ES2922882A1 - Dispositivo de detección y medición de corrientes eléctricas asociadas con descargas de corona durante la actividad de tormenta - Google Patents

Abstract

Dispositivo de detección y medición de corrientes eléctricas asociadas con descargas de corona durante la actividad de tormenta que, comprendiendo de un sensor (1) en cuestión, dispone de conexiones en cascada desde el transformador de corriente, por los dispositivos de protección (4), el circuito conformador de ondas (5), el circuito de cancelación de ruido (6), el circuito extractor de señal (7) hasta al circuito de medición (8).

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de detección y medición de corrientes eléctricas asociadas con descargas de corona durante la actividad de tormenta

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención, tal como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un sensor de corrientes eléctricas de baja amplitud de origen atmosférico, optimizado para las descargas de corona en conductores, aportando, a la función a que se destina, ventajas y características, que se describen en detalle más adelante, que suponen una mejora del estado actual de la técnica.

Más en particular, el objeto de la invención se centra en un sistema para medir y detectar corrientes eléctricas a través de una sección conductora, produciendo una señal medible proporcional a la corriente eléctrica. Para ello, comprende un sensor magnético que se acopla al entorno del conductor y que no afecta el circuito al que se inserta. Las señales obtenidas en la salida del medidor se pueden utilizar en la producción de alarmas para detectar corrientes impulsivas a través del conductor, en el cálculo de corrientes y cargas eléctricas transferidas durante eventos de descarga de corona.

CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El campo de aplicación de la presente invención se enmarca en el sector de la protección contra rayos, centrándose particularmente en el ámbito de la industria dedicada a instalaciones con sistemas de alerta sobre rayos.

Los sistemas de protección contra rayos se componen de tres subsistemas, diseñados para interceptar un rayo a la estructura (a través del subsistema de captación); Conducir la corriente del rayo a la tierra de forma segura (a través del subsistema de los conductores de bajada) y dispersar la corriente del rayo a la tierra (a través del subsistema de puesta a tierra).

Actualmente, no es posible obtener una protección absoluta contra los rayos. El grado de protección se define a nivel internacional según un análisis de riesgo, especificando un nivel de protección (I, II, III, IV). El nivel más alto de protección es el nivel I, que ofrece la mayor probabilidad de capturar un rayo para un rango determinado de intensidad (corriente).

Además de la protección que ofrecen dichos dispositivos, existe interés en la información que se puede obtener de las corrientes eléctricas que fluyen por el captador. En este contexto, las descargas en corona y los trazadores ascendentes son fenómenos físicos que preceden a la descarga atmosférica, provocados por un aumento intenso y usualmente rápido en el nivel del campo eléctrico local en la punta del pararrayos.

Dentro de las nubes, las colisiones de diferentes partículas de hielo son responsables por la producción de cargas eléctricas. Procesos macrofísicos y microfísicos ocurren simultáneamente y mediante la separación de cargas, se forma la nube de tormenta.

La formación de estructuras cargadas eléctricamente en la atmósfera altera significativamente el campo eléctrico a nivel del suelo, estableciendo una diferencia de potencial considerable entre las partes inferiores de la nube y el suelo. En estructuras conectadas a tierra, como postes, torres, e incluso en cuerpos no conductores, como árboles y edificios en general, las cargas eléctricas se mueven y se concentran en los extremos de dichas superficies, aumentando la densidad de las cargas eléctricas y promoviendo una elevación del campo eléctrico local.

La aceleración de electrones libres en la vecindad de estas superficies puede producir colisiones con moléculas neutras en el medio, ionizándolas. Este proceso libera electrones adicionales que se aceleran y chocan con más átomos, iniciando una reacción en cadena, llamada efecto de avalancha. Si el campo eléctrico local excede un valor crítico (en el aire, a presión atmosférica, el valor de rigidez dieléctrica es aproximadamente 30 kV/cm), aparecen pequeñas regiones ionizadas donde ocurren las descargas corona.

Las descargas corona se caracterizan por la formación de plasma (regiones de aire ionizado) en los extremos de las superficies con campos eléctricos locales elevados. En los conductores puestos a tierra con elementos expuestos caracterizados por su forma puntiaguda, esquinas, cantos metálicos, o cables de pequeño diámetro, la primera etapa de dichas descargas se caracteriza por una corriente impulsiva (pulsante) y acompañadas de emisiones de radiación ultravioleta. Los rayos y sus variaciones rápidas del campo eléctrico asociadas también pueden provocar descargas de corona en estructuras conectadas a tierra.

La corriente eléctrica medible en la etapa inicial de descargas de corona de elementos puntiagudos tiene una característica impulsiva, su forma de onda tiene un tiempo de subida extremadamente rápido, de unas pocas decenas de nanosegundos y una duración del orden de unos pocos cientos de nanosegundos. La corriente máxima observada depende de la estructura en cuestión y puede variar desde decenas de microamperios hasta decenas de amperios.

Durante las tormentas, el rápido aumento del campo eléctrico puede contribuir a la formación de streamers o trazadores ascendentes a partir de estructuras conectadas a tierra, que a su vez pueden desencadenar una descarga atmosférica. La posibilidad de detectar y medir corrientes de descarga corona, que puede ser un precursor del rayo, en sistemas de protección es una novedad que permite evaluar cómo los niveles bajos de corriente afectan a dichos sistemas y cómo se puede utilizar esta información en la producción de alarmas para protección eléctrica.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Como referencia al estado actual de la técnica cabe señalar que, si bien son ampliamente conocidos distintos tipos de sensores de corriente y sistemas de protección contra rayos. Sin embargo, se desconocen los sistemas que se enfocan en medir corrientes bajas impulsivas de las descargas de corona que sean resistentes a corrientes de alta amplitud producida por los rayos.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El dispositivo de detección y medición de corrientes eléctricas asociadas con descargas de corona durante la actividad de tormenta que la invención propone supone una mejora frente al estado actual de la técnica, estando los detalles caracterizadores que lo hacen posible y que lo distinguen convenientemente recogidos en las reivindicaciones finales que acompañan a la presente descripción.

En concreto, lo que la invención propone, como se ha apuntado anteriormente, es un sensor que comprende un sistema para detectar y medir corrientes eléctricas que se producen a través de un conductor, y que se pueda obtener una señal medible, proporcional a las variaciones de corrientes. El sensor debe tener un ancho de banda compatible con las frecuencias de las señales impulsivas de la descarga de corona, sensibilidad a corrientes bajas y soportar corrientes altas, resultado del impacto de rayos directamente sobre los conductores en los que se puede instalar el sensor.

Las señales obtenidas a través del sensor se pueden utilizar para varias aplicaciones relacionadas con la medición y detección de descargas corona, y otras pequeñas corrientes que pueden fluir en la sección conductora a la que se acopla el sensor. A modo de ejemplo, cabe mencionar, en el ámbito de la protección eléctrica contra descargas atmosféricas, en los dispositivos pararrayos y relámpagos con dispositivo de cebado (PDCs) y puntas tipo Franklin. El sensor se puede utilizar en campo, proporcionando información sobre corrientes por parte de los dispositivos de protección, o en pruebas de validación de estos dispositivos, en las que se busca verificar las primeras emisiones de descargas corona. Otra posible aplicación está relacionada con las turbinas eólicas, en las que el dispositivo puede utilizarse para la detección y/o medición de descargas electrostáticas de las palas del aerogenerador y su góndola.

Las señales obtenidas por el dispositivo se pueden utilizar para alimentar algoritmos de detección o medición para descargas de corona. Se pueden integrar formas de onda de corriente eléctrica y se puede obtener una estimación de la carga eléctrica transferida. Al tratarse de un dispositivo para medir corrientes impulsivas con descargas muy rápidas, el sensor debe estar acoplado a un conductor conectado a unos metros del punto de descarga, con el fin de minimizar los efectos inductivos y otras interferencias provocadas por el ruido en las señales obtenidas.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, de un plano, en que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:

- La figura 1 muestra una representación esquemática del circuito de medición acoplado al conductor, donde se han representado el transformador de corriente utilizado, y los elementos que manejan las señales de entrada en la realización preferente de la invención.

- La figura 2 muestra una representación esquemática de una posible aplicación de sensor junto con un sistema de control y adquisición, que proporciona funciones e interfaz de usuario.

- La figura 3 muestra la forma de onda típica que el dispositivo está diseñado para medir.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las mencionadas figuras, se puede apreciar en ellas un ejemplo de realización no limitativo del medidor de corrientes eléctricas asociadas con descargas de corona durante la actividad de tormenta, el cual comprende lo que se describe en detalle a continuación, de acuerdo con la siguiente lista de referencias asignadas a cada elemento:

1. Sensor

2. Conductor de bajada

3. Sensor inductivo

4. Dispositivos de protección

5. Circuito conformador de ondas

6. Circuito de cancelación de ruido

7. Circuito de extracción de señales

8. Circuito de medición

9. Salida de voltaje, proporcional a la densidad de pulsos de corona detectados

10. Salida de voltaje, proporcional al nivel de ruido detectado

11. Salida de pulsos, de indicación de presencia de corona

12. Salida de pulsos, de detección de impulsos de rayo

13. Unidad de procesamiento

14. Controlador digital

15. Módulo de comunicaciones

16. Módulo de interfaz de usuario

17. Módulo de registro de datos.

Así, tal como se observa en la figura 1, el sensor (1) en cuestión, dispone de conexiones en cascada desde el sensor inductivo (3) al circuito de medición (8). Los circuitos intermedios son, respectivamente, los dispositivos de protección (4), el circuito conformador de ondas (5), el circuito de cancelación de ruido (6) y el circuito extractor de señal (7).

Los sensores inductivos (3) producen un voltaje de salida proporcional a la variación de corriente medida en un ancho de banda específico. La transferencia de potencia al circuito de medición queda limitada por las características intrínsecas del sensor inductivo. Los dispositivos de protección (4) contra sobretensiones limitan la amplitud de las sobretensiones inducidas por las corrientes impulsivas de gran magnitud en el conductor de bajada (2), que conduce la corriente del rayo a la tierra de forma segura. Dichos dispositivos actúan rápidamente contra estas sobretensiones y garantizan la menor interferencia posible en la medición realizada.

El circuito conformador de ondas (5) aplica una función de transferencia no lineal para acondicionar la señal dentro del rango deseado para los circuitos de medición, así como para garantizar la limitación de la señal mediante la saturación de algunos componentes.

El contenido de frecuencia de las señales de descarga de corona es muy similar a la radiación impulsiva en VHF que puede detectarse durante los procesos de formación de rayos. De tal manera, el circuito de cancelación de ruido (6) atenúa los componentes no deseados en la medición y aumenta la relación señal/ruido.

El circuito extractor de señales (7) separa las detecciones de descargas en corona de las detecciones de las corrientes impulsivas relacionadas con la formación de los líderes, o incluso la ocurrencia de impactos de rayo. Este circuito contribuye a minimizar los errores de detección producidos por el sistema.

El circuito de medición (8) proporciona: una salida de voltaje (9) que es proporcional a la densidad de pulsos de corona detectados, una salida de voltaje (10) proporcional al nivel de ruido detectado, una salida de pulsos (11) de indicación de presencia de corona y una salida de pulsos (12) de detección de impulsos de rayo.

En la Figura 2, en una realización opcional, el sensor (1) está conectado a una unidad de procesamiento (13) que comprende los siguientes elementos: un controlador digital (14), un módulo de comunicaciones (15), un módulo de interfaz de usuario (16) y un módulo de registro de datos (17). El módulo de comunicaciones (15) puede comprender distintas posibilidades de comunicación, como Wi-Fi, Bluetooth, cables ópticos, Ethernet o cable serie. El usuario puede interactuar para obtener información del sistema o modificar sus parámetros a través de la interfaz de usuario (16).

En la Figura 3, se muestra un esquema de las formas de onda que el dispositivo es capaz de medir, en general, el dispositivo responde a la excitación de descargas impulsivas con tal forma de onda en un amplio rango de amplitudes, en las cuales las corrientes de pico (Ip) pueden variar desde decenas de microamperios hasta decenas de amperios. El ancho de banda de lectura del dispositivo incluye formas de onda con tiempos de subida (Ts) de decenas de nanosegundos a decenas de microsegundos, y tiempos de duración (Td) de cientos de nanosegundos a cientos de microsegundos. Además de la capacidad de medir corrientes en este amplio rango de valores, el dispositivo se caracteriza por resistir y detectar corrientes eléctricas de líderes ascendentes y rayos, los cuales tienen tiempos de subida y duración que pueden alcanzar decenas de milisegundos y amplitudes que pueden llegar a cientos de kiloamperios.

Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, no se considera necesario hacer más extensa su explicación para que cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventajas que de ella se derivan, haciéndose constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba siempre que no se altere, cambie o modifique su principio fundamental.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1. - Dispositivo de detección y medición de corrientes eléctricas asociadas con descargas de corona durante la actividad de tormenta, que comprende:

   - un sensor inductivo (3), conectado en un conductor de bajada (2) que conduce la corriente del rayo a la tierra de forma segura, que produce un voltaje de salida proporcional a la variación de corriente medida en un ancho de banda específico;

   - unos dispositivos de protección (4) contra sobretensiones, que limitan la amplitud de las sobretensiones inducidas por las corrientes impulsivas de gran magnitud en el conductor de bajada (2);

   - un circuito conformador de ondas (5), que aplica una función de transferencia no lineal para acondicionar la señal dentro del rango deseado para los circuitos de medición, al tiempo que garantiza la limitación de la señal mediante la saturación de algunos componentes; y

   - un circuito de medición (8), que dispone de al menos una salida de voltaje (9) que es proporcional a la densidad de pulsos de corona detectados;

   en el que todos estos circuitos están conectados en cascada y sucesivamente a partir del conductor de bajada (2).

   2. - Dispositivo, según la reivindicación 1, caracterizado por que, a continuación del circuito conformador de ondas (5), comprende un circuito de cancelación de ruido (6), que atenúa los componentes no deseados en la medición y aumenta la relación señal/ruido; y por que el circuito de medición (8) incluye una salida de voltaje (10) medible que indica el nivel de ruido de la medición.

   3. - Dispositivo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que, a continuación del circuito conformador de ondas (5), comprende un circuito extractor de señal (7) que separa las detecciones de descargas en corona de las detecciones de las corrientes impulsivas relacionadas con la formación de los líderes, o incluso la ocurrencia de impactos de rayo, a fin de minimizar los errores de detección producidos por el sistema; y por que el circuito de medición (8) incluye una salida de pulsos (11) de indicación de la presencia de efecto corona y una salida de pulsos medibles (12), que proporciona detección de corrientes eléctricas de líderes ascendentes y rayos.

   4 - Dispositivo, según la reivindicación 1, caracterizado por que la señal medible de la salida de voltaje (9), proporcional a la intensidad de las descargas de corona observables a través de un conductor de bajada (2), proporciona mediciones en:

   - un rango de corrientes de pico (Ip) desde decenas de microamperios hasta decenas de amperios,

   - unos tiempos de subida (Ts) de decenas de nanosegundos a decenas de microsegundos, y

   - unos tiempos de duración (Td) de cientos de nanosegundos a cientos de microsegundos.

   5. - Dispositivo, según la reivindicación 3, caracterizado por que la señal de la salida de pulsos (11) proporciona detección de descargas debidas al efecto corona en:

   - un rango de corrientes de pico (Ip) desde decenas de microamperios hasta decenas de amperios,

   - unos tiempos de subida (Ts) de decenas de nanosegundos a decenas de microsegundos, y

   - unos tiempos de duración (Td) de cientos de nanosegundos a cientos de microsegundos.

   6. - Dispositivo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende una unidad de procesamiento (13) asociada al mismo que incluye un controlador digital (14) para ser utilizado por un sistema de adquisición de datos digital.

   7. - Dispositivo, según la reivindicación 6, caracterizado por que el controlador digital (14) comprende un módulo de comunicaciones (15).

   8. - Dispositivo, según las reivindicaciones 6-7, caracterizado por que la unidad de procesamiento (13) comprende una interfaz de usuario (16), a través de la cual un usuario accede a los datos registrados en un módulo de registro de datos (17) para obtener información del sistema o modificar sus parámetros.

   9. - Uso del dispositivo de las reivindicaciones anteriores para medición y/o detección de descargas electrostáticas de las palas de aerogeneradores y su góndola.