ES3030331T3 - Leakage and flashover current monitoring system in vhv overhead line insulators - Google Patents

Abstract

La presente solicitud describe un sistema para la monitorización continua y remota en tiempo real de la degradación progresiva de aisladores instalados en redes de transmisión de energía eléctrica, concretamente en líneas eléctricas de muy alta tensión (AVLT), aplicable a niveles de tensión más bajos (alta y media tensión). Su principio de funcionamiento se basa en la identificación de la aparición de corrientes de fuga en dichos aisladores mediante el registro de las intensidades de corriente, los periodos de ocurrencia y mediciones locales de temperatura y humedad relativa. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de supervisión de fugas y corrientes de descarga súbita en aisladores de líneas aéreas de muy alta tensión

Campo técnico de la invención

La presente solicitud describe un sistema de supervisión continua y a distancia en tiempo real de la degradación progresiva de los aisladores instalados en las redes de transporte de energía eléctrica, concretamente en las líneas eléctricas de muy alta tensión (MAT), que puede aplicarse a niveles de tensión inferiores (alta y media tensión).

Antecedentes de la invención

Los aisladores de líneas eléctricas aéreas tienen la función de aislar los conductores, asegurar su fijación y sujeción mecánica a los soportes. En una cadena, el número de aisladores viene determinado por el nivel de tensión y la longitud de la línea de fuga necesaria para que el aislamiento sea eficaz.

Una cadena de aisladores está formada por aisladores y accesorios metálicos que conectan sus extremos a los soportes y conductores e incorpora varillas de descarga en su estructura. Las varillas de descarga se utilizan para normalizar el campo eléctrico a lo largo de la cadena de aisladores y proporcionan protección contra los efectos del propio arco. Sin embargo, las condiciones de servicio como la caída de rayos, la sobretensión de los interruptores o la contaminación pueden provocar fallos de aislamiento por cortocircuito (descarga súbita), seguidos de arcos eléctricos de potencia que pueden, en función de la amplitud y el tiempo de eliminación de la corriente, provocar la destrucción de los aisladores y, en última instancia, la rotura y caída de la línea.

Por ello, los aisladores desempeñan un papel fundamental en el funcionamiento de las líneas de transporte y distribución de electricidad, por lo que la seguridad y la estabilidad de estos componentes son de suma importancia. Sin embargo, a medida que aumenta la contaminación atmosférica, las partículas contaminantes se adhieren a la superficie de los aisladores, lo que afecta gravemente a su estabilidad. En este sentido, la supervisión del estado del aislador y la prevención de fallos de aislamiento (descarga súbita) son cruciales para mantener el funcionamiento seguro y estable de las líneas eléctricas.

La degradación de las propiedades aislantes de los aisladores puede deberse a dos procesos: la degradación intrínseca de los materiales aislantes o la acumulación de contaminación en la superficie de los mismos.

La degradación intrínseca de los materiales aislantes puede deberse a varios factores, entre ellos: el envejecimiento natural de los materiales, que puede ser mayor o menor en función de las condiciones ambientales de su instalación, los fenómenos eléctricos (caída de rayos o sobretensión en la red), las deformaciones mecánicas, etc. Por lo general, estos fenómenos son permanentes y pueden acabar provocando la necesidad de sustituir el aislador.

La degradación por contaminación comienza con la acumulación de materia en la superficie del aislador, como minerales presentes en el ambiente, partículas procedentes de la contaminación, residuos de aves, entre otros. Con el aumento de la humedad en el aire (debido a la niebla, los aguaceros u otros fenómenos meteorológicos) las partículas acumuladas se disolverán y crearán zonas a lo largo del aislador con una resistividad variable. El campo eléctrico presente debido a la diferencia de potencial entre los extremos del aislador provoca corrientes de fuga en esta capa conductora, lo que a su vez aumenta la temperatura en estas zonas. Esto provoca la sedimentación de los materiales depositados y aumenta aún más la conductividad en determinadas zonas de la superficie del aislador (bandas secas). En estas zonas, dependiendo de la intensidad de la corriente, se producen descargas parciales (o PD) que a su vez destruyen y limpian las zonas que las originan. Con el aumento de la PD, en última instancia, pueden ionizar el aire y dar lugar a una descarga súbita.

En los aisladores de material compuesto, este efecto es menor, ya que los propios materiales tienen propiedades hidrófobas que retrasan estos efectos, teniendo el material cierta capacidad de autocuración del aislamiento. Sin embargo, en los aisladores de vidrio o cerámica, con un lavado periódico, estos depósitos pueden eliminarse, invirtiendo el proceso. Así, el mantenimiento preventivo y periódico prolonga la vida útil del aislador de vidrio o cerámica, salvaguardando el riesgo de avería, aunque la gestión del riesgo se traduce en costes de mantenimiento que en algunos países ascienden a valores significativos. Además, se menciona que la adopción del mantenimiento por lavado puede no ser siempre eficaz porque, dado que la decisión de intervención se basa en una evaluación cualitativa, depende de la capacidad de los responsables basada en la experiencia. Mientras que un operador con un perfil de evaluación menos conservador puede no evitar algunos fallos y seguir asumiendo el coste, un operador con un perfil más conservador puede incurrir en mayores costes para asegurar la aparición de fallos.

Por otro lado, como cualquier activo en funcionamiento, los aisladores tienen un ciclo de vida, al final del cual deben ser sustituidos. Sin embargo, la combinación de factores como la diversidad de materiales de construcción (cerámica, vidrio, compuestos), la antigüedad, la diversidad de generaciones tecnológicas, el rendimiento de calidad de los fabricantes, el régimen de explotación de los activos y las agresiones externas a las que están sometidos durante su vida útil, crean restricciones para una decisión de inversión optimizada. Sin una verdadera evaluación técnica, no será posible garantizar que la sustitución se produzca al final de su vida útil. En el caso de los aisladores, el envejecimiento se manifiesta por la pérdida de las características aislantes, lo que técnicamente se traduce en un aumento de la corriente de fuga.

De lo anterior se desprende que el aumento de la intensidad y la frecuencia (de aparición) de las DP generadas está directamente relacionado con el aumento de la degradación del aislamiento (ya sea por contaminación o por degradación del aislador). Así, la detección de estos fenómenos puede proporcionar una evaluación directa del estado de los aisladores. Estas señales se caracterizan por ser eventos que duran entre medio ciclo y tres ciclos de onda, y por tener un gran contenido armónico. En otras palabras, la señal está compuesta por el componente fundamental (50 Hz) y componentes de 150 Hz, 250 Hz, etc.

En este contexto, los operadores de redes de transmisión han tratado de investigar métodos de detección y supervisión de la contaminación en los aisladores de las líneas de muy alta tensión (MAT), con el objetivo de desarrollar soluciones que permitan un mejor seguimiento de los aisladores, optimizar las acciones de mantenimiento y prevenir la aparición de averías.

A continuación, el sistema desarrollado presenta una solución que, basada en el proceso de medición de las corrientes de fuga en los aisladores, permite identificar escenarios de riesgo de fallos en las redes de transmisión y distribución causados por la contaminación y/o la degradación de los aisladores.

TAMBI TAMBI ET AL: "Development of Real - Time Monitoring and Identification System of Aging Insulators in the Tropics",2019 2ND INTERNATIONAL CONFERENCE ON HIGH VOLTAGE ENGINEERING AND POWER SYSTEMS (ICHVEPS), IEEE, 1 de octubre de 2019 (2019-10-01), páginas 213-217, DOI: 10.1109/ICHVEPS47643.2019.9011152 y CN 108 008 237 A describen métodos y sistemas para supervisar las corrientes de fuga y de descarga súbita en aisladores de líneas aéreas de acuerdo con el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 5.

Breve descripción de la invención

La presente solicitud describe el método de funcionamiento de un sistema de supervisión de fugas y descargas súbitas en aisladores de líneas aéreas de acuerdo con la reivindicación 1.

En una realización del método de funcionamiento del sistema de supervisión, la medición de las corrientes de fuga comprende el filtrado de la componente de 50 Hz.

En otra realización del método de funcionamiento del sistema de supervisión, la estimación del estado del aislador resulta de una correlación del nivel de contaminación y/o envejecimiento del aislador con las condiciones ambientales y meteorológicas en las que se encuentra en funcionamiento, a saber, la temperatura ambiente, la humedad relativa y la radiación solar. En otra realización del método de funcionamiento del sistema de supervisión, la acción de mantenimiento que debe recomendarse en el aislador se determina automáticamente a partir de la estimación del estado del aislador, que incluye:

- Necesita lavar el aislador a corto plazo;

- Necesita lavar el aislador inmediatamente;

- Es necesario sustituir el aislador a corto plazo;

- Necesita sustituir el aislador inmediatamente.

La presente solicitud describe además el sistema de supervisión de las corrientes de fuga y de descarga súbita en aisladores de líneas aéreas de acuerdo con la reivindicación 5.

En una realización del sistema de supervisión, los parámetros de al menos un sensor de corriente son ajustados por la pasarela, a través del sistema de comunicaciones, basándose en los valores meteorológicos recogidos por el sensor de temperatura, humedad y/o radiación relativas, y en los valores meteorológicos previstos enviados por el centro de coordinación a través de la red de telecomunicaciones.

En otra realización del sistema de supervisión, al menos un sensor de corriente comprende un módulo de captación de energía, un controlador de carga, un módulo de gestión de energía y un módulo de almacenamiento de energía. En otra realización del sistema de supervisión, la pasarela comprende un módulo de captación de energía, un controlador de carga, un módulo de gestión de energía y un módulo de almacenamiento de energía.

En otra realización del sistema de supervisión, el centro coordinador comprende al menos una base de datos para almacenar la información recogida de al menos un sensor de corriente a través de las comunicaciones con la pasarela, y un sistema de análisis de la información para los datos respectivos.

En otra realización del sistema de supervisión, el sistema de análisis de la información del centro coordinador emite avisos basados en la información recopilada y en las previsiones meteorológicas.

En otra realización del sistema de supervisión, el dispositivo de lectura de corriente comprende un elemento de blindaje del campo eléctrico.

En otra realización del sistema de supervisión, al menos el sensor de corriente comprende tres modos de funcionamiento: modo de instalación, modo de reposo y modo normal.

En otra realización del sistema de supervisión, la pasarela comprende tres modos de funcionamiento: modo de instalación, modo de reposo y modo normal.

La presente solicitud describe además el método de funcionamiento de al menos un sensor de corriente caracterizado porque permanece en cada periodo de 60 segundos, 40 segundos inactivo y 20 segundos activo, a la espera del establecimiento de la conexión BLE con la pasarela, que posteriormente a su establecimiento, sincroniza ambos relojes, recibiendo el sensor de corriente los ajustes.

La presente solicitud describe además el método de funcionamiento en el modo de reposo de al menos el sensor de corriente, en el que al menos el sensor se encuentra en ahorro de energía, permaneciendo únicamente con el reloj interno operativo, con el resto de módulos apagados, lo que permite aumentar la duración y la autonomía del módulo de almacenamiento de energía.

La presente solicitud describe además el método de funcionamiento en el modo normal de al menos un sensor de corriente, en el que al menos el sensor mide la corriente de fuga y recoge los datos correspondientes a 30 segundos de mediciones, y posteriormente a la recolección de datos, el sensor se comunica con la pasarela, recibiendo de nuevo los ajustes y sincronizando los relojes, y transmitiendo a continuación los datos recogidos y volviendo al estado de reposo.

La presente solicitud describe además el método de funcionamiento de al menos un sensor del sistema de supervisión, que comprende los pasos de

medir las corrientes de fuga durante 30 segundos,

crear un histograma de la corriente medida,

enviar el histograma a la pasarela, y

entrar en estado de reposo durante 30 minutos.

La presente solicitud describe además el método de funcionamiento de la pasarela del sistema de supervisión, que comprende los pasos de

Establecer la conexión de comunicaciones con al menos el sensor;

Comunicar los datos con al menos el sensor, sincronizar los parámetros y el reloj;

Validar, transmitir y almacenar respectivamente los datos;

Transmitir datos al servidor.

Breve descripción de la invención

La contaminación es una de las mayores causas de fallo de funcionamiento de los aisladores de las líneas de transmisión eléctrica, ya que afecta gravemente a sus características aislantes, degradándolas.

Las descargas parciales se producen cuando hay una degradación del aislamiento entre dos conductores y, en caso de fallo del aislador, la infiltración de humedad permitirá la aparición de descargas en presencia de un nivel de tensión determinado. Cuanto mayor sea la degradación de los aisladores, mayor será la probabilidad de fallo en presencia de humedad.

Teniendo en cuenta el papel fundamental que desempeñan los aisladores en el aislamiento entre conductores y soportes, asegurando así la fiabilidad del sistema eléctrico, su correcto mantenimiento asume un papel fundamental para evitar corrientes de fuga que den lugar a descargas súbitas.

En este sentido, los operadores de las redes de transporte y distribución de electricidad tratan de evitar las interrupciones del servicio debidas a aisladores contaminados. Para ello, utilizan métodos de control de la contaminación, a saber:

i. estudio de los niveles de contaminación de la red, teniendo en cuenta que atraviesa zonas geográficas con características diferentes;

ii. control de la contaminación de los aisladores, para determinar la necesidad de operaciones de limpieza; iii. estudio del comportamiento de diferentes diseños y materiales de aisladores con el fin de determinar los aisladores más adecuados para diferentes tipos de contaminación.

En vista de este contexto, los operadores de los sistemas de transmisión han tratado de investigar métodos de detección y supervisión de la contaminación en los aisladores de las líneas de muy alta tensión (MAT), con el objetivo de desarrollar soluciones que permitan una mejor supervisión de los aisladores y prevenir la aparición de averías.

A continuación, el sistema desarrollado presenta una solución que, basada en el proceso de recopilación de datos permanentemente activo, permite identificar los escenarios de riesgo de que se produzcan fallos de aislamiento en las cadenas de aisladores de las líneas de muy alta tensión (MAT) causados por la contaminación o el envejecimiento.

En este contexto, y sirviendo de base de apoyo para el mantenimiento de estos componentes, el sistema permite identificar en tiempo real y en una perspectiva preventiva, las necesidades de intervención para garantizar la integridad física de los aisladores, supervisando en tiempo real las corrientes de fuga y de descarga súbita en los aisladores instalados en Líneas de Muy Alta Tensión (MAT), originadas por la contaminación depositada en los mismos o por el envejecimiento, y que, apoyado en un modelo de evaluación de riesgos, tiene capacidad de mantenimiento predictivo.

La herramienta desarrollada utiliza sensores inteligentes basados en un algoritmo de prevención, que se basa en patrones de fuga de corriente relacionados con las características asociadas con:

. contaminación del aislador;

i. edad de los aisladores;

ii. rangos de humedad relativa y de incidencia sobre los aisladores basados en tipos de contaminación previamente dentificados e indicativos de la necesidad de lavar o sustituir dichos aisladores.

El sistema desarrollado consta entonces de al menos un sensor de corriente, encargado de supervisar las corrientes de fuga y enviar las mediciones al sistema de procesamiento de datos.

Si hay más de un sensor, se puede utilizar una pasarela que se encargará de agregar los datos transmitidos por los sensores.

A través del sensor o de la pasarela, es posible medir la temperatura ambiente y la humedad.

La transmisión de todos los datos a un servidor central puede realizarse a través de cualquier sistema de comunicaciones fijo o móvil, como Evolución a Largo Plazo (LTE) - 4G.

El sistema de supervisión compuesto por los sensores de corriente se encarga de supervisar las corrientes de fuga, para el tratamiento interno de estos datos y para comunicar los eventos relevantes que llega a identificar. Si se utiliza una pasarela que recoge datos de varios sensores, las comunicaciones entre los sensores y la pasarela se llevarán a cabo utilizando cualquier tecnología de comunicación, como Bluetooth.

Los sensores se alimentan de un sistema local de almacenamiento de energía, que puede ser recargable o no. En el caso de ser recargable, el sistema de almacenamiento local se cargará a través de un sistema local de generación de energía, o de un módulo de captación de energía, como paneles solares.

Un sistema de suministro de este tipo permite que el sistema de detección funcione, ya sea por la noche o en días nublados, cuando la luz solar puede no ser suficiente para cargar el sistema de almacenamiento.

Un sistema de alimentación no recargable puede basarse en el enfoque de la "recolección de energía", que consiste en recoger energía a través del campo magnético disponible en las proximidades de los cables conductores de la línea.

A partir de las características analizadas en los aisladores, concretamente en lo que respecta a las corrientes de fuga y la humedad relativa, los patrones de comportamiento del sistema desarrollado se basan, en una de las realizaciones propuestas, en los siguientes escenarios:

. Necesidad de lavar el aislador a corto plazo (entre 3 y 6 meses) - Amarillo;

i. Necesita lavar el aislador inmediatamente (menos de 1 mes) - Rojo;

ii. Necesidad de sustituir el aislador a corto plazo (entre 3 y 6 meses) - Amarillo;

v. Necesidad de sustituir el aislador inmediatamente (menos de 1 mes) - Rojo.

Para garantizar el correcto funcionamiento y la veracidad de los valores recogidos in situ, el sistema desarrollado se probó en un entorno de laboratorio que simulaba una instalación real, en una cámara de niebla salina, bajo la cual se realizaron una serie de pruebas.

Breve descripción de las figuras

Para facilitar la comprensión de la presente solicitud, se adjuntan figuras que representan realizaciones que, sin embargo, no pretenden limitar la técnica aquí divulgada.

La figura 1 ilustra el esquema simplificado del sistema de supervisión del estado de los aisladores en las líneas aéreas (1), en donde los números de referencia representan:

10 - Soporte de la línea MAT,

11 - aislador,

101 - pasarela,

102 - sensores de corriente,

103 - centro coordinador,

104 - red de telecomunicaciones.

La figura 2 ilustra el diagrama de bloques de los elementos constitutivos de un sensor de corriente (102), en el que los números de referencia representan:

1021 - módulo de captación de energía,

1022 - controlador de carga,

1023 - módulo de gestión de energía,

1024 - módulo de almacenamiento de energía,

1025 - unidad central de procesamiento, CPU,

1026 - unidad de detección de campos magnéticos,

1027 - interfaz analógica,

1028 - dispositivo de lectura de corriente,

1029 - sistema de comunicaciones.

La figura 3 ilustra el diagrama de bloques representativo de los modos de funcionamiento (10210) del sensor de corriente (102), en el que los números de referencia representan:

10211 - modo de instalación,

10212 - modo en reposo,

10213 - modo normal.

La figura 4 ilustra el diagrama de bloques representativo de los elementos constitutivos de la pasarela (101), en el que los números de referencia representan:

104 - red de telecomunicaciones,

1011 - módulo de captación de energía,

1012 - controlador de carga,

1013 - módulo de gestión de energía,

1014 - módulo de almacenamiento de energía

1015 - unidad central de procesamiento, CPU,

1016 - módem,

1017 - sensor de temperatura y humedad relativa,

1018 - sistema de comunicaciones.

La figura 5 ilustra la representación de los datos de temperatura, humedad relativa y nubosidad, utilizando las previsiones meteorológicas, y los valores recogidos de humedad, temperatura y nivel de batería por la pasarela (101) instalada en el suelo.

La figura 6 ilustra la representación de los datos relativos a los histogramas de corriente recogidos por los dispositivos, es decir, los sensores de corriente (102), y posteriormente transmitidos por la pasarela (101) al centro de coordinación (103) a través de la red de telecomunicaciones (104).

La figura 7 representa una realización y el aspecto exterior del sensor de corriente (102).

Descripción de las realizaciones

Haciendo referencia a las figuras, se describen ahora con más detalle algunas realizaciones, que no pretenden, sin embargo, limitar el ámbito de la presente solicitud.

La presente solicitud describe un sistema (1) para la supervisión remota y continua en tiempo real de la degradación progresiva de los aisladores instalados en los conductos de transmisión de energía eléctrica. El sistema desarrollado (1) consta de uno o varios dispositivos de detección de corriente, o sensores de corriente (102), y un sistema de análisis de la información de los datos recopilados, o centro coordinador (103).

Se utiliza una pasarela (101) para recopilar los datos de los sensores (102) y retransmitirlos a través de un sistema de telecomunicaciones (104), móvil o fijo, al centro coordinador (103).

En términos de hardware, cada sensor de corriente (102), y de acuerdo con la figura 2, consta de los siguientes elementos:

- módulo de recolección de energía (1021), por ejemplo, paneles solares;

- módulo de almacenamiento de energía (1024), por ejemplo, una batería de supercondensadores;

- sistema de comunicaciones (1029), por ejemplo Bluetooth o LoRaWAN (red de área extensa de largo alcance); - dispositivo de lectura de corriente (1028), por ejemplo una bobina Rogowski (este dispositivo será decisivo para recoger las corrientes de fuga, y el modelo en cuestión puede incorporar un sistema de integración);

- Elemento de blindaje del campo eléctrico (en una de las realizaciones propuestas, este blindaje se aplica al dispositivo de lectura de corriente (1028));

- Electrónica necesaria para el funcionamiento de la unidad sensorial (102), a saber, controlador de carga (1022), módulo de gestión de la energía (1023), unidad central de procesamiento (1025), unidad de detección del campo magnético (1026) e interfaz analógica (1027).

El sensor propuesto (102), que no se limita a la descripción anterior, puede incorporar, de forma complementaria, bloques de sensores adicionales, como, por ejemplo, sensores de campo magnético, sensores de humedad relativa, sensores de temperatura, entre otros.

En cuanto a los bloques constituyentes del sensor de corriente (102), cada sensor se compone de un bloque de captación de energía (1021), que se encarga, por ejemplo, del aprovechamiento de la energía solar a través del controlador de carga (1022) y de la posterior carga del módulo de almacenamiento de energía (1024). La gestión energética del sensor la realiza el módulo correspondiente (1023). La interfaz analógica (1027) se encarga de filtrar, amplificar y comparar la señal analógica procedente del dispositivo de lectura de corriente (1028), permitiendo que sea digitalizada por la unidad central de procesamiento (1025). La unidad de detección del campo magnético (1026) se encarga de detectar y medir el campo magnético, con el fin de identificar y medir el rango de corriente presente en las líneas de transmisión, así como de determinar la necesidad de medir las corrientes de fuga. El módulo central de procesamiento (1025) se encarga de la conversión analógica a digital (conversión A/D) de los valores recogidos por el dispositivo de lectura de corriente (1028), que previamente fueron sometidos a tratamiento en la interfaz analógica (1027), siendo procesados internamente para su posterior envío a la pasarela (101) a través del sistema de comunicaciones (1029) .

Un aspecto que debe tenerse en cuenta al aplicar el modelo de detección propuesto es la presencia de fuertes campos magnéticos y eléctricos externos procedentes de las líneas de transmisión de energía eléctrica. La perturbación causada por el campo eléctrico en el sensor de corriente (102) puede anularse utilizando un sistema de blindaje eléctrico en dicho sensor (102). La anulación de las perturbaciones resultantes de la acción del campo magnético es más compleja. Dada la geometría y la distribución de las líneas de campo, generarán un campo magnético concéntrico inversamente proporcional a la distancia del sensor a la línea. En estas condiciones, y para valores nominales de corriente en las líneas de muy alta tensión MAT, la magnitud de estos campos a nivel del sensor será del orden de unos pocos |jT. Por geometría, estos campos magnéticos (esencialmente con una frecuencia de 50 Hz, de acuerdo con la corriente de línea) también serán detectados por el dispositivo de captación de corriente (1028) utilizado en el sensor (102), lo que afectará al valor de las mediciones relacionadas con las corrientes de fuga. Para resolver este problema y dadas las características de las señales a detectar (descargas parciales, o descargas parciales (PD) con distorsión armónica total, o alta distorsión armónica total (THD)), el sistema desarrollado tiene en cuenta únicamente los componentes armónicos de las señales medidas por el dispositivo de captación de corriente (1028), en el caso propuesto, por la bobina Rogowski. Así, se despreciarán los efectos introducidos por los campos magnéticos externos, sin pérdida en la detección de PD.

La utilización de la bobina de Rogowski, en los métodos de implementación propuestos para el sensor (102), y para la supervisión de las corrientes de fuga de los aisladores (11) instalados en conductos eléctricos de muy alta tensión MAT en servicio, presenta ventajas ya que garantiza la no saturación en presencia de altas corrientes debido a su comportamiento lineal, siendo útil y fiable en la medida bajo condiciones de descarga súbita. Además de tener un gran ancho de banda, que permite la supervisión de una amplia gama de amplitudes, también permite realizarla en una amplia gama de frecuencias, relevantes para el método en cuestión. Además, su diseño de "núcleo abierto" facilita la instalación en el soporte y una abertura intempestiva del circuito secundario no provoca su destrucción. Por último, tiene un coste reducido en comparación con otras alternativas. La aplicación de la bobina Rogowski no se limita a aplicaciones en líneas MAT, por lo que resulta posible aplicarla, y el respectivo sensor (102), en líneas con tensión superior a 60kV, alta tensión a 60kv y media tensión entre 10kV y 60kV.

Como se ha mencionado anteriormente, el aumento de la contaminación o envejecimiento del aislador (11) es proporcional al número e intensidad de las descargas parciales. La señal medida por el sensor (102) corresponderá a la propia señal eléctrica (con la frecuencia de red a 50 Hz), sumada al ruido del sensor, que se espera que sea blanco, es decir, en el que las sucesivas muestras de ruido no estén correlacionadas entre sí. El valor efectivo de la corriente RMS (Media Cuadrática) de la señal, filtrada por la componente fundamental, aumentará entonces con el número y la intensidad de las descargas, siendo posible visualizar en histograma la intensidad de esta corriente en bins (contador de ocurrencia dentro de un rango determinado de valores) que dividen la intensidad de esta corriente en varios niveles, siendo que los bins (o niveles) más altos equivalen a una mayor presencia de descargas, y en consecuencia, a una mayor degradación del aislador.

La señal muestreada por el sensor (102) corresponde a la propia señal eléctrica, a la que se añade el ruido blanco del sensor, lo que hace que las sucesivas muestras de ruido no estén correlacionadas entre sí, y, en caso de descargas parciales, picos correspondientes a descargas debidas a la combinación de la presencia de humedad y la degradación del aislamiento. Así, los picos de las descargas parciales corresponderán a ruido añadido a la señal. Como consecuencia, es posible medir el grado de degradación del aislador observando el impacto de las descargas parciales sobre el ruido de fondo, ignorando el componente fundamental, por lo que no se supervisa su amplitud. El sensor (102) realiza un muestreo de la señal con una frecuencia de muestreo de 18,9 kHz y efectúa un filtrado de la señal recolectada con una cascada de tres filtros de paso alto de tercer orden Sallen-Key, y posteriormente, las muestras sucesivas de la señal se utilizarán para rellenar un histograma que permitirá distinguir una situación de ausencia/presencia de descargas parciales.

En el diseño del bloque del sensor de corriente (102) se han tenido en cuenta dos factores fundamentales: el punto de funcionamiento debe ser tal que permita la carga del módulo de almacenamiento de energía (1024) en condiciones solares menos favorables, aunque ello suponga un desperdicio de energía en los días de luz solar intensa; y la carga de dicho módulo de almacenamiento (1024) debe tener en cuenta el correcto equilibrio de carga de cada elemento. El módulo de gestión de la energía (1023) se encarga de utilizar la carga de la batería para alimentar el sistema. Regula el valor del módulo de almacenamiento (1024) a un nivel de tensión adecuado, garantizando el correcto funcionamiento del sistema.

El sensor de corriente (102) tiene tres modos de funcionamiento: modo de instalación (10211), modo de reposo (10212) y modo normal (10213). En el modo de instalación (10211), relacionado con la instalación del sensor (102) en el soporte (10), el sensor (102) permanece en cada periodo de 60 segundos, 40 segundos inactivo y 20 segundos activo, a la espera de que se establezca la conexión Bluetooth de Baja Energía (BLE) con la pasarela (101) . Tan pronto como establecen comunicaciones con la pasarela (101), los relojes se sincronizan entre ambos y el sensor de corriente (102) recibe los ajustes y, a continuación, pasa al modo de reposo (10212). Cuando el sensor (102) pierde completamente la energía, entra en modo de instalación como forma de protección, para garantizar el correcto sincronismo y la calidad de los datos recopilados. En el modo de reposo (10212), el sensor (102) se encuentra en estado de ahorro de energía, permaneciendo operativo únicamente el reloj interno y apagados el resto de módulos, lo que permite aumentar la duración y la autonomía del módulo de almacenamiento de energía (1024). En el modo normal (10213), el sensor (102) mide la corriente de fuga y recopila los datos correspondientes a 30 segundos de mediciones. Posteriormente a la recopilación de datos, el sensor (102) se comunica con la pasarela (101), recibiendo de nuevo los ajustes y sincronizando los relojes, para después transmitir los datos recopilados y volver al estado de reposo. En cuanto al funcionamiento, el sensor (102) alterna entre el estado en reposo y el estado normal según un programa establecido.

El sistema de supervisión a distancia (1) de los aisladores, o pasarela (101), también tiene la capacidad de recibir datos con previsiones meteorológicas, y de ajustar en función de esta información las necesidades de medición de los sensores (102). El ajuste de las características de la medición se realiza de forma dinámica, y la información relacionada con la radiación solar, la temperatura y la humedad relativa, o la probabilidad de que se produzcan precipitaciones, servirá como factor de ajuste para mejorar las ventanas de medición, así como los índices de recepción de datos. Este ajuste también es fundamental para garantizar la correcta gestión de la carga del módulo de almacenamiento de energía (1024), que es gestionada por el módulo de gestión de energía (1023), garantizando su eficiencia y eficacia en los periodos más críticos y fundamentales de la operación de recopilación de información.

Con un número suficiente de sensores instalados en diferentes zonas geográficas y en distintos regímenes ambientales y meteorológicos, es posible comprender la relación entre la señal medida y las distintas variables a considerar como la temperatura, la humedad relativa, la radiación solar, etc. Esto permite aislar las variaciones de la señal correlacionadas con las PD asociadas a los cambios medioambientales. Este sistema también permite aumentar y mejorar la capacidad de parametrización de los límites impuestos a las alarmas, mitigando las alarmas intempestivas y aumentando la fiabilidad del sistema.

Con un mayor conocimiento de la relación entre estas variables, las previsiones de la necesidad de mantenimiento también serán más precisas, así como las previsiones de sustitución de aisladores (11).

Los datos recopilados y almacenados por la pasarela (101), y transmitidos periódicamente al centro coordinador (103) , se almacenan en una base de datos local o remota (Bd ) para su posterior exportación y análisis, siendo posible la lectura mediante una interfaz gráfica. La visualización de la información producida por el sistema de recopilación y almacenamiento (1), es posible gracias a una plataforma desarrollada al efecto.

La función principal de la pasarela (101) es recopilar los datos de los distintos sensores instalados mediante el sistema de comunicaciones (1018), que se basa en la misma tecnología de comunicaciones (1029) utilizada en el sensor (102), y garantizar el correcto enrutamiento de los valores recopilados para la base de datos del servidor, mediante el uso de la red de telecomunicaciones (104). La pasarela (101) también tiene la tarea de supervisar y registrar las condiciones meteorológicas en el lugar de instalación, para lo que dispone de al menos un sensor de temperatura y humedad relativa (1017).

En cuanto a la alimentación eléctrica de la pasarela (101), el sistema utilizado puede ser idéntico al empleado en los sensores de corriente (102) y se basa en el uso de un módulo de recolección de energía (1011) y un módulo de almacenamiento de energía (1014), aunque en el caso de la pasarela (101), las necesidades energéticas son mayores que las de los sensores (102), lo que conlleva una mayor capacidad instalada en este equipo.

Desde el punto de vista del hardware, la pasarela (101) consta de los siguientes elementos:

- módulo de recolección de energía (1011), por ejemplo, paneles solares;

- módulo de almacenamiento de energía (1014), por ejemplo, una batería de supercondensadores;

- sensor de temperatura y humedad relativa del aire (1017);

- Módem (1016) y un sistema de comunicaciones (1018);

- Electrónica necesaria para el funcionamiento de la unidad, que también puede incluir un controlador de carga (1012), un módulo de gestión de energía (1013) y una unidad central de procesamiento (1015).

En cuanto a la Unidad Central de Procesamiento (1015), controla todas las operaciones realizadas por la pasarela (101). Contiene los comandos de las operaciones inherentes a los distintos modos de funcionamiento, que obedecen a los requisitos de la aplicación en cuestión.

Los modos de funcionamiento definidos en la pasarela (101), son idénticos a los de los sensores de corriente (102), y se definen por modo instalación, modo de espera y modo normal. Para ello, la CPU realiza las acciones necesarias en cada modo, decidiendo también si se dan las condiciones necesarias y/o adecuadas para cambiar el modo de funcionamiento.

En general, y en una de las realizaciones propuestas, el sistema de supervisión (1) desarrollado y aplicado en cada una de las torres (10), dispone de tres sensores que funcionan de la siguiente manera: El sensor 1 mide las corrientes de fuga durante 30 segundos, crea el histograma de la corriente medida y lo envía a la pasarela (101). Tras el envío, entra en estado de reposo durante 30 minutos. El sensor 2 tiene exactamente el mismo funcionamiento que el sensor 1, pero con un desfase operativo de 10 minutos, al igual que el sensor 3, pero éste con un desfase operativo de 20 minutos respecto al sensor 1. Brevemente, el sistema presenta histogramas de 30 segundos de medición cada 10 minutos, pero de los distintos sensores de un mismo soporte. El sistema creado permite su instalación en soportes de muy alta tensión MAT que estén en servicio sin necesidad de desconectar la alimentación tal y como se describe en el documento siguiente.

El módem (1016) de la pasarela (101), se encarga de establecer un canal de comunicaciones (104) entre el sistema (1) montado en el soporte (10) y un servidor remoto, o centro coordinador (103). El módem (1016) que acompaña a la unidad permite, en una de las realizaciones propuestas, las comunicaciones a través de la red móvil 4G. Si no hay cobertura de red móvil (104) en el lugar de instalación, el módem (1016) también permite la transmisión de datos utilizando otras tecnologías como WCDMA o GSM. Preferiblemente, las comunicaciones de datos se realizarán utilizando el estándar LTE (4G). Mediante esta comunicación a través de la red móvil (104), la pasarela (101) comunica al servidor remoto (103) los datos recopilados por los sensores (102), el nivel de tensión del módulo de almacenamiento de energía (1024) de cada uno de los sensores (102), el nivel de tensión del módulo de almacenamiento de energía (1014) de la pasarela (101), así como los datos meteorológicos registrados por esta última. En el modo de funcionamiento normal de la pasarela (101), se realizan secuencialmente cuatro acciones principales:

1. Establecimiento de la conexión de comunicaciones con los sensores (102);

2. Comunicación de datos con el sensor (102), sincronización de parámetros y reloj;

3. Validación, transmisión y almacenamiento respectivo de datos;

4. Transmisión de datos al servidor (103).

A partir de la primera acción, la pasarela (101) se despierta y comienza a explorar la conexión de comunicaciones, por ejemplo Bluetooth, intentando establecer contacto con uno de los sensores (102). El propósito de esta primera acción es llevar a cabo el intercambio de datos, previsto en la segunda acción. En la segunda operación, la pasarela (101) se encarga de resincronizar el reloj con el sensor y de enviar los ajustes, que entretanto pueden haber sido modificados por el usuario en la plataforma. Durante esta interacción, la pasarela espera la recepción de los datos registrados, a saber, un histograma de las intensidades de corriente de fuga medidas y el nivel de tensión del módulo de almacenamiento de energía (1024) del sensor (102). De este modo, se termina la conexión con el sensor (102). Tras recibir los datos, la pasarela (101) valida la fecha recibida y guarda los datos recibidos del sensor (102) en la memoria física, etiquetando cada sensor (102) con un identificador. En esta fase, también valida y guarda los datos registrados sobre la tensión del módulo de almacenamiento de energía (1014) de la pasarela (101) y la temperatura y la humedad procedentes de los sensores (1017) y que se percibieron durante todo el periodo activo de funcionamiento de la misma. La cuarta, y última acción, comienza comprobando si debe haber o no comunicación con el servidor en ese momento, de acuerdo con el periodo de comunicaciones configurado. Si es así, la pasarela (101) establece una conexión con el servidor (103), para transmitir los datos en memoria. Por otro lado, si aún no se ha alcanzado el periodo de comunicaciones, la pasarela pasa al modo de reposo. Esta última acción no es limitativa en cuanto al orden en que se produce, por lo que podría ser el servidor o centro coordinador (103) el que estableciera la conexión con la pasarela remota (101).

En cuanto a los parámetros globales analizados en la aplicación, y recogidos por el centro coordinador (103), se presentan tres gráficos relativos a la temperatura del aire, la humedad relativa y la cobertura nubosa, como en la figura 5. Esta información se obtiene a través de una interfaz de programación de aplicaciones (API), que proporciona datos meteorológicos para las coordenadas solicitadas y correlacionados con la ubicación de la instalación de los sensores (102). Estos datos son independientes de los recopilados por los sensores (102) e incluyen también previsiones futuras. La aplicación permite comparar, mediante un análisis gráfico visual, los datos meteorológicos proporcionados por la API con los recolectados localmente por los sistemas instalados sobre el terreno. El servidor, o centro coordinador (103), también tiene la función de generar alarmas asociadas cuando se den las condiciones predefinidas para la necesidad de lavar o cambiar los aisladores, con diferentes niveles de gravedad. En cuanto al lavado, hay un nivel menos severo de necesidad de lavar el aislador en 6 meses y el nivel más severo de lavado en menos de 1 mes. En cuanto a la sustitución del aislador, presenta los mismos niveles, sustitución menos severa en 6 meses y sustitución más severa en menos de 1 mes.

La definición y transmisión de nuevos parámetros al equipo remoto en tiempo real a través de la API del centro coordinador (103), así como la consulta de los parámetros actuales y su historial son posibles y, en una de las realizaciones propuestas, incluyen:

- Histogramas agrupamiento;

- Programación de los periodos de recepción de datos;

- Ajuste de los límites de alarma;

- Parámetros de adquisición.

Para la instalación del sistema de supervisión (1), no es necesario retirar la línea de servicio, desconectar el suministro eléctrico, ni recurrir al uso de herramientas no convencionales cuando se plantean operaciones de mantenimiento de la línea de muy alta tensión. Los sensores (102) están construidos de forma que puedan instalarse en una amplia gama de extensiones, un aditamento para fijar la cadena de aislador (11) al soporte del apoyo (10). El proceso de instalación es sencillo, basta con fijar el sensor a la prolongación del soporte (10) mediante tornillos de muesca, cerrar la bobina y colocar la cubierta superior del sensor (102). La operación también contempla la necesidad de acoplar el módulo de captación de energía (1021), quedando el sensor en pleno funcionamiento justo después de estos pasos. El proceso de instalación de la pasarela (101) sobre el soporte (10) es en todo similar, existiendo únicamente la necesidad de fijar dicho equipo al soporte (10), así como el respectivo módulo de captación de energía (1011). Inmediatamente después de la instalación y la puesta en marcha, será posible confirmar el uso de los sistemas de comunicación, con el protocolo de puesta en marcha aún en el lugar de la instalación.

Por supuesto, la presente descripción no se limita en modo alguno a las realizaciones presentadas en la presente y una persona con conocimientos técnicos ordinarios puede ofrecer muchas posibilidades de modificarla sin apartarse de la idea general definida en las reivindicaciones. Las realizaciones preferidas descritas anteriormente son obviamente combinables entre sí. Las siguientes reivindicaciones definen con mayor detalle las realizaciones preferidas.

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Método de funcionamiento de un sistema (1) de supervisión de las corrientes de fuga y de descarga súbita en aisladores de líneas aéreas (11) y de determinación de la degradación de las propiedades aislantes de los mismos, que comprende los pasos de:

establecer una conexión de comunicaciones entre un centro coordinador (103) y una pasarela (101);

la pasarela (101) transmitiendo al centro coordinador (103), los datos recolectados de al menos un sensor (102), los niveles de tensión de al menos un sensor (102) y de la pasarela (101), y los datos meteorológicos registrados por esta última;

el centro coordinador (103) transmitiendo los valores meteorológicos previstos a la pasarela (101);

mostrar los datos transmitidos, los niveles de tensión y los datos meteorológicos a un usuario a través de una plataforma o API;

caracterizado porque los datos recolectados de al menos un sensor (102) comprenden la supervisión de las corrientes de fuga recogidas por una bobina Rogowski instalada sobre un aislador eléctrico (11) que soporta una línea aéreas de transmisión para estimar la contaminación y/o el envejecimiento y/o el estado del aislador (11), dichas estimaciones comprenden el recuento de un número de descargas parciales identificadas en las corrientes de fuga y su intensidad a una frecuencia de muestreo de 18,9 kHz con filtrado posterior mediante una cascada de tres filtros de paso alto de tercer orden Sallen-Key; y donde los datos mostrados a un usuario permiten determinar las acciones de mantenimiento que deben recomendarse en el aislador (11).

2. Método de funcionamiento del sistema (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la medición de las corrientes de fuga comprende el filtrado del componente de 50 Hz.

3. Método de funcionamiento del sistema (1) de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la estimación del estado del aislador (11) resulta de una correlación del nivel de contaminación y/o envejecimiento del aislador con las condiciones ambientales y meteorológicas donde está funcionando, a saber, la temperatura ambiente, la humedad relativa del aire y la radiación solar.

4. Método de funcionamiento del sistema (1) de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 3, caracterizado porque las acciones de mantenimiento a recomendar en el aislador (11) se determinan automáticamente a partir de la estimación del estado del aislador, e incluye:

- Necesita lavar el aislador a corto plazo;

- Necesita lavar el aislador inmediatamente;

- Es necesario sustituir el aislador a corto plazo;

- Necesita sustituir el aislador inmediatamente.

5. Sistema para supervisar (1) las corrientes de fuga y de descarga súbita en aisladores de líneas aéreas (11) y determinar la degradación de las propiedades aislantes de los mismos de acuerdo con el método descrito en las reivindicaciones anteriores 1 a 4, que comprende:

al menos un sensor de corriente (102), instalado en una prolongación de un soporte (10), que comprende un dispositivo de lectura de corriente (1028);

una interfaz analógica (1027), configurada para realizar la recepción, el filtrado y la amplificación de una señal analógica procedente del dispositivo de lectura de corriente (1028);

una unidad central de procesamiento (1025), configurada para realizar la conversión A/D y el almacenamiento de la señal analógica procedente de la interfaz analógica (1027), y un sistema de comunicaciones (1029);

una pasarela (101) que comprende

un sensor de temperatura y humedad relativa del aire (1017);

una unidad central de procesamiento (1015);

un sistema de comunicaciones (1018); y

un módem (1016);

dicha pasarela (101) está configurada para comunicarse con al menos el sensor de corriente (102), a través del sistema de comunicaciones (1018), para llevar a cabo una transmisión de parámetros y recolectar los valores A/D convertidos y almacenados en al menos el sensor de corriente (102); y

un centro coordinador (103), conectado a distancia con la pasarela (101) mediante una red de telecomunicaciones (104) a través de un módem (1016) para recibir los datos recolectados de al menos el sensor de corriente (102) y del sensor de temperatura y humedad relativa del aire (1017);

caracterizado porque

el dispositivo de lectura de corriente (1028) de cada uno de al menos el sensor de corriente (102) comprende una bobina Rogowski instalada sobre un aislador eléctrico (11) que soporta una línea aérea de transmisión;

la señal analógica que comprende una frecuencia de muestreo de 18,9 kHz con filtrado adicional mediante una cascada de tres filtros de paso alto de tercer orden Sallen-Key; y

al menos el sensor de corriente (102) que comprende una unidad de detección de campo magnético (1026) configurada para determinar el campo magnético presente en la línea aérea de transmisión y configurada para activar el muestreo de corriente de fuga a través del dispositivo de lectura de corriente (1028).

6. Sistema de acuerdo con la reivindicación 5 anterior, caracterizado porque los parámetros de al menos el sensor de corriente (102) son ajustados por la pasarela (101), a través del sistema de comunicaciones (1018, 1029), basándose en los valores meteorológicos recopilados por el sensor (1017) y los valores meteorológicos previstos enviados por el centro coordinador (103) a través de la red de telecomunicaciones (104).