ES2402508B1 - Dispositivo de acoplamiento de gran ancho de banda para líneas eléctricas - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de acoplamiento de gran ancho de banda para líneas eléctricas.#Para medida de pulsos de descarga producidos por un mal aislamiento de la línea y/o de medida de señales de comunicación trasmitidas por la línea eléctrica. Comprende un filtro en ?T? (2), que a su vez incluye un inductor (L), un condensador de entrada (Ce) de conexión a la línea, y una salida de conexión a un equipo de medida de los pulsos de descarga y/o a un equipo de medida de señales de comunicación transmitidas por la línea. La invención es novedosa por que el condensador de entrada (Ce) es de alta tensión, y el al menos inductor está constituido por un circuito de simulación de inducción, obteniendo un dispositivo de gran ancho de banda desde unidades de KHz hasta decenas de MHz, con una buena respuesta en frecuencia hasta el momento no conocido.
Description
Dispositivo de acoplamiento de gran ancho de banda para líneas eléctricas.
La invención consiste en un dispositivo de acoplamiento de gran ancho de banda que tiene por objeto permitir medir señales de frecuencias superiores a las de la red eléctrica de potencia, típicamente comprendidas entre los 20 Hz y los 400 Hz.
El dispositivo permite medir frecuencias desde unidades de kilohercios hasta decenas de megahercios, separando la parte de la señal correspondiente a la frecuencia de funcionamiento de la red eléctrica de potencia junto con sus armónicos, de las señales de frecuencia superior.
La invención es aplicable en las líneas de las redes de distribución de energía eléctrica de alta, media y baja tensión, para medir frecuencias superiores a las de la red eléctrica de potencia como las empleadas para enviar señales de comunicación a través de la línea eléctrica. Además la invención permite medir los pulsos de descargas parciales que se producen cuando la línea se encuentra mal aislada, cuyo contenido frecuencial abarca desde la continua hasta decenas de megahercios.
En los últimos años la evolución tecnológica ha hecho posible la transmisión de señales de comunicaciones a través de la red eléctrica ampliando el uso y la explotación de las líneas eléctricas de potencia. Dichas comunicaciones se emplean, por ejemplo, para automatizar los telecomandos de las subestaciones para la telegestión de los medidores de consumo de energía eléctrica, para comunicaciones de servicios de datos como Internet, y para servicios PLC (Power Line Communications).
Por otra parte, en las líneas eléctricas mal aisladas, se producen descargas parciales de pulsos, de forma que la medida de dichas descargas parciales permite vigilar el estado del aislamiento de las líneas eléctricas. Estas medidas se llevan a cabo empleando generadores de alta tensión externos, dispositivos de acoplamiento y equipos de medida externos en el caso de que la línea eléctrica quede asilada de la red. O bien empleando acoplamientos adaptados a la red eléctrica y equipos de monitorización. Los pulsos de descargas parciales que se miden son pulsos de corriente/tensión que se propagan por la línea eléctrica y que se producen como consecuencia de fallos en los aislamientos. Dichos pulsos de descargas parciales tienen tiempos de subida del orden de nanosegundos, y duraciones inferiores a unos pocos microsegundos, por lo que su contenido es típicamente desde la continua hasta decenas de megahercios.
Los pulsos de descargas parciales, y en general las señales de comunicaciones o de control que se propagan por las líneas eléctricas tienen voltajes muy inferiores al voltaje de la propia línea eléctrica. Por ello es necesario conectar dispositivos de acoplamiento a la línea eléctrica capaces de medir estos pequeños voltajes de frecuencia superiores a la frecuencia de funcionamiento de la red de potencia y que atenúan el voltaje de la frecuencia de funcionamiento de la red de potencia y de sus armónicos. De esta forma, a través del dispositivo de acoplamiento pueden conectarse los correspondientes receptores de comunicaciones, registradores o medidores a la línea eléctrica sin peligro de que el alto voltaje de la frecuencia de la red de potencia y de sus armónicos dañe los equipos.
Los dispositivos actuales de acoplamiento se basan en empleo de filtros en “T” que comprenden un inductor, un condensador de entrada, de conexión a la línea eléctrica, y una salida que constituye el medio de conexión al equipo de medida. Estos filtros tienen atenuaciones elevadas por lo que disminuyen la sensibilidad de la medida, y además las frecuencias de corte inferior de los dispositivos son del orden de megahercios, por lo que resulta imposible medir con tales dispositivos las frecuencias por debajo de un par de megahercios.
Para conseguir los objetivos y resolver los inconvenientes anteriormente indicados, el dispositivo de acoplamiento de la invención, se aplica en líneas eléctricas en las que se requiere medir los pulsos de descarga que se producen por un mal aislamiento, para así poder determinar el grado de aislamiento de la línea, y/o en las líneas en las que se requiera mediar las señales de comunicación, que convencionalmente se transmiten por la línea eléctrica. Para ello el dispositivo de la invención, al igual que los previstos en el estado de la técnica emplea al menos un filtro en “T” el cual a su vez al menos comprende un inductor, un condensador de entrada de conexión la línea eléctrica y una salida. La salida está prevista para conectarse a un equipo de medida de los pulsos de descarga y/o a un equipo de medida de los datos que se transmiten por la línea eléctrica. La principal novedad de la invención reside en la particular configuración del filtro en “T”, el cual presenta la particularidad de que el condensador de entrada es de alta tensión, el inductor está constituido por un circuito simulador de inducción y la salida del filtro en “T” comprende componentes de baja tensión que están determinados por un condensador y/o una resistencia.
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Mediante el empleo de los filtros en “T” convencionales, no se consiguen grandes anchos de banda, lo cual sería deseable para poder realizar las mediciones comentadas, de forma que para lograr frecuencias de corte inferiores, del orden de unidades de KHz, si se emplea un condensador de entrada de alta tensión con buen comportamiento en frecuencia, de los existentes en la actualidad, el valor del inductor que se requiere es muy elevado, lo que hace que el filtro sea irrealizable, pues el estado de la técnica no hace posible la construcción de tales inductores con buen comportamiento en frecuencia.
Por lo tanto la configuración descrita de la invención no es conocida en el estado de la técnica, y su obtención no resulta obvia para el experto en la materia, pues los simuladores de inducción nunca han sido empleados en los dispositivos de acoplamiento, y su aplicación, de acuerdo con la configuración descrita, permite alcanzar una frecuencia de corte inferior del orden de unidades de KHz y obtener un buen comportamiento en frecuencia, y todo ello de forma que la frecuencia de corte superior puede ser del orden de decenas de MHz cuyo valor depende en gran medida de la calidad de los componentes empleados.
En la realización preferente de la invención el circuito simulador de inducción comprende un amplificador operacional cuya salida está conectada a su entrada inversora y cuya entrada no inversora se conecta a un primer condensador y a una primera resistencia, estando dicha resistencia además conectada a tierra. Además el primer condensador está conectado a una segunda resistencia y ambos al condensador de entrada, de forma que la segunda resistencia además está conectada a la entrada inversora del amplificador operacional, obteniéndose un circuito activo que simula el comportamiento de un inductor no ideal de valor elevado y con buen comportamiento en frecuencia.
Además, en la realización preferente de la invención se utilizan una pluralidad de filtros en “T” conectados en escalera, cuyo número es función el voltaje de la red, para atenuar la tensión de red a los valores de funcionamiento del amplificador operacional. El condensador de entrada de cada filtro en “T” conectados en cascada, tiene un valor de tensión que es función de la atenuación realizada por los filtros en “T” que le preceden hasta la conexión con la línea eléctrica. Respecto a la salida del último filtro en “T” conectado en escalera, se conecta un seguidor de tensión, que está conectado a un adaptador de impedancias para la obtención de las señales de comunicación y/o de los pulsos de descarga que se hayan producido en la línea eléctrica, y en consecuencia permitir efectuar su medición.
Adicionalmente la invención comprende un circuito auxiliar de monitorización de la onda de la red eléctrica, que comprende un seguidor de tensión, un filtro pasobajo para obtener la señal de potencia de la red eléctrica, un amplificador de ganancia variable, un girador de fase electrónico que realiza la compensación de desfase del filtro en “T” a la frecuencia de funcionamiento de la línea eléctrica, un adaptador de impedancia y un módulo de monitorización de la onda, de forma que el circuito auxiliar monitoriza la onda de potencia de la red eléctrica, y en consecuencia permite realizar su medición.
A continuación para facilitar una mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de la misma, se acompañan una serie de figuras en las que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invención.
Figura 1.-Muestra un filtro en “T” de tipo convencional en el que se basa la invención para obtener un dispositivo de acoplamiento de gran ancho de banda.
Figura 2.- Muestra una conexión en escalera de dos etapas de filtros en “T” de acuerdo con el estado de la técnica.
Figura 3.- Muestra una forma de realización del dispositivo de acoplamiento de la invención que emplea un filtro en “T” de dos etapas con inductores constituidos por circuitos simuladores de inducción. Además se ha representado el circuito equivalente del simulador de inducción.
Figura 4.- Muestra un diagrama de bloques del dispositivo para una configuración genérica en etapas de filtrado, en la que además incorpora un circuito auxiliar que permite realizar la monitorización de la onda de tensión de la línea eléctrica.
DESCRIPCIÓN DE LA FORMA DE REALIZACIÓN PREFERIDA
A continuación se realiza una descripción de la invención basada en las figuras anteriormente comentadas.
El dispositivo de acoplamiento de la invención está basado en la topología de un filtro en “T” de tipo convencional, como el mostrado en la figura 1, donde Ce es un condensador de entrada mediante el cual se efectúa la conexión a la línea eléctrica, y que además está dotado de un inductor constituido por una bobina L, un condensador C y la correspondencia resistencia R de salida.
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En la figura 2 se muestra un filtro de dos etapas configurado como un filtro de escalera, para modificar su respuesta en frecuencia, el cual resulta especialmente útil para mantener una frecuencia de corte inferior baja de forma que en su salida se evita la presencia de tensiones elevadas a la frecuencia de funcionamiento de la línea eléctrica.
El condensador de entrada Ce, es de un valor de tensión elevado, sobre todo en la aplicación de la invención en redes de alta y media tensión, el cual además tiene un buen comportamiento en frecuencia, del tipo de los disponibles convencionalmente. El uso de un condensador de entrada Ce de alta tensión, implica que el valor del inductor L que se necesita sea muy elevado, lo que hace que el dispositivo sea irrealizable, pues en el estado de la técnica no es posible la construcción de tales inductores con buen comportamiento en frecuencia.
Por tanto, la principal innovación del dispositivo de la invención, consiste en el uso de condensadores de entrada Ce de alta tensión, para lo que se requiere reemplazar los inductores L por circuitos simuladores de inducción activos, como por ejemplo se ha representado en la figura 3, que simula el comportamiento de un inductor no ideal, según se aprecia en su circuito equivalente, el cual posee una resistencia en serie Rs con el inductor y otra resistencia paralelo Rp, pero tiene la gran ventaja de tener un buen comportamiento en frecuencia, de modo que se permite obtener frecuencias de corte inferior bajas del orden de unidades de KHz.
En la figura 3 se muestra un dispositivo de la invención constituido por dos etapas de filtros en “T” formando un filtro de escalera, en el que las bobinas de inducción L han sido sustituidas por un circuito activo, que comprende un amplificador operacional 1, cuya entrada no inversora se encuentra conectada a una primera resistencia R1 y un primer condensador C1, de forma que la primera resistencia R1 está conectado a una segunda resistencia R2 y al condensador de entrada Ce, estando la segunda resistencia R2 conectada a la entrada inversora del amplificador operacional 1, cuya salida igualmente está conectada la entrada inversora. Esta configuración proporciona un circuito que simula un inductor L, que se trata de la simulación no ideal según ha sido comentado y representado en la figura 3. El circuito equivalente posee una resistencia en serie Rs cuyo valor es igual al de la segunda resistencia R2, y una resistencia en paralelo Rp con el inductor L, cuyo valor Rp es la resta del valores de la primera resistencia R1 menos la segunda resistencia R2 (Rp = R1 - R2), en tanto que el valor de la bobina L = R2 (R1 - R2) C1.
El circuito descrito proporciona frecuencias inferiores de corte del orden de unidades de KHz y obtiene un buen comportamiento en frecuencia, en el que la frecuencia de corte superior depende de la calidad de los componentes empleados en el diseño comentado.
En la figura 4 se muestra el esquema del dispositivo para una configuración genérica de etapas de filtrado 2, en el que además se ha incluido un circuito auxiliar 3 que se conecta entre las etapas 2, tal y como se muestra en la figura 4, o bien entre el condensador de entrada Ce y el condensador de salida C, de forma que el circuito auxiliar 3 permite realizar una monitorización de la onda de tensión de la línea eléctrica, para lo que dicho circuito auxiliar 3 está dotado de un seguidor de tensión 4, que mediante un filtro pasobajo 5 se dejan pasar únicamente las señales de potencia de la red eléctrica, y mediante el amplificador de ganancia variable 6 se permite ajustar la relación entre la tensión de la línea eléctrica y la tensión de salida del dispositivo para la monitorización de la onda de tensión, entregándose la señal a un girador de fase electrónico 7 que realiza la compensación del desfase del filtro en “T” a la frecuencia de funcionamiento de la línea eléctrica, lo que permite conocer la fase en que se detecta una descarga parcial. El girador de fase electrónico 7 está conectado a un adaptador de impedancias 8 mediante el cual se efectúa la conexión a un módulo de monitorización de la onda 9, de forma que se permite monitorizar la onda de potencia de la red eléctrica.
La primera etapa 2 del filtro se conecta a la red mediante un fusible 10 de protección del dispositivo, en tanto que la última etapa 2 del filtro se conecta con un seguidor de tensión 11 de forma que en su salida obtienen las señales de comunicación enviadas a través de la línea eléctrica, así como los pulsos que se hubieran producido por una descarga parcial generada por un mal aislamiento de la línea eléctrica, de forma que el seguidor de tensión 11 se conecta a una salida 13 mediante el correspondiente adaptador de impedancias 12, obteniéndose en dicha salida 13 los pulsos de descarga parcial y las posibles señales de comunicación que se transmitan a través de la línea eléctrica.
En consecuencia, el dispositivo descrito permite obtener tanto los pulsos que se producen por mal aislamiento en la línea eléctrica, como las señales de comunicación que se puedan transmitir a través de la misma.
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Claims (6)
- REIVINDICACIONES1.- DISPOSITIVO DE ACOPLAMIENTO DE GRAN ANCHO DE BANDA PARA LÍNEAS ELÉCTRICAS, que se aplica a líneas eléctricas en las que se han de medir señales seleccionadas entre los pulsos de descarga que se producen por un mal aislamiento y señales de comunicación que adicional y convencionalmente se transmiten por la línea eléctrica y combinación de ambas; y que comprende:
- -
- al menos un filtro en “T” que a su vez, al menos comprende:
un inductor (L)un condensador de entrada (Ce) de conexión a la línea eléctrica,- -
- una salida que se conecta selectivamente a un equipo de medida de los pulsos de descarga y a un equipo de medida de las señales de comunicación que se transmiten por la línea eléctrica,
caracterizado por que:- -
- el condensador de entrada (Ce) del filtro en “T” (2) es de alta tensión,
- -
- el al menos inductor (L) está constituido por un circuito simulador de inducción;
- -
- la salida del filtro en “T” (2) comprende componentes de baja tensión, seleccionados entre un condensador de salida (C), una resistencia (R) y combinación de ambos.
- 2.- DISPOSITIVO DE ACOPLAMIENTO DE GRAN ANCHO DE BANDA PARA LÍNEAS ELÉCTRICAS, según reivindicación 1, caracterizado por que el circuito simulador de inducción comprende un amplificador operacional (1) cuya salida está conectada a su entrada inversora y cuya entrada no inversora está conectada a un primer condensador (C1) y a una primera resistencia (R1), la cual además está conectada a tierra; estando además el primer condensador conectando a una segunda resistencia (R2) y ambos al condensador de entrada (Ce); y estando además la segunda resistencia (R2) conectada a la entrada inversora del amplificador operacional (1).
- 3.- DISPOSITIVO DE ACOPLAMIENTO DE GRAN ANCHO DE BANDA PARA LÍNEAS ELÉCTRICAS, según reivindicación 2, caracterizado por que comprende una pluralidad de filtros en “T” (2) conectados en escalera, cuyo número es función del voltaje de la red para atenuar la tensión de red a los valores de funcionamiento del amplificador operacional (1); y siendo el condensador de entrada (Ce) de cada filtro en “T” (2) de un valor de tensión que es función de la atenuación realizada por los filtros “T” (2) que le preceden.
- 4.- DISPOSITIVO DE ACOPLAMIENTO DE GRAN ANCHO DE BANDA PARA LÍNEAS ELÉCTRICAS, segúnreivindicación 3, caracterizado porque la salida del último filtro en “T” (2) está conectada a un seguidor de tensión (11),que a su vez está conectado a un adaptador de impedancias (12) que se conecta a una salida (13) para obtención de la señales seleccionadas entre señales de comunicación que se envían a través de la línea eléctrica y los pulsos de descarga que se hayan producido en dicha línea eléctrica.
- 5.- DISPOSITIVO DE ACOPLAMIENTO DE GRAN ANCHO DE BANDA PARA LÍNEAS ELÉCTRICAS, según reivindicación 1, caracterizado por que comprende un circuito auxiliar de monitorización (3) de la onda de la red eléctrica.
- 6.- DISPOSITIVO DE ACOPLAMIENTO DE GRAN ANCHO DE BANDA PARA LÍNEAS ELÉCTRICAS, según reivindicación 5 por que el circuito auxiliar de monitorización (3) comprende un seguidor de tensión (4), un filtro pasobajo (5) de la señal de potencia de la red eléctrica, un amplificador de ganancia variable (6), un girador de fase electrónico (7) de compensación de la fase del filtro en “T” (2) a la frecuencia de funcionamiento de la línea eléctrica, un adaptador de impedancias (8) y un módulo de monitorización (9) de la onda, para monitorizar la onda de potencia de la red eléctrica.ES 2 402 508 AlES 2 402 508 AlES 2 402 508 Al
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