Método diagnóstico para cables eléctricos utilizando técnica de tomografía axial.

Un procedimiento para realizar ensayos de diagnóstico de un cable que comprende:

a. conectar una fuente de tensión alterna al cable en un "extremo emisor" del mismo;

b. aplicar una tensión al cable a una primera frecuencia para crear una onda progresiva a lo largo delcable que se refleja en el extremo receptor del mismo;

c. establecer una onda estacionaria a lo largo del cable por la onda progresiva y la reflexión de lamisma;

d. medir la pérdida total de potencia compleja (Sin) en el extremo emisor del cable;

e. medir o calcular la potencia compleja (SL) disipada en la impedancia de carga (ZL) y (SC) en el cableconductor;

f. repetir los pasos anteriores durante uno de:

(1) la variación de al menos una de (i) la impedancia de carga (ZL) conectada en el extremo receptor delcable, (ii) la primera frecuencia de la fuente de tensión, (iii) la impedancia de salida de la fuente detensión, (iv) una combinación de la impedancia de carga (ZL), la impedancia de salida de la fuente detensión y la frecuencia de la fuente de tensión, y (v) combinaciones de las mismas,

(2) el intercambio de los extremos emisor y receptor del cable y

(3) una combinación de los mismos;

g. calcular la tensión de onda estacionaria en al menos un punto o sección del cable sobre la base de laimpedancia de carga (ZL) conectada en el extremo receptor del cable, y la impedancia característica (Zo)del cable, o la solución de la representación discreta del cable cuyos parámetros globales Rc, Lc, R y Cse han determinado por medición y cálculo, donde Rc es la resistencia dependiente de la frecuencia delconductor de cable, Lc es la reactancia inductiva del conductor de cable, C y R son la capacitancia puray la resistencia del aislamiento de cable respectivamente, representando pérdidas dieléctricas, yh. determinar un factor de disipación (tanδ) y una constante dieléctrica (c ') en un punto o secciónpredeterminado a lo largo del eje del cable.

Método diagnóstico para cables eléctricos utilizando técnica de tomografía axial

ANTECEDENTES

Campo técnico

(0001) La presente divulgación se refiere a métodos, sistemas y aparatos de ensayo diagnóstico de cable, y, más particularmente, a métodos, sistemas y aparatos de ensayo de cable que utilizan principios de "onda estacionaria" para facilitar la identificación y la ubicación del defecto (s) a lo largo de un cable de potencia Técnica anterior

(0002) Con referencia a la figura. 1, los cables de potencia apantallados convencionales consisten generalmente en un conductor, normalmente fabricado de cobre o de aluminio, rodeado por un apantallamiento semiconductor concéntrico delgado, al que se hace referencia como la pantalla de conductor. La pantalla de conductor, a su vez, está rodeada por una capa concéntrica de aislamiento, cuyo espesor aumenta con la tensión nominal del cable. Esta capa de aislamiento, a su vez, se cubre con una segunda pantalla semiconductora concéntrica delgada, a la que se hace referencia como la pantalla de aislamiento. Un blindaje metálico concéntrico, en forma de hilos concéntricos, cintas de metal superpuestas u otra estructura similar rodea a este blindaje. Todo el conjunto se aloja en una capa de aislamiento que protege el cable contra la entrada de agua, así como daños físicos y químicos. El conductor de cable se mantiene típicamente a un voltaje elevado, mientras que el blindaje de metal exterior se mantiene a potencial de tierra. Mientras los componentes del cable se pueden basar en diferentes diseños, el aislamiento de cable moderno es generalmente de los dos tipos siguientes:

(a) papel impregnado en aceite o cinta de polímero impregnada en aceite (construcción laminada) , y (b) polímero seco extruido. Los cables se describen como teniendo una configuración co-axial.

(0003) A medida que envejecen los cables en servicio, sus capas de aislamiento pueden desarrollar deficiencias que supongan un riesgo de precipitar un fallo del cable. Como resultado del envejecimiento, el aislamiento laminado podría hacerse más débil en toda su longitud, pero más a menudo desarrollará deficiencias discretas como resultado de la entrada de agua, la falta de suficiente aceite u otras condiciones estructurales y / o ambientales. Se conoce que el aislamiento extruido de polímero envejece en determinadas localizaciones debido a huecos, impurezas, salientes, difusión de agua en forma de árboles ("árboles de agua") y otras anomalías. Se han hecho esfuerzos para abordar las propiedades y el rendimiento de composiciones aislantes de polímero. Véase, por ejemplo, la patente de EE.UU. N º 6.521.695 a Peruzzotti et al. Sin embargo, las limitaciones asociadas con los aislamientos de polímero utilizados en la fabricación de cables de potencia, junto con impurezas u otras condiciones que obligan a que se concentre la tensión eléctrica, podrían producir defectos carbonizados en forma de árboles, llamados árboles eléctricos, y dar lugar finalmente a fallos tempranos/indeseables en los cables.

(0004) Los propietarios de cables desean extender tanto como sea posible la vida útil de funcionamiento de sus cables, y evitar interrupciones durante el servicio normal. Los cables deben, por lo tanto, someterse a un ensayo inicial de correcta puesta en marcha después de la instalación, y periódicamente a ensayos de diagnóstico (ensayos de mantenimiento) durante el servicio para identificar y corregir los posibles puntos débiles. Excluyendo los ensayos de resistencia de alta potencia ("HiPot") , los ensayos de diagnóstico por lo general pertenecen a una de dos categorías generales: (a) evaluación global de la condición de aislamiento del cable, y (b) evaluación por descarga parcial de puntos débiles discretos. Los ensayos específicos siguientes están disponibles comercialmente bajo cada categoría:

(a) Evaluación global de la condición (00005) Los ensayos globales de evaluación de condición están diseñados generalmente para evaluar el deterioro general de ciertas propiedades aislantes (dieléctrico) del cable. Se indican tres métodos de ensayo específicos:

* Medición del factor de disipación total del cable cuando se somete a varios niveles de voltaje a una frecuencia fija (por ejemplo, 50/60Hz, o 0, 1 Hz) . El factor de disipación se refiere a menudo como tangente delta (la tangente trigonométrica del ángulo por el que la corriente total conducida por el cable difiere de la conducida por un condensador ideal equivalente sin pérdidas) . La tangente delta (tano) es una medida de las pérdidas dieléctricas en el cable.

• Medición del factor de disipación global y la constante dieléctrica de la totalidad del cable en función de diversas frecuencias mientras que la tensión puede asumir varios niveles diferentes. Este método también se conoce como espectroscopia dieléctrica.

• Medición del tiempo que tarda un cable para recuperar su tensión después de que ha sido cargado a un nivel de tensión determinado con una corriente continua (cc) y en cortocircuito momentáneamente o, alternativamente, la magnitud de la tensión recuperada en un tiempo dado. Otro método dual es la medición de corriente como una función del tiempo después de haber cortocircuitado permanentemente el cable. El primer método se refiere a menudo como método de "la tensión de retorno", y el segundo como el método de "corriente de relajación ". Ambos métodos se basan en principios de polarización dieléctrica / relajación.

b) Medición de descarga parcial

(0006) Defectos discretos a menudo emiten una señal eléctrica muy pequeña de muy corta duración (una descarga parcial) cuando el cable se somete a un esfuerzo de tensión superior a un nivel umbral. Como la tecnología de radar, el sitio de una descarga parcial puede ser ubicado con precisión por medio de métodos basados en ondas electromagnéticas progresivas y sus reflexiones.

Técnicas adicionales de la técnica anterior para la detección de fallos y defectos en cables eléctricos se describen en la literatura de patentes. La patente de EE.UU. N º 4.887.041 a Mashikian et al. describe un método y un aparato para detectar las ubicaciones de fallos incipientes en una línea de potencia aislada. En una realización ejemplar de la patente Mashikian 041, el método implica abrir un extremo de la línea de potencia (si no está adecuadamente terminado para reflejar pulsos de alta frecuencia) , aplicar una tensión de excitación al otro extremo de la línea de potencia en un punto de excitación, detectar un primer pulso de alta frecuencia producido por una descarga en la línea de potencia y transmitido por la línea de potencia al punto de excitación, detectar una primera reflexión del pulso desde el extremo abierto de la línea de potencia al punto de excitación, detectar el tiempo de transmisión de un reflejo del primer pulso desde el punto de excitación hasta el extremo abierto de la línea de potencia y vuelta al punto de excitación, y dividir el tiempo entre la detección del primer pulso y el primer pulso reflejado por el tiempo de respuesta detectado. La patente de Mashikian describe además métodos que detectan pulsos de descarga que se producen en un intervalo predeterminado de magnitud del voltaje de excitación y pulsos de descarga que residen dentro de rangos predeterminados de magnitudes. Los sitios de descarga pueden ser detectados utilizando sea pulsos de tensión reflejada o pulsos de corriente reflejada (0008] Una enseñanza de la técnica anterior se proporciona en la patente de EE.UU. N º 5.272.439 a Mashikian et al. La patente '439 de Mashikian describe un método y aparato para localizar un fallo incipiente en un punto a lo largo de la longitud de una línea de potencia

que, en realizaciones de ejemplo, implica la aplicación de un voltaje de excitación en un extremo abierto de la línea de potencia. El pulso de la señal transmitida a lo largo de la línea de potencia al extremo abierto se pasa a través de un filtro de paso alto para eliminar la parte de la señal que está a una frecuencia por debajo de la tensión de excitación y sus armónicos. La señal filtrada se amplifica y pasa a través de un filtro de paso de banda para eliminar una porción de alta frecuencia de la señal que contiene una gran proporción de ruido en relación con la frecuencia de la frecuencia de descarga parcial desde el fallo incipiente. Esta señal filtrada se pasa a un dispositivo de almacenamiento digital adaptado para ser activado por una señal de una amplitud predeterminada, y el dispositivo de almacenamiento digital activado recibe la señal amplificada directamente desde el amplificador y almacena los datos digitales sobre la amplitud y tiempo... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para realizar ensayos de diagnóstico de un cable que comprende:

a. conectar una fuente de tensión alterna al cable en un "extremo emisor" del mismo;

b. aplicar una tensión al cable a una primera frecuencia para crear una onda progresiva a lo largo del cable que se refleja en el extremo receptor del mismo;

c. establecer una onda estacionaria a lo largo del cable por la onda progresiva y la reflexión de la misma;

d. medir la pérdida total de potencia compleja (Sin) en el extremo emisor del cable;

e. medir o calcular la potencia compleja (SL) disipada en la impedancia de carga (ZL) y (SC) en el cable conductor;

f. repetir los pasos anteriores durante uno de:

(1) la variación de al menos una de (i) la impedancia de carga (ZL) conectada en el extremo receptor del cable, (ii) la primera frecuencia de la fuente de tensión, (iii) la impedancia de salida de la fuente de tensión, (iv) una combinación de la impedancia de carga (ZL) , la impedancia de salida de la fuente de tensión y la frecuencia de la fuente de tensión, y (v) combinaciones de las mismas,

(2) el intercambio de los extremos emisor y receptor del cable y

(3) una combinación de los mismos;

g. calcular la tensión de onda estacionaria en al menos un punto o sección del cable sobre la base de la impedancia de carga (ZL) conectada en el extremo receptor del cable, y la impedancia característica (Zo) del cable, o la solución de la representación discreta del cable cuyos parámetros globales Rc, Lc, R y C se han determinado por medición y cálculo, donde Rc es la resistencia dependiente de la frecuencia del conductor de cable, Lc es la reactancia inductiva del conductor de cable, C y R son la capacitancia pura y la resistencia del aislamiento de cable respectivamente, representando pérdidas dieléctricas, y

h. determinar un factor de disipación (tano) y una constante dieléctrica (c ') en un punto o sección predeterminado a lo largo del eje del cable.

2. El método según la reivindicación 1, que incluye además identificar o localizar un defecto de cable en base al factor de disipación.

3. El método seún la reivindicación 1, en el que el cable es un cable de potencia apantallado.

4. El método según la reivindicación 1, en el que los factores de disipación y constantes dieléctricas se determinan en una pluralidad de puntos o secciones a lo largo del cable.

5. El método según la reivindicación 4, en el que las impedancias características de cable se calculan en la pluralidad de puntos o secciones a lo largo del cable.

6. El método según la reivindicación 4, en el que la pluralidad de factores de disipación y constantes dieléctricas calculados son eficaces para establecer funcionalmente al menos una representación axial tomográfica y una representación espectro-tomográfica del estado del cable.

7. El método según la reivindicación 1, en el que dicho cable se selecciona del grupo que consiste en un cable lineal, un cable mixto, un cable ramificado, y combinaciones de los mismos.

8. El método según la reivindicación 1, en el que al menos uno del factor de disipación (tano) y la constante dieléctrica (£ ') para un punto o sección dado del cable se utiliza para identificar un defecto de cable.

9. El método según la reivindicación 1, en el que la primera frecuencia está entre unos 10 kHz y 1000 kHz.

10. El método según la reivindicación 1, en el que una amplitud de la primera frecuencia es modulada a una frecuencia relativamente baja.

11. Un sistema para ensayar cables, que comprende:

a. una fuente controlable de frecuencia variable y su impedancia en serie, Zs;

b. al menos un dispositivo para medir al menos una de la tensión instantánea y la intensidad instantánea en un primer extremo de un cable;

c. un filtro para separar frecuencias moduladas de frecuencias portadoras, en el primer extremo del cable;

d. una unidad de procesamiento que está adaptada para calcular un factor de disipación (tano) y constante dieléctrica (s ') en un punto o sección predeterminado a lo largo del eje del cable en base, al menos en parte, en una onda estacionaria establecida en tal cable en el primer extremo del cable;

e. una impedancia de carga controlable en un segundo extremo del cable;

f. un dispositivo de medición adaptado para medir al menos una de tensión e intensidad en el segundo 10 extremo del cable; y

g. medios de comunicación para transmisión de datos entre la impedancia de carga controlable, el dispositivo de medición en el segundo extremo del cable, y la unidad de procesamiento.

12. El sistema según la reivindicación 11, en el que la fuente controlable de frecuencia variable está adaptada para modular con una frecuencia más baja en un extremo del primer cable.

13. El sistema según la reivindicación 11, que comprende además unidades de digitalización adaptadas para digitalizar al menos una de las mediciones de tensión e intensidad.

14. El sistema según la reivindicación 11, que comprende además una consola de control en comunicación con al menos un componente de sistema.

15. El sistema según la reivindicación 14, en el que la consola de control se comunica con uno o más 20 componentes del sistema a través de señales inalámbricas o a través del propio cable de ensayo.

16. El sistema según la reivindicación 11, en el que la unidad de tratamiento está adaptada para resolver "n" o más ecuaciones con "n" cantidades desconocidas para obtener valores de factor de disipación en cada una de "n" secciones del cable.