ES2890137T3 - Procedimiento de monitorización continua y diagnóstico de fuentes de descargas parciales (DP) en cables de alta tensión durante su conexión y funcionamiento en la red, y sistema físico para la puesta en práctica del mismo - Google Patents
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Abstract
Se describe un procedimiento especialmente concebido para detectar eventos asociados a descargas parciales (DPs) en cables de alta tensión, con identificación del emplazamiento, evaluación de la amplitud y tasa de repetición por periodo de la tensión de red, con posibilidad de identificar diferentes fuentes productoras de señales de DPs en función de su emplazamiento, y reconocer el tipo de defecto asociado a las DPs situadas en un mismo emplazamiento, realizando una medición de las señales eléctricas generadas y su discriminación respecto del ruido de fondo. También se describe un sistema de puesta en práctica del procedimiento que comprende medios para discriminar el ruido respecto a la forma de onda transitoria de la DP, determinar los parámetros asociado a ésta, determinar el mapa de fuentes de DPs a lo largo del cable, representar gráficamente estas fuentes, e identificar los patrones de las fuentes de DPs separados en función de su emplazamiento a lo largo del cable.
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento de monitorización continua y diagnóstico de fuentes de descargas parciales (DP) en cables de alta tensión durante su conexión y funcionamiento en la red, y sistema físico para la puesta en práctica del mismo
Objeto de la invención
La presente invención se refiere a un nuevo procedimiento según la reivindicación 1 para la monitorización de descargas parciales (DP) en cables de alta tensión (AT), con empalmes y terminaciones instalados cuando están en funcionamiento dentro de una red eléctrica de alta tensión alterna. El procedimiento consistente en la discriminación, localización, medición, identificación y diagnóstico de las DP, a fin de evaluar de forma continua el estado de su aislamiento cuando están en servicio. La invención incluye también un sistema físico según la reivindicación 5 para la puesta en práctica del procedimiento.
El nuevo procedimiento propuesto por la presente invención discrimina las señales de DP respecto del ruido eléctrico, localiza la posición de las DP, determina la magnitud de las DP, identifica su comportamiento en función de la tensión de red y diagnostica la gravedad de las diferentes fuentes de DP, con el propósito de prevenir fallos en los cables de los sistemas eléctricos de media y alta tensión. El sistema físico para la puesta en práctica del procedimiento incluye sensores de captación para detectar las señales a medir, dispositivos de registro de las señales de DP, sistemas de transmisión de las señales, dispositivos de almacenamiento de la información, herramientas numéricas de análisis de los resultados que implementan el procedimiento y los elementos de protección necesarios.
Antecedentes y Sumario de la invención
El diagnóstico del aislamiento basado en la detección e interpretación de las descargas parciales es uno de los procedimientos más prometedores para la evaluación del estado del aislamiento del material eléctrico de alta tensión, tales como transformadores de potencia, transformadores de instrumento, reactancias, aparamenta eléctrica y, en particular, de los cables con sus accesorios instalados en las redes eléctricas.
En el presente documento, una "descarga parcial" se refiere a una descarga eléctrica que afecta a una parte limitada del aislamiento donde se produce, sin provocar su fallo inmediato, sino su progresiva degradación, excepto en caso del aislamiento constituido por el aire ambiente, ya que la degradación por efecto de la ionización se compensa con la renovación natural.
Sin embargo, muchos de los instrumentos disponibles en el mercado incluyen procedimientos con fuertes limitaciones cuando se realizan mediciones in situ en entornos característicos de las instalaciones de alta tensión con alto nivel de ruido eléctrico.
Existen tres importantes dificultades prácticas en las mediciones in situ de descargas parciales de cables de AT, que la presente invención se ha propuesto como objetivo solventar:
- por un lado, está la dificultad de distinguir las señales eléctricas de DP debidas a defectos del aislamiento de alta tensión de las señales eléctricas propias del ruido eléctrico del entorno (emisoras de radio, telefonía móvil, ruido blanco, etc.) que enmascaran las señales de DP;
- por otro lado, está la dificultad de localizar la posición de las fuentes de las DP a lo largo de la longitud del cable a fin de poder efectuar la oportuna reparación de la zona defectuosa, y
- por último, está la dificultad de identificar los eventuales defectos involucrados en una determinada posición del cable (por ejemplo, en una terminación de cable) a fin de poder valorar la gravedad del defecto y actuar en consecuencia. A título de ejemplo, es sabido que las DP debidas al efecto corona en el aire ambiente no son cruciales para el fallo del aislamiento, mientras que las DP debidas a un defecto interno del cable producirán inevitablemente la perforación del aislamiento antes o después. Consecuentemente, es preciso conocer la gravedad de las fuentes de las DP.
Las técnicas actuales aplicadas a las mediciones de las DP en campo tratan de resolver algunos de estos problemas de diferente forma, pero con fuertes limitaciones, según se explica a continuación:
a) Problemas de ruido eléctrico de fondo:
La mayor parte de los métodos conocidos tratan de eliminar el ruido eléctrico de fondo suponiendo que se encuentra en una banda de frecuencia en la que se efectúa el filtrado. Debe destacarse que la propia concepción de esta técnica de filtrado produce la eliminación o atenuación del ruido junto a la atenuación o eliminación, también, de la señal a medir de descargas parciales para el rango de frecuencias filtradas.
En otros procedimientos conocidos se analiza el espectro de frecuencia de la señal de ruido a fin de elegir una banda
de frecuencia de medición donde la amplitud del ruido es lo más baja posible. El inconveniente de este procedimiento es que, a veces, la banda de menor señal de ruido coincide con la banda donde la señal de DP es también débil en amplitud, por lo que la medición de la DP es pobre e ineficiente. Por ejemplo, si la frecuencia elegida para la medición es elevada, entonces la atenuación por distancia puede ser excesiva y la sensibilidad insuficiente a las descargas parciales producidas en posiciones lejanas al sensor.
Finalmente, otro procedimiento conocido trata de eliminar el ruido mediante la clasificación de las señales registradas (DP ruido) en grupos. Los grupos se forman mediante la determinación de parámetros asociados a la forma de la señal (duración y frecuencia) y a su amplitud. El inconveniente especifico de este procedimiento es que el procesamiento se efectúa por nivel de señal, de forma que para asegurar la captura de señales de DP se debe reducir el nivel de adquisición y, por tanto, aumenta sensiblemente el contenido de señales de ruido. El procesamiento se hace muy pesado ya que se junta el ruido con las DP.
Todos estos procedimientos indicados presentan además fuertes limitaciones frente al ruido blanco, cuyo espectro cubre todas las frecuencias de la señal de DP. Las técnicas de filtrado en frecuencia no se pueden aplicar ya que se perdería también la señal de DP, ni se puede elegir una banda de frecuencia donde no haya ruido, ya que en todas existe señal de ruido, ni tampoco se pueden distinguir grupos de DP de frecuencia diferente a la del ruido.
Para remediar los problemas anteriores, la presente invención propone realizar la transformada de Wavelet de la señal registrada y analizar estadísticamente sus componentes, a fin de encontrar eventos transitorios característicos de los pulsos de DP que se distingan de la evolución estadística del ruido eléctrico. Los pulsos reconocidos como DP transitorias diferentes al ruido pueden proceder de defectos de aislamiento originados en el cable o en otros equipos de alta tensión, o pueden proceder también de la electrónica de potencia conectada a la red, ya que la electrónica de potencia produce similares eventos transitorios a los pulsos de DP característicos de defectos de aislamiento. La herramienta de identificación del tipo de los pulsos de DP a través de sus patrones en función del desfase con la tensión permite clasificar, de forma eficiente, los grupos de pulsos, distinguiendo los debidos a defectos de aislamiento de los debidos a la electrónica de potencia.
b) Problema de localización de la posición del pulso:
La mayor parte de los procedimientos conocidos tratan la localización de los pulsos de DP mediante la técnica de reflectometría, que consiste en adquirir las señales en una estación de medición situada en uno de los extremos del cable y determinar el retraso de tiempo entre la señal que procede directamente de la fuente de DP y la señal que procede de la reflexión en el extremo opuesto del cable donde el circuito se deja abierto. La posición de las fuentes de las DP a lo largo del cable se determina teniendo en cuenta la velocidad de propagación de la señal de DP a través del cable. La eficacia de este procedimiento está limitada por los siguientes motivos:
- la señal reflejada debe viajar hasta el extremo final del cable abierto y retornar a lo largo de toda la longitud del cable. Consecuentemente, para cables largos de longitud superior a un kilómetro, la señal reflejada puede llegar tan atenuada que muchos pulsos de DP no podrán detectarse y, consecuentemente, no se podrá identificar su posición. Este problema se acentúa en el diagnóstico de cables secos en los que pequeñas amplitudes de DP caracterizan un alto riesgo de fallo de aislamiento, siendo la atenuación de la señal crítica para su detección; - el extremo final del cable debe estar abierto para lograr la máxima reflexión de la señal, lo que dificulta que esta técnica pueda ser aplicada cuando el cable se encuentra en servicio, es decir, conectado a la red.
Otras técnicas consideran que las DP que aparezcan solo pueden provenir de los accesorios (terminaciones o empalmes), por lo que se disponen sensores en todos y cada uno de los accesorios a fin de atribuir el emplazamiento de las fuentes de DP al accesorio donde la amplitud de las señales de DP es más elevada. El inconveniente de este procedimiento reside en la simplificación de suponer que solo los accesorios son susceptibles de defectos de aislamiento, olvidando que el propio cable está expuesto a defectos de fabricación o a daños de montaje u operación. Además, este procedimiento exige disponer un sensor en cada accesorio, lo cual no siempre es posible, especialmente en las redes de media tensión en las que el coste asociado de los sensores y la instrumentación en cada accesorio no justifica la aplicación de esta técnica de diagnóstico.
Otra técnica consiste en disponer al menos dos sensores a lo largo de un cable en diferentes emplazamientos. Cuando la señal de DP en uno de los sensores excede de un determinado nivel superior al ruido de fondo, se capturan de forma sincronizada las señales procedentes de al menos dos sensores diferentes. Comparando los tiempos de llegada de la misma señal a los diferentes sensores, se determina la posición de la fuente de DP. El inconveniente de esta técnica consiste en que los pulsos de DP deben ser superiores al nivel de ruido de fondo, lo que dificulta encontrar los pulsos de DP por debajo del ruido de fondo.
En la propuesta de la presente invención para resolver este problema, no se utiliza la técnica de reflectometría, ni tampoco se espera a que la señal de DP que llega a uno de los sensores esperados exceda un determinado nivel (ruido de fondo) para efectuar una captura de todos los sensores. En el nuevo procedimiento de la invención se utilizan,
al menos, dos sensores situados en diferentes emplazamientos a lo largo del cable y se realizan capturas periódicas y sincronizadas por periodos completos de la onda de la tensión de red (por ejemplo, cada minuto se captura un periodo de la onda de la tensión de red de 20 ms para 50 Hz y 16,6 ms para 60 Hz) independientemente del ruido de fondo existente. Tras cada captura, el ruido eléctrico de fondo se elimina. El retraso de tiempos de llegada de la misma señal de DP a dos sensores situados en diferentes emplazamientos permite identificar la posición de la fuente que produce las descargas parciales. Esta metodología solo puede aplicarse de forma eficaz gracias a la eliminación eficaz, y en primera instancia, de las señales de ruido de fondo, lo que permite observar con nitidez las DP capturadas, logrando localizar la posición de las fuentes de DP en entornos extremadamente severos de ruido eléctrico.
c) Problema de la identificación del tipo de defecto asociado a las DP:
La identificación del tipo de fuente asociado a las DP medidas no está resuelto en la mayor parte de las técnicas de diagnóstico del estado del aislamiento de cables, dejando esta decisión al criterio del operador. Algunas técnicas utilizan el desfase de las DP respecto de la tensión aplicada para generar un patrón de las fuentes de DP a fin de ayudar al operador a tomar la decisión.
Es sabido que, en función del tipo de defecto (cavidad en el interior del aislamiento, descarga superficial en aislamientos sucios o defectuosos, efecto corona en aire en partes conductoras puntiagudas, etc.), se producen patrones característicos de DP en fase con la tensión, que se denominan patrones de las DP. Si se compara el patrón medido de las DP en todo el cable con los patrones de referencia, es posible observar si existe un solo defecto o varios defectos. Sin embargo, cuando existen varios defectos a lo largo del cable, sus correspondientes patrones se superponen en el punto de medición y pueden confundirse fácilmente unos con otros, sin que sea fácil identificar todos y cada uno de los defectos, siendo la experiencia del operador crucial para un correcto diagnóstico. Además, el ruido no eliminado en las técnicas comerciales dificulta, aún más, la identificación de diferentes fuentes de DP a través de la simple observación de sus patrones de DP.
De acuerdo con la nueva invención, este problema se solventa generando automáticamente, tras la previa eliminación del ruido de fondo, un patrón de pulsos de DP asociado a las descargas parciales emplazadas en cada posición a lo largo del cable con el propósito de evitar superposición de patrones asociados a defectos que estuvieran ubicados en diferentes emplazamientos (diferentes empalmes, terminaciones del cable). Una vez separados los patrones por posición, la invención incluye una herramienta de reconocimiento automático de patrones de defectos, adiestrada a través de una red neuronal a fin de que el operador pueda emitir una evaluación eficiente del estado del aislamiento. El documento US2009/0177420A1 divulga técnicas para detectar y emplazar descargas parciales en un equipo eléctrico utilizando umbrales de disparo como niveles para adquirir información, y una pantalla gráfica que ayude a un usuario en el diagnóstico.
Breve descripción de los dibujos
Con el fin de complementar la descripción y hacer más fácil la explicación de la misma, se acompaña únicamente a título ilustrativo y sin carácter limitativo alguno, un juego de dibujos en los que:
la Figura 1 es una representación gráfica ilustrativa de señales de DP discriminadas mediante filtro de transformada de Wavelet con procesamiento estadístico complementario;
la Figura 2 ilustra dos detalles (a, b) del filtro, correspondientes a una DP superpuesta en la cresta de la señal de ruido y a una DP superpuesta en la pendiente subida de la señal de ruido, respectivamente;
Las Figuras 3a y 3b ilustran, respectivamente, una señal de tipo DP inmersa en ruido blanco de amplitud superior a la señal de ruido, discriminada mediante transformada Wavelet con procesamiento estadístico complementario, y una ampliación que evidencia la presencia de la señal de tipo DP, respectivamente;
la Figura 4 representa un diagrama de flujo ilustrativo del procedimiento de la presente invención;
la Figura 5 es un esquema de la estructura general del sistema de la presente invención, y
la Figura 6 ilustra gráficamente el esquema de los subsistemas que integral el sistema de la Figura 5.
Descripción de una realización de la invención
Tal y como se ha enunciado en lo que antecede, la presente invención consiste en un procedimiento de medición y análisis de la medición, para una evaluación eficaz del estado del aislamiento de los cables de alta tensión durante su operación en la red, que mejora las técnicas utilizadas en la actualidad y que subsana, como se ha dicho, los inconvenientes asociados a estas técnicas.
Para poder aplicar el procedimiento de evaluación del estado del aislamiento de los cables de alta tensión que la invención propone, se deben disponer al menos dos sensores que trabajen en un rango de frecuencias comprendido entre 1 MHz y 20 MHz, situados a lo largo del tramo del cable que se va a analizar. A tal efecto, se utilizan sensores de DP integrados en cada accesorio o sensores externos. Los sensores electromagnéticos y capacitivos se disponen integrados en el cable, mientras que los sensores de tipo transformador de corriente de alta frecuencia se colocan
abrazando las pantallas del cable (sensores no invasivos).
Así, el objetivo de la nueva invención es mejorar los resultados de evaluación del estado del aislamiento de los cables de alta tensión instalados y en servicio que se obtienen utilizando las tecnologías actuales, a fin de poder disponer de un nuevo procedimiento capaz de detectar, discriminar entre señales de ruido eléctrico y señales de tipo "descarga parcial", localizar su posición a lo largo del cable, conocer su magnitud, identificar las fuentes de DP que se produzcan en diferentes posiciones a lo largo del cable y, finalmente, diagnosticar la gravedad de cada uno de los defectos encontrados.
Este objetivo ha sido alcanzado plenamente con la presente invención y está caracterizado por las reivindicaciones que se anexan, en las que el procedimiento reivindicado contempla las etapas que se describen en lo que sigue y que se muestran esquemáticamente en relación con el diagrama de flujo de la Figura 4 de los dibujos. Así:
una primera etapa del procedimiento (bloque 4.1) consiste en adquirir capturas sincronizadas de la señal recogida por cada sensor durante intervalos de tiempo iguales a un periodo de la tensión de red. La sincronización de la captura se realiza mediante una señal de disparo simultáneo de las distintas unidades de adquisición de señal, por ejemplo, a través de una señal de disparo transmitida por fibra óptica con repetidores de baja latencia (retraso despreciable) distribuidos a lo largo del cable. El disparo sincronizado es muy importante para poder localizar posteriormente la posición de las fuentes de DP.
En una segunda etapa (bloque 4.2), se lleva a cabo la discriminación del ruido eléctrico respecto a la señal adquirida. El ruido es causado por una mezcla de señales acopladas a las señales de DP, bien de forma conducida a través del sistema de alimentación o por el sistema de puesta a tierra, o bien transmitida de forma radiada, por ejemplo, por estaciones de radio, teléfonos móviles, etc. La eliminación del ruido se realiza mediante el filtrado de las señales conducidas por la alimentación y por tierra y mediante tratamiento numérico de las señales capturadas a través de los sensores. El procesamiento numérico de la presente invención consiste en realizar la transformada Wavelet de la señal adquirida y analizar estadísticamente sus componentes a fin de encontrar eventos transitorios característicos de señales de DP (pulso oscilante amortiguado) que se distingan de la evolución estadística del ruido eléctrico. Para el análisis estadístico de las señales se utiliza un parámetro asociado a la dispersión de la señal en el periodo de captura. Aplicando este método a la señal original registrada, es posible discriminar el ruido eléctrico de los pulsos transitorios subamortiguados característicos de las DP.
Analizando las Figuras 1 y 2, se pueden apreciar algunos detalles relacionados con el filtrado. En este sentido, la Figura 1 muestra una proporción del orden de 1/8 entre el nivel de la amplitud de la señal (1.1) de DP, con respecto a la amplitud de la señal (1.2) de ruido; la forma de onda de la tensión aparece representada en el gráfico por debajo de las señales anteriores e identificada con la referencia (1.3). Por su parte, la Figura 2 es ilustrativa de dos detalles (a - b) que representan gráficamente una señal (2a.1) de DP cuando se superpone en la cresta de la señal de ruido (Figura 2a), cuya señal resultante se muestra en (2a.2), y cuando una señal (2b. 1) de DP se superpone cerca del nivel de cero en la pendiente de la señal de ruido (Figura 2b), obteniéndose como señal resultante la mostrada con la referencia (2b.2).
Si se observa la Figura 3, aparecen representaciones relacionadas con la identificación de una señal (3a.1) de descarga parcial (DP) inmersa en un ruido blanco (3a.2) de amplitud aproximadamente doble a la amplitud de la DP (Figura 3a), y una ampliación en detalle de la zona en la que el procedimiento de la presente invención aplicado (Figura 3b) evidencia que, inmerso en el ruido blanco (3b.2), existe superpuesto un evento transitorio formado por un pulso oscilante (3b.1) amortiguado característico de una señal de DP, lo que ratifica el correcto funcionamiento del procedimiento empleado de discriminación entre del ruido blanco y la señal de tipo DP.
Volviendo a las etapas del proceso, la tercera y cuarta etapas (bloques 4.3 y 4.4 del diagrama de flujo de la Figura 4), consisten en asociar a cada señal característica de DP un conjunto de parámetros representativos que permitirán posteriormente formar grupos de DP. A tal efecto, se realizan dos tipos de procesamiento diferentes, y los parámetros así calculados se guardan en una base de datos (bloque 4.11).
En la tercera etapa (bloque 4.3) se lleva a cabo el procesamiento de las señales de DP individuales para determinar, para cada señal de tipo DP, los siguientes parámetros: el tiempo de llegada de un pulso t¡ y el ángulo de fase en el tiempo $¡ respecto al paso por cero de la señal de tensión de red. También se determinan dos parámetros adicionales relacionados con la magnitud de la señal de la DP: la amplitud de la envolvente de un pulso A¡ y un parámetro correlacionado con la integral de la envolvente de la DP. En la publicación mencionada por G.G. Stone, “Partial discharge Diagnostics and Electrical Equipment Insulation Condition Assessment”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 12, n.° 5, octubre de 2005, como en el documento de solicitud de patente internacional PCT/WO 2006/092632 A2 (8 de septiembre de 2006), el emplazamiento de las descargas parciales se basa en comparar los momentos de las señales de descarga parcial máxima inicial y secundaria, mientras que el procedimiento al que se hace referencia en la presente invención determina el tiempo de llegada (tiempo de inicio) y el pulso de su cresta, debido a la eficiencia de filtrado de la etapa 4.2. La señal de DP en aumento depende de la distancia que recorre la DP desde su origen hasta la extensión que captura el sensor.
En la cuarta etapa (bloque 4.4), se realiza el procesamiento de señales de las DP recogidas por los diferentes sensores y sistemas de adquisición de datos a fin de determinar los siguientes parámetros adicionales: parámetro de la fase 9 (Ll, L2, L3) donde la señal de DP se origina, teniendo en cuenta la amplitud más elevada de las señales detectadas de los sensores situados en los accesorios (empalme o terminación) de las tres fases y el parámetro asociado al emplazamiento a lo largo del cable de la señal de tipo DP x¡ donde se estima que se haya generado la DP, que se calcula mediante el tiempo de retraso, x¡ (A t¡) , entre la llegada de cada señal de DP.
En la quinta etapa del procedimiento (bloque 4.5), se repite el proceso de las etapas anteriores (desde la primera hasta la cuarta), hasta completar 50 adquisiciones de señales de DP para redes de 50 Hz, y 60 adquisiciones para redes de 60 Hz, equivalentes a un intervalo de tiempo total de adquisición de 1 segundo. El objetivo de este paso es disponer de datos suficientes para determinar la magnitud de las amplitudes de las señales de tipo DP y su tasa de repetición por periodo de la tensión de red, así como aumentar los datos asociados al emplazamiento de las DP a lo largo del cable. Una vez completada la etapa, se accede al bloque siguiente, sexta etapa, en la que se determinan, para las DP detectadas por cada sensor, la magnitud de las amplitudes de los pulsos de DP y la tasa de repetición de señales de DP por periodo de la tensión. La magnitud de la amplitud se determina como la magnitud más grande que ocurra repetidamente en cada uno de los sensores, que es calculada a través del valor de cuasi pico de las amplitudes de las señales de DP registradas en las 50 adquisiciones y la tasa de repetición se determina como el valor medio de las señales de tipo DP detectadas por periodo a través un sensor en las 50 o 60, según sea el caso, adquisiciones realizadas. Los datos calculados se guardan en una base de datos (bloque 4.11) para conocer la evolución histórica de las señales de tipo DP detectadas a través del sensor en consideración.
En la séptima etapa (bloque 4.7), se repite el proceso de los pasos anteriores hasta completar un número de adquisiciones estadísticamente representativo como para efectuar con fiabilidad el proceso de emplazamiento de las señales de tipo DP, la representación de su patrón en fase con la tensión y el reconocimiento de los defectos asociados a cada patrón, correspondientes a las siguientes etapas octava, novena y décima, respectivamente. El número de adquisiciones, que se considera mínimo estadísticamente para efectuar con fiabilidad los referidos análisis, es de 200, pero cuanto mayor sea este número, más fiable será el diagnóstico.
Una vez completada con éxito la etapa anterior, se accede a la siguiente etapa octava (bloque 4.8) en la que, teniendo en cuenta los datos almacenados en la base de datos (bloque 4.11) de cada señal de DP, se determina el mapa de emplazamientos de las fuentes de DP en función de la posición que ocupan a lo largo del cable las señales de tipo DP. El referido mapa se construye teniendo en cuenta el parámetro del emplazamiento de cada señal x¡ de tipo DP, junto con un análisis de coherencia. El análisis de coherencia referido consiste en rechazar los pulsos de DP procedentes de reflexiones en accesorios, y rechazar los emplazamientos x¡ determinados a partir de dos señales DP con un amortiguamiento inconsistente con la distancia que separa la fuente de la DP y el sensor. Se corrige la amplitud de cada pulso de DP captado por un sensor para tener en cuenta el amortiguamiento de la señal. En el mapa de las DP se incluye, para cada emplazamiento de pulsos de DP, dos tipos de datos diferentes: la tasa media del número de pulsos de Dp por periodo de la onda de tensión aplicada y las amplitudes de las señales originales DP en los emplazamientos donde se generan. Estos dos datos se determinan por el análisis estadístico del conjunto de las DP situadas en cada emplazamiento donde aparecen DP.
Debe entenderse por "emplazamiento de pulsos de DP" un tramo del cable de aproximadamente 3 a m donde las DP se originan. El emplazamiento se identifica respecto a la distancia relativa a un determinado sensor tomado como referencia, que está dispuesto en un empalme o en una terminación del cable.
En la novena etapa (bloque 4.9) se representan gráficamente los pulsos de las DP con su posición de ángulo de fase en el tiempo $¡ respecto al paso por cero de la señal de tensión de red, asociado a las DP situadas en cada emplazamiento del cable donde aparezcan DP, a fin de poder tener un patrón de DP representativo de cada emplazamiento de DP para poder aplicar la siguiente etapa.
En la décima etapa (bloque 4.10) se realiza una comparación el patrón de los pulsos de las DP en fase con la onda de la tensión aplicada y patrones de referencia. Es sabido que el riesgo de fallo del aislamiento depende del proceso físico causante de los pulsos de DP, por ejemplo, los pulsos corona en aire no son cruciales para provocar la ruptura dieléctrica del aislamiento, pero las descargas parciales debidas a un defecto interno tipo cavidad resultan críticas para la vida del aislamiento. Consecuentemente, es muy importante conocer el tipo de defecto asociado a cada fuente de DP para poder evaluar el estado del aislamiento de un cable y de sus accesorios (terminales y empalmes). Así, el patrón formado por los pulsos de las DP en fase con la onda de la tensión aplicada asociados a cada emplazamiento de DP se compara con respecto a los patrones de referencia asociados a defectos típicos con el fin de evaluar el riesgo de fallo de cada una de las fuentes de DP detectadas en cada emplazamiento. Esta comparación permite el reconocimiento de defectos tipo. Para un reconocimiento automático se aplica una red neuronal de reconocimiento de patrones a cada una de las fuentes de DP detectada.
Una interfaz de usuario (bloque 4.12), esquematizada en la Figura 4, permite mostrar los datos procesados para realizar la evaluación final del estado del aislamiento del cable a partir de la siguiente información:
- evolución histórica de las DP medidas por cada sensor en un accesorio (etapa sexta, bloque 4.6);
- mapa de las DP donde se emplazan las fuentes de DP (etapa octava, bloque 4.8);
- patrón resuelto en fase de las DP en cada emplazamiento (etapa novena, bloque 4.9);
- reconocimiento de patrón resuelto en fase para cada fuente de DP (etapa décima, bloque 4.10).
El nuevo procedimiento de monitorización de descargas parciales en cables instalados y en servicio para discriminar, localizar, medir, identificar y diagnosticar fuentes de descargas parciales ha sido descrito suficientemente en lo que antecede. Adicionalmente, la invención tiene también por objeto la implementación de un sistema para la puesta en práctica de dicho procedimiento, el cual va a ser descrito en lo que sigue.
De acuerdo con la invención, el sistema físico para la aplicación del procedimiento preconizado tiene como finalidad monitorizar de forma continua las DP que se produzcan en diferentes cables conectados a una subestación o centro de transformación. La estructura de este sistema corresponde al esquema general que aparece representado en la Figura 5 de los dibujos, y muestra un número de sistemas de medición (SM) (5.1) para medir las descargas parciales, distribuidos a lo largo de cables (5.2) respectivos para recoger las señales de DP. Al menos deben disponerse dos sistemas de medición, uno en cada extremo de un cable (5.2) a monitorizar. Los SM (5.1) no tienen ninguna capacidad de procesamiento individual, sino que son controlados por el ordenador de un Sistema de Control y Análisis s Ca (5.3) que se dispone en una de las dos subestaciones de transformación (5.4) donde el cable se conecta. La información de cada s Ca (5.3) es enviada a un Sistema Central (5.5) de base de datos (SC BBDD) para que pueda ser consultada desde cualquier ordenador (5.6) conectado a la red de datos. Aquí, las señales de tipo DP junto con el ruido eléctrico de fondo presente son capturadas y registradas por el sistema (5.1) de medición (etapa primera (bloque 4.1) del diagrama de flujo de la Figura 4), y enviadas a través de una Red de Transmisión de Datos RTD (6.3), Figura 6, a un ordenador que actúa como Sistema de Control y Análisis SCA (6.1) para procesar y analizar la señales medidas (etapas segunda a décima (bloques 4.2 a 4.10) del diagrama de flujo de la Figura 4), de la siguiente forma:
a) discriminar el ruido eléctrico de fondo de las señales de tipo DP (etapa segunda (bloque 4.2) del diagrama de flujo de la Figura 4),
b) localizar la posición de las fuentes de DP en los emplazamientos del cable donde se originan (etapas asociadas a los bloques 4.3, 4.4, 4.5, 4.7 y 4.8) del diagrama de flujo),
c) conocer su amplitud y tasa de repetición (etapas asociadas a los bloques 4.3, 4.5 y 4.6) del diagrama de flujo), d) identificar el patrón de las DP en función del desfase de los pulsos de DP con la onda de tensión de red (etapa novena (bloque 4.9 del diagrama de flujo), y
e) diagnosticar cada patrón asociado a un emplazamiento productor de DP con un defecto tipo cavidad, descarga superficial externa o corona (etapa décima (bloque 4.10 del diagrama de flujo).
Los subsistemas que componen el sistema de monitorización, mostrados en la Figura 6 de los dibujos, son los siguientes:
- Subsistema de Control y Análisis (6.1), compuesto por los siguientes elementos:
- Ordenador de Control y Procesamiento OCP (6.1.1), que recopila y procesa las señales medidas por los SM (6.2) conforme al procedimiento de análisis descrito en el diagrama de flujo de la Figura 4, y decide la cadencia de generación de pulsos de sincronización;
- Generador de Pulso de Sincronización GPS (6.1.3), previsto para generar un pulso de sincronismo en base a la cadencia marcada previamente por el OCP (6.1.1) y coincidente con un paso por cero de la tensión, y lo envía a través de un cable de fibra óptica CFO (6.3.2);
- Detector de Paso por Cero (DPC) (6.1.2), que informa al GPS (6.1.3) de cuándo la onda de tensión de red de la línea monitorizada pasa por cero.
- Subsistemas de Medición (6.2), distribuidos a lo largo del cable, compuesto cada uno por:
- tres Sensores de Descargas Parciales SDP (6.2.1), situados en las pantallas de los accesorios (terminaciones y/o empalmes) de cada fase. Los sensores no invasivos utilizados son transformadores de corriente de alta frecuencia (HFCT) de ancho de banda comprendido entre 1 MHz y 20 MHz, que se disponen acoplados a las pantallas de los cables en los accesorios; también se pueden utilizar sensores integrados en el propio accesorio del cable;
- dos tarjetas de Registradores Digitales RD (6.2.2), de dos canales cada una, disparadas por el pulso de sincronización procedente del GPS (6.1.3). La salida de cada sensor (6.2.1) se conecta a un canal de un RD (6.2.2) , por lo que se utilizan tres canales de registro para una línea eléctrica trifásica, quedando uno de reserva. La velocidad de muestreo y la resolución vertical mínima de cada tarjeta registradora es de, al menos, 100 Megamuestras por segundo y 10 bits;
- un Transmisor de Pulso de Sincronización TPS (6.2.3), que convierte el pulso de sincronización proveniente de la CFO (6.3.2) en un pulso eléctrico de disparo de los RD (6.2.2), para volverlo a convertir en un pulso óptico para su envío al siguiente SM (6.2) a través de la CFO (6.3.2), y
- un Equipo de Protección y Control EPC (6.2.4), que protege contra sobretensiones y sobretemperaturas a los
dos RD (6.2.2) y al TPS (6.2.3) del SM (6.2), a la vez que permite controlar a través de órdenes de SCA (6.1) a los dos RD (6.2.2).
- Red de Transmisión de Datos, RTD (6.3), compuesta por los siguientes elementos:
- Conversor Ethernet-Fibra Óptica CE-FO (6.3.1), que permite transferir los datos del SCA (6.1) al CFO (6.3.2) y viceversa;
- un Cable de Fibra Óptica (CFO) (6.3.2) con dos fibras para transferir los datos y otra para el pulso de sincronización, y
- un Switch Ethernet SE (6.3.3) con dos entradas ópticas para adaptar datos del SM (6.2) en señales ópticas, para ser transmitidos por el CFO (6.3.2), así como recibir las órdenes y control de SCA (6.1).
No se considera necesario hacer más extenso el contenido de la presente descripción para que un experto en la materia pueda comprender su alcance y las ventajas que de la misma se derivan.
Sin perjuicio de lo anterior, debe entenderse que la descripción realizada corresponde únicamente a una realización preferida de la invención y que, en consecuencia, puede ser objeto de cambios, modificaciones y/o alteraciones, asimismo protegidas siempre que caigan dentro del alcance de las reivindicaciones anexas.
Lista de referencias
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[3] Patente n.° US 6.366.095 B1 (Dirk Marinus Van Aartrijk), publicada en abril de 2002.
Claims (6)
1. Un procedimiento de monitorización continua de descargas parciales en cables de alta tensión trifásica (5.2), comprendiendo el procedimiento:
- medir de forma sincronizada las señales eléctricas de los cables de alta tensión trifásica durante un intervalo de tiempo de al menos un periodo de tensión de red (4.1) con una pluralidad de sensores de descarga parcial (6.2.1) situados en accesorios como puntos de medición distribuidos a lo largo de cada cable;
- filtrar el ruido (4.2) de las señales medidas (4.1) y discriminar los pulsos mediante el cálculo de la transformada de Wavelet con un procesamiento estadístico complementario durante un intervalo de tiempo de al menos un periodo de tensión de red, independientemente del ruido de fondo, e identificar una descarga parcial en función de la dispersión estadística de los componentes de dicha transformada;
- determinar (4.3) en las señales filtradas (4.2) para cada pulso discriminado un tiempo de inicio del pulso t¡ y los siguientes parámetros: el ángulo de fase en el tiempo $¡ respecto al paso por cero de la tensión de red, la amplitud A¡ y la integral del pulso de la descarga parcial en el punto de detección (4.11);
- identificar (4.4) el cable en el que se origina la descarga parcial en función de la amplitud más elevada A¡ de las señales detectadas por los sensores situados en los accesorios de las tres fases, y determinar el parámetro asociado al emplazamiento de la descarga parcial x¡, teniendo en cuenta las diferencias de los tiempos de llegada t¡ respecto a los distintos sensores que lo han detectado;
- determinar (4.8) el mapa de emplazamientos de descargas parciales en función del parámetro del emplazamiento x¡ de cada descarga parcial;
- generar automáticamente (4.9) los patrones de descargas parciales en función del ángulo de fase $¡ con la onda de tensión de red aplicada para cada grupo de descargas parciales situado en el mismo emplazamiento x¡ del cable;
- establecer una correlación (4.10) entre cada grupo de descargas parciales y defectos de producción de descargas parciales mediante el reconocimiento automático utilizando una red neuronal de los patrones de descargas parciales en función del ángulo de fase $¡ con la onda de tensión de red aplicada en el cable.
2. El procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende evaluar el estado de aislamiento del cable de la evolución histórica de las descargas parciales, el mapa de emplazamientos de descargas parciales, el patrón resuelto en fase de las descargas parciales en cada emplazamiento x¡ y el reconocimiento del patrón de las descargas parciales.
3. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las señales eléctricas del cable se miden a través de al menos dos sensores de descargas parciales sincronizados situados en diferentes emplazamientos del cable de alta tensión.
4. El procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado por que la sincronización se realiza mediante un pulso transmitido a través de la fibra óptica.
5. Un sistema para la monitorización continua de las descargas parciales en cables de alta tensión trifásica (5.2), comprendiendo el sistema:
- al menos dos sensores (6.2.1), configurados para medir de forma sincronizada las señales eléctricas de los cables de alta tensión trifásica durante un intervalo de tiempo de al menos un periodo de tensión de red (4.1) con una pluralidad de sensores de descarga parcial situados en accesorios como puntos de detección distribuidos a lo largo de cada cable;
- un ordenador (6.1.1), configurado para filtrar el ruido (4.2) de las señales de medición (4.1) y discriminar los pulsos mediante el cálculo de la transformada de Wavelet con procesamiento estadístico complementario durante un intervalo de tiempo de al menos un periodo de tensión de red, independientemente del ruido de fondo, e identificar una descarga parcial en función de la dispersión estadística de los componentes de dicha transformada;
en donde el ordenador está configurado, además, para:
- determinar (4.3) en las señales filtradas (4.2) para cada pulso discriminado un tiempo de inicio del pulso t¡ y los siguientes parámetros: el ángulo de fase en el tiempo $¡ respecto al paso por cero de la tensión de red, la amplitud A¡ y la integral del pulso de la descarga parcial en el punto de detección (4.11);
- identificar (4.4) el cable en el que se origina la descarga parcial en función de la amplitud más elevada A¡ de las señales detectadas por los sensores situados en los accesorios de las tres fases, y determinar el parámetro asociado al emplazamiento de la descarga parcial x¡, teniendo en cuenta las diferencias de los tiempos de llegada t¡ respecto a los distintos sensores que lo han detectado;
- determinar (4.8) el mapa de emplazamientos de descargas parciales en función del parámetro del emplazamiento x¡ de cada descarga parcial;
- generar automáticamente (4.9) los patrones de descargas parciales en función del ángulo de fase $¡ con la onda
de tensión de red aplicada para cada grupo de descargas parciales situado en la misma ubicación x¡ del cable; - establecer una correlación (4.10) entre cada grupo de descargas parciales y defectos de producción de descargas parciales mediante el reconocimiento automático utilizando una red neuronal de los patrones de descargas parciales en función del ángulo de fase $¡ con la onda de tensión de red aplicada en el cable.
6. El sistema según la reivindicación 5, caracterizado por que el ordenador está configurado para evaluar el estado de aislamiento del cable de la evolución histórica de las descargas parciales, el mapa de emplazamientos de descargas parciales, el patrón resuelto en fase de las descargas parciales en cada emplazamiento y para reconocer el patrón de descargas parciales.
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