Tesis:
Diagnóstico de faltas a tierra en sistemas eléctricos con convertidores
- Autor: GUERRERO GRANADOS, José Manuel
- Título: Diagnóstico de faltas a tierra en sistemas eléctricos con convertidores
- Fecha: 2022
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70545/
- Director/a 1º: PLATERO GAONA, Carlos Antonio
- Resumen: Desde finales del siglo XIX, el uso de energía eléctrica no ha hecho más que incrementar de manera exponencial. La necesidad de controlar cualquier tipo de proceso para maximizar su eficiencia requiere de sistemas eléctricos también controlados. Estos sistemas a su vez precisan de electrónica de potencia para poder moldear las señales de tensión y/o corriente a las necesitadas en cada momento. Esto es posible a través a los convertidores de potencia, actuando o bien como rectificadores (pasando de energía en corriente alterna, AC a corriente continua, DC), o bien como inversores (realizando el proceso inverso). Este tipo de sistemas eléctricos controlados también están aumentando exponencialmente viéndose en vehículos eléctricos, generación distribuida o en accionamientos de velocidad variable entre otros. Pero a su vez, también aumentan los fallos que pueden ocasionarse en estos sistemas. Las faltas a tierra son las faltas eléctricas menos severas, pero las más frecuentes. Si estas faltas no se diagnostican a tiempo, son capaces de degenerar en otras más severas como pueden ser las faltas bifásicas a tierra o trifásicas, por lo que es importante un buen diagnóstico de las mismas. Sin embargo, las protecciones vigentes hoy en día carecen de fiabilidad en sistemas eléctricos con convertidores debido a los ruidos por conmutación y a las distintas etapas de AC y DC que presentan. A pesar de haber varias técnicas que permiten la detección o localización de este tipo de faltas en sistemas con convertidores, estas requieren de procesos complejos para poder proceder al diagnóstico. En la presente tesis se propone un método general de diagnóstico para este tipo de sistemas formado por varios métodos en cascada que permite no solo la detección de la zona de corriente alterna o continua donde se produce la falta, sino que también localiza el punto donde se produce el fallo y realiza una estimación de la resistencia de falta, que va ligada inversamente a la severidad de la misma. Todos los métodos se basan principalmente en la medida de la tensión en una resistencia de puesta a tierra de alto valor óhmico instalada en el punto neutro (en AC) o medio (en DC) de la instalación que limita la corriente de falta. Aunque posteriormente cada método requiera de medidas de tensión o corriente adicionales. El método general realiza la detección, y varía según la topología del sistema, ya sea un accionamiento alimentado desde la red eléctrica (AC/AC), o un accionamiento alimentado a partir de una fuente de DC (DC/AC), y que discrimina la zona con falta. Atendiendo a la zona con defecto se aplican dos métodos de localización de faltas en DC o dos métodos de localización de faltas en AC. Por un lado, los métodos de localización en DC están basados en el desplazamiento de la resistencia de puesta a tierra entre tres puntos del circuito de corriente continua, de tal forma que registrando la tensión en esos tres puntos y la corriente de rama en cada una de las ramas de baterías o celdas fotovoltaicas (si el sistema es DC/AC) se puede estimar la celda con falta y la severidad de la misma. Uno de los métodos está enfocado en detectar la rama con defecto mientras que el otro localiza la celda dentro de dicha rama. Por otro lado, los métodos de localización en AC se pueden basar en la comparación fasorial entre las tensiones fase-neutro de la zona AC con defecto y la tensión en la resistencia de puesta a tierra, o en el análisis por histogramas de esta última tensión. Cada método proporciona mejor resolución para distintos tramos, por lo que se propone la superposición de estos para cubrir el total del arrollamiento de fase. Estos métodos también proporcionan información sobre la posición de la falta (en porcentaje del arrollamiento de fase y en fase con defecto) además de sobre la severidad de la misma. Estos métodos han sido probados mediante simulación, utilizando Matlab-Simulink en sistemas con uno o varios accionamientos eléctricos y en varias bancadas experimentales con convertidores obteniendo resultados satisfactorios, ya que se asemejan entre sí de forma razonable. Utilizando estos métodos se pueden solventar los problemas que presta la actual literatura sobre el tema. Sin embargo, son varios los asuntos que tienen que ser tratados a raíz de este estudio entre los cuales destacan que el método ha de ser probado en equipos industriales, se ha de desarrollar un único método que permita la localización de zonas AC sin necesidad de combinar dos métodos por falta de resolución en ciertas zonas del arrollamiento, y se han de definir valores de ajuste de disparo para evitar o disparos indeseados por exceso de sensibilidad, o no detectar la falta a tierra por configurar los valores de disparo demasiado altos. En este último campo, la presente tesis doctoral incluye un pequeño estudio sobre faltas bifásicas a tierra, que son producto de no haber localizado una primera falta a tierra antes de que aparezca una segunda. En este estudio se ve que el método general pierde totalmente la eficacia en la localización de la posición y la severidad, ya que lo entiende como una falta monofásica a tierra equivalente. Sin embargo, este método sí que es capaz de seguir detectando faltas bifásicas a tierra siempre y cuando la resistencia de falta no sea nula, en cuyo caso, el método pierde la sensibilidad absoluta al no existir corriente de retorno por la resistencia de puesta a tierra. ----------ABSTRACT---------- Since the late 19th century, the use of electric energy has increased exponentially. The need to control any type of process in order to maximize its efficiency also requires controlled electrical systems. Furthermore, these systems require power electronics to be able to shape voltage/current signals at any moment. This is possible through power converters, that are used as rectifiers (taking AC into DC) or as inverters (taking DC into AC). This type of controlled electric systems is also increasing exponentially as it can be obviously seen in vehicular technology, distributed generation, or variable speed drives, among others. However, electric faults in these systems increase in the same order. Ground faults are the less severe type of faults but also the more frequent. If these faults are not diagnosed in time, they can lead into other more severe types as they can be double line-to-ground faults or even into three-phase short circuits, then, a proper diagnosis is needed. However, actual relays and actuators are not prepared for electric systems with power converters due to the commutation noises and the different AC and DC stages that they present along the circuit. Despite there are some ground fault detection and location techniques for electric systems with power converters, they require complex processes to perform the diagnostic. In this doctoral thesis, a global method for electric systems with power converters is proposed. It is formed by some methods applied in cascade that allow not only the ground fault detection and stage discrimination, but also the fault position location and severity estimation (inversely seen with the fault resistance estimation). All the methods are based on the voltage measurement of a grounding resistor, that is placed in the neutral of the AC stage (AC/AC systems) or the midpoint of the DC side (DC/AC systems) of the installation. The grounding resistor also limits the fault current. However, each method also requires additional measurements. The global method consists of a main and first method that detects the ground fault. It depends on the system topology as it can be a grid-fed drive (AC/AC) or a DC source-fed drive (DC/AC). This first method can discern the faulty stage. Attending to the faulty side, two DC location methods or two AC location methods are applied. On the one hand, the DC location methods are based on the ground resistor displacement among three points of the power circuit and ground. Registering the voltage in these three connections and the output current of each DC branch (if the system has DC/AC topology), the faulty branch and cell can be estimated as well as the fault severity. One of the DC methods is focused to search the faulty branch where the other locates the cell once the branch is located. On the other hand, the AC location methods can be based on the phasorial comparison between the phase-to-neutral voltages and the grounding resistor voltage or on a histogram analysis of the grounding resistor voltage. Each of these two methods have better accuracy for a determined percentage of impedance, then, the superposition of both methods is proposed in order to achieve a complete protection. Furthermore, these two AC methods provide information about the fault position and resistance. All the methods have been tested with computer simulations using Matlab-Simulink software in electric systems with one or more electric drives and also with different experimental setups obtaining satisfactory results, as they achieve a reasonable similar behavior. Using this method, the problems presented along the state of the art in this field can be easily and economically solved. However, some issues are proposed to be studied in further works, among them, they must be highlighted: performing real facility tests, developing a single AC stage location method without superposing two or more methods and fitting the proper thresholds in order to avoid undesirable trips but also to have enough resolution to detect high resistance ground faults. In this last field, the presented doctoral thesis includes a study about double line-to-ground faults (L-L-G), that can be product of not locating a first single ground fault before a second one appears. In this research, the global method totally loses its efficacy in the fault location and fault resistance estimation procedure as its understand both faults as an equivalent single one. However, the global method is able to detect L-L-G faults as long as the fault resistance would be different from zero, in its case, the method completely loses its sensitivity, as no fault current returns through the grounding resistor.