Sensor de acoplamiento inductivo para la medida de pulsos de corriente de alta frecuencia: aplicación para la medida y detección de descargas parciales

Abstract

El propósito de esta tesis es la presentación del diseño e implementación de un sensor que detecta señales de alta frecuencia entre las unidades y decenas de MHz. Consiste en una espira conductora rectangular que funciona por acoplamiento inductivo. Su modelo eléctrico se realiza en parámetros concentrados y la determinación de los valores de su circuito equivalente se hace por medio de tres análisis: uno basado en la teoría electromagnética, otro mediante elementos nitos y nalmente, uno experimental con un analizador de impedancias. Posteriormente, a partir del análisis teórico y experimental de la respuesta en frecuencia, se establece que la banda del sensor puede llegar hasta los 40 MHz con un error en la medida de aproximadamente un 4 %. La validación del sensor se realiza por medio de la detección de descargas parciales, por su importancia en el estudio del envejecimiento de aislantes eléctricos. Las pruebas se realizan sobre tres objetos de prueba utilizando un montaje conforme a la norma IEC 60270. El primero, constituido por una lámina dieléctrica limitada por un electrodo y el plano de tierra; el segundo, el aislamiento de un motor de baja tensión; y el tercero, un prototipo para medidas de descargas tipo corona. Las medidas se realizan simultáneamente con una resistencia que se toma como referencia y con un transformador de corriente de alta frecuencia (High Frequency Current Transformer, HFCT) que permite la comparación del prototipo con un transductor comercial del mismo tipo. Para cuantificar las medidas obtenidas con el sensor propuesto, se calculan los valores cuadráticos medios de cada pulso de corriente entregado por cada sensor y se realiza la comprobación de la similitud de las formas de onda mediante el cálculo de coeficientes de correlación. Posteriormente, con el fin de modificar la respuesta derivativa del sensor se presentan dos prototipos, uno con una etapa integradora y otro, más e ciente, obtenido con una pequeña resistencia en los terminales de la espira inductiva que entrega una señal proporcional a la corriente mediante una autointegración. Para estos prototipos también se realiza la validación en el laboratorio y se determina el error introducido en la medida. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

This thesis proposes a nonmagnetic core inductive device able to detect fast pulses between the units of MHz to tens of MHz. This sensor consists of a rectangular conductive loop that operates on Faraday's Law. Its electrical model is based on a lumped parameter model. The electrical values of its equivalent circuit are determined by means of three analyses: the fi rst one is based on the electromagnetic theory; the second one is done with a computerized fi nite element method; and finally, an experimental analysis with an impedance analyzer. The theoretical and experimental study in the frequency domain indicates that the sensor bandwidth can reach up to 40 MHz with a measurement error of approximately 4%. The validation of the sensor is performed by means of the detection of common high frequency pulses known as Partial Discharges (PD). These discharges are a serious threat to the lifespan of electrical equipment insulation and constitute the most important ageing mechanism. The experimental results of the measurements of PD are carried out for three test specimens using a setup based on the guidelines given in the standard IEC 60270. The rst of them consists of a polymer slab bounded by an electrode and the ground plane; the second one is the insulation of a low voltage motor; and the third one is a prototype for corona discharges measurements. The measurements were performed simultaneously with a resistance that is the reference transducer and a high frequency current transformer (HFCT) that allows comparing the prototype with a commercial transducer of the same type. The calculation of the quadratic mean of each signal and correlation coefi cients permits to verify the adequate response of the sensor proposed with respect to the other transducers. Subsequently, two prototypes are presented in order to modify the derivative response of sensor, one of them is based on an integrator stage and other one, more efi cient, is obtained with a small resistance at the terminals of the inductive loop, which provides a signal proportional to the current through self-integration.