ES2379831A1 - PROCEDIMIENTO DE MONITORIZACIÓN CONTINUA Y DIAGNÓSTICO DE FUENTES DE DESCARGAS PARCIALES (DPs) EN CABLES DE ALTA TENSIÓN DURANTE SU CONEXIÓN Y FUNCIONAMIENTO EN LA RED, Y SISTEMA FÍSICO PARA LA PUESTA EN PRÁCTICA DEL PROCEDIMIENTO. - Google Patents
PROCEDIMIENTO DE MONITORIZACIÓN CONTINUA Y DIAGNÓSTICO DE FUENTES DE DESCARGAS PARCIALES (DPs) EN CABLES DE ALTA TENSIÓN DURANTE SU CONEXIÓN Y FUNCIONAMIENTO EN LA RED, Y SISTEMA FÍSICO PARA LA PUESTA EN PRÁCTICA DEL PROCEDIMIENTO. Download PDFInfo
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Abstract
Se describe un procedimiento especialmente concebido para detectar eventos asociados a descargas parciales (DPs) en cables de alta tensión, con identificación del emplazamiento, evaluación de la amplitud y tasa de repetición por periodo de la tensión de red, con posibilidad de identificar diferentes fuentes productoras de señales de DPs en función de su emplazamiento, y reconocer el tipo de defecto asociado a las DPs situadas en un mismo emplazamiento, realizando una medición de las señales eléctricas generadas y su discriminación respecto del ruido de fondo. También se describe un sistema de puesta en práctica del procedimiento que comprende medios para discriminar el ruido respecto a la forma de onda transitoria de la DP, determinar los parámetros asociado a ésta, determinar el mapa de fuentes de DPs a lo largo del cable, representar gráficamente estas fuentes, e identificar los patrones de las fuentes de DPs separados en función de su emplazamiento a lo largo del cable.
Description
Procedimiento de monitorización continua y
diagnóstico de fuentes de descargas parciales (DPs) en cables de
alta tensión durante su conexión y funcionamiento en la red, y
sistema físico para la puesta en práctica del procedimiento.
La presente invención trata sobre un nuevo
procedimiento de monitorización de descargas parciales (DPs) en
cables de alta tensión (AT), con empalmes y terminaciones instalados
cuando están en funcionamiento dentro de una red eléctrica de alta
tensión alterna. El procedimiento consistente en la discriminación,
localización, medida, identificación y diagnóstico de DPs, a fin de
evaluar de forma continua el estado de su aislamiento cuando están
en servicio. La invención incluye también un sistema físico para la
puesta en práctica del procedimiento.
El nuevo procedimiento propuesto por la presente
invención discrimina las señales de DPs respecto del ruido
eléctrico, localiza la posición de las DPs, determina la magnitud de
las DPs, identifica su comportamiento en función de la tensión de
red y diagnóstica la gravedad de las diferentes fuentes de DPs, con
el propósito de prevenir fallos en los cables de los sistemas
eléctricos de media y alta tensión. El sistema físico para la puesta
en práctica del procedimiento incluye sensores de captación de las
señales a medir, dispositivos de registro de las señales de DPs,
sistemas de transmisión de las señales, dispositivos de
almacenamiento de la información, herramientas numéricas de análisis
de los resultados que implementan el procedimiento y los elementos
de protección necesarios.
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El diagnóstico del aislamiento basado en la
detección e interpretación de las descargas parciales, es uno de los
procedimientos más prometedores para la evaluación del estado del
aislamiento del material eléctrico de alta tensión, tales como
transformadores de potencia, transformadores de medida, reactancias,
aparamenta eléctrica y en particular de los cables con sus
accesorios instalados en las redes eléctricas.
En el presente documento, una "descarga
parcial" se refiere a una descarga eléctrica que afecta una parte
limitada del aislamiento donde se produce, sin provocar su fallo
inmediato, sino su progresiva degradación, excepto en caso del
aislamiento constituido por el aire ambiente, ya que la degradación
por efecto de la ionización se compensa con la renovación
natural.
Sin embargo, muchos de los instrumentos
disponibles en el mercado incluyen procedimientos con fuertes
limitaciones cuando realizan medidas in situ en entornos
característicos de las instalaciones de alta tensión con alto nivel
de ruido eléctrico.
Existen tres importantes dificultades prácticas
en las medidas in situ de descargas parciales de cables de
AT, que la presente invención se ha propuesto como objetivo
solventar:
- Por un lado está la dificultad de distinguir
las señales eléctricas de DPs debidas a defectos del aislamiento de
alta tensión de las señales eléctricas propias del ruido eléctrico
del entorno (emisoras de radio, telefonía móvil, ruido blanco, etc.)
que enmascaran las señales de DPs;
- por otro lado, está la dificultad de localizar
la posición de las fuentes de las DPs a lo largo de la longitud del
cable a fin de poder efectuar la oportuna reparación de la zona
defectuosa, y
- por último, está la dificultad de identificar
los eventuales defectos involucrados en una determinada posición del
cable (por ejemplo en una terminación de cable) a fin de poder
valorar la gravedad del defecto y actuar en consecuencia. A título
de ejemplo, es sabido que las DPs debidas al efecto corona en el
aire ambiente no son cruciales para el fallo del aislamiento,
mientras que las DPs debidas a un defecto interno del cable
producirán inevitablemente la perforación del aislamiento antes o
después. Consecuentemente, es preciso conocer la gravedad de las
fuentes de DPs.
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Las técnicas actuales aplicadas a las mediciones
de DPs en campo, tratan de resolver algunos de estos problemas de
diferente forma, pero con fuertes limitaciones, según se explica a
continuación:
La mayor parte de los métodos conocidos tratan
de eliminar el ruido eléctrico de fondo suponiendo que se encuentra
en una banda de frecuencia en la que se efectúa el filtrado. Debe
destacarse que la propia concepción de esta técnica de filtrado
produce la eliminación o atenuación del ruido junto a la atenuación
o eliminación, también, de la señal a medir de descargas parciales
para el rango de frecuencias filtradas.
En otros procedimientos conocidos se analiza el
espectro de frecuencia de la señal de ruido a fin de elegir una
banda de frecuencia de medida donde la amplitud del ruido es lo más
baja posible. El inconveniente de este procedimiento es que, a
veces, la banda de menor señal de ruido coincide con la banda donde
la señal de DPs es también débil en amplitud, por lo que la medida
de la DP es pobre e ineficiente. Por ejemplo, si la frecuencia
elegida para la medida es elevada, entonces la atenuación por
distancia puede ser excesiva y la sensibilidad insuficiente a las
descargas parciales producidas en posiciones lejanas al sensor.
Finalmente, otro procedimiento conocido trata de
eliminar el ruido mediante la clasificación de las señales
registradas (DPs + ruido) en grupos. Los grupos se forman mediante
la determinación de parámetros asociados a la forma de la señal
(duración y frecuencia) y a su amplitud. El inconveniente específico
de este procedimiento es que el procesamiento se efectúa por nivel
de señal, de forma que para asegurar la captura de señales de DPs se
debe reducir el nivel de adquisición y por tanto aumenta
sensiblemente el contenido de señales de ruido. El procesamiento se
hace muy pesado ya que se junta el ruido con las DPs.
Todos estos procedimientos indicados presentan
además fuertes limitaciones frente al ruido blanco, cuyo espectro
cubre todas las frecuencias de la señal de DP. Las técnicas de
filtrado en frecuencia no se pueden aplicar ya que se perdería
también la señal de DP, ni se puede elegir una banda de frecuencia
donde no haya ruido, ya que en todas existe señal de ruido, ni
tampoco se pueden distinguir grupos de DPs de frecuencia diferente a
la del ruido.
Para remediar los problemas anteriores, la
presente invención propone realizar la transformada de Wavelet de la
señal registrada y analizar estadísticamente sus componentes, a fin
de encontrar eventos transitorios característicos de los pulsos de
DPs que se distingan de la evolución estadística del ruido
eléctrico. Los pulsos reconocidos como DPs transitorias diferentes
al ruido pueden proceder de defectos de aislamiento originados en el
cable o en otros equipos de alta tensión, o pueden proceder también
de la electrónica de potencia conectada a la red, ya que la
electrónica de potencia produce similares eventos transitorios a los
pulsos de DPs característicos de defectos de aislamiento. La
herramienta de identificación del tipo de los pulsos de DPs a través
de sus patrones en función del desfase con la tensión permite
clasificar, de forma eficiente, los grupos de pulsos, distinguiendo
los debidos a defectos de aislamiento de los debidos a la
electrónica de potencia.
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La mayor parte de los procedimientos conocidos
tratan la localización de los pulsos de DPs mediante la técnica de
reflectometría, que consiste en adquirir las señales en una estación
de medida situada en uno de los extremos del cable y determinar el
retraso de tiempo entre la señal que procede directamente de la
fuente de DPs y la señal que procede de la reflexión en el extremo
opuesto del cable donde el circuito se deja abierto. La posición de
la fuente de las DPs a lo largo del cable se determina teniendo en
cuenta la velocidad de propagación de la señal de DP a través del
cable. La eficacia de este procedimiento está limitada por los
siguientes motivos:
- -
- La señal reflejada debe viajar hasta el extremo final del cable abierto y retornar a lo largo de toda la longitud del cable. Consecuentemente, para cables largos de longitud superior a algún kilómetro, la señal reflejada puede llegar tan atenuada que muchos pulsos de DPs no podrán detectarse y consecuentemente no se podrá identificar su posición. Este problema se acentúa en el diagnóstico de cables secos en los que pequeñas amplitudes de DPs caracterizan un alto riesgo de fallo de aislamiento siendo la atenuación de la señal critica para su detección;
- -
- El extremo final del cable debe estar abierto para lograr la máxima reflexión de la señal, lo que dificulta que esta técnica pueda ser aplicada cuando el cable se encuentra en servicio, es decir conectado a la red.
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Otras técnicas consideran que las DPs que
aparezcan sólo pueden provenir de los accesorios (terminaciones o
empalmes) por lo que se disponen sensores en todos y cada uno de los
accesorios a fin de atribuir el emplazamiento de las fuentes de DPs
al accesorio donde la amplitud de las señales de DPs es más elevada.
El inconveniente de este procedimiento reside en la simplificación
de suponer que solo los accesorios son susceptibles de defectos de
aislamiento, olvidando que el propio cable está expuesto a defectos
de fabricación o a daños de montaje u operación. Además, este
procedimiento exige disponer un sensor en cada accesorio, lo cual no
siempre es posible, especialmente en las redes de media tensión en
las que el coste asociado de los sensores y la instrumentación en
cada accesorio no justifica la aplicación de esta técnica de
diagnóstico.
Otra técnica consiste en disponer al menos dos
sensores a lo largo de un cable en diferentes emplazamientos. Cuando
la señal de DP en uno de los sensores excede de un determinado nivel
superior al ruido de fondo, se capturan de forma sincronizada las
señales procedentes de al menos dos sensores diferentes. Comparando
los tiempos de llegada de la misma señal a los diferentes sensores,
se determina la posición de la fuente de DPs. El inconveniente de
esta técnica consiste en que los pulsos de DPs deben ser superiores
al nivel de ruido de fondo, lo que dificulta encontrar los pulsos de
DPs por debajo del ruido de fondo.
En la propuesta de la presente invención para
resolver este problema, no se utiliza la técnica de reflectometría,
ni tampoco se espera a que la señal de DP que llega a uno de los
sensores exceda de un determinado nivel (ruido de fondo) para
efectuar una captura de todos los sensores. En el nuevo
procedimiento de la invención se utilizan, al menos, dos sensores
situados en diferentes emplazamientos a lo largo del cable y se
realizan capturas periódicas y sincronizadas por períodos completos
de la onda de la tensión de red (por ejemplo, cada minuto se captura
un período de la onda de la tensión de red 20 ms para 50 Hz y 16,6
ms para 60 Hz) independientemente del ruido de fondo existente. Tras
cada captura, el ruido eléctrico de fondo se elimina. El retraso de
tiempos de llegada de la misma señal de DP a dos sensores situados
en diferentes emplazamientos, permite identificar la posición de la
fuente productora de las descargas parciales. Esta metodología solo
puede aplicarse de forma eficaz gracias a la eliminación eficaz, y
en primera instancia, de las señales de ruido de fondo, lo que
permite observar con nitidez las DPs capturadas, logrando localizar
la posición de las fuentes de DPs en entornos extremadamente severos
de ruido eléctrico.
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La identificación del tipo de fuente asociado a
las DPs medidas, no está resuelto en la mayor parte de las técnicas
de diagnóstico del estado del aislamiento de cables, dejando esta
decisión al criterio del operador. Algunas técnicas utilizan el
desfase de las DPs respecto de la tensión aplicada para generar un
patrón de las fuentes de DPs a fin de ayudar al operador a tomar la
decisión.
Es sabido que en función del tipo de defecto
(cavidad en el interior del aislamiento, descarga superficial en
aislamientos sucios o defectuosos, efecto corona en aire en partes
conductoras puntiagudas, etc.), se producen patrones característicos
de DPs en fase con la tensión, que se denominan patrones de DPs de
referencia. Si se compara el patrón medido de las DPs en todo el
cable con los patrones de referencia, es posible observar si existe
un solo defecto o varios defectos. Sin embargo, cuando existen
varios defectos a lo largo del cable, sus correspondientes patrones
se superponen en el punto de medida y pueden confundirse fácilmente
unos con otros, sin que sea fácil identificar todos y cada uno de
los defectos, siendo la experiencia del operador crucial para un
correcto diagnóstico. Además, el ruido no eliminado en las técnicas
comerciales dificulta, aún más, la identificación de diferentes
fuentes de DPs a través de la simple observación de sus patrones de
DPs.
De acuerdo con la nueva invención, este problema
se solventa generando automáticamente, tras la previa eliminación
del ruido de fondo, un patrón de pulsos de DPs asociado a las
descargas parciales emplazadas en cada posición a lo largo del cable
con el propósito de evitar superposición de patrones asociados a
defectos que estuvieran ubicados en diferentes emplazamientos
(diferentes empalmes, terminaciones del cable). Una vez separados
los patrones por posición, la invención incluye una herramienta de
reconocimiento automático de patrones de defectos, adiestrada a
través de una red neuronal a fin de que el operador pueda emitir una
evaluación eficiente del estado del aislamiento.
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Con el fin de complementar la descripción y
hacer más fácil la explicación de la misma, se acompaña únicamente a
título ilustrativo y sin carácter limitativo alguno, un juego de
dibujos en los que:
La Figura 1 es una representación gráfica
ilustrativa de señales de DPs discriminadas mediante filtro de
transformada de Wavelet con procesamiento estadístico
complementario;
La Figura 2 ilustra dos detalles (a, b) del
filtro, correspondientes a una DP superpuesta en la cresta de la
señal de ruido y a una DP superpuesta en la pendiente subida de la
señal de ruido, respectivamente;
Las Figuras 3a y 3b ilustran, respectivamente,
una señal de tipo DP inmersa en ruido blanco de amplitud superior a
la señal de ruido, discriminada mediante transformada Wavelet con
procesamiento estadístico complementario, y una ampliación que
evidencia la presencia de la señal de tipo DP;
La Figura 4 representa un diagrama de flujo
ilustrativo del procedimiento de la presente invención;
La Figura 5 es un esquema de la estructura
general del sistema de la presente invención, y
La Figura 6 ilustra gráficamente el esquema de
los subsistemas que integral el sistema de la Figura 5.
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Tal y como se ha enunciado en lo que antecede,
la presente invención consiste en un procedimiento de medida y
análisis de la medida, para una evaluación eficaz del estado del
aislamiento de los cables de alta tensión durante su operación en la
red, que mejora las técnicas utilizadas en la actualidad y que
subsana, como se ha dicho, los inconvenientes asociados a estas
técnicas.
Para poder aplicar el procedimiento de
evaluación del estado del aislamiento de los cables de alta tensión
que la invención propone, se deben disponer al menos dos sensores
que trabajen en un rango de frecuencias comprendido entre 1 MHz y 20
MHz, situados a lo largo del tramo del cable que se va a analizar. A
tal efecto, se utilizan sensores de DPs integrados en cada accesorio
o sensores externos. Los sensores electromagnéticos y capacitivos se
disponen integrados en el cable, mientras que los sensores de tipo
transformador de corriente de alta frecuencia se colocan abrazando
las pantallas del cable (sensores no invasivos).
Así, el objetivo de la nueva invención es
mejorar los resultados de evaluación del estado del aislamiento de
los cables de alta tensión instalados y en servicio que se obtienen
utilizando las tecnologías actuales, a fin de poder disponer de un
nuevo procedimiento capaz de detectar, discriminar entre señales de
ruido eléctrico y señales de tipo "descarga parcial", localizar
su posición a lo largo del cable, conocer su magnitud, identificar
las fuentes de DPs que se produzcan en diferentes posiciones a lo
largo del cable y, finalmente, diagnosticar la gravedad de cada uno
de los defectos encontrados.
Este objetivo ha sido alcanzado plenamente con
la presente invención y está caracterizado por las reivindicaciones
que se anexan, en las que el procedimiento reivindicado contempla
las etapas que se describen en lo que sigue, y mostradas
esquemáticamente en relación con el diagrama de flujo de la Figura 4
de los dibujos. Así:
Una primera etapa del procedimiento (bloque 4.1)
consiste en adquirir capturas sincronizadas de la señal recogida por
cada sensor durante intervalos de tiempo iguales a un período de la
tensión de red. La sincronización de la captura se realiza mediante
una señal de disparo simultáneo de las distintas unidades de
adquisición de señal, por ejemplo a través de una señal de disparo
transmitida por fibra óptica con repetidores de baja latencia
(retraso despreciable) distribuidos a lo largo del cable. El disparo
sincronizado es muy importante para poder localizar posteriormente
la posición de las fuentes de DPs.
En una segunda etapa (bloque 4.2), se lleva a
cabo la discriminación del ruido eléctrico respecto a la señal
adquirida. El ruido es causado por una mezcla de señales acopladas a
las señales de DPs, bien de forma conducida a través del sistema de
alimentación o por el sistema de puesta a tierra, o bien transmitida
de forma radiada, por ejemplo por estaciones de radio, teléfonos
móviles, etc. La eliminación del ruido se realiza mediante el
filtrado de las señales conducidas por la alimentación y por tierra
y mediante tratamiento numérico de las señales capturadas a través
de los sensores. El procesamiento numérico de la presente invención
consiste en realizar la transformada Wavelet de la señal adquirida y
analizar estadísticamente sus componentes, a fin de encontrar
eventos transitorios característicos de señales de DP (pulso
oscilante amortiguado) que se distingan de la evolución estadística
del ruido eléctrico. Para el análisis estadístico de las señales se
utiliza un parámetro asociado a la dispersión de la señal en el
período de captura. Aplicando este método a la señal original
registrada, es posible discriminar el ruido eléctrico de los pulsos
transitorios sub-amortiguados característicos de
DPs. Sin embargo, debe indicarse que las señales reconocidas como
DPs transitorias diferentes al ruido pueden proceder de defectos de
aislamiento en el cable objeto de evaluación o en otros equipos de
alta tensión o pueden proceder de la electrónica de potencia
conectada a la red, que producen similares eventos transitorios a
los pulsos de DPs de defectos de aislamiento. En las etapas novena y
décima que siguen, se dispone de herramientas de análisis para que
el operador pueda distinguir los grupos de señales de DP debidos a
defectos de aislamiento de los grupos de DPs ocasionados por la
electrónica de potencia.
Analizando las Figuras 1 y 2, se pueden apreciar
algunos detalles relacionados con el filtrado. En este sentido, la
Figura 1 muestra una proporción del orden de 1/8 entre el nivel de
la amplitud de la señal (1.1) de DP, con respecto a la amplitud de
la señal (1.2) de ruido; la forma de onda de la tensión aparece
representada en el gráfico por debajo de las señales anteriores e
identificada con la referencia (1.3). Por su parte, la Figura 2 es
ilustrativa de dos detalles (a-b) que representan
gráficamente una señal (2a.1) de DP cuando se superpone en la cresta
de la señal de ruido (Figura 2a), cuya señal resultante se muestra
en (2a.2), y cuando una señal (2b.1) de DP se superpone cerca del
nivel de cero en la pendiente de la señal de ruido (Figura 2b),
obteniéndose como señal resultante la mostrada con la referencia
(2b.2).
Si se observa la Figura 3, aparecen
representaciones relacionadas con la identificación de una señal
(3a.1) de descarga parcial (DP) inmersa en un ruido blanco (3a.2) de
amplitud aproximadamente doble a la amplitud de la DP (Figura 3a), y
una ampliación en detalle de la zona en la que el procedimiento de
la presente invención aplicado (Figura 3b) evidencia que, inmerso en
el ruido blanco (3b.2), existe superpuesto un evento transitorio
formado por un pulso oscilante (3b.1) amortiguado característico de
una señal de DP, lo que ratifica el correcto funcionamiento del
procedimiento empleado de discriminación entre del ruido blanco y la
señal de tipo DP.
Volviendo a las etapas del proceso, la tercera y
cuarta etapas (bloques 4.3 y 4.4 del diagrama de flujo de la Figura
4), consisten en asociar a cada señal característica de DP un
conjunto de parámetros representativos que permitirán posteriormente
formar grupos de DPs. A tal efecto, se realizan dos tipos de
procesamiento diferentes, y los parámetros así calculados se guardan
en una base de datos (bloque 4.11).
En la tercera etapa (bloque 4.3) se lleva a cabo
el procesamiento de las señales de DP individuales para determinar,
para cada señal de tipo DP, los siguientes parámetros: el tiempo de
llegada de un pulso t_{i} y el ángulo de fase en el tiempo
\phi_{i} respecto al paso por cero de la señal de tensión de red.
También se determinan dos parámetros adicionales relacionados con la
magnitud de la señal de la DP: la amplitud de la envolvente de un
pulso A_{i} y un parámetro correlacionado con la integral
de la envolvente de la DP.
En la cuarta etapa (bloque 4.4), se realiza el
procesamiento de señales de DPs recogidas por los diferentes
sensores y sistemas de adquisición de datos a fin de determinar los
siguientes parámetros adicionales: parámetro de la fase \phi
(L1, L2, L3) donde la señal de DP es originada teniendo en
cuenta la amplitud más elevada de las señales detectadas de los
sensores situados en los accesorios (empalme o terminación) de las
tres fases y el parámetro asociado al emplazamiento a lo largo del
cable de la señal de tipo DP x_{i} donde se estima que se
haya generado la DP, que se calcula mediante el tiempo de retraso,
x_{i} (\Deltat_{i}), entre la llegada de cada
señal de DP a los dos sensores instalados consecutivamente a lo
largo de la misma pantalla del cable.
En la quinta etapa del procedimiento (bloque
4.5), se repite el proceso de las etapas anteriores (desde la
primera hasta la cuarta), hasta completar 50 adquisiciones de
señales de DPs para redes de 50 Hz, y 60 adquisiciones para redes de
60 Hz, equivalentes a un intervalo de tiempo total de adquisición de
1 segundo. El objetivo de este paso es disponer de datos suficientes
para determinar la magnitud de las amplitudes de las señales de tipo
DPs y su tasa de repetición por período de la tensión de red, así
como aumentar los datos asociados al emplazamiento de las DPs a lo
largo del cable. Una vez completada la etapa, se accede al bloque
siguiente, sexta etapa, en la que se determinan, para las DPs
detectadas por cada sensor, la magnitud de las amplitudes de los
pulsos de DP y la tasa de repetición de señales de DP por período de
la tensión. La magnitud de la amplitud se determina como la magnitud
más grande que ocurra repetidamente en cada uno de los sensores, que
es calculada a través del valor de cuasi-pico de
las amplitudes de las señales de DP registradas en las 50
adquisiciones y la tasa de repetición se determina como el valor
medio de las señales de tipo DP detectadas por período a través un
sensor en las 50 ó 60, según sea el caso, adquisiciones realizadas.
Los datos calculados se guardan en una base de datos (bloque 4.11)
para conocer la evolución histórica de las señales de tipo DP
detectadas a través del sensor en consideración.
En la séptima etapa (bloque 4.7), se repite el
proceso de los pasos anteriores hasta completar un número de
adquisiciones estadísticamente representativo como para efectuar con
fiabilidad el proceso de emplazamiento de las señales de tipo DP, la
representación de su patrón en fase con la tensión y el
reconocimiento de los defectos asociados a cada patrón,
correspondientes a las siguientes etapas octava, novena y décima,
respectivamente. El número de adquisiciones que se considera mínimo
estadísticamente para efectuar con fiabilidad los referidos análisis
es de 200, pero cuanto mayor sea este número, más fiable será el
diagnóstico.
Una vez completada con éxito la etapa anterior,
se accede a la siguiente etapa octava (bloque 4.8), en la que,
teniendo en cuenta los datos almacenados en la base de datos (bloque
4.11) de cada señal de DP, se determina el mapa de emplazamientos de
las fuentes de DPs en función de la posición que ocupan a lo largo
del cable las señales de tipo DP. El referido mapa se construye
teniendo en cuenta el parámetro del emplazamiento de cada señal
x_{i} de tipo DP, junto con un análisis de coherencia. El
análisis de coherencia referido consiste en rechazar los pulsos de
DP procedentes de reflexiones en accesorios, y rechazar los
emplazamientos x_{i} determinados a partir de dos señales
DPs con un amortiguamiento inconsistente con la distancia que separa
la fuente de la DP y el sensor. Se corrige la amplitud de cada pulso
de DP captado por un sensor para tener en cuenta el amortiguamiento
de la señal. En el mapa de DPs se incluye, para cada emplazamiento
de pulsos de DPs, dos tipos de datos diferentes: la tasa media del
número de pulsos de DPs por período de la onda de tensión aplicada y
las amplitudes de las señales originales DPs en los emplazamientos
donde se generan. Estos dos datos se determinan por análisis
estadístico del conjunto de DPs situadas en cada emplazamiento donde
aparecen DPs.
Debe entenderse por "emplazamiento de pulsos
de DPs" un tramo del cable de aproximadamente 3 a 5 m donde las
DPs se originan. El emplazamiento se identifica respecto a la
distancia relativa a un determinado sensor tomado como referencia
que está dispuesto en un empalme o en una terminación del cable.
En la novena etapa (bloque 4.9) se representan
gráficamente los pulsos de las DPs con su posición de ángulo de fase
en el tiempo \phi_{i} respecto al paso por cero de la señal de
tensión de red, asociado a las DPs situadas en cada emplazamiento
del cable donde aparezcan DPs a fin de poder tener un patrón de DPs
representativo de cada emplazamiento de DPs para poder aplicar la
siguiente etapa.
En la décima etapa (bloque 4.10) se realiza una
comparación el patrón de los pulsos de DPs en fase con la onda de la
tensión aplicada y patrones de referencia. Es sabido que el riesgo
de fallo del aislamiento depende del proceso físico causante de los
pulsos de DPs, por ejemplo los pulsos corona en aire no son
cruciales para provocar la ruptura dieléctrica del aislamiento, pero
las descargas parciales debidas a un defecto interno tipo cavidad
resultan críticas para la vida del aislamiento. Consecuentemente, es
muy importante conocer el tipo de defecto asociado a cada fuente de
DP para poder evaluar el estado del aislamiento de un cable y de sus
accesorios (terminales y empalmes). Así, el patrón formado por los
pulsos DPs en fase con la onda de la tensión aplicada asociados a
cada emplazamiento de DPs se compara con respecto a los patrones de
referencia asociados a defectos tipo con el fin de evaluar el riesgo
de fallo de cada una de las fuentes de DPs detectadas en cada
emplazamiento. Esta comparación permite el reconocimiento de
defectos tipo. Para un reconocimiento automático se aplica una red
neuronal de reconocimiento de patrones a cada una de las fuentes de
DPs detectada.
Una interfaz de usuario (bloque 4.12),
esquematizada en la Figura 4, permite mostrar los datos procesados
para realizar la evaluación final del estado del aislamiento del
cable a partir de la siguiente información:
- -
- Evolución histórica de las DPs medidas por cada sensor en un accesorio (etapa sexta bloque 4.6);
- -
- Mapa de DP donde las fuentes de DPs se emplazan (etapa octava bloque 4.8);
- -
- Patrón resuelto en fase de las DPs en cada emplazamiento (etapa novena, bloque 4.9);
- -
- Reconocimiento de patrón resuelto en fase para cada fuente de DP (etapa décima, bloque 4.10).
\newpage
El nuevo procedimiento de monitorización de
descargas parciales en cables instalados y en servicio para
discriminar, localizar, medir, identificar y diagnosticar fuentes de
descargas parciales, ha sido descrito suficientemente en lo que
antecede. Adicionalmente, la invención tiene también por objeto la
implementación de un sistema para la puesta en práctica de dicho
procedimiento, el cual va a ser descrito en lo que sigue.
De acuerdo con la invención, el sistema físico
para la aplicación del procedimiento preconizado tiene como
finalidad monitorizar de forma continua las DPs que se produzcan en
diferentes cables conectados a una subestación o centro de
transformación. La estructura de este sistema responde al esquema
general que aparece representado en la Figura 5 de los dibujos, y
muestra un número de sistemas de medida (SM) (5.1) de descargas
parciales distribuidos a lo largo de cables (5.2) respectivos para
recoger las señales de DPs. Al menos deben disponerse dos sistemas
de medida, uno en cada extremo de un cable (5.2) a monitorizar. Los
SM (5.1) no tienen ninguna capacidad de procesamiento individual,
sino que son controlados por el ordenador de un Sistema de Control y
Análisis SCA (5.3) que se dispone en una de las dos subestaciones o
centros de transformación (5.4) donde el cable se conecta. La
información de cada SCA (5.3) es enviada a un Sistema Central (5.5)
de base de datos (SC BBDD) para que pueda ser consultada desde
cualquier ordenador (5.6) conectado a la red de datos. Aquí, las
señales de tipo DP junto con el ruido eléctrico de fondo presente,
son capturadas y registradas por el sistema (5.1) de medida (etapa
primera (bloque 4.1) del diagrama de flujo de la Figura 4), y
enviadas a través de una Red de Transmisión de Datos RTD (6.3),
Figura 6, a un ordenador que actúa como Sistema de Control y
Análisis SCA (6.1) para procesar y analizar la señales medidas
(etapas segunda a décima (bloques 4.2 a 4.10) del diagrama de flujo
de la Figura 4), de la siguiente forma:
- a)
- discriminar el ruido eléctrico de fondo de las señales de tipo DP (etapa segunda(bloque 4.2) del diagrama de flujo de la Figura 4),
- b)
- localizar la posición de las fuentes de DP en los emplazamientos del cable donde se originan (etapas asociadas a los bloques 4.3, 4.4, 4.5, 4.7 y 4.8) del diagrama de flujo),
- c)
- conocer su amplitud y tasa de repetición (etapas asociadas a los bloques 4.3, 4.5 y 4.6) del diagrama de flujo),
- d)
- identificar el patrón de DPs en función del desfase de los pulsos de DPs con la onda de tensión de red (etapa novena (bloque 4.9 del diagrama de flujo), y
- e)
- diagnosticar cada patrón asociado a un emplazamiento productor de DPs con un defecto tipo cavidad, descarga superficial externa o corona (etapa décima (bloque 4.10 del diagrama de flujo).
\vskip1.000000\baselineskip
Los subsistemas que componente el sistema de
monitorización, mostrados en la Figura 6 de los dibujos, son los
siguientes:
- Subsistema de Control y Análisis (6.1),
compuesto por los siguientes elementos:
- -
- Ordenador de Control y Procesamiento OCP (6.1.1), que recopila y procesa las señales medidas por los SM (6.2) conforme al procedimiento de análisis descrito en el diagrama de flujo de la Figura 4, y decide la cadencia de generación de pulsos de sincronización;
- -
- Generador de Pulso de Sincronización GPS (6.1.3), previsto para generar un pulso de sincronismo en base a la cadencia marcada previamente por el OCP (6.1.1) y coincidente con un paso por cero de la tensión, y lo envía a través de un cable de fibra óptica CFO (6.3.2);
- -
- Detector de Paso por Cero (DPC) (6.1.2), que informa al GPS(6.1.3) cuándo la onda de tensión de red de la línea monitorizada pasa por cero.
\vskip1.000000\baselineskip
- Subsistemas de Medida (6.2), distribuidos a lo
largo del cable, compuesto cada uno por:
- -
- tres Sensores de Descargas Parciales SDP (6.2.1), situados en las pantallas de los accesorios (terminaciones y/o empalmes) de cada fase. Los sensores no invasivos utilizados son transformadores de corriente de alta frecuencia (HFCT) de ancho de banda comprendido entre 1 MHz y 20 MHz que se disponen acoplados a las pantallas de los cables en los accesorios; también se pueden utilizar sensores integrados en el propio accesorio del cable;
- -
- dos tarjetas de Registradores Digitales RD (6.2.2), de dos canales cada una, disparadas por el pulso de sincronización procedente del GPS (6.1.3). La salida de cada sensor (6.2.1) se conecta a un canal de un RD (6.2.2), por lo que se utilizan tres canales de registro para una línea eléctrica trifásica, quedando uno de reserva. La velocidad de muestreo y la resolución vertical mínima de cada tarjeta registradora es de, al menos, 100 Mega-muestras por segundo y 10 bits;
\newpage
- -
- un Transmisor de Pulso de Sincronización TPS (6.2.3), que convierte el pulso de sincronización proveniente de la CFO (6.3.2), en un pulso eléctrico de disparo de los RD (6.2.2), para volverlo a convertir en un pulso óptico para su envió al siguiente SM (6.2) a través de la CFO (6.3.2), y
- -
- un Equipo de Protección y Control EPC (6.2.4), que protege contra sobretensiones y sobre-temperaturas a los dos RD (6.2.2) y al TPS (6.2.3) del SM (6.2), a la vez que permite controlar a través de órdenes de SCA (6.1), a los dos RD (6.2.2).
\vskip1.000000\baselineskip
- Red de Transmisión de Datos, RTD (6.3),
compuesto por los siguientes elementos:
- -
- Conversor Ethernet-Fibra Óptica CE-FO (6.3.1), que permite transferir los datos del SCA (6.1) al CFO (6.3.2) y viceversa;
- -
- un Cable de Fibra Óptica (CFO) (6.3.2), con dos fibras para transferir los datos y otra para el pulso de sincronización, y
- -
- un Switch Ethernet SE (6.3.3) con dos entradas ópticas, para adaptar datos del SM (6.2) en señales ópticas, para ser transmitidos por el CFO (6.3.2), así como recibir las órdenes y control de SCA (6.1).
\vskip1.000000\baselineskip
No se considera necesario hacer más extenso el
contenido de la presente descripción para que un experto en la
materia pueda comprender su alcance y las ventajas que de la misma
se derivan.
No obstante lo anterior, debe entenderse que la
descripción realizada corresponde únicamente a una forma de
realización preferida de la invención, y que en consecuencia, puede
ser objeto de cambios, modificaciones y/o alteraciones, asimismo
protegidas siempre que caigan dentro del alcance de las
reivindicaciones anexas.
Claims (8)
-
\global\parskip0.950000\baselineskip
1. Procedimiento de monitorización continua de fuentes de descargas parciales (DPs) en cables de alta tensión durante su conexión y funcionamiento en la red, mediante la discriminación, localización, medida, identificación y diagnóstico de fuentes de descargas parciales (DPs) en cables de alta tensión, en particular un procedimiento que permite detectar eventos de tipo descarga parcial a través de la medida de la señales eléctricas generadas discriminándolas del ruido de fondo, identificar el emplazamiento de las DPs a lo largo del cable, conocer su amplitud y tasa de repetición, identificar diferentes fuentes productoras de señales de DPs en función de su emplazamiento donde fueron detectadas, y reconocer el tipo de defecto asociado a las DPs situadas en un mismo emplazamiento, caracterizado porque comprende:- -
- la medida (bloque 4.1) de forma sincronizada de señales analógicas captadas por al menos dos sensores que trabajan en un rango de frecuencias comprendido entre 50 kHz y 20 MHz, y las transforma en sus correspondientes señales digitales representativas;
- -
- la discriminación (bloque 4.2) dentro de la señal medida en (bloque 4.1)de los instantes en los que se ha producido una descarga parcial y, en esos instantes, separa de la señal medida del ruido eléctrico, mediante la aplicación de la transformada Wavelet junto con el tratamiento estadístico de la señal medida;
- -
- la determinación (bloque 4.3), para cada señal de tipo DP, de su magnitud, obtenida del análisis de su forma de onda, así como del instante que aparece la señal respecto al paso por cero de la onda de tensión aplicada;
- -
- la determinación (bloque 4.4) para cada señal de tipo DP, de un conjunto de parámetros representativos obtenidos del análisis comparativo con otras señales de tipo DP captadas por sensores diferentes (parámetro de la fase donde se produce la DP, tiempo de llegada del pulso t_{i} y parámetro de distancia desde el sensor al emplazamiento de la fuente de DP);
- -
- la repetición (bloque 4.5) de los pasos de las etapas anteriores un número de veces suficiente como para poder calcular, para cada sensor, un valor representativo de la magnitud de la amplitud y de la tasa de repetición de pulsos de DP, siendo el número de adquisiciones que se considera suficiente para el referido cálculo de 50 adquisiciones de una ventana igual al período de la tensión de red;
- -
- la determinación (bloque 4.6), a partir del conjunto de señales de tipo DP detectadas por cada sensor, del valor representativo de la magnitud del la amplitud y de la tasa de repetición de pulsos de DP por período de la onda de tensión de red asociado a las últimas 50 adquisiciones efectuadas;
- -
- la repetición (bloque 4.7) de las etapas anteriores un número de veces suficiente, del orden de al menos 200 veces, como para poder disponer de una muestra de adquisiciones estadísticamente representativa para aplicar a las etapas posteriores;
- -
- la determinación (bloque 4.8), del mapa de emplazamiento de señales de DPs, teniendo en cuenta el retraso de tiempos de llegada de las DPs procedentes de sensores contiguos y analizando la coherencia de señales de tipo DP obtenidas por otros sensores, mostrando en el mapa de emplazamiento las amplitudes de DPs y la tasa media de repetición de las citadas señales de tipo DP;
- -
- la generación automática (bloque 4.9) del patrón de los pulsos de DPs en función del desfase con la onda de la tensión aplicada de cada uno de los grupos (4.9) de DPs situados en un mismo emplazamiento del cable, y
- -
- la correlación (bloque 4.10) de cada grupo de fuente de DPs generado en (bloque 4.9) con defectos tipo productores de DPs mediante el reconocimiento de los patrones de las señales de DPs en función del desfase con la onda de tensión aplicada al cable a través de una red neuronal.
\vskip1.000000\baselineskip
- 2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la referida etapa asociada al bloque(4.2) de discriminación de ruido, permite distinguir señales (2a.1 y 2b.1) con una forma de onda transitoria característica de una DP, con otras señales (1.1 y 1.2 de la figura 1) características de ruido eléctrico de fondo superpuesto.
- 3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la referida etapa asociada al bloque (4.4) relativa a la determinación de un conjunto de parámetros asociados a cada señal de DP detectada, permite conocer la fase donde se originó la señal de DP, y una primera estimación del emplazamiento de la fuente de la DP.
- 4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la referida etapa asociada al bloque (4.8) relativa a la determinación del mapa de las fuentes de DPs, permite validar o rechazar pulsos tipo DP relacionados con la posición de las fuentes de DPs a lo largo del cable, y permite conocer, en cada emplazamiento donde se identifica la presencia de fuentes de DP, la magnitud de los pulsos originales de DP y su tasa media de repetición, como parámetros estadísticos resultantes de un tratamiento de una muestra de población de DPs.
\global\parskip1.000000\baselineskip
- 5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la referida etapa asociada al bloque(4.9) proporciona la representación gráfica de las fuentes de DPs como subconjuntos de las DPs posicionadas en la misma región del espacio a lo largo del cable.
- 6. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la referida etapa asociada al bloque (4.10) proporciona la identificación de patrones de fuentes de DPs por aplicación de una red neuronal a los diferentes grupos de DPs separados en función de su emplazamiento a lo largo del cable.
- 7. Un sistema físico para la puesta en práctica del procedimiento según las reivindicaciones 1 a 6, especialmente diseñado para detectar señales de tipo descarga parcial (DP) en base a la realización de medidas simultáneas en todos los sensores dispuestos a lo largo de un cable y ser recogidas por un sistema central que permite discriminar el ruido respecto a la forma de onda transitoria característica de una DP, determinar los parámetros asociado a cada DP, determinar el mapa de fuentes de DPs a lo largo del cable, representar gráficamente las fuentes de DPs como subconjuntos de las DPs posicionadas en la misma región del espacio a lo largo del cable, e identificar los patrones de las fuentes de DPs separados en función de su emplazamiento a lo largo del cable, caracterizado porque comprende los subsistemas siguientes:
- -
- subsistema (6.1) de control y análisis (SCA), en el que se recopilan y procesan las señales capturadas por los registradores digitales (6.2.2) y se aplican las etapas de procedimiento de las reivindicaciones 2 a 6;
- -
- subsistemas (6.2) de medida (SM), instalados en puntos cercanos a las posiciones de monitorización, donde se reciben y retransmiten pulsos de sincronización, se captan las señales de descargas parciales a través de un equipo de protección y control, se registran y se envían las señales medidas al subsistema (6.1) de control y análisis para ser procesadas, y
- -
- una red (6.3) de transmisión de datos (RTD), que permite transferir datos y órdenes desde el subsistema (6.1) de control y análisis hasta los subsistemas (6.2) de medida, distribuidos a lo largo del cable.
\vskip1.000000\baselineskip
- 8. Herramienta numérica para la aplicación práctica de la metodología del procedimiento de las reivindicaciones 1 a 6, a fin de presentar los resultados de las medidas, analizarlas y emitir el diagnóstico del estado de un cable (bloque 4.11).
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| MX2012013690A MX2012013690A (es) | 2010-05-26 | 2011-05-24 | Procedimiento de monitorizacion continua y diagnostico de fuentes de descargas parciales (dps) en cables de alta tension durante su conexion y funcionamiento en la red, y sistema fisico para la puesta en practica del procedimiento. |
| US13/700,040 US9390067B2 (en) | 2010-05-26 | 2011-05-24 | Method for the continuous monitoring and diagnosis of sources of partial discharges (PDs) in high voltage cables during connection to, and operation in the power grid, and physical system for carrying out same |
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| ES11789287T ES2890137T3 (es) | 2010-05-26 | 2011-05-24 | Procedimiento de monitorización continua y diagnóstico de fuentes de descargas parciales (DP) en cables de alta tensión durante su conexión y funcionamiento en la red, y sistema físico para la puesta en práctica del mismo |
| EP11789287.7A EP2579055B1 (en) | 2010-05-26 | 2011-05-24 | METHOD FOR THE CONTINUOUS MONITORING AND DIAGNOSIS OF SOURCES OF PARTIAL DISCHARGES (PDs) IN HIGH-VOLTAGE CABLES DURING CONNECTION TO, AND OPERATION IN THE POWER GRID, AND PHYSICAL SYSTEM FOR CARRYING OUT SAME |
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