DISPOSITIVO SENSOR PARA LA LOCALIZACIÓN DE DESCARGAS PARCIALES EN EQUIPO ELÉCTRICO, EMPLEANDO UN ARREGLO DE SENSORES ACÚSTICOS

Transcripción

1 DISPOSITIVO SENSOR PARA LA LOCALIZACIÓN DE DESCARGAS PARCIALES EN EQUIPO ELÉCTRICO, EMPLEANDO UN ARREGLO DE SENSORES ACÚSTICOS 5 CAMPO TÉCNICO La presente invención pertenece al campo técnico de la Metrología. Particularmente a la localización de descargas parciales en equipo eléctrico y más particularmente se refiere a un dispositivo sensor para la localización de descargas parciales en equipo eléctrico, empleando un arreglo de sensores acústicos para identificar y localizar las fuentes de las descargas parciales en equipo eléctrico de potencia, determinar los puntos de falla y el estado de deterioro del mismo para realizar su reparación. ANTECEDENTES Con base al conocimiento previo, se desarrolló un dispositivo sensor para la localización de descargas parciales en equipo eléctrico, empleando un arreglo de sensores acústicos, que constituye la presente invención, la cual cuenta con características innovadoras que cumplen con los requerimientos de su aplicación y resuelve los problemas asociados a las técnicas previas. 25 Las principales propiedades que caracterizan a la presente invención y que establecen las diferencias sustanciales con el conocimiento previo se lista a continuación: 30 El dispositivo sensor para la localización de descargas parciales en equipo eléctrico, empleando un arreglo de sensores acústicos constituido por un arreglo de tres o más sensores acústicos dispuestos en ángulos determinados que por medio de procesamiento de sus señales, proporciona la información de la 1

2 localización de las fuentes de descargas parciales en el equipo eléctrico de potencia. 5 El dispositivo sensor para la localización de descargas parciales en equipo eléctrico, empleando un arreglo de sensores acústicos que permite obtener una imagen acústica de las fuentes de descargas parciales con lo cual es posible localizar su ubicación y determinar con precisión las áreas con problemas así como la magnitud del deterioro. El dispositivo es de bajo costo, simple de construcción y no requiere de ajustes, a diferencia de las técnicas previas. El conocimiento previo relacionado con la localización de descargas parciales no contempla un dispositivo sensor con las características que comprende la presente invención. 25 La presente invención comprende un arreglo de sensores que por su disposición permite encapsularlos en un área pequeña, con lo cual es posible su inserción dentro del equipo eléctrico, por ejemplo en transformadores de potencia. El arte previo que usa el tiempo de arribo de las señales a los sensores y obtiene la localización de las fuentes acústicas por triangulación, requiere de algoritmos computacionales complejos que requieren de mucho tiempo de procesamiento. La presente invención emplea la relación de las magnitudes acústicas detectadas por los sensores, lo cual reduce el tiempo de procesamiento en el orden de 0 veces con respecto al arte previo. 30 Al emplear el arte previo los tiempos de arribo de las señales acústicas a los sensores, es indispensable que los sensores estén separados entre sí para mejorar la resolución espacial de localización. Lo anterior implica que los sensores estén separados e interconectados. La presente invención supera este problema 2

3 dado que el arreglo de sensores está concentrado en un área muy reducida y la resolución espacial no depende de la separación de los sensores. 5 La técnica propuesta en la presente invención puede aplicarse tanto en medios gaseosos como la localización de descargas parciales en aire o en SF6 de las subestaciones encapsuladas GIS, como en medios líquidos, como en el aceite de transformadores. Múltiples referencias relacionadas con la localización de descargas parciales que emplean el método acústico o el eléctrico o ambos se pueden encontrar y a continuación se presentan algunas: El artículo, Detection and Location of Partial Discharges in Power Transformers using Acoustic and Electromagnetic Signals. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, Dec08, Vol. Issue 6, p76-83, 8p. En este trabajo se emplea la medición eléctrica de las DP para sincronizar la adquisición de las señales acústicas y localizar la fuente de las descargas por triangulación. 25 El artículo, A New Procedure for Partial Discharge Localization in Gas- Insulated Switchgears in Frequency Domain, Proceedings of the XIVth International Symposium on High Voltage Engineering, Tsinghua University, Beijing, China, August 25-29, 05. Este trabajo emplea la medición de tiempos de arribo de los pulsos a dos sensores de campo eléctrico localizados en dos mirillas de la GIS, haciendo cálculos en el dominio de la frecuencia. 30 La patente, Equipo para la detección y localización de descargas parciales por el método acústico en equipo eléctrico de potencia, MX B, Fecha de concesión 30/05/12, Clasificación GK/ (06-01). Considera cuatro sensores no adyacentes y la triangulación empleando los tiempos de arribo, así como la solución de ecuaciones simultáneas no lineales. 3

4 BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS 5 La figura 1, ilustra la disposición de dos sensores en un plano y la ubicación de dos fuentes de descargas parciales, que muestran el principio de operación. Las figuras 2a y 2b, muestran la perspectiva de un arreglo de tres sensores distribuidos con un ángulo de 30 respecto a un eje vertical figura 2a y con un ángulo de 1 entre sí en el plano horizontal figura 2b. La figura 3, El diagrama a bloques de los módulos de procesamiento de las señales objeto de la presente invención. La figura 4, muestra el diagrama esquemático del módulo de procesamiento de señales. La figura 5, muestra el diagrama esquemático del módulo del cálculo de la imagen acústica. La figura 6a, muestra la señal acústica a la entrada al módulo de procesamiento de señales y la figura 6b muestra la señal acústica a la salida del módulo correlacionador en donde se muestra el umbral adaptivo. 25 La figura 7, muestra la modalidad del arreglo de sensor, en perspectiva, integrado a un pasa-muros para aplicación en transformadores eléctricos. La figura 8, muestra la modalidad del dispositivo sensor, en perspectiva, con una cámara de video integrada. 30 La figura 9, muestra la superposición de la imagen acústica con la imagen óptica captada por la cámara de video, formando una imagen compuesta. 4

5 DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL INVENTO 5 A diferencia de los métodos que emplean los tiempos de arribo de las señales acústicas a los sensores, la presente invención emplea como principio de operación la relación de las magnitudes de la señal acústica detectada por cada uno de los sensores de un arreglo de tres o más sensores. En la figura 1, se muestran dos sensores acústicos 1 y 2 localizados en un plano y dispuestos con un ángulo marcado en la figura con α llamado ángulo de apertura del dispositivo o ángulo de visión acústica. Los sensores acústicos 1 y 2 tienen un patrón de sensibilidad graficados como dos círculos marcados con 11 y 21 respectivamente. Una fuente de descargas parciales ubicada dentro del ángulo de visión acústica α. La fuente de descargas parciales produce una componente acústica sobre el sensor 1 marcada con 12 y sobre el sensor 2 la componente 22. A través de la relación de las magnitudes de las componentes 12 y 21 se obtiene con trigonometría, la ubicación en el plano de la fuente de descargas parciales, dentro del ángulo de visión acústica α. Lo anterior es posible dado que las señales acústicas, procedentes de las fuentes de descargas parciales, arriban a los sensores como una onda de presión plana Para la localización de las fuentes de descargas parciales en el espacio de tres dimensiones y construir una imagen de dos dimensiones es necesario emplear tres o cuatro sensores dispuestos formando un cono con un ángulo sólido α, menor de 90 con las direcciones de máxima sensibilidad de los sensores acústicos. En la figura 2, se muestra un arreglo de tres sensores 1, constituido por tres sensores 0, distribuidos con un ángulo de entre y 60, preferentemente 30 respecto a un eje vertical (figura 2a), en la modalidad preferida, y con un ángulo de 1 entre sí en el plano horizontal (figura 2b). Con esta modalidad se obtiene un ángulo de apertura α igual en sentido horizontal y vertical, paro al usar cuatro sensores, es posible obtener una apertura mayor en el sentido horizontal respecto a la apertura en sentidos vertical. 5

6 5 Obtenidas las señales eléctricas por medio del arreglo de sensores 1, estas son procesadas de tal forma que se obtiene como resultado final la imagen acústica de las fuentes de descargas parciales. Esto es el equivalente a una imagen fotográfica en la que se muestra la ubicación de las fuentes luminosas. La figura 3 muestra el diagrama a bloques de los módulos de procesamiento de las señales objeto de la presente invención. Está constituido por un arreglo de sensores acústicos 1, formado por tres sensores acústicos 0, un módulo de procesamiento de las señales 0 por cada sensor acústico 0, un módulo de cálculo de la imagen acústica 300, una pantalla de despliegue 400 y un módulo de sincronización 1. El detalle del módulo de procesamiento de las señales 0 considerado en la presente invención se muestra en la figura 4 y se requiere un módulo de procesamiento de las señales 0 por cada sensor acústico en forma independiente. 25 Las descargas parciales tienen la característica de que generan ruido impulsivo sónico que tienen componentes espectrales en todo el espectro de frecuencias. Estas componentes espectrales llegan todas a los sensores acústicos 0, así como ruido indeseable a la frecuencia de operación del equipo eléctrico y sus armónicos. Por tanto, un filtro paso-banda analógico con ganancia 1 limita la banda y amplifica la señal. Esta señal es digitalizada con un conversor analógico digital 2, que suministra su salida a un filtro paso-banda 3 y posteriormente se le obtiene el valor absoluto de la seña con un rectificador 4 y se procesa posteriormente con un filtro paso-bajas Las señales provenientes del filtro paso-bajas 5, se procesan por un correlacionador 6 con una función constante 7 que corresponde a la 6

7 respuesta particular del procesamiento anterior producido por una descarga parcial típica. El correlacionador 6 realiza la siguiente operación: C(n)= X(n)*K(m) 5 Donde C(n) es la salida del correlacionador 6, X(n) es el vector a su entrada con longitud n, K(m) es la función constante 7 de longitud m donde m<n. A la salida de la función de correlación la señal transfiere a un detector de picos 8 y a un detector de umbral adaptivo 9. El detector de umbral adaptivo 9, calcula el umbral de detección empleando parámetros estadísticos como la media y la desviación estándar de las señales a la salida del correlacionador 6 y establece el umbral de detección que usa como discriminador el detector de picos 8. Los picos detectados debajo de este umbral son ignorados. A la salida del detector de picos 8 se tienen tanto la magnitud de los valores pico, como los índices del vector donde se encuentran, que corresponden a la localización de los máximos dentro del vector. Este procesamiento tiene como objetivo resaltar las componentes particulares de las descargas parciales y permite detectar la presencia de las descargas parciales así como las magnitudes en cada sensor. 25 En la figura 5, se muestra el módulo de cálculo de la imagen acústica 300. Recibe la información de cada uno de los módulos de procesamiento de señales 0, las magnitudes y los índices que representan el tiempo de arribo de las descargas parciales a cada uno de los sensores acústicos El conjunto de máximos asociados a cada sensor, pasan al módulo de cálculo de coordenadas 301 asociadas a la imagen acústica dentro del módulo de cálculo de la imagen acústica 300. Por otro lado, el conjunto de índices 7

8 5 provenientes de los tres módulos de procesamiento de señales 0, se procesan en el módulo de validación de los índices 302. En este módulo se evalúa que los índices tengan una desviación estándar menor a dos, lo cual si es válido indica que los máximos están relacionados y las coordenadas calculadas en módulo de cálculo de coordenadas 301 son válidas. Esta validación elimina falsas detecciones producidas por reflexiones indeseables o ruidos espurios. En el módulo de cálculo de coordenadas 301 se obtienen las coordenadas donde se localizan las fuentes de descargas parciales por medio de la relación de magnitudes de los valores pico. A diferencia de las técnicas que emplean la triangulación por medio de la solución de ecuaciones cuadráticas no lineales, lo cual requiere de mucho tiempo de procesamiento, la técnica propuesta emplea solamente la relación de los valores máximos medidos. En el módulo de generador de imagen acústica 303, toma las coordenadas calculadas en el módulo de cálculo de coordenadas 301 y construye la imagen acústica solamente si los índices de los máximos son validados por el módulo de validación de índices 302. La imagen acústica está formada por un plano bidimensional en el cual se grafica la localización del conjunto de descargas parciales detectadas. La imagen acústica calculada por el módulo de cálculo de la imagen acústica 300, finalmente es mostrada en una pantalla de despliegue 400, de una computadora o equipo de procesamiento de información. 25 Dado que este método permite una velocidad de procesamiento cien veces mayor que las técnicas previas, la imagen acústica puede ser refrescada muchas veces por segundo, dando la sensación de estarse graficando en tiempo real. 30 Otra modalidad emplea el módulo de sincronización 1 mostrado en la figura 3, donde la adquisición de señales se sincroniza con la fase del voltaje de excitación de equipo eléctrico. Con esto se obtiene la imagen del llamado diagrama NQF típico de los medidores estándar de descargas parciales, pero de la actividad acústica de descargas parciales. La magnitud de las descargas se 8

9 5 obtiene del módulo de cálculo de coordenadas 301, a partir del valor medio de los máximos medidos por cada uno de los sensor acústicos 0. Para obtener el diagrama NQF correcto es necesario compensar el cambio de fase asociado al retraso producido por la propagación del sonido de la fuente de descargas al arreglo de sensores 1, a razón de aproximadamente 65 eléctricos por metro. En la figura 6a, se muestra la señal acústica de entrada 2, al módulo de procesamiento de señales 0 y la figura 6b, se muestra la señal acústica de salida 221 del módulo correlacionador 6, en donde se muestra el del umbral 222, generado por el detector de umbral adaptivo 9, el cual se calcula para todas las señales y cada vez que se adquieren las señales acústicas. En la figura 6b se puede observar la reducción del ruido asociado al módulo de procesamiento de señales 0, que caracteriza la presente invención. 25 La presente invención considera dos modalidades: para la exploración interna o externa del equipo eléctrico de potencia, cuando se requiere localizar las fuentes de descargas parciales que usualmente están asociadas a desperfectos o fallas en los aislamientos eléctricos. La exploración interna se refiere al empleo de la presente invención para obtener la localización de las fuentes de descargas parciales por medio de la imagen acústica de la parte interna de un equipo eléctrico, como por ejemplo un transformador. En la figura 7 se muestra muestra la modalidad de inspección interna en donde se presenta el arreglo de sensores 1, en perspectiva, integrado a un pasa-muros para aplicación en transformadores eléctricos. En esta modalidad tanto el arreglo de sensores acústicos 1, como las fuentes de descargas parciales están acoplados a través del aceite del transformador; con lo cual la presente invención, es más sensible respecto a las técnicas que emplean sensores externos. 30 El arreglo de sensores 1 está inter-construido en una base cilíndrica 130 que a su vez sirve de tope y tapón para evitar que el aceite salga del tanque y mantiene el arreglo de sensores 1 en la parte interior del transformador. El 9

10 5 cilindro roscado 160 tiene una parte plana 170 con la cual, el sensor no gira al ser apretado por la tuerca 140 y mantiene en una posición fija al arreglo de sensores 1 en la parte interna. Los cables provenientes del arreglo de sensores 1 salen por el ducto 0 y se interconectan con el módulo de procesamiento de señales 0. Para la modalidad de exploración externa, en la figura 8 muestra el dispositivo sensor 601, en perspectiva. Considera una cámara de video integrada 600 en la parte central del arreglo de sensores, conformado en esta modalidad por tres sensores acústicos 0. El dispositivo sensor 601 permite adquirir imágenes ópticas con la cámara de video 600 por un lado y por otro, obtener la imagen acústica de las fuentes de descargas parciales por medio del arreglo de sensores acústicos 1 objeto de la presente invención. El ángulo de visión de la cámara coincide con el ángulo de visión acústica del arreglo de sensores. En la figura 9, se muestra la superposición de la imagen acústica 500 en donde están ubicadas las fuentes de descargas parciales; con la imagen óptica 501 captada por la cámara de video 600, formando una imagen compuesta 503 en donde se muestra la localización de la fuente de descargas parciales 502. No obstante que la anterior descripción se ha realizado tomando en cuenta las modalidades preferidas del invento; deberá entenderse por aquellos expertos en el ramo que cualquier modalidad o cambio en forma y detalle estará comprendido dentro del espíritu y alcance del presente invento.

11 REVINDICACIONES 5 Habiendo descrito lo anterior se considera como novedad de la invención y por tanto se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones o cláusulas: 1. Un arreglo de sensores acústicos 1 para la localización de descargas parciales en equipo eléctrico, caracterizado porque está constituido por tres o cuatro sensores 0, distribuidos con un ángulo de entre y 60 preferentemente 30 respecto a un eje vertical y con un ángulo de 1 entre sí en el plano horizontal cuando son tres sensores y con un ángulo de 90 cuando son cuatro sensores Un sistema para la localización de descargas parciales en equipo eléctrico, caracterizado porque comprende: un arreglo de sensores acústicos 1 constituido por tres sensores 0, distribuidos con un ángulo de de entre y 60 preferentemente 30 respecto a un eje vertical y con un ángulo de 1 entre sí en el plano horizontal; un módulo de procesamiento de las señales 0 por cada sensor acústico 0; un módulo de cálculo de la imagen acústica 300 que recibe la información de cada uno de los módulos de procesamiento de señales 0, las magnitudes y los índices que representan el tiempo de arribo de las descargas parciales a cada uno de los sensores acústicos 0.; una pantalla de despliegue 400; y un módulo de sincronización El sistema de conformidad con la reivindicación anterior, caracterizado porque el módulo de procesamiento de las señales 0, comprende un filtro paso-banda analógico con ganancia 1 limita la banda que amplifica la señal, dicha señal es digitalizada con un conversor analógico digital 2, que suministra su salida a un filtro paso-banda 3, un rectificador 4 que 11

12 obtiene un valor absoluto de la señal; y un filtro paso-bajas 5 que la procesa El sistema de conformidad con la reivindicación anterior, caracterizado porque las señales provenientes del filtro paso-bajas 5, se procesan por un correlacionador 6 con una función constante 7 que corresponde a la respuesta particular del procesamiento producido por una descarga parcial típica. 5. El sistema de conformidad con la reivindicación anterior, caracterizado porque el correlacionador 6 realiza la siguiente operación: C(n)= X(n)*K(m) Donde C(n) es la salida del correlacionador 6, X(n) es el vector a su entrada con longitud n, K(m) es la función constante 7 de longitud m donde m<n El sistema de conformidad con la reivindicación anterior, caracterizado porque la salida de la función de correlación se transfiere a un detector de picos 8 y a un detector de umbral adaptivo 9 que calcula el umbral de detección empleando parámetros estadísticos como la media y la desviación estándar de las señales a la salida del correlacionador 6 y establece el umbral de detección que usa como discriminador el detector de picos El sistema de conformidad con la reivindicación anterior, caracterizado porque en el módulo de cálculo de la imagen acústica 300, comprende: un módulo de cálculo de coordenadas 301 asociadas a la imagen acústica que recibe el conjunto de máximos asociados a cada sensor; un módulo de validación de los índices 302 que procesa el conjunto de índices 12

13 5 provenientes de los tres módulos de procesamiento de señales 0 y evalúa que los índices tengan una desviación estándar menor a dos; y un módulo de generador de imagen acústica 303, que toma las coordenadas calculadas en el módulo de cálculo de coordenadas 301 y construye la imagen acústica solamente si los índices de los máximos son validados por el módulo de validación de índices El sistema de conformidad con la reivindicación anterior, caracterizado porque módulo de cálculo de coordenadas 301 además valida las coordenadas calculadas y elimina falsas detecciones producidas por reflexiones indeseables o ruidos espurios. 9. El sistema de conformidad con la reivindicación anterior, caracterizado porque la imagen acústica calculada por el módulo de cálculo de la imagen acústica 300, es mostrada en una pantalla de despliegue 400, de una computadora o equipo de procesamiento de información Un dispositivo sensor para la localización de descargas parciales en equipo eléctrico, caracterizado porque comprende un arreglo de sensores acústicos 1 constituido por tres sensores 0, distribuidos con un ángulo de de entre y 60 preferentemente 30 respecto a un eje vertical y con un ángulo de 1 entre sí en el plano horizontal, el cual está interconstruido en una base cilíndrica 130 que a su vez sirve de tope y tapón para evitar que el aceite salga del tanque y mantiene el arreglo de sensores 1, acoplado a un cilindro roscado 160 que tiene una parte plana 170 con la cual, el sensor no gira al ser apretado por la tuerca 140 y mantiene en una posición fija al arreglo de sensores 1 en la parte interna. Los cables provenientes del arreglo de sensores 1 salen por el ducto 0 y se interconectan con el módulo de procesamiento de señales 0. 13

14 5 11. Un dispositivo sensor para la localización de descargas parciales en equipo eléctrico, caracterizado porque comprende un arreglo de sensores acústicos 1 constituido por tres sensores 0, distribuidos con un ángulo de de entre y 60 preferentemente 30 respecto a un eje vertical y con un ángulo de 1 entre sí en el plano horizontal, el cual comprende una cámara de video integrada 600 en la parte central del arreglo de sensores, que permite adquirir imágenes ópticas con la cámara de video 600 por un lado y por otro, y el ángulo de visión de la cámara coincide con el ángulo de visión acústica del arreglo de sensores. 14

15 RESUMEN 5 La presente invención considera un dispositivo con un arreglo de sensores y un módulo de detección y despliegue de la localización de las fuentes de descargas parciales en equipo eléctrico de potencia. Por medio del análisis de las señales acústicas producidas por las descargas parciales, la presente invención aporta una imagen acústica en el espacio tridimensional de las fuentes de descargas parciales. El arreglo de sensores acústicos considera tres o más sensores que se localizan concentrados en un área reducida y guardan entre si ángulos específicos en el espacio de tres dimensiones. El procesamiento de las señales acústicas considera el filtrado, la correlación y la relación de magnitudes medidas por cada uno de los sensores. Lo anterior reduce el tiempo de procesamiento en dos órdenes de magnitud al comparar su desempeño con el arte previo y lo hace insensible a las variaciones en la magnitud de las señales acústicas detectadas. Se presenta una modalidad para la inspección interna que se emplea en transformadores y equipos de potencia aislados en gas. También otra modalidad para la inspección externa en donde se considera una cámara de video integrada a un arreglo sensor con el que se obtiene una imagen acústica superpuesta con la imagen de video y permite visualizar la ubicación de las fuentes externas de descargas parciales.

16 α 21 Figura 1 16

17 Figura 2a Figura 2b Figura 2 17

18 Figura 3 18

19 ADC ABS COR DPI µ σ + Figura 4 19

20 Figura 5

21 Figura 6 21

22 Figura 7 22

23 Figura 8 23

24 Figura 9 24