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Sistema óptico de Mantenimiento de cables de alta tensión soterrados

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Imagen del artículo Sistema óptico de Mantenimiento de cables de alta tensión soterrados

Javier Bengoechea

R&D Technical coordinator
Lumiker

RESUMEN

El uso de transformadores ópticos de corriente, conectados mediante fibras ópticas convencionales pensadas para comunicaciones, abre la posibilidad de realizar mantenimientos predictivos sobre cables de alta tensión. Un sistema de 115kV de 12 km de distancia ha sido desarrollado e implementado en Copenhague. Se ha podido medir la corriente en nominal del cable y de las puestas a tierra, que se encuentran enterradas, permitiendo el mantenimiento del mismo, la discriminación de faltas y la localización de la misma.

KEYWORDS

OCT Optical Current Transformer; SM Single Mode fiber optic.

INTRODUCCIÓN

Las instalaciones de cable subterráneo, son una realidad que por diversos motivos se empieza a imponer.

El fuerte rechazo social a las instalaciones aéreas, la no dependencia climática de las instalaciones soterradas, la propia seguridad de las mismas y su capacidad para llegar a los centros urbanos, hacen de estas instalaciones un elemento de mayor peso dentro de la red de transporte de cualquier TSO.

La presencia de movilidad eléctrica en las ciudades va a suponer un fuerte incremento en las necesidades de mallado y con ello se espera un fuerte incremento de este tipo de instalaciones.

A pesar de sus claras ventajas, presentan ciertos inconvenientes. Suelen ser sistemas desasistidos o con mantenimiento muy precario, precisamente por su condición de enterrado. También presentan problemas en líneas de naturaleza mixta, para la discriminación de dónde se ubica la falta, debido a la disparidad de la impedancia característica de ambas instalaciones (aéreo y soterrado). Finalmente, en caso de falta, resulta complejo discernir el punto de falta, y con ello los tiempos de reposición de la instalación.

Actualmente, se siguen buscando alternativas que permitan monitorizar y operar este tipo de instalaciones de una manera segura. Así Cigre posee varios grupos de trabajo, en los cuales el sensado remoto es un constante.

Una de las alternativas es mejorar la información que se dispone de la instalación tanto de la corriente nominal del cable, como de las corrientes de las pantallas. Los sistemas convencionales de medida de corriente requieren de sistemas de alimentación y desde luego no se consideran pasivos, y con ello, libres de mantenimiento.

Los transformadores ópticos de corriente, desarrollados a partir de fibra óptica, sí permiten este tipo de medida (remota y pasiva) y el sistema desplegado demuestra que es factible dicha aproximación. También, con la aportación de estas magnitudes se ha resuelto de una manera completa y compacta todas las necesidades de este tipo de instalaciones, que serían, el Mantenimiento de la misma, la Discriminación de la falta y la Localización de la falta.

OPTICAL CURRENT TRANSFORMER (OCT).

Los sistemas de fibras ópticas han evolucionado intensamente en los últimos diez años. El despliegue de las mismas dentro del campo de las comunicaciones, está permitiendo considerar otras características, que hasta ahora solo se consideraban a nivel exclusivamente académico.

Las fibras ópticas permiten medir de una manera directa diversas magnitudes que son muy útiles dentro del sistema eléctrico. Las tres magnitudes principales serían: el campo magnético (Faraday), la deformación mecánica y la temperatura (Bragg y/o dispersiones Rayleigh, Brillouin y Raman), y estas magnitudes pueden medirse de manera puntual, semidistribuida o distribuida.

Se ha mejorado enormemente en el desarrollo de las distintas partes que componen un sistema óptico guiado (sobre fibra óptica), como fuentes de luz y amplificadores (Láser, Sled, Edfa o Soa), u otras partes pasivas del conjunto, como puedan ser las propias fibras (PM, Spun HiBi, LoBi, etc...), pero de igual modo, polarizadores, espejos y otras partes de interés (conectores, fusiones, etc.).

Todo ello, y especialmente, si se trabaja dentro de las ventanas habituales de comunicaciones como serían las relativas a 1310nm y 1550nm.

Algunas soluciones de medida de óptica de corriente, basados en patentes iniciales, no permiten conectar los transformadores ópticos (normalmente desarrollados mediante fibras Spun HiBi), con sus interrogadores empleando fibras monomodo estándar tipo G652 o G657, ya que requieren de fibras especiales de tipo PM para su conexión. Actualmente, ya se han desarrollado varios esquemas de medida donde este condicionante no es necesaria, y dicha conexión es factible realizándose con fibras monomodo estándar, desplegadas para usos de comunicaciones.

De esta manera en la subestación se ubican los interrogadores, y se conectan dichos interrogadores con los OCT’s (Figura 1) empleando las fibras ópticas usadas para comunicaciones y con ello se pueden ubicar en cualquier punto de la red que disponga de fibras monomodo de conexión. Dichos OCT’s no precisan de alimentación, y al considerarse pasivos, son libres de mantenimiento.

La distancia entre interrogador y OCT, no es un problema real, y las limitaciones vienen dadas por un conjunto de condicionantes:

  • Número de OCT que pueden usarse por fibra. Suele ser habitual 3, 6 o más.
  • Estructura propia del esquema de medida del OCT. Sagnac, Faraday e informaciones adicionales.
  • Potencia de emisión. Es factible trabajar con 10dBm de potencia de luz, pero es factible poder llegar hasta los 24 dBm, especialmente si se trabaja en la banda de 1550nm.
  • Sensibilidad de los receptores empleados. Este un valor clave, y es posible trabajar con -34 dBm con una relación S/N deseable.

CABLE MANAGEMENT OPTICAS SYSTEM (CAMOS).

En todo sistema de cable, existe de forma paralela un tendido de fibra óptica monomodo. Este tendido se entiende como un servicio auxiliar de la instalación, pensado principalmente para cuestiones relativas a comunicaciones, y por ello lo normal es que trabajen con fibras monomodo. Es por ello, que es factible colocar OCT’s tanto en las cabeceras del cable como en las puestas a tierra del mismo.

Debido a la estructura óptica de los OCT’s de Lumiker, es posible trabajar con un OCT o con dos, es decir, un doble devanado, sin con ello incurrir en pérdidas de potencia, y así que se ha decido separar completamente la gestión de mantenimiento del cable, de la relativa a la discriminación-localización, asignando OCT diferenciados para cada caso.

La TSO Energinet (Figura 3) está instalando un cable de 115kv que une las subestaciones GLN con SMK. La longitud completa del cable es de unos 12km y está compuesto de cuatro Mayor Part (MP), con dos puestas a tierra en la cabecera de cable y tres puestas a tierra en los ManHole 3,6,y 9. El resto de los ManHole se usan para realizar las transposiciones necesarias de las pantallas. Esto da un conjunto de 36 minor part.

Los números principales de esta instalación serían:

Figura 1 OCT para ManHole. Con dos devanados, uno orientado a mantenimiento con 50 metros de fibra y otro orientado a corrientes de protección con 4 metros de fibra.
  •  6 OCT de medida de corriente nominal (desde 10 Amperios- 4000 Amperios) de cable, 3 de ellos ubicados en la subestación GLN y 3 ubicados en la subestación SMK, situada a 12 km.
  • 6 OCT de medida de corriente de cortocircuito en cable, con capacidad de 60k amperios de medida, 3 ubicados en GLN y 3 ubicados en SMK.
  • 3 OCT mantenimiento y 3 OCT de protección en Main Hole 3, 6 y 9.
  • 3 OCT mantenimiento y 3 OCT de protección en screen de la cabecera de cable en la subestación GLN.
  • 3 OCT mantenimiento y 3 OCT de protección en screen de la cabecera de cable en la subestación SMK.
Figura 2. Esquema general del sistema Óptico-Electrónico que se ubica en subestación

Esto da una cantidad de 42 OCT’s de diferente tipo, sobre una instalación distribuida de 12 km.

Figure 3. Diagrama de la instalación GLN-SMK, Cophenague.

La información disponible es recogida por un PC, con sistema operativo Linux y programado en Java. Este posee un HMI sobre el cual se pueden acceder a todas las posiciones y sus valores, en módulo y fase. También se pueden ver históricos de todas las magnitudes.

MANTENIMIENTO

En cables soterrados el mantenimiento es muy reducido.

La razón principal de esta realidad es que las cajas de cruzamiento y las de puesta a tierra normalmente se encuentran soterradas y su acceso en general no es sencillo. Las corrientes que circulan por la misma es sin duda un indicador claro de la salud de la instalación y el poder leerlas, en módulo y fase, sirven para contrastar el modelo de la instalación, cable y pantalla incluyendo el entorno donde este se ubica.

Por tanto, para disponer de un mantenimiento mejorado del cable se precisa de un modelo del mismo, desarrollado a partir de modelos Pscad o equivalentes, y sobre este modelo (normalmente de parámetros concentrados) podemos alimentarlo de magnitudes reales, como serían, la tensión de operación y la corriente nominal del mismo.

Como consecuencia de todo ello, tendremos unas corrientes de pantalla con una magnitud y una fase determinada.

Dado que estas corrientes en el sistema CAMOS son medidas, es posible establecer desviaciones de la instalación en tiempo real, o trabajando sobre históricos de las mismas, y con ello mejorar los estimadores de salud de la instalación.

Existen situaciones muy claras dentro del mantenimiento, como serían:

  • Pérdida de la puesta a tierra. En caso de pérdida de la puesta a tierra, las medidas de corriente serán cero. El sistema CAMOS es capaz de discernir en módulo y fase señales tan bajas como 2 amperios eficaces.
  • Cortocircuito del surge arrester. En ese caso tendríamos una puesta a tierra inesperada en una trasposición. En las pruebas iníciales se ha visto un fuerte cambio de fase en las señales de puesta a tierra.
  • Semiconductora de la cubierta.
  • Tangente de delta. Dado que el sistema CAMOS dispone de la tensión de línea como entrada, y las corrientes, tanto de cabecera como de puesta a tierra en módulo y fase, es factible definir una tangente de delta.

Las medidas de mantenimiento, que en el sistema actual instalado sería de 26 corrientes en módulo y fase, son obtenidas cada 10 segundos del sistema. El margen dinámico de las mismas es desde 2 amperios hasta 400 amperios para las corrientes de pantalla y hasta 2000 amperios para las corrientes que circulan por el cable.

El proceso de medida (Figura 4) es el siguiente:

  • De manera sincronizada se rellenan 26 buffer de corriente y 3 de tensión de 25 ciclos para cada una de las magnitudes que se usan dentro del sistema CAMOS.
  • Se determina la frecuencia de la red.
  • Se hace un sumatorio de ciclos, interpolando las muestras para ajustar la frecuencia de la red con la frecuencia de muestreo. Esto permite reducir el ruido pero manteniendo la información relativa a armónicos de red.
  • Este ciclo está disponible cada 10 segundos.
Figura 4. Medida de cinco amperios de primario. En rojo la medida directa, en amarillo el resultado del promediado de la señal.

Este proceso es absolutamente necesario si lo que se pretende es reducir ruido de fondo, y con ello buscar corrientes homopolares.

A partir de estas medidas es factible determinar las siguientes:

  • Magnitud y fase de las corrientes nominales de cable (6 corrientes).
  • Magnitud y fase de las corrientes de pantalla (24 corrientes).
  • Magnitud y fase de las corrientes que fluyen a tierra, en cada de los puntos de puesta a tierra (5 corrientes).
  • Estimación del perfil de tensiones en la pantalla.
  • Estimación de la resistencia de tierra.

Todos estos resultados se recogen, vía PC, y son presentadas de manera continua sobre un HMI y son lanzadas a un servidor remoto. Esto se realiza vía un radio moden, es decir, no se requiere interacturar con los sistemas de comunicación de la compañía eléctrica. Los ficheros son ASCII y es factible desarrollar programas de tratamiento de la información.

DISCRIMINADOR

Empieza a ser habitual el tener líneas mixtas, es decir, líneas aéreas que pasan a ser soterradas por cuestiones medioambientales o de seguridad. En estos casos la disponibilidad de la línea en su conjunto se ve muy afectada, ya que la posibilidad de reenganche se ve condicionada a la discriminación de que la falta se ubique dentro o fuera del cable, incluyendo las botellas de terminación. Esta discriminación, que debe ser muy precisa, resulta imposible con las protecciones habituales de distancia. Se han realizado tentativas de resolución mediante la discriminación de ondas viajeras o mediante la discriminación de ondas acústicas en fibras ópticas mediantes sistemas distribuidos tipo DAS.

Otra posibilidad, muy clara y mucho más precisa y de fácil compresión, es desarrollar una protección diferencial de línea tomando la corriente de la línea en las cabeceras del cable. Para la determinación de la presencia de falta en la terminación, basta considerar la puesta a tierra de la misma, sabiendo que dicha terminación siempre se sustenta sobre un pedestal aislado de tierra.

Para desarrollar dicha protección, la única limitación es la medida de corriente en ambos extremos de la línea y esto es totalmente factible con la presencia de OCT’s en dichos extremos.

Los esquemas de protección son absolutamente clásicos, con la definición de corriente de paso y diferencial, la definición de un semiplano de disparo más el aporte de la direccionalidad de la corriente.

Conviene hacer una salvedad sobre la corriente diferencial y los transformadores ópticos. Los transformadores ópticos tipo OCT no presentan problemas de saturación, pero la señal medida no es una señal directa, sino que es una señal que modula un seno. Es decir, si la magnitud de la línea puede definirse por la fórmula:

La señal proporcionada por un OCT es realmente:

Donde y es una constante que agrupa dos factores importantes, uno es la sensibilidad de la fibra óptica al campo magnético y dos, la longitud de fibras devanado a lo largo del conductor. Si este conjunto pasa de los 80 o la señal que proviene del OCT es compleja de demodular.

Es por ello que en el sistema se han previsto siempre dos devanados, uno para la realización de las medidas relativas al mantenimiento, y que es un devanado de unos 50 metros de fibra, y un segundo devanado de protección, con dos metros de fibra para la medida de cortocircuito en cable y de cuatro metros en la medida de las corrientes de cortocircuito en las puestas a tierra.

El objetivo es tener medidas que nunca requieran sistemas complejos de demodulación, y esto permita a los sistemas de protección trabajar en tiempo real.

Figura 5. Pantalla de mantenimiento del sistema

LOCALIZACIÓN

Dada la cantidad de información del sistema CAMOS, un hecho adicional que permite incrementar su valor es la determinación del punto de falta. Dado que es factible ubicar OCT’s en los extremos del cable y en los puntos de puesta a tierra del cable, se consideró la posibilidad de desarrollar localizadores a partir de la información disponible.

El localizador se nutre de la información proveniente de la protección. En concreto se dispone de una oscilografía de 25 ciclos (3 de prefalta y 22 de posfalta), actualmente con 80 muestras ciclo, sobre los 26 canales de corriente de protección, y 3 más para las tensiones.

Esta información es recogida por el PC y se activa el localizador.

El algoritmo de localización presenta los siguientes bloques:

Discriminación de falta

Es el resultado del discriminador de falta comentado previamente. Se trata de una protección diferencial de línea, totalmente convencional, que determina si la falta está dentro o fuera del cable y la fase que está en falta, ya que se presupone que la falta siempre es monofásica.

Discriminador de Mayor Part (MP) en falta

En principio se disponen las corrientes de cortocircuito en los extremos de cada MP, así que de una manera intuitiva una manera muy sencilla de saber si una MP está en falta o no, sería desarrollar protecciones diferenciales de pantalla sobre estas corrientes. Si la corriente diferencial de pantalla de una MP marca cero, esa sección no estaría en falta.

Desgraciadamente estás corrientes no están disponibles de una manera inmediata. La razón de ello es que los OCT se ubican en el exterior de la caja de puesta a tierra, y con ello, se dispone de la medida de la corriente del cable coaxial, que provienen de la unión, pero no de las corrientes individuales. Los únicos puntos donde sí se disponen estas corrientes segregadas serían en las cabeceras del cable.

Tomadas estas tres corrientes de manera individual, podemos calcular las secuencias positivas y homopolares de dichas corrientes. Si las tres corrientes son muy idénticas, especialmente en fase, que es lo que sucede en caso de que la corriente de cortocircuito circule por la pantalla, pero que no sea una MP en falta, la secuencia homopolar equivalente será muy elevada, y la secuencia positiva baja. En caso contrario, sí podemos decir que esta MP está en falta.

Entonces si vamos de izquierda a derecha (MP 1, 2, 3, 4), vamos determinando si esta MP está en falta o no lo está. Si no lo está se resta la corriente de esa sección sobre la corriente medida en el coaxial de la siguiente puesta a tierra. La corriente obtenida sería la corriente segregada de las pantallas de la siguiente MP.

Esto se puede hacer de derecha a izquierda tanto como de derecha a izquierda. Ambos algoritmos deben de coincidir.

DETERMINACIÓN DE LA MINORPART EN FALTA

Realmente esto es muy sencillo si se disponen de las corrientes de pantallas en los extremos de los MP. Basta con desarrollar protecciones diferenciales sobre las corrientes de pantalla, y dada la trasposición de pantallas, junto con la información de la fase en falta proveniente de las protecciones diferenciales de fase, se determina sin posibilidad de error cuál de las 9 minor part de la MP está en falta.

Discriminación del punto de falta

El algoritmo, llegado a este punto ya sabe tanto la MP, con sus corrientes de puesta tierra segregadas, así como la minor part en falta. También se conocen las corrientes de cortocircuito en sus extremos.

Sin pérdida de generalidad supongamos que la falta se encuentra en la fase B y la mp 2 conforme el esquema de la figura 6.

En esta situación, conocemos las seis corrientes del cable, ya que coinciden con las de los terminales, ya que las corrientes capacitivas no se consideran, al ser muy inferiores a las de cortocircuito. También conocemos las seis corrientes de pantalla que existen en los extremos de la MP. Desconocemos la resistencia de tierra y la posible resistencia de falta, que aunque reducida, ya que es una falta en cables, no sabemos su valor.

Si consideremos un modelo razonable para esta situación de cortocircuito, los únicos parámetros de interés serían las resistencias de cable y pantallas, las inductancias de cable y pantallas y las inductancias mutuas entre cable-cable, pantalla-pantalla y cable-pantalla.

Con estas premisas podemos ver cómo sería el circuito de pantallas, solo de las pantallas, para esta situación de cortocircuito.

Dado que los circuitos de pantallas están conectados en las partes finales de las MP, se forman dos mallas, en las cuales se conocen por medida directa las corrientes, y los parámetros concentrados del cable son los obtenidos del modelo de cable, y la suma de la tensión de dichas mallas debe ser cero.

Esto es así independientemente del valor que pueda tener la resistencia de falta o los valores de resistencia de tierra. Sí que es cierto que existe cierta variación en los valores de inductancia e inductancia mutua en función del valor de la resistividad del terreno, pero en los ensayos realizados con EMTP, trabajando con valores desde 100 Ohmios/metro a 5 Ohmios/metro, no hemos encontrado grandes variaciones. El comportamiento es bastante estable y entendemos que la razón de ello es que la resistividad del terreno es un factor que modifica estos valores de igual manera. Si desarrollamos el algoritmo de una manera completa, el valor x se despeja como resultado de una división, y dicha variabilidad afecta de igual manera numerador que denominador, y su efecto se cancela.

CONCLUSIONES

El rápido desarrollo de las comunicaciones ópticas sobre fibra óptica monomodo, está abriendo aplicaciones para el empleo de dichas fibras, como sensores, de magnitudes de gran relevancia para el sector eléctrico.

En el caso de la corriente esta magnitud es fundamental para desarrollar nuevas aplicaciones, ya sea porque se aportan nuevas informaciones que hasta ahora eran muy complejas de obtener, como serían el mantenimiento predictivo en cable o la localización del punto de falta, ya sea porque se mejora las posibilidades sobre las ya existentes, en este caso protecciones diferenciales que aportan seguridad de uso a la instalación.

El despliegue del sistema CAMOS sobre un cable de ENERGINET, está demostrando este nuevo enfoque. Se están desplegando 42 OCT (Optical Current Transfromer), sobre distancias de 12 kilómetros. Se consideran medidas muy bajas, completamente orientadas al mantenimiento, donde la precisión de la medida y la capacidad de extraer información precisa para a partir de ellas, trabajando en Cloud, poder obtener información útil para el operador de la red. También se han considerado situaciones de cortocircuito, donde la discriminación de la falta, y la localización rápida y veraz del punto de la misma es la clave para reducir el tiempo de servicio de la instalación.

Figura 6. Esquema MP en falta en el minopart 2. La fase en falta sería la B y la pantalla en falta sería la A
Figura 7. Modelo de parámetros concentrado de las mallas de pantalla para el caso planteado.

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