SISTEMA DE LOCALIZACIÓN DEL TRAMO CON FALTA A TIERRA EN LÍNEAS DE ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA FERROVIARIAS BIFASICAS CON AUTOTRANSFORMADORES 5 D E S C R I P C I Ó N OBJETO DE LA INVENCIÓN 10 La presente patente de invención tiene por objeto presentar un nuevo sistema de localización del tramo con falta a tierra en líneas de alimentación eléctrica ferroviaria, con estructura bifásica de conductores en corriente alterna con autotransformadores, con el que se consigue identificar de manera inmediata el subtramo de la línea conectada a una 15 subestación en el que ha ocurrido una falta a tierra y el conductor en el que ha sucedido, permitiendo así aislar rápidamente dicho subtramo y conductor sin afectar al resto. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN 20 En las líneas ferroviarias de alta velocidad se está utilizando habitualmente (por tener, entre otras, las ventajas de una mayor transmisión de potencia a los trenes y una menor caída de tensión con la distancia a la subestación de alimentación) un sistema de alimentación con dos conductores, uno positivo, con tensión alterna con polaridad positiva con respecto a 25 tierra, y otro negativo, con tensión alterna con polaridad negativa también con respecto a tierra, aunque la alimentación del tren se realiza entre el conductor positivo y el carril unido a tierra. En este sistema, a intervalos regulares dentro de cada tramo de la línea, se instalan varios autotransformadores conectados, un extremo de ellos al conductor positivo, la toma central al raíl unido a tierra, y el otro extremo del autotransformador al conductor negativo. 30 Si en un sistema de alimentación clásico de un solo conductor y retorno a tierra la mayoría de las faltas se producen por un cortocircuito entre el conductor de alimentación y tierra, también en el sistema bifásico la mayor parte de ellas se produce por cortocircuito entre el
conductor positivo y tierra ó el conductor negativo y tierra. Sin embargo, los procesos de detección, localización y eliminación de una falta eléctrica son mucho más complicados en los sistemas bifásicos más tierra, al estar unidos en cada subtramo los tres conductores mediante autotransformadores. La razón de esta dificultad es que, la impedancia que presenta la línea en falta medida desde la subestación en un sistema de un solo conductor, 5 es lineal con la distancia a la que ha ocurrido la falta, y se puede determinar así la posición de dicha falta; mientras que en los sistemas bifásicos con autotransformadores la variación de dicha impedancia con la distancia a la falta, no es lineal, sino que el diagrama es curvo en cada subtramo entre autotransformadores, alcanzando justo en ellos un valor inferior. De acuerdo a dicho diagrama, no se puede determinar por un determinado valor de la 10 impedancia la distancia a la falta, con lo que es muy importante identificar el subtramo entre autotransformadores y el conductor positivo ó negativo en el que la falta a tierra ha ocurrido. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN 15 El sistema objeto de la presente invención permite conocer rápidamente el subtramo y el conductor en el que ha ocurrido una falta a tierra, y desde un centro de control se puede aislarlos inmediatamente mediante dispositivos de conexión y desconexión, y así proceder a 20 restablecer el servicio a los subtramos no afectados mediante su reconexión eléctrica. El sistema de localización del tramo con faltas a tierra en líneas o sistemas de alimentación ferroviaria con estructura bifásica de conductores en corriente alterna con autotransformadores comprende: 25 - Un dispositivo sensor por cada uno de los autotransformadores intermedios, que mide la intensidad entrante en el devanado del autotransformador conectado al conductor de alimentación, y la tensión del conductor de alimentación del tendido ferroviario en el punto de conexión con dicho autotransformador. En caso de que la línea alimentada por la subestación ferroviaria sólo tenga dos 30 subtramos (y por tanto un solo autotransformador intermedio), el sistema precisa instalar un dispositivo sensor en el autotransformador final además del correspondiente al autotransformador intermedio. - Un dispositivo analizador por cada autotransformador intermedio que compara el
desfase entre la intensidad y la tensión medidas por cada conjunto sensor, y procesando estas medidas envía el resultado a la subestación eléctrica de alimentación. Al igual que el conjunto sensor, se necesita un dispositivo analizador en el autotransformador final en caso de sólo dos subtramos. - Un controlador en la subestación que recibe las señales de cada dispositivo 5 analizador y, mediante ellas, determina en qué subtramo entre autotransformadores y en qué conductor, se ha producido la falta a tierra. - Un equipo de presentación conectado al controlador que recoge la señal de salida de éste y muestra los resultados a un operador. 10 El conjunto dispositivo sensor obtiene unas señales proporcionales a la intensidad que entra en el devanado de cada autotransformador y a la tensión en la conexión del conductor de alimentación. En caso de falta el analizador envía una incidencia al controlador, que a su vez indica en el equipo de presentación el tipo y el tramo donde se ha producido la falta. 15 DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar 20 a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña la presente memoria descriptiva, formando parte integrante de la misma, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: La figura 1.- muestra un esquema del sistema de localización del tramo con faltas a tierra en 25 tendidos eléctricos ferroviarios alimentados con sistema de conductores bifásico con autotransformadores, objeto de la presente patente de invención. La figura 2.- muestra la relación lineal de la impedancia vista desde la subestación en función de la distancia a la falta en los sistemas de alimentación ferroviaria de un solo 30 conductor. La figura 3.- muestra la relación no lineal de la impedancia vista desde la subestación en función de la distancia a la falta en los sistemas de alimentación ferroviaria de dos
conductores con autotransformadores, a los que es aplicable la presente invención. La figura 4.- muestra una realización preferente del sistema de localización del tramo con faltas a tierra en tendidos eléctricos ferroviarios alimentados con sistema de conductores bifásico con autotransformadores, objeto de la presente patente de invención. 5 La figura 5.- muestra un posible esquema para mostrar el resultado obtenido en la pantalla del equipo de presentación al producirse una falta entre el conductor de alimentación positivo y tierra en el subtramo comprendido entre el segundo autotransformador y el autotransformador final del tramo. 10 La figura 6.- muestra un esquema del tramo ferroviario alimentado desde una subestación en caso de funcionamiento normal con carga de un tren. La figura 7.- muestra el ángulo de unos 180º que forma la intensidad entrante al 15 autotransformador con la tensión en el conductor positivo en el punto de conexión al autotransformador, en el caso de funcionamiento normal. La figura 8.- muestra el ángulo de unos 90º que forma la intensidad entrante al autotransformador con la tensión en el conductor positivo en el punto de conexión al 20 autotransformador en el caso de falta entre el conductor positivo y tierra. La figura 9.- muestra el ángulo de unos 270º que forma la intensidad entrante al autotransformador con la tensión en el conductor positivo en el punto de conexión al autotransformador, en el caso de falta entre el conductor negativo y tierra. 25 La figura 10.- muestra otra realización preferente del sistema de localización del tramo con faltas a tierra en tendidos eléctricos ferroviarios alimentados con sistema de conductores bifásico con autotransformadores, en el caso de que sólo haya dos subtramos en el tramo alimentado desde la subestación. 30
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN Como se puede ver en las figuras referidas, el sistema de la invención aplicable en la localización del tramo con faltas a tierra de tendidos de alimentación eléctrica en redes ferroviarias, incluye el correspondiente tendido eléctrico con el conductor de tierra (1), el 5 conductor positivo ,(2) y el conductor negativo (3), incluyendo los autotransformadores (4), y estableciéndose entre estos los considerados sub-tramos A, B, C, de manera que cada autotransformador (4) incorpora un dispositivo sensor (5) y un dispositivo analizador (6), todo ello relacionado con la correspondiente subestación (7) de alimentación del tramo ferroviario que se pretende controlar, y en donde se ha previsto un controlador (8) para 10 obtener el resultado y un equipo de presentación (9) que presenta los resultados al operador. De acuerdo con la figura 4, donde se muestra la realización preferente, el dispositivo sensor (5), en cada caso, comprende un transformador de intensidad (10) y un transformador de 15 tensión (11), de manera tal que el transformador de intensidad (10) se instala en el extremo positivo del autotransformador (4) para que mida la corriente que entra en el autotransformador desde el conductor positivo, mientras que el transformador de tensión (11) está instalado de forma tal que medirá la tensión del conductor de alimentación positivo (2). 20 Como dispositivo analizador (6) se utilizará preferentemente un relé de sobreintensidad direccional que actúa cuando se produce una falta a tierra (1), cumpliéndose determinadas condiciones. 25 El transformador de intensidad (10) y el transformador de tensión (11), se conectan al relé de sobreintensidad direccional, es decir al dispositivo analizador (6), de manera que de cada relé se conectan dos salidas al controlador (8) situado en la propia subestación (7). El controlador (8) es un controlador lógico programable PLC que recibe las señales de los 30 distintos relés o dispositivos analizadores (6) y mediante ellos determina en que subtramo entre autotransformadores (4) y en que conductor se ha producido la falta a tierra (1), con la particularidad de que el equipo de presentación (9) es un ordenador que, conectado al controlador (8), recoge la señal de salida de este y presenta resultados en la pantalla a un
operador. Al producirse una falta por cortocircuito entre uno de los conductores y tierra, el transformador de intensidad (10), situado en el autotransformador (4), que delimita el subtramo en que ha ocurrido la falta, mide valores altos de intensidad que harían actuar al 5 relé que constituye el dispositivo analizador (6), aunque este se parametriza para que solamente actúe de manera direccional, cuando el ángulo que forma la intensidad medida con la tensión en el conductor positivo, medida por el transformador de tensión (11), forme un ángulo aproximadamente de 90º o de 270º, notablemente menor o mayor que el que mide en condiciones normales sin falta, que está alrededor a 180º. 10 Conectando el relé o dispositivo analizador (6) de forma que envíe la señal de activación al controlador (8) por dos salidas diferentes cuando el ángulo sea de aproximadamente 90º o de aproximadamente 270º, el controlador (8) deducirá si es una falta del conductor positivo o negativo, y dependiendo de cuales son los analizadores (6) o relés propiamente dichos de 15 los que recibe la señal de activación, deducirá que la posición del subtramo en falta es el comprendido entre los analizadores o relés activados (6). Si el subtramo es inicial o final, el controlador solo recibirá la señal de activación de un solo relé o analizador (6), ya que no tiene conectados estos, ni a la subestación ni al autotransformador final. 20 Los resultados obtenidos por el controlador (8) se notifican al operador en la pantalla del ordenador que forma el equipo de presentación (9), tal y como se muestra en la figura 5. El dispositivo analizador compara en cada momento el módulo y la fase de la intensidad y la tensión suministrada por el correspondiente dispositivo sensor. 25 En funcionamiento normal, con la carga que demanda un tren (12) alimentado entre el conductor positivo y tierra (Figura 6), el ángulo que forma la intensidad entrante al autotransformador Ia con la tensión en el conductor positivo en el punto de conexión al autotransformador Vc es de 180º aproximadamente (Figura 7). 30 Cuando se produce una falta a tierra en un determinado subtramo, se produce un incremento muy fuerte y repentino del módulo de la intensidad Ia que circula por el devanado de los autotransformadores que delimitan dicho subtramo, variando además la
fase que forma cada una con la tensión de alimentación positiva Vc de dichos autotransformadores. En particular, si la falta se produce entre el conductor positivo y tierra, ocurre una disminución notable, de aproximadamente a 90º, en el ángulo que forma la intensidad del devanado que entra desde el conductor positivo con la tensión positiva, pasando de unos 180º a unos 90º (Figura 8). De manera recíproca, si la falta se produce 5 entre el conductor negativo y tierra, se produce un incremento apreciable, de aproximadamente 90º, entre el ángulo que forma la intensidad del devanado que entra desde el conductor positivo Ia con la misma tensión positiva Vc, cambiando desde los iniciales 180º a los 270º (Figura 9). En el primer caso el analizador enviará una señal al controlador de incidencia en el conductor positivo, y en el segundo de incidencia en el 10 conductor negativo. Cuando el controlador recibe las incidencias, dependiendo de los analizadores en los autotransformadores de los que ha recibido dichas incidencias, enviará una señal al equipo de presentación de la subestación (y subsidiariamente a un centro de control), para que 15 dicho equipo muestre a un operador el subtramo y conductor en el que ha ocurrido la falta a tierra. Gracias al sistema así descrito se consigue obtener esta información de manera inmediata, y así tomar las decisiones de aislamiento de únicamente la zona con falta a tierra. 20 En el caso de tratarse de una instalación con dos subtramos con medida en un solo devanado del autotransformador, tal y como se representa en la figura 10, únicamente existen dos subtramos A y B alimentados por la subestación eléctrica (7). En este caso se instala también, en el autotransformador final (4), es decir el mas alejado de la subestación 25 (7), el dispositivo sensor (5) y el dispositivo analizador (6) conectado al controlador (8) de la subestación (7), de la misma forma que se instala en el autotransformador intermedio (4). Así mismo, el dispositivo sensor (5) esta formado por un transformador de intensidad (10) y un transformador de tensión (11), y como dispositivo analizador (6) se utilizará también un relé de sobreintensidad direccional. 30 En este caso, cuando suceda una falta en el primer subtramo A, solo se activará la salida correspondiente del relé del autotransformador intermedio (4), indicando falta, mientras que si la falta es en el segundo tramo B, además de la salida del relé del autotransformador
intermedio (4), se activará la salida correspondiente del relé del autotransformador final (4). 5
LOCALIZATION SYSTEM OF THE LANDED LAND SECTION ON BIPASSIC RAILWAY ELECTRIC POWER SUPPLY LINES WITH AUTOTRANSFORMERS 5 DESCRIPTION OBJECT OF THE INVENTION 10 The present invention patent aims to present a new system for locating the section with ground fault in lines of railway power supply, with two-phase structure of conductors in alternating current with autotransformers, with which it is possible to immediately identify the sub-section of the line connected to a substation in which a ground fault has occurred and the conductor in which it has happened, allowing to quickly isolate said sub-section and driver without affecting the rest. BACKGROUND OF THE INVENTION 20 In high-speed rail lines it is routinely being used (to have, among others, the advantages of greater power transmission to trains and a lower voltage drop with distance to the power substation) a power supply system with two conductors, one positive, with alternating voltage with positive polarity with respect to 25 earth, and another negative, with alternating voltage with negative polarity also with respect to earth, although the train is fed between the positive conductor and The rail attached to the ground. In this system, at regular intervals within each section of the line, several connected autotransformers are installed, one end of them to the positive conductor, the central socket to the rail connected to the ground, and the other end of the autotransformer to the negative conductor. 30 If in a classic single-conductor power supply system and return to ground most of the faults are caused by a short circuit between the power and ground conductor, also in the two-phase system most of them are produced by short circuit between the
positive conductor and earth or the negative conductor and earth. However, the processes of detection, location and elimination of an electrical fault are much more complicated in the two-phase systems plus earth, since the three conductors are connected in each sub-section through autotransformers. The reason for this difficulty is that, the impedance of the fault line measured from the substation in a single conductor system, 5 is linear with the distance at which the fault occurred, and the position of said lack; while in the two-phase systems with autotransformers the variation of said impedance with the distance to the fault is not linear, but the diagram is curved in each sub-section between autotransformers, reaching just a lower value in them. According to this diagram, the distance to the fault cannot be determined by a certain value of the impedance, so it is very important to identify the sub-segment between autotransformers and the positive or negative conductor in which the ground fault has occurred . DESCRIPTION OF THE INVENTION The system object of the present invention allows to quickly know the sub-section and the conductor in which a ground fault has occurred, and from a control center it can be isolated immediately by means of connection and disconnection devices, and thus proceed to 20 restore service to the unaffected sub-sections through their electrical reconnection. The location system of the section with earth faults in lines or railway feeding systems with two-phase structure of conductors in alternating current with autotransformers comprises: 25 - A sensor device for each of the intermediate autotransformers, which measures the incoming intensity in the winding of the autotransformer connected to the power conductor, and the voltage of the power conductor of the railway line at the point of connection with said autotransformer. In the event that the line fed by the railway substation only has two 30 sections (and therefore a single intermediate autotransformer), the system needs to install a sensor device in the final autotransformer in addition to that corresponding to the intermediate autotransformer. - One analyzer device for each intermediate autotransformer that compares the
Lag between the intensity and voltage measured by each sensor set, and processing these measurements sends the result to the power supply substation. Like the sensor assembly, an analyzer device is needed in the final autotransformer in case of only two sub-sections. - A controller in the substation that receives the signals from each analyzer device 5 and, through them, determines in which sub-segment between autotransformers and in which conductor, the ground fault has occurred. - A presentation device connected to the controller that collects the output signal from it and displays the results to an operator. 10 The sensor device assembly obtains signals proportional to the intensity that enters the winding of each autotransformer and to the voltage in the connection of the supply conductor. In case of failure, the analyzer sends an incident to the controller, which in turn indicates in the presentation team the type and the section where the fault occurred. 15 DESCRIPTION OF THE DRAWINGS To complement the description that is going to be carried out below and in order to help 20 to a better understanding of the characteristics of the invention, the present descriptive report is attached, forming an integral part thereof, a set of drawings in where, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented: Figure 1 shows a scheme of the location system of the section with earth faults in 25 railway power lines fed with a two-phase conductor system with autotransformers, object of the present invention patent. Figure 2.- shows the linear relationship of the impedance seen from the substation as a function of the distance to the fault in the single-conductor rail feeding systems. Figure 3.- shows the non-linear relation of the impedance seen from the substation as a function of the distance to the fault in the two rail feeding systems
conductors with autotransformers, to which the present invention is applicable. Figure 4 shows a preferred embodiment of the location system of the section with earth faults in railway power lines fed with a two-phase conductor system with autotransformers, object of the present invention patent. 5 Figure 5.- shows a possible scheme to show the result obtained on the display of the presentation equipment when a fault occurs between the positive power conductor and ground in the sub-section between the second autotransformer and the final autotransformer of the section. 10 Figure 6.- shows a diagram of the railway section fed from a substation in case of normal operation with a train load. Figure 7.- shows the angle of about 180º that forms the incoming intensity to the autotransformer with the voltage in the positive conductor at the point of connection to the autotransformer, in the case of normal operation. Figure 8 shows the angle of about 90 ° that forms the incoming intensity to the autotransformer with the voltage in the positive conductor at the point of connection to the autotransformer in the case of a fault between the positive conductor and ground. Figure 9 shows the angle of about 270º that forms the incoming intensity to the autotransformer with the voltage in the positive conductor at the point of connection to the autotransformer, in the case of a fault between the negative conductor and ground. Figure 10 shows another preferred embodiment of the location system of the section with earth faults in railway power lines fed with a two-phase conductor system with autotransformers, in the case that there are only two sub-sections in the section fed from the substation. 30
PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION As can be seen in the aforementioned figures, the system of the invention applicable in the location of the grounded section of power lines in rail networks, includes the corresponding power line with the ground conductor (1 ), the positive conductor (2) and the negative conductor (3), including the autotransformers (4), and establishing among these those considered sub-sections A, B, C, so that each autotransformer (4) incorporates a sensor device (5) and an analyzer device (6), all related to the corresponding power substation (7) of the railway section to be controlled, and where a controller (8) is provided to obtain the result and a presentation team (9) that presents the results to the operator. According to Figure 4, where the preferred embodiment is shown, the sensor device (5), in each case, comprises an intensity transformer (10) and a voltage transformer (11), such that the transformer of intensity (10) is installed at the positive end of the autotransformer (4) to measure the current entering the autotransformer from the positive conductor, while the voltage transformer (11) is installed in such a way that it will measure the conductor voltage positive feed (2). As an analyzer device (6), a directional overcurrent relay will be used, which acts when a ground fault (1) occurs, with certain conditions being met. 25 The current transformer (10) and the voltage transformer (11) are connected to the directional overcurrent relay, that is to say to the analyzer device (6), so that from each relay two outputs are connected to the controller (8) located in the substation itself (7). The controller (8) is a PLC programmable logic controller that receives the signals from the 30 different relays or analyzer devices (6) and by means of them determines in which sub-section between autotransformers (4) and in which conductor the ground fault has occurred ( 1), with the particularity that the presentation equipment (9) is a computer that, connected to the controller (8), collects the output signal from it and presents results on the screen to a
operator. When a short circuit fault occurs between one of the conductors and ground, the current transformer (10), located in the autotransformer (4), which delimits the sub-section in which the fault has occurred, measures high intensity values that would act at 5 relay that constitutes the analyzer device (6), although this is parameterized to only act in a directional way, when the angle that forms the intensity measured with the voltage in the positive conductor, measured by the voltage transformer (11), forms An angle of approximately 90º or 270º, notably less than or greater than that measured in normal conditions without fail, which is around 180º. 10 By connecting the relay or analyzer device (6) so that it sends the activation signal to the controller (8) by two different outputs when the angle is approximately 90º or approximately 270º, the controller (8) will deduce if it is a fault of the positive or negative conductor, and depending on which analyzers (6) or relays themselves are the ones that receive the activation signal, it will deduce that the position of the missing sub-section is that between the activated analyzers or relays (6). If the sub-section is initial or final, the controller will only receive the activation signal of a single relay or analyzer (6), since it does not have these connected, either to the substation or to the final autotransformer. 20 The results obtained by the controller (8) are notified to the operator on the computer screen that forms the presentation equipment (9), as shown in Figure 5. The analyzer device compares the module and the module at all times. phase of the intensity and voltage supplied by the corresponding sensor device. In normal operation, with the load demanded by a train (12) fed between the positive conductor and ground (Figure 6), the angle that forms the incoming intensity to the autotransformer Ia with the voltage in the positive conductor at the point of connection to the Vc autotransformer is approximately 180º (Figure 7). 30 When a ground fault occurs in a certain sub-section, there is a very strong and sudden increase in the intensity module Ia that circulates through the winding of the autotransformers that delimit said sub-section, also varying the
phase that each forms with the positive supply voltage Vc of said autotransformers. In particular, if the fault occurs between the positive conductor and ground, a notable decrease occurs, approximately at 90º, in the angle that forms the winding intensity that enters from the positive conductor with the positive voltage, going from about 180º to about 90º (Figure 8). Reciprocally, if the fault occurs between the negative conductor and ground, there is an appreciable increase, of approximately 90 °, between the angle that forms the winding intensity that enters from the positive conductor Ia with the same positive voltage Vc, changing from the initials 180º to 270º (Figure 9). In the first case the analyzer will send a signal to the driver of incidence in the positive conductor, and in the second of incidence in the negative conductor. When the controller receives the incidents, depending on the analyzers in the autotransformers from which it has received such incidents, it will send a signal to the substation presentation equipment (and subsidiary to a control center), so that said equipment shows a operator the sub-section and driver in which the ground fault has occurred. Thanks to the system thus described, this information can be obtained immediately, and thus make the isolation decisions of only the area with a ground fault. 20 In the case of an installation with two sub-sections measured in a single winding of the autotransformer, as shown in Figure 10, there are only two sub-sections A and B powered by the electrical substation (7). In this case it is also installed, in the final autotransformer (4), that is, the furthest from substation 25 (7), the sensor device (5) and the analyzer device (6) connected to the controller (8) of the substation (7), in the same way that it is installed in the intermediate autotransformer (4). Likewise, the sensor device (5) is formed by an intensity transformer (10) and a voltage transformer (11), and a directional overcurrent relay will also be used as an analyzer device (6). 30 In this case, when a fault occurs in the first sub-section A, only the corresponding output of the intermediate autotransformer relay (4) will be activated, indicating fault, while if the fault is in the second section B, in addition to the output of the autotransformer relay
intermediate (4), the corresponding output of the final autotransformer relay (4) will be activated. 5