Dispositivo de acoplamiento de gran ancho de banda para líneas eléctricas.Large bandwidth coupling device for power lines.
La invención consiste en un dispositivo de acoplamiento de gran ancho de banda que tiene por objeto permitir medir señales de frecuencias superiores a las de la red eléctrica de potencia, típicamente comprendidas entre los 20 Hz y los 400 Hz.The invention consists of a high-bandwidth coupling device which aims at measuring signals of frequencies higher than those of the power grid, typically between 20 Hz and 400 Hz.
El dispositivo permite medir frecuencias desde unidades de kilohercios hasta decenas de megahercios, separando la parte de la señal correspondiente a la frecuencia de funcionamiento de la red eléctrica de potencia junto con sus armónicos, de las señales de frecuencia superior.The device allows measuring frequencies from units of kilohertz to tens of megahertz, separating the part of the signal corresponding to the operating frequency of the power grid along with its harmonics, from the higher frequency signals.
La invención es aplicable en las líneas de las redes de distribución de energía eléctrica de alta, media y baja tensión, para medir frecuencias superiores a las de la red eléctrica de potencia como las empleadas para enviar señales de comunicación a través de la línea eléctrica. Además la invención permite medir los pulsos de descargas parciales que se producen cuando la línea se encuentra mal aislada, cuyo contenido frecuencial abarca desde la continua hasta decenas de megahercios.The invention is applicable in the lines of high, medium and low voltage power distribution networks, to measure frequencies higher than those of the power grid such as those used to send communication signals through the power line. In addition, the invention allows measuring the partial discharge pulses that occur when the line is poorly isolated, whose frequency content ranges from continuous to tens of megahertz.
En los últimos años la evolución tecnológica ha hecho posible la transmisión de señales de comunicaciones a través de la red eléctrica ampliando el uso y la explotación de las líneas eléctricas de potencia. Dichas comunicaciones se emplean, por ejemplo, para automatizar los telecomandos de las subestaciones para la telegestión de los medidores de consumo de energía eléctrica, para comunicaciones de servicios de datos como Internet, y para servicios PLC (Power Line Communications).In recent years, technological evolution has made it possible to transmit communications signals through the power grid by expanding the use and exploitation of power lines. Such communications are used, for example, to automate the telecommands of the substations for the remote management of electricity consumption meters, for communications of data services such as the Internet, and for PLC (Power Line Communications) services.
Por otra parte, en las líneas eléctricas mal aisladas, se producen descargas parciales de pulsos, de forma que la medida de dichas descargas parciales permite vigilar el estado del aislamiento de las líneas eléctricas. Estas medidas se llevan a cabo empleando generadores de alta tensión externos, dispositivos de acoplamiento y equipos de medida externos en el caso de que la línea eléctrica quede asilada de la red. O bien empleando acoplamientos adaptados a la red eléctrica y equipos de monitorización. Los pulsos de descargas parciales que se miden son pulsos de corriente/tensión que se propagan por la línea eléctrica y que se producen como consecuencia de fallos en los aislamientos. Dichos pulsos de descargas parciales tienen tiempos de subida del orden de nanosegundos, y duraciones inferiores a unos pocos microsegundos, por lo que su contenido es típicamente desde la continua hasta decenas de megahercios.On the other hand, in the poorly insulated power lines, partial pulse discharges occur, so that the measurement of said partial discharges allows monitoring of the insulation status of the power lines. These measurements are carried out using external high voltage generators, coupling devices and external measuring equipment in the event that the power line is isolated from the grid. Or using couplings adapted to the mains and monitoring equipment. The partial discharge pulses that are measured are current / voltage pulses that propagate through the power line and are produced as a result of insulation failures. Said partial discharge pulses have rise times of the order of nanoseconds, and durations of less than a few microseconds, so their content is typically from continuous to tens of megahertz.
Los pulsos de descargas parciales, y en general las señales de comunicaciones o de control que se propagan por las líneas eléctricas tienen voltajes muy inferiores al voltaje de la propia línea eléctrica. Por ello es necesario conectar dispositivos de acoplamiento a la línea eléctrica capaces de medir estos pequeños voltajes de frecuencia superiores a la frecuencia de funcionamiento de la red de potencia y que atenúan el voltaje de la frecuencia de funcionamiento de la red de potencia y de sus armónicos. De esta forma, a través del dispositivo de acoplamiento pueden conectarse los correspondientes receptores de comunicaciones, registradores o medidores a la línea eléctrica sin peligro de que el alto voltaje de la frecuencia de la red de potencia y de sus armónicos dañe los equipos.The partial discharge pulses, and in general the communications or control signals that propagate through the power lines have voltages much lower than the voltage of the power line itself. Therefore, it is necessary to connect coupling devices to the power line capable of measuring these small frequency voltages higher than the operating frequency of the power grid and attenuating the voltage of the operating frequency of the power grid and its harmonics . In this way, the corresponding communications receivers, recorders or meters can be connected to the power line through the coupling device without danger that the high voltage of the power grid frequency and its harmonics will damage the equipment.
Los dispositivos actuales de acoplamiento se basan en empleo de filtros en “T” que comprenden un inductor, un condensador de entrada, de conexión a la línea eléctrica, y una salida que constituye el medio de conexión al equipo de medida. Estos filtros tienen atenuaciones elevadas por lo que disminuyen la sensibilidad de la medida, y además las frecuencias de corte inferior de los dispositivos son del orden de megahercios, por lo que resulta imposible medir con tales dispositivos las frecuencias por debajo de un par de megahercios.The current coupling devices are based on the use of "T" filters comprising an inductor, an input capacitor, a connection to the power line, and an output that constitutes the means of connection to the measuring equipment. These filters have high attenuations, so they reduce the sensitivity of the measurement, and in addition the lower cut-off frequencies of the devices are of the order of megahertz, so it is impossible to measure with such devices the frequencies below a couple of megahertz.
Para conseguir los objetivos y resolver los inconvenientes anteriormente indicados, el dispositivo de acoplamiento de la invención, se aplica en líneas eléctricas en las que se requiere medir los pulsos de descarga que se producen por un mal aislamiento, para así poder determinar el grado de aislamiento de la línea, y/o en las líneas en las que se requiera mediar las señales de comunicación, que convencionalmente se transmiten por la línea eléctrica. Para ello el dispositivo de la invención, al igual que los previstos en el estado de la técnica emplea al menos un filtro en “T” el cual a su vez al menos comprende un inductor, un condensador de entrada de conexión la línea eléctrica y una salida. La salida está prevista para conectarse a un equipo de medida de los pulsos de descarga y/o a un equipo de medida de los datos que se transmiten por la línea eléctrica. La principal novedad de la invención reside en la particular configuración del filtro en “T”, el cual presenta la particularidad de que el condensador de entrada es de alta tensión, el inductor está constituido por un circuito simulador de inducción y la salida del filtro en “T” comprende componentes de baja tensión que están determinados por un condensador y/o una resistencia.In order to achieve the objectives and solve the aforementioned drawbacks, the coupling device of the invention is applied in power lines in which it is required to measure the discharge pulses that are caused by poor insulation, in order to determine the degree of isolation of the line, and / or in the lines in which it is required to mediate the communication signals, which are conventionally transmitted by the power line. For this, the device of the invention, as well as those provided in the state of the art, employs at least one "T" filter which in turn comprises at least one inductor, an input capacitor connecting the power line and a exit. The output is intended to be connected to a device for measuring the discharge pulses and / or to a device for measuring the data transmitted through the power line. The main novelty of the invention resides in the particular configuration of the "T" filter, which has the particularity that the input capacitor is high voltage, the inductor is constituted by an induction simulator circuit and the filter output in "T" comprises low voltage components that are determined by a capacitor and / or a resistor.
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Mediante el empleo de los filtros en “T” convencionales, no se consiguen grandes anchos de banda, lo cual sería deseable para poder realizar las mediciones comentadas, de forma que para lograr frecuencias de corte inferiores, del orden de unidades de KHz, si se emplea un condensador de entrada de alta tensión con buen comportamiento en frecuencia, de los existentes en la actualidad, el valor del inductor que se requiere es muy elevado, lo que hace que el filtro sea irrealizable, pues el estado de la técnica no hace posible la construcción de tales inductores con buen comportamiento en frecuencia.By using conventional "T" filters, large bandwidths are not achieved, which would be desirable in order to perform the aforementioned measurements, so that to achieve lower cutoff frequencies, of the order of KHz units, if employs a high voltage input capacitor with good frequency behavior, of those currently existing, the value of the inductor that is required is very high, which makes the filter unworkable, since the state of the art does not make it possible the construction of such inductors with good frequency behavior.
Por lo tanto la configuración descrita de la invención no es conocida en el estado de la técnica, y su obtención no resulta obvia para el experto en la materia, pues los simuladores de inducción nunca han sido empleados en los dispositivos de acoplamiento, y su aplicación, de acuerdo con la configuración descrita, permite alcanzar una frecuencia de corte inferior del orden de unidades de KHz y obtener un buen comportamiento en frecuencia, y todo ello de forma que la frecuencia de corte superior puede ser del orden de decenas de MHz cuyo valor depende en gran medida de la calidad de los componentes empleados.Therefore the described configuration of the invention is not known in the state of the art, and its obtaining is not obvious to the person skilled in the art, since induction simulators have never been used in coupling devices, and their application , according to the described configuration, it allows to reach a lower cutoff frequency of the order of KHz units and obtain a good frequency behavior, and all this so that the higher cutoff frequency can be of the order of tens of MHz whose value It depends largely on the quality of the components used.
En la realización preferente de la invención el circuito simulador de inducción comprende un amplificador operacional cuya salida está conectada a su entrada inversora y cuya entrada no inversora se conecta a un primer condensador y a una primera resistencia, estando dicha resistencia además conectada a tierra. Además el primer condensador está conectado a una segunda resistencia y ambos al condensador de entrada, de forma que la segunda resistencia además está conectada a la entrada inversora del amplificador operacional, obteniéndose un circuito activo que simula el comportamiento de un inductor no ideal de valor elevado y con buen comportamiento en frecuencia.In the preferred embodiment of the invention, the induction simulator circuit comprises an operational amplifier whose output is connected to its inverting input and whose non-inverting input is connected to a first capacitor and a first resistor, said resistor being further grounded. In addition, the first capacitor is connected to a second resistor and both to the input capacitor, so that the second resistor is also connected to the inverting input of the operational amplifier, obtaining an active circuit that simulates the behavior of a high-value non-ideal inductor. and with good behavior in frequency.
Además, en la realización preferente de la invención se utilizan una pluralidad de filtros en “T” conectados en escalera, cuyo número es función el voltaje de la red, para atenuar la tensión de red a los valores de funcionamiento del amplificador operacional. El condensador de entrada de cada filtro en “T” conectados en cascada, tiene un valor de tensión que es función de la atenuación realizada por los filtros en “T” que le preceden hasta la conexión con la línea eléctrica. Respecto a la salida del último filtro en “T” conectado en escalera, se conecta un seguidor de tensión, que está conectado a un adaptador de impedancias para la obtención de las señales de comunicación y/o de los pulsos de descarga que se hayan producido en la línea eléctrica, y en consecuencia permitir efectuar su medición.In addition, in the preferred embodiment of the invention a plurality of "T" filters connected in a ladder are used, the number of which is a function of the network voltage, to attenuate the grid voltage to the operational values of the operational amplifier. The input capacitor of each “T” filter connected in cascade, has a voltage value that is a function of the attenuation performed by the “T” filters that precede it until the connection with the power line. Regarding the output of the last “T” filter connected in the staircase, a voltage follower is connected, which is connected to an impedance adapter to obtain the communication signals and / or the discharge pulses that have occurred on the power line, and consequently allow measurement.
Adicionalmente la invención comprende un circuito auxiliar de monitorización de la onda de la red eléctrica, que comprende un seguidor de tensión, un filtro pasobajo para obtener la señal de potencia de la red eléctrica, un amplificador de ganancia variable, un girador de fase electrónico que realiza la compensación de desfase del filtro en “T” a la frecuencia de funcionamiento de la línea eléctrica, un adaptador de impedancia y un módulo de monitorización de la onda, de forma que el circuito auxiliar monitoriza la onda de potencia de la red eléctrica, y en consecuencia permite realizar su medición.Additionally, the invention comprises an auxiliary circuit for monitoring the wave of the power grid, comprising a voltage follower, a low-pass filter for obtaining the power signal of the power grid, a variable gain amplifier, an electronic phase spinner that performs offset offset of the “T” filter at the operating frequency of the power line, an impedance adapter and a wave monitoring module, so that the auxiliary circuit monitors the power wave of the power grid, and consequently allows measurement.
A continuación para facilitar una mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de la misma, se acompañan una serie de figuras en las que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invención.In order to facilitate a better understanding of this descriptive report and forming an integral part thereof, a series of figures are attached in which the object of the invention has been shown as an illustrative and non-limiting nature.
Figura 1.-Muestra un filtro en “T” de tipo convencional en el que se basa la invención para obtener un dispositivo de acoplamiento de gran ancho de banda. Figure 1.- It shows a "T" filter of conventional type on which the invention is based to obtain a coupling device of high bandwidth.
Figura 2.- Muestra una conexión en escalera de dos etapas de filtros en “T” de acuerdo con el estado de la técnica.Figure 2.- Shows a two-stage ladder connection of “T” filters according to the state of the art.
Figura 3.- Muestra una forma de realización del dispositivo de acoplamiento de la invención que emplea un filtro en “T” de dos etapas con inductores constituidos por circuitos simuladores de inducción. Además se ha representado el circuito equivalente del simulador de inducción.Figure 3.- Shows an embodiment of the coupling device of the invention that employs a two-stage "T" filter with inductors consisting of induction simulator circuits. In addition, the equivalent circuit of the induction simulator has been represented.
Figura 4.- Muestra un diagrama de bloques del dispositivo para una configuración genérica en etapas de filtrado, en la que además incorpora un circuito auxiliar que permite realizar la monitorización de la onda de tensión de la línea eléctrica.Figure 4.- It shows a block diagram of the device for a generic configuration in filtering stages, in which it also incorporates an auxiliary circuit that allows the monitoring of the voltage wave of the power line.
DESCRIPCIÓN DE LA FORMA DE REALIZACIÓN PREFERIDADESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT
A continuación se realiza una descripción de la invención basada en las figuras anteriormente comentadas.Below is a description of the invention based on the figures mentioned above.
El dispositivo de acoplamiento de la invención está basado en la topología de un filtro en “T” de tipo convencional, como el mostrado en la figura 1, donde Ce es un condensador de entrada mediante el cual se efectúa la conexión a la línea eléctrica, y que además está dotado de un inductor constituido por una bobina L, un condensador C y la correspondencia resistencia R de salida. The coupling device of the invention is based on the topology of a conventional "T" filter, as shown in Figure 1, where Ce is an input capacitor by means of which the connection to the power line is made, and which is also provided with an inductor consisting of a coil L, a capacitor C and the corresponding output resistance R.
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En la figura 2 se muestra un filtro de dos etapas configurado como un filtro de escalera, para modificar su respuesta en frecuencia, el cual resulta especialmente útil para mantener una frecuencia de corte inferior baja de forma que en su salida se evita la presencia de tensiones elevadas a la frecuencia de funcionamiento de la línea eléctrica.Figure 2 shows a two-stage filter configured as a ladder filter, to modify its frequency response, which is especially useful for maintaining a low lower cutoff frequency so that the presence of tensions is avoided at its output raised to the operating frequency of the power line.
El condensador de entrada Ce, es de un valor de tensión elevado, sobre todo en la aplicación de la invención en redes de alta y media tensión, el cual además tiene un buen comportamiento en frecuencia, del tipo de los disponibles convencionalmente. El uso de un condensador de entrada Ce de alta tensión, implica que el valor del inductor L que se necesita sea muy elevado, lo que hace que el dispositivo sea irrealizable, pues en el estado de la técnica no es posible la construcción de tales inductores con buen comportamiento en frecuencia.The input capacitor Ce is of a high voltage value, especially in the application of the invention in high and medium voltage networks, which also has a good frequency behavior, of the type conventionally available. The use of a high voltage input capacitor Ce, implies that the value of the inductor L that is needed is very high, which makes the device unrealizable, since in the state of the art it is not possible to construct such inductors with good behavior in frequency.
Por tanto, la principal innovación del dispositivo de la invención, consiste en el uso de condensadores de entrada Ce de alta tensión, para lo que se requiere reemplazar los inductores L por circuitos simuladores de inducción activos, como por ejemplo se ha representado en la figura 3, que simula el comportamiento de un inductor no ideal, según se aprecia en su circuito equivalente, el cual posee una resistencia en serie Rs con el inductor y otra resistencia paralelo Rp, pero tiene la gran ventaja de tener un buen comportamiento en frecuencia, de modo que se permite obtener frecuencias de corte inferior bajas del orden de unidades de KHz.Therefore, the main innovation of the device of the invention consists in the use of high voltage input capacitors Ce, for which it is required to replace the inductors L with active induction simulator circuits, as for example shown in the figure 3, which simulates the behavior of a non-ideal inductor, as seen in its equivalent circuit, which has a series resistance Rs with the inductor and another parallel resistance Rp, but has the great advantage of having a good frequency behavior, so that lower lower cutoff frequencies of the order of KHz units are allowed.
En la figura 3 se muestra un dispositivo de la invención constituido por dos etapas de filtros en “T” formando un filtro de escalera, en el que las bobinas de inducción L han sido sustituidas por un circuito activo, que comprende un amplificador operacional 1, cuya entrada no inversora se encuentra conectada a una primera resistencia R1 y un primer condensador C1, de forma que la primera resistencia R1 está conectado a una segunda resistencia R2 y al condensador de entrada Ce, estando la segunda resistencia R2 conectada a la entrada inversora del amplificador operacional 1, cuya salida igualmente está conectada la entrada inversora. Esta configuración proporciona un circuito que simula un inductor L, que se trata de la simulación no ideal según ha sido comentado y representado en la figura 3. El circuito equivalente posee una resistencia en serie Rs cuyo valor es igual al de la segunda resistencia R2, y una resistencia en paralelo Rp con el inductor L, cuyo valor Rp es la resta del valores de la primera resistencia R1 menos la segunda resistencia R2 (Rp = R1 - R2), en tanto que el valor de la bobina L = R2 (R1 - R2) C1.Figure 3 shows a device of the invention consisting of two stages of "T" filters forming a ladder filter, in which the induction coils L have been replaced by an active circuit, comprising an operational amplifier 1, whose non-inverting input is connected to a first resistor R1 and a first capacitor C1, so that the first resistor R1 is connected to a second resistor R2 and to the input capacitor Ce, the second resistor R2 being connected to the inverting input of the Operational amplifier 1, whose output is also connected to the inverting input. This configuration provides a circuit that simulates an inductor L, which is the non-ideal simulation as discussed and represented in Figure 3. The equivalent circuit has a series resistance Rs whose value is equal to that of the second resistor R2, and a parallel resistance Rp with the inductor L, whose value Rp is the subtraction of the values of the first resistance R1 minus the second resistance R2 (Rp = R1 - R2), while the value of the coil L = R2 (R1 - R2) C1.
El circuito descrito proporciona frecuencias inferiores de corte del orden de unidades de KHz y obtiene un buen comportamiento en frecuencia, en el que la frecuencia de corte superior depende de la calidad de los componentes empleados en el diseño comentado.The described circuit provides lower cut-off frequencies of the order of KHz units and obtains a good frequency behavior, in which the higher cut-off frequency depends on the quality of the components used in the design mentioned.
En la figura 4 se muestra el esquema del dispositivo para una configuración genérica de etapas de filtrado 2, en el que además se ha incluido un circuito auxiliar 3 que se conecta entre las etapas 2, tal y como se muestra en la figura 4, o bien entre el condensador de entrada Ce y el condensador de salida C, de forma que el circuito auxiliar 3 permite realizar una monitorización de la onda de tensión de la línea eléctrica, para lo que dicho circuito auxiliar 3 está dotado de un seguidor de tensión 4, que mediante un filtro pasobajo 5 se dejan pasar únicamente las señales de potencia de la red eléctrica, y mediante el amplificador de ganancia variable 6 se permite ajustar la relación entre la tensión de la línea eléctrica y la tensión de salida del dispositivo para la monitorización de la onda de tensión, entregándose la señal a un girador de fase electrónico 7 que realiza la compensación del desfase del filtro en “T” a la frecuencia de funcionamiento de la línea eléctrica, lo que permite conocer la fase en que se detecta una descarga parcial. El girador de fase electrónico 7 está conectado a un adaptador de impedancias 8 mediante el cual se efectúa la conexión a un módulo de monitorización de la onda 9, de forma que se permite monitorizar la onda de potencia de la red eléctrica.Figure 4 shows the scheme of the device for a generic configuration of filtering stages 2, in which an auxiliary circuit 3 is also included which is connected between stages 2, as shown in Figure 4, or either between the input capacitor Ce and the output capacitor C, so that the auxiliary circuit 3 allows monitoring of the voltage wave of the power line, for which said auxiliary circuit 3 is provided with a voltage follower 4 , that through a step 5 filter, only the power signals of the mains are allowed to pass through, and by means of the variable gain amplifier 6 it is possible to adjust the relationship between the voltage of the power line and the output voltage of the device for monitoring of the voltage wave, the signal being delivered to an electronic phase spinner 7 that compensates for the offset of the “T” filter at the operating frequency of the line power, which allows to know the stage when a partial discharge is detected. The electronic phase spinner 7 is connected to an impedance adapter 8 by means of which the connection to a wave 9 monitoring module is made, so that the power grid power wave is allowed to be monitored.
La primera etapa 2 del filtro se conecta a la red mediante un fusible 10 de protección del dispositivo, en tanto que la última etapa 2 del filtro se conecta con un seguidor de tensión 11 de forma que en su salida obtienen las señales de comunicación enviadas a través de la línea eléctrica, así como los pulsos que se hubieran producido por una descarga parcial generada por un mal aislamiento de la línea eléctrica, de forma que el seguidor de tensión 11 se conecta a una salida 13 mediante el correspondiente adaptador de impedancias 12, obteniéndose en dicha salida 13 los pulsos de descarga parcial y las posibles señales de comunicación que se transmitan a través de la línea eléctrica.The first stage 2 of the filter is connected to the network by means of a protection fuse 10 of the device, while the last stage 2 of the filter is connected to a voltage follower 11 so that at its output they obtain the communication signals sent to through the power line, as well as the pulses that would have been produced by a partial discharge generated by a bad insulation of the power line, so that the voltage follower 11 is connected to an output 13 by means of the corresponding impedance adapter 12, obtaining in said output 13 the partial discharge pulses and the possible communication signals that are transmitted through the power line.
En consecuencia, el dispositivo descrito permite obtener tanto los pulsos que se producen por mal aislamiento en la línea eléctrica, como las señales de comunicación que se puedan transmitir a través de la misma.Consequently, the described device makes it possible to obtain both the pulses that are produced by poor insulation in the power line, and the communication signals that can be transmitted through it.
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