ES2984155T3 - Medición de la impedancia en sistemas de puesta a tierra - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la medida de la impedancia de un sistema de puesta a tierra que comprende un bucle, el procedimiento comprende para cada frecuencia fi de un conjunto de frecuencias F de un barrido frecuencial aplicado al bucle del sistema de puesta a tierra generar una señal moduladora Ssignal (2) con una frecuencia fija fm, generar una señal portadora Scarrier (1) con la frecuencia fi, y obtener una señal modulada en amplitud Smodulated (3) con componentes frecuenciales de las frecuencias fm y fi en base a Ssignal (2) y Scarrier (1)·
Description
DESCRIPCIÓN
Medición de la impedancia en sistemas de puesta a tierra
Objeto de la invención
El objeto de la presente invención consiste en un procedimiento y un dispositivo para medir la resistencia de puesta a tierra.
Antecedentes de la invención
Los procedimientos tradicionales para medir la resistencia de puesta a tierra se basan principalmente en procedimientos que implican el hincado de electrodos auxiliares en el terreno. Más recientemente se han desarrollado procedimientos y equipos que utilizan el fenómeno de la inducción para inyectar corriente en un bucle que forma parte del sistema de puesta a tierra, de forma que se puede obtener una medida de la resistencia de dicho bucle.
Normalmente la resistencia de un bucle que se cierra por el terreno está formada por la suma de la resistencia propia de los conductores y la resistencia de puesta a tierra.
Independientemente del procedimiento empleado, la técnica habitual consiste en inyectar en el terreno una corriente continua “DC” o corriente alterna “AC”. En el caso AC, algunos equipos disponen de más de una frecuencia de inyección fi, usualmente próximas entre ellas.
En la actualidad, para la medida de la resistencia de puesta a tierra, las dos configuraciones más extendidas son:
- Mediante la inserción de electrodos en el terreno físico y haciendo circular una corriente alterna AC o continua DC, entre 2 puntos y leyendo el potencial en el mismo u otros puntos.
- Mediante la utilización de transformadores inductores, los cuales inducen una fuerza electromotriz (f.e.m.) en un bucle que es proporcional a la resistencia de dicho bucle. Si este bucle se cierra por el terreno físico, la medida ofrecida por la medida dependerá de la resistencia de puesta a tierra.
Un documento del estado de la técnica relacionado con la medida de la resistencia de puesta atierra es CN1133878 el cual se refiere a un procedimiento de medida donde se genera la inyección de corriente con picas mediante el procedimiento del 62% y donde únicamente se usa la modulación en amplitud como elemento funcional para la electrónica, concretamente para controlar los elementos de potencia (IGBTs).
US4283794A se refiere a un procedimiento y aparato para derivar información de impedancia de radiofrecuencia de una red eléctrica, por ejemplo, una antena, mediante el uso de un convertidor de corriente para inducir una corriente de radiofrecuencia en la red y un convertidor de tensión para imprimir una tensión de radiofrecuencia en la red.
Descripción de la invención
En el procedimiento propuesto, se pretende realizar un barrido en frecuencias para poder obtener el diagrama de Bode en fase y magnitud del bucle del sistema de puesta a tierra a monitorizar, para lo que se requiere la inyección de un conjunto de frecuencias, desde unos pocos hercios, hasta al menos, decenas o centenas de kilohercios en el bucle a monitorizar como parte del sistema de puesta a tierra. Debido a la complejidad de la lectura y filtrado adecuado de las señales procedentes del terreno, se plantea un procedimiento y equipo para implementarlo que se caracterice por que la corriente que se inyecta en el terreno consista en una onda modulada en amplitud (AM), cuya señal moduladora Ssignal es de baja frecuencia y permanece fija durante todo el barrido de frecuencias a una frecuenciafm,mientras que la señal portadora Scamer varía en función de un rango de frecuencias F del barrido deseado.
El procedimiento y equipo al que se refiere la invención se basa en la medida mediante transformadores inductores. En este tipo de equipos:
- por un lado se induce una corriente alterna (AC) en el bucle del sistema a monitorizar que forma parte del sistema de puesta a tierra; y
- por otro lado, se mide la fuerza electromotriz inducida en dicho bucle, la cual depende de la resistencia del bucle y por lo tanto de la resistencia de puesta a tierra.
En los equipos disponibles comercialmente, lo habitual es inducir una corriente de unos pocos centenares de hercios, hasta unos pocos kilohercios, lo cual ofrece como resultado el valor de la impedancia a la frecuencia de inyección (la impedancia y la resistencia coinciden únicamente en DC) .siendo imposible inducir una corriente DC en un bucle mediante este procedimiento. Es por ello por lo que con este procedimiento la medida obtenida es la impedancia a la frecuencia de inyección del equipo, lo que implica que diferentes equipos, con diferentes frecuencias de inyección puedan ofrecer resultados diferentes entre ellos.
El procedimiento y equipo descrito en la invención, se orienta a la caracterización del bucle a monitorizar, lo cual cobra especial interés en aquellas instalaciones en las que existen diversos elementos funcionales que se conectan al sistema de puesta a tierra y que, por lo tanto, forman parte del bucle como, por ejemplo, las pantallas de los cables aislados de media tensión, las torres de distribución, etc.
Así, en un primer aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento según la reivindicación independiente 1.
Además, el procedimiento puede comprender medir la fuerza electromotriz inducida sobre el bucle del sistema de puesta a tierra, en donde dicha fuerza electromotriz tiene una relación proporcional con el valor de la impedancia del sistema de puesta a tierra en cada una de las frecuencias fi del conjunto de frecuencias F.
En un segundo aspecto, la invención se refiere a un dispositivo según la reivindicación independiente 2.
Descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del procedimiento para medir la impedancia de un sistema de puesta a tierra, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra un circuito RLC.
La figura 2 muestra tres señales implicadas en una modulación en amplitud.
La figura 3 muestra ejemplos del efecto del índice de modulación en el procedimiento de modulación AM. La figura 4 muestra un dispositivo para medir la impedancia de un sistema de puesta a tierra según la presente invención.
Realización preferente de la invención
La figura 1 muestra el circuito (100) referido a la caracterización de un sistema determinando sus componentes resistivos (R), inductivos (L) y capacitivos (C), lo que, de un modo reducido y compacto, puede expresarse como un equivalente RLC.
Es ampliamente conocido que la función de transferencia del circuito (100) de la figura 1 viene dada por la siguiente expresión, donde s es el operador laplaciano.
Conociendo la morfología de la función de transferencia de un sistema y realizando un barrido en frecuencias para obtener el diagrama de Bode, es fácil obtener la respuesta asintótica para obtener los valores de R, L y C, lo cual permite tener una caracterización completa del sistema evaluado.
En un bucle de tierra, donde existen diferentes elementos interconectados es importante determinar la parte puramente resistiva (R) y separarla de la parte reactiva (L y C) ya que la mayoría de prescripciones normativas se refieren a este parámetro R, y no a la impedancia Z que contempla la contribución de los 3 componentes (Z=f(R,L,C)) y que depende la frecuencia empleada en el procedimiento. Para obtener este equivalente RLC del bucle a monitorizar, el procedimiento comprende la inyección de un conjunto de frecuencias, desde unos pocos hercios, hasta algunos centenares de kilohercios, es decir un barrido en frecuencias.
Realizar un barrido en frecuencias implica la inyección de varias frecuencias y posteriormente la lectura de esas mismas frecuencias, para lo cual resulta necesario interponer filtros que eliminen todas aquellas frecuencias que no constituyan información útil y, dado que existe un conjunto de frecuencias de interés, el conjunto de filtros debe de estar sintonizado en cada una de esas frecuencias de interés, lo que implica un número de filtros sintonizados tan elevado como el número de frecuencias que se quieran incluir en el barrido. Otra posible solución es emplear un filtro configurable o programable, lo que también entraña su complejidad.
Ventajosamente, para simplificar el procedimiento de filtrado, el procedimiento al que se refiere la invención comprende el uso de la técnica de modulación en amplitud (AM) como se muestra en la figura 2, la cual implica una onda portadora Scamer (1), usualmente, de alta frecuencia fi en el rango de frecuencias F y una onda moduladora Ssignal (2), de menor frecuenciafm.La modulación en amplitud da como resultado la señal modulada Smoduiated (3) donde están reflejadas la frecuencia fi de la onda portadora Scamer (1) en el rango y la frecuencia fijafmde la onda moduladora Ssignal (2).
Así pues, en el procedimiento de medida según la presente invención se introduce la moduladora Ssignal (2) a una frecuencia fijafmy la portadora Scarrier (1) con frecuenciafiva a variar en el rango de frecuencias del barrido en frecuencias fi e F (desde pocos hercios, hasta centenares de kilohercios).
Un parámetro a tener en cuenta en este procedimiento es el índice de modulación (m), el cual se define como la relación de amplitudes entre la señal portadora (Scarrier (1)) y la señal moduladora (Ssignal (2)):
El índice de modulación m es un indicador de la morfología de la señal modulada Smoduiated, tal como se puede ver en la figura 3, donde la señal portadora Scarrier (1) y la Ssignal (2) son las mismas en las tres señales moduladas Ssignal (2) con relación de amplitudes diferentes y por lo tanto con índices de modulación diferentes m = (0.3, 0.5 y 0.7), respectivamente.
EL procedimiento de medida según la presente invención ofrece un conjunto de valores de Z,Z(fi), basado en el cálculo del índice de modulación , a cada una de las frecuencias fi que forman parte del barrido en frecuencias F y cuya representación gráfica se corresponde con el diagrama de Bode en amplitud de la impedancia del bucle.
Además, el procedimiento también ofrece un conjunto de valores de desfase 0, 0(f/) y cuya representación gráfica se corresponde al diagrama de Bode en fase de la impedancia de bucle.
La obtención del diagrama de Bode, será en base a poner en una tabla (en la memoria interna del microcontrolador) los valores de la impedancia y el desfase medidos a cada una de las frecuencias del barrido. Posteriormente, la representación gráfica de cada valor de impedancia y desfase (Eje Y) para cada frecuencia (eje X) dará como resultado el diagrama de Bode en magnitud y fase.
La ventaja principal que presenta el procedimiento según la presente invención es su inmunidad frente al ruido, por lo que el filtrado en el procedimiento de lectura puede hacerse fijo y muy selectivo con procedimientos muy simples y conocidos, sin tener que recurrir a múltiples filtros o filtros configurables, esto supone mayor fiabilidad y menor tiempo de procesado.
Otra ventaja es la posibilidad de ampliación del rango de frecuencia, ya que al ser posible la utilización de un filtrado sintonizado a la frecuencia fija de la moduladora, no se precisaría añadir ni modificar la parte de filtrado y demodulación de la señal para tal fin.
La figura 4 muestra el equipo de medida (400) según la presente invención. En particular, el equipo de medida (400) es usado en un bucle como parte de un sistema de puesta atierra. El equipo de medida (400) comprende un generador (12) de la señal moduladora Ssignal (2) a la frecuencia fijafm.Un microcontrolador (13) que comprende un generador de señales portadoras Scarrier (1)con diversas frecuencias dentro de un rango F usadas en un barrido frecuencial para caracterizar la impedancia del sistema de puesta a tierra.
Además, el equipo de mediada (400) comprende un modulador en amplitud (11) obtener una señal modulada en amplitud Smoduiated (3) a la frecuencia fi en base a Ssignal (2) y Scarrier (1), de forma opcional un amplificador de potencia (10), y un inductor de corriente (9) configurado para inducir una fuerza electromotriz (f.e.m.) en el conductor del bucle del sistema de puesta tierra.
Además, el equipo de medida (400) comprende un sensor de corriente (15) para medir la fuerza electromotriz inducida en dicho bucle identificada como Sout y la cual es una composición de Smoduiated (3) combinada con ruido y tras haber sufrido las alteraciones propias de la impedancia del bucle, por el cual se propaga, un demodulador (16) en amplitud, un filtro (17) sintonizado a la frecuenciafmde la señal moduladora Ssignal, medios (20) para la obtención de la impedancia Z (fi), en particular medios (18) para medir el desfase 0(f/) de la señal demodulada Sdemoduiated, preferentemente un bucle bloqueado en fase “PLL” y para cada una de las frecuencias del barrido en frecuencia F, lo que permite complementar el diagrama de Bode obtenido con la medida del índice de modulación m. Además, el equipo de medida (400) comprende medios (19) para calcular el índice de modulación m
Ventajosamente, el equipo de medida (400) puede realizar un barrido en frecuencias mediante la inyección de varias frecuencias correspondientes con el barrido en frecuencias F a través de señales moduladas en amplitud y posteriormente después de la demodulación, la lectura de la señal demodulada a la frecuenciafmde la señal moduladora Ssignal (2), para lo cual resulta suficiente incluir un único filtro (17) sintonizado a la frecuenciafmde la señal moduladora Ssignal (2).
Claims (5)
1. Procedimiento para medir de la impedancia de un sistema de puesta a tierra que comprende un bucle, el procedimiento comprende:
para cada frecuenciafide un conjunto de frecuencias F, de un barrido frecuencial aplicado al bucle del sistema de puesta a tierra:
- generar una señal moduladora Ssignal (2) con una frecuencia fijafm,preferentementefm= 220 Hz,
- generar una señal portadora Scarrier (1) con la frecuenciafi;
-obtener una señal modulada en amplitud Smoduiated (3) con componentes frecuenciales de las frecuenciasfmyfien base a Ssignal (2) y Scarrier (1);
- inducir la señal Smoduiated (3) en el bucle del sistema de puesta a tierra; y
- medir una señal Sout basada en la señal Smoduiated (3) en dicho bucle del sistema de puesta a tierra;
- demodular la señal Sout, eliminando la señal portadora Scarrier (1);
- filtrar la señal Sout de forma sintonizada a la frecuenciafmpara obtener una señal demodulada Sdemoduiated a la frecuenciafmbasada en Ssignal (2); y
- obtener una impedancia Z(fi) del sistema de puesta a tierra en base a la señal demodulada Sdemoduiated.
en el que obtener la impedancia Z(fi)del sistema de puesta a tierra en base a la señal demodulada
^ __S d e m o d u ia t e d
Sdemoduiaied comprende calcular un índice de modulaciónScarrier(i) basado en la señal demodulada Sdemodulated,
en el que el índice de modulación m se define como la relación de amplitudes,
- obtener una medida de fase$(fí)basada en la respectiva señal demodulada Sdemodulada para cada frecuenciafi;y
obtener para el conjunto de frecuenciasFun diagrama de Bode basado enZ(fi), $(fi)y el índice de modulación m de cada frecuenciafi,respectivamente.
2. Dispositivo (400) configurado para medir la impedancia de un sistema de puesta a tierra según el procedimiento de la reivindicación 1, que comprende un bucle, en el que el dispositivo (400) comprende:
- un generador (12) configurado para generar una señal moduladora Ssignal (2) a una frecuenciafm.
- un generador (13) configurado para generar una pluralidad de señales portadoras Scarrier (1) con frecuenciasficomprendidas en un conjunto de frecuenciasFde un barrido de frecuencia;
- un modulador de amplitud configurado para obtener una pluralidad de señales moduladas Smodulated (3);
- un inductor de corriente (9) configurado para inducir en el bucle respectivas fuerzas electromotrices asociadas con la pluralidad de señales moduladas Smodulated (3);
- un sensor de corriente (15) configurado para medir en el bucle un conjunto de señales Sout asociadas a la pluralidad de señales moduladas Smodulated (3);
- un demodulador (16) configurado para demodular el conjunto de señales Sout considerando la frecuenciafm;- un filtro (17) sintonizado a la frecuenciafmy configurado para obtener señales demoduladas Sdemodulated en base a la Ssignal (2);
- medios para calcular la impedancia Z(fi) del sistema de puesta a tierra en base a las señales demoduladas Sdemodulated.
- medios (18) para obtener para cada frecuenciafiuna medida de fase<p (fi)de la señal demodulada Sdemoduiated!
^ _S d em o d u ia ted
-medios (19) para calcular un índice de modulaciónscarrU,r(i) para cac|a frecuenciafi,
en el que el índice de modulaciónmse define como la relación de amplitudes;
y
- medios para obtener para el conjunto de frecuenciasFun diagrama de Bode basado enZ(fi), $(fi)y el índice de modulación m de cada frecuenciafi,respectivamente.
3. El dispositivo (400) configurado para medir la impedancia de un sistema de puesta a tierra según la reivindicación 2, en el que el generador (13) de la pluralidad de señales portadoras Scarrier (1) comprende un microcontrolador.
4. El dispositivo (400) configurado para medir la impedancia de un sistema de puesta a tierra según la reivindicación 3, en el que el microcontrolador comprende una memoria interna configurada preferiblemente para almacenar Z(fi) yQ(fi)obtenidos para cada frecuenciafidel conjunto de frecuenciasFdel barrido de frecuencia.
5. El dispositivo (400) configurado para medir la impedancia de un sistema de puesta a tierra según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, que además comprende:
- un amplificador de potencia (10) configurado para amplificar la pluralidad de señales moduladas Smodulated (3).
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