WO2011151480A2 - Nuevo procedimiento para ensayar y diagnosticar en tiempo real las fuentes de descargas parciales que se produzcan en equipos e instalaciones de alta tensión en servicio o fuera de servicio y su sistema físico para la aplicación practica del procedimiento - Google Patents

Nuevo procedimiento para ensayar y diagnosticar en tiempo real las fuentes de descargas parciales que se produzcan en equipos e instalaciones de alta tensión en servicio o fuera de servicio y su sistema físico para la aplicación practica del procedimiento Download PDF

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Miguel Angel SANCHER URÁN
Javier Ortego La Moneday
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Universidad Politecnica De Madrid (Upm)
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    • G01R31/1263—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing of components, parts or materials of solid or fluid materials, e.g. insulation films, bulk material; of semiconductors or LV electronic components or parts; of cable, line or wire insulation
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Definitions

  • the present invention is about a new method of diagnosis of partial discharges (DPs) that complements the procedures and systems of continuous monitoring of (DPs) permanently installed in high-voltage equipment or installations and that consume long periods of calculation time for the analysis of the measures.
  • the new invention reduces the analysis time allowing real-time diagnostics of the insulation status of high voltage equipment and installations.
  • the new invention allows the diagnosis to be made either using the high-voltage power grid itself (measurements in service) or with a novel voltage source designed for this purpose (measurements out of service).
  • High voltage equipment should be understood as a generator of voltage and / or alternating or direct current, power transformer, measuring transformer and / or protection of voltage and / or current, switchgear, insulators and lightning rods, and under the term installation of High voltage should be understood: high voltage cable systems with their splicing and termination accessories, gas insulated power lines, gas insulated substations and high voltage switchgear assembly under metal enclosure.
  • the new procedure proposed by the present invention improves the processing time of the measured signals and achieves the identification of the different foci of DPs that exist in the measured installation. It also includes a new system for generating the high test voltages appropriate to apply the new procedure when it is not uses the mains voltage (measures out of service).
  • the measurement of partial discharges has proven to be the most effective procedure for the diagnosis of the isolation of high-voltage equipment, machines and installations, such as measuring and protection transformers, switchgear, transformers and power ballasts, alternators, shielded substations in gas, cables with their accessories installed and gas insulated lines.
  • a "partial discharge” should be understood in the context of this document as an electrical discharge that affects a limited part of the insulation where it occurs, without causing its immediate failure, but its progressive degradation, unless it is the ambient air that is renewed. natural form.
  • Another known method analyzes the frequency spectrum of the noise signal in order to choose a measurement frequency band where the amplitude of the noise is as low as possible.
  • the drawback of this procedure is that, sometimes, the band with the lowest noise signal coincides with the band where the DPs signal is also weak in amplitude, so the measurement of DP is difficult.
  • Another method is also known that tries to eliminate noise by classifying the recorded signals (DPs + noise) into groups. Groups are formed by determining parameters associated with the shape of the signal (duration and frequency) and its amplitude.
  • the specific disadvantage of this procedure is that the processing is carried out by signal level, so that in order to ensure the capture of DP signals, the acquisition level must be reduced and therefore the content of the noise signals is substantially increased. The processing becomes very heavy since the noise meets the DPs.
  • An efficient technique against white noise is to apply the Wavelet transform of the recorded signal and statistically analyze its components, in order to find transient events characteristic of the pulses of DPs that are distinguished from the statistical evolution of electrical noise.
  • the great drawback of this technique for real-time measurements is the high time consumption in numerical processing of the recorded signals to discriminate the noise of the DPs.
  • Some techniques use the offset of the DPs with respect to the applied voltage to identify different sources of DPs. It is known that depending on the type of defect (cavity inside the insulation, surface discharge in dirty or defective insulations, corona effect in air in pointed conductive parts, etc.) characteristic patterns of DPs resolved in phase of the voltage of test, which are called reference DP patterns. If the measured pattern is compared with the reference standards, it is possible to observe if there is only one defect or several defects. However, when there are several defects, their corresponding patterns can easily overlap and be confused with each other without it being easy to identify each and every one of them, being the operator's experience crucial for a correct diagnosis. In addition, noise not eliminated in many commercial techniques makes it even more difficult to identify different sources of DPs through simple visual observation of their DP patterns.
  • Another more advanced technique establishes groups of DPs based on two shape parameters of each DP pulse: pulse duration and pulse oscillation frequency.
  • shape of the DP signal can be very different depending on the rise time and the descent time of the DP pulse envelope, although the DP signal has the same total duration and the same oscillation frequency.
  • this problem is solved by characterizing the pulse shape of DPs by means of three parameters instead of two: parameter correlated with the time in front of the pulse envelope, parameter correlated with the time of descent of the pulse Pulse envelope and parameter correlated with the pulse oscillation frequency.
  • the first technique developed for testing measurements of DPs in situ was the very low frequency generator (0.1 Hz or 0.01 Hz).
  • the low frequency of the voltage generated increases hundreds of times, if it is 0.1 Hz, or thousands of times if it is 0.01 Hz, the capacitive reactance presented by the installation to be tested and thus reduced, in almost the same proportion, the power demanded during the test.
  • the drawback of this technique is that the wavelength of the generated alternating voltage is hundreds of times longer if it is 0.1 Hz or thousands of times longer if it is 0.01 Hz to the duration of the sine wave 50 Hz or 60 Hz of the electricity network where high voltage equipment and installations operate. It is known that the voltage distribution inside the insulations and the dielectric behavior of the insulations is different for the voltages of 0.1 Hz and 0.01 Hz than for voltages of 50 Hz or 60 Hz, so the tests they do not faithfully reflect the behavior of the insulation when subjected to the mains voltage.
  • the limitation of this technique is that the maximum oscillating test voltage is applied only to the first peak of the voltage.
  • the inevitable damping of the oscillating voltage wave generated by the resistance of the circuit itself means that the following half-periods of wavelengths have less amplitude and the wave is very noticeably attenuated in a few tens of milliseconds causing a lower dielectric request in the insulation.
  • dielectric solicitation and therefore the result of the measurement of DPs in the insulations depends not only on the instantaneous level of the test voltage, but also on the duration of the applied voltage.
  • the UNE 60270 standard establishes the measurement of DPs in pC as the largest value of DP that occurs repeatedly during the test. For this purpose, the reading of the DPs measuring instrument must be carried out according to the repetition rate of DPs pulses per second, during which time the test voltage must be kept constant without attenuation or damping.
  • Variable frequency LC resonant systems have also been developed that have advantages over fixed frequency resonant systems, a lower weight of the generator (between half and five times less weight) and the higher ratio of compensated power to the active power demanded (between 1.2 to 2 times higher), but on the other hand the frequency is not exactly the network frequency, but values between 20 Hz and 300 Hz, which does not meet the ideal objective of testing the insulation at the frequency of the network where they work (50 Hz or 60 Hz).
  • the proposal of the new invention tries to solve this problem by compensating the reactive power by means of power electronics if the three phases are tested simultaneously by means of a FACT system.
  • the weight and volume of the generator is also reduced by generating 50 Hz alternating high voltage for short periods of time, of the order of some seconds, as if it would be a temporary overvoltage characteristic of a short circuit in the network, waiting for a time interval to reapply test voltage.
  • a feasible example with current technology is to apply two seconds of test voltage for every minute of real time. So that in 5 minutes a total of 500 50 Hz wave periods is available, more than enough figure for the statistical treatment of the DP measurements that allows the evaluation of the insulation status.
  • This test, measurement and analysis procedure allows the generator to demand only maximum active power solicitations in a very timely manner and thereby reduce strongly the weight and volume of the generator at lower values of the techniques currently used.
  • the present invention consists of a measurement procedure and measurement analysis, for a real-time evaluation of the insulation status of high voltage cables during their operation in the network or when they are not connected to the network, which improves the techniques used today and that remedies, as has been said, the inconveniences associated with these techniques.
  • the objective of the present invention is to have a new measurement and analysis procedure for the measurement of partial discharges for the evaluation, in real time, of the insulation status of high-voltage machines, devices, equipment and installations such as insulated cables , either during normal operation on the network or out of service of the network, by using a test generator specifically designed to apply the new measurement and analysis procedure indicated.
  • the present invention makes it possible to reduce the time required for the analysis of the measurement, in order to carry out a real-time diagnosis, thanks to the parallel use of several Computer multiprocessors developed for personal computers.
  • the new procedure allows to discriminate different sources or sources producing partial discharges, whether they appear in locations physically close to each other, for example in the same apparatus, machine or high voltage element, such as in a splice or termination of a cable, or those that appear distant from each other, in different devices, machines or other parts of a high voltage installation.
  • the DP measurement system will basically consist of an electromagnetic sensor that works in a frequency range between 50 kHz and 20 MHz and a high speed digital sampling recorder channel controlled by a personal computer.
  • the procedure for assessing the insulation status of installations of a certain length (greater than 20 m) requires two measurement systems and measurement analyzes synchronized temporarily, for example via a GPS signal.
  • Each DP measurement system is located in a different location of the high-voltage installation, distanced from each other at least 20 m. Integrated DP sensors or sensors external to high voltage equipment can be used.
  • short-range DP sensors such as very high frequency (VHF), ultra high frequency (UHF) or acoustic sensors sensors, which only detect can be available DPs that occur near the sensor (a few meters away from the sensor), so they should be placed at points where it is suspected that DPs may appear or in Critical positions where the consequences of a failure would be fatal.
  • VHF very high frequency
  • UHF ultra high frequency
  • acoustic sensors sensors which only detect can be available DPs that occur near the sensor (a few meters away from the sensor), so they should be placed at points where it is suspected that DPs may appear or in Critical positions where the consequences of a failure would be fatal.
  • the comparison between the pulses of DPs acquired by these latter sensors located in an equipment or accessory (for example a termination or a splice of a cable) and the pulses of DPs detected by the electromagnetic sensors that work between 20 kHZ and 20 MHz help to ratify the location of the sources of DPs.
  • the partial discharge measurement procedure requires the sequence of steps indicated below.
  • the first six stages are repeated in the same way in the two synchronized measurement systems. It is also possible to measure DPs in smaller individual equipment, such as electrical machines (generators and transformers), switchgear, measurement transformers, being sufficient to use with a single measurement system, in which case the seventh and eighth stage ( blocks 1.7 and 1.8) are not applicable.
  • a first stage of the procedure (block 1.1) consists of taking captures that begin at the exact second of the UTC (Coordinated Universal Time).
  • This start signal of the captures is achieved, for example, from the PPS signal (pulse per second) of a GPS receiver in a fixed position and that, by capturing at least four satellites, achieves absolute time errors of less than 10 nanoseconds .
  • the capture process collects on the one hand, the signal from the DP sensor; The signal measured by the test voltage sensor is also collected, plus the mains voltage signal (in case the excitation is not the mains voltage itself).
  • the part to be used of the signal collected by the DP sensor corresponds to an integer "n" of test voltage periods (n by 20 ms for 50 Hz voltages).
  • n the number of periods of each capture depends on the memory available for data storage and the need to refresh results on the observation screen.
  • the voltage applied must be the test voltage for the measurement of DPs.
  • the second stage (block 1.2) consists in segmenting the total capture interval into "n" complete time periods of the reference signal (of 20 ms duration for the 50 Hz reference signal), which will primarily be the test voltage, but that eventually it can be the mains voltage, when this is different from the test voltage, in order to perform the numerical analysis of the measured signal of DPs relative to the separation of the electrical noise and to the calculation of parameters of the signals of DP type in the following stages 3 and 4 (blocks 1.3 and 1.4 respectively) for each of the individual periods.
  • the reference signal of 20 ms duration for the 50 Hz reference signal
  • the third stage (block 1.3) consists in separating in real time, thanks to the use of multiprocessors the electrical noise of the signal acquired by the DP sensor.
  • Electric noise is a mixture of signals coupled to DP signals, either conducted through the power system or through the grounding system, or radiated, for example by radio stations, mobile phones, etc.
  • the elimination of electrical noise by means of numerical treatment of the captured signals consisting of applying the Wavelet transform to the acquired signal and statistically analyzing its components, in order to find transient events characteristic of DP signals that are distinguished from the statistical evolution of the electrical noise.
  • the processing time of the signal applied for the numerical noise elimination treatment is drastically reduced by dividing the numerical calculation tasks among the available multiprocessor "m" of the GPGPU used for this purpose.
  • the temporary reduction ratio achieved makes it possible to process without difficulty every 20 ms period of the signal from the DPs sensor in a time of 100 ms, which allows the results screen to be refreshed instantly for visual purposes.
  • the processing of the individual DP signals is carried out in order to determine for each DP type signal the following parameters: the absolute time ti arrival of the DP pulse referenced to the temporary UTC signal (by GPS signal example), the phase angle over time (j> i with respect to the zero crossing of the test voltage signal.
  • the angle is also determined phase over time ⁇ r ⁇ with respect to the zero crossing of the mains voltage signal.
  • the parameters that identify the shape of the DP type signal are also calculated.
  • the shape of the current wave corresponding to each DP-type signal, transient damping transient wave ii (t), is modeled by a sinusoidal function gi (first part of the formula (1)), modulated by an envelope function ⁇ (second part of the formula (1)), which is defined in this invention, as the asymmetric hyperbolic secant, because it corresponds to the hyperbolic mathematical secant function in which the parameters of the two exponential functions of the denominator cease to be equal to lose symmetry in relation to the ordered axis (second part of equation (1)).
  • - ei is a function similar to the expression of the hyperbolic secant associated with the i-th pulse, that when the parameters i and ⁇ are different, asymmetry is achieved.
  • This function modulates the amplitude Ai of the sinusoidal function gi. - toi is the temporary displacement of the asymmetric hyperbolic secant that modulates the ithimus oscillating pulse.
  • Ai is the parameter directly correlated with the maximum amplitude of the envelope in combination with ai and ⁇ .
  • - ai and ⁇ ⁇ are the envelope shape parameters correlated with the front time and the tail time of the envelope wave.
  • the formula (1) has been obtained after a profuse investigation of different mathematical models that best adapt to the transient evolution of the damping oscillating pulse characteristic of a PD, with the necessary parameters to represent any type of DP signal and with a sensitivity of its parameters appropriate for its numerical calculation.
  • the best option of the six parameters of form t 0 i, ⁇ , fi, Ai, i and ⁇ for the "i-th" pulse of DP type is determined.
  • the use of multiple processors allows to assign to each processor the operations of search of the parameters so that they better define each pulse of DP.
  • the parallel work of the "m" multiprocessors allows to determine a wide range of genetic variations (around 4000) of each DP pulse in order to choose the best option for each of the DP pulses.
  • the best shape parameters, determined for each pulse of type DP are stored in the database of the computer that controls the measurement system.
  • the parameters that are independent of the moment at which a DP occurs are the following three: pulse oscillation frequency, fi, speed of rise and fall of the envelope of the PD pulse (associated with the parameters cti and ⁇ ⁇ ).
  • the parameters t 0 i and ⁇ are parameters attributable to time shifts of the functions g ⁇ (t) and ei (t) and the parameter Ai corresponds to a scale factor
  • the first stage (block 1.1) is repeated to reapply the stages between the second and the sixth (blocks 1.2 to 1.6), until a statistically representative number of acquisitions is completed so that you can, Then, the grouping of DPs by position, the grouping of DPs in each position by the shape of the pulse and the determination of the results of each DP source (magnitude, rate and pattern resolved in voltage phase), correspondingly, are carried out reliably to the ninth, tenth and eleventh stages (blocks 1.9, 1.10 and 1.11 respectively).
  • the number of acquisitions that is considered statistically minimum to perform the said analyzes reliably is 250, but the larger this number, the more reliable the diagnosis will be.
  • the eighth stage (block 1.8) consists in representing the values of magnitude of the discharge with respect to those resolved in the test voltage phase ( ⁇ ).
  • the same values of the magnitude of the discharge resolved during the mains voltage phase ( ⁇ ⁇ ⁇ ) are also represented.
  • the DPs are correlated with the phase of the mains voltage ( ⁇ ⁇ ) / the representation of the magnitude of the discharge resolved in the phase of the test voltage ( ⁇ ) it will be distributed without any reference standard; while the magnitude of the discharges resolved during the mains voltage phase will correspond to a reference standard. This allows to exclude the DPs that have as their origin the mains voltage and therefore are not generated in the element under test.
  • the ninth stage (block 1.9) consists of communicating both computers so that both databases of DP pulse parameters obtained by both independent measurement systems can be correlated, thanks to the acquisitions temporarily synchronized by UTC, for example GPS.
  • the sources of DPs detected in different discrete positions are grouped throughout the installation. Taking into account the data stored in the databases of the two measurement systems corresponding to stage five (blocks 1.5), the location map of the DP sources is determined based on the position they occupy along the cable. DP type signals. The aforementioned map is constructed based on the arrival delay to each sensor of the DP pulses paired by proximity, xi (Ati), taking into account the maximum possible time delay between two DP pulses, quotient between the maximum length to be traveled and the speed of propagation.
  • DP pulse location means positions of minimum length of about 3 m. The location is identified with respect to the relative distance to a given sensor taken as a reference.
  • the eleventh stage (block 1.11) it consists of separating from the DPs located in the same position, those that have pulses of DPs with different shape parameters. It is known that depending on the physical phenomenon associated with a PD, the distance traveled by the PD and the test and measurement circuit, the pulse shape of the PD (rise time, descent time, oscillation frequency) can change . Consequently, if there are different types of defects in the same location that produce DP type signals, it will be It is possible to identify the different sources producing DPs through the parameters associated with the DP pulses of each source generating DPs. In order to apply this step, a three-dimensional representation of the most representative parameters of the shape of the pulses fj is made . , i and ⁇ and a grouping tool is applied, to determine the different foci associated with different sets of discharges in said three-dimensional space.
  • the twelfth stage (block 1.12) consists in determining the results of the measurement and analysis of each DP source: magnitude of the PD, repetition rate of the PD and pattern of the PDs resolved in the tension phase. For each DP source, the magnitude of the DP pulses and the repetition rate of DP signals are determined as average values of each second of acquisition. These two data are determined by statistical analysis of the set of DPs located at each site where DPs appear:
  • the magnitude of the partial discharge is determined as the largest magnitude that occurs repeatedly in each of the sensors, which is calculated through the quasi-peak value of the amplitudes of the DP signals recorded for each second of the captured signal.
  • the amplitude of each DP pulse captured by each sensor is corrected according to the length traveled.
  • the repetition rate is determined as the average value of DP-type signals of a certain level detected in a period of time, at least, over a second of acquisition.
  • the stages of the eleventh to the thirteenth are repeated (blocks from 1.11 to 1.13) for each source of DPs located in a certain position and in the fifteenth stage (block 1.15) the process is repeated again above for each set of DPs located in the different cable locations.
  • a user interface (block 1.16), schematized in Figure 1, allows to display the processed data to perform the final evaluation of the cable insulation status a from the following information:
  • Map of locations of the DPs where the sources of DPs are located (block 1.10).
  • Results obtained from each source of PD as a function of time magnitude, repetition rate, pattern resolved in phase of tension for each source of PD
  • the new procedure for monitoring partial discharges on installed and in-service cables to discriminate, locate, measure, identify and diagnose partial discharge sources has been sufficiently described above. Additionally, the object of the invention is also the implementation of a system for the implementation of said procedure, which will be described in the following.
  • the physical system for the application of the recommended method is composed of one or two subsystems for the measurement and analysis of the measurement of partial discharges and a 50 Hz alternating high voltage generation subsystem specially designed and adapted to the referred measurement procedure when DPs measurements must be carried out without mains voltage (out of service). Whether the measurements are carried out in service conditions or when they are carried out in out-of-service conditions, the diagnosis of the insulation status is carried out in the same way, in a short period of time.
  • DP measurement subsystems for the application of the procedure is composed of one or two subsystems for the measurement and analysis of the measurement of partial discharges and a 50 Hz alternating high voltage generation subsystem specially designed and adapted to the referred measurement procedure when DPs measurements must be carried out without mains voltage (out of service). Whether the measurements are carried out in service conditions or when they are carried out in out-of-service conditions, the diagnosis of the insulation status is carried out in the same way, in a short period of time.
  • the SMs include a DP measurement sensor, a high voltage test waveform measurement sensor, a medium network high voltage waveform sensor, a digital recorder, a UTC receiver , for example of GPS, a personal computer with multiple processing capacity and laptop for remote control in order to isolate the operator.
  • the DP-type signals together with the background electrical noise present are captured and recorded by the measuring system (SM) in a synchronized manner through the time reference UTC (block 1.1 of the flowchart of Figure 1).
  • SM measuring system
  • Both measurement systems are interconnected, with or without cable, to transfer the data of the other to one of them.
  • Either of the two computers has the necessary calculation tools to complete the measurement analysis processing and obtain the final results of the insulation status assessment (blocks 1.10 to 1.17) in order to present the used computer screen said results (block 1.17 of the flowchart of Figure 1).
  • Each Measurement System, SM, arranged in the installation under test, is each composed of:
  • the non-invasive sensors used are high-frequency current transformers (HFCT) with a bandwidth between 1 MHz and 20 MHz that are arranged coupled to the grounding conductors.
  • HFCT high-frequency current transformers
  • the invasive sensors are integrated in equipment or elements of the installation,
  • a Test Voltage Sensor to measure the waveform of the test voltage.
  • an output of a measuring transformer and protection of the network itself, or a sensor capacitively coupled to the phase where the measurement is made can be used.
  • a 50 Hz current transformer arranged in a grounding of the high voltage cables can also be used. In the latter case, the electrical offset of the measured capacitive current signal must be delayed 90 ° with respect to the voltage wave measured. If the measurement is taken out of service, by means of an alternating high voltage generator, the signal will be obtained from the low voltage branch of a voltage divider,
  • STR Mains Voltage Sensor
  • a reception card for the UTC time signal for example a GPS card that, by means of the PPS signal (Pulse per second), synchronizes with the UTC time, allowing Synchronized Trigger Pulse Generation (GPD),
  • PPS Pulse per second
  • the SDP is connected to a RD channel, whose sampling rate and vertical resolution is at least 100 Mega-samples per second and 10 bits respectively.
  • the channel intended for the voltage waveform may have much less demanding performance (32 kilos samples per second).
  • EPC Protection and Control Equipment
  • a personal computer with multiple processing capacity through one or more multiprocessing units.
  • the 50 Hz alternating high voltage generation system of the present invention subjects the equipment or installation to be tested at the test voltage only for short periods of time, in which the signal signals are captured.
  • DPs block 1.1 of the flowchart of Figure 1). After each time interval of high test voltage generation, the generator output voltage is reduced to a sufficiently low value so that the power dissipated by the generator is negligible (standby mode), and the heat generated in the generator can be evacuated. previous operating status.
  • the ratio, r, between the waiting time interval with respect to the time period of high voltage test generation is established with a certain ratio compatible with the high voltage transformer technology used, for example a maximum ratio of 5: 1 it may be reasonable that it could correspond to 10 seconds of high voltage generated with 50 seconds of standby regime for every hour minute, so that the equivalent thermal request in permanent operating regime is much lower than that demanded during voltage operation of testing.
  • the high voltage of DPs will be reached, so that later, during the period of operation waiting for the generator, for example 50 seconds, the measuring system has enough time to perform the numerical processing of the signals, corresponding to the filtering and the determination of representative parameters of each DP type pulse (blocks 1.2 to 1.6 of the flowchart of Figure 1). Then the high test voltage will be generated again to make a new capture and repeat as many times as necessary the process (blocks 1.6 and 1.1 of the flowchart of Figure 1). The number of times the capture and analysis process is repeated must be sufficient to have statistically reliable data.
  • the nominal power of the generator in permanent regime with respect to the maximum deliverable power can be reduced even further.
  • the use of lower power lifting transformers provides a significant reduction in weight reduction.
  • the reactive power demanded during the test is compensated by FACT type power electronics, the weight of which is also reduced.
  • the vector control of the FACT is carried out with a reduced number of switching pulses to limit the content of disturbing signals during the measurement of partial discharges, due to the switching of the electronic power switches while complying with the condition that the difference between the effective value of the voltage generated and the peak value divided by root of 2 does not exceed 15%.
  • the combined use of a transformer Three-phase power and three-phase FACT power to test balanced three-phase loads substantially reduce the use of traditional reactive compensation elements (reactances and capacitors), whose weight and volume have traditionally been a strong drawback.
  • the simultaneous testing of the three phases provides the substantial advantage of reducing the test time.
  • the circuit of the test generation system consists of the following elements:
  • a servomotor to regulate the output voltage of the autotransfromador, controlled by computer, in order to coordinate the periods of time in which the high test voltages are generated with the waiting periods, used for the capture, recording and analysis of the signals from the DP sensors,
  • a three-phase power transformer to raise the voltage, from low voltage to the test voltage.

Abstract

Calle Ramiro de Maeztu, 7 E-28040 Madrid Se describe un procedimiento concebido para detectar eventos asociados a descargas parciales (DPs) en equipos e instalaciones de alta tensión capaz de diagnosticar el estado del aislamiento en tiempo real, gracias a la discriminación del ruido de las señales de DPs mediante el uso en paralelo de multiprocesadores, los cuales además se utilizan para la discriminación, también en tiempo real, de diferentes fuentes productoras de DPs situadas en un mismo emplazamiento o en diferente. Para la identificación de las diferentes fuentes productoras de DPs se forman grupos tridimensionales mediante las coordenadas de tres parámetros característicos de cada pulso: parámetro relacionado con el tiempo de frente del impulso, parámetro relacionado con el tiempo de cola y parámetro relacionado con la frecuencia del pulso. El procedimiento de diagnóstico permite que sea aplicado utilizando como fuente de tensión la propia tensión de red o mediante generadores independientes, en particular se describe una novedosa fuente de tensión concebida al efecto. También se describe un sistema de puesta en práctica del procedimiento que comprende los medios de captura de las DPs, medida y análisis necesarios.

Description

"NUEVO PROCEDIMIENTO PARA ENSAYAR Y DIAGNOSTICAR EN TIEMPO REAL LAS FUENTES DE DESCARGAS PARCIALES QUE SE PRODUZCAN EN EQUIPOS 1 INSTALACIONES DE ALTA TENSION EN SERVICIO O FUERA DE SERVICIO Y SU SISTEMA FISICO PARA LA APLICACION PRACTICA DEL
PROCEDIMIENTO"
DESCRIPCIÓN
Objeto de la Invención
La presente invención trata sobre un nuevo procedimiento de diagnóstico de descargas parciales (DPs) que complementa a los procedimientos y sistemas de monitorización continua de (DPs) instalados de forma permanente en equipos o instalaciones de alta tensión y que consumen largos periodos de tiempo de cálculo para el análisis de las medidas. La nueva invención reduce el tiempo de análisis permitiendo efectuar, en tiempo real, diagnósticos del estado del aislamiento de equipos e instalaciones de alta tensión. Además, la nueva invención permite efectuar el diagnóstico bien sea utilizando como fuente de tensión la propia red eléctrica de alta tensión (medidas en servicio) o bien con una novedosa fuente de tensión concebida al efecto (medidas fuera de servicio) .Bajo el término de equipo de alta tensión debe entenderse generador de tensión y/o corriente alterna o continua, transformador de potencia, transformador de medida y/o protección de tensión y/o de corriente, aparamenta de maniobra, aisladores y pararrayos, y bajo el término instalación de alta tensión debe entenderse: sistemas de cables de alta tensión con sus accesorios de empalmes y terminaciones, lineas eléctricas aisladas en gas, subestaciones aisladas en gas y conjunto de aparamenta de alta tensión bajo envolvente metálica.
El nuevo procedimiento propuesto por la presente invención mejora el tiempo de procesamiento de las señales medidas y logra la identificación de los diferentes focos de DPs que existan en la instalación medida. Incluye además, un novedoso sistema de generación de las altas tensiones de ensayo apropiado para aplicar el nuevo procedimiento cuando no se utiliza la tensión de la red (medidas fuera de servicio) .
Antecedentes y Sumario de la Invención
La medida de las descargas parciales ha demostrado ser el procedimiento más eficaz para el diagnóstico del aislamiento de los equipos, máquinas e instalaciones de alta tensión, tales como transformadores de medida y protección, aparamenta, transformadores y reactancias de potencia, alternadores, subestaciones blindadas en gas, cables con sus accesorios instalados y lineas aisladas en gas.
Una "descarga parcial" debe entenderse en el contexto de este documento como una descarga eléctrica que afecta una parte limitada del aislamiento donde se produce, sin provocar su fallo inmediato, sino su progresiva degradación, salvo que se trate del aire ambiente que se renueva de forma natural.
Las dificultades prácticas en las medidas de descargas parciales de equipos e instalaciones que la presente invención se ha propuesto solventar son las siguientes:
- Por un lado, está el alto consumo de tiempo de cálculo y análisis que las potentes y complejas herramientas numéricas precisan para aplicar los algoritmos matemáticos de discriminación del ruido eléctrico perturbador que enmascara las señales eléctricas de DPs debidas a defectos en el aislamiento de alta tensión.
- Por otro lado, está la dificultad de identificar y discriminar el número total de las fuentes de las DPs a fin de separarlas unas de otras y poder identificar cada una de ellas con el defecto que la origina.
- Y por último, está la dificultad de generar altas tensiones de ensayo con formas de onda de tensión alterna de la misma frecuencia que la de servicio de la red
(50 Hz o 60 Hz) sin necesidad de requerir de generadores de grandes volúmenes y pesos.
Las técnicas actuales aplicadas a las mediciones en tiempo real de DPs en campo, tratan de resolver algunos de estos problemas de diferente forma, pero con fuertes limitaciones, según se explica a continuación: a) Problemas de la discriminación en tiempo real del ruido eléctrico de fondo: La mayor parte de los procedimientos conocidos tratan el problema del ruido eléctrico de fondo mediante el filtrado de la señal registrada en una banda de frecuencia en la que se supone se encuentra el ruido. A veces, el filtrado se realiza para frecuencias selectivas en una banda estrecha de frecuencia.
Debe destacarse que la propia concepción de esta técnica de filtrado produce la eliminación o atenuación del ruido junto con la señal de DP para el rango de frecuencias filtradas.
Otro procedimiento conocido analizan el espectro de frecuencia de la señal de ruido a fin de elegir una banda de frecuencia de medida donde la amplitud del ruido es lo más baja posible. El inconveniente de este procedimiento es que, a veces, la banda de menor señal de ruido, coincide con la banda donde la señal de DPs es también débil en amplitud, por lo que la medida de DP es difícil.
También se conoce otro procedimiento que trata de eliminar el ruido mediante la clasificación de las señales registradas (DPs + ruido) en grupos. Los grupos se forman mediante la determinación de parámetros asociados a la forma de la señal (duración y frecuencia) y a su amplitud. El inconveniente específico de este procedimiento es que el procesamiento se efectúa por nivel de señal, de forma que para asegurar la captura de señales de DPs se debe reducir el nivel de adquisición y por tanto se aumenta sensiblemente el contenido de las señales de ruido. El procesamiento se hace muy pesado ya que el ruido se junta con las DPs .
Ninguno de estos procedimientos es eficiente frente al ruido blanco, cuyo espectro cubre todas las frecuencias de la señal de DP. Las técnicas de filtrado en frecuencia no se pueden aplicar, ya que se perdería también la señal de DP, ni se puede elegir una banda de frecuencia donde no haya ruido, ya que en todas existe señal de ruido, ni tampoco se pueden distinguir grupos de DPs de frecuencia diferente a la del ruido .
Una técnica eficiente frente al ruido blanco es aplicar la transformada Wavelet de la señal registrada y analizar estadísticamente sus componentes, a fin de encontrar eventos transitorios característicos de los pulsos de DPs que se distingan de la evolución estadística del ruido eléctrico. El gran inconveniente de esta técnica para las medidas en tiempo real es el alto consumo de tiempo en procesamiento numérico de las señales registradas para discriminar el ruido de las DPs.
En la propuesta de la nueva invención el ruido se elimina aplicando la transformada Wavelet a la señal registrada y analizando estadísticamente sus componentes, a fin de encontrar eventos característicos de pulsos de DPs. El problema del alto consumo de tiempo de procesamiento que requiere este procedimiento se trata de resolver mediante el procesamiento múltiple de la señal. Los dispositivos de alta computación desarrollados para los ordenadores personales, como por ejemplo las tarjetas gráficas que disponen de varias unidades de multiprocesadores (GPGPU General-Purpose Computing on Graphics Processing Units) permiten reducir los tiempos de cálculo drásticamente, haciendo viable la aplicación de esta potente técnica de análisis a diagnósticos en tiempo real. b) Problema de la identificación y discriminación de diferente fuentes de DPs:
La mayor parte de los procedimientos conocidos tratan de identificar y discriminar el número total de fuentes de DPs a través de la localización de los pulsos de DPs, por ejemplo para localizar DPs en un cable se utiliza la teoría de propagación de onda a través del cable, bien sea utilizando la técnica de la reflectometría o bien sea utilizando la técnica del retraso de tiempos de llegada de una misma señal de PD a dos o más sensores distribuidos a lo largo del cable.
La eficacia de estos procedimientos para identificar y discriminar diferentes fuentes de DPs está limitada por la incertidumbre en la localización de la fuente de DPs, que puede ser de algunos metros, de forma que no es posible asegurar que sólo exista una sola fuente de DPs en una misma localización (por ejemplo en un accesorio de terminación de un cable) , pudiendo una fuente de DPs enmascarar a otras situadas en su proximidad. Esto es especialmente crítico cuando la fuente de DP predominante se asocia a un fenómeno no peligroso, como por ejemplo corona en aire, coexistiendo cerca de ella otras fuentes de DPs de menor amplitud, pero de mayor riesgo de fallo, como por ejemplo defectos en el interior en el aislamiento.
Algunas técnicas utilizan el desfase de las DPs respecto de la tensión aplicada para identificar diferentes fuentes de DPs. Es sabido que en función del tipo de defecto (cavidad en el interior del aislamiento, descarga superficial en aislamientos sucios o defectuosos, efecto corona en aire en partes conductoras puntiagudas, etc.) se producen patrones característicos de DPs resueltas en fase de la tensión de ensayo, que se denominan patrones de DPs de referencia. Si se comparan el patrón medido con los patrones de referencia es posible observar si existe un sólo defecto o de varios defectos. Sin embargo, cuando existen varios defectos, sus correspondientes patrones pueden superponerse y confundirse fácilmente unos con otros sin que sea fácil identificar todos y cada uno de ellos, siendo la experiencia del operador crucial para un correcto diagnóstico. Además, el ruido no eliminado en muchas de las técnicas comerciales dificulta, aún más, la identificación de diferentes fuentes de DPs a través de la simple observación visual de sus patrones de DPs.
Otra técnica más avanzada establece grupos de DPs en función de dos parámetros de forma de cada pulso de DP: duración del pulso y frecuencia de oscilación del pulso. Sin embargo, la forma de la señal de DP puede ser muy diferente en función del tiempo de subida y el tiempo de bajada de la envolvente del pulso de DP, aunque la señal de DP tenga la misma duración total y la misma frecuencia de oscilación.
En la propuesta de la nueva invención se trata de resolver este problema caracterizando la forma del pulso de DPs mediante tres parámetros en lugar de dos: parámetro correlacionado con el tiempo de frente de la envolvente del pulso, parámetro correlacionado con el tiempo de bajada de la envolvente del pulso y parámetro correlacionado con la frecuencia de oscilación del pulso. Con esta técnica se mejora el grado de discriminación de grupos de DPs diferentes, especialmente cuando hay numerosos pulsos a distinguir de duración similar. c) Problema de generación de altas tensiones de ensayo de la misma frecuencia que la tensión de red para medida de DPs en grandes instalaciones : Muchos de los sistemas de generación utilizados para ensayar grandes instalaciones de alta tensión, como por ejemplo cables de varios kilómetros, generan altas tensiones de ensayo con formas de onda muy diferente a la forma de onda de la tensión de servicio de la red eléctrica donde los equipos funcionan (tensión alterna sinusoidal de 50 Hz o 60 Hz) con el propósito de no tener que demandar potencias elevadas a la alimentación.
La primera técnica desarrollada para ensayos de medidas de DPs in situ fue el generador de muy baja frecuencia (0,1 Hz o 0,01 Hz) . La baja frecuencia de la tensión generada incrementa cientos de veces, si se trata de 0,1 Hz, o miles de veces si se trata de 0,01 Hz, la reactancia capacitiva que presenta la instalación a ensayar y de esta forma se reduce, casi en la misma proporción, la potencia demandada durante el ensayo.
El inconveniente de esta técnica es que la duración de la onda de la tensión alterna generada es cientos de veces mayor si se trata de 0,1 Hz o miles de veces mayor si se tratar de 0,01 Hz a la duración de la onda sinusoidal de 50 Hz o 60 Hz de la red eléctrica donde operan los equipos e instalaciones de alta tensión. Es sabido que la distribución de tensión en el interior de los aislamientos y el comportamiento dieléctrico de los aislamientos es diferente para las tensiones de 0,1 Hz y 0,01 Hz que para tensiones de 50 Hz o 60 Hz, por lo que los ensayos no reflejan fielmente el comportamiento del aislamiento cuando está sometido a la tensión de red.
En los últimos años han aparecido generadores de tensiones alternas amortiguadas que generan altas tensiones oscilantes amortiguadas de frecuencias comprendidas entre alguna decena de hercio y un kilohercio, que consisten en cargar el equipo o instalación a ensayar con una fuente de alta tensión continua y provocar una tensión oscilante amortiguada al descargarlo sobre una bobina. La resistencia del conductor del circuito de ensayo provoca el amortiguamiento de la onda de tensión alterna generada.
La limitación de esta técnica es que la máxima tensión de ensayo oscilante es aplicada únicamente en la primera cresta de la tensión. El inevitable amortiguamiento de la onda de tensión oscilante generada por la resistencia del propio circuito hace que los siguientes semiperiodos de onda tengan menor amplitud y la onda se atenúe muy sensiblemente en algunas decenas de milisegundos provocando una menor solicitación dieléctrica en el aislamiento. Es sabido que solicitación dieléctrica y por tanto el resultado de la medida de DPs en los aislamientos depende no sólo del nivel instantáneo de la tensión de ensayo, sino también de la duración de la tensión aplicada. Asi la norma UNE 60270 establece la medida de DPs en pC como el valor más grande de DP que ocurra repetidamente durante el ensayo. A tal efecto la lectura del instrumento de medida de DPs debe efectuarse en función de la tasa de repetición de pulsos de DPs por segundo, tiempo durante el cual la tensión de ensayo debe mantenerse constante sin atenuación ni amortiguamiento.
Además, es importante señalar que las solicitaciones de sobretensiones más habituales en las redes de transporte y distribución de energía eléctrica se deben a cortocircuitos monofásicos que provocan sobretensiones en las fases sanas durante un intervalo de tiempo del orden de algunas décimas de segundo o incluso algún segundo hasta que las protecciones actúan. Consecuentemente las sobretensiones de unas centésimas de segundo producidas por las ondas oscilantes amortiguadas indicadas en el párrafo anterior no son representativas de las sobretensiones temporales de la red.
La solución técnica más avanzada actualmente para generar tensiones de ensayo de la misma frecuencia que la red (50 Hz o 60 Hz) son sistemas resonantes LC de frecuencia fija con inductancia variable. El inconveniente de estos sistemas es el peso y volumen requerido.
También se han desarrollado sistemas resonantes LC de frecuencia variable que tienen como ventajas respecto de los sistemas resonantes de frecuencia fija, un menor peso del generador (entre la mitad y cinco veces menor peso) y la mayor ratio de potencia compensada respecto de la activa potencia demandada (entre 1,2 a 2 veces mayor), pero en contra partida la frecuencia no es exactamente la frecuencia de red, sino valores comprendidos entre 20 Hz y 300 Hz, lo cual no llega a cumplir el objetivo ideal de ensayar los aislamientos a la frecuencia propia de la red donde funcionan (50 Hz o 60 Hz) .
La propuesta de la nueva invención trata de resolver este problema compensando la potencia reactiva mediante electrónica de potencia si se ensaya las tres fases simultáneamente mediante un sistema FACT . También se reduce el peso y volumen del generador mediante la generación de alta tensión alterna de 50 Hz durante cortos periodos de tiempo, del orden de algún segundo, como si se tratará de una sobretensión temporal característica de un cortocircuito en la red, esperando después un intervalo de tiempo para volver a aplicar la tensión de ensayo. Un ejemplo factible con la tecnología actual es aplicar dos segundos de tensión de ensayo por cada minuto horario de tiempo real. De forma que en 5 minutos se disponga de un total de 500 periodos de onda de 50 Hz, cifra más que suficiente para el tratamiento estadístico de las medidas de DPs que permite la evaluación el estado del aislamiento. Este procedimiento de ensayo, medida y análisis permite demandar al generador únicamente solicitaciones máxima potencia activa de forma muy puntual y con ello reducir fuertemente el peso y volumen del generador a valores inferiores de las técnicas utilizadas actualmente.
Breve Descripción del dibujo
Con el fin de complementar la descripción y hacer más fácil la explicación de la misma, se acompaña únicamente a titulo ilustrativo y sin carácter limitativo alguno, la Figura 1 que representa un diagrama de flujo ilustrativo del procedimiento de la presente invención;
Descripción de una Forma de Realización de la invención
Tal y como se ha enunciado en lo que antecede, la presente invención consiste en un procedimiento de medida y análisis de la medida, para una evaluación en tiempo real del estado del aislamiento de los cables de alta tensión durante su operación en la red o cuando no están conectados a la red, que mejora las técnicas utilizadas en la actualidad y que subsana, como se ha dicho, los inconvenientes asociados a estas técnicas.
El objetivo de la presente invención es disponer de un nuevo procedimiento de medida y análisis de la medida de descargas parciales para la evaluación, en tiempo real, del estado del aislamiento de las máquinas, aparatos, equipos e instalaciones de alta tensión tales como cables aislados, bien sea durante su funcionamiento normal en la red o fuera de servicio de la red, mediante el uso de un generador de ensayo específicamente diseñado para aplicar el nuevo procedimiento de medida y análisis indicado.
La presente invención permite reducir el tiempo necesario para el análisis de la medida, a fin de efectuar un diagnóstico en tiempo real, gracias al uso en paralelo de varios multiprocesadores de computación desarrollados para ordenadores personales. Asimismo, el nuevo procedimiento permite discriminar diferentes focos o fuentes productoras de descargas parciales, tanto aparezcan en localizaciones físicamente próximas entre sí, por ejemplo en un mismo aparato, máquina o elemento de alta tensión, tal como en un empalme o terminación de un cable, o las que aparezcan lejanas unas de otras, en diferentes aparatos, máquinas u otras partes de una instalación de alta tensión.
Para aplicar el procedimiento de medida es necesario utilizar un sistema de medida de DP y un sistema de medida alta tensión, ambos referidos a la misma base de tiempos. El sistema de medida de DPs estará constituido básicamente por un sensor electromagnético que trabaja en un rango de frecuencias comprendido entre 50 kHz y 20 MHz y un canal de registrador digital de alta velocidad de muestreo controlado por un ordenador personal. El procedimiento de evaluación del estado del aislamiento de instalaciones de cierta longitud (superior a 20 m) requiere dos sistemas de medida y análisis de medida sincronizados temporalmente, por ejemplo a través de señal GPS. Cada sistema de medida de DPs se sitúa en un emplazamiento diferente de la instalación de alta tensión, distanciado uno del otro al menos 20 m. Se pueden utilizar sensores de DPs integrados o sensores externos a los equipos de alta tensión.
Además, cuando la medida de DPs se realiza en instalaciones de alta tensión se pueden disponer de sensores de DPs de corto alcance, como los sensores de muy alta frecuencia (VHF) , de ultra alta frecuencia (UHF) o sensores acústicos, que sólo detectan DPs que se produzcan próximas al sensor (a algunos metros de distancia del sensor) , por lo que deben colocarse en puntos donde se sospeche que pueden aparecer DPs o en posiciones criticas donde las consecuencias de un fallo serian fatales. La comparación entre los pulsos de DPs adquiridos por estos últimos sensores situados en un equipo o accesorio (por ejemplo una terminación o un empalme de un cable) y los pulsos de DPs detectados por los sensores electromagnéticos que trabajan entre 20 kHZ y 20 MHz ayudan a ratificar el emplazamiento de las fuentes de DPs.
Este objetivo ha sido alcanzado plenamente con la presente invención y está caracterizado por las reivindicaciones que se anexan, en las que el procedimiento reivindicado contempla las etapas que se describen en lo que sigue, y mostradas esquemáticamente en relación con el diagrama de flujo de la Figura 1 del dibujo. Asi:
El procedimiento de medida de descargas parciales requiere la secuencia de etapas indicadas seguidamente. Cuando las medidas de DPs se aplican a instalaciones de alta tensión, tales como cables aislados, las seis primeras etapas se repiten de igual forma en los dos sistemas de medida sincronizados. También es posible efectuar medida de DPs en equipos individuales de menor tamaño, tales como máquinas eléctricas (generadores y transformadores), aparamenta, transformadores de medida, siendo suficiente con utilizar con un solo sistema de medida, en cuyo caso la séptima y octava etapa (bloques 1.7 y 1.8) no son aplicables.
Una primera etapa del procedimiento (bloque 1.1) consiste en realizar capturas que comienzan en el instante de segundos exactos de la hora UTC (Tiempo Universal Coordinado) . Esta señal de inicio de las capturas se consigue, por ejemplo de la señal PPS (pulso por segundo) de un receptor GPS en posición fija y que mediante la captación de, al menos, cuatro satélites, consigue errores de tiempo absoluto inferiores a 10 nanosegundos . El proceso de captura recoge por un lado, la señal procedente del sensor de DPs; también se recoge la señal medida por el sensor de la tensión de ensayo, más la señal de la tensión de red (en el caso de que la excitación no sea la propia tensión de red) . La parte que se va a utilizar de la señal recogida por el sensor de DPs corresponde a un número entero "n" de periodos tensión de ensayo (n por 20 ms para tensiones de 50 Hz) . Donde comienza y termina un periodo es realizado mediante el análisis de la señal de la tensión de ensayo. El número "n" de periodos de cada captura depende de la memoria disponible para almacenamiento de datos y de la necesidad de refrescar resultados en la pantalla de observación. Durante el periodo de tiempo de las capturas de DPs la tensión aplicada debe ser la tensión de ensayo para la medida de DPs. Cuando se haya recogido la señal de la tensión de red, además de la señal de la tensión de ensayo, permite que los siguientes pasos se puedan realizar con respecto a cualquiera de las dos señales de referencia.
La segunda etapa (bloque 1.2) consiste en segmentar el intervalo total de captura en "n" periodos de tiempo completos de la señal de referencia (de duración 20 ms para la señal de referencia de 50 Hz) que principalmente será la tensión de ensayo, pero que eventualmente puede ser la tensión de red, cuando ésta sea distinta de la tensión de ensayo, con el fin de efectuar el análisis numérico de la señal medida de DPs relativo a la separación del ruido eléctrico y al cálculo de parámetros de las señales de tipo DP en las etapas siguientes 3 y 4 (bloques 1.3 y 1.4 respectivamente) para cada uno de los periodos individuales.
La tercera etapa (bloque 1.3) consiste en separar en tiempo real, gracias al uso de multiprocesadores el ruido eléctrico de la señal adquirida por el sensor de DPs. El ruido eléctrico es mezcla de señales acopladas a las señales de DPs, bien de forma conducida a través del sistema de alimentación o por el sistema de puesta a tierra, o bien transmitida de forma radiada, por ejemplo por estaciones de radio, teléfonos móviles, etc. La eliminación del ruido eléctrico mediante tratamiento numérico de las señales capturadas consistente en aplicar la transformada Wavelet a la señal adquirida y analizar estadísticamente sus componentes, a fin de encontrar eventos transitorios característicos de señales de DP que se distingan de la evolución estadística del ruido eléctrico.
El tiempo de procesamiento de la señal aplicado para el tratamiento numérico de eliminación de ruido se reduce drásticamente repartiendo las tareas de cálculo numérico entre los "m" multiprocesadores disponibles de la GPGPU utilizada al efecto. Tanto mayor reducción de tiempo de proceso se logra cuanto mayor sea el número de multiprocesadores disponibles, mayores sean las frecuencias de reloj de los procesadores, la frecuencia de reloj de la memoria y el ancho de banda de comunicación con la memoria principal. El ratio de reducción temporal logrado permite procesar sin dificultad cada periodo de 20 ms de señal procedente del sensor de DPs en un tiempo de 100 ms, lo que permite refrescar la pantalla de resultados de forma instantánea a efectos visuales.
En la cuarta etapa (bloque 1.4) se efectúa el procesamiento de las señales de DP individuales a fin de determinar para cada señal de tipo DP los siguientes parámetros: el tiempo absoluto ti de llegada del pulso de DP referenciado a la señal temporal UTC (por ejemplo señal GPS) , el ángulo de fase en el tiempo (j>i respecto al paso por cero de la señal de la tensión de ensayo. Cuando la tensión de ensayo sea distinta a la tensión de red, se determina, también, el ángulo de fase en el tiempo §rí respecto al paso por cero de la señal de la tensión de red. La representación respecto de la señal de red permite diferenciar eventos de DPs ajenos a la tensión de ensayo.
También se calculan los parámetros que identifican la forma de la señal de tipo DP. La forma de la onda de corriente correspondiente a cada señal de tipo DP, onda transitoria oscilante amortiguada ii(t), se modela mediante una función sinusoidal gi (primera parte de la fórmula (1)), modulada por una función envolvente ± (segunda parte de la fórmula (1)), que se define en esta invención, como la secante hiperbólica asimétrica, por corresponder con la función matemática secante hiperbólica en la que los parámetros de las dos funciones exponenciales del denominador dejan de ser iguales para perder la simetría respecto del eje ordenadas (segunda parte de la ecuación ( 1 ) ) .
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Donde :
- t es la variable de tiempo,
- gi(t) es la función sinusoidal asociada al pulso i-esimo de frecuencia ίι=[ωι/2π] desplazada ψι radianes para el instante t=0,
<x>i pulsación de la onda sinusoidal asociada al pulso i-esimo,
ψί es el desplazamiento angular de la onda sinusoidal asociada al pulso i-ésimo para el instante de tiempo t=0,
- ei es una función parecida a la expresión de la secante hiperbólica asociada al pulso i-esimo, que cuando los parámetros i y βι son distintos se consigue asimetría. Esta función modula la amplitud Ai de la función sinusoidal gi . - toi es el desplazamiento temporal de la secante hiperbólica asimétrica que modula el pulso oscilante í-esimo.
Ai es el parámetro directamente correlacionado con la amplitud máxima de la envolvente en combinación con ai y βί .
- ai y βί son los parámetros de forma de la envolvente correlacionados con el tiempo de frente y el tiempo de cola de la onda envolvente.
La fórmula (1) ha sido obtenida tras una profusa investigación de diferentes modelos matemáticos que mejor se adaptan a la evolución transitoria del pulso oscilante amortiguado característico de una DP, con los parámetros necesarios para representar cualquier tipo de señal de DP y con una sensibilidad de sus parámetros apropiada para su cálculo numérico .
Mediante un algoritmo genético de búsqueda, se determinan la mejor opción de los seis parámetros de forma t0i, ψι, fi, Ai, i y βι para el pulso "i-esimo" de tipo DP . El uso de múltiples procesadores permite asignar a cada procesador las operaciones de búsqueda de los parámetros de forma que mejor definen cada pulso de DP. El trabajo en paralelo de los "m" multiprocesadores permite determinar un amplio conjunto de variaciones genéticas (alrededor de 4000) de cada pulso de DP a fin de elegir la mejor opción para cada uno de los pulsos de DP.
En la etapa quinta (bloque 1.5) los mejores parámetros de forma, determinados para cada pulso de tipo DP, son almacenados en la base de datos del ordenador que controla el sistema de medida.
Aunque, son seis los parámetros de forma determinados mediante el procesamiento numérico indicado, los parámetros que son independientes del instante en que se produce una DP son los tres siguientes: frecuencia de oscilación del pulso, fi, velocidad de subida y de bajada de la envolvente del pulso de DP (asociado a los parámetros cti y β±) . Los parámetros t0i y ψί son parámetros atribuibles a desplazamientos en el tiempo de las funciones g¿ (t) y ei(t) y el parámetro Ai corresponde a un factor de escala.
En la sexta etapa (bloque 1.6) se repite el proceso de las etapas tercera, cuarta y quinta (bloques 1.3 a 1.5) hasta completar los "n" periodos adquiridos.
En la etapa séptima (bloque 1.7) se repite la primera etapa (bloque 1.1) para poder volver a aplicar las etapas comprendidas entre la segunda y la sexta (bloques 1.2 a 1.6), hasta completar un número de adquisiciones estadísticamente representativo para que pueda, seguidamente, efectuarse con fiabilidad la agrupación de DPs por posición, la agrupación de DPs en cada posición por la forma del pulso y la determinación de los resultados de cada fuente de DP (magnitud, tasa y patrón resuelto en fase de la tensión) , correspondientes a las etapas novena, décima y undécima (bloques 1.9, 1.10 y 1.11 respectivamente) . El número de adquisiciones que se considera mínimo estadísticamente para efectuar con fiabilidad los referidos análisis es de 250, pero cuanto mayor sea este número más fiable será el diagnóstico.
La etapa octava (bloque 1.8) consiste en representar los valores de magnitud de la descarga respecto resueltas en fase de tensión de ensayo (φι) . Cuando la tensión de red es distinta de la tensión de ensayo, se representa también los mismos valores de magnitud de la descarga resueltas en fase de la tensión de red (φΓι) . Cuando las DPs están correlacionadas con la fase de la tensión de red (φτί) / la representación de magnitud de la descarga resueltas en fase de la tensión de ensayo (φι) se distribuirá sin ningún patrón de referencia; mientras que la magnitud de las descargas resueltas en fase de la tensión de red si corresponderá a un patrón de referencia. Esto permite excluir las DPs que tienen como origen la tensión de red y que por lo tanto no están generadas en el elemento bajo ensayo. La etapa novena (bloque 1.9) consiste en comunicar ambos ordenadores para que ambas bases de datos de parámetros de pulso de DP obtenidos por ambos sistemas de medida independientes puedan correlacionarse, gracias a las adquisiciones sincronizadas temporalmente mediante UTC, por ejemplo GPS.
En la etapa décima (bloque 1.10) se agrupan las fuentes de DPs detectadas en diferentes posiciones discretas a lo largo de la instalación. Teniendo en cuenta los datos almacenados en las bases de datos de los dos sistemas de medida correspondientes a la etapa quinta (bloques 1.5) se determina el mapa de emplazamientos de las fuentes de DPs en función de la posición que ocupan a lo largo del cable las señales de tipo DP. El referido mapa se construye en función del retraso de llegada a cada sensor de los pulsos de DP emparejados por proximidad, xi (Ati) , teniendo en cuenta el máximo retraso de tiempo posible entre dos pulsos de DP, cociente entre la máxima longitud a recorrer y la velocidad de propagación.
Debe entenderse por "emplazamiento de pulsos de DPs" posiciones de longitud mínima de unos 3 m. El emplazamiento se identifica respecto a la distancia relativa a un determinado sensor tomado como referencia.
En la undécima etapa (bloque 1.11) consiste en separar de las DPs localizadas en una misma posición, aquellas que tengan pulsos de DPs con parámetros de forma de diferente. Es sabido que en función del fenómeno físico asociado a una DP, de la distancia que recorre la DP y del circuito de ensayo y medida, la forma del pulso de la DP (tiempo de subida, tiempo de bajada, frecuencia de oscilación) puede cambiar. Consecuentemente, si existen diferentes tipos de defectos en un mismo emplazamiento que produzcan señales de tipo DP será posible identificar las diferentes fuentes productoras de DPs a través de los parámetros de forma asociados a los pulsos de DP de cada fuente generadora de DPs. Para poder aplicar este paso se realiza una representación tridimensional de los parámetros más representativos de la forma de los pulsos fj. , i y βι y se aplica una herramienta de agrupación, para determinar los diferentes focos asociados a diferentes conjuntos de descargas en dicho espacio tridimensional.
La etapa duodécima (bloque 1.12) consiste en determinar los resultados de la medida y análisis de cada fuente de DP: magnitud de la DP, tasa de repetición de la DP y patrón de la DPs resueltas en fase de la tensión. Para cada fuente de DP se determina la magnitud de los pulsos de DP y la tasa de repetición de señales de DP como valores medios de cada segundo de adquisición. Estos dos datos se determinan por análisis estadístico del conjunto de DPs situadas en el cada emplazamiento donde aparecen DPs:
La magnitud de la descarga parcial se determina como la magnitud más grande que ocurra repetidamente en cada uno de los sensores, que es calculada a través del valor de cuasi- pico de las amplitudes de las señales de DP registradas por cada segundo de señal capturada. La amplitud de cada pulso de DP captado por cada sensor es corregida en función de la longitud recorrida. La tasa de repetición se determina como el valor medio de las señales de tipo DP de un cierto nivel detectadas en un periodo de tiempo, al menos, a lo largo de un segundo de adquisición.
Es sabido que el riesgo de fallo del aislamiento depende del proceso físico causante de los pulsos de DPs, p.e. los pulsos corona en aire no son cruciales para provocar la ruptura dieléctrica del aislamiento pero las descargas parciales debidas a un defecto interno tipo cavidad resultan criticas para la vida del aislamiento. Consecuentemente, es muy importante conocer el tipo de defecto asociado a cada fuente de DP para poder evaluar el estado del aislamiento de un cable y de sus accesorios (terminales y empalmes) . La representación de magnitud de la descarga respecto de la fase con referencia a la tensión de ensayo (φι) de los pulsos de cada fuente de DP genera patrones visuales que la experiencia ha demostrado que están muy correlacionados con los distintos tipos de fenómenos que provocan la aparición de eventos de DPs . El reconocimiento del patrón formado permite evaluar el riesgo de fallo de cada una de las fuentes de DPs. Para un reconocimiento automático se aplica una red neuronal de reconocimiento de patrones a cada una de las fuentes de DPs detectada, cuyo aprendizaje se ha efectuado en base a los patrones que han ofrecido muestras de laboratorio y pruebas de campo que se conoce con certeza el tipo de defecto.
En la etapa decimotercera los resultados de las medidas y análisis de cada fuente de DP (magnitud, tasa de repetición y patrón resuelto en fase de la tensión) se guardan en una base de datos (bloque 1.13).
En las etapas decimocuarta (bloque 1.14) se repiten las etapas de la undécima a la decimotercera (bloques de 1.11 a 1.13) para cada fuente de DPs ubicada en una posición determinada y en la etapa decimoquinta (bloque 1.15) se vuelve a repetir el proceso anterior para cada conjunto de DPs ubicadas en las diferentes emplazamientos del cable.
Un interfaz de usuario (bloque 1.16), esquematizada en la Figura 1, permite mostrar los datos procesados para realizar la evaluación final del estado del aislamiento del cable a partir de la siguiente información:
Mapa de emplazamientos de las DPs donde se localizan las fuentes de DPs (bloque 1.10).
Grupos de diferentes fuentes de DPs en cada emplazamiento (bloque 1.11).
Resultados obtenidos de cada fuente de DP en función del tiempo: magnitud, tasa de repetición, patrón resuelto en fase de la tensión para cada fuente de DP
(bloque 1.12) .
Tipo de defecto asociado a cada fuente obtenido de la red neuronal (bloque 1.12).
El nuevo procedimiento de monitorización de descargas parciales en cables instalados y en servicio para discriminar, localizar, medir, identificar y diagnosticar fuentes de descargas parciales, ha sido descrito suficientemente en lo que antecede. Adicionalmente, la invención tiene también por objeto la implementación de un sistema para la puesta en práctica de dicho procedimiento, el cual va a ser descrito en lo que sigue.
De acuerdo con la invención, el sistema físico para la aplicación del procedimiento preconizado está compuesto por uno o dos subsistemas para la medida y análisis de la medida de descargas parciales y un subsistema de generación de alta tensión alterna de 50 Hz especialmente concebido y adaptado al referido procedimiento de medida cuando las medidas de DPs deben efectuarse sin la tensión de la red (fuera de servicio) . Tanto en el caso de que las medidas se realicen condiciones de servicio o cuando se realicen en condiciones de fuera de servicio el diagnóstico del estado del aislamiento se efectúan de la misma forma, en breves periodos de tiempo. Subsistemas de medida de DP para la aplicación del procedimiento .
Para la aplicación completa del procedimiento de medida y de análisis descrito en el flujograma de la figura 1 es preciso utilizar dos sistemas de medida, SM, de las señales de DPs situados cada uno en un extremo opuesto de la instalación a ensayar. Los SM incluyen un sensor de medida de DP, un sensor de medida de la forma de onda de la alta tensión de ensayo, un sensor de media de la forma de onda de la alta tensión de red, un registrador digital, un receptor de UTC, por ejemplo de GPS, un ordenador personal con capacidad de procesamiento múltiple y ordenador portátil para el control remoto con el fin de aislar al operario.
Las señales de tipo DP junto con el ruido eléctrico de fondo presente son capturadas y registradas por el sistema de medida (SM) de forma sincronizada a través de la referencia temporal UTC (bloque 1.1 del flujograma de la Figura 1). Cada SM realiza el procesamiento de las señales recogidas:
- Segmenta el tiempo de captura en periodos para realizar el análisis (bloque 1.2),
- discrimina el ruido eléctrico de fondo de las señales de tipo DP (bloque 1.3),
- determina los parámetros representativos de cada pulso de DPs (bloque 1.4) y los guarda (bloque 1.5),
- repite el proceso hasta completar el periodo de captura (bloques 1.6 y 1.7),
- se excluyen las DPs originadas por la tensión de red ajenas al elemento bajo ensayo (bloque 1.8).
Tras la captura y el primer procesamiento de señales realizado separadamente por cada sistema de medida (bloques 1.1 a 1.8), ambos sistemas de medida se interconectan, con o sin cable, para transferir a uno de ellos los datos del otro. Cualquiera de los dos ordenadores dispone de las herramientas de cálculo necesarias para completar el procesamiento del análisis de la medida y obtener los resultados finales de la evaluación del estado del aislamiento (bloques 1.10 a 1.17) con el fin de presentar en la pantalla del ordenador utilizado dichos resultados (bloque 1.17 del flujograma de la Figura 1).
Cada Sistema de Medida, SM, dispuesto en la instalación bajo ensayo, está compuesto cada uno por:
- un Sensor de descargas parciales por fase a ser analizada, SDP. Los sensores no invasivos utilizados son transformadores de corriente de alta frecuencia (HFCT) de ancho de banda comprendido entre 1 MHz y 20 MHz que se disponen acoplados en los conductores de las puestas a tierra. Los sensores invasivos están integrados en equipos o elementos de la instalación,
- un Sensor de la Tensión de Ensayo, STE, para medir la forma de onda de la tensión del ensayo. En el caso de medidas en servicio puede utilizarse una salida de un transformador de medida y protección de la propia red, o un sensor acoplado capaci ivamente a la fase donde se realiza la medida. Alternativamente, también puede utilizarse un transformador de corriente de 50 Hz dispuesto en una puesta a tierra de los cables de alta tensión. En este último caso, el desfase eléctrico de la señal de corriente capacitiva medida debe retrasarse 90° con respecto de la onda de tensión objeto de medida. Si la medida se realiza fuera de servicio, mediante un generador de alta tensión alterna, la señal se obtendrá de la rama de baja tensión de un divisor de tensión,
- un Sensor de la Tensión de Red, STR, para medir la forma de onda de la tensión de red en el que caso de que ésta sea distinta a la tensión de ensayo. Puede utilizarse una salida de un transformador de medida y protección de la propia red, o un transformador de corriente de 50 Hz dispuesto en el conductor de puesta a tierra de los cables de alta tensión que no formen parte del ensayo y estén conectados a la tensión de red. En este último caso, el desfase eléctrico de la señal de corriente principalmente capacitiva debe retrasarse 90° con respecto de la onda de tensión objeto de medida,
- una tarjeta de recepción de la señal de tiempo UTC, por ejemplo una tarjeta GPS que mediante la señal PPS (Pulso por segundo) se sincroniza con la hora UTC, permitiendo la Generación de Pulso de Disparo sincronizado (GPD) ,
- una tarjeta Registrador Digital, RD disparada por el pulso de sincronización procedente del GPD. El SDP se conecta a un canal del RD, cuya velocidad de muestreo y resolución vertical es de, al menos, 100 Mega-muestras por segundo y 10 bits respectivamente. El canal destinado para la forma de onda de tensión podrá tener unas prestaciones mucho menos exigentes (32 kilos- muestras por segundo) .
- un Equipo de Protección y Control, EPC, que protege contra sobretensiones a los dos RD del SM,
un ordenador personal con capacidad de procesamiento múltiple a través de una o varias unidades de multiprocesamiento .
un ordenador portátil para controlar el sistema de medida de forma remota.
Subsistema de generación de alta tensión alterna de 50 Hz aplicado al nuevo procedimiento de medida y análisis de DPs.
El sistema de generación de alta tensión alterna de 50 Hz de la presente invención somete al equipo o instalación a ensayar a la tensión de ensayo únicamente durante cortos periodos de tiempo, en los cuales se capturan las señales de DPs (bloque 1.1 del flujograma de la Figura 1) . Tras cada intervalo de tiempo de generación de alta tensión de ensayo, la tensión de salida del generador se reduce a un valor suficientemente bajo para que la potencia disipada por el generador sea despreciable (régimen de espera) , y pueda evacuarse el calor generado en el estado de funcionamiento anterior. La relación, r, entre el intervalo de tiempo en espera respecto al periodo de tiempo de generación de alta tensión de ensayo se establece con un determinado ratio compatible con la tecnología del transformador de alta tensión utilizado, por ejemplo un ratio máximo de 5:1 puede ser razonable que podría corresponder a 10 segundos de alta tensión generada con 50 segundos de régimen de espera por cada minuto horario, a fin de que la solicitación térmica equivalente en régimen permanente de funcionamiento sea muy inferior a la demandada durante el funcionamiento a la tensión de ensayo.
En cada periodo de ensayo tt en el que se genera la alta tensión de ensayo, la corriente de ensayo, It demandada por el equipo o instalación a ensayar, es suministrada por el generador provocando una solicitación térmica. La corriente Ie/ durante el periodo de espera te, se reduce a un porcentaje p, respecto de la corriente durante el ensayo. La comparación entre la solicitación térmica en este régimen pulsante con respecto a la solicitación térmica en régimen de funcionamiento continua permanente de un generador de corriente nominal permanente Ip satisface la siguiente ecuación :
Figure imgf000026_0001
Resultando
Figure imgf000026_0002
A título de ejemplo, si el ratio r=te/tt = 5 y el porcentaje de corriente en estado de espera es el 25% respecto de la corriente de ensayo (p=0,25), resulta que con un generador de la potencia nominal de régimen de funcionamiento permanente de valor mitad de la requerida a la tensión de ensayo sería suficiente bajo el punto de vista de solicitación térmica. A título de ejemplo, una instalación de ensayo de potencia nominal en régimen permanente de 250 kVA puede ser utilizada en el régimen pulsante indicado (r=5 y p=0,25) para suministrar potencias de ensayo de hasta 500 kVA, sin que se caliente por encima de su valor nominal.
Durante el periodo de generación de alta tensión, por ejemplo 10 segundos en un minuto, al menos, un intervalo de tiempo, (por ejemplo 2 segundos) se alcanzará la alta tensión de medida de DPs, para que seguidamente, durante el periodo de funcionamiento en espera del generador, por ejemplo 50 segundos, el sistema de medida tenga tiempo suficiente para realizar el procesamiento numérico de las señales, correspondiente al filtrado y a la determinación de parámetros representativos de cada pulso de tipo DP (bloques de 1.2 a 1.6 del flujograma de la Figura 1). Seguidamente se volverá a generar la alta tensión de ensayo para realizar una nueva captura y repetir tantas veces como sean necesario el proceso (bloques 1.6 y 1.1 del flujograma de la Figura 1) . El número de veces que se repite el proceso de captura y análisis debe ser el suficiente para disponer de datos estadísticamente fiables. Se sabe que con un número de capturas que corresponda a 250 periodos de la onda de la tensión de ensayo (por eejmplo 20 ms para 50 Hz) se disponen de datos suficientes para efectuar con fiabilidad los análisis correspondientes a las etapas décima, undécima y decimosegunda del flujograma de la Figura 1. Cuanto mayor sea el número de periodos capturados más fiable será el diagnóstico.
A titulo de ejemplo, si en el intervalo de tiempo de generación de alta tensión el periodo de tiempo que alcanza la tensión de ensayo dedicado a la captura y medida de DPs es del orden de 2 segundos por cada minuto horario y se repite el proceso cinco veces consecutivas (5 minutos de prueba), entonces se dispondrá del doble de los periodos de onda sinusoidal de ensayo establecidos como necesarios (500 periodos de datos) para realizar el diagnostico del estado del aislamiento del equipo o de la instalación. Consecuentemente en 5 minutos de ensayo es posible realizar un diagnóstico fiable con una tensión de la misma frecuencia que la red.
Además teniendo presente que la duración de la prueba no precisa que supere alguna decena de minutos y que no se realizará otro ensayo hasta transcurrida alguna hora, la potencia nominal del generador en régimen permanente con respecto a la máxima potencia entregable puede reducirse aún más. El uso de transformadores elevadores de menor potencia aporta como ventaja fundamental una notable reducción de peso.
A fin de no requerir de la alimentación más que la potencia activa de pérdidas, la potencia reactiva demandada durante el ensayo se compensa mediante electrónica de potencia tipo FACT, cuyo peso es también reducido. El control vectorial del FACT se realiza con un número de pulsos de conmutación reducido para limitar el contenido de señales perturbadoras durante la medida de descargas parciales, debidas a las conmutaciones de los interruptores electrónicos de potencia a la vez de cumplir con la condición de que la diferencia entre el valor eficaz de la tensión generada y el valor de cresta dividido por raíz de 2 no supere el 15%. El uso combinado de un transformador de potencia trifásico elevador y de FACT trifásicos para ensayar cargas trifásicas equilibradas permite reducir sustancialmente el uso de elementos de compensación de reactiva tradicionales (reactancias y condensadores), cuyo peso y volumen han sido tradicionalmente una fuerte inconveniente. Además, el ensayo simultáneo de las tres fases aporta la ventaja sustancial de reducción del tiempo de la prueba.
El circuito del sistema de generación de ensayo está constituido por los siguientes elementos:
- un interruptor de automático de baja tensión para la conexión desconexión y protección,
- un autotransformador regulable mediante motorización de baja tensión, previsto para aportar la potencia activa demandada en el ensayo,
- un servomotor para regular la tensión de salida del autotransfromador, controlado por ordenador, a fin de coordinar los periodos de tiempo en los que se generan las altas tensiones de ensayo con los periodos de espera, utilizados para la captura, registro y análisis de las señales procedentes de los sensores de DPs,
una FACT trifásico para compensar la potencia reactiva demandada en el ensayo,
un transformador de potencia trifásico para elevar la tensión, de baja tensión a la tensión de ensayo.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Procedimiento para ensayar y diagnosticar en tiempo real las fuentes de descargas parciales que se produzcan en equipos e instalaciones de alta tensión en servicio o fuera de servicio mediante la discriminación del ruido de fondo, la identificación del emplazamiento de las DPs, la distinción entre diferentes fuentes de DPs situadas en un mismo emplazamiento, la determinación, para cada fuente de DP, de su magnitud, tasa de repetición y tipo de defecto asociado, caracterizado porque comprende:
- la captura y digitalización (bloque 1.1) sincronizada de las señales analógicas recogidas por dos sensores de descargas parciales situados en los extremos de la instalación a diagnosticar junto con las señales analógicas recogidas de dos sensores de tensión, uno para captar la tensión de ensayo y el otro para captar la tensión de red, comenzando todas las capturas en el instante que la hora UTC (tiempo universal coordinado) coincide con segundos exactos apoyándose para tal fin, por ejemplo en la señal PPS (pulso por segundo) que entrega un receptor GPS, y abarcando, cada captura, uno o más periodos completos de la onda de la tensión de ensayo (al menos 20 milisegundos para 50 Hz) ;
la segmentación (bloque 1.2) de la señal captada y digitalizada en intervalos de tiempo iguales a los periodos de la señal senoidal de la tensión de ensayo.
- la discriminación (bloque 1.3) en tiempo real, a través del uso de multiprocesadores , dentro de la señal medida por cada sensor de DP capturada (bloque 1.1), entre ruido eléctrico y la señal de tipo descarga parcial (DP) , mediante la aplicación de la transformada Wavelet junto con un tratamiento estadístico de la señal medida;
la determinación (bloque 1.4) para cada señal de tipo DP, del instante de tiempo, ti, en que aparece, sobre la referencia absoluta de tiempo UTC, asociado al desfase de la señal de tipo DP respecto al paso por cero de la onda de tensión de ensayo, φι, y respecto al paso por cero de la onda de tensión de red, <j)ri, en caso de que ésta sea distinta a la tensión de ensayo; así como la determinación en tiempo real, a través del uso de multiprocesadores, para cada señal de tipo DP i-esima, de los parámetros de la función matemática derivada del secante-hiperbólica que contiene dos parámetros di y βι que la hacen asimétrica ee<(<t') = ea,-(t-t0l)4 ,-<„,) logrando el mejor ajuste a la envolvente del evento oscilante amortiguado que caracteriza la señal de tipo DP y extrayendo de esta función los dos parámetros representativos de la forma de la envolvente, en lo que respecta al tiempo de subida y tiempo de bajada, que están asociados a los dos coeficientes ± y βι del denominador de la función secante-hiperbólica asimétrica; junto con la determinación, en tiempo real, a través del uso de multiprocesadores, para cada señal de tipo DP, de los parámetros de la función matemática sinusoidal
Figure imgf000031_0001
que mejor se ajusta al evento oscilante amortiguado y que caracteriza a la señal de tipo DP; extrayendo de esta función el parámetro de la frecuencia fundamental ίί=ωι/2π como parámetro adicional representativo de su forma;
el almacenamiento (bloque 1.5) de los parámetros calculados característicos a cada pulso de descarga parcial determinados en el bloque (1.3). la repetición (bloque 1.6) de las etapas asociadas a los bloques (1.2) a (1.5) para cada intervalo de periodo de la tensión de ensayo (20 ms para 50 Hz y 16, 66 ms para 60 Hz) del periodo global de la señal de DPs capturada (bloque 1.1).
la repetición de nuevas capturas (bloque 1.7) a fin de aplicar nuevamente las etapas previas asociadas a los bloques (1.2) a (1.6) el número de veces suficiente como para poder disponer de datos estadísticamente suficientes como para determinar con fiabilidad el emplazamiento de fuentes de la descargas parciales, el número de fuentes diferentes de tipo descarga parcial situado en cada emplazamiento y los parámetros representativos de cada fuente de DP, que corresponden a la magnitud de la descarga, la tasa de repetición de pulsos de DP y los patrones resueltos en fase de la tensión de ensayo y de la tensión de red; el número de adquisiciones que se considera suficiente para el referido cálculo es de 250 periodos de la onda de tensión de red;
la exclusión (bloque 1.8) las DPs con origen en la tensión de red ajenas al elemento bajo ensayo cuando la tensión de red es distinta de la tensión de ensayo, mediante la representación de magnitud de la descarga resuelta en fase de la tensión de red (j)ri) ;
la correlación (bloque 1.9), gracias a la referencia temporal absoluta obtenida de la etapa asociada al bloque (1.4) de los parámetros de cada señal de DP medidos con los dos sistemas de medida para poder determinar el emplazamiento de fuentes de DPs;
la determinación (bloque 1.10) del mapa de emplazamientos de fuentes de DPs teniendo en cuenta el retraso de llegada a cada sensor de los pulsos de DP medidos con distinto sistema de medida y emparejados por proximidad, Xi (Ati) , teniendo en cuenta el máximo retraso de tiempo posible entre los pulsos de DP recibidos por los dos sistemas de medida, el cociente entre la máxima longitud a recorrer por el pulso de DP y la velocidad de propagación del pulso de DP;
- la identificación (bloque 1.11) para cada emplazamiento de fuentes de DPs el número diferentes de fuentes de DP a través de la formación de grupos de señales de DP que tengan valores similares de los tres parámetros siguientes: los dos parámetros representativos de la forma de la envolvente de la señal de tipo DP (bloque 1.4), relacionados con el tiempo de subida y el tiempo de bajada ai y βί y el parámetro de la frecuencia fundamental fi del pulso oscilante amortiguado característico de la señal de DP;
- la determinación (bloque 1.12) para cada fuente de DP el valor representativo de la magnitud de la descarga, de la tasa de repetición de pulsos de DP asociado a cada segundo de adquisición, así como el patrón de los pulsos de DPs resuelto en fase de la onda de la tensión de ensayo, correlacionándolo con respecto a patrones de referencia de defectos tipo, por ejemplo mediante una estructura de red neuronal entrenada sobre los patrones que presentan defecto tipo conocidos;
el almacenamiento (bloque 1.13) de los parámetros determinados en los bloques (1.10), (1.11) y (1.2);
- la repetición del proceso (bloque 1.14) de determinación de parámetros calculados en el bloque (1.12) para cada fuente de DP
- la repetición del proceso (1.15) indicado en los bloques
(1.11) a (1.14) para las fuentes de DPs asociadas a cada emplazamiento de DPs.
- la representación gráfica (bloque 1.16) de los resultados de las etapas asociadas a los bloques (1.10), (1.11) y
(1.12) , correspondientes al mapa de emplazamientos de DPs donde se localizan las fuentes de DPs (bloque 1.10), grupos de diferentes fuentes de DPs situados en cada emplazamiento (bloque 1.11), resultados de los parámetros obtenidos para cada fuente de DP (bloque 1.12) correspondientes a la magnitud de la descarga, la tasa de repetición, los patrones de DPs resueltos en fase de la tensión de ensayo y el resultado del tipo de defecto asociado a cada fuente de DP de la red.
2. - Procedimiento como el reivindicado en la reivindicación 1, correspondiente a la etapa del bloque (1.3) de discriminación de ruido que permite distinguir, en tiempo real, señales con una forma de onda transitoria característica a una DP de otras señales características de ruido eléctrico de fondo , superpuesto gracias al uso de multiprocesadores trabajando en paralelo .
3. - Procedimiento como el reivindicado en la reivindicación 1, correspondiente a la etapa asociada al bloque (1.4) relativo a la determinación, en tiempo real, a través de la utilización de multiprocesadores, de los parámetros de la función matemática denominada como secante-hiperbólica asimétrica
Figure imgf000034_0001
que mejor se ajusta a la envolvente del evento oscilante amortiguado que caracteriza cada señal de tipo DP captada en la etapa asociada al bloque (1.1) y de los parámetros de la función sinusoidal
Figure imgf000034_0002
que mejor se ajusta a la frecuencia y desfase del evento oscilante amortiguado que caracteriza cada señal de tipo DP captada en la etapa asociada al bloque (1.1), extrayendo de la primera función los dos parámetros representativos de la forma de la envolvente, en lo que respecta al tiempo de subida y tiempo de bajada, que corresponden a los dos coeficientes αΑ y βί de las exponenciales del denominador de la función secante- hiperbólica asimétrica y de la segunda función el parámetro de la frecuencia fundamental ίι=ωι/2π como parámetro adicional representativo de su forma. . -Procedimiento como el reivindicado en la reivindicación 1, correspondiente a la etapa asociada al bloque (1.8) relativo a la exclusión de DPs originadas por la tensión de red, ajenas al elemento o instalación bajo ensayo cuando la tensión de ensayo es distinta a la tensión de red, a través de la representación de las magnitudes de las descargas parciales resueltas en fase de la tensión de red (<j)ri) determinadas en la etapa asociada al bloque (1.
4).
5. - Procedimiento como el reivindicado en la reivindicación 1, correspondiente a la etapa asociada al bloque (1.11) relativo a la identificación del número diferentes de fuentes de DPs, a través de la formación de grupos de señales de DP que tengan valores similares de los tres parámetros siguientes: los dos parámetros representativos de la forma de la envolvente de la señal de tipo DP relacionados con el tiempo de subida y el tiempo de bajada αι, βι y el parámetro de la frecuencia fundamental, fi, del pulso oscilante amortiguado característico de la señal de DP referidos todos ellos en la reivindicación 3.
6. - Procedimiento como el reivindicado en la reivindicación 1, correspondiente a la etapa asociada al bloque (1.16) relativo a la representación gráfica de los resultados del análisis, etapas correspondientes a los bloques (1.10), (1.11), (1.12) relativos al mapa de emplazamientos de DPs donde se localizan las fuentes de DPs (bloque 1.10), agrupación de las diferentes fuentes de DPs situados en cada emplazamiento (bloque 1.11) y resultados obtenidos de cada fuente de DP (1.12): magnitud de la descarga, tasa de repetición, patrón resuelto en fase de la tensión para cada fuente de DP y resultado del tipo de defecto asociado a cada fuente de DP.
7.- Sistema físico para detectar señales de tipo descarga parcial (DP) basado en el procedimiento reivindicado en la reivindicación 1 que permite realizar medidas simultaneas y sincronizadas en dos sistemas de medida de DPs, discriminar el ruido respecto la forma de onda transitoria característica de las señales de DPs según el procedimiento reivindicado en la reivindicación 2, determinar los parámetros asociados a cada DP según el procedimiento reivindicado en la reivindicación 3, determinar el mapa de fuentes de DPs a lo largo del cable según la etapa asociada al bloque (1.10) reivindicado en la reivindicación 1, representar gráficamente los grupos de las fuentes de DPs según el procedimiento reivindicado en la reivindicación 5, representar gráficamente los resultados del análisis según el procedimiento reivindicado en la reivindicación 6, constituido por dos sistemas de medida independientes cada uno de ellos con los siguientes elementos:
un sensor de descargas parciales;
un sensor de tensión, para medir la forma de onda de la tensión de ensayo;
un sensor de tensión, para medir la forma de onda de la tensión de red en el caso de que ésta sea distinta de la tensión de ensayo;
una tarjeta para la recepción de la señal temporal UTC, por ejemplo de un sistema GPS, y otra para la generación de pulso de disparo sincronizado (GPD) ;
un registrador digital disparado por el pulso de sincronización procedente de la tarjeta de pulso de disparo sincronizado;
un equipo de protección y control, que protege contra sobretensiones a los dos registradores digitales del sistema de medida;
un ordenador personal con capacidad de procesamiento múltiple a través de una o varias unidades de muítiprocesamiento;:
- un Ordenador portátil para controlar el sistema de medida de forma remota.
8.- Sistema físico para generar altas tensiones alternas de la frecuencia de la tensión de alimentación (50 Hz o 60 Hz)que genera la tensión de ensayo durante cortos periodos de tiempo, en los cuales se capturan las señales de DPs según la etapa asociada al bloque (1.1) de la reivindicación 1/ tras los cuales la tensión se reduce, durante un periodo de tiempo de espera notablemente más largo, a un valor suficientemente bajo como para permitir la evacuación del calor producido en los instantes de generación de alta tensión alterna de ensayo, aprovechando cada periodo de tensión reducida para realizar los análisis de las medidas relativos a los las etapas asociadas a los bloques (1.2) a (1.7) de la reivindicación 1 y de esta forma poder suministrar una potencia en régimen pulsante mucho mayor a la potencia nominal de régimen permanente del generador, a la vez que la potencia reactiva demandada en el ensayo se compensa mediante electrónica de potencia tipo FACT a fin de limitar el uso de reactancias y condensadores para compensar la potencia reactiva solicitada en el ensayo.
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