ES2569080T3

ES2569080T3 - Detección direccional de fuga a tierra sensible en media tensión por correlación lineal

Info

Publication number: ES2569080T3
Application number: ES13172415.5T
Authority: ES
Inventors: Guillaume Verneau; Nathalie Baumes; Thibault Neveu
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2016-05-06
Anticipated expiration: 2033-06-18
Also published as: CN103576045B; FR2993670B1; EP2687860A1; RU2013133963A; FR2993670A1; RU2631025C2; EP2687860B1; CN103576045A

Abstract

Dispositivo (10) de detección direccional de una fuga a tierra (7) en una red multifásica que incluye: - unos primeros medios (14) para recibir unas señales representativas de la corriente (IA, IB, IC) de cada una de las fases; - unos segundos medios (14') para recibir una señal representativa de la corriente homopolar (I0) del conjunto de las fases; - unos medios (30) de tratamiento de las señales representativas de la corriente, que incluyen unos medios (34) de cálculo de los coeficientes de correlación normalizados (rA, rB, rC) y unos medios (36) de cálculo de la media (μ) y de la desviación típica (σ) entre los coeficientes de correlación calculados; - unos medios de activación de dichos medios de tratamiento (30) en función de una señal (D) de detección de la aparición de una fuga a tierra en la red (1); - unos medios de interpretación de los resultados del tratamiento de las señales que comprenden unos medios de comparación de dicha media (μ) y de dicha desviación típica (σ) para determinar si la fuga está aguas arriba o aguas abajo del dispositivo (10); caracterizado porque el dispositivo (10) comprende además unos medios de almacenamiento (20) de valores de las señales representativas de la corriente homopolar y de cada una de las fases (I0_MEM, IA_MEM, IB_MEM, IC_MEM) durante una duración de almacenamiento (Tadq) anterior a la señal (D) de detección de la aparición de una fuga a tierra (7), y los medios de tratamiento de las señales (30) comprenden unos medios de determinación de la variación de dicha señal representativa de la corriente homopolar y de cada una de las fases (ΔI0, ΔIA, ΔIB, ΔIC) con relación a los valores almacenados (I0_MEM, IA_MEM, IB_MEM, IC_MEM) durante una duración predeterminada inferior o igual a la duración de almacenamiento, estando adaptados los medios (34) de cálculo del coeficiente de correlación normalizado para calcular el coeficiente de correlación (rA, rB, rC) entre la variación de la señal representativa de la corriente homopolar (ΔI0) y la variación de cada una de las señales representativas de la corriente de fase (ΔIA, ΔIB, ΔIC).

Description

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DESCRIPCION

Deteccion direccional de fuga a tierra sensible en media tension por correlacion lineal Campo tecnico

La invencion se refiere a la deteccion de fuga en la red electrica de distribucion, principalmente de media tension. En particular, la invencion propone un principio de deteccion de fugas resistentes entre un conductor electrico de media tension y la tierra, fuga causada por ejemplo por la rotura de dicho conductor, asf como un dispositivo adaptado. Unos parametros resultantes del tratamiento de las unicas senales representativas de las corrientes de cada fase de la red permiten la localizacion direccional, sin utilizar valores representativos de la tension entre fases, ni valores representativos de las tensiones simples.

La invencion se refiere igualmente a un dispositivo de senalizacion de fuga y a un rele de disparo que comprende unos sensores de corriente asociados a cada fase de la red y que proporciona al dispositivo de deteccion anterior las senales que permiten la senalizacion, por ejemplo mediante un piloto, o el disparo de un dispositivo de corte de la red.

Estado de la tecnica

Los dispositivos de deteccion de fuga a tierra se utilizan principalmente en las redes de distribucion electricas trifasicas de media tension. Tal como se ilustra en la figura 1, las redes 1 de distribucion pueden descomponerse en diferentes niveles, con una primera red 2 de transporte y de distribucion de muy alta y alta tension MAT/At (de 35 a mas de 200 kV), utilizada para transportar o distribuir la energfa electrica desde las centrales de produccion a grandes distancias. Un transformador 3 trifasico presta servicio a una red de distribucion 4 de media tension MT, usualmente entre 1 y 35 kV, mas precisamente de 11 kV de tension simple en Francia, para unos transportes a mas pequena escala, hacia unos clientes de tipo industriales o de estaciones de transformacion de la media tension en baja tension BT (en particular 0,4 kV en Francia).

La lmea principal alimenta por tanto las lmeas de salida 5, 5', compuestas de lmeas aereas y/o de cables subterraneos, de los que ciertos de ellos 5 pueden incluir en cabeza un disyuntor u otro dispositivo de corte 6 que las protege. Cualquiera que sea la solucion, la red 4 esta sometida a unas fugas diversas, que es importante detectar y localizar con el fin de paliar los problemas generados: ruptura de la alimentacion, degradacion de la resistencia de los materiales de aislamiento, sin contar la seguridad de las personas. Entre estas fugas, los mas frecuentes son las fugas monofasicas 7, localizados fuera de la estacion de origen, en los que una fase esta en contacto con la tierra, o la rotura de un cable aereo en caso de intemperie principalmente.

Estas fugas 7, asf como las fugas polifasicas que se refieren a varias fases, son de tipo cortocircuito y el origen de corrientes elevadas, que pueden alcanzar varios millares o decenas de millares de amperios, mientras que los conductores y/o equipos estan generalmente concebidos para soportar algunos centenares de amperios en funcionamiento normal.

Las lmeas de salida 5', o los tramos de lmea 5, pueden comprender entonces un dispositivo 8 de deteccion de fuga a tierra. El dispositivo 8 puede servir de indicador de cambio a fuga, encendiendo por ejemplo un piloto luminoso; un dispositivo 81 puede por otro lado asociarse o integrarse en un rele de proteccion 9 adecuado para ordenar la apertura de los contactos del disyuntor 6.

Una opcion para detectar este tipo de fuga 7 es medir la corriente que circula, o unos parametros que se le relacionen. Estas medidas se completan sin embargo por unas medidas en las tensiones trifasicas, si se desea dar la direccion relativa (aguas arriba o aguas abajo) con relacion al equipo de deteccion de las fugas. Ahora bien, la tension en MT de la red 4 genera una complicacion en el acceso a los puntos de medicion, y unas problematicas de aislamiento del material electronico: este tipo de deteccion direccional es diffcil de implementar.

En el documento FR 2 936 319, la deteccion direccional de una fuga a tierra en una red multifasica se basa en la dispersion de los factores de correlacion lineal sin signo entre las corrientes de fase y la corriente homopolar. La utilizacion de la media y desviacion tfpica de este coeficiente de correlacion permite determinar si la fuga esta aguas arriba o aguas abajo de la medida de los sensores de corrientes de fase de los detectores 8i, 8i+1 sin utilizar la medicion de tension.

Esta solucion no esta adaptada sin embargo al caso de corriente de carga elevada, principalmente porque la relacion de corriente de fuga sobre corriente de carga es inferior al 10 %. En particular, cuando la fuga es muy resistente (por naturaleza de la fuga, o cuando el suelo es resistivo por ejemplo) o cuando las corrientes capacitivas son reducidas, tfpicamente por las redes de fuerte proporcion de aerea con relacion a la subterranea, la direccion dada puede ser erronea. Igualmente, la puesta a tierra del secundario del transformador 3 puede en sf misma ser de tal naturaleza que limite la amplitud de una fuga a tierra, y la tecnica anterior es insuficiente. En las redes de distribucion de MT, se habla entonces de fuga a tierra resistente (o tierra sensible) cuando el nivel de corriente de fuga es reducido (y por tanto diffcilmente detectable), sea porque la resistencia de la fuga es elevada, o sea porque la puesta a tierra del neutro en el transformador de la estacion de origen limita la corriente de fuga (caso de una

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bobina de compensacion, o de un neutro aislado por ejemplo), o bien porque el suelo es en sf mismo de naturaleza resistiva.

Deben realizarse unas medidas mas finas de la corriente (“sensitive earth fault”) para estas fugas muy resistentes, y se implementa por lo tanto una deteccion a traves de la tension. Por ejemplo, el documento EP 1 603 211 se refiere a un equipo de comunicacion instalado en los extremos de las lmeas: la deteccion de la rotura del conductor se realiza mediante simple deteccion de la perdida de tension de lmea. Unos estudios mas teoricos indican la posibilidad de utilizar la tension inversa y/o la tension homopolar en la red de MT 4; sin embargo, los problemas inherentes a la medida de la tension sobre unos conductores de fase de media tension anteriormente mencionados se mantienen por completo.

La deteccion y la localizacion de este tipo de fugas resistivas en una red de media tension, principalmente en el caso de roturas de conductores, esta poco desarrollada en razon de la utilizacion de medidas complejas de implementar.

Se propone una alternativa en el documento EP 2 533 060 (citado en el tftulo del artmulo 54(3) CBE), con la deteccion y la localizacion de una fuga a tierra resistente y/o de la rotura de conductor en una red de media tension por medio de informaciones relativas a las tensiones en la red de baja tension. Esto implica sin embargo el acceso a la red de BT, lo que puede ser problematico cuando se trata de una subestacion de MT/MT intermedia o de derivacion, sin transformador MT/BT.

Exposicion de la invencion

Entre otras ventajas, la invencion viene a paliar estos inconvenientes de los dispositivos y procedimientos existentes de deteccion direccional de fuga resistente a tierra. En particular, el principio de direccionalidad implementado reposa en el analisis de los coeficientes de correlacion entre las variaciones de la senal representativa de la corriente homopolar y las de las senales representativas de las corrientes de fase, sin utilizacion de las diferentes tensiones de la red, mientras se permite gestionar la deteccion y la localizacion de fugas a tierra sensibles.

Bajo uno de sus aspectos, la invencion se refiere a un procedimiento de deteccion direccional de fuga a tierra en una red multifasica, preferentemente trifasica, en la que unas senales representativas de la corriente homopolar y de cada una de las fases que circulan en el tramo de la lmea supervisado se depositan en memoria durante un periodo de almacenamiento predeterminado, al menos igual a un periodo de la red. Preferentemente, el almacenamiento se realiza de manera deslizante, es decir que en el periodo de almacenamiento fijado, los ultimos valores medidos sustituyen a los primeros valores correspondientes a medida que se miden, de manera que los valores en memoria sean representativos de la corriente de carga mas proxima al instante de medicion. Ventajosamente, las senales representativas de las corrientes de fase se filtran, principalmente de modo analogico, y/o se muestrean, preferentemente a una frecuencia que permita obtener al menos una treintena de puntos en la duracion predeterminada, por ejemplo del orden de 1,5 kHz al menos para una red a 50 Hz y un periodo.

El procedimiento de deteccion direccional comprende una primera etapa de deteccion de la fuga por comparacion de una senal representativa de la corriente homopolar que circula en el tramo de lmea supervisado con un umbral de deteccion. La senal representativa de la corriente homopolar puede obtenerse directamente, o por calculo a partir de las senales representativas de las corrientes de cada conductor de fase de dicho tramo.

Si la primera etapa detecta la presencia de una fuga a tierra en dicho tramo, el almacenamiento de los valores se detiene, de manera que los valores memorizados sean representativos de la corriente de carga en el momento de la fuga, sin haber sido alterados por este ultimo. Ademas, se desencadena la segunda etapa del procedimiento segun un modo de realizacion preferido de la invencion. La segunda etapa se basa en el tratamiento de las senales representativas de las corrientes de cada fase de dicho tramo y de la corriente de fuga del mismo tramo, obteniendose estas senales en una duracion predeterminada suficiente, por ejemplo un numero entero de penodos de la red, inferior o igual a la duracion de almacenamiento de los valores memorizados; las senales representativas de las corrientes de fase y homopolar se obtienen de la misma manera que para la memorizacion, con los mismos filtrado y muestreo.

Tras la adquisicion de las senales representativas de las diferentes corrientes, la segunda etapa del procedimiento se prosigue por un tratamiento de dichas senales para permitir interpretar si la fuga detectada en la primera etapa se situa aguas arriba o aguas abajo del punto de medida de las corrientes de fase. El tratamiento de las senales comprende, segun la invencion, el calculo de la variacion de las senales representativas de la corriente homopolar de cada una de las corrientes de fase, el calculo de los coeficientes de correlacion lineal normalizados entre la senal representativa de la variacion de la corriente homopolar del tramo y cada una de las variaciones de las senales representativas de las corrientes de fase; preferentemente, se utiliza la formula de Bravais-Pearson y/o unos coeficientes con signo. Se analiza a continuacion la dispersion de dichos coeficientes, principalmente mediante el calculo de su media y de su desviacion tfpica.

Preferentemente, la dispersion de los coeficientes se realiza mediante formulacion de una relacion comparativa. En particular, si la diferencia entre la desviacion tfpica y el valor absoluto de la media multiplicada por dos tercios de la rafz cuadrada de dos es positiva, entonces la fuga esta aguas abajo de la deteccion; se puede utilizar cualquier otra

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comparacion en base a la desigualdad 3 • a > 2 -J2 • | |j|. Segun otra opcion, la comparacion se realiza graficamente

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con relacion a dos semi-rectas de ecuacion y ■■

2 V2 • x

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segun que el punto de coordenadas de la media y de la

desviacion tipica se situe o no en el semi-plano que contiene el eje de las abscisas, la fuga esta aguas arriba o aguas abajo.

Segun un modo de realizacion preferido del procedimiento segun la invencion, dicho procedimiento de deteccion direccional se asocia con un accionamiento de un dispositivo de corte para aislar el tramo a partir del punto aguas abajo del que se ha detectado una fuga.

Segun otro aspecto, la invencion se refiere a un dispositivo de deteccion direccional de una fuga resistente a tierra de una lmea en una red trifasica, preferentemente trifasica, adaptada para el procedimiento anterior. El dispositivo de deteccion direccional segun la invencion se puede asociar a unos sensores de corriente de cada una de las fases de la lmea, por ejemplo a unos toros de deteccion, que le proporcionan las senales representativas de dichas corrientes. El dispositivo de deteccion direccional puede ademas formar parte de un indicador de cambio a fuga, por ejemplo mediante la activacion de medios de alerta de tipo piloto si se detecta una fuga aguas abajo de los sensores. En un modo de realizacion particularmente preferido, el dispositivo de deteccion direccional segun la invencion se asocia a un rele de proteccion de la lmea, provocando los medios de alerta el accionamiento de un dispositivo de corte de la lmea que permite aislar el tramo en el que se ha detectado una fuga.

En particular, el dispositivo de deteccion direccional de una fuga resistente a tierra segun la invencion comprende unos primeros medios para recibir unas senales representativas de la corriente de cada fase de la lmea a supervisar asf como unos segundos medios para recibir una senal representativa de la corriente homopolar de dicha lmea, comprendiendo estos segundos medios preferentemente unos medios que permiten deducir unas senales representativas de las corrientes de fase, principalmente por suma, de dicha senal representativa de la corriente homopolar. Ventajosamente, los primeros medios de recepcion de las senales representativas de las corrientes de fase se asocian a unos medios de filtrado de dichas senales, por ejemplo un filtro analogico; preferentemente, los primeros medios comprenden unos medios de muestreo para obtener un numero de valores discretos suficientes, por ejemplo a una frecuencia superior a 1,5 kHz.

El dispositivo segun la invencion comprende ademas unos medios de almacenamiento de los valores de las senales representativas de la corriente homopolar y de la corriente de cada una de las fases durante una duracion de almacenamiento predeterminada, superior a un periodo de la red y correspondiente preferentemente a un numero entero de penodos. Los medios de almacenamiento estan ventajosamente adaptados para una memorizacion deslizante, es decir para almacenar los valores sobre la ultima duracion considerada, sustituyendo los primeros valores almacenados por los ultimos a medida de su adquisicion.

El dispositivo segun la invencion comprende unos medios de tratamiento de las senales representativas obtenidas asociadas a unos medios de activacion de dichos medios de tratamiento, siendo desencadenados los medios de activacion por la deteccion de la aparicion de una fuga a tierra. Preferentemente, la deteccion de la aparicion de una fuga a tierra que acciona los medios de activacion se realiza mediante el dispositivo segun la invencion que comprende unos medios adaptados, principalmente unos medios de comparacion de la senal representativa de la corriente homopolar con un umbral de deteccion. La deteccion de la aparicion de una fuga a tierra implica igualmente la detencion de la memorizacion de los datos, comprendiendo los medios de almacenamiento unos medios de desactivacion correspondientes, de manera que los valores memorizados se refieran al estado de la red antes de la aparicion de la fuga.

Los medios de tratamiento de las senales del dispositivo segun la invencion comprenden unos medios para calcular los coeficientes de correlacion lineal normalizados con signo, preferentemente segun la formula de Bravais-Pearson, entre la senal representativa de la variacion de la corriente homopolar y cada una de las senales representativas de las variaciones de las corrientes de fase. Los medios de calculo se asocian con unos medios de temporizacion que permiten la adquisicion de las senales durante una duracion correspondiente a un numero entero de penodos de la red e inferior, preferentemente igual, a la duracion de almacenamiento. Los datos calculados se transmiten a un modulo de calculo de la media aritmetica y de la desviacion tfpica, conectado en la salida a unos medios de interpretacion que comparan los resultados para determinar si la fuga esta aguas arriba o aguas abajo del punto de obtencion de las senales representativas de las corrientes de fase; los medios de interpretacion pueden ser de tipo grafico o de calculo.

Breve descripcion de las figuras

Surgiran mas claramente otras ventajas y caractensticas de la descripcion que sigue de modos particulares de realizacion de la invencion, dados a tftulo ilustrativo y en ningun caso limitativo, representados en las figuras adjuntas.

La figura 1, ya descrita, representa una red electrica en la que pueden utilizarse unos dispositivos de deteccion de fuga a tierra.

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La figura 2 muestra de manera esquematica y filtrada unas senales representativas de las corrientes de fase y homopolar, as^ como su variacion, durante la aparicion de una fuga a tierra en una fase, respectivamente aguas arriba y aguas abajo del dispositivo de deteccion.

La figura 3 ilustra el procedimiento de deteccion segun un modo de realizacion preferido de la invencion.

La figura 4 representa un esquema de bloques de un dispositivo de deteccion de fuga a tierra segun un modo de realizacion preferido de la invencion.

Descripcion detallada de un modo de realizacion preferido

El dispositivo 10 de deteccion direccional de fuga 7 segun la invencion se puede utilizar en cualquier red trifasica 1, tal como la descrita en la figura 1, en lugar de los dispositivos 8 existentes. En el modo de realizacion y de utilizacion preferido ilustrado de la invencion, la lmea 5 en la que se implementa el dispositivo 10 comprende tres conductores de fase 5a, 5b, 5c y la red esta equilibrada, es decir que la corriente homopolar Io es nula en ausencia de fuga. Sin embargo, es posible desviarse de esta situacion ideal, y la red puede comprender otro numero de fases.

Durante la aparicion de una fuga a tierra 7 en una de las fases A, la corriente de dicha fase Ia se hace idealmente nula aguas debajo de la fuga 7 y ve aumentar su amplitud aguas arriba; sin embargo, si la fuga a tierra 7 es muy resistente, las variaciones de la corriente inducidas por la fuga 7 son muy reducidas, hasta 20 a 40 veces menor que la corriente de carga, y pueden estar enmascaradas por las corrientes capacitivas. Tal como se ilustra en la figura 2, un sensor de corriente 12A en el conductor en fuga 5A proporciona entonces una senal representativa de la corriente Ia que no marca una ruptura neta en la fuga 7, porque la corriente de fuga es reducida y es difmilmente perceptible.

Sin embargo, la invencion muestra que es posible liberarse de este problema de escala restando la corriente de carga medida antes de la fuga de la corriente de fuga Ia: tal como se ilustra en la figura 2, se hace visible una ruptura neta en la senal proporcionada por el sensor 12A. Lo que es mas, la variacion de la corriente AIa en la fase en fuga difiere segun que el dispositivo segun la invencion se disponga aguas arriba 10i+1, o aguas abajo 10i de dicho sensor 12.

La figura 2 muestra igualmente:

- la corriente I y su variacion de corriente AI, que se altera puntualmente en las otras dos fases B y C, pero en unas proporciones menos importantes que en la fase A;

- la corriente homopolar I0 detectada en la lmea 5, o bien mediante un sensor apropiado 12, o bien mediante calculo a partir de las tres corrientes de fase Ia, Ib, Ic obtenidas por los sensores 12A, 12B, 12C y su variacion.

Segun la invencion, los coeficientes de correlacion entre las diferentes curvas se utilizan para determinar si la fuga 7 se localiza aguas arriba o aguas abajo de los sensores 12 que suministran unas senales representativas de las corrientes de la lmea 5. De hecho, se constata en este caso que, despues de la aparicion de la fuga resistente a tierra, en el caso de una fuga 7 que tenga lugar aguas abajo del dispositivo 10i, la semejanza entre la variacion de la corriente homopolar I0 y la de la corriente Ia de la fase en fuga es grande, al contrario de la semejanza, reducida, entre la variacion de la corriente homopolar I0 y la de las corrientes Ib, Ic de las otras fases; de ese modo, los coeficientes de correlacion normalizados con el de la corriente homopolar I0 debenan ser, en valor absoluto, proximos a la unidad para la fase A y reducidos, por ejemplo proximos a ± 0,1, para las otras fases. A la inversa, en el caso de una fuga 7 que tenga lugar aguas arriba del dispositivo 10i+1, despues de su aparicion, la semejanza de la variacion de la corriente homopolar I0 con la de la corriente Ia de la fase en fuga es reducida mientras que la semejanza de la variacion de la corriente homopolar I0 y la de las corrientes Ib, Ic de las otras fases permanecen media; de ese modo, los coeficientes de correlacion normalizados con signo con la variacion de la corriente homopolar I0 debenan permanecer medios, por ejemplo proximos a ± 0,5, para las fases B y C y ser proximos a cero para la fase A.

El coeficiente de correlacion lineal normalizado utilizado en el procedimiento segun la invencion se obtiene preferentemente mediante la formula de Bravais-Pearson y con signo: de hecho, los sensores 12 proporcionan una senal de corriente alterna que circula en cada una de las fases 5a, 5b, 5c que se prefiere muestrear de manera que se obtenga un numero definido de valores discretos representativos de la corriente. Ventajosamente, el numero N de valores proporcionados por el muestreo se adapta a la duracion de la adquisicion Tadq para optimizar la reproducibilidad y la fiabilidad de los resultados de la formula de Bravais-Pearson, es decir preferentemente mas de 30 valores en el caso de una duracion de adquisicion Tadq igual a un periodo de la red, con, por ejemplo, una frecuencia de muestreo del orden de 1,5 kHz para una red 4 trifasica a 50 Hz.

De la misma manera, el calculo de las variaciones respectivas de las corrientes de fase y de la corriente homopolar AI se realiza punto por punto, con, para cada valor medido, la sustraccion del valor de la corriente de carga antes de la fuga en el mismo instante sobre la sinusoide de la senal. Se prefiere no utilizar una ventana de memoria fija para las corrientes de referencia, aunque este parametro se utilice clasicamente para, por ejemplo, las funciones de medida y/o de medicion de la calidad que requieren la sustraccion de valores de referencia. De hecho, la mayor parte de las redes 4 presentan unas fluctuaciones en terminos de carga y de frecuencia: la frecuencia de 50 Hz (o

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60 Hz) continua siendo el valor medio con relacion a la frecuencia real que no es fija. De ese modo, un muestreo sobre N puntos puede implicar unas medidas desfasadas en algunos microsegundos sobre la sinusoide con relacion a los instantes de referencia tornados en una ventana fija, sobre todo si esta alejada del punto de medida, lo que generana unas desviaciones sobre el calculo de la variacion de la corriente AI.

Segun la invencion, los valores de referencia representativos de la corriente de carga justo antes de la fuga se almacenan por tanto segun el principio de memoria deslizante, en una ventana de una duracion al menos equivalente a Tadq: en tanto que no haya fuga detectada en ella, los valores representativos de la senal medidos por los sensores 12 sustituyen a los primeros valores memorizados para el mismo instante sobre la sinusoide, con el fin de conservar las muestras inmediatamente anteriores a la fuga, lo que minimiza los posibles desfases ocasionados por una fluctuacion de la frecuencia y/o de la carga.

De ese modo, en el procedimiento segun la invencion esquematizado en la figura 3, las senales representativas de las corrientes de fase, preferentemente filtradas, se adquieren sobre una duracion de adquisicion Tadq, y posteriormente se muestrean; en paralelo, se calcula la corriente homopolar I0 para la misma duracion, o puede medirse directamente por medio de un toro dedicado 12. Los valores se almacenan en una duracion de adquisicion Tadq en una memoria apropiada, siendo deslizante dicho almacenamiento, es decir que, en tanto no se detecta ninguna fuga, el ultimo valor medido/adquirido sustituye al precedente.

Una vez detectada D la fuga 7, por ejemplo comparando la corriente homopolar I0 (o su variacion) con un umbral S0, los valores almacenados en la memoria I0_mem, Ia_mem, Ib_mem, Ic_mem se conservan sin ser ya sustituidos mas, y las senales representativas de las corrientes de fase, preferentemente filtradas como antes de la fuga, se adquieren durante una duracion de adquisicion Tadq, y posteriormente se muestrean; en paralelo, se calcula la corriente homopolar I0 para la misma duracion. Estas muestras Uf*, iBf*, Icf*, I0 forman parte a continuacion del objeto de una sustraccion termino a termino de los valores Ia_mem, Ib_mem, Ic_mem, I0_mem almacenados en una memoria deslizante, con el fin de determinar las variaciones de las senales filtradas muestreadas de las corrientes de fase y de la corriente homopolar. Los coeficientes de correlacion con signo de las variaciones de las senales Af AlBf*, AIcf*, y AI0 se calculan mediante la formula de Bravais-Pearson segun la ecuacion (1), en la que rxY designa el mdice de correlacion lineal con signo entre las dos variables X, Y de las que son conocidos respectivamente N valores puntuales x, y.

N

z

(1) rxY:

x, -

Z Xi

i=1

N

yk

Z yi

i=1

f N V

Z Xi

N

( N V

Z yi

yk

N

X

N

k=1

i=1

xk -

X

Se obtienen asf tres coeficientes de correlacion lineal normalizados con signo rA, rB, rc. Tal como se ha indicado mas arriba, segun que la fuga 7 este aguas arriba o abajo, los coeficientes rA estan mas proximos a 1 o a 0. Segun la invencion, para evaluar esta proximidad, se utiliza la media aritmetica p y la desviacion tfpica a de la distribucion de los coeficientes de correlacion. De hecho, un par media/desviacion tfpica (p, a) con una media elevada y una desviacion tfpica reducida (por ejemplo p > 0,7 y a < 0,5) corresponde a una fuga aguas arriba, contrariamente a un par media/desviacion tfpica (p, a) con una media elevada y una desviacion tfpica reducida (por ejemplo p < 0,5 y a > 0,5) que corresponde a una fuga aguas abajo. Ha de tomarse nota que el coeficiente de correlacion esta aqrn con signo, contrariamente al utilizado en el documento FR 2 936 319: las variaciones debidas a la corriente de fuga son reducidas y la informacion proporcionada por el signo no puede ignorarse.

Mas particularmente, se constata que, para una fuga 7 aguas abajo de la deteccion 10i, se verifica la relacion siguiente (2), mientras que para una fuga aguas arriba 7, 10i+1, lo inverso es verdad, es decir: 3• a >2• V2 -Ipi.

(2)

a >

2-42 • p

3

En un procedimiento preferido segun la invencion, una vez calculadas la media y la desviacion tfpica, se efectua la comparacion segun la relacion (2), o cualquier otra relacion que se deduzca directamente, y, segun el resultado, se realiza la interpretacion direccional L en cuanto a la posicion de la fuga, o bien se senaliza al exterior, o bien se transmite a un rele 9 para cortar un disyuntor 6 aguas arriba, o cualquier otra utilizacion.

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Para aligerar esta etapa de calculo del procedimiento segun la invencion, es posible determinar graficamente la localizacion relativa aguas abajo o aguas arriba de la fuga 7 posicionando el punto de coordenadas (|j, a) sobre un grafico (x, y) en el que se trazan dos semi-rectas de ecuacion (3): si el punto se situa en el semi-plano que contiene el eje de las abscisas (x, 0), se trata de una fuga aguas arriba.

(3)

y =

2

3

■42 ■

x

El procedimiento segun la invencion se puede poner en practica en un rele de proteccion 9, en un indicador de fuga con sistema de alarma, mediante la implementacion en un dispositivo de deteccion direccional de fuga a tierra 10 adaptado.

Se esquematiza en la figura 4 un dispositivo 10 segun un modo de realizacion preferido de la invencion. Comprende unos medios 14 que permiten obtener unas senales representativas de las corrientes de fase suministradas por unos sensores 12A, 12B, 12C adaptados, por ejemplo unos toros de deteccion, ventajosamente con un filtrado por unos medios 16 adaptados tal como un filtro analogico. En el modo de realizacion preferido, las senales, filtradas Uf, iBf, Icf, se acondicionan ademas mediante muestreo y los medios de obtencion de las senales representativas 14 comprenden un modulo de muestreo 18, que funciona ventajosamente a mas de 1,5 kHz, suministrando de ese modo unas senales muestreadas filtradas a tratar Ia*, IBf*, Icf*.

El dispositivo 10 segun la invencion comprende ademas unos medios 14' que permiten obtener una senal representativa de la corriente homopolar I0. Estos medios pueden conectarse directamente a un toro 12 de deteccion de la corriente afectada que rodea la lmea 5 (de puntos); alternativamente, los medios 14' relativos al valor de la corriente homopolar I0 determinan dicha corriente mediante tratamiento de las senales relativas a las corrientes de fase Ia, Ib, Ic (no ilustradas), ventajosamente filtradas Uf, IBf, Icf (no ilustradas), eventualmente muestreadas Ia*, IBf*, Icf* (trazos continuos).

El dispositivo 10 segun la invencion comprende ademas unos medios de almacenamiento 20 adaptados para guardar en la memoria de manera deslizante en una ventana de duracion predeterminada los valores procedentes de las senales muestreadas filtradas de una corriente de fase Uf*, IBf*, Icf* y de la senal representativa de una corriente homopolar I0; las senales asf almacenadas se memorizan bajo la forma de valores de referencia Ia_mem, Ib_MEM, Ic_MEM, I0_MEM.

Ademas de su introduccion en los medios de determinacion 14' de la senal representativa de la corriente homopolar I0 y de los medios de almacenamiento 20, las senales representativas de las corrientes de fase muestreadas filtradas Uf*, IBf*, Icf* se transmiten a un modulo de tratamiento 30 que comprende una cuarta entrada para la senal representativa de la corriente homopolar I0, otras cuatro entradas para los valores memorizados de los medios de almacenamiento 20, y que se activa en funcion de la deteccion D de una fuga a tierra 10. con este fin, el modulo de tratamiento 30 se conecta a un dispositivo de deteccion de fuga 25 cualquiera, preferentemente en este caso un modulo de comparacion de la corriente homopolar I0 con un umbral de deteccion Sd; si el umbral se sobrepasa, entonces se detecta una fuga D y se activa el modulo de tratamiento 30.

El modulo de tratamiento 30 incluye sucesivamente un dispositivo de calculo 32 de las variaciones respectivas de las senales de entrada Ia*, IBf*, Icf* I0, con relacion a las senales de entrada memorizadas Ia_mem, Ib_mem, Ic_mem, I0_mem, un dispositivo 34 de calculo de coeficientes de correlacion normalizados r a partir de las cuatro senales de entrada AUf*, AIb*, AIcf*, AI0, un dispositivo de calculo 36 de la media aritmetica j y de la desviacion tfpica a de los tres datos introducidos rA, rB, rc, un dispositivo de comparacion 38 con dos entradas (j, a) y que se une a unos medios de interpretacion 40 cuya salida es una senal L de deteccion direccional de fuga a tierra aguas abajo o aguas arriba de los sensores 12 segun el resultado de la interpretacion.

Los medios de calculo 32 de las variaciones respectivas de las senales de entrada Ia*, IBf*, Icf* I0, con relacion a las senales de entrada memorizadas Ia_mem, Ib_mem, Ic_mem, I0_mem, realizan estas diferencias termino a termino para cada muestra de la ventana de duracion de adquisicion Tadq. Estos medios suministran a la salida las variaciones de las senales filtradas muestreadas de las corrientes de fase Af Af AIcf* y la variacion de la senal representativa de la corriente homopolar AI0.

Los medios 34 de calculo de coeficientes de correlacion normalizados con signo utilizan preferentemente la formula (1) de Bravais-Pearson y se asocian a unos medios de temporizacion con el fin de asegurar que las variaciones de las senales filtradas muestreadas de las corrientes de fase Af Af AIcf* y la variacion de la senal representativa de la corriente homopolar AI0 se han adquirido sobre una duracion suficiente Tadq, por ejemplo un periodo de la red 1, o incluso mas.

Los medios de comparacion 38 que suministran el valor al modulo de interpretacion 40 pueden utilizar diferentes funciones. En particular, los medios de comparacion 38 pueden comprender una comparacion grafica mediante los dos valores introducidos con relacion a un semi-plano delimitado mediante las semi-rectas de la ecuacion (3); los medios 38 pueden determinar la diferencia entre nueve octavos del cuadrado de la desviacion tfpica y el cuadrado de la media, para compararla con cero; es posible cualquier otra opcion.

5

10

15

20

25

El dispositivo 10 de la figura 4 puede asociarse ventajosamente con un rele de proteccion 9 para unas redes electricas, o a un indicador del cambio a fuga para unas lmeas 5 de media tension subterraneas conectadas en la red 1, la salida del modulo de interpretacion dispara el corte de un disyuntor 6, el encendido de un piloto o cualquier otro medio de seguridad y/o de alarma.

De ese modo, segun la invencion, un procedimiento y un dispositivo de deteccion direccional 10 de una fuga a tierra 7 de una lmea 5 de una red trifasica 1 se han realizado sin medicion de la tension, lo que aligera tanto los dispositivos como su puesta en practica, permitiendo detectar y localizar fugas a tierra sensibles sobre una red cargada. De hecho, aunque el modo de realizacion este particularmente adaptado para la deteccion direccional de una fuga a tierra sensible, principalmente cuando la amplitud de la corriente de fuga es inferior al 10 % de la corriente de carga, se aplica por supuesto en los otros casos en lugar del procedimiento descrito en el documento FR 2 936 319, a pesar de que sea mas pesado de poner en practica.

Aunque la invencion se haya descrito con referencia a una red de distribucion trifasica en la que el neutro se pone a tierra mediante impedancia compensada, no esta limitada a ello: se pueden relacionar con la invencion otros tipos de redes polifasicas; en particular, es apropiado cualquier regimen de neutro. Por otro lado, aunque se ha descrito con determinacion y tratamiento de la corriente homopolar instantanea Io para la deteccion de la fuga, el procedimiento segun la invencion puede utilizar la variacion de dicha corriente Io con relacion a su valor determinado en un penodo previo: esta variante se convierte en particularmente interesante en el caso de redes que presenten un ligero desequilibrio entre fases, en cuyo caso la corriente homopolar Io es por tanto no nula en una situacion sin fuga.

De hecho, los diferentes circuitos, modulos y funciones presentados en el marco del modo de realizacion preferido de la invencion pueden realizarse en componentes analogicos, digitales o bajo una forma programable que funcione con unos microcontroladores o unos microprocesadores, y las senales representativas descritas pueden tener unas formas de senales electricas o electronicas, de valores de datos o de informacion en unas memorias o unos registros, de senales opticas que pueden visualizarse principalmente en unos pilotos o unas pantallas, o de senales mecanicas que actuan con unos accionadores. Igualmente, los sensores de corriente pueden ser diferentes de los transformadores descritos, tal como unos sensores de efecto Hall o unas magnetorresistencias.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo (10) de deteccion direccional de una fuga a tierra (7) en una red multifasica que incluye:

- unos primeros medios (14) para recibir unas senales representativas de la corriente (Ia, Ib, Ic) de cada una de las fases;

- unos segundos medios (14') para recibir una senal representativa de la corriente homopolar (Io) del conjunto de las fases;

- unos medios (30) de tratamiento de las senales representativas de la corriente, que incluyen unos medios (34) de calculo de los coeficientes de correlacion normalizados (rA, rB, rc) y unos medios (36) de calculo de la media (|j) y de la desviacion tfpica (a) entre los coeficientes de correlacion calculados;

- unos medios de activacion de dichos medios de tratamiento (30) en funcion de una senal (D) de deteccion de la aparicion de una fuga a tierra en la red (1);

- unos medios de interpretacion de los resultados del tratamiento de las senales que comprenden unos medios de comparacion de dicha media (j) y de dicha desviacion tfpica (a) para determinar si la fuga esta aguas arriba o aguas abajo del dispositivo (10);

caracterizado porque el dispositivo (10) comprende ademas unos medios de almacenamiento (20) de valores de las senales representativas de la corriente homopolar y de cada una de las fases (I0_mem, Ia_mem, Ib_mem, Ic_mem) durante una duracion de almacenamiento (Tadq) anterior a la senal (D) de deteccion de la aparicion de una fuga a tierra (7), y los medios de tratamiento de las senales (30) comprenden unos medios de determinacion de la variacion de dicha senal representativa de la corriente homopolar y de cada una de las fases (AI0, AIa, AIb, AIc) con relacion a los valores almacenados (I0_mem, Ia_mem, Ib_mem, Ic_mem) durante una duracion predeterminada inferior o igual a la duracion de almacenamiento, estando adaptados los medios (34) de calculo del coeficiente de correlacion normalizado para calcular el coeficiente de correlacion (rA, rB, rc) entre la variacion de la senal representativa de la corriente homopolar (AI0) y la variacion de cada una de las senales representativas de la corriente de fase (AIa, AIb, AIc).
2. Dispositivo de deteccion direccional (10) segun la reivindicacion 1 en el que la duracion de almacenamiento corresponde a un numero entero de penodos de la red (1) y la duracion determinada es igual a la duracion de almacenamiento (Tadq).
3. Dispositivo de deteccion segun una de las reivindicaciones 1 o 2 en el que los medios de almacenamiento (20) estan adaptados para almacenar los valores en un periodo deslizante y que comprenden unos medios de desactivacion en funcion de una senal (D) de deteccion de la aparicion de una fuga a tierra en la red (1).
4. Dispositivo de deteccion direccional (10) segun una de las reivindicaciones 1 a 3 que comprende ademas unos medios (18) de deteccion de la aparicion de una fuga a tierra en la red unidos a unos medios de activacion de los medios de tratamiento de las senales (30) y a los medios de almacenamiento (20) que comprenden un comparador de la senal representativa de la corriente homopolar (I0) con un umbral de deteccion (S0).
5. Dispositivo de deteccion direccional (20) segun una de las reivindicaciones 1 a 4 en el que los primeros medios de recepcion (14) de senales representativas de las corrientes de cada fase (Ia, Ib, Ic) comprenden unos medios de muestreo (18) adaptados para suministrar un numero de valores suficiente durante la duracion predeterminada y la duracion de almacenamiento (Tadq).
6. Indicador de cambio a fuga a tierra que comprende unos sensores de corriente (12a, 12b, 12c) dispuestos en cada conductor de fase (5a, 5b, 5c) de una red electrica (1) a supervisar y que comprende un dispositivo de deteccion direccional de fuga (10) segun una de las reivindicaciones 1 a 5 conectado a dichos sensores de corriente (12a, 12b, 12c) para recibir las senales representativas de la corriente de fase (Ia, Ib, Ic).
7. Rele (9) de proteccion a tierra que comprende al menos un indicador de fuga segun la reivindicacion 6 y unos medios de accionamiento de un dispositivo de corte (6) en funcion de los resultados de los medios de interpretacion (40) del dispositivo de deteccion direccional (10) del indicador.
8. Procedimiento de deteccion direccional (D, L) de una fuga a tierra (7) en una red multifasica (1) en la que las senales representativas de la corriente homopolar (I0_mem) y de cada una de las corrientes de fase (Ia_mem, Ib_mem, Ic_mem) se memorizan durante una duracion (Tadq) de al menos un periodo de la red, comprendiendo la activacion, tras la obtencion de una senal (D) indicadora de la presencia de dicha fuga a tierra (10), de la determinacion direccional (L) de la fuga (10), comprendiendo dicha determinacion direccional las etapas sucesivas de:

- obtencion de senales representativas de cada una de las corrientes de fase (Ia, Ib, Ic) durante una duracion predeterminada (Tadq) inferior o igual a la duracion de memorizacion;

- obtencion de una senal representativa de la corriente homopolar (I0) que circula en la red durante la misma duracion predeterminada (Tadq);

- tratamiento de las senales representativas de las corrientes de fase y de fuga a tierra (I0, Ia, Ib, Ic);

- interpretacion de los resultados del tratamiento de las senales para indicar si la fuga detectado (D) se situa aguas abajo o aguas arriba del lugar en el que se han obtenido las senales representativas de las corrientes de

5

10

15

20

25

30

fase (Ia, Ib, Ic);

caracterizado porque dicha etapa de tratamiento de las senales incluye:

- el calculo de la variacion de la corriente homopolar (Io) y de cada una de las corrientes de fase (Ia, Ib, Ic) durante la duracion predeterminada (Tadq) con relacion a los valores memorizados (Io_mem, Ia_mem, Ib_mem, Ic_mem);

- el calculo de los coeficientes de correlacion normalizados (rA, rB, rc) entre las variaciones de las senales de la corriente homopolar (Alo) y cada una de las corrientes de fase (AIa, AIb, AIc) durante la duracion predeterminada

(Tadq);

- el calculo de la media aritmetica (p) y de la desviacion tfpica (a) de dichos coeficientes de correlacion (rA, rB, rc);

- realizandose dicha interpretacion mediante una comparacion que utiliza dicha media (p) y dicha desviacion tfpica (a).
9. Procedimiento de deteccion direccional segun la reivindicacion 8 en el que la memorizacion de los valores representativos (Io_mem, Ia_mem, Ib_mem, Ic_mem) se obtiene de manera deslizante en tanto que la senal indicadora de la presencia de fuga (D) no se haya obtenido.
10. Procedimiento de deteccion direccional segun la reivindicacion 8 o 9 en el que la senal (D) indicadora de la presencia de una fuga a tierra (7) se obtiene mediante la recepcion de una senal representativa de la corriente homopolar (lo) que circula en la red (1) y el resultado de la comparacion de la senal de la corriente homopolar (lo) con un umbral de deteccion de fuga (So).
11. Procedimiento de deteccion direccional segun una de las reivindicaciones 8 a 10 en el que la etapa de interpretacion comprende la comparacion con cero de la diferencia entre el cuadrado del triple de la desviacion tfpica (a) y ocho veces el cuadrado de la media (p).
12. Procedimiento de deteccion direccional segun una de las reivindicaciones 8 a 10 en el que la etapa de interpretacion comprende la comparacion grafica de la media (p) y de la desviacion tfpica (a) con dos semi-rectas de

ecuacion y =

2V2

------x

3
13. Procedimiento de deteccion direccional segun una de las reivindicaciones 8 a 12 en el que la etapa de suministrar unas senales representativas de las corrientes de fase (Ia, Ib, Ic) incluye un muestreo de la corriente a una frecuencia superior a 1,5 kHz.
14. Procedimiento de deteccion direccional segun una de las reivindicaciones 8 a 13 en el que el calculo de los coeficientes de correlacion normalizados (rA, rB, rc) se realiza segun la formula de Bravais-Pearson.
15. Procedimiento de proteccion de una lmea de corriente (5) durante la aparicion de una fuga a tierra (7) que comprende el accionamiento de un dispositivo de corte (6) de dicha lmea (5) si se ha detectado una fuga a tierra (7) mediante un procedimiento segun una de las reivindicaciones 8 a 14 aguas abajo de dicho dispositivo de corte (6).