1.- INTRODUCCIÓN
El diagnóstico del estado del aislamiento de los cables subterráneos de media tensión y sus accesorios es un elemento fundamental de la gestión de activos en las redes de distribución. Por ello, el proyecto MATUSALÉN, liderado por Iberdrola y como continuación del proyecto CORPRES [1], tiene por objetivo la obtención de métodos de diagnóstico y modelos de vida de los cables subterráneos. El actual despliegue de las redes inteligentes es una oportunidad única no sólo por la facilidad de las comunicaciones sino también porque se pueden utilizar para realizar funciones de mantenimiento y contribuir a la gestión de activos sin modificar ni afectar a las capacidades ya implementadas. En ese sentido, una de las estrategias adoptada en el proyecto MATUSALEN es la utilización de la medida de descargas parciales (DP) [2] [3] [4] como herramienta de diagnóstico precoz de defectos en cables aislados de media tensión y accesorios. La medida de DP se utiliza de manera rutinaria en fábrica, en los ensayos de recepción o para ensayos off-line de cables instalados [5] [6]. Existen actualmente sistemas comerciales de monitorización de descargas parciales en cables pero su uso no se ha generalizado a gran escala en cables de media tensión de la red de distribución por diversas razones. La primera es el coste de los sensores y sistemas de adquisición que hacen inviable su implantación a gran escala en una cantidad muy elevada de puntos de medida. Por ejemplo, si se consideran los centros de transformación (CT) como ubicaciones de equipos de medida, se necesitarían varios miles de equipos para monitorizar áreas relativamente pequeñas.
Un segundo factor es la gran cantidad de información generada que debería ser enviada desde los CT a un sistema centralizado de tratamiento y análisis y, para ello se requiere de una red de telecomunicaciones. Con el desarrollo de las redes inteligentes, se tiene una oportunidad excelente para disponer de comunicaciones en cada punto de medida. Pero además, como muestra el proyecto MATUSALEN, los propios elementos de la red de comunicaciones pueden tener la función añadida de servir como sensores de DP y reducir la inversión necesaria.
Y, por último, un tercer elemento más reciente y a tener en cuenta es el despliegue de la tecnología BPL (Broadband Power Line Communications) que utiliza el propio cable como sistema de transmisión de la información. Para ello, se inyecta desde un extremo del cable una señal de comunicaciones que es recibida en el otro extremo por un receptor, generando así una red punto a punto. La tecnología BPL utiliza una señal con una amplitud varios órdenes de magnitud superior a las señales generadas por las DP y en un ancho de banda que coincide con el de los sensores habitualmente utilizados en su medida en cables (de 2MHz a 30MHz). Este es un reto tecnológico nuevo en la medida de DP para el cual el proyecto MATUSALEN propone una solución que garantiza la interoperabilidad de ambos sistemas.
Existen, por supuesto, otros retos tecnológicos en la medida de DP en cables, pero se puede considerar que son comunes a cualquier sistema de medida de DP y que están tecnológicamente resueltos (filtrado, automatización de la medida, etc.).
En definitiva, la condición inicial de diseño de un sistema viable de monitorización de DP en cables de media tensión debe tener en cuenta esos tres retos: coste, disponibilidad de una red de telecomunicaciones y compatibilidad con las comunicaciones BPL. Para ello, se ha definido una arquitectura de la red de monitorización con sistemas direccionales [7] en la que, además, se ha comprobado que se pueden utilizar como sensores de DP los acoplamientos capacitivos e inductivos, integrando incluso el sensor de DP en su interior. Por otra parte, se ha reducido al mínimo la información obtenida de la medida de DP. La interoperabilidad con la red de comunicaciones BPL se ha resuelto por medio de una estrategia de captura por ventanas temporales que ha sido analizada en varios escenarios.
2.- DIRECCIONALIDAD DE LA MEDIDA
Como se expuso en [7], la estructura finalmente seleccionada para la simplificación es el uso de sensores direccionales (como, por ejemplo, [8]) que permiten indicar el origen de la DP respecto al punto de medida. Igualmente, se podrá obtener el patrón de la descarga si se dispone de la señal de tensión en la línea. La direccionalidad se ha resuelto combinando la información de un sensor acoplado capacitivamente al cable y la de un sensor acoplado inductivamente. De esta manera, con el sensor capacitivo se obtiene la polaridad del pulso y, con esa información, es posible determinar el sentido de propagación con el sensor inductivo. En la figura 1, se recuerda este funcionamiento representado los cuatro casos posibles para una descarga parcial positiva o negativa que provenga de la izquierda o la derecha del punto de medida. En esta configuración, si la polaridad de las señales medidas en el sensor capacitivo e inductivo es la misma, el pulso proviene de la izquierda y si son opuestas, proviene de la derecha. Cuando viene por la derecha, para discriminar si se origina en el cable de la derecha o en el transformador, sería necesario añadir un segundo sensor inductivo (no es necesario otro sensor capacitivo). De esta manera, con un reducido número de sensores es posible dotar de direccionalidad a la medida y acotar el tramo donde se genere el defecto, lo cual puede ahorrar costes para un posterior diagnóstico off-line de la red al reducir el número de casos a estudiar.
Para la medida de la señal del sensor capacitivo, esquemáticamente representada en la figura 1, los socios del proyecto ZIV y Arteche, han realizado prototipos de los acoplamientos capacitivos con una toma adicional específicamente dedicada a la medida de descargas parciales. Las pruebas preliminares muestran que el comportamiento de estos nuevos acoplamientos es adecuado tanto para las comunicaciones como para la medida de DP.
Figura 1. Esquema conceptual de un sistema de adquisición direccional con un acoplamiento capacitivo y un acoplamiento inductivo cuando el pulso viene de la derecha o de la izquierda o si es positivo o negativo.
3.- COMPATIBILIDAD CON LA RED DE COMUNICACIONES BPL
Los sensores de DP y los módems de comunicaciones BPL comparten el ancho de banda de señal, de manera que es inevitable que los equipos de medida de DP midan también la señal BPL. Al tratarse de una señal de elevada potencia, la amplitud de la onda medida es muy superior a la señal de descargas parciales que habitualmente puede medirse y esta queda enmascarada. De hecho el ancho de banda de los sensores habitualmente utilizados en cables es de 2MHz a 40MHz o superior, y el ancho de banda de las comunicaciones BPL ocupa la banda de 2MHz a 30MHz. Especialmente la banda de 2MHz a 7MHz (modo 11) y de 8MHz a 18MHz (modo 12). La banda completa (modo 10) no se utiliza actualmente. La red de comunicaciones BPL se superpone a la red de distribución de potencia pero no tiene por qué coincidir con ella en su jerarquía. Quiero esto decir que una misma línea de media tensión alimentada desde una subestación puede estar dividida en varias micro redes de comunicaciones. En ese caso, es habitual utilizar modos distintos para las micro redes con objeto de reducir las interferencias entre sí. Los fabricantes de módems que actualmente se emplean en las redes de Iberdrola comparten un mismo hardware que garantiza su compatibilidad y que también hace que los patrones temporales de las señales sean muy similares. En la figura 2 se muestra la señal recogida por un sensor de DP en la malla de tierra de un cable con un módem trabajando como maestro y otro como repetidor, ambos en el modo 11. Se observa que existen periodos de silencio de las comunicaciones que pueden representar un 50% de la señal capturada. Los intentos de filtrar estas señales han conducido a problemas para detectar la DP si se mide con transformadores de alta frecuencia. Si se utilizan sistemas de medida de DO basados en la norma IEC 60270 que utiliza un ancho de banda por debajo de 500kHz, el nivel de ruido de fondo equivalente se eleva a 50pC en laboratorio (cuando el nivel de ruido es de 2 o 3 pC). Si se intenta utilizar el ancho de banda por debajo de 2MHz con filtros digitales el resultado en ruido es similar o superior (del orden de 100pC equivalentes). Pero si se utilizan los periodos de silencio de las comunicaciones el ruido es del orden de 5 a 10pC equivalentes en laboratorio. Por ello, se decidió basar el sistema en la estrategia de capturas por ventanas temporales [7].
Figura 2. Ejemplo de funcionamiento de un maestro y un repetidor en modo 11 (fabricante A)
Por otra parte, se ha comprobado que este patrón de señales temporales siempre permite tener una parte razonable de periodos de silencio en las comunicaciones en diferentes configuraciones más complejas. Por ejemplo, cuando se dispone de un maestro y dos repetidores. La señal obtenida es prácticamente la misma (figura 3) que en el caso anterior porque la comunicación siempre se establece punto a punto.
Otra cuestión es cuando pueden coexistir sobre una misma fase del cable de potencia de modos de funcionamiento (modo 11 y 12) correspondiente a dos micro redes de comunicación contiguas. Esto se ha simulado en el laboratorio utilizando tres bobinas de cable de 500m en serie. En la primera de ellas se ha instalado un maestro con su repetidor en modo 11 y en el tercer un maestro con su repetidor en modo 12 (figura 4). Si se instalan los sensores de DP en la bobina central, estará recibiendo la señal de ambos modos de manera asíncrona y superpuesta. El resultado de la señal temporal se puede ver en la figura 5, donde se ha representado una captura temporal especialmente desfavorable.
Figura 3. Ejemplo de funcionamiento de un maestro y dos repetidores en modo 11 (fabricante B)
Figura 4. Esquema del montaje de laboratorio para la prueba de interferencia entre dos modos de comunicaciones.
Además, se ha utilizado una parte de la red del proyecto STAR (Iberdrola) para hacer pruebas de campo y comprobar que los resultados de laboratorio y de campo son idénticos (figura 6). Las capturas de las señales temporales con interferencias de modos son incluso más regulares que las obtenidas en laboratorio.
Figura 5. Ejemplo de medida de la interferencia entre un maestro y un repetidor en modo 11 (fabricante B) y otro maestro y repetidor en modo 12 (fabricante A)
Figura 6. Medidas en campo de compatibilidad entre señales PLC y medida de DP
Los datos obtenidos en laboratorio, se resumen en la tabla 1 y la tabla 2. Se puede observar que los modos simples proporcionan una visibilidad cercana o superior al 50% del ciclo mientras que en los modos con interferencias, esa visibilidad puede bajar al 20%. Ese porcentaje mínimo es aparentemente mayor en campo (aunque no disponemos todavía de suficientes mediciones para poder generalizar). En todo caso, es suficiente para monitorizar DP ya que simplemente alargando el tiempo de medida se puede garantizar la detección de DP.
Tabla 1. Resumen de periodos de silencio con modos únicos de comunicación.
Resumen de periodos de silencio con interferencias entre los modos de comunicación
Finalmente, la detección de DP por ventanas temporales requiere de un algoritmo de tratamiento de la señal relativamente simple del cual se ocuparía el sistema de supervisión local (que está siendo desarrollado por el socio del proyecto Ingeteam). Por ejemplo, se puede utilizar un filtrado y una posterior detección de umbrales mínimos para identificar los periodos de silencio que luego son “extraídos” de la señal original. En ellos se pueden aplicar algoritmos tradicionales de filtrado y detección de DP. Si además, se dispone de la referencia de tensión (la señal BPL es totalmente asíncrona respecto a la señal de 50Hz), se puede determinar la fase del pulso de DP y el patrón de la medida de DP.
Figura 7. Ejemplo de tratamiento de una señal capturada para extracción de una DP
4.- CONCLUSIONES
El proyecto MATUSALEN propone una estrategia de medida y tratamiento de datos por ventanas temporales para hacer interoperable la monitorización de descargas parciales en cables aislados de distribución con las comunicaciones BPL implementadas en el mismo cable. Para la medida se pueden aprovechar los mismos acoplamientos capacitivos de la red de comunicaciones, reduciendo el número de equipos adicionales. De hecho, ya se dispone de prototipos de acoplamientos capacitivos con una salida dedicada para la medida de DP. El sistema se puede hacer direccional para discriminar la dirección de propagación del pulso de la DP e identificar zonas de dónde provendría, reduciendo el tiempo posterior de análisis con laboratorios móviles.
5.- AGRADECMIENTOS
El proyecto MATUSALEN (RTC-2014-1908-3) ha sido financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad.
6.- BIBLIOGRAFÍA
[1] Maiz, A. Rodrigo, P. Llovera, X. Balza, “Investigation on the technologies for defect localization and characterization on medium voltage underground lines”, JiCable, 2011.
[2] IEC 60270, “High voltage test techniques – Partial discharge measurements”, 2000.
[3] IEC 60883-3, “Electrical test methods for electric cables – part 3: test methods for partial discharge measurements on lengths of extruded power cables”, 2004.
[4] IEEE Std 400.3, “Guide for Partial Discharge Testing of Shielded Power Cable Systems in a Field Environment”, 2006.
[5] S. Mashikian, A. Szarkowski, “Medium voltage cable defects revealed by off-line partial discharge testing at power frequency,” Electrical Insulation Magazine, IEEE , vol.22, no.4, pp.24-32, July-Aug. 2006.
[6] Gulski, B. R. Hamerling, F. J. Wester, J. J. Smit, E. Groot, P. Schikarski, “Insulation condition assessment of medium voltage power cables using on-site PD detection and analysis techniques,” Electricity Distribution, 2001. Part 1: Contributions. CIRED. 16th International Conference and Exhibition on (IEE Conf. Publ No. 482) , vol.1, no., pp.5, 2001.
[7] Belakortu Arandia P. LLovera-Segovia, M. Domínguez-Lagunilla, A. Soria-Esteve, V. Fuster Roig, “Uso de la red de telecomunicaciones para la integración de sistemas de monitorización de cables subterráneos por descargas parciales”. VIII Jornada Técnica de Líneas, CIGRE, Madrid, 2016.
[8] Quijano, M García, A. Rodrigo, P. LLovera. “System for measuring partial discharges in power lines”. Patente WO 2011/036325 A1.