ES2344748T3 - Sensor de monitorizacion de aislamiento a alta tension. - Google Patents
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Abstract
Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión para monitorizar el estado del aislamiento a alta tensión de un sistema (20) eléctrico, que comprende una unidad (19a) de medición de impedancia, en el que la unidad de medición de impedancia comprende: un canal de entrada para recibir una señal de voltaje de entrada del sistema eléctrico; una primera derivación (26) que contiene un primer conjunto de componentes eléctricos que presentan una primera impedancia para una o más señales de descarga parcial contenidas dentro de la señal de voltaje de entrada y una tercera impedancia para una señal de información del ciclo de potencia contenida dentro de la señal de voltaje de entrada; y una segunda derivación (31), paralela eléctricamente a la primera derivación (26), que comprende un segundo conjunto de componentes eléctricos que presenta una segunda impedancia para una o más señales de descarga parcial y una cuarta impedancia para la señal de información del ciclo de potencia; en el que una magnitud de la primera impedancia es mayor que una magnitud de la segunda impedancia de manera tal que la una o más señales de descarga parcial se transmiten preferencialmente a través de la segunda derivación (31) y una magnitud de la cuarta impedancia es mayor que una magnitud de la tercera impedancia de manera tal que la señal de información del ciclo de potencia se transmite preferencialmente a través de la primera derivación (26); y en el que la segunda derivación (31) facilita una medida de la carga aparente de una o más señales de descarga parcial.
Description
Sensor de monitorización de aislamiento a alta
tensión.
La presente invención se refiere al campo de la
monitorización de aislamiento a alta tensión y, concretamente, a un
sensor para monitorización de condiciones de aislamiento a alta
tensión de un sistema de generación, transmisión o distribución
eléctrica y/o a un elemento de planta.
Las descargas parciales son chispas pequeñas que
constituyen una medida importante del estado de aislamiento dentro
de un sistema de generación, transmisión y distribución eléctrica o
elemento de planta. Las descargas parciales se producen cuando el
aislamiento comienza a deteriorarse y, una vez extendido, se
convierte en fuente predominante de la descomposición del
aislamiento. Las descargas parciales pueden producirse también en
sistemas de alta tensión debido a partículas flotantes, vacías en el
aislamiento, conectores flojos, rebabas y puntos cortantes. La
necesidad de monitorizar descargas parciales es crítica en los
esfuerzos para evaluar el estado de un defecto o el estado del
aislamiento y también en las pruebas para evaluar el tiempo de vida
del propio elemento de la planta. Poder monitorizar fiablemente
descargas parciales facilita la administración de suspensiones
previstas, necesarias para llevar a cabo la sustitución o
mantenimiento de partes componentes, de manera económica prestando
al mismo tiempo, no obstante, un servicio de electricidad eficiente
a usuarios finales. El documento
US-A-6 088 205 revela un interruptor
de circuito en fallo por arco para proporcionar protección contra
fallos potencialmente peligrosos.
Un segundo diagnóstico asociado con
distribuciones eléctricas y/o elementos de planta es información de
ciclo de potencia. La información de ciclo de potencia es
importante por dos razones. En primer lugar, esta información ayuda
en la interpretación y comprensión de los mecanismos y,
concretamente, de los fallos asociados con ciertas formas de
descarga parcial. Se sabe que las formas de fallos concretos se
pueden construir sobre la base del tamaño de los eventos de
descarga parcial individuales, su frecuencia de ocurrencia y también
sobre la base de localizaciones de fase precisas en las que se
producen dentro de ciclos de energía individuales. Dichos formatos
se denominan en el estado de la técnica formatos
\Phi-q-n, que se refieren a fases
en el ciclo, carga aparente asociada con el evento de descarga
parcial y la frecuencia de ocurrencia en la fase. En particular, ha
sido posible diferenciar entre corona, descargas de superficie,
descargas de vacío y descargas de punto flotante de una comprensión
de esto formatos de descarga.
La segunda razón de la importancia de la
información de ciclo de potencia se refiere al hecho de que el
conocimiento de la forma de onda del ciclo de potencia permite que
la calidad de la energía sea evaluada. Las mediciones de la calidad
de la energía para sistemas de distribución se describen en el
Estándar EN/IEC 50160 titulado "Características de la tensión de
electricidad suministrada por sistemas de distribución públicos".
Este estándar describe las normas específicas relativas a la
calidad de la potencia, y en particular, se refiere a la
monitorización de la frecuencia de la potencia eléctrica,
variaciones de la tensión de suministro, cambios rápidos de la
tensión de suministro, caídas de la tensión, sobrecorrientes,
contenido de armónicos, contenido de interarmónicos entre fases
etc. El estándar IEEE 1159 titulado "Práctica Recomendada en la
Monitorización de la Calidad de Energía Eléctrica", describe
siete categorías básicas en la monitorización de la calidad de
potencia eléctrica es decir, sobretensiones, variaciones de corta
duración, variaciones de larga duración, desequilibrio de la
tensión, distorsión de forma de onda, fluctuaciones de la tensión y
variaciones de la frecuencia de la potencia eléctrica.
Cuando se producen distorsión de armónicos y
cambios de voltaje dentro de un ciclo de potencia esto normalmente
está relacionado con saturación o sobreexcitación del sistema y es
indicativo de sobrecarga o de fallo importante dentro de la
generación de energía eléctrica Si esto no se afronta puede tener
consecuencias graves en el funcionamiento de otras piezas de la
planta así como interferencia con equipos usados por clientes
comerciales y privados. De importancia adicional es el hecho de que
la presencia de armónicos o de sobrevoltaje en el ciclo de potencia
afectará a la naturaleza de las descargas parciales generadas. Por
lo tanto, poder monitorizar simultáneamente tanto la información
del ciclo de potencia como la ocurrencia de descargas parciales es
de importancia crítica para interpretar y comprender la calidad de
la energía y la naturaleza de la actividad de descarga parcial.
\vskip1.000000\baselineskip
Un procedimiento estándar industrial para la
medición de descargas parciales está contenido en el Estándar
EN/IEC 60270 titulado "Técnicas de Prueba de Alta tensión
-Mediciones de Descarga Parcial" (2000). Este estándar prescribe
el diseño y calibración de circuitos eléctricos empleados para medir
descargas parciales.
La figura 1 muestra un circuito 1 básico
conforme con el estándar EN/IEC 60270 para medición de descargas
parciales. En esta figura C_{a} representa la capacitancia de la
muestra en prueba 2 de descarga parcial, C_{k} un condensador 3
de acoplamiento, y Zm una impedancia 4 que permite la conformación
de pulsos de corriente de la descarga parcial para su medición.
Z_{m} 4 puede adoptar muchas formas desde un simple resistor R,
hasta filtros que implican combinaciones de RC y RLC. Existen
también muchos diseños conocidos para los expertos en la técnica de
circuitos de detección conformes con EN/IEC 60270 basados en diseños
de filtro de banda estrecha y banda ancha de varios órdenes. Los
circuitos de filtro de banda estrecha responden generalmente a
descargas parciales de impulso rápido produciendo como respuesta
una salida de forma de onda amortiguada lenta mientras que los
sistemas de banda ancha producen respuestas de forma de onda de
salida más rápidas.
Genéricamente, los sensores conformes con EN/IEC
60270 se calibran inyectando un voltaje de entrada gradual de
tiempo de elevación de prueba a través de un condensador de
calibración que da lugar a una inyección de carga conocida, Qcal, a
través del condensador en el circuito de medición. Esto produce una
forma de onda amortiguada u oscilatoria en la salida del sensor,
representando el valor en pico, Vcal, una medida de la inyección de
carga. Seguidamente, el sensor se calibra en cuanto a su
sensibilidad, derivada de Qcal/Vcal que normalmente se expresa en
pico Culombios por milivoltio, es decir, pC/mV. Normalmente, estas
señales se amplifican y se transmiten a través de una conexión
galvánica, tal como un cable coaxial, a un osciloscopio digital o
analógico para medición. Una vez hechas las mediciones de descargas
parciales sobre una muestra en prueba, se mide el valor en pico
detectado de la señal de respuesta y este se multiplica por la
sensibilidad para producir la carga aparente en pC.
Aunque los sensores conformes con el estándar
EN/IEC 60270 permiten la detección de señales de descarga parcial
no facilitan la extracción de la información del ciclo de
potencia.
Existen varios documentos de la técnica anterior
que explican un aparato alternativo para medición de descargas
parciales desde elementos de una central eléctrica que usa, por
ejemplo, conexiones de derivación con bornas de alta tensión. Por
ejemplo. La patente de EE. UU. Nº. US 3,622,872 enseña un
procedimiento y un aparato para la localización de descargas en
corona en un aparato de inducción eléctrica lleno de fluido, de alta
tensión. Dentro del sistema descrito cualquier información del
ciclo de potencia se elimina a través del filtrado y, por lo tanto,
no está disponible para su uso. Por lo tanto, el aparato descrito no
facilita la monitorización de descargas parciales simultáneas ni
información del ciclo de potencia de un solo punto de conexión de
derivación.
La patente de EE. UU, nº. US 4,757,263 enseña a
adaptador de derivación de capacitancia que se puede conectar a
cualquier pieza de equipo de alta tensión que tenga una derivación
de bornas o condensador, por ejemplo, un transformador, y se
emplea para evaluar el factor de potencia de aislamiento o
capacitancia intrínseca del equipo. Cualquier cambio en la
capacitancia del aislamiento interno se detecta a través de un
cambio en el factor de potencia. La medición se toma cuando el
equipo está en línea y conectado a su alta tensión operacional. La
corriente (medida como voltaje) y el voltaje del adaptador de
derivación de capacitancia tomados de un transformador de voltaje
aparte conectado al equipo proveedor de voltaje se comparan para
calcular el factor de potencia. Los cambios en fase o amplitud de
la señal del adaptador de derivación de capacitancia son indicativos
de defectos del aislamiento del equipo/capacitancia. El promedio,
de las tendencias a corto o largo plazo del factor de potencia
pueden ser monitorizadas y pueden establecerse alarmas de manera
adecuada.
El adaptador de toma de condensador descrito
reduce intrínsecamente hasta un nivel significativo debido al
diseño de diviso capacitivo del adaptador de derivación. Además, las
señales son filtradas adicionalmente por paso bajo para eliminar
específicamente señales de alta frecuencia. Como consecuencia, el
adaptador de derivación descrito no permite la medición de
descargas parciales ni, ciertamente, las mediciones simultáneas de
una sola conexión de derivación de estas descargas con la señal de
información del ciclo de potencia.
Otro inconveniente del sistema descrito se
refiere al hecho de que si ambos condensadores del adaptador de
derivación de capacitancia fueran a fallar, en ese caso, no habría
ningún otro mecanismo de seguridad para prevenir daños al aparato
de alta tensión o a los instrumentos conectados al cable de
medición.
Un procedimiento alternativo para monitorización
de la información del ciclo de potencia se describe en le patente
de EE. UU. nº. 6,028,430. Esta patente enseña un procedimiento para
evaluar la capacitancia del aislamiento de un transformador
mediante la monitorización de la tensión de derivación del
aislamiento para pequeños y grandes problemas, por ejemplo,
cortocircuitos etc. EL procedimiento comprende la medición directa
del ciclo de potencia reducido de tres tomas de bornas de un
transformador y monitorizar cualquier cambio, almacenamiento de
estos cambios y sus respectivas horas de ocurrencia, determinación
de la diferencia en tiempo entre al menos dos cambios y generación
de señales de error (a través de medios lógicos poco definidos)
correspondientes a la frecuencia o características de los cambios.
Los cambios en el voltaje reducido son una medida de descarga
destructiva parcial (no descargas parciales sino cortocircuitos en
las láminas de un condensador) dentro del aislamiento de entrada
que se puede monitorizar. Las señales irregulares o atípicas se
pueden detectar. También se monitorizan las señales entre fases en
cuanto a variaciones.
Así pues, la patente de EE. UU. nº. US 6,028,430
no facilita mediciones de descargas parciales; el procedimiento
descrito solamente busca cambios en los niveles de voltaje del ciclo
de potencia. Por lo tanto, con este sistema no se pueden hacer
simultáneamente descargas parciales y cambios en el voltaje del
ciclo de potencia. Dos mediciones tomadas simultáneamente meramente
aportan más información sobre la naturaleza del fallo en el
condensador del aislamiento de entrada.
Los divisores conocidos para los expertos son
para dividir una señal eléctrica en componentes de CA y alta
frecuencia. Uno de dichos divisores 5 convencionales se muestra en
la figura 2. La salida de voltaje de CA en la toma 6 con
aislamiento de entrada, y las señales de descarga parcial, se
reducen en voltaje hasta un nivel menos, por ejemplo, CA a 5 V, por
medio de un condensador 7 de derivación antes de ser dividido en un
divisor 8 en un componente 9 de información de ciclo de potencia de
CA y un componente 10 de alta frecuencia que corresponde a la
ocurrencia de descargas parciales. El componente 10 de alta
frecuencia está típicamente en \muVs y, por consiguiente, es
necesario que se amplifique. Tanto la información 9 del ciclo de
potencia de CA como las señales 10 de descarga parcial pueden
sincronizarse para lograr el momento de la descarga con respecto al
ciclo de potencia.
El divisor 5 convencional presenta los
siguientes problemas. En primer lugar, las señales 10 de descarga
parcial se atenúan significativamente debido a la presencia del
condensador 7 de derivación antes de cualquier medición de
impedancia de acondicionamiento. Como consecuencia, esta señal
requiere amplificación. Sin embargo, el acondicionamiento de señal
de estas señales es frecuentemente difícil debido a su pequeña
magnitud. Además, si se está interesado en altas frecuencias el
diseño de cualquier amplificador debe ser capaz de amplificar hasta
mucho más de cientos de MHz y más. Como consecuencia, la
sensibilidad del divisos 5 convencional se reduce, porque las altas
frecuencias de descarga parcial originales son atenuadas por el
condensador 7 de derivación.
Un divisor alternativo se describe en la patente
de EE. UU. nº. US 5,247,258 que enseña un sistema para medición de
descargas parciales y, concretamente, un sistema de detección de
descargas parciales que incorpora también un monitor de ciclo de
potencia. Un inconveniente del sistema descrito es que requiere el
empleo de dos puntos de conexión separados para facilitar
información del ciclo de potencia y la señal de descarga parcial.
Además, el aparato descrito comprende un divisor capacitivo que
limita la sensibilidad de la detección de descarga parcial a través
del elemento de impedancia ya que la reactancia colectiva del
divisor capacitivo provee una ruta de impedancia escasa para las
señales de descargas parciales de alta frecuencia.
La patente de EE. UU. nº. US 6,313,640 enseña
otra alternativa al divisor 5 convencional. Aquí, la información
del ciclo de potencia se monitoriza mediante la unión de un
condensador de derivación, como el antes descrito. Sin embargo, la
señal de descarga parcial se monitoriza usando un transformador de
corriente entorno al conector entre la borna con aislamiento y el
condensador de derivación. El transformador de corriente tiene
típicamente una respuesta de hasta 25 MHz. La señal de descarga
parcial se pasa a través de un filtro de paso bajo adecuado para
eliminar ruidos y, seguidamente, se amplifica. Se usa un circuito de
sintonización para compensar la medición del ciclo de potencia en
cuanto a los efectos de cualquier capacitancia e inductancia del
aislamiento y del transformador.
En la práctica, se observa que el transformador
de corriente produce solamente una señal transformada
inductivamente que está reducida en frecuencia. Esto no permite que
la carga integrada de la descarga parcial sea evaluada de manera
efectiva porque la respuesta del transformador de corriente está
limitada en frecuencia. También son necesarias dos conexiones se
paradas, es decir, una conexión al punto de toma para el ciclo de CA
y, en segundo lugar, una conexión del transformador de corriente al
monitor de descarga parcial. Además, la detección del transformador
de corriente no permite una evaluación de la carga aparente asociada
con cualquier descarga porque la relación entre las señales del
transformador de corriente con la carga real implicada en la
medición de descarga parcial no está bien establecida.
Existe una gran cantidad de documentos de la
técnica anterior que emplean tomas de condensador para extraer
tanto información del ciclo de potencia de CA como señales de alta
frecuencia asociadas con eventos de descarga parcial, véase en la
figura 3 un ejemplo de circuito 11 de toma de un condensador, como
se describe en detalle en las patentes de EE. UU. números US
6,433,557, US 6,489,782 y US 6,504,382. En este circuito 11 de toma
de condensador se emplea un condensador C3 12 de derivación en
paralelo con la protección de un protector 13 de sobrecorriente
para detectar la información del ciclo de potencia de CA. Un
transformador 14 de corriente con aislamiento está conectado entre
la toma de salida o sensor del equipo en prueba y el condensador 12
de derivación.
En dichos circuitos un terminal del
transformador 14 de corriente está conectado a la parte superior del
condensador 12 de derivación y el otro terminal al cable 15 de
conexión que transmite la señal al instrumento de medición. Esta
disposición permite que la información del ciclo de potencia de CA y
las señales de descarga parcial sean transmitidas conjuntamente
mediante el cable 15 para posterior medición. En el terminal de
medición se usa un inductor 16 para separar señal de CA siempre y
cuando la magnitud de su impedancia sea mucho menor que la del
condensador C4. Un segundo transformador 17 de corriente con
aislamiento se usa para extraer las señales de descarga parcial de
alta frecuencia para medición aparte.
Una desventaja significativa de los circuitos
que emplean transformadores de corriente es que un transformador de
corriente no aporta una medida de la carga aparente implicada en el
evento de corriente de descarga del propio punto de medición. Los
transformadores de corriente son también útiles solamente en la
respuesta a señales de alta frecuencia dentro de un ancho de banda
limitado, que frecuentemente es menor que 25 MHz. Dado que las
señales de descarga parcial comprenden frecuencias
significativamente más altas, los transformadores de corriente
facilitarán normalmente solamente información en un rango de
frecuencias limitado, permitiendo así solamente una interpretación
limitada de los eventos de descarga.
Una segunda desventaja de estos circuitos se
refiere a la superposición tanto de información del ciclo de
potencia de CA como de las señales de descarga parcial. Esta
superposición puede producir problemas por el alto nivel de la
señal en el receptor porque la suma de las dos señales puede
sobrecargar el receptor.
Otro problema asociado con estos circuitos se
refiere a la seguridad y aislamiento eléctrico de un usuario. SI se
desarrolla un fallo importante en el circuito 11 y fallan el
protector 13 de sobrevoltaje y el condensador 12 de derivación, en
ese caso, se puede transmitir alta tensión a los instrumentos
remotos con evidentes implicaciones en la seguridad del
usuario.
Los conmutadores de contacto de aislamiento son
aparatos alternativos conocidos para los expertos en la técnica
para conmutar equipos en medición conectados a un conector a un
conector de derivación de planta de alta tensión. Un ejemplo de
conmutador de contacto de aislamiento se describe en la patente de
EE. UU: nº. US 6,580,276 en la que el conmutador de contacto se
conecta a cada aislamiento de un transformador de potencia. Esta
configuración permite llevar a cabo diagnósticos del transformador
cuando el transformador es operacional y está en línea.
Básicamente, el conmutador de contacto de aislamiento consta de dos
conmutadores independientes abriéndose y/ o cerrándose cada
conmutador adecuadamente para activar o desactivar la conexión del
equipo de medición. Los diagnósticos se pueden realizar cuando el
sistema de medición está desconectado lo que permite la evaluación
del transformador cuando sea necesario. Esto permite mediciones de
descargas parciales y mediciones de respuesta de frecuencias a
realizaren una evaluación temprana del estado de funcionamiento del
transformador. Esta solución permite ahorrar coste y tiempo en
comparación con la alternativa de paro y desconexión a la toma con
aislamiento.
Un inconveniente significativo del conmutador de
contacto de aislamiento antes descrito es el hecho de que la
conexión a tierra del equipo en pruebas (por ejemplo, un
transformador) y la del equipo de medición están conectadas
directamente entre sí. Por lo tanto no existe aislamiento entre el
equipo de medición y la toma del transformador salvo que el sistema
se desconecte totalmente. Además, el conmutador de contacto de
aislamiento requiere el empleo de dos conmutadores independientes,
el primer conmutador conecta la toma con aislamiento a tierra
mientras que el segundo conmutador permite la desactivación de un
circuito abierto y el aislamiento del sistema de medición. Por lo
tanto, esta solución exige que ambos conmutadores operen
satisfactoriamente para activar y desactivar la conexión del
sistema de monitorización. Si un conmutador falla, en ese caso, el
conmutador de contacto se hace inoperable y puede dar lugar a que la
conexión del equipo de diagnóstico esté permanentemente en
línea.
Se puede contrastar que en los términos salud y
seguridad relativos a la capacidad para obtener aislamiento
eléctrico entre cualquier aparato de monitorización (inclusive de
cualquier fuente de energía eléctrica) y la fuente de alta tensión
a probar es de importancia capital. Con frecuencia, los sensores y
los instrumentos de monitorización del estado requieren energía
eléctrica que se suministra por medio de un cable eléctrico bien
desde una fuente de alimentación aislada o a través de baterías. EL
problema de esta disposición es que sobrecargas de energía o fallos
en una pieza de la planta de alta tensión pueden producir problemas
graves. En el primer cas, pueden ocurrir problemas en la conexión a
tierra, donde en la línea de tierra se eleva significativamente el
voltaje haciendo que los instrumentos unidos a cualquier sensor sean
dañados irreparablemente o un usuario electrocutado por contacto
con la línea de tierra.
En segundo lugar, el fallo de la línea de
suministro de voltaje hace que éste se eleve otra vez hasta un alta
tensión dando lugar a daño a la fuente de alimentación que
suministra la energía eléctrica o a un usuario que no sea
consciente de la existencia de alta tensión en cualquiera de los
cables conectados al sensor.
Otro problema en el empleo de baterías es que
las mismas aún requieren una conexión de cable y que deben ser
recargadas o sustituidas. De nuevo, si se produce un fallo en la
planta de alta tensión este presenta una inquietud por la seguridad
del operador que cambia o carga las baterías.
Un objetivo de un aspecto de a presente
invención es proveer un sensor de monitorización del aislamiento a
alta tensión que sea capaz de la medición simultáneamente de señales
de descarga parcial e información del ciclo de potencia por medio
de un solo punto de conexión con la fuente de alta tensión.
Otro objetivo de un aspecto de la presente
invención es proveer un aparato de monitorización de aislamiento
que sea capaz de evaluar, valorar y clasificar señales de descarga
parcial de una fuente de alta tensión.
Otro objetivo más de un aspecto de la presente
invención es proveer un aparato de monitorización de aislamiento a
alta tensión que posibilite aislamiento eléctrico a un usuario,
alimentación remota y desactivación remota del propio aparato de
monitorización cuando el aparato esté conectado a una fuente de alta
tensión.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente
invención se provee una unidad de medición de impedancia para uso
dentro de un sensor de monitorización de aislamiento a alta tensión,
comprendiendo la unidad de medición de impedancia:
- un canal de entrada para recibir una señal de voltaje de entrada;
- una primera derivación que contiene un primer conjunto de componentes eléctricos que presentan una primera impedancia para una o más señales de descarga parcial contenidas dentro de la señal de voltaje de entrada y una tercera impedancia para una señal de información del ciclo de potencia contenida dentro de la señal de voltaje de entrada; y
- una segunda derivación, paralela eléctricamente a la primera derivación, que comprende un segundo conjunto de componentes eléctricos que presenta una segunda impedancia para la una o más señales de descarga parcial contenidas dentro de la señal de voltaje de entrada y una cuarta impedancia para una señal de información del ciclo de potencia;
- en la que una magnitud de la primera impedancia es mayor que una magnitud de la segunda impedancia de manera tal que una o más señales de descarga parcial son, preferiblemente, transmitidas a través de la segunda derivación y una magnitud de la cuarta impedancia es mayor que una magnitud de la tercera impedancia de manera tal que la señal de información del ciclo de potencia es transmitida, preferiblemente, a través de la primara derivación; y en la que la segunda derivación presenta una medida de la carga aparente de una o más señales de descarga parcial.
\vskip1.000000\baselineskip
Más preferiblemente, el segundo conjunto de
componentes eléctricos comprende un filtro de paso de banda múltiple
cuya salida es sensible a cambios de entrada de una o más señales
de descarga parcial.
Opcionalmente, la segunda derivación comprende
además un amplificador de segunda derivación dispuesto para
amplificar la una o más señales de descarga parcial.
Preferiblemente, la primera derivación comprende
además un filtro de paso de banda de baja frecuencia dispuesto para
filtrar ruido de la de información del ciclo de potencia.
Opcionalmente, la primera derivación comprende
además un primer amplificador de primera derivación dispuesto para
amplificar la señal de información del ciclo de potencia.
Preferiblemente, el primer conjunto de
componentes eléctricos comprende un primer inductor y una primera
capacitancia dispuestos en serie dentro de la primera derivación.
Alternativamente, el primer conjunto de componentes eléctricos
comprende un primer inductor y un primer resistor dispuestos en
serie dentro de la primera derivación.
Más preferiblemente, la unidad de medición de
impedancia comprende además uno o más protectores de sobrevoltaje
incorporado en paralelo con la primera y segunda derivaciones para
dar protección contra el aumento de sobrevoltaje transitorio a los
componentes dentro de la primera y segunda derivaciones.
Más preferiblemente, la unidad de medición de
impedancia comprende además un conmutador, situado en paralelo
eléctrico con la primera derivación, en la que cuando el conmutador
está activado se desplaza desde una posición abierta a una posición
cerrada de manera tal que el canal de entrada está conectado
eléctricamente a la primera y segunda derivaciones.
Preferiblemente, el conmutador comprende un
conmutador relé seleccionado de un grupo que comprende un conmutador
electromecánico, optomecánico, MEMS y de estado sólido.
Preferiblemente, la unidad de medición de
impedancia comprende además una tercera derivación, paralela
eléctricamente a la primera derivación, que comprende un tercer
conjunto de componentes eléctricos que presenta la primera
impedancia para una o más señales de descarga parcial contenidas
dentro de la señal de voltaje de entrada.
Más preferiblemente, el tercer conjunto de
componentes eléctricos presenta la tercera impedancia para una
señal de información del ciclo de potencia contenida dentro la señal
de voltaje de entrada.
Opcionalmente, el tercer conjunto de componentes
eléctricos comprende un segundo inductor y una segunda capacitancia
dispuestos en serie dentro de la tercera derivación.
Alternativamente, el tercer conjunto de componentes eléctricos
comprende un segundo inductor y un segundo resistor dispuestos en
serie dentro de la tercera derivación.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente
invención se provee un circuito optoelelectrónico para controlar
una unidad de medición de impedancia de acuerdo con el primer
aspecto, comprendiendo el circuito optoelectrónico una fuente de
luz óptica empleada para comunicar ópticamente con un convertidor de
energía eléctrica optoeléctrico, uno o más convertidores
electroópticos dispuestos para obtener energía eléctrica del
convertidor de energía eléctrica optoeléctrico, en el que el uno o
más convertidores electroópticos convierten una salida eléctrica de
la unidad de medición de impedancia en una señal óptica para
transmisión a una ubicación remota de la unidad generadora de
impedancia.
Preferiblemente, el circuito optoelectrónico
comprende además una primera fibra óptica en el que la primera
fibra óptica conecta la fuente de luz óptica al convertidor de
energía eléctrica optoeléctrico.
Preferiblemente, el circuito optoelectrónico
comprende una o más fibras ópticas en el que la una o más fibras
ópticas conectan el uno o más convertidores electroópticos a la
ubicación remota.
Más preferiblemente, el convertidor de energía
eléctrica optoeléctrico provee un medio para impulsar uno o más
componentes de la unidad de medición de impedancia.
De acuerdo con un tercer aspecto de la presente
invención se provee un sensor de monitorización de aislamiento a
alta tensión que comprende una unidad de medición de impedancia de
acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, un circuito
optoelectrónico de acuerdo con el segundo aspecto de la presente
invención, y un sistema de evaluación de datos conectado
remotamente a la unidad de medición de impedancia por medio del
circuito optoelectrónico
Más preferiblemente, el sensor comprende además
un conector que presenta un medio para conectar eléctricamente el
canal de entrada de la unidad de medición de impedancia a una
distribución eléctrica y/o a un elemento de la planta.
Preferiblemente, el convertidor de energía
eléctrica optoeléctrico presenta un medio para activar remotamente
un solo conmutador relé, o dos o más conmutadores relés en
paralelo.
Preferiblemente, el convertidor de energía
eléctrica optoeléctrico presenta un medio para activar el primero
y/o segundo amplificadores de derivación.
Ahora se van a describir varias realizaciones de
la presente invención a modo de ejemplo solamente con referencia a
las figuras adjuntas, en las que:
La figura 1 presenta un circuito eléctrico de un
circuito básico conforme con el estándar EN/IEC 60270 empleado para
medición de descarga parcial;
La figura 2 presenta un circuito eléctrico de
una información de ciclo de potencia de CA y un divisor de una
señal de descarga parcial;
La figura 3 presenta un circuito eléctrico de un
enchufe de condensador de la técnica anterior empleada para
detectar información del ciclo de potencia de CA y señal de descarga
parcial;
La figura 4 presenta un sensor de monitorización
de aislamiento a alta tensión de acuerdo con un aspecto de la
presente invención;
La figura 5 presenta respuestas típicas de forma
de onda de salida, de izquierda a derecha, para tiempos de
elevación de entrada de 1 ns, 100 ns, 200 ns, 500 ns y 1000 ns y
donde los tiempos de caída son:
- (a)
- significativamente mayores que los respectivos tiempos crecientes; e
- (b)
- iguales a los respectivos tiempos crecientes
La figura 6 presenta una realización alternativa
del sensor de monitorización de aislamiento a alta tensión;
La figura 7 presenta una realización alternativa
de una unidad de medición de impedancia del sensor de monitorización
de aislamiento a alta tensión de la figura 6; y
La figura 8 presenta el sensor de monitorización
de aislamiento a alta tensión de la figura 6 unido, por ejemplo, a
toma de corriente de manguito aislado de un transformador.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 4 presenta un sensor 18 de aislamiento
a alta tensión de acuerdo con un aspecto de la presente invención.
El sensor 18 de monitorización de aislamiento a alta tensión se
puede ver que comprende una unidad 19a de medición de impedancia
que presenta un medio para monitorizar y tratar una señal de alta
tensión de un sistema de generación eléctrica, transmisión o
distribución o un elemento de la planta 20. En esta figura, Ca 21
representa la capacitancia de la distribución eléctrica o del
elemento de planta para ser probado. También está representado con
condensador (Ck) 22 de acoplamiento que se corresponde con bien la
capacitancia intrínseca del elemento que se monitoriza (por
ejemplo, un aislamiento de transformado) o un condensador de alta
tensión unido conectado al elemento de planta.
La unidad 19a de medición de impedancia está
conectada a un sistema 23 de medición de datos por medio de un
circuito 24 optoelectrónico que se suministre energía eléctrica a
los diferentes componentes del sensor 18 de monitorización de
aislamiento a alta tensión y al relé de señales de carga parcial
(Vpd) y de información del ciclo de potencia (Vac) y al sistema 23
de medición de datos, como se describe más detallada mente más
adelante. Una vez recibida por el sistema 23 de medición de datos,
la señal conforme con el estándar FFT (Transformada Rápida de
Fourier) se emplean técnicas de tratamiento para permitir que el
contenido calidad/armónicos de energía eléctrica de las señales a
determinar y la información del ciclo de potencia a monitorizar y
evaluar. Los expertos en la técnica apreciarán que las técnicas de
tratamiento de señales alternativas pueden emplearse igualmente
para analizar las señales de descarga parcial y la información del
ciclo de potencia dentro del sistema 23 de medición de datos.
Un componente que está activado por el circuito
optoelectrónico es un conmutador 25 repetidos remoto situado dentro
de la unidad 19a de medición de impedancia. El conmutador 25 relé
remoto puede ser de una variedad de formas, por ejemplo,
electromecánica, optomecánica, MEMS, estado sólido etc. La operación
del conmutador 25 relé remoto también se describa con mayor detalle
más adelante.
La unidad 19a de medición de impedancia está
diseñada para comprender varios componentes eléctricos dispuestos
en derivaciones separadas. Dentro de la primera derivación 26 de la
realización descrita ahora está situada una inductancia Lm1 27 que
está ubicada en serie con una capacitancia Cm1 28. La primera
derivación 26 comprende además un filtro 29 de frecuencia de paso
bajo y un amplificador 30 de primera derivación. Una segunda
derivación 31 comprende un filtro 32 pasivo de orden enésimo (por
ejemplo, un filtro de Butterworth o Gausiano) y un segundo
amplificador 33 de segunda derivación. Un estallador 34 está
incorporado en paralelo con los componentes de las primera y
segunda derivaciones 26, 31 para dar protección a esos componentes
contra grandes sobrecorrientes transitorias.
Los componentes 27 y 28 de LC se eligen de
manera tal que cuando una señal de entrada contiene un componente
de alta frecuencia, es decir, una señal de descarga parcial (que
tiene una frecuencia > 1 MHz), en ese caso, la combinación de
series presenta una ruta de alta impedancia (\sim decenas de
KOhms) a estas señales y, por lo tanto, estas son transmitidas
preferencialmente hacia dentro de la segunda derivación 31 de
impedancia menor (\sim100 Ohms). Para señales de baja frecuencia,
es decir, frecuencias del ciclo de potencia de 50 Hz o 60 Hz, la
combinación 27 y 28 de series de LC presenta una ruta de baja
impedancia (\sim100 Ohms) comparada con la segunda derivación
(\sim 10 s de KOhms) y así las señales son transmitidas
preferencialmente a través de la primera derivación 26. El inductor
Lm1 27 de la realización ahora descrita tiene un valor de 1
miliHenry mientras que el condensador Cm1 28 tiene un valor de 20
\muF. De esta manera, la señal de descarga parcial y la
información del ciclo de potencia (y sus armónicos asociados) están
separadas en la segunda y primera derivaciones 32, 26,
respectivamente, permitiendo así su medición simultánea
independiente de un solo punto de conexión a través de Ca 21, como
se describe más detalladamente más adelante. La respuesta de salida
de bien la primera 26 o la segunda 31 derivaciones puede
transmitirse más amplificada antes de la transmisión de mediciones
por el primer amplificador 30 de primera derivación o por el segundo
amplificador 33 de segunda derivación, respectivamente.
Se suministra energía eléctrica a los diferentes
componentes del sensor 18 de monitorización de aislamiento a alta
tensión por medio del circuito 24 optoelectrónico. Este circuito
comprende un láser 36 de fibra óptica, capaz de suministrar 5
vatios de potencia, que está conectado a un convertidor 36
optoeléctrico de energía eléctrica. Entre la salida del
amplificador 30 de primera derivación y el sistema 23 de evaluación
de datos están situados un primer convertidor 37a electroóptico,
una primera fibra 38a óptica y un primer convertidor 39a
optoeléctrico. Análogamente, un segundo convertidor 37b
electroóptico, una segunda fibra 38b óptica y un segundo
convertidor 39b optoeléctrico están también situados entre la salida
del amplificador 33 de segunda derivación y el sistema 23 de
evaluación de datos.
El convertidor 36 de energía de potencia
optoeléctrico suministra potencia eléctrica (\sim750 mW) a los
convertidores 37a y 37b electroópticos para posibilitar la
transmisión de la información del ciclo de potencia y las señales
de descarga parcial a través de loa fibras 38a y 38b ópticas,
respectivamente, a sus convertidores 39a y 39b optoeléctricos
asociados al sistema 23 de medición de datos.
De la figura 4 se puede apreciar que el
convertidor 36 de potencia optoeléctrico también suministra la
energía eléctrica necesaria (\sim150 mW) para operar el
conmutador 25 relé remoto. En la práctica, el conmutador 25 relé
remoto opera como sigue. Al encender, la energía eléctrica aplicada
al conmutador 25 relé remoto conecta automáticamente el dispositivo
en un estado del sensor habilitado. Al apagar, el voltaje de control
desconecta automáticamente el conmutador 25 relé remoto en un
estado del sensor deshabilitado o en cortocircuito. Por lo tanto, la
función del conmutador 25 relé remoto es enganchar la unidad 19a de
medición de impedancia para permitir que se hagan las mediciones, o
para desconectarla produciendo un cortocircuito a través de la
entrada de la unidad 19a de medición de impedancia. Este último
estado permite efectivamente que el elemento en prueba funcione sin
sensor alguno "in situ" y, por lo tanto, en su estado
operacional normal.
Una función secundaria del conmutador 25 relé
remoto es que cuando presenta una ruta de impedancia cero en el
estado deshabilitado presta un nivel de seguridad complementario a
los componentes del sensor 18 contra corrientes transitorias muy
grandes que pueden surgir durante la operación normal del elemento
en prueba cuando no se está haciendo medición alguna actualmente.
De manera efectiva, el sensor 18 está habilitado solamente cuando
es necesario hacer mediciones, de otro modo el sensor se deshabilita
o se desconecta del circuito.
El empleo del circuito 24 optoelectrónico aporta
varias ventajas significativas sobre los circuitos basados
solamente en componentes eléctricos. En primer lugar, se logra el
aislamiento eléctrico total de la unidad 19a de medición de
impedancia cuando está unida a la pieza del elemento de alta tensión
que está en estado monitorizado. Además, el empleo del circuito 24
optoelectrónico aporta capacidad para suministrar energía eléctrica
a los componentes del sensor 18 de monitorización de aislamiento a
alta tensión que usan medios aislados eléctricamente. Es decir, el
láser 35 de fibra óptica. Además, la combinación del láser 35 de
fibra óptica y del conmutador 25 relé permite que las señales sean
transmitidas al sensor 18 solamente cuando es necesario hacer
mediciones. El empleo de fibras ópticas 38a y 38b permite que la
información del ciclo de potencia y las señales de descarga parcial
sean transmitidas de manera segura al sistema 23 de medición de
datos que puede estar situado entonces en una ubicación remota.
Finalmente, empleando las fibras ópticas 38a y 38b para transmitir
las señales de medición, solamente es necesario un elemento de
conmutación. EL conmutador 25 permanece en la posición cerrada
hasta que sea activado ópticamente cuando pase automáticamente a la
posición abierta, habilitando así el sensor 18.
Un problema conocido en la medición de descarga
parcial es que es sumamente costoso muestrear digitalmente pulsos
de prueba. A este fin, la segunda derivación 31 de la unidad 19a de
medición de impedancia emite una salida de respuesta produce una
salida en respuesta de una impedancia de manera que las señales de
alta frecuencia puedan convertirse en una salida sinusoidal de
respuesta más lenta, posibilitándose así la medición y análisis
económicamente, ralentizar el equipo de muestreo digital, es decir,
los componentes situados dentro del sistema 23 de evaluación de
datos.
Son los efectos combinados del filtro 32 de
paso de banda del enésimo orden los que, en combinación con los
componentes 27 y 28 de LC de la primara derivación los que forman de
manera efectiva un filtro de paso de banda que actúa para integrar
la señal de descarga parcial y producir la carga total implicada en
la descarga parcial, es decir, una medida de la carga aparente.
Dicho de otra manera, los componentes 27 y 28 de LC de la primera
derivación 26 y el filtro 32 de paso de banda de enésimo orden están
diseñados para constituir un filtro de paso de banda completo. Es
el diseño de esta combinación de filtros lo que es crítico para
asegurar que la unidad 19a de medición de impedancia sea capaz de
dividir la información del ciclo de potencia y sus armónicos, en la
primera derivación 26, y producir un pulso en respuesta a la
descarga parcial de alta frecuencia, cuyo valor en pico describe la
carga aparente dentro de la segunda derivación 31.
Además, se ha descubierto que, por medio de un
diseño adecuado del filtro 32 de paso de banda de orden enésimo, la
medición de la señal de descarga parcial pueda hacerse sensible a
cambios de entrada en la entrada de corrientes de descarga parcial.
Las descargas parciales, así como las señales de ruidos
transitorios, pueden variar con respecto a su tiempo de elevación y
tiempo de caída. Estos cambios son indicativos de diferentes
mecanismos de fuente de descarga parcial o, incluso, diferentes
ubicaciones de las descargas parciales que se producen en una
muestra o pieza de planta en prueba, dando lugar esta
frecuentemente a la ralentización de los tiempos de elevación y
caída en eventos de descarga parcial debido a pérdidas en la
propagación en un sistema medido. Así, ha sido elegido el filtro 32
de paso de bande de enésimo orden ya que su respuesta intrínseca es
sensible a cambios en la entrada de formas de onda de descarga
parcial, excepto que estos cambios estén aún dentro del dominio del
equipo de digitalización del sistema 32 de medición de datos.
La salida Vpd de descarga parcial de la unidad
19a de medición de impedancia también se puede calibrar para formas
de forma de onda de entrada diferentes, es decir, tiempos de
elevación rápida, tiempos de caída, etc. con características
cruciales de la forma de onda de salida que determinan la forma de
la señal de entrada. Las características cruciales que han sido
usadas para caracterizar la forma de la forma de onda incluyen el
número de picos (N), los valores de los picos (Vp1, Vp2, etc.), los
valores del tiempo de pico referenciados desde el inicio de la
forma de onda (Tp1, Tp2, etc.), las veces que se cruza el cero
referenciadas desde el inicio de la forma de onda (Tz1, Tz2, etc.)
y la duración total de la forma de onda (Td). De estos valores se
pueden hacer otras evaluaciones normalizad as con el fin de
caracterizar las clasificaciones de de la forma de onda de salida y
ayudar al monitor o determinar las variaciones en la forma de la
forma de onda. Por ejemplo, los siguientes parámetros han sido
empleados para describir y caracterizar la forma de la forma de onda
y su variabilidad:
- \sqbullet
- Razón de los valores de señal en pico, es decir, Vp2/VP1, Vp3/VP1, Vp3/Vp2, etc.
- \sqbullet
- Razon de valores en pico, es decir, Tp2/ Tp1, Tp3/Tp1, Tp3/Tp2, etc.
- \sqbullet
- Razon de tiempos de cruce de cero, es decir, Tz2/Tz1, Tz3/Tz1, Tz3/Tz2, etc.
- \sqbullet
- Relación de tiempos en pico a duración total de la forma de onda, es decir, TP1/Td, Tp2/Td, etc.
- \sqbullet
- Relación de tiempos de cruce de cero a duración total de la forma de onda, es decir, TZ1/Td, Tz2/Td, etc.
\vskip1.000000\baselineskip
Los parámetros anteriores, y las mediciones de
sus variaciones, constituyen un medio de evaluación, valoración y
clasificación señales de descarga parcial medidas por el sensor
18.
En la figura 5 se muestran ejemplos de formas de
onda de salida típicas de señales de diferentes elevación y caída y
señales de tiempo de caída que representan señales de descarga
parcial diferentes. En particular, la figura 5(a) muestra la
influencia sobre la forma de onda Vdp de salida de tiempos de
elevación de entrada de descarga parcial de 1 ns, 100 ns, 200 ns,
500 ns, y 1000 ns, y tiempos de caída que son muchísimo mayores que
estos tiempos respectivos de elevación. En esta figura las formas de
onda se amortiguan y se ensanchan a medida que el tiempo de
elevación se incrementa. Así, la forma de onda de la señal en pico
más grande concuerda con el tiempo de elevación de 1 ns y la señal
en pico más pequeña concuerda con el tiempo de elevación de 1000
ns. Alternativamente, la figura 5(b) presenta las variaciones
de la forma de onda de salida de señales de descarga parcial
simétricas, es decir, las que tienen el mismo tiempo de elevación y
caída. Los valores de los tiempos de elevación y caída de las
formas de onda de la figura 5(b) son 1 ns, 100 ns, 200 ns,
500 ns y 1000 ns. En esta figura las duraciones de las formas de
onda crecen con el crecimiento de los tiempos de elevación y caída.
Por ejemplo, la forma de onda de duración más corta concuerda con
tiempos de elevación y caída de 1 ns, y las formas de onda de mayor
duración concuerdan con tiempos de elevación y caída de 1000
ns.
En ambos casos, las formas de la forma de onda
se pueden diseñar para que su duración sea mucho más corta, si es
necesario (por ejemplo, abarcando hasta 100 ps), dependiente del
coste o gasto del muestreo de datos que se vaya a utilizar. Las
formas de onda mostradas en las figuras 5(a) y 5(b)
muestran claramente que las diferencias en los parámetros de forma
de características críticas de las formas de onda de salida antes
definidas, reflejan y clasifican formas de cambio diferentes que se
producen en la entrada bien por mecanismos de descarga parcial o
por señales de descarga parcial que han perdido energía
significativa después de su propagación a través de bobinados,
etc.
Como se describió anteriormente, el diseño de la
unidad 19a de medición de impedancia es tal que la corriente de la
información del ciclo de potencia pasa a través de los componentes
27 y 28 de LC situados dentro de la primera derivación 26 debido a
su trayectoria de resistencia baja dentro del diseño del circuito.
El voltaje a través de C_{m1}, 28 se alimenta como una medida del
ciclo de potencia y antes de ser pasado a través del filtro 29 de
paso bajo para eliminar el exceso de ruido. Esta tensión, a través
del diseño, puede hacerse para estar dentro de rango adecuado de
medición. En la práctica, han sido empleados rangos de entre menos
de 1 V y unos pocos voltios. Se debe advertir también que mediante
un diseño esmerado, el voltaje a través de C_{m1}, 28 está
exactamente en fase con la información del ciclo de potencia.
La figura 6 presenta una realización alternativa
del sensor 18b de monitorización de aislamiento a alta tensión.
Esta realización es similar a la presentada en la figura 4, y
descrita en detalle más adelante. Sin embargo, en esta realización,
la unidad 19a de medición de impedancia comprende además una tercera
derivación 26b, en paralelo con la primera derivación 26, que
comprende una inductancia Lm2 27b y una capacitancia Cm2 28b.
Además, también está incorporado un segundo estallador 34b en
paralelo con los componentes de la primera sección 26 y tercera
derivación 26 para dar más protección a los diferentes componentes
contra sobrecorrientes transitorias. Así, si uno de los
entalladores 34 fallara, todavía habría una instalación de
protección de apoyo.
Igual que la primera derivación 26, la tercera
derivación 26b presenta una alta impedancia (\sim decenas de
KOhmios) para señales de alta frecuencia, es decir, señales de
descarga parcial (con frecuencias > 1 MHz). El empleo de la
terceramente 26b meramente permite el fallo potencial de uno de los
componentes, 27 o 27b, de inductancia, o los componentes, 28 y 29,
de capacitancia, mientras que se permite que el sensor 18b de
monitorización de aislamiento a alta tensión aún funcione
correctamente.
La figura 7 presenta una realización alternativa
de la unidad 19c de medición de impedancia del sensor de
monitorización de aislamiento a alta tensión de la figura 6. En esta
realización los estalladores 34 han sido sustituidos por
protectores 40 contra sobrecorrientes de MOV. Los expertos en la
técnica apreciarán que los estalladores 34 o los protectores 40
contra sobrecorrientes de MOV puedes ser sustituidos,
alternativamente, por cualquier otra forma adecuada de protector
contra sobrecorrientes.
El sensor 18 o 18b de monitorización de
aislamiento a alta tensión puede conectarse directamente a la toma
con aislamiento de otro equipo de alta tensión, tal como
transformadores de potencia, o dentro de cualquier disposición de
medición típica conforme con EN/IEC60270. Un ejemplo de
transformador 41 de inclusión se muestra en la figura 8, donde el
aislamiento del transformador 41 provee la capacitancia de
acoplamiento (normalmente asociada con la unidad 19b de medición de
impedancia) así como una derivación de capacitancia a tierra. La
conexión de la unidad 19b de medición de impedancia es a través de
una borna de caja 42 de conectores de bornas. Esta disposición
permite que la descarga parcial se sincronice con la fase aplicable
del transformador 41. La información del ciclo de potencia también
se puede monitorizar simultáneamente en cuanto a calidad de la
energía eléctrica o variaciones en la capacidad de aislamiento.
También se pueden adoptar varias realizaciones
alternativas a las ya descritas. Por ejemplo, los elementos
C_{m}, 28 y 29, de capacitancia de la primera y tercera
derivaciones 26, 26b pueden comprender, alternativamente, un
elemento R_{m} de resistencia. El factor crítico es otra vez que
la serie de componentes de LR se elige de manera tal que cuando
una señal contiene un componente de alta frecuencia, es decir, una
señal de descarga parcial, en ese caso, la combinación presenta una
ruta de alta impedancia a estas señales y se introducen en la
segunda derivación 31 de menor impedancia. Se debe advertir que en
el caso de una combinación de LR, el voltaje a través de R se
suministra como una medida del ciclo de potencia. Esta tensión
mediante su elección correcta puede estar 90º fuera de fase con el
ciclo de potencia. Seguidamente, se requiere la incorporación de
circuitería de cambio de fase adecuada si la técnica de tratamiento
de señales exige un cambio de fase cero.
En otra realización, el conmutador 25 relé puede
ser sustituido por dos o más conmutadores relés en paralelo. Esto
permite más redundancia para la habilitación/deshabilitación del
sensor. Si un conmutador deja de cerrarse, el otro permite la
deshabilitación del sensor. Si un conmutador deja de abrirse, en ese
caso, el sensor está aún deshabilitado segura y
permanentemente.
En las realizaciones antes descritas, el
circuito 24 optoeléctrónico permite el suministro de la energía
eléctrica necesaria para todos los componentes del sensor 18. Los
expertos en la técnica apreciarán que se podría usar baterías como
fuente de energía alternativa para uno o más de los componentes del
sensor 18, por ejemplo, amplificadores 30 y 33. Sin embargo, la
desventaja de tener que recargar baterías dentro de entornos de
alta tensión, así como la provisión con tiempo limitado de la
energía disponible de la batería hace que dicha opción sea menos
favorable.
Se advierte además que los principios del
circuito 24 optpelectrónico pueden aplicarse directamente para
alimentar muchos de los sistemas de la técnica anterior antes
descritos. Por ejemplo, el circuito 24 optoelectrónico puede
incorporarse con los sistemas conformes con el estándar EN/IEC60270
de la figura 1 donde la señal de descarga parcial a través de la
impedancia Zm 4 puede transmitirse seguidamente de manera segura a
través de una fibra óptica.
Aunque el sensor se ha descrito en relación con
la monitorización de un transformador de alta tensión, dicho sensor
puede emplearse análogamente para monitorizar la existencia y
variabilidad de pulsos de corriente rápidos en cualquier otro
equipo. Algún ejemplo de equipo incluye, pero no se limita a,
monitorización de taladro electroquímico, descargas de máquina
eléctrica y pulsos transitorios en líneas de suministro de
voltaje.
El sensor de monitorización de aislamiento a
alta tensión antes descrito presenta varias ventajas sobre los
sistemas conocidos de la técnica anterior. En primer lugar, el
sensor descrito solamente necesita un solo punto de conexión y
dispone de un sistema de medición que permite la medición simultánea
de señales de descarga parcial e información del ciclo de potencia
a través de la muestra en prueba (es decir, a través de Ca).
Seguidamente, la información del ciclo de potencia se puede emplear
para referenciar fases de eventos de descargas parciales para
permitir así la posterior interpretación y caracterización de estas
señales. Esto se logra sin necesidad de equipos costosos para
monitorizar variaciones en eventos de descarga parcial individuales.
Los cambios en la naturaleza de eventos de descarga parcial
individuales se pueden caracterizar mediante cambios en los
parámetros de la forma de formas de onda característicos del sensor
de salida.
La información del ciclo de potencia se puede
emplear también para monitorizar la calidad del ciclo de potencia.
Esta provisión elimina también la necesidad de muchos de los
sistemas de descarga parcial comerciales presentes para referenciar
a tomar de otra fuente, por ejemplo, una red de suministro local.
Dado que la referencia de fase de una fuente independiente separada
normalmente determina un cambio de fase que no se conoce
exactamente, las interpretaciones basadas en estas referencias de
fase incorrectas se establece con frecuencia que son erróneas. Por
lo tanto, es beneficioso evidentemente ser capaz de obtener una
medición simultánea de la información del ciclo de potencia.
Además, va a ser fácilmente evidente para los
expertos en la técnica que si están disponibles puntos de unión
múltiples (por ejemplo, múltiples bornas de un transformador) sobre
una muestra de prueba concreta, en ese caso, se pueden obtener
múltiples puntos de monitorización de la información del ciclo de
potencia de 50 Hz a través de la muestra de prueba empleando
sensores de monitorización de aislamiento a alta tensión múltiples.
El empleo de puntos de conexión múltiples para monitorización
simultánea de la información del ciclo de potencia de una muestra
de prueba, seguidamente se puede usar como otro diagnóstico para
monitorizar la operación correcta de los puntos de conexión de la
muestra de prueba.
Considérese el caso donde se monitorizan
simultáneamente tres o más aislamientos de un transformador mediante
tres o más sensores de monitorización de aislamiento a alta
tensión. Un cambio en la mayoría de las propiedades del aislamiento
se indica mediante un cambio en el voltaje medido y/o en la fase de
la correspondiente información del ciclo de potencia de 50 Hz. De
esta manera, cuando se monitorizan simultáneamente tres o más
aislamientos el cambio relativo en la capacitancia de la masa (o
tang \Delta) de cualquiera de los aislamientos se puede
identificar. Si este cambio relativo es superior a un nivel
predeterminado, en ese caso, esto es indicativo de que se ha
desarrollado un fallo y que se requiere tomar una acción
correctora.
El empleo de fuente de alimentación remota a
través de tecnología de fibra óptica también ofrece otras ventajas.
En particular, dicha disposición posibilita el aislamiento eléctrico
mejorado a un usuario entre el aparato de alta tensión en prueba y
el propio sensor.
De manera similar, el empleo del conmutador relé
remoto facilita la habilitación automática de la conexión del
sistema de sensor solamente cuando se produce la activación del
sensor, es decir, cuando es necesario tomar mediciones. El relé
remoto también deshabilita o cortocircuita automáticamente el
sistema de sensor desconectando el sensor para proteger más el
sensor contra las consecuencias de sobrecorrientes y sobretensiones
transitorios que normalmente se producen durante operaciones a largo
plazo del elemento de planta o muestra en prueba. Esto tiene
también el efecto de prolongar el tiempo de vida del sensor.
Claims (18)
1. Un sensor (18) de monitorización de
aislamiento a alta tensión para monitorizar el estado del
aislamiento a alta tensión de un sistema (20) eléctrico, que
comprende una unidad (19a) de medición de impedancia, en el que la
unidad de medición de impedancia comprende:
- un canal de entrada para recibir una señal de voltaje de entrada del sistema eléctrico;
- una primera derivación (26) que contiene un primer conjunto de componentes eléctricos que presentan una primera impedancia para una o más señales de descarga parcial contenidas dentro de la señal de voltaje de entrada y una tercera impedancia para una señal de información del ciclo de potencia contenida dentro de la señal de voltaje de entrada; y
- una segunda derivación (31), paralela eléctricamente a la primera derivación (26), que comprende un segundo conjunto de componentes eléctricos que presenta una segunda impedancia para una o más señales de descarga parcial y una cuarta impedancia para la señal de información del ciclo de potencia;
- en el que una magnitud de la primera impedancia es mayor que una magnitud de la segunda impedancia de manera tal que la una o más señales de descarga parcial se transmiten preferencialmente a través de la segunda derivación (31) y una magnitud de la cuarta impedancia es mayor que una magnitud de la tercera impedancia de manera tal que la señal de información del ciclo de potencia se transmite preferencialmente a través de la primera derivación (26); y en el que la segunda derivación (31) facilita una medida de la carga aparente de una o más señales de descarga parcial.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Un sensor (18) de monitorización de
aislamiento a alta tensión como el reivindicado en la reivindicación
1, en el que el segundo conjunto de componentes eléctricos
comprende un filtro (32) de paso de banda de orden múltiple cuya
salida es sensible a cambios de entrada de la una o más señales de
descarga parcial.
3. Un sensor (18) de monitorización de
aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que el primer conjunto de
componentes eléctricos comprende un primer inductor (27) y una
primera capacitancia (28) dispuestos en serie dentro de la primera
derivación (26).
4. Un sensor (18) de monitorización de
aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que el primer conjunto de componentes
eléctricos comprende un primer inductor y un primer resistor
dispuestos en serie dentro de la primera derivación (26).
5. Un sensor (18) de monitorización de
aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la unidad (19a) de medición
de impedancia comprende además protectores (40) contra
extracorrientes incorporado en paralelo con las primera (26) y
segunda derivaciones (31) para dar protección contra sobretensiones
dentro de la señal de voltaje de entrada a los componentes dentro de
la primera y segunda derivaciones.
6. Un sensor (18) de monitorización de
aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la unidad de medición de
impedancia comprende además una tercera derivación (26b), paralela
eléctricamente a la primera derivación (26), que comprende un tercer
conjunto de componentes eléctricos que presenta una primera
impedancia para una o más señales de descarga parcial contenidas
dentro de la señal de voltaje de entrada.
7. Un sensor (18) de monitorización de
aislamiento a alta tensión como el reivindicado en la reivindicación
6, en el que el tercer conjunto de componentes eléctricos presenta
la tercera impedancia para una señal de información del ciclo de
potencia contenida dentro de la señal de voltaje de entrada.
8. Un sensor (18) de monitorización de
aislamiento a alta tensión como el reivindicado en las
reivindicaciones 6 o 7, en el que el tercer conjunto de componentes
eléctricos comprende un segundo inductor (27b) y una segunda
capacitancia (28b) dispuestos en serie dentro de la tercera
derivación (26b).
9. Un sensor (18) de monitorización de
aislamiento a alta tensión como el reivindicado en la reivindicación
6 o 7, en el que el tercer conjunto de componentes eléctricos
comprende un segundo inductor y un segundo resistor dispuestos en
serie dentro de la tercera derivación (26b).
10. Un sensor (18) de monitorización de
aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el que el sensor (18) de
monitorización de aislamiento a alta tensión comprende además un
circuito (24) optoelectrónico para control de la unidad (19a) de
medición de impedancia.
11. Un sensor (18) de monitorización de
aislamiento a alta tensión como el reivindicado en la reivindicación
10, en el que el circuito (24 optoelectrónico comprende una fuente
(35) de luz óptica empleada para comunicar ópticamente con un
convertidor (36) optpeléctrico, uno o más convertidores (37, 37b)
electroópticos dispuestos para obtener energía eléctrica del
convertidor (36) de potencia optoeléctrico, en el que el uno o más
convertidores electroópticos convierten una entrada eléctrica de la
unidad de medición de impedancia en una señal óptica para su
transmisión a una ubicación remota de la unidad de potencia de
impedancia.
12. Un sensor (18) de monitorización de
aislamiento a alta tensión como el reivindicado en la reivindicación
11, en el que el circuito (24) optoelectrónico comprende además una
primera fibra (38) óptica, en el que la primera fibra óptica
conecta la fuente (35) de luz óptica al convertidor (36) de de
potencia optoeléctrica.
13. Un sensor (18) de monitorización de
aislamiento a alta tensión como el reivindicado en la reivindicación
11 o 12, en el que el circuito (24) optoelectrónico comprende
además una o más fibras (38b) ópticas, en el que la una o más
fibras ópticas conecta(n) el uno o más convertidor(es)
(37,37b) electroóptico(s) a la ubicación remota.
14. Un sensor (18) de monitorización de
aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de
las reivindicaciones 11 a 13, en el que el convertidor (36) de
potencia optoeléctrico presenta un medio para alimentar
eléctricamente uno o más componentes de la unidad (19) de medición
de impedancia.
15. Un sensor (18) de monitorización de
aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de
las reivindicaciones 10 a 14, en el que el sensor (18) de
monitorización de aislamiento a alta tensión comprende además un
sistema (23) de evaluación de datos conectado remotamente a la
unidad (19) de medición de impedancia por medio del circuito (24)
optoelectrónico.
16. Un sensor (18) de monitorización de
aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el que el sensor (18) de
monitorización de aislamiento a alta tensión comprende además un
conector que provee un medio para conectar eléctricamente el canal
de entrada de la unidad de medición de impedancia a una
distribución eléctrica o a un elemento de planta (20).
17. Un sensor (18) de monitorización de
aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de
las reivindicaciones 11 a 16, en el que el convertidor (36) de
potencia optoeléctrico provee un medio para activar remotamente uno
o más conmutadores relés situados en paralelo eléctrico con la
primera derivación (26), en el que cuando uno o más
conmutador(es) es/son activado(s) se mueve(n)
desde una posición abierta a una posición cerrada de manera tal que
el canal de entrada se conecta eléctricamente a la primera (26) y
segunda derivaciones (31).
18. Un sensor (18) de monitorización de
aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de
las reivindicaciones 11 a 17, en el que el convertidor (36) de
potencia optoeléctrico presenta un medio para alimentar
eléctricamente un amplificador de la primera (26) o de la segunda
(31) derivación.
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