La invención tiene por objeto un sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia del tipo de los producidos en las máquinas o aparatos eléctricos debidos a la rotura de las partes de menor rigidez dieléctrica de dichos aislamientos y que básicamente comprende una espira plana (7) dispuesta en un plano radial respecto del eje constituido por el conductor primario rectilíneo (8) a través del cual circulan dichos pulsos de corriente

Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia.

Objeto de la invención

La presente solicitud de Patente de Invención tiene por objeto, como su propio nombre indica, un sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia del tipo de los producidos en las máquinas o aparatos eléctricos.

Más concretamente, el sensor inductivo de la invención tiene por objeto la detección y medida de descargas parciales producidas en los materiales aislantes y/o sistemas de aislamiento de máquinas y aparatos eléctricos, descargas que tienen la forma de pequeños arcos eléctricos y que son producidas debido a la rotura de las partes de menor rigidez dieléctrica de dichos aislamientos y que se traducen en pulsos de corriente de pequeña amplitud y duraciones muy cortas.

Antecedentes de la invención

En general, es sobradamente conocido el problema de la aparición de arcos eléctricos en las máquinas y aparatos eléctricos debidos a la rotura de las partes de menor rigidez dieléctrica de un sistema aislante, normalmente en aquellas en las que por la disposición geométrica de los elementos o por sus características dieléctricas, el campo eléctrico se intensifica.

Más concretamente, estas pequeñas descargas pueden ocurrir en diferentes partes del aislamiento eléctrico, como son las pequeñas vacuolas de aire que quedan dentro del mismo o la interfase externa entre el material aislante y otras partes metálicas del sistema, produciendo pequeñas carbonizaciones locales, arranque de material aislante, depósitos de carbonilla, etc. Estos fenómenos de electroerosión producen un crecimiento de las inclusiones de aire y acaban degenerando en un cortocircuito franco del aislamiento.

Estas pequeñas descargas parciales, se producen también cuando en un sistema de aislamiento eléctrico compuesto por varias capas de materiales diferentes se producen perforaciones locales de uno de los elementos (normalmente el de menor rigidez dieléctrica) como consecuencia de la intensificación del campo eléctrico en el mismo, ya que los materiales con menor rigidez dieléctrica tienen por lo general una menor constante dieléctrica, y por tanto en ellos el campo eléctrico es más intenso que en los demás materiales. Estas descargas eléctricas implican movimientos de carga de decenas o cientos de picoculombios y presentan tiempos de duración extraordinariamente breves, del orden de algunos nanosegundos. Dado que la mayoría de los aislamientos eléctricos están formados por diversos materiales o por materiales no homogéneos, el fenómeno de las descargas parciales se presenta en mayor o menor medida en todos ellos.

Sin embargo, aunque perjudiciales e inevitables, estas descargas parciales constituyen una muy buena información para realizar una estimación acerca del grado de envejecimiento del sistema aislante de una máquina o aparato eléctrico, información que se extrae del número, amplitud y fase respecto del ciclo básico de tensión de red de 50 ó 60 Hz de dichas descargas parciales.

Así, se hace necesaria la medida y detección de este tipo de descargas para obtener información valiosa de cara a realizar un mantenimiento predictivo efectivo en ciertas máquinas y aparatos eléctricos.

Para ello, y según la figura 1 que muestra el estado de la técnica actual, son conocidos procedimientos de medida y detección de descargas parciales basados en la conexión en paralelo con el elemento aislante del objeto de ensayo (1) de un condensador de acoplamiento (2) para proporcionar un camino de cierre para estos pulsos de corriente, que se detectan como caída de tensión en una impedancia (3) conectada en serie en dicho circuito.

En dicha figura también se muestra un sistema de medida de descargas parciales (4) formado por un dispositivo que se encarga de registrar cada evento de descarga parcial que se produce en la muestra, cuantificar la carga aparente correspondiente a cada uno de ellos mediante integración de la corriente y determinar el instante en que se produce dentro del ciclo básico de tensión alterna mediante su ángulo de fase relativo. El análisis que relaciona el número de descargas parciales, su carga aparente y su posición respecto del ciclo de tensión alterna constituye el análisis clásico de descargas parciales (PRPDA, "Phase-Resolved Partial Discharge Analysis").

Sin embargo, este montaje supone una conexión directa o contacto galvánico entre el circuito principal y el circuito de medida que sólo se puede evitar mediante procedimientos muy costosos, como por ejemplo mediante acoplamientos de fibra óptica.

Este montaje, además de los inconvenientes que suponen la no existencia de aislamiento galvánico, es muy sensible al ruido electromagnético, especialmente para descargas parciales de pequeña amplitud. La solución clásica utilizada en laboratorios para paliar estos inconvenientes implica utilizar medidas de apantallamiento electromagnético muy importantes o la conexión de antenas para compensar el ruido electromagnético captado por el sistema de medida. Todo ello resulta en un sistema de medida muy complicado y que requiere ajustes "ad hoc" en cada caso.

Este sistema de detección, en su versión más clásica, cuenta también con la desventaja de presentar un ancho de banda limitado, típicamente de unos cientos de KHz., lo que se traduce en que lo que se mide no es la forma directa del pulso de corriente, sino sólo la carga eléctrica aparente puesta en juego, junto con el número de descargas y la fase. Sin embargo, esta información, aún siendo suficiente para el análisis clásico de descargas parciales (PRPDA), no basta cuando se quiere evaluar la evolución temporal de dichos pulsos de corriente, los cuales aportan información muy relevante sobre el grado de degradación del aislamiento de cara a realizar el mantenimiento predictivo.

Con objeto de obtener una mejor respuesta en términos de ancho de banda y evitar el contacto galvánico, existen también montajes mediante transformadores de intensidad de muy alta frecuencia (5) como el mostrado en la figura 2, en la cual se puede apreciar el montaje de conexión en paralelo con el elemento aislante del objeto de ensayo (1) de un condensador de acoplamiento (2) para proporcionar un camino de cierre para estos pulsos de corriente.

En este caso, si bien el ancho de banda permite obtener una respuesta en forma directa del pulso de corriente para ser entregada a un osciloscopio (6), el inconveniente estriba, por un lado, en el excesivo volumen del sensor, lo que dificulta su ubicación e integración en el propio equipo que forma el objeto de ensayo (1), así como el excesivo coste, que está directamente ligado con el de la ferrita necesaria para constituir el núcleo que tiene que dar respuesta para las elevadas frecuencias de este tipo de fenómenos.

Descripción de la invención

El sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia que la presente invención propone soluciona los inconvenientes antes señalados, pues permite la detección directa de estos pulsos sin contacto galvánico directo, con respuesta absolutamente lineal, alta inmunidad al ruido electromagnético y mediante un dispositivo de coste extraordinariamente bajo, constituyéndose así, en una alternativa efectiva y económica.

El sensor inductivo de la invención permite además una obtención precisa y con la suficiente resolución temporal como para reproducir la forma instantánea del pulso de corriente de cada descarga parcial en el tiempo, posibilitando el análisis de la evolución temporal de la forma del pulso de corriente de cada descarga parcial, indicador del tipo de degradación del aislamiento.

Por otro lado, el bajo coste y volumen del sensor inductivo de la invención permite que éste se pueda incorporar o embeber dentro de la máquina o aparato eléctrico, de forma que basta con dotarle de medios para la conexión a un dispositivo de medida (osciloscopio digital, registrador de alta frecuencia, etc.); o en su caso, un mínimo de elementos externos (un condensador de acoplamiento) para poder realizar medidas de la actividad de descargas parciales en campo sin necesidad de desmontar o desconectar la máquina o aparato eléctrico en estudio.

Así, dicha incorporación del sensor a la máquina o aparato eléctrico, podría hacerse permanente si fuese necesario... [Seguir leyendo]

1. Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia caracterizado porque comprende una espira plana (7) dispuesta en un plano radial respecto del eje constituido por el conductor primario rectilíneo (8) a través del cual circulan dichos pulsos de corriente.

2. Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia según reivindicación primera, caracterizado porque la espira (7) se cierra a través de una resistencia (12) no inductiva.

3. Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia según reivindicación segunda, caracterizado porque comprende varias espiras (7) en diferentes planos radiales, en donde dichas espiras (7) se conectan en paralelo con la resistencia (12).

4. Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un condensador de acoplamiento (2) para la medida de los pulsos del objeto de ensayo (1).

5. Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia según reivindicación cuarta, caracterizado porque comprende un segundo condensador de acoplamiento capacitivo a cuya salida se recoge una señal directamente proporcional a la tensión instantánea aplicada al aislamiento de la máquina o aparato eléctrico sobre el que se están efectuando las medidas.

6. Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la espira (7) es de forma rectangular.

7. Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia según reivindicación sexta, caracterizado porque la espira (7) comprende vértices redondeados.

8. Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia según reivindicaciones 1, 6 o 7, caracterizado porque la espira (7) tiene una longitud total de 0,3 m.

9. Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia según reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque los lados largos (9) de la espira (7) miden 0,12 m cada uno y los lados cortos (10) 0,09 m cada uno.

10. Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque comprende un amplificador-integrador de muy alta frecuencia.

11. Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia según reivindicación 10, caracterizado porque comprende conexiones externas mediante las cuales programar de forma remota la ganancia del amplificador.

12. Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende medios fijos (15) para ser incorporado de forma permanente a la máquina o aparato eléctrico objeto de ensayo (1) de forma que pueda monitorizarse dicho aparato durante un período prolongado.

13. Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende dos espiras (7, 7'), situadas una a cada lado del conductor primario rectilíneo (8).

14. Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia según 13, caracterizado porque comprende medios de conexión (16) que permitan la conexión selectiva de sólo una de dichas espiras (7) o las dos (7, 7').

15. Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende una placa de circuito impreso (13) por la que se hace pasar el conductor primario rectilíneo (8), y al menos una espira (7).

16. Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia según reivindicación 15, caracterizado porque la placa de circuito impreso (13) comprende medios de conexión (14) para acoplar un equipo de medida electrónico.

17. Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia según reivindicación 15 o 16, caracterizado porque comprende parejas de espiras (7) en cada una de las capas de las que esté compuesta placa de circuito impreso (13) por la que se hace pasar el conductor primario rectilíneo (8).