Sistema de instrumentación multicanal con interferómetro heterodino de fibra óptica: aplicación a la detección y localización de emisiones acústicas de ultrasonidos procedentes de descargas parciales

• Autores: Julio Enrique Posada Roman
• Directores de la Tesis: José A. García Souto (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2015
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: José Miguel López Higuera (presid.), Carmen Vazquez Garcia (secret.), Brian Culshaw (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid
• Materias:
  • Física
    • Acústica
      • Ultrasonidos
    • Óptica
      • Fibras ópticas
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología electrónica
      • Dispositivos láser
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  • Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
• Resumen

  • La monitorización en línea de los transformadores resulta imprescindible para garantizar su funcionamiento seguro y estable. Para este propósito, uno de los métodos más fiables es la observación de la actividad de descargas parciales. Éstas son un tipo de descargas producidas por rupturas localizadas en el aislamiento eléctrico que lo cortocircuitan parcialmente. Su actividad está involucrada en el proceso de degradación del sistema de aislamiento y proporciona información acerca del estado interno de los transformadores, la cual se utiliza para su mantenimiento predictivo y diagnóstico. Las descargas parciales generan emisiones de ultrasonidos que se utilizan para medir su actividad mediante técnicas acústicas. De este modo, un fallo en el aislamiento se manifiesta como una fuente de emisión acústica. La monitorización acústica de descargas parciales no sólo detecta la actividad, sino que además aprovecha este comportamiento para localizar los fallos, siempre y cuando se utilicen varios sensores espacialmente distribuidos. Para ello es imprescindible disponer de sistemas de instrumentación multicanal capaces de obtener medidas de los tiempos de llegada de las señales acústicas a los múltiples sensores y de utilizarlas en un algoritmo de localización para encontrar las posiciones de las fuentes de emisión acústica. La monitorización acústica de descargas parciales se realiza normalmente con sensores piezoeléctricos colocados en las paredes del tanque del transformador. Sin embargo, este método presenta inconvenientes derivados de que la instalación de los sensores en el exterior: las señales detectadas son débiles y están distorsionadas. Además, se producen múltiples caminos de llegada de las señales acústicas a los sensores y reflexiones en las paredes del tanque, lo cual dificulta la localización de descargas parciales. Con el fin de evitar estos inconvenientes, en la última década se han propuesto nuevos sensores que pueden instalarse en el interior del tanque del transformador. Estos sensores emplean tecnología de fibra óptica para poder soportar las condiciones que se presentan en dicho entorno. Se han propuesto varios tipos: sensores basados en cavidades Fabry-Perot, sensores interferométricos de fibra óptica y sensores basados en redes de Bragg en fibra. Con el desarrollo de estos sensores internos de fibra óptica también se ha despertado un interés creciente en investigar nuevos sistemas de instrumentación multicanal para detectar y localizar las descargas parciales con sensores de fibra óptica. Esta tesis está dedicada a ambos temas. El primer aporte principal es el diseño y desarrollo de un sistema de instrumentación interferométrico multicanal para la monitorización acústica de descargas parciales y su localización usando sensores de fibra óptica. El diseño del sistema multicanal está basado en un interferómetro heterodino de fibra óptica siguiendo un esquema de Mach-Zehnder con múltiples brazos de medida en paralelo y un brazo de referencia común. Este sistema interferométrico multiplexado se ha demostrado con una implementación de cuatro canales en la que se obtiene muy alta resolución en la medida de presión acústica de ultrasonidos (1 Pa @ 150 kHz). También se ha demostrado experimentalmente la capacidad que tiene para localizar las fuentes de emisión acústica por medio de la medida simultánea con varios sensores. Adicionalmente, en estos experimentos de localización se ha añadido ruido sintético a la medida de los tiempos de llegada con el fin de evaluar las prestaciones del sistema. En los resultados de localización se obtiene la posición de la fuente de emisión acústica con una desviación típica menor que 1 cm en cada uno de los ejes (~1% de la dimensión normalizada del tanque). El segundo aporte principal es la investigación sobre una nueva sonda de fibra óptica y su desarrollo, la cual es capaz de medir descargas parciales acústicamente en el interior y es compatible con el sistema interferométrico multicanal. El diseño de la cabeza del sensor está basado en una bobina de fibra óptica compuesta por múltiples capas. Este diseño es compacto, robusto y de bajo coste. Se obtuvo una sensibilidad adecuada para la detección acústica de descargas parciales utilizando 17 m de fibra dispuestos en una bobina con 5 capas. La sonda de fibra óptica, junto con el interferómetro heterodino, tiene la capacidad de detectar las emisiones acústicas generadas por descargas parciales a 150 kHz con una resolución de 1 Pa dentro de un rango de 17 kPa. Se ha realizado una caracterización completa de la sonda de fibra óptica en una plataforma diseñada para ensayos acústicos de ultrasonido, en la cual se pueden reproducir emisiones acústicas con características similares a las generadas por las descargas parciales. También se ha caracterizado la sonda de fibra óptica en experimentos de alta tensión, en los cuales se han generado diversos tipos de descargas parciales en aceite de transformador y bajo diferentes condiciones. En estos experimentos se midió con la sonda en instalaciones eléctricas de alta tensión en AC, con descargas parciales internas y superficiales, y también en instalaciones eléctricas de alta tensión DC. Por lo tanto, se ha demostrado su efectividad para detectar descargas parciales en un rango amplio de condiciones. Es importante resaltar que en los experimentos de alta tensión se demostró por primera vez la detección acústica de descargas parciales internas con un sensor de fibra óptica.