Diagnóstico de faltas a tierra en sistemas eléctricos con convertidores

• Autores: José Manuel Guerrero Granados
• Directores de la Tesis: Carlos Antonio Platero Gaona (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2022
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Carlos Veganzones Nicolás (presid.), José Angel Sánchez Fernández (secret.), Inmaculada Zamora Belver (voc.), Pablo Eguía López (voc.), Marcos Lafoz Pastor (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica y Electrónica por la Universidad de Oviedo y la Universidad Politécnica de Madrid
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Ingeniería y tecnología eléctricas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• 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.