ES2245075T3 - Procedimiento y dispositivo para detectar defectos de revestimiento de cables e instalaciones que las utilizan. - Google Patents

Abstract

PROCEDIMIENTO PARA DETECTAR LOS FALLOS DE LAS FUNDAS EN UNA INSTALACION DE CABLES DE POTENCIA CON FUNDA METALICA SIN PONER LOS CABLES FUERA DE SERVICIO, QUE COMPRENDE EFECTUAR MEDICIONES FRECUENTEMENTE Y EN FORMA CONTINUA QUE SON REPRESENTATIVAS DE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE AL MENOS EN UN PUNTO DEL CIRCUITO DE TIERRA. ESTAS MEDICIONES SON COMPARADAS CON MEDICINES EFECTUADAS EN OTRO LUGAR O CON VALORES PREDICHOS PARA AISLAR EL EFECTO DE UN POSIBLE FALLO DE LAS FUNDAS DE LOS CABLES, DEBIDO AL EFECTO DE LA CARGA DEL SISTEMA Y OTROS FACTORES QUE ORIGINAN COMPLICACIONES. PREFERIBLEMENTE, LAS MEDICIONES SON DE LA TEMPERATURA (O DE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE) DE LOS CABLES DE CONEXION A TIERRA Y PREFERIBLEMENTE SE MIDEN DE FORMA PASIVA, MUY ESPECIALMENTE MEDIANTE SENSORES DE FIBRA OPTICOS.

Description

Procedimiento y dispositivo para detectar defectos de revestimiento de cables e instalaciones que las utilizan.

La presente invención se refiere a un procedimiento y a un aparato para detectar fallos de revestimiento en cables de energía eléctrica y a las instalaciones en las que se usan.

Las instalaciones de cables para la transmisión de energía en grandes cantidades están usualmente hechas con cables de un único núcleo con fundas de metal u otras formas de conductores de retorno a tierra, que están usualmente cubiertas con un revestimiento (o camisa) eléctricamente aislante, usualmente de material plástico, ambos para evitar la conexión a tierra no controlada (conexión a tierra) y para proteger el conductor de retorno de la corrosión.

Un daño no detectado que produce la perforación del revestimiento puede llevar a una corrosión bastante rápida del conductor de retorno y, (cuando es aplicable si la funda de metal se perfora), a fallos eléctricos del aislamiento primario y a serios daños consiguientes (como que varios megavatios de energía se pueden descargar en el fallo en el tiempo que toman los dispositivos de protección a aislarlo), haciendo que el circuito no esté disponible para el servicio hasta que se puedan completar las reparaciones.

Como la funda del cable está conectada a tierra en una o más posiciones, una prueba de continuidad en el servicio no es posible, y es una práctica corriente retirar las instalaciones de cables del servicio, desconectarlas de sus conexiones a tierra normales, y probar sección a sección antes de restablecer el funcionamiento normal. En una gran instalación con conexiones a tierra en zonas de unión distribuidas a lo largo de la ruta, este procedimiento puede requerir un "corte", en el que la instalación no está disponible para su uso, medido en días o semanas, y es impracticable repetir el procedimiento frecuentemente - a veces se recomienda un intervalo de hasta un año, e incluso eso no se cumple siempre. Esta prueba infrecuente no puede dar realmente ninguna precisión realista de libertad del tipo de daño que se pueden hacer (por ejemplo) roedores, termitas o excavadores mecánicos.

Es el objetivo de la presente invención proporcionar técnicas mediante las cuales se pueda realizar las pruebas con la instalación de cables en servicio y, por lo tanto, a intervalos mucho más frecuentes, o incluso de manera continua o substancialmente.

La invención está basada en el reconocimiento que el circuito de conexión a tierra del cable (mediante el cual se indica la funda de metal u otro conductor de retorno a tierra más los cables que los interconectan entre sí y a punto de conexión a tierra y limitadores de tensión asociados) llevará usualmente varias corrientes inducidas. La tensión inducida fluye a la conexión a tierra, normalmente solamente en las conexiones a tierra previstas, pero anormalmente también a través del fallo en el revestimiento, con el resultado de que el fallo en el recubrimiento se indicará, en principio, mediante un cambio en la corriente que fluye en el circuito de conexión a tierra.

Será fácilmente evidente que detectar meramente el cambio en la corriente en el circuito de conexión a tierra no es suficiente, ya que también variará a partir de otras causas: para empezar, variará en proporción con la corriente de carga en el cable (o la fase individual con la que está asociada, donde las fases se pueden cargar de manera desigual). En consecuencia, la temperatura de la funda, y otras partes del circuito de conexión a tierra, variarán en proporción al cuadrado de la corriente de carga (una vez estabilizada bajo condiciones de carga constante). También se podría influenciar por varios eventos pasajeros y externos (incluso el paso de trenes, si es adyacente a un ferrocarril eléctrico (o línea de ferrocarril).

El resumen de los Resúmenes de Patentes de Japón para JP-A-02141676 describe un procedimiento para detectar fallos de revestimiento en una instalación de cables de energía con funda de metal, que comprende la realización de manera continua de mediciones del nivel de corriente que fluye a través del circuito de conexión a tierra mientras la instalación está en servicio; realizar una comparación entre esas mediciones y un nivel de corriente normal en ausencia de fallos de revestimiento; y generar una señal de salida si la diferencia entre el nivel de corriente medido y el nivel de corriente normal es mayor que un valor especificado.

La invención proporciona un procedimiento de detección de fallos de revestimiento en una instalación de cables de energía recubiertos con metal, que comprende la realización de mediciones representativas de la corriente en por lo menos un punto en el circuito de conexión a tierra del cable mientras la instalación está en servicio; realizar una comparación entre aquellas mediciones y valores de comparación relacionados, tal como se esperan que sean las mediciones en ausencia de fallos de revestimiento, con la corriente de carga; y generar una señal de salida si las mediciones difieren de los valores de comparación; caracterizado por obtener dichos valores de comparación usando una fase de aprendizaje en la que el rango de cambios en estas mediciones se observa mientras la instalación está libre de fallos de revestimiento y realizando a continuación dicha comparación mediante la monitorización de dichas mediciones representativas de la corriente para indicar si se produce un cambio fuera de ese rango.

Los valores de comparación pueden, si es necesario, tener en cuenta otros factores que podrían influenciar las mediciones.

Las mediciones se pueden realizar en puntos aproximados sobre la propia funda de metal del cable, o sobre otros conductores de retorno si no hay funda, pero éstos son más susceptibles de interferir a partir de la temperatura del cable y otras influencias, y preferimos realizar las mediciones en puntos sobre los conductores de unión, limitadores de tensión y/o cables de conexión a tierra directos que están separados del propio cable.

Las mediciones, en algunos casos, podrían hacerse en por lo menos un punto diferente en el circuito de conexión a tierra.

De esta manera, por ejemplo, en una instalación unida transversalmente bien equilibrada, la posición de unión transversal se ha de esperar que lleve substancialmente la misma corriente, en ausencia de un fallo, y al comparar las corrientes en pares cualquier diferencia substancial es probable que indique un fallo de revestimiento, o por lo menos un suceso que indica que se ha de investigar la posibilidad de este fallo; también se pueden realizar comparaciones útiles entre una posición de unión (bahía de unión del cable) y la siguiente.

Los limitadores de tensión en los circuitos de conexión a tierra de las instalaciones de cables no llevan corriente en condiciones de carga estable, y se pueden realizar mediciones útiles solamente sobre las mismas cuando se producen alteraciones del sistema tales como cortes transitorios de conmutación; pero en algunas instalaciones, éstos se pueden producir de manera suficientemente frecuente para ser útiles, y las mediciones en los limitadores de tensión pueden ser menos susceptibles que las realizadas por cualquier otro factor.

Dependiendo del diseño de la instalación y de otras circunstancias, las mediciones representativas de la corriente en el circuito de conexión a tierra pueden ser de varios tipos: por ejemplo, pueden ser tensiones (o corrientes) inducidas en transformadores de corriente enlazados magnéticamente con el circuito de conexión a tierra relevante (tan amplio como para un disyuntor de circuito de fuga de conexión a tierra). También se pueden usar dispositivos de efecto Hall.
Especialmente cuando se han de realizar múltiples mediciones, preferimos mediciones totalmente pasivas, ya que no requieren la provisión de energía eléctrica en los lugares que se han de monitorizar o la provisión de protección contra cortes eléctricos transitorios. Más especialmente, preferimos medir la temperatura del propio conductor de conexión a tierra (que varía con la corriente que fluye a través del mismo de una manera bien establecida) o la temperatura de un cuerpo ferromagnético adyacente al mismo, preferiblemente mediante el uso de sensores de temperatura de fibra óptica envueltos alrededor o asociados de manera próxima de otra manera con el cuerpo respectivo, o en casos apropiados incorporados en el mismo. Se pueden usar detectores de retrodifusión Raman o detectores de punto óptico - se espera que los detectores de punto tenga un rango substancialmente mayor. Alternativamente, se pueden observar otros detectores, preferiblemente pasivos, de temperatura (o corriente) mediante técnicas de fibra óptica - por ejemplo, se podría unir una banda bimetal al conductor de conexión a tierra y lleva una escala unida que se pueda observar a distancia a través de una fibra óptica.

Varias opciones de unión de conexión a tierra están en uso, y la invención es aplicable a todas ellas. En un sistema simple de punto de extremo o punto medio conectado a tierra, puede haber solamente un grupo de cables de conexión a tierra, donde se pueden hacer las mediciones de manera razonable; en un sistema con conexión a tierra de múltiples puntos con todas las fundas conectadas juntas en cada punto de conexión a tierra, será preferible que las mediciones se hagan en todos, o por lo menos en muchos, los puntos de conexión a tierra; y en un sistema unido transversalmente, las mediciones se pueden hacer en algunos o todos los conductores de unión transversal o en el conductor o conductores de conexión a tierra eventuales o en los dos; cuantas más mediciones estén disponibles, mejor serán las oportunidades para reconocer los patrones y distinguirlos entre sí, pero mayor será la cantidad de computación requerida.

De una manera ideal, las mediciones se han de hacer y de monitorizar de manera continua o en intervalos regulares de minutos u horas. En este caso, se obtendrán cantidades muy grandes de datos, y puede ser preferible procesarlas, sin análisis intelectual, usando técnicas de computación de redes neuronales (en las que un ordenador ajusta múltiples parámetros en una función muy compleja para obtener una coincidencia con las observaciones de entrada).

Alternativamente, se puede tomar las mediciones, o por lo menos se pueden usar en computación, solamente cuando las condiciones hagan la computación más fácil; por ejemplo, solamente cuando la corriente de carga ha sido substancialmente constante (quizás en uno de un número limitado de niveles preseleccionados) durante un periodo de tiempo predeterminado (varios días) de manera que las temperaturas en el cable se habrán estabilizado. Bajo estas condiciones, las corrientes de conexión a tierra normales serán relativamente constantes y los fallos más fácilmente evidentes. Previendo que las condiciones elegidas recurren con una frecuencia razonable (incluso durante varios meses) esta aproximación todavía da una advertencia útil de riesgo de fallo, por lo menos comparado con la práctica corriente (un fallo súbito es probablemente debido a una causa extrema, tal como una excavadora mecánica, que es responsable de cualquier caso de perforar la funda del cable antes de que se pueda tomar cualquier acción para evitarlo).

Aunque puede ser razonable asumir que un cable instalado de nuevo esté libre de fallos de revestimiento para los primeros meses, es deseable realizar pruebas de detección de fallos convencionales (con secciones de funda aisladas y energizadas con 5 kV aproximadamente) antes y después de la etapa de aprendizaje, para asegurar de que se realiza de hecho bajo condiciones libres de fallos.

La invención también incluye una instalación de cables de energía provista de un aparato para detectar fallos de revestimiento en la instalación, comprendiendo dicho aparato medios para realizar mediciones representativas de la corriente en por lo menos un punto en el circuito de conexión a tierra del cable mientras la instalación está en servicio; medios para realizar una comparación entre aquellas mediciones y unos valores de comparación relacionados, tal como se esperan que sean las mediciones en ausencia de fallos de revestimiento, con la corriente de carga; y medios para generar una señal de salida si las mediciones difieren de los valores de comparación, caracterizada por el hecho de que comprende medios para almacenar y analizar datos durante una fase de aprendizaje mientras la instalación está libre de fallos de revestimiento para determinar un rango de variaciones de dichas mediciones como valores de comparación, y por dichos medios para realizar una comparación que monitoriza dichas mediciones realizadas mientras la instalación está en servicio para indicar si se produce un cambio fuera de ese rango.

Los valores de comparación pueden, si es necesario, tener en cuenta otros factores que podría influenciar las mediciones.

Los medios para realizar dichas mediciones pueden comprender medios para realizar dichas mediciones en por lo menos un punto diferente en el circuito de conexión a tierra.

Los medios de almacenamiento y análisis pueden comprender medios para determinar dicho rango de variaciones sobre la base de mediciones hechas en por lo menos un punto diferente en el circuito de conexión a tierra durante dicha fase de aprendizaje.

Dichos puntos diferentes puede ser correspondientes cables de unión en la siguiente posición de unión.

Cuando la instalación es una instalación de cables unidos transversalmente equilibrados, dichos medios para realizar dichas mediciones están dispuestos para realizar dichas mediciones en diferentes cables de unión transversal diferentes en una posición de unión transversal.

Los medios para realizar dichas mediciones pueden comprender medios para realizar mediciones representativas de corriente a través de limitadores de tensión en dichos circuitos de conexión a tierra cuando se producen cortes transitorios de conmutación.

Los medios para realizar dichas mediciones pueden ser medios de medición de la temperatura.

Los medios de detección de la temperatura son sensores de temperatura de fibra óptica.

Los medios para realizar dichas mediciones pueden ser dispositivos de efecto Hall.

La invención también se describirá, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es una representación esquemática de varias formas variantes de la invención; y

La figura 2 es una representación similar de otra parte de una forma importante de la invención.

La figura 1 representa sistemas de conexión a tierra sin uniones cruzadas y puede, según el tipo de conexión a tierra que representa el extremo anterior o posterior de la instalación de cable, su punto medio o múltiples puntos a lo largo de su longitud. También representa aquellos sitios en una instalación unida de manera cruzada, donde están normalmente hechas las conexiones a tierra reales. En cada caso, las fundas de metal 1, 1, 1 de las tres fases a, b, c de la instalación están conectadas (de una manera convencional) a terminales separados en una caja de enlace 2 que les permite conectarse a un cable de conexión a tierra común 3 (durante el servicio) o desconectarse del mismo (para prueba convencional del revestimiento). Los cables de conexión a tierra individuales 4 se muestran como que son concéntricos, que es la manera más usual de asegurar el control adecuado de voltajes pasajeros muy altos que se pueden producir; sin embargo, se podrían usar cables separados para los dos lados del circuito de conexión a tierra. Al aplicar la invención a estas instalaciones de ejemplo, se envuelven sensores de temperatura de fibra óptica 5, o se incorporan en el conductor o conductores metálicos, el cable de conexión a tierra común 3 y/o los cables de conexión a tierra individuales 4 de las fases individuales.

El cable de conexión a tierra común 3 normalmente lleva poca o ninguna corriente, y así su temperatura es el indicador más sensible de la producción de un fallo; por otro lado, las temperaturas de los conductores de conexión a tierra individuales 4 variarán dependiendo de la fase particular en la que se puede producir un fallo, y realizando mediciones en estos conductores se puede predecir la sección o fase del conductor de retorno con el fallo y la posición de un fallo después de que se haya detectado acelerado.

La figura 2 muestra, para una instalación en la que las fundas de las fases individuales se dividen en secciones y se conectan transversalmente, en una de las posiciones de unión transversal. También aquí, las fundas 1 se conectan de manera individual a correspondientes terminales de la caja de enlace 2 mediante cables individuales 4 (usualmente concéntricos), pero los terminales en la caja de enlace están interconectados de manera que los tramos adyacentes de la funda de las diferentes fases de la instalación están conectados en serie, equilibrando así la instalación y minimizando las corrientes de la funda totales. Otro Terminal está conectado a tierra mediante un cable de conexión a tierra común 3, pero en este caso este último está previsto solamente para la conexión a tierra de la propia caja de enlace y, si limitadores de tensión 6 de la funda están conectados en estrella, para conectar a tierra el punto de estrella. De esta manera, el cable de conexión a tierra común 3 no llevará normalmente corriente mientras el cable está en servicio, pero lo puede hacer cuando se produzcan tensiones esporádicas. En este caso, los detectores de temperatura de fibra óptica 5 aplicados a los conductores individuales 4 darán otra vez datos útiles que permiten hacer predicciones de fase y sección de la posición y cualquier fallo detectado y, de manera alternativa o además, se pueden obtener datos útiles cuando se producen tensiones esporádicas de la funda a partir de los sensores de temperatura de fibra óptica 7 y 8 respectivamente envueltos sobre el cable de conexión a tierra común 3 y los limitadores de tensión de la funda 6. Estos limitadores de la tensión están substancialmente aislados bajo condiciones normales, pero se conmutan a un estado de baja resistencia a altas tensiones (digamos alrededor de 6 kV), con lo cual una alta corriente puede fluir durante un corto periodo de tiempo, produciendo un pulso de temperatura. En el caso de un fallo de revestimiento, parte de la corriente del pulso se derivará a través del fallo y el tamaño del pulso de temperatura se reducirá.

En aquellas formas de la invención en las que se realizan las mediciones de temperatura (pero preferiblemente excluyendo cualquiera en la que la temperatura medida está en el propio cable), se puede usar el aislamiento térmico para aumentar la elevación de la temperatura y así la sensibilidad de las mediciones; por ejemplo, en los ejemplos mostrados en los dibujos, las zonas de las envolturas de la fibra óptica se pueden envolver en espuma de poliuretano (preferiblemente una composición de baja resistencia si en las posiciones donde se puede necesitar acceso durante las operaciones de prueba u otros) o sobre-recubierto con material aislante térmico flexible.

Claims (22)

1. Procedimiento de detección de fallos de revestimiento en una instalación de cables de energía recubiertos con metal, que comprende la realización de mediciones representativas de la corriente en por lo menos un punto en el circuito de conexión a tierra del cable mientras la instalación está en servicio; realizar una comparación entre aquellas mediciones y valores de comparación relacionados, tal como se esperan que sean las mediciones en ausencia de fallos de revestimiento, con la corriente de carga; y generar una señal de salida si las mediciones difieren de los valores de comparación; caracterizado por obtener dichos valores de comparación usando una fase de aprendizaje en la que el rango de cambios en estas mediciones se observa mientras la instalación está libre de fallos de revestimiento y realizando a continuación dicha comparación mediante la monitorización de dichas mediciones representativas de la corriente para indicar si se produce un cambio fuera de ese ran-
go.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende la realización de las mediciones en puntos sobre conductores de unión, limitadores de tensión y/o cables de conexión a tierra directos que están separados del propio cable.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que dichas mediciones se realizan en por lo menos un punto diferente en el circuito de conexión a
tierra.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, aplicado a una instalación de cables unidos transversalmente equilibrados, en el que dichas mediciones se obtienen a partir de diferentes cables de unión transversal en cualquier posición de unión transversal.

5. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que dichos puntos diferentes están sobre los correspondientes cables de unión en la siguiente posición de unión.

6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la realización de dichas mediciones representativas de la corriente a través de los limitadores de tensión en dichos circuitos de conexión a tierra al producirse cortes transitorios de conmutación.

7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las mediciones representativas de la corriente en el circuito de conexión a tierra son mediciones de la temperatura del conductor de conexión a tierra o de un cuerpo ferromagnético adyacente al mismo.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, en el que las temperaturas se miden mediante el uso de sensores de temperatura de fibra óptica.

9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que las mediciones representativas de la corriente en el circuito de conexión a tierra son mediciones de un campo magnético generado por dicha corriente y detectado por un dispositivo de efecto Hall.

10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la realización de dichas mediciones representativas de la corriente y la realización de dicha comparación entre las mediciones y los valores de comparación de manera continua.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, que comprende el uso de técnicas computacionales de red neutra.

12. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que dichas mediciones se usan en computación solamente cuando la corriente de carga ha estado substancialmente constante durante un periodo de tiempo predeterminado.

13. Instalación de cables de energía provista de un aparato para detectar fallos de revestimiento en la instalación, comprendiendo dicho aparato medios (5, 8) para realizar mediciones representativas de la corriente en por lo menos un punto en el circuito de conexión a tierra del cable mientras la instalación está en servicio; medios para realizar una comparación entre aquellas mediciones y unos valores de comparación relacionados, tal como se esperan que sean las mediciones en ausencia de fallos de revestimiento, con la corriente de carga; y medios para generar una señal de salida si las mediciones difieren de los valores de comparación, caracterizada por el hecho de que comprende medios para almacenar y analizar datos durante una fase de aprendizaje mientras la instalación está libre de fallos de revestimiento para determinar un rango de variaciones de dichas mediciones como valores de comparación, y por dichos medios para realizar una comparación que monitoriza dichas mediciones realizadas mientras la instalación está en servicio para indicar si se produce un cambio fuera de ese
rango.

14. Instalación según la reivindicación 13, en la que dichos medios para realizar dichas mediciones comprenden medios para realizar dichas mediciones en puntos sobre conductores de unión, limitadores de tensión (6) y/o cables de conexión a tierra directos (3, 4) que están separados del propio cable.

15. Instalación según la reivindicación 13 ó 14, en la que dichos medios para realizar dichas mediciones comprenden medios para realizar dichas mediciones en por lo menos un punto diferente en el circuito de conexión a tierra.

16. Instalación según la reivindicación 15, en la que dichos medios de almacenamiento y análisis comprenden medios para determinar dicho rango de variaciones sobre la base de mediciones hechas en por lo menos un punto diferente en el circuito de conexión a tierra durante dicha fase de aprendizaje.

17. Instalación según la reivindicación 15 ó 16, en la que la instalación es una instalación de cables unidos transversalmente equilibrados y dichos medios para realizar dichas mediciones están dispuestos para realizar dichas mediciones en diferentes cables de unión transversal diferentes en una posición de unión transversal.

18. Instalación según la reivindicación 15 ó 16, en la que dichos puntos diferentes están sobre correspondientes cables de unión en la siguiente posición de unión.

19. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 18, en la que los medios para realizar dichas mediciones comprenden medios (8) para realizar mediciones representativas de corriente a través de limitadores de tensión (6) en dichos circuitos de conexión a tierra cuando se producen cortes transitorios de conmutación.

20. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 19, en la que los medios para realizar dichas mediciones son medios de medición de la temperatura (5, 8).

21. Instalación según la reivindicación 20, en la que dichos medios de detección de la temperatura son sensores de temperatura de fibra óptica (5, 8).

22. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 19, en la que los medios para realizar dichas mediciones son dispositivos de efecto Hall.