ES2938017T3 - Sistema y método de detección de arcos para un circuito eléctrico de alta tensión y corriente continua de una aeronave - Google Patents

Abstract

Sistema de detección de arco para un circuito eléctrico (1) de alta tensión y corriente continua de una aeronave, que comprende:- un sensor (2) que detecta campos magnéticos de alta frecuencia creados por pulsos de corriente,- un bloque acondicionador de señal (4),- una base de datos (3) que comprende:○ un umbral de tiempo,○ señales de estado de eventos que ocurren en los procedimientos de operación normal de la aeronave,- una unidad de procesamiento (5) configurada para:- calcular una dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente de las señales medidas por el sensor (2),- calcular un umbral (8) en condiciones sin arco en función de las señales medidas anteriormente,- comprobar si las señales medidas por el sensor (2) están por encima del umbral (8) en condiciones sin arco condiciones de arco durante el umbral de tiempo, si es positivo, verificar si se ha activado alguna señal de estado de eventos debido a los procedimientos normales de operación,- si es negativo, activar el funcionamiento de una protección eléctrica (6). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y método de detección de arcos para un circuito eléctrico de alta tensión y corriente continua de una aeronave

Campo de la invención

La presente invención hace referencia al campo de los sistemas de detección de arcos en los sistemas aeroespaciales. En concreto, hace referencia a sistemas y métodos de detección de arcos para un circuito eléctrico de alta tensión y corriente continua de una aeronave.

Antecedentes de la invención

La tendencia en los nuevos diseños de las aeronaves militares y aeronaves no tripuladas es hacia un claro crecimiento de la demanda de energía eléctrica. Esta tendencia implica un aumento de los niveles de tensión y un incremento del número de componentes y equipos eléctricos clave, incluido el cableado. Ambas circunstancias potencian la aparición de fallos de arco en esta clase de arquitecturas.

Un problema común en los sistemas eléctricos, especialmente los que funcionan con altas tensiones, es la formación de arcos. Esto ocurre cuando se deshilacha un cable o se rompe un elemento o pista del circuito, o cuando se produce una mala conexión. Dado que una rotura común deja sólo un pequeño hueco, cualquier corriente en la trayectoria podría seguir circulando por la trayectoria formando un arco a través del hueco, ionizando el aire circundante. La energía y la temperatura del arco son muy elevadas, por consiguiente podrían provocar averías e incendios. Por lo tanto, los sucesos de fallos de arco podrían ser catastróficos, por lo que se deberá abordar una solución fiable de detección precoz para garantizar la seguridad de la misión y de la plataforma.

A diferencia de las redes de corriente alterna (CA), en las que el seguimiento de los fallos de arco es un tema ya tratado, la detección de fallos de arco en serie en corriente continua (CC) sigue siendo un problema pendiente de solución. Este fenómeno es muy difícil de detectar por las protecciones convencionales, porque la corriente se mantiene durante el arco y sólo es limitada por la carga conectada. Por consiguiente, la corriente del arco y de la carga son similares y están en el rango de la corriente nominal de la protección. La naturaleza de CC de la señal añade el problema del paso por cero, muy útil para el análisis y la extinción del arco en CA, pero que no existe en CC.

El problema se complica aún más en el caso de la detección de arcos en serie. Los fallos de arco se pueden agrupar en serie o en paralelo, dependiendo de si la descarga se produce en la misma línea o afecta a un conductor diferente, véase la Figura 1. Durante un suceso de arco en serie, la velocidad de la corriente se mantiene en valores nominales, de modo que es difícil que un detector detecte algún mal funcionamiento.

Hasta ahora, las soluciones previstas para la detección de arcos, en serie y en paralelo, en las arquitecturas de CC presentan un elevado índice de falsos disparos, inaceptable en las exigentes normas aeroespaciales en términos de fiabilidad. Por ello, la única medida paliativa disponible hoy en día es la actualización de las directrices de diseño, incluyendo directivas para aumentar el espacio libre en el interior de las cajas de distribución para garantizar una mayor distancia mínima. Esta práctica supone en cualquier caso un método pasivo, que aumenta el peso y el volumen a bordo y no proporciona ninguna advertencia en caso de situaciones peligrosas, de modo que la búsqueda de métodos activos de detección de fallos de arco en arquitecturas de CC es obligatoria para la implementación de más aeronaves eléctricas y aeronaves totalmente eléctricas.

Los desarrollos conocidos de detección activa de arcos se basan en la energía intercambiada entre el arco y el entorno. Estos intercambios dan lugar a las siguientes metodologías conocidas utilizadas para la detección de arcos:

• Métodos ópticos: detección de la energía luminosa emitida por el arco utilizando fotodiodos.

• Métodos mecánicos: detección de las ondas de presión creadas por el arco utilizando micrófonos, sensores piezoeléctricos o ultrasónicos.

• Métodos químicos: detección de los compuestos químicos que se crean cuando se dispara el arco, como el ozono.

• Diagnóstico de cables en línea: detección de discontinuidades en los cables utilizando técnicas de reflectometría para detectar fallos de arco.

• Métodos eléctricos: en función del sensor utilizado:

^o Sensores capacitivos: miden las señales de alta frecuencia en la banda de ultra alta frecuencia (UHF) provocadas por el arco.

^o Antenas: Estos sensores trabajan en la banda de ultra alta frecuencia (UHF), midiendo la onda electromagnética creada por el suceso,

^o Sensores inductivos: El sensor mide los cambios en el campo magnético creado por el arco, utilizando el principio de inductancia mutua. Estos sensores funcionan en una amplia banda de frecuencia, desde cerca de CC hasta la banda de muy alta frecuencia (VHF).

Todas las opciones relacionadas conllevan importantes inconvenientes que hacen que no sean soluciones adecuadas para un detector de fallos de arco en serie de alta tensión y corriente continua (HVDC) aeronáutico. Los métodos ópticos, mecánicos, UHF y químicos sólo son capaces de detectar arcos con sensores situados bastante cerca del arco, pero normalmente no es posible saber dónde se podría producir un arco y, por consiguiente, se necesitaría una red que incluyera decenas de sensores. Las técnicas de reflectometría tienen que hacer frente a señales en condiciones en línea, señales pulsadas no relacionadas con el arco y cambios en la impedancia del cable debidos a bifurcaciones de las conexiones, empalmadores y equipos conectados al cable dañado. Por lo tanto, la identificación de la fuente del arco sería difícil, especialmente en el caso de grandes distancias desde el sensor y las reflexiones de onda esperadas. Tienen el inconveniente adicional de que varias fuentes de ruido radiado pueden dar lugar a falsas señales positivas. Además, el análisis de las señales u Hf requiere costosos digitalizadores de alta velocidad.

Entonces, es necesario utilizar otra variable física que no dependa de la situación del arco y que se pueda medir sin métodos invasivos para la señal en el interior del cableado. La variable utilizada en la presente invención son los pulsos de corriente que circulan a través del cable afectado durante el fallo de arco.

Los sensores inductivos parecen ser una herramienta adecuada para identificar si el circuito eléctrico está siendo afectado por un arco, ya que son capaces de detectar señales conducidas utilizando métodos no intrusivos y sensores ligeros. Además, tienen mayores anchos de banda, lo que podría ayudar en la identificación de varios fenómenos.

Los arcos en serie se pueden caracterizar como un incremento de la impedancia de la red, que se refleja en una disminución de la corriente que alimenta la carga. Los métodos de detección existentes que analizan los cambios en la corriente (algunos de ellos con sensores inductivos) distinguen el arco utilizando complejas técnicas de análisis de datos, lo que aumenta el tiempo de cálculo.

La mayoría de las soluciones conocidas presentadas en la literatura utilizan sensores de baja frecuencia, es decir, hasta 10 kHz, para identificar cambios sutiles en la reducción de la corriente, debido al incremento de la impedancia creada por el arco en serie. Existen trabajos dedicados a la medición de corrientes en frecuencias inferiores a 10 kHz que estudian las características de la corriente que cae con el tiempo hasta que se agota el arco, pero estos enfoques no son válidos si el arco se mantiene y no se produce una reducción clara de la corriente.

En estos estudios anteriores, los cambios de corriente son totalmente diferentes en función de la carga alimentada por la fuente. Esto requeriría, para la identificación de la ignición del arco, una disminución repentina de la corriente, y una estimación de la duración del arco y de la energía disipada, para activar una alerta. Además, la extracción de información sobre el arco en bandas de baja frecuencia es extremadamente difícil, ya que en este rango es donde se producen las frecuencias de modulación del ancho de pulso y están presentes otros ruidos ambientales inherentes a las condiciones normales de funcionamiento como apertura y cierre de contactores, ruido eléctrico, etc. Por lo tanto, las técnicas estudiadas no son lo suficientemente fiables como para ser integradas en una plataforma aérea.

Estos anchos de banda limitados se asocian a veces con algoritmos complejos de tratamiento de señales con tiempos de cálculo elevados y/o dificultades para su aplicación en sistemas embebidos.

Algunos de los sistemas conocidos a baja frecuencia analizan los cambios en la corriente desde CC hasta 10 kHz. La unidad de procesamiento utiliza una descomposición del paquete wavelet para obtener la energía en las distintas bandas de frecuencia. Cuando la proporción de energía está por encima de un valor preestablecido, se activa una alerta de arco.

También se conoce la utilización de una técnica de descomposición de paquetes wavelet para detectar los arcos, con una frecuencia de muestreo de 200 kHz y que propone un método de detección basado en el valor medio cuadrático normalizado (RMS) de los coeficientes de descomposición wavelet.

Otras técnicas conocidas llevan a cabo un análisis de las señales utilizando una transformada de Fourier de una frecuencia elegida de 100 kHz.

Con un enfoque diferente, se sabe que se mide el contenido de corriente de alta frecuencia cuando se producen los arcos y, a continuación, se utilizan espectrogramas para analizar la energía de la señal en las distintas bandas de frecuencia. Para medir estas señales de alta frecuencia, se utiliza una ferrita, que es un sensor pesado (alrededor de 0,5 kg) y que se puede saturar cuando se conecta a cables de alta corriente. Da indicaciones directas de la actividad del arco, pero los sensores utilizados tienen un peso elevado. Además, a pesar de que el fenómeno parece caracterizarse por medio de representación gráfica (espectrogramas), no existe un enfoque analítico que conduzca a las señales de alarma relacionadas con los fenómenos de arco ni una cuantificación clara de las magnitudes capaces de detectar este fenómeno de ionización.

En consecuencia, de la revisión de la técnica anterior sobre dispositivos de detección de arcos para arquitecturas HVDC, parece faltar el siguiente sistema:

• Un sensor ligero y barato capaz de captar la característica.

• Respuesta rápida (en el rango de ms).

• Capacidad de detección en cualquier ubicación de una red de distribución.

• Tiempo de cálculo y frecuencia de muestreo bajos.

• Detección del arco mientras está activo.

• Alta fiabilidad (bajo índice de falsos disparos).

Los documentos US2016/187407A1, EP2120306A2, EP2040348A2, EP1289091A2 y CN106054034 describen un sistema de detección de arcos y un método que tienen las características del preámbulo de las reivindicaciones independientes 1 y 13.

Sumario de la invención

La tendencia en la industria aeronáutica, especialmente en las aeronaves militares, es pasar a redes de Alta Tensión y Corriente Continua (HVDC). Como se ha indicado anteriormente, el incremento de los niveles de tensión aumenta la probabilidad de aparición de arcos. Con el fin de proteger la red eléctrica, los equipos conectados y la integridad de la aeronave, se reivindica un sistema y método de detección de arcos que cumpla las restrictivas normas aeroespaciales.

La presente invención está dirigida a un sistema de acuerdo con la reivindicación 1 y a un método de acuerdo con la reivindicación 13. Otras formas de realización se describen en las reivindicaciones dependientes.

La presente invención se denomina Detección de Arcos en Corriente Continua (ARDID) y es apropiada para Redes Eléctricas de Potencia y Distribución basadas en HVDC en aeronaves militares y civiles: sistemas de misión y armamento, propulsión eléctrica, etc.

La invención reivindicada llena la laguna existente en la técnica anterior en materia de detectores de arco de respuesta rápida y de peso ligero fiables, utilizando un sistema que analiza las señales de alta frecuencia. Este sistema de detección de arcos consta de los siguientes elementos principales (a) un sensor, (b) un bloque de acondicionamiento de señal, (c) una base de datos y (d) una unidad de procesamiento.

La invención reivindicada utiliza un sistema que analiza señales de alta frecuencia tomadas, por ejemplo, de un sensor inductivo con núcleo de aire.

El sistema de detección de arcos objeto de la invención comprende:

a) Un sensor configurado para medir una señal analógica de campos magnéticos de alta frecuencia creados por los pulsos de corriente de la señal eléctrica que circula a través del circuito eléctrico.

Preferiblemente, se utilizará un sensor inductivo. Más preferiblemente, un sensor de espira inductivo, que es un sensor más ligero que los sensores de derivación o de corriente, como las sondas Rogowski.

b) Un bloque de acondicionamiento de la señal, que lleva a cabo una fase de acondicionamiento de la señal después de la fase de detección. Recibiría la información bruta captada por el sensor y la trataría para extraer la característica requerida y disponer la señal en la forma conveniente para ser interpretada por una unidad de procesamiento. El bloque de acondicionamiento de señal comprende un convertidor analógico-digital para convertir la señal analógica medida por el sensor (2) en una señal digital.

c) Una base de datos que comprende:

^o un umbral de tiempo que fija el tiempo que la señal medida acondicionada se mantiene por encima de un umbral establecido para activar una alarma,

^o señales de estado de los sucesos que se producen en los procedimientos normales de funcionamiento de la aeronave que ayudan a diferenciar falsos positivos como, por ejemplo: conmutación convencional, transitorios de dispositivos electrónicos de potencia, ruido radiado, conexiones de carga, cambios de impedancia de carga, etc. La señal de estado indica si se ha activado un suceso en la aeronave, por ejemplo, si se ha activado un interruptor. d) Discerniendo la unidad de procesamiento si la señal del sensor es un arco o no, la unidad de procesamiento se configura para recibir:

• la señal acondicionada medida por el sensor,

• el umbral de tiempo y,

• las señales de estado de los sucesos debidos a los procedimientos normales de funcionamiento de la base de datos, La unidad de procesamiento recibe las entradas del sensor y de la base de datos que contiene información de alerta sobre sucesos normales de funcionamiento de la aeronave que podrían provocar un falso disparo. Analizando todos estos datos, la unidad de procesamiento es capaz de discernir si existe un fallo de arco y lanzará una alerta en este caso.

La unidad de procesamiento se configura para:

- Calcular una dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente en el dominio del tiempo de las señales acondicionadas medidas por el sensor. En una forma de realización, dicha dispersión estadística se puede calcular mediante la desviación estándar o la media cuadrática o la varianza o la potencia o la energía de los pulsos de corriente de alta frecuencia para medir la dispersión de las señales medidas.

- Calcular un umbral basado en señales en condiciones de ausencia de arco en función de la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente de las señales acondicionadas previas medidas por el sensor en el circuito eléctrico de la aeronave. Por lo tanto, dichas señales previas son señales medidas en condiciones sin arco, es decir, cuando no hay arco. En una forma de realización, dicha función puede ser una media de las señales previas o una regresión de dichas señales previas o un filtro de las señales previas. Por consiguiente, considera las señales previas medidas para calcular un umbral en condiciones de ausencia de arco que, de alguna manera, sigue las señales que se están midiendo, por ejemplo, llevando a cabo una media de las señales previas. El umbral calculado establece una referencia para detectar cualquier aumento de las señales medidas con respecto a las señales previas que pueda indicar que se está produciendo un arco.

- Comprobar si la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente de las señales acondicionadas medidas por el sensor está por encima del umbral en condiciones de ausencia de arco durante el umbral de tiempo recibido de la base de datos. Si se cumplen las condiciones, se activa una alarma.

- Comprobar en la base de datos si se ha activado alguna señal de estado de sucesos debidos a procedimientos normales de funcionamiento. Esta comprobación se lleva a cabo cuando la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente en el dominio del tiempo de la señal acondicionada medida por el sensor está por encima del umbral en condiciones de ausencia de arco durante el umbral de tiempo.

- Activar el funcionamiento de una protección eléctrica, por ejemplo, un dispositivo de conmutación, del circuito eléctrico de la aeronave si no se ha activado ninguna señal de estado de sucesos debidos a procedimientos normales de funcionamiento. Por consiguiente, si la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente en el dominio del tiempo de las señales acondicionadas medidas por el sensor están por encima del umbral en condiciones de ausencia de arco durante el umbral de tiempo y no se ha activado ninguna señal de estado de sucesos, se activa una operación para proteger el circuito eléctrico, por ejemplo, se emite una alarma.

De acuerdo con lo anterior, la invención reivindicada hace uso de los parámetros de la base de datos y de los pulsos de corriente, para detectar la existencia de un arco eléctrico.

Además, este sistema de detección de arcos se integra en la red eléctrica de forma no invasiva, dentro de una caja de distribución, por ejemplo, pero sin interferir en la señal del cableado. La invención reivindicada toma la información con el sensor y la evalúa de forma continua, cuando se detecta un arco, se proporciona una alerta de salida para operar un contactor mecánico o un controlador de potencia de estado sólido (SSPC), con el fin de aislar el circuito.

Esta característica añade otra capacidad exclusiva a la invención, la detección precoz del arco cuando aún está activo. Algunos sistemas conocidos necesitan esperar a que el arco se extinga para verificar que se ha producido. Al muestrear a altas frecuencias, el sistema propuesto es mucho más rápido, del orden de decenas de ms. Por otra parte, dado que la detección del arco depende de la corriente propagada a lo largo del cable, la ubicación del sensor en la invención propuesta es independiente de la aparición del arco en el circuito.

Por consiguiente, las ventajas de este sistema son las siguientes:

• Ligereza y volumen del sistema. Un punto clave para los dispositivos a bordo.

• Detección precoz del arco (500 microsegundos < t < 200 ms).

• Detección del arco mientras sigue activo.

• La rápida respuesta que proporciona este sistema permite proteger las arquitecturas eléctricas con elementos de conmutación convencionales, como interruptores mecánicos. En caso contrario, si la respuesta es lenta, sólo se podrían utilizar elementos de conmutación rápida, como los SSPC, para evitar un retardo acumulativo en el aislamiento de la línea averiada. Esto supone la posibilidad de proteger cableados de alta potencia, con cientos de amperios circulando por su interior, que no se pueden proteger con SSPC debido a su limitación de corriente.

• Además, la medición de los pulsos de alta frecuencia en una banda de frecuencia específica, por ejemplo, hasta 10 MHz, permite eliminar los falsos positivos, que se encuentran fuera de la banda.

• El sistema no es invasivo. No requiere contacto galvánico con el circuito de alimentación, y no provoca ninguna interferencia en la señal eléctrica interna ni perturbación física para la línea.

• El sensor no requiere estar cerca del lugar donde se inicia el arco. Detecta cualquier arco que se produzca a lo largo de cualquier circuito eléctrico en el que esté instalado.

• El sistema es independiente de los pulsos de frecuencia del arco, ya que detecta un incremento de un parámetro en diferentes rangos de frecuencia cuando se inicia el arco. Hay ciertas bandas de frecuencia de especial interés en función de las características del cable de alimentación (longitud y diámetro) que están más influenciadas por las condiciones del arco y pueden ayudar a activar una alarma.

• Alta fiabilidad (baja tasa de falsos disparos), por lo que cumple las exigentes normas aeroespaciales.

Un objetivo de la presente invención también es un método de detección de arcos para un circuito eléctrico de corriente continua de aeronave que comprende las siguientes etapas:

- medir mediante un sensor una señal analógica de los campos magnéticos de alta frecuencia creados por pulsos de corriente de una señal eléctrica que circula por el circuito eléctrico,

- convertir en una señal digital, en un bloque de acondicionamiento de señal, la señal analógica recibida del sensor,

- enviar la señal acondicionada a una unidad de procesamiento,

- calcular en la unidad de procesamiento una dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente en el dominio del tiempo de las señales acondicionadas medidas por el sensor,

- calcular en la unidad de procesamiento un umbral en condiciones de ausencia de arco en función de la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente de las señales previas acondicionadas medidas por el sensor,

- comprobar en la unidad de procesamiento si la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de las señales acondicionadas de pulsos de corriente medidas por el sensor están por encima del umbral en condiciones de ausencia de arco durante el umbral de tiempo recibido de la base de datos,

- comprobar si se ha activado alguna señal de estado de sucesos debidos a procedimientos normales de funcionamiento de la base de datos, cuando la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente en el dominio del tiempo de las señales acondicionadas medidas por el sensor está por encima del umbral en condiciones de ausencia de arco durante el umbral de tiempo, y

- activar el funcionamiento de una protección eléctrica del circuito eléctrico de la aeronave si no se ha activado ninguna señal de estado de sucesos debidos a procedimientos normales de funcionamiento y si la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente en el dominio del tiempo de las señales acondicionadas medidas por el sensor (2) están por encima del umbral (8) en condiciones de ausencia de arco durante el umbral de tiempo.

Descripción de las figuras

Para completar la descripción y facilitar una mejor comprensión de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman parte integrante de la descripción e ilustran las formas de realización preferidas de la invención. Los dibujos comprenden las siguientes figuras.

La Figura 1 muestra un diagrama de bloques de un fallo de arco en circuitos con carga única a) fallo de arco en serie y b) fallo de arco en paralelo.

La Figura 2 muestra un diagrama de bloques de un sistema de acuerdo con una forma de realización de la invención.

La Figura 3 muestra un ejemplo del parámetro que establece el umbral de una señal para dos bandas de frecuencia diferentes para el tiempo de duración del arco.

La Figura 4 muestra un diagrama de bloques de un sistema de acuerdo con una forma de realización de la invención.

La Figura 5 muestra un diagrama de bloques de un sistema de acuerdo con una forma de realización de la invención integrado en una caja de distribución de un circuito eléctrico de una aeronave.

La Figura 6 muestra un diagrama de flujo de una forma de realización del proceso llevado a cabo por la unidad de procesamiento.

Descripción detallada de la invención

El sistema reivindicado es un detector de fallos de arco para redes de corriente continua de alta tensión (HVDC) que evalúa los pulsos de alta frecuencia de la corriente a través del cableado, procesa la señal para aclarar con alta fiabilidad si se produce un arco y lanza una alerta para aislar el circuito en caso de fallo.

Este sistema comprende (a) un sensor, (b) un bloque de acondicionamiento de señal, (c) una base de datos y (d) una unidad de procesamiento.

El sistema reivindicado comprende:

a) Un sensor (2) configurado para medir campos magnéticos de alta frecuencia creados por pulsos de corriente de la señal eléctrica que circula a través del circuito eléctrico (1).

Existen componentes de alta frecuencia en la corriente que desvelan la actividad del arco. Estos pulsos de alta frecuencia se propagan a lo largo del cable, por lo que se pueden detectar en cualquier punto independientemente de su origen. Es aconsejable el uso de un sensor de corriente de alta frecuencia sintonizado en la banda de frecuencia de los pulsos que se propagan a lo largo del cable de alimentación. Por lo tanto, la invención reivindicada propone la utilización de un sensor capaz de leer los campos magnéticos de alta frecuencia creados por los pulsos de corriente.

En la forma de realización mostrada en las figuras, el sensor (2) es un sensor de espira inductivo (ILS). El sensor de espira inductivo (ILS) es un sensor de alta frecuencia (2) que se utiliza actualmente para medir descargas parciales. Mide la corriente conducida a través del circuito eléctrico (1) supervisado por medio de inducción magnética. El ILS ha demostrado una buena sensibilidad para detectar los pulsos de corriente de alta frecuencia.

Una de las ventajas de este tipo de sensores (2) es el aislamiento galvánico que permite medir la variable física de interés sin necesidad de un contacto directo.

La espira inductiva es un sensor ligero (2) con núcleo de aire, adecuado para la industria aeronáutica y que proporciona una buena linealidad, incluso cuando la corriente es elevada.

La sensibilidad del sensor (2) se puede optimizar en función del ancho de banda y la sensibilidad de interés, mejorando la detección de los pulsos de alta frecuencia generados por el arco. Los parámetros geométricos (longitud, anchura, número de espiras e impedancia de salida) se pueden optimizar para obtener el ancho de banda y la sensibilidad deseadas. El resultado es una mayor aplicabilidad del sistema para activar una alerta y/o accionar un contactor.

El sensor (2) muestra un comportamiento de paso alto en el rango de Alta Frecuencia (HF), que impide el acoplamiento de ruido de fuentes de Baja Frecuencia, como por ejemplo la conmutación en el rango de kHz o 400 Hz.

Este sensor (2) comprende una o más espiras colocadas a lo largo del conductor y a ambos lados en una o varias capas para cumplir las especificaciones de ancho de banda y sensibilidad para la lectura de pulsos. Estas espiras son rectangulares y coplanares con el conductor y se pueden enrollar alrededor de un bastidor o imprimirse en una placa de circuito impreso con una geometría y una impedancia de salida seleccionadas. La anchura y, sobre todo, la longitud del rectángulo definido influye en la sensibilidad del sensor. En ambos casos, el sensor (2) no es intrusivo, ya que el bastidor tiene un carril para amarrar el conductor en el primer caso o se imprime junto al conductor en el segundo diseño.

Utilizar una espira doble a ambos lados del conductor multiplicaría los pulsos conducidos al tiempo que reduciría las interferencias de RF externas que afectan perpendicularmente al plano de las espiras.

Por último, se debe mantener una distancia segura entre el sensor de ajuste (2) y el cable sometido a prueba y otros cables para evitar la diafonía.

La distancia al conductor principal tiene que ser la menor posible teniendo en cuenta las limitaciones de apantallamiento y aislamiento entre alta tensión y tierra.

Podría ser necesaria una fase de amplificación, se debería diseñar para trabajar hasta 10 MHz y conectar directamente a la salida del sensor (2), de lo contrario, también amplificaría interferencias externas e innecesarias.

El sensor (2) tiene bajo peso, <200 gr, y bajo volumen, para el prototipo actual, lo que se ajusta a las aplicaciones aeronáuticas.

La salida del sensor (2) se puede conectar con un cable coaxial a la fase de acondicionamiento.

b) A la salida del sensor (2) se dispone un bloque de acondicionamiento de señal (4) para convertir la señal en una forma conveniente para ser recibida por la unidad de procesamiento (5). Comprende un convertidor analógico-digital para convertir la señal analógica medida por el sensor (2) en una señal digital.

Puede comprender un filtro configurado para seleccionar una banda de frecuencia de hasta 50 MHz de la señal medida y configurado para alimentar la unidad de procesamiento (5).

En esta fase, la salida del sensor (2) se convierte en una señal digital utilizando el convertidor analógico-digital. El canal de entrada estándar del convertidor puede ser de 50 Ohm o de 1 MOhm, lo que significa que la impedancia de carga del sensor (2) varía entre estos dos valores. El interés del sensor (2) es tener la mayor sensibilidad a cualquier pulso entrante. De esta manera, puede ser interesante fijar una impedancia de carga optimizada para aprovechar las características inductivas de la bobina y mejorar la sensibilidad.

Como se ha indicado anteriormente, se incluye un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte en 50 MHz y, aún menor si la longitud del conductor principal es superior a 10 m. Obsérvese que cuanto más largo sea el conductor principal, menores componentes de frecuencia tendría la señal pulsada. Esto puede reducir algunas interferencias de fuentes de ruido.

El filtro de paso bajo de 50 MHz también puede servir como filtro antialiasing siempre que la frecuencia de muestreo se fije por debajo de 100 MSps. Como las frecuencias de interés son inferiores a 10 MHz, la frecuencia de muestreo se fija en 20 MSps.

La Figura 3 muestra un diagrama de bloques de un sistema de acuerdo con una forma de realización de la invención. Una fase de análisis y procesamiento de la señal, en la que los datos brutos medidos por el ILS se preparan para la unidad de procesamiento (5).

c) Una base de datos (3) alberga información preestablecida que ayudará a la unidad de procesamiento a evaluar si la señal captada por el sensor (2) es un arco o no, discriminando falsos disparos. En una forma de realización la base de datos (3) comprende:

o un umbral de tiempo que fija la activación de una alarma, y

o señales de estado de los sucesos que se producen en los procedimientos normales de funcionamiento de la aeronave.

Por ejemplo, señales discretas que alerten sobre cualquier otra operación normal de la aeronave que pudiera provocar un falso disparo, es decir: arranque del motor, conmutación de carga particular, EMI, etc.

En una forma de realización, la unidad de procesamiento (5) se configura para calcular, a partir de la señal acondicionada medida por el sensor (2), la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente en el dominio del tiempo mediante la desviación estándar o la media cuadrática o la varianza o la potencia o la energía de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente.

El umbral (8) en condiciones de ausencia de arco puede ser un umbral dinámico (8). En una forma de realización, para calcular dicho umbral dinámico (8) en condiciones de ausencia de arco, la unidad de procesamiento (5) se configura para calcular el promedio móvil de la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente de las señales previas acondicionadas, medidas por el sensor (2). En particular, la unidad de procesamiento (5) se puede configurar para actualizar el umbral dinámico (8) utilizando una media de k señales medidas previas.

Como se ha indicado anteriormente, de forma alternativa la unidad de procesamiento (5) se puede configurar para calcular una regresión o un filtro de la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente de las señales previas acondicionadas medidas por el sensor (2).

La base de datos (3) se puede configurar para actualizar a lo largo de la vida útil de la aeronave el umbral de tiempo y/o la señal de estado de los sucesos debidos a los procedimientos normales de funcionamiento.

d) Una unidad de procesamiento (5) se puede configurar para utilizar la base de datos de sucesos para comprobar si los indicadores de umbral son compatibles con los sucesos debidos a las condiciones normales de funcionamiento que ha activado la aeronave, por ejemplo, al arranque de un motor, para comprobar con el ordenador de la aeronave si se ha arrancado un motor.

En una forma de realización, la unidad de procesamiento (5) se configura para dividir la señal recibida del sensor (5) en n diferentes subbandas de frecuencia.

El número n de subbandas depende del contenido en frecuencia de la señal de entrada, la longitud del cable, las interferencias y la topología de la instalación.

Como se ha indicado anteriormente, en una forma de realización, el umbral (8) en condiciones de ausencia de arco es un umbral dinámico (8) y la unidad de procesamiento (5) se configura para calcular la media móvil de la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente de las señales previas acondicionadas medidas por el sensor (2).

En particular, la unidad de procesamiento (5) se configura para actualizar el umbral dinámico (8) utilizando una media de k señales medidas previas.

La unidad de procesamiento (5) calcula la desviación estándar, la media cuadrática, la varianza, la potencia o la energía de las subbandas u otra magnitud para medir la dispersión de los datos a fin de establecer el nivel del umbral dinámico (8). En esta fase, el umbral (8) se actualiza a lo largo del tiempo utilizando la media de k muestras pasadas. El número k depende de la capacidad de adaptación a los cambios bruscos. Por otra parte, se calcula si el valor instantáneo del parámetro está por encima del umbral dinámico (8) durante un periodo de tiempo determinado (este periodo de tiempo puede variar en función de las características de la red y se establece teniendo en cuenta un compromiso entre rapidez de respuesta y fiabilidad).

Si la señal recibida del sensor (2) se divide en n diferentes subbandas de frecuencia, la unidad de procesamiento (5) se configura para comprobar si la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente de la señal acondicionada medida por el sensor (2) están por encima del umbral (8) en condiciones de ausencia de arco durante el umbral de tiempo en al menos una subbanda de frecuencia.

Por ejemplo, la banda de frecuencia de hasta 10 MHz se podría dividir en cuatro subbandas para calcular las variaciones de la parametrización de los pulsos a lo largo del tiempo. Como se ha indicado anteriormente, un arco activo se caracteriza por pulsos de corriente de alta frecuencia, por lo que es posible detectar cambios bruscos de la dispersión en las subbandas que se mantienen en el tiempo durante al menos decenas de milisegundos. Esta es una forma eficaz de descartar las interferencias periódicas, la conmutación convencional de los interruptores o las ráfagas y centrarse en el hecho de que un arco tiene esa huella dactilar en particular. La unidad de procesamiento (5) se configura para decidir si el cambio en la dispersión en las subbandas supera el umbral dinámico definido por las características de la corriente en condiciones de ausencia de arco.

Por lo tanto, la unidad de procesamiento (5) se configura para calcular si la dispersión estadística de al menos una banda está por encima del umbral dinámico (8) durante el período de tiempo.

Adicionalmente, la base de datos (3) puede comprender un parámetro (a). Dicho parámetro (a) permite a la unidad de procesamiento (5) comprobar si la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente de las señales acondicionadas medidas por el sensor (2) son un parámetro (a) superior al umbral (8) en condiciones de ausencia de arco durante el umbral de tiempo recibido de la base de datos (3). Por lo tanto, la señal medida está por encima del umbral (8) en una cantidad determinada establecida por dicho parámetro (a), tal como se representa, por ejemplo, en la Figura 3.

En una forma de realización, el sistema reivindicado se configura para integrarse en la placa de circuito impreso (PCB) de una caja de distribución de una aeronave cerca de los cables, mejorando la sensibilidad de otros sensores con núcleo de aire. En la Figura 4 se muestra un esquema de forma de realización.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Sistema de detección de arcos para un circuito eléctrico de alta tensión y corriente continua (1) de una aeronave, comprendiendo el sistema de detección de arco:

- un sensor (2) configurado para medir una señal analógica de los campos magnéticos de alta frecuencia creados por los pulsos de corriente de la señal eléctrica que circula por el circuito eléctrico (1),

- un bloque de acondicionamiento de señal (4) que comprende un convertidor analógico-digital para convertir la señal analógica medida por el sensor (2) en una señal digital,

- una base de datos (3) que comprende:

o un umbral de tiempo,

o señales de estado de los sucesos que se producen en los procedimientos normales de funcionamiento de la aeronave, y

- una unidad de procesamiento (5) configurada para recibir:

• la señal acondicionada medida por el sensor (2),

• el umbral de tiempo de la base de datos (3), y

• las señales de estado de los sucesos debidos a los procedimientos normales de funcionamiento de la aeronave a partir de la base de datos (3), caracterizado por que:

la unidad de procesamiento (5) se configura además para:

- calcular una dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente en el dominio del tiempo de las señales acondicionadas medidas por el sensor (2),

- calcular un umbral (8) en condiciones de ausencia de arco en función de la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente de las señales previas acondicionadas medidas por el sensor (2),

- comprobar si la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente de las señales acondicionadas medidas por el sensor (2) están por encima del umbral (8) en condiciones de ausencia de arco durante el umbral de tiempo recibido de la base de datos (3),

- comprobar en la base de datos (3) si se ha activado alguna señal de estado de sucesos debidos a procedimientos normales de funcionamiento, cuando la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente en el dominio del tiempo de las señales acondicionadas medidas por el sensor (2) están por encima del umbral (8) en condiciones de ausencia de arco durante el umbral de tiempo, y

- activar el funcionamiento de una protección eléctrica (6) del circuito eléctrico de la aeronave (1) si no se ha activado ninguna señal de estado de sucesos debidos a procedimientos normales de funcionamiento y la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente en el dominio del tiempo de las señales acondicionadas medidas por el sensor (2) están por encima del umbral (8) en condiciones de ausencia de arco durante el umbral de tiempo.

2. Sistema de detección de arcos para un circuito eléctrico de alta tensión y corriente continua (1) de una aeronave, de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la unidad de procesamiento (5) se configura para calcular, a partir de la señal acondicionada medida por el sensor (2), la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente en el dominio del tiempo mediante la desviación estándar o la media cuadrática o la varianza o la potencia o la energía de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente.

3. Sistema de detección de arcos para un circuito eléctrico de alta tensión y corriente continua (1) de una aeronave, de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el umbral (8) en condiciones de ausencia de arco es un umbral dinámico (8).

4. Sistema de detección de arcos para un circuito eléctrico de alta tensión y corriente continua (1) de una aeronave, de acuerdo con la reivindicación 3, en donde la unidad de procesamiento (5) se configura para calcular la media móvil de la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente de las señales previas acondicionadas medidas por el sensor (2).

5. Sistema de detección de arcos para un circuito eléctrico de alta tensión y corriente continua (1) de una aeronave, de acuerdo con la reivindicación 3, en donde la unidad de procesamiento (5) se configura para calcular una regresión o un filtro de la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente de las señales previas acondicionadas medidas por el sensor (2).

6. Sistema de detección de arcos para un circuito eléctrico de alta tensión y corriente continua (1) de una aeronave, de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde la unidad de procesamiento (5) se configura para dividir la señal recibida del sensor (2) en n diferentes subbandas de frecuencia.

7. Sistema de detección de arcos para un circuito eléctrico de alta tensión y corriente continua (1) de una aeronave, de acuerdo con la reivindicación 6, en donde la unidad de procesamiento (5) se configura para comprobar si la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente de la señal acondicionada medida por el sensor (2) están por encima del umbral (8) en condiciones de ausencia de arco durante el umbral de tiempo en al menos una subbanda de frecuencia.

8. Sistema de detección de arcos para un circuito eléctrico de alta tensión y corriente continua (1) de una aeronave, de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el bloque de acondicionamiento de señal (4) comprende un filtro configurado para seleccionar una banda de frecuencia que va hasta 50 MHz de la señal medida por el sensor (2) y configurado para alimentar la unidad de procesamiento (5).

9. Sistema de detección de arcos para un circuito eléctrico de alta tensión y corriente continua (1) de una aeronave, de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el sensor (2) es un sensor de espira inductivo.

10. Sistema de detección de arcos para un circuito eléctrico de alta tensión y corriente continua (1) de una aeronave, de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que se configura para integrarse en una placa de circuito impreso (PCB) de una caja de distribución (7) de una aeronave.

11. Sistema de detección de arcos para un circuito eléctrico de alta tensión y corriente continua (1) de una aeronave, de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde la base de datos (3) se configura para actualizar a lo largo de la vida útil de la aeronave el umbral de tiempo y/o las señales de estado de sucesos debidos a procedimientos normales de funcionamiento.

12. Sistema de detección de arcos para un circuito eléctrico de alta tensión y corriente continua (1) de una aeronave, de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde la base de datos (3) comprende un parámetro (a) y la unidad de procesamiento (5) se configura para comprobar si la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente de las señales acondicionadas medidas por el sensor (2) son un parámetro (a) superior al umbral (8) en condiciones de ausencia de arco durante el umbral de tiempo recibido de la base de datos (3) .

13. Método de detección de arcos para un circuito eléctrico de alta tensión y corriente continua (1) de una aeronave, comprendiendo el método de detección de arcos las siguientes etapas:

- medir mediante un sensor (2) una señal analógica de los campos magnéticos de alta frecuencia creados por pulsos de corriente de una señal eléctrica que circula por el circuito eléctrico (1),

- convertir en una señal digital en un bloque de acondicionamiento de señal (4) la señal analógica recibida del sensor (2), y

- enviar la señal acondicionada a una unidad de procesamiento (5),

caracterizado por que el método comprende además las siguientes etapas:

- calcular en la unidad de procesamiento (5) una dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente en el dominio del tiempo de las señales acondicionadas medidas por el sensor (2),

- calcular en la unidad de procesamiento (5) un umbral (8) en condiciones en ausencia de arco en función de la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente de las señales previas acondicionadas medidas por el sensor (2),

- comprobar en la unidad de procesamiento (5) si la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de las señales acondicionadas de pulsos de corriente medidas por el sensor (2) están por encima del umbral (8) en condiciones de ausencia de arco durante el umbral de tiempo recibido de la base de datos (3),

- comprobar si se ha activado alguna señal de estado de sucesos debidos a procedimientos normales de funcionamiento de la base de datos (3), cuando la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente en el dominio del tiempo de las señales acondicionadas medidas por el sensor (2) están por encima del umbral (8) en condiciones de ausencia de arco durante el umbral de tiempo, y activar el funcionamiento de una protección eléctrica (6) del circuito eléctrico de la aeronave (1) si no se ha activado ninguna señal de estado de sucesos debidos a procedimientos normales de funcionamiento y si la dispersión estadística de los campos magnéticos de alta frecuencia de los pulsos de corriente en el dominio del tiempo de las señales acondicionadas medidas por el sensor (2) están por encima del umbral (8) en ausencia de condiciones de arco durante el umbral de tiempo.