Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión para monitorizar el estado del aislamiento a alta tensión de un sistema (20) eléctrico,

que comprende una unidad (19a) de medición de impedancia, en el que la unidad de medición de impedancia comprende:

un canal de entrada para recibir una señal de voltaje de entrada del sistema eléctrico;

una primera derivación (26) que contiene un primer conjunto de componentes eléctricos que presentan una primera impedancia para una o más señales de descarga parcial contenidas dentro de la señal de voltaje de entrada y una tercera impedancia para una señal de información del ciclo de potencia contenida dentro de la señal de voltaje de entrada; y

una segunda derivación (31), paralela eléctricamente a la primera derivación (26), que comprende un segundo conjunto de componentes eléctricos que presenta una segunda impedancia para una o más señales de descarga parcial y una cuarta impedancia para la señal de información del ciclo de potencia;

en el que una magnitud de la primera impedancia es mayor que una magnitud de la segunda impedancia de manera tal que la una o más señales de descarga parcial se transmiten preferencialmente a través de la segunda derivación (31) y una magnitud de la cuarta impedancia es mayor que una magnitud de la tercera impedancia de manera tal que la señal de información del ciclo de potencia se transmite preferencialmente a través de la primera derivación (26); y en el que la segunda derivación (31) facilita una medida de la carga aparente de una o más señales de descarga parcial

Sensor de monitorización de aislamiento a alta tensión.

La presente invención se refiere al campo de la monitorización de aislamiento a alta tensión y, concretamente, a un sensor para monitorización de condiciones de aislamiento a alta tensión de un sistema de generación, transmisión o distribución eléctrica y/o a un elemento de planta.

Las descargas parciales son chispas pequeñas que constituyen una medida importante del estado de aislamiento dentro de un sistema de generación, transmisión y distribución eléctrica o elemento de planta. Las descargas parciales se producen cuando el aislamiento comienza a deteriorarse y, una vez extendido, se convierte en fuente predominante de la descomposición del aislamiento. Las descargas parciales pueden producirse también en sistemas de alta tensión debido a partículas flotantes, vacías en el aislamiento, conectores flojos, rebabas y puntos cortantes. La necesidad de monitorizar descargas parciales es crítica en los esfuerzos para evaluar el estado de un defecto o el estado del aislamiento y también en las pruebas para evaluar el tiempo de vida del propio elemento de la planta. Poder monitorizar fiablemente descargas parciales facilita la administración de suspensiones previstas, necesarias para llevar a cabo la sustitución o mantenimiento de partes componentes, de manera económica prestando al mismo tiempo, no obstante, un servicio de electricidad eficiente a usuarios finales. El documento US-A-6 088 205 revela un interruptor de circuito en fallo por arco para proporcionar protección contra fallos potencialmente peligrosos.

Un segundo diagnóstico asociado con distribuciones eléctricas y/o elementos de planta es información de ciclo de potencia. La información de ciclo de potencia es importante por dos razones. En primer lugar, esta información ayuda en la interpretación y comprensión de los mecanismos y, concretamente, de los fallos asociados con ciertas formas de descarga parcial. Se sabe que las formas de fallos concretos se pueden construir sobre la base del tamaño de los eventos de descarga parcial individuales, su frecuencia de ocurrencia y también sobre la base de localizaciones de fase precisas en las que se producen dentro de ciclos de energía individuales. Dichos formatos se denominan en el estado de la técnica formatos F-q-n, que se refieren a fases en el ciclo, carga aparente asociada con el evento de descarga parcial y la frecuencia de ocurrencia en la fase. En particular, ha sido posible diferenciar entre corona, descargas de superficie, descargas de vacío y descargas de punto flotante de una comprensión de esto formatos de descarga.

La segunda razón de la importancia de la información de ciclo de potencia se refiere al hecho de que el conocimiento de la forma de onda del ciclo de potencia permite que la calidad de la energía sea evaluada. Las mediciones de la calidad de la energía para sistemas de distribución se describen en el Estándar EN/IEC 50160 titulado "Características de la tensión de electricidad suministrada por sistemas de distribución públicos". Este estándar describe las normas específicas relativas a la calidad de la potencia, y en particular, se refiere a la monitorización de la frecuencia de la potencia eléctrica, variaciones de la tensión de suministro, cambios rápidos de la tensión de suministro, caídas de la tensión, sobrecorrientes, contenido de armónicos, contenido de interarmónicos entre fases etc. El estándar IEEE 1159 titulado "Práctica Recomendada en la Monitorización de la Calidad de Energía Eléctrica", describe siete categorías básicas en la monitorización de la calidad de potencia eléctrica es decir, sobretensiones, variaciones de corta duración, variaciones de larga duración, desequilibrio de la tensión, distorsión de forma de onda, fluctuaciones de la tensión y variaciones de la frecuencia de la potencia eléctrica.

Cuando se producen distorsión de armónicos y cambios de voltaje dentro de un ciclo de potencia esto normalmente está relacionado con saturación o sobreexcitación del sistema y es indicativo de sobrecarga o de fallo importante dentro de la generación de energía eléctrica Si esto no se afronta puede tener consecuencias graves en el funcionamiento de otras piezas de la planta así como interferencia con equipos usados por clientes comerciales y privados. De importancia adicional es el hecho de que la presencia de armónicos o de sobrevoltaje en el ciclo de potencia afectará a la naturaleza de las descargas parciales generadas. Por lo tanto, poder monitorizar simultáneamente tanto la información del ciclo de potencia como la ocurrencia de descargas parciales es de importancia crítica para interpretar y comprender la calidad de la energía y la naturaleza de la actividad de descarga parcial.

Estándar de Descarga Parcial EN/IEC60270

Un procedimiento estándar industrial para la medición de descargas parciales está contenido en el Estándar EN/IEC 60270 titulado "Técnicas de Prueba de Alta tensión -Mediciones de Descarga Parcial" (2000). Este estándar prescribe el diseño y calibración de circuitos eléctricos empleados para medir descargas parciales.

La figura 1 muestra un circuito 1 básico conforme con el estándar EN/IEC 60270 para medición de descargas parciales. En esta figura C_a representa la capacitancia de la muestra en prueba 2 de descarga parcial, C_k un condensador 3 de acoplamiento, y Zm una impedancia 4 que permite la conformación de pulsos de corriente de la descarga parcial para su medición. Z_m 4 puede adoptar muchas formas desde un simple resistor R, hasta filtros que implican combinaciones de RC y RLC. Existen también muchos diseños conocidos para los expertos en la técnica de circuitos de detección conformes con EN/IEC 60270 basados en diseños de filtro de banda estrecha y banda ancha de varios órdenes. Los circuitos de filtro de banda estrecha responden generalmente a descargas parciales de impulso rápido produciendo como respuesta una salida de forma de onda amortiguada lenta mientras que los sistemas de banda ancha producen respuestas de forma de onda de salida más rápidas.

Genéricamente, los sensores conformes con EN/IEC 60270 se calibran inyectando un voltaje de entrada gradual de tiempo de elevación de prueba a través de un condensador de calibración que da lugar a una inyección de carga conocida, Qcal, a través del condensador en el circuito de medición. Esto produce una forma de onda amortiguada u oscilatoria en la salida del sensor, representando el valor en pico, Vcal, una medida de la inyección de carga. Seguidamente, el sensor se calibra en cuanto a su sensibilidad, derivada de Qcal/Vcal que normalmente se expresa en pico Culombios por milivoltio, es decir, pC/mV. Normalmente, estas señales se amplifican y se transmiten a través de una conexión galvánica, tal como un cable coaxial, a un osciloscopio digital o analógico para medición. Una vez hechas las mediciones de descargas parciales sobre una muestra en prueba, se mide el valor en pico detectado de la señal de respuesta y este se multiplica por la sensibilidad para producir la carga aparente en pC.

Aunque los sensores conformes con el estándar EN/IEC 60270 permiten la detección de señales de descarga parcial no facilitan la extracción de la información del ciclo de potencia.

Otro Aparato de Monitorización de Descarga Parcial

Existen varios documentos de la técnica anterior que explican un aparato alternativo para medición de descargas parciales desde elementos de una central eléctrica que usa, por ejemplo, conexiones de derivación con bornas de alta tensión. Por ejemplo. La patente de EE. UU. Nº. US 3,622,872 enseña un procedimiento y un aparato para la localización de descargas en corona en un aparato de inducción eléctrica lleno de fluido, de alta tensión. Dentro del sistema descrito cualquier información del ciclo de potencia se elimina a través del filtrado y, por lo tanto, no está disponible para su uso. Por lo tanto, el aparato descrito no facilita la monitorización de descargas parciales simultáneas ni información del ciclo de potencia de un solo punto de conexión de derivación.

Aparato de Monitorización de Información del Ciclo de potencia

La patente de EE. UU, nº. US 4,757,263 enseña a adaptador de derivación de capacitancia que se puede conectar a cualquier pieza de equipo de alta tensión que tenga una derivación de bornas o condensador, por ejemplo, un transformador, y se emplea para evaluar el factor de potencia de aislamiento o capacitancia intrínseca del equipo. Cualquier cambio en la capacitancia del aislamiento interno se detecta a través...

1. Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión para monitorizar el estado del aislamiento a alta tensión de un sistema (20) eléctrico, que comprende una unidad (19a) de medición de impedancia, en el que la unidad de medición de impedancia comprende:

un canal de entrada para recibir una señal de voltaje de entrada del sistema eléctrico;

una primera derivación (26) que contiene un primer conjunto de componentes eléctricos que presentan una primera impedancia para una o más señales de descarga parcial contenidas dentro de la señal de voltaje de entrada y una tercera impedancia para una señal de información del ciclo de potencia contenida dentro de la señal de voltaje de entrada; y

una segunda derivación (31), paralela eléctricamente a la primera derivación (26), que comprende un segundo conjunto de componentes eléctricos que presenta una segunda impedancia para una o más señales de descarga parcial y una cuarta impedancia para la señal de información del ciclo de potencia;

en el que una magnitud de la primera impedancia es mayor que una magnitud de la segunda impedancia de manera tal que la una o más señales de descarga parcial se transmiten preferencialmente a través de la segunda derivación (31) y una magnitud de la cuarta impedancia es mayor que una magnitud de la tercera impedancia de manera tal que la señal de información del ciclo de potencia se transmite preferencialmente a través de la primera derivación (26); y en el que la segunda derivación (31) facilita una medida de la carga aparente de una o más señales de descarga parcial.

2. Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que el segundo conjunto de componentes eléctricos comprende un filtro (32) de paso de banda de orden múltiple cuya salida es sensible a cambios de entrada de la una o más señales de descarga parcial.

3. Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el primer conjunto de componentes eléctricos comprende un primer inductor (27) y una primera capacitancia (28) dispuestos en serie dentro de la primera derivación (26).

4. Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el primer conjunto de componentes eléctricos comprende un primer inductor y un primer resistor dispuestos en serie dentro de la primera derivación (26).

5. Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la unidad (19a) de medición de impedancia comprende además protectores (40) contra extracorrientes incorporado en paralelo con las primera (26) y segunda derivaciones (31) para dar protección contra sobretensiones dentro de la señal de voltaje de entrada a los componentes dentro de la primera y segunda derivaciones.

6. Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la unidad de medición de impedancia comprende además una tercera derivación (26b), paralela eléctricamente a la primera derivación (26), que comprende un tercer conjunto de componentes eléctricos que presenta una primera impedancia para una o más señales de descarga parcial contenidas dentro de la señal de voltaje de entrada.

7. Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión como el reivindicado en la reivindicación 6, en el que el tercer conjunto de componentes eléctricos presenta la tercera impedancia para una señal de información del ciclo de potencia contenida dentro de la señal de voltaje de entrada.

8. Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión como el reivindicado en las reivindicaciones 6 o 7, en el que el tercer conjunto de componentes eléctricos comprende un segundo inductor (27b) y una segunda capacitancia (28b) dispuestos en serie dentro de la tercera derivación (26b).

9. Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión como el reivindicado en la reivindicación 6 o 7, en el que el tercer conjunto de componentes eléctricos comprende un segundo inductor y un segundo resistor dispuestos en serie dentro de la tercera derivación (26b).

10. Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión comprende además un circuito (24) optoelectrónico para control de la unidad (19a) de medición de impedancia.

11. Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión como el reivindicado en la reivindicación 10, en el que el circuito (24 optoelectrónico comprende una fuente (35) de luz óptica empleada para comunicar ópticamente con un convertidor (36) optpeléctrico, uno o más convertidores (37, 37b) electroópticos dispuestos para obtener energía eléctrica del convertidor (36) de potencia optoeléctrico, en el que el uno o más convertidores electroópticos convierten una entrada eléctrica de la unidad de medición de impedancia en una señal óptica para su transmisión a una ubicación remota de la unidad de potencia de impedancia.

12. Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión como el reivindicado en la reivindicación 11, en el que el circuito (24) optoelectrónico comprende además una primera fibra (38) óptica, en el que la primera fibra óptica conecta la fuente (35) de luz óptica al convertidor (36) de de potencia optoeléctrica.

13. Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión como el reivindicado en la reivindicación 11 o 12, en el que el circuito (24) optoelectrónico comprende además una o más fibras (38b) ópticas, en el que la una o más fibras ópticas conecta(n) el uno o más convertidor(es) (37,37b) electroóptico(s) a la ubicación remota.

14. Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, en el que el convertidor (36) de potencia optoeléctrico presenta un medio para alimentar eléctricamente uno o más componentes de la unidad (19) de medición de impedancia.

15. Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, en el que el sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión comprende además un sistema (23) de evaluación de datos conectado remotamente a la unidad (19) de medición de impedancia por medio del circuito (24) optoelectrónico.

16. Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión comprende además un conector que provee un medio para conectar eléctricamente el canal de entrada de la unidad de medición de impedancia a una distribución eléctrica o a un elemento de planta (20).

17. Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 11 a 16, en el que el convertidor (36) de potencia optoeléctrico provee un medio para activar remotamente uno o más conmutadores relés situados en paralelo eléctrico con la primera derivación (26), en el que cuando uno o más conmutador(es) es/son activado(s) se mueve(n) desde una posición abierta a una posición cerrada de manera tal que el canal de entrada se conecta eléctricamente a la primera (26) y segunda derivaciones (31).

18. Un sensor (18) de monitorización de aislamiento a alta tensión como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 11 a 17, en el que el convertidor (36) de potencia optoeléctrico presenta un medio para alimentar eléctricamente un amplificador de la primera (26) o de la segunda (31) derivación.