Sistema y procedimiento de detección de arcos eléctricos.

Un sensor (10) para detectar simultáneamente luz (26) y ondas acústicas (28),

comprendiendo el sensor:una o más fibras ópticas (14, 15, 36);

un diafragma (12) dispuesto cerca de un extremo de al menos una de la una o más fibras ópticas (14, 15,36), estando configurada la una o más fibras ópticas (14, 15, 36) para transmitir la luz desde una fuente(56) de luz sobre el diafragma (12) y para recibir un rayo (31) de luz reflejada desde el diafragma (12), yestando configurado el diafragma (12) para vibrar ante la incidencia de ondas acústicas (28) procedentesde un arco eléctrico; y

una zona semitransparente (20) dispuesta alrededor de la una o más fibras ópticas (14, 15, 36) paradifundir la luz (26) originada por el arco eléctrico hacia al menos una de la una o más fibras ópticas (14, 15,36).

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E11164071.

Solicitante: GENERAL ELECTRIC COMPANY.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 1 RIVER ROAD SCHENECTADY, NY 12345 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: CHEN, QIN, MAO,ZHIHONG, WU,JUNTAO, XIA,HUA, DEVEAUX,ROBERT, ALLCOCK,DAVID JOHN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H02H1/00 ELECTRICIDAD.H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA.H02H CIRCUITOS DE PROTECCION DE SEGURIDAD (indicación o señalización de condiciones de trabajo indeseables G01R, p. ej. G01R 31/00, G08B; localización de defectos a lo largo de las líneas G01R 31/08; dispositivos de protección H01H). › Detalles de circuitos de protección de seguridad.

PDF original: ES-2434026_T3.pdf

 

Sistema y procedimiento de detección de arcos eléctricos.

Fragmento de la descripción:

Sistema y procedimiento de detección de arcos eléctricos Antecedentes La invención se refiere, en general, a la detección de arcos eléctricos, o descargas de arco, y, en particular, a sensores de arcos eléctricos.

Los circuitos de corriente eléctrica y los equipos de conmutación tienen conductores separados por aislamiento. En algunas aplicaciones, el espacio de aire a menudo sirve como parte, o como un todo, de este aislante. Si los conductores están demasiado cerca entre sí, o la tensión excede el nivel de aislamiento, puede producirse un arco entre los conductores. El aire, o cualquier otro aislante (gas, sólido, o líquido) entre los conductores, puede ionizarse, haciendo que el aislante se vuelva conductivo y permitiendo por lo tanto un suceso de formación de arco. Los sucesos de arco pueden inducir temperaturas que pueden alcanzar hasta 20.000 ºC, vaporizar los conductores y los materiales adyacentes, y liberar una energía explosiva que destruya los circuitos colindantes.

Un arco eléctrico normalmente es el resultado de una liberación rápida de energía debido a un fallo con formación de arco entre las dos fases, o entre una fase y un neutro o tierra. Un arco eléctrico puede producir un calor elevado, luz intensa, y ondas acústicas similares a las de una explosión. Sin embargo, una corriente de fallo con arco normalmente posee una magnitud mucho menor en comparación con una corriente de cortocircuito, y los disyuntores no necesariamente reaccionan ante tales magnitudes de corriente mas bajas. Normalmente, las técnicas de mitigación de arcos eléctricos utilizan fusibles y disyuntores convencionales. Sin embargo, tales técnicas tienen tiempos de respuesta lentos y no son lo suficientemente rápidas como para mitigar un arco eléctrico.

Una técnica para mitigar fallos de arco consiste en reducir el tiempo de respuesta de los sensores de arco. Por ejemplo, puede lograrse un tiempo de respuesta reducido detectando características específicas del suceso de formación de arco, tal como la luz. Los sensores ópticos detectan la luz dentro de un recinto y determinan la aparición del suceso de formación de arco eléctrico. Sin embargo, tal procedimiento de detección de luz puede llevar a una falsa detección de arcos cuando se detecta luz parásita o luz de otras fuentes. Adicionalmente, tales procedimientos no proporcionan información referente a la localización del suceso de formación de arco. Otras técnicas incluyen implementar sensores de presión dentro del recinto para detectar cambios en la presión inducidos por un arco eléctrico. Sin embargo, tales procedimientos resultan en una detección retardada dado que el aumento de la presión requiere una cantidad significativa de tiempo.

El documento US 2007/014060 describe un sensor para detectar fallos de arco, combinando el sensor un fotodetector, un detector de presión, y un acelerómetro junto con una circuitería integrada. La circuitería controla cada uno de los detectores, opera el circuito de autoverificación, condiciona las señales de los detectores, y se comunica con la red externa. La circuitería recibe comandos desde la red y transmite la decisión de salida desde el sensor.

El documento US 2008/075404 describe un sensor de fibra óptica que comprende un diafragma vibrante, una fibra óptica mono modo que tiene una cara extrema y una cavidad de tipo Fabr y -Perot entre el diafragma y la cara extrema, en el cual el sensor está adaptado para detectar en línea una firma acústica de formación de chispas y de arco en una multitud de aplicaciones.

El documento WO 2010/147832 describe un aparato para detectar arcos. El aparato incluye un sensor de fibra para detectar características de un arco eléctrico y un procesador para procesar al menos dos características del arco eléctrico. El procesador está configurado adicionalmente para generar una señal de fallo de arco. Un dispositivo protector está configurado para mitigar el arco eléctrico en base a la señal de fallo de arco.

Existe una necesidad de un mecanismo de prevención de arcos eléctricos mejorado, que tenga un tiempo de respuesta mejorado y minimice las falsas alarmas.

Breve descripción La invención reside en un sensor para detectar simultáneamente luz y ondas acústicas, y en un procedimiento según lo recitado en las reivindicaciones adjuntas.

Dibujos Estas y otras características, aspectos, y ventajas de la presente invención se comprenderán mejor al leer la siguiente descripción detallada con referencia a los dibujos adjuntos, en donde los mismos caracteres representan las mismas partes en todos los dibujos, en los cuales:

La FIG. 1 ilustra un sensor de arcos eléctricos de acuerdo con una realización de la invención;

La FIG. 2 ilustra un sensor de arcos eléctricos de acuerdo con otra realización de la invención;

La FIG. 3 ilustra un sensor de arcos eléctricos de acuerdo con otra realización de la invención;

La FIG. 4 es un diagrama de bloques de un sistema de detección de arcos de acuerdo con una realización de la invención;

La FIG. 5 es un diagrama de bloques de un sistema de detección de arcos de acuerdo con otra realización de la invención;

La FIG. 6 es un diagrama de bloques de otro sistema de detección de arcos;

La FIG. 7 es un diagrama de bloques de otro sistema de detección de arcos;

La FIG. 8 es un gráfico de señales acústicas y luminosas detectadas a partir de un arco eléctrico en el tiempo, de acuerdo con una realización de la invención;

La FIG. 9 ilustra un sistema de distribución eléctrica que implementa sensores de arco de acuerdo con una realización de la invención;

La FIG. 10 ilustra diversas realizaciones del diafragma implementado en los sensores de arcos eléctricos; y

La FIG. 11 ilustra la respuesta de frecuencia de los diafragmas de la FIG. 10.

Descripción detallada La FIG. 1 ilustra un sensor de arcos eléctricos de acuerdo con una realización de la invención. El sensor 10 incluye un diafragma 12 dispuesto cerca de un extremo 13 de una fibra óptica 14 que tiene un núcleo 16 de la fibra y un revestimiento 18 de la fibra. En una realización, el diafragma 12 está configurado para vibrar ante la incidencia del sonido (ondas acústicas) de un arco eléctrico, y para reflejar la luz de un rayo láser 30 en el núcleo 16 de fibra. Tal como se utilizan en el presente documento, las ondas acústicas pueden incluir también ondas de presión. En una realización, el diafragma comprende un material opaco fabricado con una fina película y dispuesto en una posición alargada. En otra realización, el diafragma comprende un material semitransparente. El material semitransparente puede incluir, por ejemplo, una película delgada que haya sido previamente estirada para responder a las dinámicas de presión del aire externo y permitir la transmisión de la luz entre un 30% y un 60% aproximadamente. En una realización, para evitar la saturación de los conjuntos de fotodetectores o detectores, el diafragma comprende un material polimérico metalizado. Durante la fabricación del diafragma, puede controlarse la deposición de una delgada película metalizada sobre la película polimérica para lograr un grosor deseado.

Para proporcionar protección al diafragma durante el funcionamiento, al tiempo que aún se permite la detección de las ondas acústicas, puede encerrarse el diafragma 12 dentro de un manguito protector 22 y de una pantalla protectora 24 que permita que las ondas acústicas del ambiente exterior alcancen el diafragma. Un portafibra 20 está dispuesto alrededor de la fibra óptica 14. En una realización, el portafibra incluye una zona semitransparente configurada para difundir la luz procedente del arco eléctrico dentro del núcleo 16 de fibra. Pueden proporcionarse uno o más agujeros 25 opcionales que miden entre 0, 5 mm y 2 mm de diámetro aproximadamente para mejorar la detección de la luz del arco eléctrico. En esta realización, la luz generada por el arco eléctrico se dirige a través del agujero opcional 25 hacia la fibra 14. En realizaciones en las cuales la pantalla protectora 24 y el diafragma 12 permiten el paso de cierta luz, puede dirigirse adicionalmente la luz del arco eléctrico hacia la fibra 14 a través de la pantalla protectora y el diafragma.

En una operación ejemplar, el sensor 10 está configurado para recibir ondas acústicas 28 y luz 26 de un arco eléctrico. El sensor 10 está configurado para obtener señales representativas de las ondas acústicas y de la luz simultáneamente. Tal acercamiento integrado de detección simultánea de ondas acústicas y de luz minimiza las falsas alarmas y permite una temprana detección del arco eléctrico. El núcleo 16 de la... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un sensor (10) para detectar simultáneamente luz (26) y ondas acústicas (28) , comprendiendo el sensor:

una o más fibras ópticas (14, 15, 36) ;

un diafragma (12) dispuesto cerca de un extremo de al menos una de la una o más fibras ópticas (14, 15, 5 36) , estando configurada la una o más fibras ópticas (14, 15, 36) para transmitir la luz desde una fuente (56) de luz sobre el diafragma (12) y para recibir un rayo (31) de luz reflejada desde el diafragma (12) , y estando configurado el diafragma (12) para vibrar ante la incidencia de ondas acústicas (28) procedentes de un arco eléctrico; y

una zona semitransparente (20) dispuesta alrededor de la una o más fibras ópticas (14, 15, 36) para difundir la luz (26) originada por el arco eléctrico hacia al menos una de la una o más fibras ópticas (14, 15, 36) .

2. El sensor de la reivindicación 1, en el cual la una o más fibras ópticas (14, 15, 36) comprenden al menos una fibra óptica para transmitir la luz (26) generada por un arco eléctrico hacia un sistema (50) de detección.

3. El sensor de la reivindicación 1 ó 2, en el cual la una o más fibras ópticas (14, 15, 36) comprenden una primera fibra óptica (14) que tiene un extremo cerca del diafragma (12) para transmitir la luz (30) desde la fuente (56) de luz hasta el diafragma (12) , y para transmitir el rayo (31) de luz reflejada desde el diafragma (12) hacia un sistema (50) de detección, y una segunda fibra óptica (36) que tiene un extremo dispuesto dentro de la zona semitransparente (20) para transmitir la luz (26) resultante del arco eléctrico hacia el sistema (50) de detección.

4. El sensor de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual la una o más fibras ópticas comprenden 20 una primera fibra óptica (14) que tiene un extremo cerca del diafragma (12) para transmitir la luz desde una fuente (56) de luz hasta el diafragma (12) , una segunda fibra óptica (15) que tiene un extremo cerca del diafragma (12) para transmitir el rayo (31) de luz reflejada hacia un sistema de detección, y una tercera fibra óptica (36) que tiene un extremo dispuesto dentro de la zona semitransparente (20) para transmitir la luz resultante del arco eléctrico hacia el sistema (50) de detección.

5. El sensor de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende adicionalmente una pantalla protectora (24) fijada al manguito protector (22) y configurada para permitir que las ondas acústicas alcancen el diafragma (12) al tiempo que evita que los contaminantes alcancen el diafragma (12) .

6. El sensor de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el diafragma (12) comprende al menos uno de un material transparente, semitransparente, u opaco.

7. Un sistema de detección de arcos eléctricos, que comprende el sensor (52) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6;

uno o más fotodetectores (70, 72) configurados para detectar diferentes longitudes de onda de la luz reflejada y difundida (31, 64) ; y

un procesador (62) acoplado al uno o más fotodetectores (70, 72) y configurado para generar una señal (70) de fallo 35 de arco al detectar una descarga (48) de arco eléctrico.

8. El sistema de detección de arcos eléctricos de la reivindicación 7, que comprende adicionalmente unos filtros ópticos (66) acoplados entre el sensor (52) y los fotodetectores (70, 72) , en el cual los filtros (66) comprenden al menos uno de entre un filtro de paso bajo y un filtro de paso banda acoplado entre el sensor (52) y los fotodetectores (70, 72) .

9. El sistema de detección de arcos eléctricos de las reivindicaciones 7 ó 8, que comprende adicionalmente un dispositivo (74) de protección acoplado al procesador (62) , en el cual el procesador (62) está configurado para proporcionar la señal de fallo de arco al dispositivo (74) de protección, al detectar la descarga (48) del arco eléctrico.

10. Un procedimiento que comprende:

transmitir luz mediante una o más fibras ópticas (14, 15, 36) desde una fuente (56) de luz sobre un diafragma (12) ;

difundir la luz (26) originada por un arco eléctrico hacia al menos una de la una o más fibras ópticas (14, 15, 36) mediante una zona semitransparente (20) dispuesta alrededor de la una o más fibras ópticas (14, 15, 36) , estando configurado el diafragma (12) para vibrar ante la incidencia de unas ondas acústicas (49) procedentes del arco eléctrico;

transmitir la luz (31) originada desde dichas una o más fibras ópticas (14, 15, 36) y reflejada desde el diafragma (12) , y la luz difundida (64) hasta un sistema (50) de detección a través de una o más fibras 5 ópticas (14, 15, 36) ;

filtrar y procesar la luz reflejada y transmitida (31, 64) para detectar una descarga de arco eléctrico.

11. El procedimiento de la reivindicación 10, en el cual el procesamiento comprende determinar un retardo temporal entre la detección de unas ondas acústicas (49) que sean indicativas de un arco eléctrico y la detección de una luz (64) que sea indicativa de un arco eléctrico.

12. El procedimiento de la reivindicación 10 ó 11, que comprende adicionalmente generar una señal (73) de fallo de arco para mitigar el arco eléctrico.

13. El procedimiento de la reivindicación 10 a 12, en el cual el filtrado comprende detectar la luz de una pluralidad de longitudes de onda.

14. El procedimiento de la reivindicación 10 a 13, que comprende adicionalmente activar un dispositivo protector 15 (74) al detectar la descarga (48) de arco eléctrico.


 

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