corriente continua, al producirse un defecto a tierra en un cable y ponerse en contacto su parte activa con su pantalla, circula intensidad tanto por la pantalla del correspondiente cable como por las 20 pantallas del resto de cables sin defecto. Una vez transcurridos los instantes iniciales del fenómeno transitorio del defecto, por las pantallas de los otros cables sin defecto que forman dicho sistema eléctrico, no circula intensidad alguna ya que no existe flujo mutuo entre las partes activas de los cables y sus correspondientes pantallas, atenuándose por completo su valor. En estas condiciones y en los cables sin defecto,
25 los condensadores formados por las capacidades entre las partes activas y las pantallas, así como los condensadores formados entre las pantallas y tierra, se encuentran cargados. Esta situación hace que solo pueda circular intensidad de defecto por la pantalla del cable que tiene un defecto a tierra.
30 El principio de funcionamiento del nuevo método se basa en la medida yen el análisis de las intensidades que circulan por las pantallas de los cables en servicio. La pantalla ó pantallas por las que estén circulando intensidades de forma permanente durante tiempos superiores a unos umbrales establecidos previamente, corresponden con los cables con defecto.
Este nuevo método discrimina entre las intensidades que circulan por las pantallas en las maniobras de conexión de los cables y las intensidades que circulan por las pantallas cuando se ha producido un defecto.
El nuevo método de protección identifica en base a las características de las intensidades medidas en las pantallas de los cables, si dichas intensidades que circulan por las pantallas se corresponden con maniobras de energización de los cables ó situación de defecto. En el caso de maniobras de conexión, las intensidades leídas presentan las siguientes características:
1.-Toman valores positivos y negativos hasta su atenuación completa. 2.-Aparecen por tanto oscilaciones de signo en su derivada con respecto al tiempo hasta su atenuación completa.
En el caso de defecto en el cable, las intensidades medidas presentan las siguientes características:
1.-No aparecen oscilaciones en su signo. 2.-Por tanto no aparecen oscilaciones en el signo de su derivada con respecto al tiempo.
En definitiva, la detección del de fallo a tierra, se realiza comprobando que la intensidad por la pantalla del cable con defecto es superior a un umbral ajustable, umbral que se ha previamente ajustado mediante un tiempo predefinido, y cuyo umbral ajustado dependerá del valor de la corriente por la pantalla.
Además, el umbral previamente ajustado durante un tiempo determinado, debe superar la corriente por la pantalla del cable aislado en base a una expresión matemática que relaciona tiempo y corriente, de manera que cuanto mayor sea la corriente del efecto menor será el tiempo de disparo.
Asimismo, cabe destacar que únicamente se considerará un defecto en un cable aislado, si la corriente por la pantalla correspondiente no presenta cambios de signo durante un umbral de tiempo definido, o bien si la derivada con respecto al tiempo de
la corriente por la pantalla no presenta cambios de signo durante un umbral de tiempo definido.
Cabe considerar igualmente el hecho de que al circular una intensidad por la pantalla de un cable sin defecto debido a un defecto que se produzca en otro cable, se produce el bloqueo del disparo del cable sin defecto al ser la derivada de la corriente que circula por la correspondiente pantalla de signo contrario a la derivada de la corriente de la pantalla del cable con defecto durante un umbral de tiempo definido, pudiéndose igualmente producir el bloqueo cuando la derivada de la intensidad con respecto al tiempo en el cable aislado sin defecto, presenta pendientes positivas y negativas.
Es igualmente objeto de la invención el sistema de detección de defectos a tierra a redes de corriente continua de cables aislados, comprendiendo dicho sistema un equipo de medida de la corriente que circula por la pantalla del cable aislado para obtener una señal de medida, complementándose con un dispositivo analizador encargado de analizar la señal medida. disponiendo dicho dispositivo analizador de medios para la obtención de la amplitud de la señal medida, así como medios de comparación encargados de comprar la amplitud de la señal medida con un valor determinado de intensidad acústica y obtener una señal de salida indicativa de la existencia o no de defecto, con la particularidad de que la comparación podrá realizarse durante un tiempo predeterminado o bien establecer la comparación con un valor determinado durante un tiempo predeterminado, en función de la intensidad medida.
El sistema incorpora también un medio analizador encargado de analizar la señal medida.
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.
En la figura 1 se muestra una red de alimentación en corriente continua donde se observan los siguientes elementos:
(1 ):
Fuente de tensión de corriente continua.
(2):
Barra principal de corriente continua.
(3):
Cables de corriente continua.
(4):
Pantallas de los cables de corriente continua.
(5):
Medida de intensidad en corriente continua.
(6):
Defecto en un cable de corriente continua.
(7):
Intensidades de defecto.
(8):
Puesta a tierra de las pantallas de los cables.
(9):
Puesta a tierra de la fuente de tensión continua.
La figura 2.-Muestra un esquema simplificado de la realización preferente, en donde aparecen los elementos dispuestos en la Figura 1 y además los siguientes:
(10): Elemento de corte de alimentación (11): Orden de disparo del nuevo sistema de protección (12) al elemento de corte de alimentación (10). (12): Nuevo sistema de protección.
La figura 3.-Muestra el diagrama de bloques para comparar las polaridades, que consta de los siguientes elementos: (13): Indicación de defecto en el cable aislado.
(14)
Comparador.
(15)
Valor de intensidad ajustada ó de umbral.
(16)
valor de intensidad que circula por la pantalla del cable aislado. La figura 4.-Muestra un diagrama de bloques similar al de la figura 3, pero incluyendo ademas: (17): Temporizador.
La figura 5.-Muestra un diagrama similar al diagrama de la figura 4 que además cuenta con el siguiente elemento: (18): Puerta lógica OR.
La figura 6.-Muestra un diagrama similar al diagrama de la figura 5 y que además cuenta con el siguiente elemento: (19): Calculador del tiempo de disparo.
5 La figura 7.-Muestra un diagrama similar al diagrama de la figura 5 y que además cuenta con los siguientes elementos: (20): Indicador de intensidad de valor positivo.
(21)
Puerta lógica AND.
(22)
Indicador de intensidad de valor negativo.
La figura 8.-Muestra un diagrama similar al diagrama de la figura 7 sin los elementos 20 y 21 , incluyendo además los siguientes elementos: (23): Indicador de derivada de la intensidad respecto al tiempo de valor positivo.
(24) Indicador de derivada de la intensidad respecto al tiempo de valor negativo.
La figura 9.-Muestra un diagrama similar al diagrama de las figuras 7 y 8 sin las puertas lógicas 21 y que ahora tienen tres entradas lógicas.
Las figuras 10 a 16.-Muestran la secuencia lógica de disparo, de acuerdo con 20 diferentes alternativas previstas.
REALIZACiÓN PREFERENTE DE LA INVENCiÓN
Se describe, a continuación, un modo de realización del nuevo sistema de protección sin que sea excluyente a otras posibles configuraciones que utilicen el método 30 descrito.
En la figura 1, aparece representada una red de alimentación en corriente continua, que comprende una fuente de tensión de corriente continua (1), una barra principal de corriente continua (2), cables de corriente continua (3), pantallas de los cables de 35 corriente continua (4), la medida de intensidad en corriente continua (5), el defecto en
un cable de corriente continua (6), las intensidades de defecto (7), la puesta a tierra de las pantallas de los cables (8) y la puesta a tierra de la fuente de tensión continua (9).
Por su parte en el diagrama de la figura 2, ademas de los componentes referidos y que
5 incorpora el diagrama de la figura 1, se incluye un elemento de corte de alimentación (10), una orden de dispositivo (11) del sistema de protección (12) y el propio sistema de protección (12).
La realización preferente de esta invención contempla su implementación en relés
10 multifunción programables mediante esquemas lógicos. En la Figura 2 se observa una disposición de principio del nuevo método de protección. Algunas formas para medir las intensidades que circulan por las pantallas de los cables aislados, pueden emplear sensores de efecto Hall, ó bien medir tensiones en resistencias tipo shunt conectadas al final de la pantalla entre ésta y tierra, etc. El nuevo sistema de protección (12)
15 dispone de los elementos necesarios para determinar si el cable tiene un defecto a tierra ó no. Los distintos esquemas lógicos que se implementan en función de la forma de detectar el defecto a tierra del cable aislado se indican en las siguientes figuras:
• Figura 3: se dispone de un comparador (14) para comparar las
20 intensidades de defecto (16) y la de ajuste (15). Si la intensidad de defecto es superior a la de ajuste, el comparador indica que hay defecto con un "uno" lógico en su salida (13).
• Figura 4: se dispone de los mismos elementos que en la figura 3 con un temporizador adicional (17). Si la intensidad de defecto es superior a la
25 de ajuste durante un tiempo fijado en el temporizador, el comparador indica que hay defecto con un ~uno" lógico en su salida (13).
• Figura 5: se dispone de los mismos elementos que en la figura 4 con una puerta lógica OR adicional (18). Si la intensidad de defecto es siempre superior a la de ajuste y positiva, ó siempre superior al ajuste y
30 negativa, durante un tiempo fijado en el temporizador (17), se tendrá un uno lógico en una de las dos entradas de la puerta lógica OR y se indica que hay defecto con un "uno" lógico en su salida (13).
• Figura 6: se dispone de un comparador (14) para comparar las
intensidades de defecto (16) y la de ajuste (15). Si la intensidad leída en 35 la pantalla es superior a la de ajuste, el comparador (14) envía una
señal de arranque al calculador del tiempo de disparo (19) en función de
la intensidad leída y de ajuste. En caso de expirar el tiempo calculado,
se indica que hay defecto con un "uno" lógico en su salida (13).
•
Figura 7: se dispone de un comparador (14) para comparar las
5
intensidades de defecto (16) y la de ajuste (15). Mientras que la
intensidad de leída en la pantalla sea superior a la de ajuste, el
comparador mantiene arrancado al temporizador (17).
Simultáneamente, si el valor de la señal o intensidad (16) leida en la
pantalla es siempre positiva ó siempre negativa, se tendrán dos "unos"
10
lógicos en las entradas de la puerta lógica ANO (21) correspondiente .
En esta situación se tendrá un "uno" lógico en cualquiera de las dos
entradas lógicas de la puerta OR (18) Y se indicará que hay defecto en
la salida (13).
En dicha figura 7, se muestran los indicadores de intensidad (20) y (22)
15
de valor positivo y negativo, respectivamente.
•
Figura 8: se dispone de un comparador (14) para comparar las
intensidades de defecto (16) y la de ajuste (15). Mientras que la
intensidad leida en la pantalla sea superior a la de ajuste, el
20
comparador (14) mantiene arrancado al temporizador (17).
Simultáneamente, si la derivada respecto al tiempo de la señal leida en
la pantalla es siempre positiva ó siempre negativa, de acuerdo con lo
que indiquen los indicadores (23 o 24), se tendrán dos "unos" lógicos en
las entradas de la puerta lógica ANO (21) correspondiente. En esta
25
situación se tendrá un ~uno" lógico en cualquiera de las dos entradas
lógicas de la puerta OR (18) Y se indicará que hay defecto en la salida
(13).
•
Figura 9: se dispone de un comparador (14) para comparar las
intensidades de defecto (16) y la de ajuste (15). Mientras que la
30
intensidad leida en la pantalla sea superior a la de ajuste, el
comparador (14) mantiene arrancado al temporizador (17).
Simultáneamente, si la derivada respecto al tiempo de la señal leida en
la pantalla es siempre positiva ó siempre negativa, según indiquen los
indicadores (23 o 24), se tendrán tres "unos" lógicos en las entradas de
35
la puerta lógica ANO (21) correspondiente. En esta situación se tendrá
un "uno" lógico en cualquiera de las dos entradas lógicas de la puerta
OR (18) Y se indicará que hay defecto en la salida (13). En dicha figura
9, se incluyen también los indicadores de intensidad (20) y (22) de valor positivo y negativo respectivamente.
En las figuras 10, 11, 12, 13, 14, 15 Y 16 se indican, para mejor comprensión, las secuencias lógicas de las siguientes reivindicaciones:
o Figura 10: se indica la secuencia lógica de disparo según la 10 reivindicación 1.
o Figura 11 : se indica la secuencia lógica de disparo según la reivindicación 2.
o Figura 12: se indica la secuencia lógica de disparo según la reivindicación 3.
15 o Figura 13: se indica la secuencia lógica de disparo según la reivindicación 4.
o Figura 14: se indica la secuencia lógica de disparo según la reivindicación 5.
o Figura 15: se indica la secuencia lógica de disparo según la 20 reivindicación 6.
o Figura 16: se indica la secuencia lógica de disparo según la reivindicación 7.

Claims (3)

  1. REIVINDICACIONES
    1a ._ Método de detección de defectos a tierra en redes de corriente continua de cables aislados, en donde la puesta a tierra de los cables aislados se realiza mediante pantallas, caracterizado por que se realiza la medición de la intensidad que circula por la pantalla del cable aislado correspondiente, comprobando que la intensidad que circula por la pantalla del cable con defecto es superior a un umbral ajustable.
    2a ._ Método de detección de defectos a tierra en redes de corriente continua de cables aislados, según reivindicación 1a, caracterizado por que el umbral ajustable que debe ser superado por la intensidad o corriente medida en la pantalla del cable aislado, corresponde a un umbral ajustable durante un tiempo definido previamente.
    3a._ Método de detección de defectos a tierra en redes de corriente continua de cables aislados, según rei vindicación 1a, caracterizado por que el umbral ajustable que debe ser superado por la intensidad o corriente medida en la pantalla del cable aislado, corresponde a un umbral ajustable durante un tiempo definido previamente, dependiendo dicho umbral ajustable del valor de la corriente que circula por la pantalla del cable aislado.
    4a._ Método de detección de defectos a tierra en redes de corriente continua de cables aislados, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que solo se considera un defecto en un cable aislado si la corriente por su pantalla no presenta cambios de signo durante un umbral de tiempo definido.
    5<1._ Método de detección de defectos a tierra en redes de corriente continua de cables aislados, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por que solo se considera un defecto en un cable aislado, si la derivada con respecto al tiempo de la corriente por su pantalla no presenta cambios de signo durante un umbral de tiempo definido.
  2. 68._ Método de detección de defectos a tierra en redes de corriente continua de cables aislados, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por que al circular intensidad por la pantalla de un cable sin defecto debido a un defecto que se produzca en otro cable, se bloquea el disparo del cable sin defecto al ser la derivada de la corriente que circula por la pantalla de signo contrario a la derivada de la corriente de
    la pantalla del cable con defecto durante un umbral de tiempo definido.
    7a._ Método de detección de defectos a tierra en redes de corriente continua de cables
    5 aislados, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al circular intensidad por la pantalla de un cable aislado sin defecto, debido a un defecto que se produzca en otro cable, bloquea el disparo del cable sin defecto al presentar al derivada de la intensidad con respecto al tiempo en el cable aislado sin defecto pendientes positivas
    o negativas.
    aa._ Sistema de detección de defectos a tierra en redes de corriente continua de cables
    aislados, en donde la puesta a tierra de los cables aislados se realiza mediante pantallas caracterizado porque comprende:
    15 -Un equipo de medida (5) de la corriente que circula por al pantalla (4) del cable aislado (3) que obtiene a la salida una señal de medida (16);
    -
    Un dispositivo analizador encargado de analizar la señal de medida (16), de acuerdo con la reivindicación la y que dispone de:
    •
    Medios para la obtención de la amplitud de la señal medida (16);
    •
    Medios de comparación (14) encargados de comparar la amplitud de la señal medida (16) con un valor determinado de intensidad de ajuste (15) y obtener una señal de intensidad de ajuste (15), y obtener una señal de
    25 salida (13) indicativa de la existencia o no de defecto.
    ga._ Sistema de detección de defectos a tierra en redes de corriente continua de cables
    aislados, según reivindicación 8, caracterizado por que incorpora además medios
    (14) para comparar la amplitud de la señal medida (16) con un valor determinado (15)
    30 durante un tiempo predeterminado conforme a la reivindicación 2, y obtener una señal de salida (13) indicativa de la existencia o no de defecto
  3. 10.-Sistema de detección de defectos a tierra en redes de corriente continua de cables aislados, según reivindicaciones 8 y g, caracterizado por que incorpora
    35 además medios para comparar la amplitud de la señal medida (16) con un valor determinado (15) durante un tiempo predeterminado en función de la intensidad medida conforme a la reivindicación 3, y obtener una señal de salida (13) indicativa de la existencia o no de defecto.
    5 11 .-Sistema de detección de defectos a tierra en redes de corriente continua de cables aislados según reivindicaciones 8 a 10, caracterizado por que incorpora además un analizador encargado de analizar la señal medida (16) de acuerdo con la reivindicación 4.
    10 12.-Sistema de detección de defectos a tierra en redes de corriente continua de cables aislados, según reivindicaciones 8 a 11 , caracterizado por que incorpora un analizador encargado de analizar la señal medida (16) de acuerdo con la reivindicación 5.
    15 13.-Sistema de detección de defectos a tierra en redes de corriente continua de cables aislados según reivindicaciones 8 a 11, caracterizado por que incorpora un analizador encargado de analizar la señal medida (16) de acuerdo con la reivindicación 6.
    20 14.-Sistema de detección de defectos a tierra en redes de corriente continua de cables aislados según reivindicaciones 8 a 13, caracterizado por que incorpora un analizador encargado de analizar la señal medida (16) de acuerdo con la reivindicación 7.
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