Diagnóstico en cables mediante modelos en el dominio de la frecuencia

Abstract

RESUMEN: Los cables de aislamiento polimérico fueron introducidos a principios de los años cincuenta, elegidos para sustituir paulatinamente a los cables de papel impregnado en aceite, debido a sus propiedades superiores: gran longevidad, fácil manipulación, bajo precio y mayor temperatura de operación. Sin embargo, a pesar de todas estas propiedades los cables comenzaron a fallar en los primeros años debido a la degradación del aislamiento provocada por arborescencias de agua. Las arborescencias de agua son aquellas áreas del polímero cuya forma concuerda a la de un arbusto en el que las propiedades del aislante han sido alteradas debido a un cambio de su estructura química y física, provocadas por una acción combinada del campo eléctrico y el agua. Los métodos de diagnóstico del estado de envejecimiento del aislamiento de los cables subterráneos permiten detectar y estimar la gravedad de la degradación del aislamiento. Sin embargo, ya que la degradación por a arborescencias de agua puede ser un fenómeno local, que solo afecta regiones específicas del cable son necesarios métodos complementarios que además de detectar la presencia de arborescencias de agua en el cable sean capaces de localizarlas. En este trabajo se propone y analiza una técnica de diagnóstico para la localización de secciones de aislamiento degradadas por arborescencias de agua a lo largo de cables de potencia, la cual se elabora a partir de un modelo de parámetros distribuidos dependientes de la frecuencia. El algoritmo se crea a partir de la solución de las ecuaciones del telegrafista en el dominio de la frecuencia, debido a esto, es necesario implementar la transformada numérica de Laplace, la cual permite convertir señales en el dominio del tiempo al dominio de la frecuencia. El algoritmo se implementó en MATLAB® usando datos de cables con secciones degradadas generados en PSCAD/EMTDC (programa comercial para el análisis de transitorios electromagnéticos). Las simulaciones se hicieron considerando distintas magnitudes de degradación, variando su localización a lo largo del cable y las capas afectadas. En los primeros cuatro casos se consideró que la degradación únicamente afectaba el aislamiento principal del cable y en los últimos dos casos que la degradación se extendía hasta la cubierta. De acuerdo con los resultados el algoritmo es capaz de localizar secciones degradadas de una longitud arriba del 5% de la longitud total del cable. En los casos donde la degradación afecta solo el aislamiento principal del cable se determinó que lo que más altera el resultado del algoritmo de localización es la ubicación de la sección degradada con respecto al nodo de envío, pues se observó que es después del 30% de la longitud total del cable los porcentajes de error aumentan. Para los casos donde la degradación se extiende hasta la cubierta, se obtuvieron resultados donde el porcentaje de error aumenta cuando la sección degradada se ubicaba después de la mitad del cable. Este comportamiento se solucionó cambiando la alimentación del cable , del nodo de envío al nodo de la recepción. ABSTRACT: The polymeric insulated cables were introduced in the early fifties, these cables were chosen to gradually replace the paper impregnate cables, due to their properties: greater longevity, easy handling, lower price, and higher operating temperature. However, despite all these properties the cables started to fail short time after its installation due to the insulation degradation caused by water tree. Water trees are areas of the polymer whose shape resembles a bush in which the properties of the insulation have been altered due to a change in its chemical and physical structure, caused by a combined action of the electric field and water. The diagnostic methods used to determine the aging of the insulation underground can detect and estimate the severity of the insulation degradation. However, since degradation by water trees may be a local phenomenon, which only affects specific regions of the cable, complementary methods capable of locating the water trees are still being required. In this work a diagnostic technique is proposed and analyzed for the location of insulation sections degraded by water trees along power cables, which is elaborated from a model of frequency-dependent distributed parameters. The algorithm is deduced from the solution of the telegraphist's equations in the frequency domain, due to this, it is necessary to implement the numerical Laplace transform, which allows to convert signals in the time domain to signals in the frequency domain. In this work, the cable is decoupled for its analysis using the eigenvectors matrix transformation. The algorithm was implemented in MATLAB® using cable data with degraded sections generated in PSCAD / EMTDC (commercial program for the analysis of electromagnetic transients). The simulations were performed considering different magnitudes of degradation, varying their location along the cable and the affected layers. In the first four cases it was considered that the degradation only affected the main insulation of the cable, and in the last two cases that the degradation extended to the cover. According to the results, the algorithm is able to locate degraded sections of a length over than 5% of the total length of the cable. In cases where the degradation affects only the main insulation of the cable, it was determined that what most changes the result of the localization algorithm is the location of the degraded section regarding to the sending node. Since it is observed that after 30% of the total length of the cable, the error percentage increases. For the cases where the degradation extends up to the cover, the error percentage obtained in the results increase when the degraded section was located after the middle of the cable. This behavior is solved by changing the energy supply location of the cable, from the sending node to the receiving node.