ES2346529T3 - Antena para detectar descargas parciales en una cuba de aparataje electrico. - Google Patents
Antena para detectar descargas parciales en una cuba de aparataje electrico.Info
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Abstract
Sensor (15) para detectar descargas parciales en una cuba (1) de un aparataje eléctrico llena con un fluido dieléctrico, que comprende una antena (16-18) sensible a las ondas electromagnéticas generadas por descargas parciales, caracterizado porque esta antena está formada por dos electrodos (16, 18) separados por un resonador (17) dieléctrico.
Description
Antena para detectar descarga parciales en una
cuba de aparataje eléctrico.
La invención se refiere a un sensor para
detectar descargas parciales en una cuba de aparataje eléctrico
llena de un fluido dieléctrico, que comprende una antena sensible a
las ondas electromagnéticas generadas por descargas parciales.
Estas ondas se expanden en frecuencia desde la
gama de altas frecuencias (HF) hasta la gama de frecuencias ultra
altas (UHF), pudiendo alcanzar las frecuencias más elevadas
aproximadamente 2 GHz si el fluido dieléctrico es un gas y
aproximadamente 1,5 GHz si este fluido es un líquido.
Desde hace varios años, la detección de impulsos
de descargas eléctricas parciales mediante la realización de
mediciones en la gama de frecuencias HF y VHF se lleva a cabo
normalmente por aparatajes eléctricos instalados en una envoltura
llena de un fluido dieléctrico líquido o gaseoso, pero presenta
inconvenientes. En efecto, descargas corona que tienen lugar en el
entorno del aparataje generan ondas electromagnéticas de fuerte
intensidad en las mismas gamas de frecuencias HF y VHF hasta casi
200 MHz, lo que perturba significativamente las mediciones.
Asimismo, para mejorar la calidad de las
mediciones, es necesario realizarlas en la gama de las frecuencias
UHF para franquear las perturbaciones producidas por las descargas
corona. La patente US 5804972 describe un dispositivo de detección
de impulsos de descargas eléctricas parciales en aparataje eléctrico
blindado aislado al gas, gracias a una antena UHF instalada en el
aparataje y donde un electrodo está montado a nivel de la envoltura
del aparataje. La función de transferencia de tal antena es
relativamente alta y plana en una banda amplia de frecuencias UHF
que se extienden normalmente de 300 MHz a 1,8 GHz.
No está previsto en este dispositivo poder
retirar la antena de su alojamiento sin dejar provisionalmente el
aparataje fuera de servicio, porque el desmontaje de la antena
implica una pérdida de estanqueidad entre el gas del interior de la
envoltura y el aire exterior.
La posibilidad de poder retirar de su
alojamiento tal antena para la detección de impulsos de descargas
parciales existe sin embargo en el campo de aparatajes eléctricos
tales como transformadores colocados en una cuba llena de un
líquido dieléctrico tal como aceite.
En el documento de patente US 6323655 se
describe un sensor de descarga parcial que puede estar introducido
en una válvula de vaciado hasta una abertura de la cuba. Tal sensor
comprende una antena por ejemplo en forma de espiral, y puede
instalarse y retirarse sin dejar el transformador fuera de uso.
Comprende además un manguito destinado a acoplarse a la válvula de
vaciado, estando montada la antena sobre un soporte que puede
deslizarse en este manguito y en la válvula de vaciado. Así, el
sensor puede utilizarse sucesivamente en varias válvulas idénticas
en distintos puntos de la cuba de un aparataje eléctrico aislado en
el aceite, sin interrumpir el aprovechamiento del aparataje.
Esta antena tiene un tamaño inferior al diámetro
de la válvula de vaciado para permitirle pasar en el calibre de
esta válvula. Hay que destacar que la función de transferencia de la
antena es inversamente proporcional a la frecuencia y varía en el
mismo sentido que el diámetro de la válvula. Ahora bien, las
válvulas normalmente utilizadas en los transformadores en una cuba
con aislamiento al aceite poseen válvulas de diámetros relativamente
pequeños, normalmente inferiores a 50 mm. Así, el sensor podrá
tener una función de transferencia que permanece satisfactoria en
la gama de frecuencias HF y VHF pero que se degrada para las
frecuencias UHF. Esta degradación se traduce en valores demasiado
bajos para suministrar una señal de antena realmente aprovechable, y
se traduce también en una multitud de picos de resonancia que
impiden aprovechar correctamente cualquier señal de antena.
Si el sensor está equipado con una antena en
espiral, su adaptación a las frecuencias ultra altas necesitaría
tener una espiral cuyo diámetro fuera superior a los diámetros de
las válvulas de vaciado normalmente instaladas, de manera que ya no
sería posible hacer pasar el sensor por la válvula.
El documento
US-A-2002024341 describe un sensor
para detectar descargas en un aparato de aislamiento eléctrico en
medio de una antena colocada en el exterior de este aparato.
El objetivo de la invención es solucionar estos
inconvenientes proponiendo un sensor de dimensiones relativamente
pequeñas y que presenta una función de transferencia satisfactoria
en el campo de las frecuencias ultra altas, para poder efectuar
mediciones precisas de descargas parciales colocando el sensor en
cualquier abertura disponible de la cuba del aparataje eléctrico,
como por ejemplo en una válvula de vaciado de una cuba de un
transformador aislado en aceite.
A tal fin, la invención tiene por objeto un
sensor para detectar descargas parciales en una cuba de un aparataje
eléctrico llena de un fluido dieléctrico, que comprende una antena
sensible a las ondas electromagnéticas generadas por descargas
parciales, caracterizado porque esta antena está formada por dos
electrodos separados por un resonador dieléctrico. Así, es posible
efectuar mediciones precisas de descargas parciales a la vez que se
tiene un sensor adaptado para poder ser introducido concretamente en
una válvula de vaciado.
Según un modo de realización preferido, el
primer electrodo tiene una forma de disco, el segundo electrodo
tiene una forma de tronco de cono con extremos planos, el resonador
dieléctrico tiene una forma cilíndrica, el primer electrodo, el
resonador y el segundo electrodo están separados a lo largo de un
eje de simetría y están sumergidos en un barrote cilíndrico de
material dieléctrico. Se ha constatado que la realización de un
segundo electrodo troncocónico mejora la sensibilidad de la antena
en el campo de las frecuencias situadas entre 0,5 y 1GHz, y que las
dimensiones del resonador tienen una influencia preponderante en la
sensibilidad a frecuencias situadas entre 0,2 y 0,5 GHz. De manera
análoga, distintos ensayos y simulaciones han demostrado que la
elección de un material que tiene una permisividad dieléctrica
relativa comprendida entre 1 y 3 para el resonador, y de un
material para sumergir la antena que tiene una permisividad
dieléctrica relativa comprendida entre 3 y 5, da lugar a
rendimientos óptimos.
Ventajosamente, el sensor según la invención
puede realizarse con un primer electrodo de cobre, un segundo
electrodo de aluminio y un resonador de politetrafluoroetileno,
estando todo ello sumergido en un barrote de resina epoxi, lo que
permite fabricarlo por un coste muy bajo.
La invención se describirá ahora con más
detalle, y con referencia a los dibujos adjuntos que ilustran una
forma de realización a título de ejemplo no limitativo.
La figura 1 es una vista en corte de una válvula
de vaciado durante la inserción del sensor según la invención;
la figura 2 es una vista en corte de una válvula
de vaciado cuando el sensor según la invención está en posición en
ella;
la figura 3 es una vista en corte del sensor
según la invención solo;
la figura 4 es una representación gráfica de la
función de transferencia del sensor según la invención;
la figura 5 es una representación gráfica de la
función de transferencia de un sensor de la técnica anterior.
Las figuras 1 y 2 muestran una cuba 1 de
transformador que contiene aceite no representado, comprendiendo
esta cuba 1 un canal 2 soldado a su pared externa, soportando este
canal una brida 3 a la que está fijada una válvula 4 de vaciado.
Esta válvula 4 comprende dos bridas 5 y 6 soldadas a cada uno de sus
extremos, estando unida la brida 5 de forma estanca a la brida 3
del canal 2, que está fijado por pernos periféricos. La válvula 4
comprende en este ejemplo un obturador 7 de bolas que está
representado por líneas de puntos. Tal válvula de vaciado está
generalmente prevista en la parte baja de las cubas de
transformadores con baño de aceite para permitir retirar el aceite
cuando ésta debe cambiarse, o bien cuando el transformador debe
someterse a una prueba. Un manguito 8 de forma globalmente
cilíndrico está situado en la prolongación de la válvula 4 e
incluye una brida 9 en uno de sus extremos. Esta brida está unida a
la brida 6 de la válvula 4 por varios pernos periféricos que
atraviesan cada uno de las bridas 6 y 9.
El conjunto constituido por el canal 2, la
válvula 4 y el manguito 8 define así un calibre interno que tiene
un diámetro determinado, por ejemplo sensiblemente igual a 40 mm, y
que puede recibir un sensor 15 según la invención que tiene una
forma general cilíndrica de diámetro externo ligeramente inferior al
diámetro interno de este calibre. El manguito 8 comprende además un
respiradero 10 vertical que puede cerrarse por un tornillo, dos
juntas 13 y 14 tóricas separadas una de la otra, situadas en la
periferia interna del calibre y destinadas a garantizar la
estanqueidad entre el sensor 15 y el calibre interno. Un collar 11
realizado en el cuerpo del manguito 8 y asociado con un perno 12
está situado en el extremo libre del manguito 8, para permitir la
fijación por apriete del sensor según la invención en el manguito
8.
El sensor 15 que está representado en corte en
la figura 3 tiene una forma externa cilíndrica que se extiende a lo
largo de un eje de simetría AX. Según la invención, este sensor
comprende una antena constituida por un primer electrodo 16 situado
en el extremo del sensor, y un segundo electrodo 18 separado del
primer electrodo a lo largo del eje AX, y separado de él por una
pieza 17 de material dieléctrico que forma un resonador. Se ha
constatado que la realización de tal resonador mejora
significativamente la sensibilidad de la antena para una gama de
frecuencia de interés dada. Más particularmente, su presencia
permite reducir significativamente las dimensiones de la antena con
respecto a las concepciones clásicas, conservando una sensibilidad
satisfactoria.
En una antena clásica, es decir, no equipada con
un resonador entre sus dos electrodos, las leyes de la física
imponen que el tamaño T, que corresponde sensiblemente a la
dimensión más grande de antena, esté relacionado con su frecuencia
f de sensibilidad por la relación T = 142 / f, donde f es la
frecuencia en MHz y T el tamaño en milímetros. Cuando esta
condición no se respeta, la función de transferencia de la antena se
deteriora significativamente. En consecuencia, una antena clásica
sensible en una gama de frecuencias comprendida entre 0,2 y 1 GHz,
debe tener un tamaño T situado alrededor de 742 mm. Con una antena
en espiral tal como la utilizada en la realización descrita por el
documento de patente US 6323655, esta condición implicaría que el
diámetro de la antena fuese del orden de este tamaño. Esto es
incompatible con los diámetros más difundidos para las válvulas de
vaciado que conforman las cubas de transformado-
res.
res.
Pero según la invención, la interposición de un
resonador entre los dos electrodos 16 y 18 permite reducir
significativamente la distancia que los separa o reducir el diámetro
de la antena, según el tipo de antena clásico tomado en
comparación, conservando una sensibilidad satisfactoria en la gama
de frecuencias de interés. Así, la antena del sensor 15 según la
invención puede tener un diámetro que equivale sensiblemente a 40 mm
presentando una sensibilidad satisfactoria en las frecuencias
situadas entre 0,2 y 1 GHz, lo que se detallará más abajo.
En un modo de realización preferido, el primer
electrodo 16 tiene una forma de disco y está situado en uno de los
extremos del sensor, el segundo electrodo 18 tiene una forma
troncocónica con extremos planos. Estos dos electrodos están
separados entre sí a lo largo del eje AX, estando dispuesto el
segundo electrodo 18 en forma de tronco de tal manera que su base
de diámetro menor está orientada al primer electrodo 16 y que su
base de diámetro mayor es la más separada del primer electrodo 16 a
lo largo del eje AX.
El primer electrodo 16 es aquí un disco que
tiene por ejemplo un espesor de 0,25 mm y un diámetro de 36 mm para
una válvula de calibre igual a 40 mm, cuya cara libre aflora en el
extremo del sensor. Hay que destacar que de forma general, la
función de transferencia de la antena disminuye a medida que el
espesor del disco del electrodo 16 aumenta. Se ha podido constatar
que esta disminución es importante por encima de 5 mm de espesor,
mientras que permanece aceptable entre 0,25 mm y 5 mm. Para
conciliar una altura satisfactoria de la función de transferencia
con una estabilidad mecánica suficiente del disco del electrodo 16,
es preferible que el espesor del disco esté comprendido entre 0,25
mm y 5 mm.
Este primer electrodo 16 está realizado de cobre
en este ejemplo, pero para su realización igualmente podrían
utilizarse otros materiales.
El segundo electrodo 16 que tiene la forma de un
tronco de cono con dos extremos planos está realizado de aluminio
para que su permisividad dieléctrica sea elevada, habiendo
demostrado los ensayos que esta permisividad tiene un papel
importante en la sensibilidad del sensor a las ondas
electromagnéticas. El diámetro mayor de este electrodo troncocónico
está próximo al diámetro del primer electrodo 16 en forma de disco.
En el ejemplo de las figuras, este cono está hueco, siendo
realizado a partir de un tronco de cono hueco en cuyos extremos se
han unido dos discos igualmente de aluminio.
Este electrodo también puede realizarse bajo la
forma de un tronco de cono sólido, lo que no afecta a los
rendimientos del sensor. Los diámetros y la longitud de este segundo
electrodo 18 troncocónico se eligen para optimizar la sensibilidad
de la antena, lo que se precisará más abajo.
Estos electrodos están separados a lo largo del
eje AX por un resonador 17 de material dieléctrico, que mejora
significativamente la sensibilidad de la antena en el campo de las
frecuencias ultra altas. Este resonador 17 es una pieza cilíndrica
dispuesta coaxialmente en el eje AX, realizada en un material cuya
permisividad dieléctrica se elige para maximizar la sensibilidad de
la antena en la gama de frecuencias comprendidas entre 0,2 y 0,5
GHz. Este resonador cilíndrico tiene en este ejemplo un diámetro que
está comprendido entre el diámetro menor d1 y el diámetro mayor d2
del electrodo 18 cónico.
Ensayos y simulaciones han puesto en evidencia
la influencia de las dimensiones y de la colocación relativa de los
constituyentes del sensor en su función de transferencia.
La longitud l del electrodo cónico a lo largo
del eje AX condiciona la frecuencia a la que la función de
transferencia admite un mínimo de altura nula. Más particularmente,
la frecuencia a la que aparece este mínimo es más elevada cuanto
más pequeña es la longitud l. De forma general, la longitud l debe
estar comprendida entre 20 y 150 mm, situándose preferiblemente
entre 30 y 100 mm. En el ejemplo de realización ilustrado en las
figuras, la longitud l equivale a 40 mm lo que sitúa el mínimo de
la función de transferencia por encima de 1,5 GHz, lo que está
representado en líneas de puntos en la figura 4, con el fin de
formar una función de transferencia satisfactoria en toda la gama
de las frecuencias comprendidas entre 200 MHz y 1,5 GHz.
La distancia d entre el primer electrodo en
forma de disco y el electrodo cónico, que corresponde sensiblemente
al espesor del resonador, influye en la frecuencia para la que la
función de transferencia admite un máximo local. Cuanto más elevada
sea esta distancia d más baja es la frecuencia del máximo de la
función de transferencia. Cuando se sitúa entre 10 y 60 mm la
frecuencia máxima aparece entre 0,3 y 0,6 GHz. En el ejemplo
representado en las figuras, esta distancia equivale a 25 mm, de
manera que la frecuencia del máximo de la función de transferencia
se sitúa alrededor de 0,5 GHz.
La relación del diámetro mayor d2 sobre el
diámetro menor d1 influye en el valor medio de la función de
transferencia para el conjunto de la gama de frecuencias de interés
y en la frecuencia a la que la función de transferencia admite un
máximo. Cualitativamente, cuanto más pequeña sea esta relación, es
decir cuanto más grande sea d1, más elevados serán el valor medio y
la frecuencia del máximo. Esta relación se elegirá ventajosamente
entre 2,5 y 4,5 para obtener una altura media de la función de
transferencia comprendida entre 3,5 y 4 mm.
De manera análoga, la elección de los materiales
constitutivos del resonador y de la resina epoxi en la que se
moldean los elementos de la antena juegan un papel en la calidad de
la función de transferencia del sensor. En el ejemplo de las
figuras, el material elegido para el resonador es de
politetrafluoroetileno que presenta una permisividad dieléctrica
relativa muy pequeña, situada alrededor de 2. La resina epoxi
presenta una permisividad dieléctrica relativa que equivale a 4.
Más generalmente, ensayos muestran que un valor comprendido entre 1
y 3 para el resonador con un valor comprendido entre 3 y 5 para la
resina epoxi conducen a una función de transferencia aprovechable
para la gama de frecuencia de interés.
Estos dos electrodos 16 y 18 están conectados a
aparatos de medición situados fuera del sensor 15 por medio de un
cable 19 coaxial, terminado en el exterior por un racor 20, que
atraviesa el sensor estando dispuesto sensiblemente a lo largo de
su eje de simetría AX. El conductor interior del cable coaxial está
conectado al electrodo 16 y la vaina exterior conductora del cable
coaxial está conectada al electrodo 18. El conjunto constituido por
los electrodos 16 y 18 y el resonador 17 está moldeado en un barrote
17 cilíndrico de un material dieléctrico que no interfiere con la
función de transferencia de la antena en la gama de frecuencias de
interés. Ventajosamente, este conjunto puede estar moldeado en un
barrote 21 de resina epoxi para fabricarse a un coste menor.
La figura 4 muestra la función de transferencia
del sensor 15 según la invención. Se da bajo la forma de una altura
en milímetros en función de la frecuencia en GHz del campo eléctrico
medido. Esta altura corresponde a la relación entre la tensión en
voltios medida a la salida del sensor y la amplitud en
voltios/metros del campo eléctrico correspondiente. Como puede
verse en esta figura, la función de transferencia es superior a 2
mm en la gama de frecuencias comprendidas entre 0,2 y 1 GHz, siendo
su valor medio de 4,6 mm. Por otra parte, esta función de
transferencia es muy regular en esta gama de frecuencias; no
presenta picos particulares. A título comparativo, la figura 5
muestra la función de transferencia del sensor divulgado en el
documento de patente US 6323655. Esta otra función de transferencia
es inferior a cero para las frecuencias comprendidas entre 0,2 y
0,85 GHz, y presenta varios picos de resonancia en el que uno
alcanza 10 mm para el valor de 0,9 GHz. Esta función de
transferencia comporta una multitud de otros picos de resonancia, de
manera que el sensor no es aprovechable en la gama de frecuencias
de interés.
La instalación del sensor en la válvula de
vaciado se detalla a continuación. El manguito 9 se une primero a
la brida 6 estando fijada al mismo por pernos. El collar 11 y el
tornillo 12 no se aprietan en esta fase, y la válvula de vaciado
está cerrada. El sensor 15 que contiene la antena se inserta en el
extremo libre del manguito 8 hasta que su primer extremo se
encuentra a nivel de la junta 13 tórica. La válvula 4 de vaciado se
abre después, y el respiradero 10 se abre para liberar el aire
encerrado en el manguito así como eventualmente una pequeña
cantidad de aceite. El respiradero 10 se cierra a continuación
apretando el tornillo correspondiente en su alojamiento. La válvula
de vaciado se abre completamente a continuación para permitir el
paso del sensor 15. El sensor se clava de manera que atraviese la
junta 14 tórica, hasta que el extremo de este sensor que contiene
la antena alcanza el interior de la cuba 1 para coincidir con la
superficie interna de ésta.
Ventajosamente, el extremo del sensor 15 puede
penetrar ligeramente en el interior de la superficie interna de la
cuba 1 para mejorar la función de transferencia. La profundidad de
penetración depende de la posición de la válvula de vaciado con
respecto a la cuba 1, y de la estructura del transformador.
Particularmente, se ha constatado que una penetración de diez
milímetros es satisfactoria cuando la válvula de vaciado está
próxima a la tierra de bobinado interna. Cuando la posición adecuada
se alcanza, el collar 11 se aprieta en el sensor por medio del
tornillo 12 para garantizar una posición estable del sensor con
respecto a la válvula de vaciado. Tras la realización de una
campaña de medición, el sensor 15 se retira de la válvula de vaciado
según un orden inverso al indicado anteriormente.
La relativa compacidad de un sensor según la
invención presenta interés no solamente para una instalación en una
válvula de vaciado de un líquido dieléctrico, sino también para una
instalación en la envoltura metálica de un aparataje eléctrico
blindado aislado al gas.
Claims (9)
1. Sensor (15) para detectar descargas parciales
en una cuba (1) de un aparataje eléctrico llena con un fluido
dieléctrico, que comprende una antena (16-18)
sensible a las ondas electromagnéticas generadas por descargas
parciales, caracterizado porque esta antena está formada por
dos electrodos (16, 18) separados por un resonador (17)
dieléctrico.
2. Sensor (15) según la reivindicación 1, en el
que el primer electrodo (16) tiene una forma de disco, en el que el
segundo electrodo (18) tiene una forma de tronco de cono con
extremos planos, en el que el resonador (17) dieléctrico tiene una
forma cilíndrica, estando separados el primer electrodo (16), el
resonador (17) y el segundo electrodo (18) a lo largo de un eje de
simetría (AX) y estando sumergidos en un barrote cilíndrico de
material dieléctrico.
3. Sensor (15) según la reivindicación 2, que
tiene un cable (19) coaxial, que tiene un conductor interno
conectado al primer electrodo (16) y una vaina exterior conductora
conectada al segundo electrodo (18).
4. Sensor (15) según la reivindicación 2 o 3, en
el que el primer electrodo (16) y el segundo electrodo (18) están
separados a lo largo del eje (AX) por una distancia (d) comprendida
entre 10 y 60 milímetros.
5. Sensor (15) según la reivindicación 2 o 4, en
el que los extremos del segundo electrodo (18) tienen
respectivamente un diámetro menor (d1) y un diámetro mayor (d2)
cuya relación está comprendida entre 2,5 y 4,5 y que están
separados por una longitud (l) comprendida entre 30 y 100 mm.
6. Sensor (15) según una de las reivindicaciones
2 a 5, en el que el resonador (17) de forma cilíndrica tiene un
diámetro comprendido entre el diámetro menor (d1) y el diámetro
mayor (d2) de los extremos del electrodo cónico.
7. Sensor (15) según una de las reivindicaciones
2 a 6, en el que el resonador (17) está realizado en un material
que tiene una permisividad dieléctrica relativa comprendida entre 1
y 3.
8. Sensor (15) según una de las reivindicaciones
2 a 7, en el que el barrote cilíndrico está realizado en un
material que tiene una permisividad dieléctrica relativa comprendida
entre 3 y 5.
9. Sensor (15) según una de las reivindicaciones
2 a 8, en el que el primer electrodo (16) es de cobre, el segundo
electrodo (18) es de aluminio, el resonador (17) es de
politetrafluoroetileno, y en el que todo está sumergido en un
barrote de resina epoxi.
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