MÉTODO Y DISPOSITIVO PARA LA DIFERENCIACIÓN DE DESCARGAS PARCIALES Y RUIDO ELÉCTRICO.

Método y dispositivo para la diferenciación de descargas parciales y ruido eléctrico.



Método y dispositivo para diferenciar descargas parciales y ruido calculando una relación de potencia para bajas frecuencias (PRL) y una relación de potencia para altas frecuencias (PRH):







IMAGEN-01







donde

s(f) es la FFT de la señal de pulso s(t),

fT es una frecuencia máxima seleccionada,

f1L, f2L, f1H, f2H, fT son frecuencias que definen una banda de bajas frecuencias [f1L, f2L] y una banda de altas frecuencias [f1H, f2H] configuradas para calcular la relación de potencia para bajas y altas frecuencias (PRL, PRH) respectivamente y que cumplen con las condiciones:0

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201330413.

Solicitante: UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: MARTINEZ TARIFA,JUAN MANUEL, ROBLES MUÑOZ,GUILLERMO, ARDILA REY,Jorge Alfredo.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G01R31/12 SECCION G — FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01R MEDIDA DE VARIABLES ELECTRICAS; MEDIDA DE VARIABLES MAGNETICAS (indicación de la sintonización de circuitos resonantes H03J 3/12). › G01R 31/00 Dispositivos para verificar propiedades eléctricas; Dispositivos para la localización de fallos eléctricos; Disposiciones para el ensayo eléctrico caracterizados por lo que es probado, no previstos en otro lugar (ensayo o medida de dispositivos semiconductores o de estado sólido, durante la fabricación H01L 21/66; Ensayo de los sistemas de transmisión por líneas H04B 3/46). › Ensayo de la rigidez dieléctrica o de la tensión de ruptura.

Fragmento de la descripción:

Método y dispositivo para la diferenciación de descargas parciales y ruido eléctrico CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención tiene su aplicación dentro del sector eléctrico y, especialmente, en el área industrial dedicada a proporcionar analizadores de evaluación de condición de maquinaria eléctrica y cables aislados basándose en la detección, localización e identificación de descargas parciales en cualquier clase de equipo eléctrico instalado en cualquier entorno.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El fallo del aislamiento eléctrico es una de las causas más importantes de cortes de potencia en equipos. Se ha informado - que muchas máquinas eléctricas y cables aislados experimentan fallos a la tensión nominal siendo las descargas parciales una de las principales causas de tales fallos. Las descargas parciales (DP) son una de las clases más importantes de procesos de envejecimiento que se producen dentro del aislamiento eléctrico. Las DP son ionizaciones que se producen dentro de trayectorias o volúmenes pequeños debido a altas divergencias de campo eléctrico. Existen tres tipos principales de fenómenos de DP que pueden encontrarse en equipos de potencia:

a) DP internas: producidas en vacuolas gaseosas rodeadas por aislamiento sólido o líquido, normalmente en materiales aislantes no homogéneos o debido a impurezas de aire inevitables en el interior de dieléctricos sólidos.

b) DP superficiales: asociadas con la ionización de gas a lo largo de una trayectoria en superficies de contacto dieléctrico sólido-gas, las DP superficiales aparecen en pasatapas, aisladores, y en bobinados de máquinas eléctricas.

c) DP corona: producidas normalmente cerca de la punta en muestras de punto-gas-plano, las DP corona son el resultado de ionizaciones locales en el gas o aire circundante.

La medida de DP es útil en el diagnóstico de equipos eléctricos porque la actividad de las DP está relacionada con mecanismos de envejecimiento diferentes. Se han usado patrones de descarga parcial con resolución en fase (PRPD) durante años para identificar fuentes de DP y ruido. La figura 1 ilustra ejemplos gráficos de patrones de PRPD que muestran respectivamente DP internas (A), DP superficiales (B) y DP corona (C) en un equipo eléctrico sometido a prueba. La representación convencional de DP usando un patrón de PRPD usa un parámetro de fase (f) en el eje x y un parámetro de amplitud (v) en el eje y. El

parámetro de fase (f) consiste en la fase de la tensión alterna que alimenta el equipo eléctrico sometido a prueba en el instante de detección y, por tanto, correlacionado con la intensidad del campo eléctrico que genera las DP. El parámetro de amplitud (v) consiste en la amplitud de los pulsos eléctricos generados por las DP y, por tanto, correlacionado con la intensidad de las propias DP. Cada patrón de PRPD comprende además habitualmente un tercer eje relacionado con el número de pulsos, en el contexto del grupo de pulsos de la adquisición que se realiza, que tienen valores similares de parámetros de amplitud y de fase. Las magnitudes de los pulsos de DP se miden en los terminales de una impedancia y se representan como una señal superpuesta a la forma de onda de una sinusoide de alta tensión tomada de un divisor capacitivo usado para la adquisición y conectado en paralelo al equipo eléctrico.

Esta técnica clásica normalizada de patrones de PRPD, o fase-amplitud, permite la separación de DP y ruido mediante la comparación de los valores de fase de los pulsos de DP y el ruido. Sin embargo, las fuentes de DP, según su proceso físico asociado, muestran formas de pulso diferentes, pero los sistemas de detección de PRPD no incluyen estos datos adicionales de modo que esta técnica se limita a la identificación de fuentes de DP cuando están relacionadas con procesos de degradación claros y cuando las señales muestran una SNR (relación señal-ruido) grande. En conclusión, los patrones de PRPD clásicos permiten la identificación de fuentes de DP cuando están relacionadas con un proceso de degradación claro y cuando el nivel de ruido es bajo en comparación con las amplitudes de las DP. Desafortunadamente, los sistemas de aislamiento reales habitualmente presentan diversas fuentes de DP y el nivel de ruido es alto, especialmente si las mediciones se realizan en línea.

Las medidas de DP se realizan habitualmente en línea para obtener resultados más significativos y para evitar desconexiones de equipo periódicas. En estas circunstancias, los patrones de PRPD pueden no ser precisos por sí mismos. Por tanto, una tendencia de investigación interesante para la clasificación de fuentes de DP y la identificación de ruido es la medición y la clasificación apropiada de formas de onda de pulsos tal como se da a conocer en "Partial discharge pulse shape recognition using and inductive loop sensor" por J. M. Martínez-Tarifa, G. Robles, M. V. Rojas-Moreno y J. Sanz-Feito [Measurement Science and Technology, vol. 21, página 105706, 10 p.p., 2010]. Sin embargo, esta técnica caracteriza fuentes de DP diferentes por medio de relaciones de energía espectral, pero no se proporciona ninguna herramienta para separar fuentes. Adicionalmente, no se consigue

fiabilidad estadística verificando su comportamiento para diversos pulsos, lo que es obligatorio para una herramienta industrial que mide este fenómeno estocástico.

Otra solución existente para detectar, localizar e interpretar DP diferentes se da a conocer en el documento US8126664. En esta solución se elimina ruido correlacionando formas de onda de pulsos en el dominio de tiempo. Esta técnica siempre requiere dos sensores para detectar y medir los pulsos en cables aislados.

Han existido diversos enfoques para analizar formas de onda de pulsos, basándose en el agrupamiento de los mismos por medio de mapas de tiempo-frecuencia, como el planteamiento descrito por A. Cavallini et al. en "A new approach to the diagnosis of solid insulation systems based on DP signal inference" [IEEE Electrical Insulation Magazine, vol. 19, págs. 22-30, 2003], Estos mapas de tiempo-frecuencia se han aplicado de manera satisfactoria a equipos industriales pero las ecuaciones usadas en ellos son invariables y los estudios de frecuencia y tiempo no pueden parametrizarse para extraer características de señal que podrían estar ocultas; como consecuencia, la separación de fuentes de DP a veces resulta difícil.

Otro enfoque existente que usa mapas de tiempo-frecuencia es el documento US7579843, que describe un sistema para monitorizar y analizar DP en maquinaria eléctrica basándose en verificar el ángulo de fase de las DP frente a una tensión de referencia y la forma de los pulsos de las DP y el ruido. El sistema incluye también una instrumentación completa para medir corriente de carga, vibraciones de rotor, presión de H2, temperatura, humedad y factor de potencia para correlacionar estas variables detectadas con datos de DP. Por tanto, el sistema requiere una pluralidad de sensores para extraer datos de medición para crear un registro histórico de datos, que se usa además para reglas predefinidas y características de modelo estando todas ellas asociadas con características de pulsos conocidos de diversas ubicaciones dentro de máquinas similares. Después de recopilar todos estos datos, la caracterización de DP y ruido se basa de nuevo en los mapas de tiempo-frecuencia propuestos por Cavallini et al.

El documento WO 2011/151481 es un ejemplo de un método basado en transformada de ondículas (wavelef) para eliminar el ruido de señales de DP, en el que se proponen diversas estrategias para la caracterización de las señales de DP, siendo el análisis de las varianzas de las ondículas, la frecuencia estimada con el método Prony, y la energía de señal, lo más relevante para el procedimiento de agrupamiento. El análisis de transformada de ondículas hace uso de filtros paso bajo y paso alto complementarios secuencialmente aplicados (LPF

y HPF respectivamente) que dividen el ancho de banda total de señal en diversas etapas para analizar su energía después de cada partición. Sin embargo, las frecuencias de corte inferior (del HPF) y superior (del LPF) de los filtros deben ser las mismas, de modo que esta técnica no es flexible para analizar la potencia de señal en los intervalos de frecuencia en los que pueden existir rasgos característicos que de otro modo se omitirían.

El problema técnico objetivo es proporcionar la diferenciación de pulsos para fuentes de DP y ruido usando parámetros configurables que son independientes de las amplitudes de las señales con el fin de realizar mediciones precisas en entornos en los que la SNR es baja. Es preferible transformar las señales de cada pulso...

 


Reivindicaciones:

1. Método para diferenciar descargas parciales y ruido eléctrico, que comprende:

- detectar al menos una señal de pulso eléctrico s(t) y calcular, para cada frecuencia desde 0 hasta una frecuencia máxima fT, la transformada rápida de Fourier de cada señal de pulso eléctrico s(t) detectada;

caracterizado porque comprende además:

- calcular una relación de potencia para bajas frecuencias (PRL) y una relación de potencia para altas frecuencias (PRH) tal como sigue:

PRL =

-fSL

`flL

Kf)F y

PRH =

ffiH

-fíH

donde

s(f) es la transformada rápida de Fourier calculada de la señal del pulso s(t), fT es la frecuencia máxima,

f 1 l> f2L, Oh, Í2H, E son frecuencias que definen una banda de bajas frecuencias [f1L, f2J configurada para calcular la relación de potencia para bajas frecuencias (PRL) y una banda de altas frecuencias [fiH, Í2h] configurada para calcular la relación de potencia para altas frecuencias (PRH); y cumpliendo las frecuencias con las siguientes condiciones: 0<f1L<f2L;

flH<f2HE Y f 1 L<f2H;

- identificar la señal del pulso s(t) detectada que es o bien ruido o bien una descarga parcial de un tipo seleccionado de entre descarga parcial superficial, interna y corona, determinando una ubicación de un punto definido por las coordenadas (PRL, PRH) en un plano bidimensional, viniendo dadas las coordenadas (PRL, PRH) del punto, que está asociado con dicha señal del pulso s(t) detectada, por la relación de potencia calculada para bajas frecuencias (PRL) y la relación de potencia para altas frecuencias (PRH) para la señal del pulso s(t) detectada.

2. Método según la reivindicación 1, en el que las frecuencias f1L, f2i_, fiH, f2H y E son configurables según determinadas características de la señal del pulso s(t) extraídas del cálculo de la transformada rápida de Fourier s(f) para diferentes cambios de frecuencias.

3. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que la señal del pulso s(t) detectada se identifica como una descarga parcial de tipo corona, en el que el plano bidimensional está dividido por una diagonal que parte el plano en una región prohibida (R0) y una segunda región (R2), estando los puntos en los que la suma de las coordenadas (PRL, PRH) en porcentaje supera el 100% ubicados en la región prohibida (R0) y estando los puntos en los que la suma de las coordenadas (PRL, PRH) en porcentaje es igual o inferior al 100% ubicados en la segunda región (R2), y que tiene un umbral de porcentaje configurado para separar los puntos de la segunda región (R2) de los puntos de una primera

región (R0 con ambas coordenadas (PRL, PRH) inferiores a los puntos de la segunda región (R2), si el punto asociado con las coordenadas (PRL, PRH) que vienen dadas por la relación de potencia calculada para bajas frecuencias (PRL) y la relación de potencia para altas frecuencias (PRH) para la señal del pulso s(t) detectada está ubicado en la primera región (R0.

4. Método según la reivindicación 3, en el que la señal del pulso s(t) detectada se identifica como una descarga parcial del tipo seleccionado de descarga parcial superficial e interna, si el punto asociado con las coordenadas (PRL, PRH) que vienen dadas por la relación de potencia calculada para bajas frecuencias (PRL) y la relación de potencia para altas frecuencias (PRH) para la señal del pulso s(t) detectada está ubicado en la segunda región (R2) separada de la primera región (R^.

5. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que, si el punto definido por las coordenadas (PRL, PRH) en el plano bidimensional pertenece a una agrupación de puntos y existe una pluralidad de agrupaciones de puntos en dicho plano bidimensional, se selecciona una agrupación de puntos y se usa un patrón de PRPD asociado con la agrupación de puntos para reconocer si la agrupación de puntos está asociada con una señal de pulso s(t) detectada que es ruido o una descarga parcial de un tipo seleccionado de entre descarga parcial superficial, interna y corona.

6. Método según la reivindicación 5, en el que todos los puntos asociados con señales de pulsos detectadas después de la asociación del patrón de PRPD con la agrupación de puntos, se reconocen como el tipo de descarga parcial seleccionado o ruido ubicando los puntos en el plano bidimensional.

7. Dispositivo para diferenciar descargas parciales y ruido eléctrico, que comprende medios de procesamiento para calcular la transformada rápida de Fourier de una señal de pulso eléctrico s(t) detectada para cada frecuencia desde 0 hasta una frecuencia máxima fT, caracterizado porque comprende además medios de procesamiento para calcular una relación de potencia para bajas frecuencias (PRL) y una relación de potencia para altas frecuencias (PRH) tal como sigue:

xi;f ist/jp kí.oi1

PRL = :----- PRH -- ^----------

£^|5(/)|F y L-(/)l:

donde

s(f) es la transformada rápida de Fourier calculada de la señal del pulso s(t), fT es la frecuencia máxima,

f 1 l, Í2L, fiH, Í2H, E son frecuencias que definen una banda de bajas frecuencias [f1L, í2l] configurada para calcular la relación de potencia para bajas frecuencias (PRL) y una banda de altas frecuencias [f1H, Í2h] configurada para calcular la relación de potencia para altas

frecuencias (PRH); y cumpliendo las frecuencias con la siguiente condición: 0<f1L<f2L¡ f 1 H<f2Hfl Y f 1 L<f2H j

y medios de procesamiento para identificar la señal del pulso s(t) detectada que es o bien ruido o bien un tipo de descarga parcial seleccionado de entre los tipos descarga parcial 5 superficial, interna y corona, determinando una ubicación de un punto definido por las coordenadas (PRL, PRH) en un plano bidimensional, viniendo dadas las coordenadas (PRL, PRH) del punto, que está asociado con dicha señal del pulso s(t) detectada, por la relación de potencia calculada para bajas frecuencias (PRL) y la relación de potencia para altas frecuencias (PRH) para la señal del pulso s(t) detectada.

8. Producto de programa informático que comprende instrucciones ejecutables por

ordenador para realizar el método según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, cuando el programa se ejecuta en un ordenador, un procesador de señal digital, una FPGA, un ASIC, un microprocesador, un microcontrolador, o cualquier otra forma de hardware programable.


 

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