ES2954870T3 - Dispositivo de detección de una corriente eléctrica continua o alterna, módulo y aparato de protección que comprende dicho dispositivo - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a un dispositivo para detectar una corriente eléctrica continua o alterna que circula en una línea de corriente de una instalación eléctrica que comprende un sensor de corriente continua asociado a un sensor de corriente alterna y un circuito de medición de corriente. La invención también se refiere a un módulo de protección contra un fallo eléctrico así como a un dispositivo de protección eléctrica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo de detección de una corriente eléctrica continua o alterna, módulo y aparato de protección que comprende dicho dispositivo
Campo técnico
La presente invención se refiere a un dispositivo de detección de una corriente eléctrica continua o alterna que fluye en una línea de corriente de una instalación eléctrica debido a un fallo de aislamiento en la instalación.
La invención también se refiere a un módulo de protección contra fallos eléctricos y a un aparato de protección eléctrica.
Estado de la técnica
Los dispositivos de detección de una corriente de defecto se utilizan ampliamente en las instalaciones eléctricas alimentadas por redes de corriente alterna. Su función es detectar cualquier corriente de defecto, también llamada corriente de fuga, que circula generalmente entre la red eléctrica y la tierra o masa de la instalación. Una corriente de defecto es la manifestación de un fallo de aislamiento de la red con respecto a tierra y debe eliminarse antes de que se produzca ningún daño. Estos dispositivos forman parte de instalaciones eléctricas industriales o domésticas. Con el desarrollo de las cargas electrónicas, por ejemplo las estaciones de carga de vehículos eléctricos o la producción de electricidad mediante paneles fotovoltaicos, la naturaleza de las corrientes de defecto ha cambiado: la presencia de rectificadores electrónicos, de convertidores de tensión o de frecuencia está en el origen de la aparición de corrientes de defecto continuas o pulsantes. Por lo tanto, es necesario instalar dispositivos de protección adaptados a la detección de cualquier tipo de corriente alterna, continua o pulsada. Dichos dispositivos deben ser capaces de detectar una corriente de defecto de baja amplitud para proteger a las personas, por ejemplo, una corriente de 30 mA de amplitud a 50 Hz de frecuencia de red, al tiempo que son capaces de detectar corrientes de gran amplitud a alta frecuencia. Además, estos dispositivos deben permanecer operativos cuando la amplitud de la corriente supere un límite elevado, sea cual sea la frecuencia de la corriente que se detecte, con el fin de generar una alerta y, eventualmente, activar la desconexión de la parte defectuosa del circuito eléctrico.
La solicitud de patente EP 0 356 248 A1 describe un sensor de corriente continua que funciona con tecnología “fluxgate” basada en la saturación controlada de un núcleo magnético. Este tipo de transductor es capaz de detectar corrientes continuas o alternas de baja intensidad en una banda de frecuencias relativamente amplia. Sin embargo, por encima de un determinado nivel de amplitud, la corriente a medir perturba la saturación controlada del núcleo magnético, haciendo inoperante la detección.
El documento DE 101 28 311 A1 describe un sensor de corriente continua que utiliza dos circuitos magnéticos: un primer circuito magnético se utiliza como transformador de la corriente a medir, un segundo circuito magnético se utiliza para sustraer de la señal de medida una señal compuesta de componentes de alta frecuencia desfasada 180° con respecto a dicha corriente a medir. Un sensor de este tipo puede detectar una corriente en una banda de frecuencia que va de corriente continua a 10 kHz y con una amplitud comprendida entre 10 mA y 400 mA.
La solicitud de patente EP 1533880 A1 describe un sensor de corriente de defecto que utiliza un circuito magnético cuya frecuencia de excitación puede modificarse para evitar un fenómeno de resonancia cuando la corriente de defecto contiene frecuencias superiores a la mitad de la frecuencia de excitación.
La solicitud de patente EP 3232526 A1 describe un dispositivo de detección de corriente de defecto que detecta la saturación de un circuito magnético por corrientes de alta frecuencia superpuestas a la corriente de defecto.
La solicitud de patente EP 2765665 A2 describe un dispositivo para detectar corrientes eléctricas diferenciales, que comprende un circuito oscilante diseñado mediante un generador de señales de onda cuadrada.
El objeto de la invención es un dispositivo de detección de corriente continua o alterna capaz de detectar corrientes en rangos de amplitud y frecuencia más amplios que los alcanzables utilizando documentos del estado de la técnica.
Descripción de la invención
Para ello, el objeto de la invención es un dispositivo de detección de una corriente eléctrica continua o alterna que comprende:
• un sensor de corriente continua que comprende :
o un primer circuito magnético atravesado por al menos un conductor de corriente por el que circula la corriente eléctrica de defecto a detectar, formando dicho conductor de corriente un primer circuito primario,
o un primer devanado enrollado en dicho primer circuito magnético para formar un primer circuito secundario y suministrar una primera señal representativa de la corriente de defecto, y
o un generador conectado a los terminales del primer devanado para generar una corriente alterna para excitar el primer circuito magnético e inducir un campo magnético en el primer circuito magnético, estando dicho generador dispuesto de modo que dicho campo magnético sature alternativamente el primer circuito magnético en una dirección dada y luego en la dirección opuesta, y
• un circuito de medición de corriente,
• un sensor de corriente alterna que comprende un segundo circuito magnético en el que se enrolla un segundo devanado para suministrar una segunda señal representativa de la corriente de defecto que circula por el conductor de corriente, estando dicho segundo devanado conectado en serie con el primer devanado de manera que la primera señal y la segunda señal representativa de la corriente de defecto que circula por el conductor de corriente estén en fase, y con el circuito de medida de corriente, siendo atravesado el segundo circuito magnético por el conductor de corriente en el que circula la corriente de defecto, formando dicho conductor de corriente un segundo circuito primario.
Ventajosamente, el primer circuito primario comprende un primer número de espiras primarias, el primer devanado comprende un primer número de espiras secundarias, el segundo circuito primario comprende un segundo número de espiras primarias y el segundo devanado comprende un segundo número de espiras secundarias, la relación entre el primer número de espiras primarias y el primer número de espiras secundarias es sustancialmente igual a la relación entre el segundo número de espiras primarias y el segundo número de espiras secundarias.
Preferiblemente, el circuito de medición de corriente comprende una resistencia de medición para proporcionar una señal de medición.
Ventajosamente, el segundo devanado y la resistencia de medición están dispuestos para formar un primer filtro de paso bajo con una frecuencia de corte comprendida entre 1 y 1000 Hz.
Ventajosamente, un segundo filtro de paso bajo está conectado al circuito de medida de corriente para proporcionar una señal filtrada representativa del componente de baja frecuencia de la corriente de defecto.
Preferiblemente, el segundo filtro de paso bajo filtra las frecuencias de forma que sigan un modelo de sensibilidad humana a la corriente eléctrica.
Preferiblemente, el segundo filtro de paso bajo tiene una frecuencia de corte comprendida entre 30 y 300 Hz.
Ventajosamente, un primer comparador está conectado a la salida del segundo filtro de paso bajo para entregar una primera señal de fallo cuando la señal filtrada es mayor que un primer umbral.
Ventajosamente, un circuito de medición de nivel de señal está conectado al circuito de medición de corriente para suministrar una señal representativa del nivel máximo de la señal de medición.
Ventajosamente, un segundo comparador está conectado a la salida del circuito de medición del nivel de señal para emitir una segunda señal de fallo cuando el nivel máximo de la señal emitida por el segundo comparador es superior a un segundo umbral.
Ventajosamente, un circuito de detección de frecuencia anómala está conectado al primer devanado para medir los componentes de frecuencia de la corriente alterna de excitación y suministrar una tercera señal de fallo cuando al menos un componente de frecuencia de dicha corriente alterna de excitación está comprendida entre una frecuencia límite baja y una frecuencia límite alta predefinidas.
Preferiblemente, la frecuencia límite baja está entre 1 kHz y 10 kHz y la frecuencia límite alta está comprendida entre 20 kHz y 200 kHz.
Ventajosamente, el sensor de corriente continua comprende al menos un regulador de derivación de tensión para limitar un aumento de tensión a través del primer devanado cuando la corriente de defecto que fluye por el conductor de corriente supera una amplitud de pico predefinida.
La invención también se refiere a un módulo de protección contra fallos eléctricos que comprende:
• al menos un terminal de conexión aguas arriba de una línea de corriente de una red eléctrica y al menos un terminal para la conexión aguas abajo de una línea de distribución de energía,
• al menos un conductor de corriente conectado entre el terminal de conexión de aguas arriba y el terminal de conexión de aguas abajo,
• un dispositivo para detectar una corriente eléctrica de defecto que circula por el al menos un conductor de corriente, tal como se ha descrito anteriormente, y
• un módulo de procesamiento conectado :
o a un primer comparador para recibir una primera señal de fallo,
o un segundo comparador para recibir una segunda señal de fallo, y
o a un circuito de detección de frecuencias anómalas para recibir una tercera señal de fallo, dicho módulo de procesamiento está dispuesto para proporcionar una señal de alerta o control cuando dicho módulo de procesamiento recibe una primera o segunda o tercera señal de fallo.
La invención también se refiere a un aparato de protección eléctrica que comprende:
• al menos un elemento de conexión a la red eléctrica y al menos un elemento de conexión a una línea de distribución de energía,
• un interruptor eléctrico, conectado en serie con al menos un conductor de corriente, entre el elemento de conexión a la red eléctrica y el elemento de conexión a la línea de distribución de energía, estando dicho interruptor eléctrico dispuesto para permitir o interrumpir el flujo de una corriente de defecto, continua o alterna, en el al menos un conductor de corriente,
• un mecanismo de control para abrir el interruptor eléctrico,
• un accionador dispuesto para accionar el mecanismo de control de apertura, y
• un módulo de protección contra fallos eléctricos, tal como se ha descrito anteriormente, para detectar una corriente de defecto eléctrico que fluye en el al menos un conductor de corriente, estando dicho módulo de protección eléctrica conectado al accionador para controlar la apertura del interruptor eléctrico cuando el módulo de protección proporciona una señal de alerta o de control.
Breve descripción de los dibujos
Otras ventajas y características quedarán más claras a partir de la siguiente descripción de realizaciones particulares de la invención, dadas a modo de ejemplos no limitativos, y mostradas en los dibujos adjuntos en los que:
• la figura 1 ilustra, en forma de diagrama de bloques, un dispositivo para detectar una corriente eléctrica según la invención,
• la figura 2 muestra un diagrama detallado de una realización de un sensor de corriente continua asociado a un sensor de corriente alterna y a un circuito de medición,
• la figura 3 muestra un diagrama detallado de un limitador de tensión adaptado al sensor de corriente continua mostrado en la figura 2,
• la figura 4 ilustra las zonas de funcionamiento del dispositivo de detección de corriente en función de la frecuencia y la amplitud de la corriente a detectar,
• la figura 5 muestra, en forma de diagrama de bloques de un módulo de protección contra fallos eléctricos, y • la figura 6 muestra un diagrama de bloques de un aparato de protección eléctrica.
Descripción detallada de realizaciones preferentes
La figura 1 muestra, en forma de diagrama de bloques, un dispositivo 1 para detectar una corriente eléctrica continua o alterna que circula por un conductor de corriente 2. Como el dispositivo de detección 1 está diseñado preferentemente para detectar una corriente de defecto diferencial If en una instalación eléctrica, el conductor de corriente 2 simboliza dos conductores o barras de cobre de una barra colectora en el caso de una instalación monofásica, y el conductor de corriente 2 simboliza al menos tres conductores de fase y posiblemente un conductor neutro en una instalación trifásica. La corriente detectada se denomina "corriente diferencial". El dispositivo de detección 1 comprende un sensor de corriente continua 10 conectado en serie con un transformador de corriente alterna 30 y un circuito de medición de corriente 20, estando dicho circuito de medición de corriente conectado en serie con el transformador de corriente alterna 30. El conjunto formado por el sensor de corriente continua 10, el sensor de corriente alterna 30 y el circuito de medida 20 permite detectar y medir una corriente que comprende una componente continua y/o una o varias componentes alternas.
El sensor de corriente continua 10 comprende:
• un primer circuito magnético 11 atravesado por el conductor de corriente 2 en el que circula la corriente de defecto If a detectar, dicho conductor de corriente 2 formando un primer circuito primario 12,
• un primer devanado 13 enrollado sobre dicho primer circuito magnético 11 para formar un primer circuito secundario y suministrar una primera señal Is1 representativa de la corriente de defecto If que circula por el conductor de corriente 2,
• un generador 14 conectado a los bornes del primer devanado 13 para generar una corriente alterna de excitación Ig para el primer circuito magnético 11.
El generador 14 entrega una señal eléctrica alterna de frecuencia de oscilación Fosc creando una corriente de excitación alterna Ig aplicada al primer devanado 13. La corriente de excitación Ig induce un campo magnético en el primer circuito magnético 11. El generador 14 está dispuesto de manera que el campo magnético sature alternativamente el primer circuito magnético 11 en una dirección determinada y luego en la dirección opuesta. En presencia de la corriente de defecto If que circula por el conductor de corriente 2, se produce un desplazamiento del campo magnético en el circuito magnético 11, dando lugar a una primera señal Is1 representativa de la corriente de defecto If, superpuesta a la corriente de excitación Ig suministrada por el generador. Este principio de funcionamiento presenta un inconveniente cuando la corriente de defecto a detectar contiene armónicos a una frecuencia superior a la frecuencia de oscilación Fosc. La saturación del primer circuito magnético 11 provoca un efecto de muestreo y puede observarse un fenómeno de solapamiento del espectro para frecuencias superiores a la frecuencia de oscilación Fosc contenida en la corriente de defecto If. Por tanto, es esencial filtrar los componentes armónicos por encima de la frecuencia de oscilación Fosc.
El sensor de corriente alterna 30 comprende un segundo circuito magnético 31 atravesado por el conductor de corriente 2 en el que circula la corriente eléctrica a detectar If, dicho conductor de corriente 2 formando un segundo circuito primario 32. Un segundo devanado 33 se enrolla en el segundo circuito magnético 31 para suministrar una segunda señal Is2. En principio, la segunda señal Is2 es representativa de las componentes de corriente alterna contenidas en la corriente de defecto If, comportándose el sensor de corriente alterna 30 como un transformador de corriente. El segundo devanado 33 está conectado en serie con el primer devanado 13 y con el circuito de medición de corriente 20. De este modo, el circuito de medición 20 mide una señal formada por la superposición de la primera señal Is1 y la segunda señal Is2. Con el generador 14 conectado a los bornes del primer devanado 13, la corriente de excitación Ig pasa en bucle por el generador 14 y, por lo tanto, no circula por el circuito de medición 20.
El primer sensor de corriente 10 está dispuesto para detectar el componente de corriente continua y los componentes de baja frecuencia contenidos en la corriente de defecto If. Sin embargo, el primer circuito magnético 11, el primer circuito primario 12 y el primer devanado 13 forman un transformador de corriente para corrientes alternas. En general, este efecto se considera un inconveniente del primer sensor, relacionado con el fenómeno de plegado del espectro descrito anteriormente. Para reducir los efectos del solapamiento espectral, el primer devanado 13 y el segundo devanado 33 están conectados de forma que la primera señal Is1 y la segunda señal Is2 estén en fase. La dirección de enrollado de los devanados está marcada con un punto en la figura 1. De este modo, para una alternancia positiva de la corriente de defecto If, la primera señal Is1 y la segunda señal Is2, representativas de la corriente de defecto If, serán también positivas. Lo mismo se aplica a una alternancia negativa de la corriente de defecto If. Además, el primer circuito primario 12 que comprende un primer número de espiras primarias Np1, el primer devanado 13 que comprende un primer número de espiras secundarias Ns1, el segundo circuito primario 32 que comprende un segundo número de espiras primarias Np2 y el segundo devanado 33 que comprende un segundo número de espiras secundarias Ns2, la relación entre el primer número de espiras primarias Np1 y el primer número de espiras secundarias Ns1 es sustancialmente igual a la relación entre el segundo número de espiras primarias Np2 y el segundo número de espiras secundarias Ns2, es decir, Np1/Ns1 “ Np2/Ns2. Preferentemente, la relación Np1/Ns1 es igual a la relación Np2/Ns2 para obtener la igualdad entre la primera señal Is1 y la segunda señal Is2 para una corriente de defecto If dada. Se puede dar una desviación entre la relación Np1/Ns1 y la relación Np2/Ns2 para ajustar la igualdad de la primera señal Is1 y la segunda señal Is2 en una banda de frecuencias determinada. La composición de los circuitos magnéticos primero y segundo 11, 31 puede diferir, dando lugar a respuestas de frecuencia diferentes entre el sensor de corriente continua 10 y el sensor de corriente alterna 30. La expresión "sustancialmente iguales" corresponde a una diferencia de entre 0% y 10% entre la relación Np1/Ns1 y la relación Np2/Ns2. La figura 2 muestra un diagrama detallado del sensor de corriente continua 10, el sensor de corriente alterna 30 y el circuito de medición 20. La corriente de excitación Ig circula por el primer devanado 13, al que se añade la primera señal Is1. Las corrientes Is1 e Is2 circulan por el segundo devanado 33. La función del generador 14 conectado a los bornes del primer devanado 13 es hacer circular la corriente Ig en el primer devanado 13 y, en consecuencia, la corriente Ig no circula por el segundo devanado 33. A la inversa, como la primera señal Is1 es sustancialmente igual a la segunda señal Is2, no hay flujo de corriente en el generador 14 debido a una diferencia entre Is1 e Is2. Este efecto técnico de la invención reduce la influencia de las perturbaciones de frecuencia causadas por la corriente de defecto If en el generador 14.
El circuito de medición de corriente 20 puede ser un convertidor de corriente a tensión. Sin embargo, el rango dinámico de un convertidor de este tipo está limitado por la tensión de alimentación de los circuitos que lo componen. Preferentemente, el circuito de medición de corriente 20 comprende una resistencia de medición Rm para proporcionar una señal de medición 21. La resistencia de medida Rm, por la que pasan la primera señal Is1 y la segunda señal Is2, suministra una tensión que refleja la corriente que circula por ella, sin saturación, incluso a niveles de corriente elevados. Además, la resistencia de medición Rm conectada en serie con el segundo devanado 33 forma ingeniosamente un primer filtro de paso bajo de tipo L-R, comportándose el segundo devanado 33 enrollado en el segundo circuito magnético 31 como una inductancia con respecto a la primera señal Is1. De este modo, se eliminan los componentes de alta frecuencia, incluida la frecuencia de oscilación Fosc, y el circuito de medición 20 sólo mide el componente de corriente continua y las bajas frecuencias contenidas en la primera señal
Is1. La frecuencia de corte de dicho primer filtro pasa bajos está comprendida entre 1 y 1000 Hz. Esta frecuencia de corte puede variar mucho debido a la variabilidad de la inductancia del segundo devanado 33, que está estrechamente ligada a la variabilidad de las características del material magnético que compone el segundo circuito magnético 31. Para reducir esta variabilidad, se conecta un segundo filtro de paso bajo 40 al circuito de medición de corriente 20 para proporcionar una señal filtrada 41 representativa del componente de baja frecuencia de la corriente de defecto If. Preferiblemente, el segundo filtro de paso bajo 40 filtra las frecuencias de forma que sigan un modelo de sensibilidad humana a la corriente eléctrica. Este modelo requiere una sensibilidad alta, por ejemplo 30 mA, a una frecuencia de red F1 igual a 50 Hz o 60 Hz, y una sensibilidad menor a frecuencias más altas, por ejemplo 100 mA a 400 Hz. Preferentemente, el segundo filtro de paso bajo 40 tiene una frecuencia de corte Fc1 comprendida entre 30 y 300 Hz.
Un primer comparador 50 está conectado a la salida del segundo filtro de paso bajo 40 para emitir una primera señal de fallo 51 cuando la señal filtrada 41 es mayor que un primer umbral S1. Este primer umbral S1 está predefinido y permite utilizar el dispositivo de detección objeto de la invención para proteger bienes y personas contra un fallo eléctrico. Por ejemplo, un primer umbral S1 ajustado a 30 mA se utiliza para emitir la primera señal de fallo para proteger a cualquier persona del contacto con una parte accesible de un equipo accidentalmente energizado. El primer umbral S1 también puede ajustarse a 300 mA para la protección contra riesgos de incendio eléctrico. El primer umbral S1 es preferiblemente ajustable entre 10 mA y 1A.
Una corriente de defecto, por ejemplo de amplitud 10 amperios y frecuencia 10 kHz, aunque esté fuera del rango de sensibilidad humana a la corriente eléctrica, puede provocar un incendio. Por esta razón, un circuito de medición del nivel de señal 60 está conectado al circuito de medición de corriente 20 para proporcionar una señal representativa del nivel máximo 61 de la señal de medición 21. Un segundo comparador 70 está conectado a la salida del circuito de medición del nivel de señal 60 para emitir una segunda señal de fallo 71 cuando el nivel máximo de la señal emitida por el segundo comparador 70 es superior a un segundo umbral S2. El segundo umbral S2 está preferentemente comprendido entre 1 y 10 amperios. El circuito de medición del nivel de señal 60 funciona en paralelo y de forma independiente de la cadena de procesamiento que comprende el segundo filtro de paso bajo 40 y el primer comparador 50.
El funcionamiento del generador 14 del primer sensor de corriente 10 puede verse perturbado por una corriente continua intensa o de muy baja frecuencia causada, por ejemplo, por un fallo de aislamiento en una carga electrónica como un variador de velocidad. Tal corriente satura el material magnético del primer circuito magnético de manera incontrolada, haciendo que el generador 14 funcione a una frecuencia Fosc muy diferente de su frecuencia nominal de funcionamiento, en particular cuando el generador 14 es autooscilante. Para detectar cualquier variación anómala de la frecuencia de oscilación Fosc, se conecta un circuito de detección de frecuencia anómala 80 al primer devanado 13 para medir los componentes de frecuencia de la corriente alterna de saturación. Dicho circuito de detección de frecuencia anómala 80 comprende un circuito de medición de frecuencia 83, conectado al generador 14, para medir la frecuencia Fosc del generador y un tercer comparador 84, conectado al circuito de medición de frecuencia 83, para comparar el valor de la frecuencia medida Fosc con una frecuencia límite baja FL_BF y con una frecuencia límite alta FL_HF. El tercer comparador 84 emite una tercera señal de fallo 81 cuando el valor de la frecuencia Fosc está comprendida entre la frecuencia límite baja FL_BF y la frecuencia límite alta FL_HF predefinidas. Preferentemente, la frecuencia límite baja FL_BF está comprendida entre 1 kHz y 10 kHz y la frecuencia límite alta FL_HF está comprendida entre 20 kHz y 200 kHz.
La capacidad del dispositivo de detección de corriente 1 se mejora aún más mediante el uso de un regulador de derivación de tensión 15 para limitar cualquier aumento de tensión en la alimentación del generador 14 causado por un aumento de la tensión a través del primer devanado 13 cuando la corriente de defecto If que circula por el conductor de corriente 2 supera una amplitud de pico predefinida Ipico. El efecto del regulador de derivación 15 es reducir la resistencia de carga del transformador de corriente formado por el primer circuito magnético 11, el primer circuito primario 12 y el primer devanado 13. En el diagrama detallado del primer sensor de corriente mostrado en la figura 2, un primer regulador de derivación 15 está conectado entre una alimentación positiva Vcc y un potencial de referencia, un segundo regulador de derivación 15 está conectado entre una alimentación negativa -Vcc y el potencial de referencia. La figura 3 muestra un diagrama detallado de un controlador de derivación 15. Una referencia de tensión U2, por ejemplo un circuito con la referencia TL431 del fabricante Texas Instruments, fija un potencial de referencia, por ejemplo 2,75 voltios. Cuando la alimentación positiva Vcc tiende a aumentar, un transistor PNP TR1, cuyo emisor está conectado a la alimentación positiva Vcc y cuya base está conectada a la referencia de tensión, comienza a conducir, lo que tiende a aumentar la corriente en su colector. El primer devanado 13 causante de la sobretensión debe, por tanto, suministrar más corriente mientras la tensión Vcc supere su valor nominal, por lo que permanece en modo transformador de corriente. De este modo, para una corriente de defecto If dada, incluso muy por encima del primer umbral S1 o del segundo umbral S2, la primera señal Is1 permanece sustancialmente igual a la segunda señal Is2, y el primer circuito magnético 11 no está saturado por la corriente de defecto If. Una primera resistencia R1 limita la corriente en la base del transistor TR1, una segunda resistencia R23 y una tercera resistencia R3 conectadas en serie con la referencia de tensión U2 limitan la corriente de alimentación a la referencia de tensión U2. Un puente divisor formado por una cuarta resistencia R4 y una quinta resistencia R5 proporciona una imagen de la tensión Vcc a la referencia de tensión U2. Una sexta resistencia R6 limita la corriente en el colector del transistor TR1. Se conecta un condensador C1 en los terminales de la quinta resistencia R5 para
filtrar las perturbaciones de alta frecuencia. Para reducir la resistencia de carga del transformador de corriente formado por el primer circuito magnético 11, el primer circuito primario 12 y el primer devanado 13 y aumentar así el rango de amplitud de la corriente detectada por el dispositivo de detección 1, se pueden utilizar otras realizaciones, por ejemplo utilizando un diodo zener, o un circuito "voltaje regulator”, de referencia TPS7A3901 del fabricante Texas Instrument.
La figura 4 ilustra las zonas de funcionamiento del dispositivo de detección de corriente en función de la frecuencia y de la amplitud de la corriente de defecto If. El sensor de corriente continua 10 está operativo en una primera zona de baja frecuencia y baja intensidad Z1. Esta primera zona contiene frecuencias comprendidas entre 0 y la frecuencia de red F1 e intensidades comprendidas entre 0 y el segundo umbral S2. El sensor de corriente alterna 30 está operativo en una segunda zona Z2 correspondiente a una frecuencia superior a la frecuencia de red F1 y a una corriente inferior al segundo umbral S2. El circuito de medición del nivel de señal 60 y el segundo comparador 70 están activos en una tercera zona Z3 correspondiente a una frecuencia superior a la frecuencia de red F1 y a una intensidad superior al segundo umbral S2. El circuito de detección de frecuencias anómalas 80 está activo en una cuarta zona Z4 correspondiente a una frecuencia inferior a la frecuencia de red F1 y a una intensidad superior al segundo umbral S2. Las zonas tercera y cuarta Z3 y Z4 se solapan.
El modelo de sensibilidad humana a la corriente eléctrica requiere la detección de una corriente de defecto superior a un primer umbral de sensibilidad S1bf en la banda de frecuencias que va de la corriente continua a la frecuencia de red F1, y luego la detección de una corriente superior a un segundo umbral de sensibilidad S1hf para una frecuencia superior a una frecuencia de transición F2. El segundo filtro de paso bajo 40 filtra las frecuencias para seguir dicho modelo de sensibilidad humana a la corriente eléctrica. Por consiguiente, el primer comparador 50 suministra la primera señal de fallo 51 cuando la amplitud de la señal filtrada 41 es superior a S1 bf y la frecuencia de la corriente de defecto If es inferior a la frecuencia de red F1. El primer comparador 50 también proporciona la primera señal de fallo 51 cuando la amplitud de la señal filtrada 41 es mayor que S1hf y la frecuencia de la corriente de defecto If es mayor que la frecuencia de transición F2. El dispositivo de detección 1 protege a las personas contra la corriente de defecto If, en una gama de frecuencias muy amplia, incluida la corriente continua, de conformidad con la norma.
El dispositivo de detección de corriente continua o alterna según la invención es capaz de detectar corrientes en rangos de amplitud y frecuencia extremadamente amplios, sin zonas ciegas. En una realización industrial de la invención, el funcionamiento de los diferentes circuitos genera una superposición de zonas, lo que aumenta la seguridad de funcionamiento del dispositivo.
La invención también se refiere a un módulo de protección 100 contra un fallo eléctrico, mostrado en la figura 5 en forma de diagrama de bloques. Dicho módulo comprende:
• al menos un terminal de conexión aguas arriba 101 de una línea de corriente 7 de una red eléctrica y al menos un terminal de conexión aguas abajo 102 de una línea de distribución de energía 8,
• un conductor de corriente 2 conectado entre el terminal de conexión de aguas arriba 101 y el terminal de conexión de aguas abajo 102,
• un dispositivo 1 para detectar una corriente eléctrica de defecto If que circula por el conductor de corriente 2, siendo dicho dispositivo de detección 1 como se ha descrito anteriormente,
• un módulo de procesamiento 110 conectado :
o al primer comparador 50 para recibir la primera señal de fallo 51,
o el segundo comparador 70 para recibir la segunda señal de fallo 71, y
o el circuito de detección de frecuencias anómalas 80 para recibir la tercera señal de fallo 81,
El módulo de procesamiento 110 incluye circuitería para procesar la primera, segunda y tercera señales de fallo y proporcionar una señal de alerta o control 111 cuando una primera o segunda o tercera señal de fallo 51, 71, 81 está activa. El módulo de procesamiento 110 puede implementarse utilizando funciones lógicas cableadas o utilizando uno o más componentes programables, como microprocesadores.
El módulo de protección 100 es un subconjunto independiente de una instalación eléctrica diseñado para cooperar con un dispositivo de señalización para señalar la presencia de un fallo eléctrico o con un dispositivo de desconexión eléctrica para desconectar una parte defectuosa de un circuito eléctrico. El módulo de protección 100, representado en la figura 5, está diseñado para ser instalado en una instalación eléctrica trifásica. Su funcionamiento no varía en el caso de una instalación monofásica o multifásica, sólo cambia el número de bornes de conexión 7, 8 y de conductores de corriente 2.
La invención también se refiere a un aparato de protección eléctrica 120 mostrado en la figura 6. Dicho aparato de protección eléctrica comprende:
• al menos un elemento 121 de conexión a la red eléctrica y al menos un elemento 122 de conexión a una línea de distribución de energía 8,
• un interruptor eléctrico 140, conectado en serie con al menos un conductor de corriente 2, entre el elemento 121 de conexión a la red eléctrica y el elemento 122 de conexión a la línea de distribución de energía, estando dicho interruptor eléctrico 140 dispuesto para permitir o interrumpir un flujo de corriente eléctrica continua o alterna If en el al menos un conductor de corriente 2, y
• un mecanismo de control de apertura 131 para el interruptor eléctrico 140,
• un accionador 135 dispuesto para accionar el mecanismo de control de apertura 131, y
• un módulo de protección contra fallos eléctricos 100, tal como se ha descrito anteriormente, para detectar una corriente de defecto eléctrico If que fluye en el al menos un conductor de corriente 2.
El módulo de protección eléctrica 100 está conectado al accionador 135 para controlar la apertura del interruptor eléctrico 140 cuando el módulo de protección 100 proporciona una señal de alerta o de control 111. De este modo, se puede desconectar una parte del circuito eléctrico defectuoso.
El aparato de protección eléctrica 120, representado en la figura 6, está destinado a ser implantado en una instalación eléctrica monofásica. Su funcionamiento no se modifica en el caso de una instalación trifásica o polifásica, sólo cambia el número de elementos de conexión 121, 122 y de conductores de corriente 2.
Claims (15)
1. Dispositivo (1) de detección de una corriente eléctrica de defecto continua o alterna (If), que comprende:
- un sensor de corriente continua (10) que comprende:
- un primer circuito magnético (11) atravesado por al menos un conductor de corriente (2) por el que circula la corriente eléctrica de defecto (If) a detectar, formando dicho conductor de corriente (2) un primer circuito primario (12),
- un primer devanado (13) enrollado sobre dicho primer circuito magnético (11) para formar un primer circuito secundario y suministrar una primera señal (Is1) representativa de la corriente de defecto (If), y - un generador (14) conectado a los terminales del primer devanado (13) para generar una corriente alterna de excitación (Ig) del primer circuito magnético (11) e inducir un campo magnético en el primer circuito magnético (11), y
- un circuito de medición de corriente (20), y
un sensor de corriente alterna (30) que comprende un segundo circuito magnético (31) en el que está enrollado un segundo devanado (33) para suministrar una segunda señal (Is2) representativa de la corriente de defecto (If) que circula por el conductor de corriente (2),
caracterizado porque
dicho segundo devanado (33) está conectado en serie con el primer devanado (13) de manera que la primera y la segunda señales (Is1, Is2) representativas de la corriente de defecto (If) que circula por el conductor de corriente (2) están en fase, y con el circuito de medida de corriente (20), estando el segundo circuito magnético (31) atravesado por el conductor de corriente (2) por el que circula la corriente eléctrica de defecto (If), formando dicho conductor de corriente (2) un segundo circuito primario (32), y
dicho generador (14) está dispuesto de manera que dicho campo magnético sature alternativamente el primer circuito magnético (11) en una dirección dada y luego en la dirección opuesta.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el primer circuito primario (12) comprende un primer número de espiras primarias (Np1), el primer devanado (13) comprende un primer número de espiras secundarias (Ns1), el segundo circuito primario (32) comprende un segundo número de espiras primarias (Np2) y el segundo devanado (33) comprende un segundo número de espiras secundarias (Ns2), siendo la relación entre el primer número de espiras primarias (Np1) y el primer número de espiras secundarias (Ns1) sustancialmente igual a la relación entre el segundo número de espiras primarias (Np2) y el segundo número de espiras secundarias (Ns2).
3. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el circuito de medida de corriente (20) comprende una resistencia de medida (Rm) para suministrar una señal de medida (21).
4. Dispositivo según la reivindicación anterior, caracterizado porque el segundo devanado (33) y la resistencia de medida (Rm) están dispuestos para formar un primer filtro de paso bajo con una frecuencia de corte comprendida entre 1 y 1000 Hz.
5. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque un segundo filtro de paso bajo (40) está conectado al circuito de medida de corriente (20) para proporcionar una señal filtrada (41) representativa de la componente de baja frecuencia de la corriente de defecto (If).
6. Dispositivo según la reivindicación anterior, caracterizado porque el segundo filtro de paso bajo (40) filtra las frecuencias de manera que sigan un modelo de sensibilidad humana a la corriente eléctrica.
7. Dispositivo según una de las reivindicaciones 5 ó 6, caracterizado porque el segundo filtro de paso bajo (40) tiene una frecuencia de corte (Fc1) comprendida entre 30 y 300 Hz.
8. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado porque un primer comparador (50) está conectado a la salida del segundo filtro de paso bajo (40) para emitir una primera señal de fallo (51) cuando la señal filtrada (41) es mayor que un primer umbral (S1).
9. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque un circuito de medida de nivel de señal (60) está conectado al circuito de medida de corriente (20) para proporcionar una señal representativa del nivel máximo (61) de la señal de medida (21).
10. Dispositivo según la reivindicación anterior, caracterizado porque un segundo comparador (70) está conectado a la salida del circuito de medición del nivel de señal (60) para emitir una segunda señal de fallo (71) cuando el nivel máximo de la señal suministrada por el segundo comparador (70) es superior a un segundo umbral (S2).
11. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque un circuito de detección de frecuencias anómalas (80) está conectado al primer devanado (13) para medir las componentes de frecuencia de la corriente alterna de excitación (Ig) y suministrar una tercera señal de fallo (81) cuando al menos una
componente de frecuencia de dicha corriente alterna de excitación (Ig) está comprendida entre una frecuencia límite baja (FL_BF) y una frecuencia límite alta predefinidas (FL_HF).
12. Dispositivo según la reivindicación anterior, caracterizado porque la frecuencia límite baja (FL_BF) está comprendida entre 1 kHz y 10 kHz y la frecuencia límite alta (FL_HF) está comprendida entre 20 kHz y 200 kHz.
13. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sensor de corriente continua (10) comprende al menos un regulador de derivación de tensión (15) para limitar un aumento de tensión a través de los terminales del primer devanado (13) cuando la corriente de defecto (If) que circula por el conductor de corriente (2) supera una amplitud de pico predefinida (Ipico).
14. Módulo de protección contra fallos eléctricos (100) que comprende:
- al menos un terminal de conexión aguas arriba (101) de una línea de corriente (7) de una red eléctrica y al menos un terminal de conexión aguas abajo (102) de una línea de distribución de energía (8), caracterizado porque comprende:
- al menos un conductor de corriente (2) conectado entre el terminal de conexión de aguas arriba (101) y el terminal de conexión de aguas abajo (102),
- un dispositivo (1) para detectar una corriente eléctrica de defecto (If) que circula por el al menos un conductor de corriente (2) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, y
- un módulo de procesamiento (110) conectado:
- a un primer comparador (50) para recibir una primera señal de fallo (51),
- a un segundo comparador (70) para recibir una segunda señal de fallo (71), y
- a un circuito de detección de frecuencias anómalas (80) para recibir una tercera señal de fallo (81), estando dicho módulo de procesamiento (110) dispuesto para proporcionar una señal de alerta o de control (111) cuando dicho módulo de procesamiento (110) recibe una primera o una segunda o una tercera señal de fallo (51, 71, 81).
15. Aparato de protección eléctrica (120) que comprende:
- al menos un elemento (121) de conexión a la red eléctrica y al menos un elemento (122) de conexión a una línea de distribución de energía (8),
- un interruptor eléctrico (140), conectado en serie con al menos un conductor de corriente (2), entre el elemento (101) de conexión a la red eléctrica y el elemento (102) de conexión a la línea de distribución de energía, estando dicho interruptor eléctrico (140) dispuesto para permitir o interrumpir un flujo de una corriente eléctrica de defecto (If), continua o alterna, en el al menos un conductor de corriente (2),
- un mecanismo de control de apertura (131) para el interruptor eléctrico (140), y
- un accionador (135) dispuesto para accionar el mecanismo de control de apertura (131),
caracterizado porque dicho aparato de protección eléctrica (120) comprende un módulo de protección contra fallos eléctricos (100) según la reivindicación anterior para detectar una corriente eléctrica de defecto (If) que fluye en el al menos un conductor de corriente (2), estando dicho módulo de protección eléctrica (100) conectado al accionador (135) para controlar la apertura del interruptor eléctrico (140) cuando el módulo de protección (100) proporciona una señal de alerta o de control (111).
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