WO2022184953A1 - Dispositivo sensor aislado y apantallado de descargas parciales de tipo transformador de corriente de alta frecuencia, hfct, de alta ganancia y baja distorsión con sistema de autochequeo para equipos e instalaciones de alta tension - Google Patents

Dispositivo sensor aislado y apantallado de descargas parciales de tipo transformador de corriente de alta frecuencia, hfct, de alta ganancia y baja distorsión con sistema de autochequeo para equipos e instalaciones de alta tension Download PDF

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measurement
ferrite core
coaxial cable
self
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Fernando Garnacho Vecino
Abderrahim KHAMLICHI EL KHAMLICHI
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Universidad Politécnica de Madrid
Viesgo Distribución Eléctrica S.L.
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Definitions

  • the present invention relates to the technical field of protection systems that use the measurement of partial discharges and more specifically to a sensor for measuring partial discharges of the "high frequency current transformer” (HFCT) type to be connected to an instrument 50 W digital input impedance measurement device, with 9 mV/mA gain, 0.5 MHz to 40 MHz bandwidth, flat response ( ⁇ 10%) between 1 MHz and 30 MHz, and immunity better than -40 dB against external interference of frequencies of up to 30 MHz with an electric field value of up to 60 V/m and with a self-checking system to verify its correct state.
  • HFCT high frequency current transformer
  • the sensor object of the present invention has application in the grounding of high-voltage equipment and installations, such as the braids of the screens of power cable systems connected to ground through which partial discharge pulses are drained.
  • high frequency current transformers are sensors commonly used in the measurement of partial discharges.
  • the state of the art includes some sensors for the measurement of partial discharges, but their performance in high frequency ranges (between 1 MHz and 30 MHz) is not fully satisfactory on all occasions.
  • the gain expressed in mV/mA (or “transfer impedance” in the literature), which is the output voltage of the sensor relative to the input current when loaded with an impedance of 50 W, is not very flat. in the high frequency range, which implies a greater distortion of the signal to be measured and, therefore, a greater insecurity of the device.
  • the sensors present in the market when they present a high gain (>8 mV/mA) in the frequency range of interest from 1 MHz to 30 MHz, they are not able to keep their gain constant in the high frequency band from 1 MHz to 30 MHz, thus significantly distorting the shape of the partial discharge pulse to be measured, negatively affecting the accuracy of the measurement.
  • the sensors that keep their gain characteristic constant in the referred frequency range present a low gain ( ⁇ 5 mV/mA).
  • High-frequency current transformer (HFCT) type sensors are used to monitor partial discharges in high-voltage installations under service conditions of high electric fields, in the order of tens of volts per meter. Therefore, it is very convenient to have a metallic shield to ensure that the measurement signal is immune to interference electric fields characteristic of high-voltage electrical installations.
  • HFCT High-frequency current transformer
  • shielding by means of a metallic, copper or aluminum casing, painted or covered with an insulating layer.
  • These shields may be effective in terms of immunity, but are poor from a safety point of view. electrical insulation, since an abrasion or defect in the insulating coating layer can cause the derivation of dangerous voltages in its screen and consequently in the measurement cable, endangering the integrity of the measurement instrument and even of the operator who handles it.
  • a high-frequency current transformer (HFCT) type partial discharge sensor device for high-voltage equipment and installations, comprising :
  • the sensor device further comprises:
  • the first measurement coil comprises five flat turns and an additional return turn that is also flat.
  • the gain reaches a value of 9 mV/mA and is constant ( ⁇ 10%) in the range between 0.5 MHz v 30 MHz.
  • the additional return loop serves to improve the frequency response of the sensor and is arranged on an outer cylindrical surface of the ferrite core, isolated from the five flat turns that make up the coil.
  • one end of the additional return loop is arranged following a "U" geometry with appropriate dimensions to achieve an impedance of 50 W adaptation, equal to that of the measurement cable.
  • the five flat turns according to one embodiment of the invention, they have dimensions of 5 mm wide and 125 ⁇ m thick.
  • the first measurement coaxial cable has a characteristic impedance of 50 W and is welded to the first measurement coil as follows: the screen of the coaxial cable welded to the final end of the measurement coil measurement corresponding to the return loop and the active conductor of the coaxial cable welded to the initial end of the measurement coil, which is matched in impedance to the average cable, thanks to the U-shaped geometry of the final end of the return loop. Additionally, in one of the particular embodiments, it is contemplated to arrange an insulating, adhesive, flexible and transparent sheet of polyamide film covering the welds between the coaxial cable and the first measurement coil.
  • the second auxiliary check coil according to one of the embodiments of the invention, comprises two turns.
  • the ferrite core of the sensor device is a toroidal core of high permeability MnZn ferrite. Specifically, in one of the embodiments, measurements are contemplated for the ferrite core with an internal diameter of 54.3 mm, an external diameter of 87.0 mm and a thickness of 13.5 mm. Additionally, it is contemplated that the ferrite core is split into two equal halves with two air gaps of 125 pm each.
  • a U-shaped copper wrap with at least 35 ⁇ m thickness which shields the assembly of ferrite core, first measurement coil and second auxiliary coil.
  • the shielding covers the outer cylindrical surface of the ferrite toroid with the two coils and their two circular crowns, which constitute the lower and upper base of the core, leaving only the inner cylindrical part of the toroid unshielded, where the laying cable(s) to land they pass.
  • This U-shaped shield allows the partial discharge current pulse to induce a magnetic flux through the ferrite core, but at the same time it prevents external interferences from inducing appreciable interference flux in the core.
  • the shielded assembly is embedded with an outer resin coating to form the sensor device of the present invention. It is contemplated that it comprises a layer of epoxy resin at least 3 mm thick. Additionally, the resin layer incorporates a mark in the form of an arrow pointing towards the ground, which guides the correct installation of the device, thanks to a mold designed for it. If this mark is not formed in the resin, it would have to be incorporated in a supplementary way, for example, by means of a sticker, with the drawbacks of having to resist the weather of an outdoor installation. This arrow mark in the direction of the ground of the installation is important to identify the polarity of the pulse and with it to identify if the defect comes from inside or outside the installation or equipment.
  • the present invention therefore offers an advantageous alternative to state-of-the-art solutions such as high-frequency current transformers that use ferrite as the magnetic core, since the specific winding materials and techniques achieve a low-cost sensor with high performance characteristics. gain and bandwidth from 0.5 MHz to 50 MHz with flat response ( ⁇ 10%) in the range from 1 MHz to 30 MHz, achieving high measurement accuracy, thanks to the selection of a MnZn ferrite and a measurement winding with flat turns and a flat return turn mounted on the outer cylindrical surface of the ferrite, with a copper shield embedded in resin that simultaneously provides it with excellent immunity and high external dielectric strength (> 10 kV ) at low cost.
  • the characteristics listed below make the sensor of the present invention especially advantageous compared to those existing in the state of the art.
  • High gain (1) (> 8 mV/mA) v constant ( ⁇ 10%) in the range from 1 MHz to 30 MHz.
  • the sensor device of the present invention has a characteristic curve of gain as a function of frequency which presents a high gain of 9 mV/mA with a flat response ( ⁇ ⁇ 10%) in the frequency range of interest, between 1 MHz and 30 MHz, thanks to the five turns with return loop, all of them flat and wound at the MnZn ferrite.
  • the present invention has an auxiliary coil so that a signal can be injected remotely.
  • known signal that allows checking, even remotely, the signal measured by the sensor and in this way verify if it is within the operating tolerances or if, on the contrary, it presents a fault, without the need to access the sensor, other than to its replacement in case of fault detection.
  • a resistor has been placed in series with the self-check coil to maintain a high gain of 9 mV/mA, with a flat response ( ⁇ 10%) in the range. of frequencies from 1 MHz to 30 MHz.
  • the gain loss when incorporating the auxiliary self-check winding is less than 5% for the frequency range up to 70 MHz, which justifies the correct design of the sensor.
  • High immunity to interference better than -40 dB, for frequencies up to 30 MHz.
  • the sensor device of the present invention has an internal copper shield, which protects the measurement and self-check coils, as well as the ferrite core, which is embedded in resin.
  • This shielding is effective for frequencies up to 30 MHz, with a characteristic shielding curve comparable to those of other sensors on the market with external copper or aluminum shielding.
  • the advantage of the internal shielding made by copper adhesive tape less than 0.2 mm compared to the external shielding of 1 mm aluminum or copper sheet, is its lower cost, greater compaction of the sensor and better possibility of external electrical insulation when it is embedded. in resin. 4) High electrical insulation characteristics (>10 kV; 50 Hz).
  • the partial discharge sensor device of the present invention uses an internal copper shield, embedded in a thickness of epoxy resin at least 3 mm thick, to guarantee electrical insulation greater than 10 kV at 50 Hz, a value greater than the eventual voltages that are considered to appear in the grounded masses of the high voltage equipment and installations.
  • the partial discharge sensor device of the present invention has all the elements that make up the magnetic and electrical circuit embedded in its resin, with the exception of the cables that come out of the sensor.
  • This compact design is integrated into a resin block that makes the assembly a robust sensor against the effects of corrosion, since there is no external metal part exposed to corrosive atmospheric agents that could appear in the vicinity of the installation where be installed.
  • the only metallic elements of the sensor correspond to the BNC connectors at the ends of both coaxial cables that connect to the measuring instrument, where the conditions environmental conditions must be in accordance with a proper instrumentation environment.
  • FIG. 1 represents a perspective view of an embodiment of the sensor.
  • FIG. 3 conceptually represents the “U” shielding of the coils.
  • FIG. 4 shows a constructive solution of the present invention, with details of the core and the winding of the measuring coil.
  • FIG. 5 shows in detail the "U" arrangement of the end of the return loop, shielding the initial end of the measurement coil.
  • FIG. 6 shows in detail the connection of the coaxial cable with the measuring coil.
  • FIG. 7 shows the insulating layer arranged on the welds of the cable and the measuring coil.
  • FIG. 8 represents a view of the sensor embedded in resin and the coaxial measurement cables.
  • the present invention discloses a high-frequency current transformer type partial discharge sensor device, HFCT, for high-voltage equipment and installations, such as the one shown in Figure 1.
  • Figure 2 conceptually represents the magnetic circuit of the device, composed of a high permeability ferrite core (1), in which the magnetic field (2) produced by the transient current pulses i(t) to be measured (3 ) of partial discharges.
  • the core is divided into two equal halves (4) so that the two air gaps prevent the ferrite from saturating in the face of 50 Hz alternating currents that circulate through the cable screen or the ground of the equipment in which the sensor is placed.
  • a coil with five turns plus one return (5) is wound on the ferrite core so that a current circulates proportional to the transient partial discharge current i(t) to be measured.
  • the signal captured by the coil must be measured through a measurement instrument (6) with an input impedance of 50 W (7).
  • a second two-turn coil (8) in series with a damping resistor (9) is used to inject a self-test pulse (10) when required.
  • a coaxial cable (13) with a characteristic impedance of 50 W is connected to each of the coils, through the resistance (9) in the case of the self-check coil.
  • the coils, resistance and connections with the coaxial cables are shielded by a copper tape (11) that is embedded in resin (12).
  • Figure 3 shows how the ferrite core (1), the measurement coil (5) and the self-check coil (8) are shielded by a U-shaped copper tape (11) to mitigate interference. (14), while being capable of capturing the magnetic field created by the current pulse i(t) of the partial discharge (3).
  • Insulating tapes are used to electrically isolate the ferrite (1) from the coils (5) and (8), the coils from each other and these from the copper shield (11).
  • the screen of the coaxial cable corresponding to the measurement coil (5) and the internal copper shielding are electrically connected at a single point so that they form the ground of the sensor.
  • Figure 4 shows in detail the constructive solution of the present invention in this preferred embodiment. It consists of a toroidal core of ferrite M n Z n (1) with an initial relative permeability of 6,000, an internal diameter of 54.3 mm and an external diameter of 87.0 mm, and a thickness of 13.5 mm.
  • the core is divided into two equal halves with two air gaps of 125 pm each, as shown by the markings (15) in figure 4.
  • the purpose of the air gaps is to avoid saturation of the core for the 50 Hz currents expected in operation by grounded wires or grounds where the sensor is connected.
  • the ferrite core is covered with a transparent, flexible, adhesive insulating sheet of polyamide film, or alternatively can be coated with varnish insulator with low relative permittivity ( ⁇ 2.5), on which five flat turns (16) 125 pm thick and 5 mm wide are wound, and an additional return turn (17) fixed on the outer cylindrical surface of the ferrite of the same width and thickness dimensions as the coiled turns in the core toroid.
  • Figure 5 shows in detail how the final end of the return loop (17) is formed with a "U"-shaped geometry, (18), with appropriate dimensions to achieve a matching impedance of 50 W, in order to shield and match the initial end (19) of the measurement coil with the characteristic impedance of the measurement cable.
  • Figure 6 shows in detail a measurement coaxial cable with a characteristic impedance of 50 W, soldered to the measurement coil.
  • the screen (20) of the coaxial cable is welded to the end (21) of the return loop (17) and the active conductor of the coaxial cable (22), is welded to the initial end (19) of the measurement coil, which is shielded in the U-shaped geometry (18) of the final end of the return loop (17).
  • the solder connection of the coaxial cable and the measurement coil is covered by a transparent, flexible, adhesive insulating sheet (23) of polyamide film, to electrically separate them from the copper shielding that is installed on top.
  • the second two-turn coil (8) is placed on the insulating layer (23) that covers the toroidal ferrite core (1) and the welds of the coaxial measurement cable (13).
  • the self-test coil is also insulated with a transparent flexible adhesive insulation sheet. Instead of having adhesive, flexible and transparent insulating sheets, insulating varnish with equivalent insulating technical characteristics can be used.
  • This auxiliary coil (8) allows the sensor gain self-check to be carried out.
  • the self-check coil must not overlap with any turn of the measurement coil, therefore, when winding the measurement coil, an angular sector of, preferably, about 3 cm of external arc must be left free, without covering the ferrite toroid. .
  • the auxiliary coil has a damping resistor connected in series, in this preferred embodiment of 300 W, so as not to affect appreciably ( ⁇ 5%) the gain of the measurement coil.
  • the soldering connections of the resistance with the self-checking coil and with the active cable of the coaxial, as well as that of the screen of the latter with the other end of the coil is insulated by a polyamide film.
  • the ferrite core assembly (1) and the two coils are shielded (11) by means of a copper wrap of at least 35 pm thickness, U-shaped to cover the outer cylindrical surface of the toroid and the two circular crowns, which constitute the lower and upper bases of the toroid.
  • the shield leaves the inner cylindrical part of the toroid uncovered, as shown in figure 3, so that the current pulse of the partial discharge (3) that circulates through the grounding conductor can be coupled to the ferrite toroid. , while the external interferences (14) are mitigated with the shielding.
  • the shield of the test lead is internally connected to the copper shield.
  • the ferrite assembly, the two shielded coils (the measurement and the test coil), the connections of the two coaxial cables soldered to both coils, the series resistor and the copper shield are embedded in resin, typically black in color, to achieve a coating of at least 3 mm thick with an external shape as shown in figure 1.
  • an arrow-shaped mark (24) is formed on one side of the sensor, with so that its correct position can be identified from the outside of the resulting resin block, arrow pointing towards the ground when installed. In this way it is possible to identify the polarity of the measurement pulse.
  • the senor device has external measurements of 110 mm wide and 125 mm high, with a thickness of 25 mm. It can be supplied with a coaxial cable with a maximum length of 15 m, although it is recommended that the length be as short as possible so as not to lose gain.

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Abstract

La presente invención se refiere a un dispositivo sensor de descargas parciales de tipo transformador de corriente de alta frecuencia, HFCT, de alta ganancia, baja distorsión y alta inmunidad frente al ruido que permite obtener una alta precisión de medida, con sistema de autochequeo destinado a monitorización fija de equipos e instalaciones de alta tensión, que comprende un núcleo de ferrita; una primera bobina de medida arrollada al núcleo de ferrita; y un primer cable coaxial soldado a la primera bobina de medida; donde el dispositivo sensor además comprende: una segunda bobina auxiliar de chequeo arrollada al núcleo de ferrita; una resistencia eléctrica en serie con la bobina auxiliar de chequeo; un segundo cable coaxial soldado a la resistencia eléctrica; y un recubrimiento exterior de resina.

Description

DESCRIPCIÓN
DISPOSITIVO SENSOR AISLADO Y APANTALLADO DE DESCARGAS PARCIALES DE TIPO TRANSFORMADOR DE CORRIENTE DE ALTA FRECUENCIA, HFCT, DE ALTA GANANCIA Y BAJA DISTORSIÓN CON SISTEMA DE AUTOCHEQUEO PARA EQUIPOS E INSTALACIONES DE ALTA TENSION
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere al campo técnico de los sistema de protección que utilizan la medida de descargas parciales y más concretamente a un sensor de medida de descargas parciales de tipo “transformador de corriente de alta frecuencia” (HFCT) para ser conectado a un instrumento digital de medida de impedancia de entrada de 50 W, con ganancia de 9 mV/mA, ancho de banda de 0,5 MHz a 40 MHz, respuesta plana (<±10%) entre 1 MHz y 30 MHz, e inmunidad mejor de -40 dB frente a interferencias externas de frecuencias de hasta 30 MHz de valor de campo eléctrico de hasta 60 V/m y con sistema de autochequeo para comprobar su correcto estado.
El sensor objeto de la presente invención tiene aplicación en las puestas a tierra de equipos e instalaciones de alta tensión, tales como las trenzas de las pantallas de los sistemas de cable de potencia conectadas a tierra por las que se drenan pulsos de descargas parciales.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Actualmente, los transformadores de corriente de alta frecuencia son sensores comúnmente utilizados en la medida de descargas parciales.
El estado del arte comprende algunos sensores para la medida de descargas parciales, pero su rendimiento en rangos de alta frecuencia (entre 1 MHz y 30 MHz) no resulta plenamente satisfactorio en todas las ocasiones. En muchos casos la ganancia expresada en mV/mA (o “impedancia de transferencia” en la bibliografía), que es la tensión de salida del sensor con respecto a la corriente de entrada cuando está cargado con una impedancia de 50 W, es poco plana en el rango de alta frecuencia, lo que implica una mayor distorsión de la señal a medir y, por tanto, una mayor inseguridad del dispositivo.
Los sensores presentes en el mercado, cuando presentan una alta ganancia (>8 mV/mA) en el rango de frecuencia de interés de 1 MHz a 30 MHz, no son capaces de mantener constante su ganancia en la banda de alta frecuencia desde 1 MHz hasta 30 MHz, por lo que distorsionan significativamente la forma del pulso de descarga parcial a medir, afectando negativamente la precisión de la medida. En cambio, los sensores que mantienen constante su característica de ganancia en el rango de frecuencias referido, presentan una ganancia baja (<5 mV/mA).
Otro problema general de los sensores del estado del arte que se utilizan para monitorización permanente de instalaciones de alta tensión, es que disponen de una sola bobina arrollada al toroide de ferrita para medir los pulsos de descargas parciales. Sin embargo, debido a las solicitaciones en las redes de alta tensión, tales como cortocircuitos, sobretensiones por maniobras o por descargas atmosféricas (rayos), las ferritas de estos sensores pueden sufrir degradaciones prematuras y en consecuencia perder su ganancia. Esta pérdida de ganancia sería inadvertida por el usuario del sensor, pudiendo ser ineficaz para la detección de descargas parciales, de manera que la única opción para detectar esta avería sería realizar una revisión de sus características, lo que le exigiría retirarlo para probarlo en laboratorio o en su caso ensayarlo in situ. En cualquier caso, ello supone la problemática de acceder al sensor y desconectar la red.
Los sensores de tipo transformador de corriente de alta frecuencia (HFCT) se utilizan para la monitorización de descargas parciales en instalaciones de alta tensión bajo condiciones de servicio de campos eléctricos elevados, del orden de decenas de voltio por metro. Por lo que es muy conveniente disponer de un apantallamiento metálico para lograr que la señal de medida sea inmune campos eléctricos de interferencia característicos de las instalaciones eléctricas de alta tensión. Sin embargo, muchos de los sensores en el mercado no disponen siquiera de apantallamiento, lo que afecta directamente a la tensión de interferencia inducida en el bobinado de medida hasta un orden de magnitud superior a la captada por otros sensores que sí disponen de apantallamiento metálico.
Entre los sensores apantallados existentes en el estado del arte, se encuentran apantallamientos mediante una envolvente metálica, de cobre o de aluminio, pintada o recubierta de una capa aislante. Estos apantallamientos pueden resultar eficaces en lo que respecta a la inmunidad, pero resultan deficientes bajo un punto de vista de aislamiento eléctrico, ya que una abrasión o defecto en la capa de recubrimiento aislante pueden provocar la derivación de tensiones peligrosas en su pantalla y en consecuencia en el cable de medida, haciendo peligrar la integridad del instrumento de medida e incluso del operario que lo maneja.
Por tanto, se echa en falta en el estado del arte una alternativa a los sensores existentes, capaz de ofrecer al mismo tiempo una alta ganancia, respuesta plana en alta frecuencia, inmunidad a interferencias, asilamiento eléctrico y garantías de funcionamiento correcto sin tener que desmontarlo para revisiones, en un formato realista y de bajo coste.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Con el fin de alcanzar los objetivos y evitar los inconvenientes mencionados anteriormente, la presente invención describe, en un primer aspecto un dispositivo sensor de descargas parciales de tipo transformador de corriente de alta frecuencia, HFCT, para equipos e instalaciones de alta tensión, que comprende:
- un núcleo de ferrita;
- una primera bobina de medida arrollada al núcleo de ferrita; y
- un primer cable coaxial soldado a la primera bobina de medida; donde el dispositivo sensor además comprende:
- una segunda bobina auxiliar de chequeo arrollada al núcleo de ferrita;
- una resistencia eléctrica en serie con la bobina auxiliar de chequeo;
- un segundo cable coaxial soldado a la resistencia eléctrica;
- un apantallamiento en cobre; y
- un recubrimiento exterior de resina.
Específicamente, en una realización de la invención, la primera bobina de medida comprende cinco espiras planas y una espira adicional de retorno también plana. Así, ventajosamente, la ganancia alcanza un valor de 9 mV/mA y es constante (<±10%) en el rango entre 0.5 MHz v 30 MHz.
La espira adicional de retorno sirve para mejorar la respuesta en frecuencia del sensor y está dispuesta sobre una superficie cilindrica exterior del núcleo de ferrita, aislada de las cinco espiras planas que conforman la bobina. Concretamente, en una realización particular, un extremo final de la espira adicional de retorno se dispone siguiendo una geometría en “U” con dimensiones apropiadas para lograr una impedancia de adaptación de 50 W, igual al del cable de medida. En cuanto a las cinco espiras planas, de acuerdo a una realización de la invención, tienen unas dimensiones de 5 mm de ancho y 125 pm de espesor. De acuerdo a una de las realizaciones de la invención, el primer cable coaxial de medida tiene una impedancia característica 50 W y está soldado a la primera bobina de medida de la siguiente manera: la pantalla del cable coaxial soldada al extremo final de la bobina de medida correspondiente a la espira de retorno y el conductor activo del cable coaxial soldado al extremo inicial de la bobina de medida, que queda adaptado en impedancia al cable de media, gracias a la geometría en U del extremo final de la espira de retorno. Adicionalmente, en una de las realizaciones particulares, se contempla disponer una lámina aislante, adhesiva, flexible y transparente de película de poliamida recubriendo las soldaduras entre el cable coaxial y la primera bobina de medida. La segunda bobina auxiliar de chequeo, de acuerdo a una de las realizaciones de la invención, comprende dos espiras. Adicionalmente, se contempla disponer una resistencia eléctrica conectada en serie con la segunda bobina auxiliar de chequeo de 300 W. El núcleo de ferrita del dispositivo sensor, según una realización de la invención, es un núcleo toroidal de ferrita MnZn de alta permeabilidad. Específicamente, en una de las realizaciones se contemplan unas medidas para el núcleo de ferrita de diámetro interior 54,3 mm, diámetro exterior 87,0 mm y de espesor 13,5 mm. Adicionalmente, se contempla que el núcleo de ferrita esté partido en dos mitades iguales con dos entrehierros de 125 pm cada uno.
De acuerdo a una realización particular, se dispone un encintado de cobre con al menos 35 pm de espesor y en forma de U, que apantalla el conjunto de núcleo de ferrita, primera bobina de medida y segunda bobina auxiliar. El apantallamiento cubre la superficie cilindrica exterior del toroide de ferrita con las dos bobinas y sus dos coronas circulares, que constituyen la base inferior y superior del núcleo, dejando únicamente sin apantallamiento la parte cilindrica interior del toroide, por dónde el o los cables de puesta a tierra pasan. Este apantallamiento en forma de U permite que el pulso de corriente de la descarga parcial induzca un flujo magnético por el núcleo de ferrita, pero a la vez impide que las interferencias exteriores induzcan flujo apreciable de interferencia en el núcleo.
El conjunto apantallado se embebe con un recubrimiento exterior de resina para conformar el dispositivo sensor de la presente invención. Se contempla que comprenda una capa de resina epoxy de al menos 3 mm de espesor. Adicionalmente, la capa de resina incorpora una marca en forma de flecha apuntando hacia tierra, que guía la correcta instalación del dispositivo, gracias a un molde diseñado para ello. De no conformarse en la resina esta marca, habría que incorporarla de forma suplementaria, por ejemplo, mediante una pegatina, con los inconvenientes de tener que resistir la intemperie de una instalación de exterior. Esta marca de flecha en dirección a la tierra de la instalación es importante para identificar la polaridad del pulso y con ella identificar si el defecto procede de dentro o fuera de la instalación o equipo. La presente invención ofrece por tanto una ventajosa alternativa a las soluciones del estado del arte del tipo transformadores de corriente de alta frecuencia que utilizan como núcleo magnético ferrita, ya que los materiales y técnicas de bobinados específicas logran un sensor de bajo coste y altas prestaciones de ganancia y ancho de banda de 0,5 MHz a 50 MHz con respuesta plana (<±10%) en el rango de 1 MHz a 30 MHz, que logran una alta precisión en la medida, gracias a la selección de una ferrita de MnZn y un bobinado de medida con espiras planas y una espira de retorno también plana montada en la superficie cilindrica exterior de la ferrita, con un apantallamiento de cobre embebido en resina que le dota simultáneamente de una excelente inmunidad y alta rigidez dieléctrica externa (> 10 kV) a un bajo coste. Las características que seguidamente se enumeran convierten al sensor de la presente invención, especialmente ventajoso frente a los existentes en el estado del arte.
1) Alta aanancia(1) (> 8 mV/mA) v constante (<±10%) en el rango de 1 MHz a 30 MHz. El dispositivo sensor de la presente invención tiene una curva característica de ganancia en función de la frecuencia que presenta una alta ganancia de 9 mV/mA con respuesta plana (< ±10%) en del rango de frecuencia de interés, entre 1 MHz y 30 MHz, gracias a las cinco espiras con espira de retorno, todas ellas planas y arrolladas a la ferrita de MnZn.
2) Autochequeable mediante bobina auxiliar de invección de señal. La presente invención dispone de una bobina auxiliar para que pueda ser inyectada a distancia una señal conocida que permita chequear, incluso de forma remota, la señal medida por el sensor y de esta forma comprobar si está dentro de las tolerancias de funcionamiento o por lo contrario presenta una avería, sin necesidad de tener que acceder al sensor, más que para su sustitución en caso de detectarse avería. Aunque, la existencia de esta bobina auxiliar pudiera mitigar la ganancia del sensor, se ha dispuesto una resistencia en serie con la bobina de autochequeo para mantener una alta ganancia de 9 mV/mA, con respuesta plana (<±10%) en el rango de frecuencias de 1 MHz a 30 MHz. La pérdida de ganancia al incorporar el arrollamiento auxiliar de autochequeo es inferior al 5% para el rango de frecuencias de hasta 70 MHz, lo que justifica el correcto diseño del sensor. 3) Alta inmunidad a interferencias, mejor que -40 dB, para frecuencias de hasta 30 MHz.
El dispositivo sensor de la presente invención dispone de un apantallamiento interno de cobre, que protege las bobinas de medida y de autochequeo, así como el núcleo de ferrita y que está embebido en resina. Este apantallamiento es eficaz para frecuencias de hasta 30 MHz, con una curva característica de apantallamiento comparable con las correspondientes a otros sensores de mercado con apantallamiento de envolvente externa de cobre o aluminio. La ventaja del apantallamiento interno practicado mediante cinta adhesiva de cobre inferior a 0,2 mm respecto del apantallamiento externo de chapa de aluminio o cobre de 1 mm, es su menor coste, mayor compactación del sensor y mejor posibilidad de aislamiento eléctrico externo al quedar embebido en resina. 4) Altas características de aislamiento eléctrico (>10 kV; 50 Hz). El dispositivo sensor de descargas parciales de la presente invención utiliza un apantallamiento interno de cobre, embebido en un espesor de resina epoxy de, al menos, 3 mm de espesor, para garantizar un aislamiento eléctrico superior a 10 kV a 50 Hz, valor superior a las eventuales tensiones que se considera puedan aparecer en las masas puestas a tierra de los equipos e instalaciones de alta tensión.
5) Alto comportamiento frente a la corrosión. El dispositivo sensor de descargas parciales de la presente invención tiene embebido en su resinado todos los elementos que componen el circuito magnético y eléctrico, a excepción de los cables que salen fuera del sensor. Este compacto diseño se integra en un bloque de resina que convierte al conjunto en un sensor robusto frente a los efectos de la corrosión, al no existir ninguna pieza metálica externa expuesta a los agentes atmosféricos corrosivos que pudieran aparecer en la proximidad de la instalación en dónde se instale. Los únicos elementos metálicos del sensor corresponden a los conectores BNC de los extremos de ambos cables coaxiales que se conectan al instrumento de medida, dónde las condiciones ambientales deben ser acordes a un entorno propio de instrumentación.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para completar la descripción de la invención y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de sus características, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización de la misma, se acompaña un conjunto de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se han representado las siguientes figuras:
- La figura 1 representa una vista en perspectiva de una realización del sensor.
- La figura 2 representa conceptualmente el circuito magnético del sensor.
- La figura 3 representa conceptualmente el apantallamiento en “U” de las bobinas.
- La figura 4 muestra una solución constructiva de la presente invención, con detalle en el núcleo y el arrollamiento de la bobina de medida.
- La figura 5 muestra en detalle la disposición en “U” del extremo de la espira de retorno, apantanando el extremo inicial del a bobina de medida.
- La figura 6 muestra en detalle la conexión del cable coaxial con la bobina de medida.
- La figura 7 muestra la capa aislante dispuesta sobre las soldaduras del cable y la bobina de medida.
- La figura 8 representa una vista del sensor embebido en resina y los cable coaxiales de medida.
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
La presente invención divulga un dispositivo sensor de descargas parciales de tipo transformador de corriente de alta frecuencia, HFCT, para equipos e instalaciones de alta tensión, como el mostrado en la figura 1. La figura 2 representa conceptualmente el circuito magnético del dispositivo, compuesto por un núcleo de ferrita (1) de alta permeabilidad, en el que se inducen el campo magnético (2) producido por los pulsos transitorios de corriente i(t) a medir (3) de las descargas parciales. El núcleo se parte en dos mitades iguales (4) para que los dos entrehierros eviten la saturación de la ferrita ante corrientes alternas de 50 Hz que circulen por la pantalla del cable o la masa del equipo en el que se disponga el sensor. Una bobina de cinco espiras más una de retorno (5) se arrolla sobre el núcleo de ferrita para que circule una corriente proporcional a la corriente transitoria i(t) de descarga parcial a medir. La señal captada por la bobina debe ser medida a través de un instrumento de medida (6) con impedancia de entrada de 50 W (7). Una segunda bobina de dos espiras (8) en serie con una resistencia de amortiguamiento (9) se utiliza para inyectar un pulso de autochequeo (10) cuando se requiera. A cada una de las bobinas se conecta un cable coaxial (13) de 50 W de impedancia característica, a través de la resistencia (9) en el caso de la bobina de autochequeo. Las bobinas, resistencia y conexiones con los cables coaxiales quedan apantalladas por una cinta de cobre (11) que se embebe en resina (12).
En la figura 3 se muestra como el núcleo de ferrita (1), la bobina de medida (5) y la bobina de autochequeo (8), quedan apantalladas por una cinta de cobre en forma de U (11), para mitigar las interferencias externas (14), a la vez que sea capaz de captar el campo magnético creado por el pulso de corriente i(t) de la descarga parcial (3). Se utilizan cintas de aislamiento para aislar eléctricamente la ferrita (1) de las bobinas (5) y (8), las bobinas entre sí y éstas del apantallamiento de cobre (11). La pantalla del cable coaxial correspondiente a la bobina de medida (5) y el apantallamiento interno de cobre se conectan eléctricamente en un solo punto para que formen la masa del sensor.
En la figura 4 muestra en detalle la solución constructiva de la presente invención en esta realización preferente. Consiste en un núcleo toroidal de ferrita MnZn (1) de permeabilidad relativa inicial de 6 000, diámetro interior 54,3 mm y diámetro exterior 87,0 mm y de espesor 13,5 mm. El núcleo está partido en dos mitades iguales con dos entrehierros de 125 pm cada uno, según muestran las marcas (15) de la figura 4. La finalidad de los entrehierros es evitar la saturación del núcleo para las corrientes de 50 Hz previstas en funcionamiento por los cables o masas puestas a tierra donde se conecta el sensor. El núcleo de ferrita se cubre con una lámina aislante adhesiva, flexible y transparente de película de poliamida, o alternativamente se puede recubrir con barniz aislante de baja permitividad relativa (<2,5), sobre el cual se bobinan cinco espiras planas (16) de 125 pm de espesor y 5 mm de ancho y una espira adicional de retorno (17) fijada sobre la superficie cilindrica exterior de la ferrita de las mismas dimensiones de ancho y espesor que las espiras arrolladas en el toroide del núcleo.
La figura 5 muestra en detalle cómo el extremo final de la espira de retorno (17) se conforma con una geometría en forma de “U”, (18), con dimensiones apropiadas para lograr una impedancia de adaptación de 50 W, a fin de apantanar y adaptar el extremo inicial (19) de la bobina de medida con la impedancia característica del cable de medida.
En la figura 6, se muestra en detalle un cable coaxial de medida, de impedancia característica 50 W, soldado con estaño a la bobina de medida. Específicamente, la pantalla (20) del cable coaxial se suelda al extremo (21) de la espira de retorno (17) y el conductor activo del cable coaxial (22), se suelda al extremo inicial (19) de la bobina de medida, que queda apantallada en la geometría en U (18) del extremo final de la espira de retorno (17).
Como se muestra en la figura 7, la conexión por soldadura del cable coaxial y la bobina de medida está cubierta por una lámina aislante adhesiva, flexible y transparente (23) de película de poliamida, para separarlos eléctricamente del apantallamiento de cobre que se instalan encima. Antes de disponer el apantallamiento de cobre, se dispone la segundo bobina de dos espiras (8) sobre la capa aislante (23) que cubre el núcleo toroidal de ferrita (1) y las soldaduras del cable coaxial de medida (13). La bobina de autochequeo también se aísla con una lámina aislante adhesiva, flexible y transparente. En lugar de disponer de láminas aislantes adhesiva, flexible y transparente puede disponerse barniz aislante de características técnica aislantes equivalentes. Esta bobina auxiliar (8) permite realizar el autochequeo de ganancia del sensor. La bobina de autochequeo no debe solaparse con ninguna espira de la bobina de medida, por lo que al arrollar la bobina de medida se debe dejar libre, sin cubrir el toroide de ferrita, un sector angular de, preferentemente, unos 3 cm de arco externo.
La bobina auxiliar tiene conectada en serie una resistencia de amortiguamiento, en esta realización preferente de 300 W, a fin de no afectar apreciablemente (<5%) la ganancia de la bobina de medida. Las conexiones por soldadura de la resistencia con la bobina de autochequeo y con el cable activo del coaxial, así como la de la pantalla de éste con el otro extremo de la bobina se encuentran aisladas por una película de poliamida.
El conjunto de núcleo de ferrita (1) y las dos bobinas (la de medida (5) y la auxiliar (8) para autochequeo), están apantallados (11) mediante un encintado de cobre de, al menos, 35 pm de espesor, en forma de U para cubrir la superficie cilindrica exterior del toroide y las dos coronas circulares, que constituyen las bases inferior y superior del toroide. El apantallamiento deja sin cubrir la parte cilindrica interior del toroide, tal y como se mostraba en la figura 3, para que el pulso de corriente de la descarga parcial (3) que circula por el conductor de puesta a tierra pueda acoplarse al toroide de ferrita, a la vez que las interferencias (14) externas se mitiguen con el apantallamiento. La pantalla del cable de medida está conectada internamente al apantallamiento de cobre.
El conjunto de ferrita, las dos bobinas apantalladas (la de medida y la de chequeo), las conexiones de los dos cables coaxiales soldados a ambas bobinas, la resistencia serie y el apantallamiento de cobre quedan embebidos en resina, típicamente de color negro, para lograr un recubrimiento de, al menos, 3 mm de espesor con una forma externa como la mostrada en la figura 1. En el molde de resina construido al efecto se conforma una marca en forma de flecha (24) en un lateral del sensor, con el fin de que desde el exterior de bloque de resina resultante se pueda identificar su correcta posición, flecha apuntando hacia tierra cuando se instale. De esta forma es posible identificar la polaridad del pulso de medida.
En una de las realizaciones preferentes, como la mostrada en la figura 8, el dispositivo sensor tiene unas medidas exteriores de 110 mm de ancho y 125 mm de alto, con un grosor de 25 mm. Puede suministrarse con un cable coaxial de longitud máxima de 15 m, aunque se aconseja que la longitud sea lo menor posible para no perder ganancia.
La presente invención no debe verse limitada a la forma de realización aquí descrita. Otras configuraciones de sensor de tipo cerrado como el descrito o bien de tipo abierto en dos mitades acoplables, en los que en cada mitad incluye medio toroide de ferrita y una de las bobinas, pueden ser realizadas por los expertos en la materia a la vista de la presente descripción. En consecuencia, el ámbito de la invención queda definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo sensor de descargas parciales de tipo transformador de corriente de alta frecuencia, HFCT, para equipos e instalaciones de alta tensión, que comprende: - un núcleo toroidal de ferrita (1);
- una primera bobina de medida (5) arrollada al núcleo de ferrita (1 ); y
- un primer cable coaxial (13) soldado a la primera bobina de medida; donde el dispositivo sensor está caracterizado por que además comprende:
- una segunda bobina auxiliar de chequeo (8) arrollada al núcleo de ferrita (1); - una resistencia eléctrica (9) en serie con la bobina auxiliar de chequeo (8);
- un segundo cable coaxial (13) soldado a la resistencia eléctrica; y
- un apantallamiento (11) en cobre dispuesto en forma de U, que apantalla el conjunto formado por el núcleo toroidal de ferrita (1 ), la primera bobina de medida (5) y la segunda bobina auxiliar de chequeo (8); y - un recubrimiento exterior de resina (12).
2. Dispositivo de acuerdo a la reivindicación 1 donde la primera bobina de medida comprende cinco espiras planas y una espira adicional de retorno.
3. Dispositivo de acuerdo a la reivindicación 2 donde la espira adicional de retorno está fijada sobre una superficie cilindrica exterior del núcleo de ferrita.
4. Dispositivo de acuerdo a la reivindicación 3 donde un extremo final de la espira adicional de retorno tiene una geometría en “U” con dimensiones correspondientes a una impedancia de onda igual a la de un cable de medida de 50 W.
5. Dispositivo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 2-4, donde las cinco espiras planas tienen unas dimensiones de 125 pm de espesor y 5 mm de ancho
6. Dispositivo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el primer cable coaxial de medida tiene una impedancia característica 50 W y está soldado a la primera bobina de medida de la siguiente manera: una pantalla del cable coaxial soldada a el extremo de la espira adicional de retorno y el conductor activo del cable coaxial a extremo inicial de la bobina de medida, conexión que queda apantallada en la geometría en U del extremo final de la espira de retorno.
7. Dispositivo de acuerdo a la reivindicación 6 que además comprende un elemento a seleccionar entre una lámina aislante, adhesiva, flexible y transparente de película de poliamida y un barniz aislante, recubriendo la primera bobina de medida, la segunda bobina de autochequeo y las soldaduras de ambos cables coaxiales.
8. Dispositivo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la segunda bobina auxiliar de chequeo comprende dos espiras.
9. Dispositivo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la resistencia eléctrica en serie con la segunda bobina auxiliar de chequeo es una resistencia de 300 W.
10. Dispositivo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el núcleo toroidal de ferrita es un núcleo toroidal de ferrita MnZn de alta permeabilidad.
11. Dispositivo de acuerdo a la reivindicación 7 donde el apantallamiento en cobre comprende un encintado de cobre con al menos 35 pm de espesor y en forma de U, que apantalla además del núcleo de ferrita y las bobinas de medida y de autochequeo, a las soldaduras de ambos cables coaxiales y la lámina o el barniz aislante, cubriendo la superficie cilindrica exterior del toroide y sus dos coronas circulares, que constituyen una base inferior y una base superior del conjunto, dejando únicamente sin apantallamiento la parte cilindrica interior del toroide.
12. Dispositivo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el núcleo toroidal de ferrita tiene un diámetro interior 54,3 mm, diámetro exterior 87,0 mm y de espesor 13,5 mm.
13. Dispositivo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el núcleo toroidal de ferrita está partido en dos mitades iguales con dos entrehierros de
125 pm cada uno.
14. Dispositivo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde el recubrimiento exterior de resina comprende una capa de resina epoxy de al menos 3 mm de espesor.
15. Dispositivo de acuerdo a la reivindicación 14 donde la capa de resina comprende una marca en forma de flecha apuntando hacia la tierra de la instalación, que guía la correcta instalación del dispositivo.
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