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

Abstract

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.

On-line monitoring of power transformers is essential to guarantee their stable and safe operation. Partial discharges monitoring is one of the reliable methods used for this purpose. Partial discharges are local electrical breakdowns that only partially break the insulation. Their activity is involved in the degradation process of the transformers and provides information about the internal conditions of the insulation system, which is used for the diagnosis of power transformers. Partial discharges generate ultrasound acoustic emissions that are used for the acoustic measurement of their activity. In other words, a fault in the insulation behaves as a localized acoustic emission source. The acoustic monitoring of partial discharges exploits this characteristic in order to localize faults in the insulation system. The localization of partial discharges is only possible using a multichannel system able to obtain the times of arrival of the acoustic signals at the multiple sensors and use them in a computational localization algorithm. The conventional acoustic monitoring of partial discharges is done with piezoelectric sensors mounted on the transformer tank walls. However, the method suffers from some problems due to the external installation of the sensors. The detected signals are weak and distorted. There are multiple paths to the sensors and reflections at the tank walls. In the last decade, new sensors have been proposed for their internal installation within the transformer tank in order to avoid such problems. These sensors use optical fiber technology to withstand the harsh environment inside the transformers. A variety of them have been proposed: sensors based on Fabry-Perot cavities, fiber-optic interferometric sensors and sensors based on fiber Bragg gratings. With the development of these fiberoptic internal sensors a new research interest has also arisen about the development of new multichannel instrumentation systems for the localization of partial discharges using fiber-optic sensors. This dissertation is devoted to these both topics. A major contribution is the design and development of a multichannel interferometric instrumentation system for acoustic monitoring of partial discharges and their localization by using fiber-optic sensors. The design of the multichannel system is based on a fiber-optic heterodyne interferometer that is configured as a Mach-Zehnder scheme with multiple sensing arms in parallel and a common reference arm. This interferometric multiplexing system has been demonstrated with four channels in which a high resolution is obtained in the measurement of acoustic pressure (1 Pa @ 150 kHz). The capability of this system for localizing the acoustic emission sources by means of the simultaneous measurement with multiple sensors has also been demonstrated experimentally. In addition, in these experiments synthetic noise was added to the measurements of the times of arrival in order to evaluate the performance of the system. The results of the acoustic source localization show a standard deviation better than 1 cm in each axis (~1% of the normalized dimension of the tank). The second major contribution is the research and development of a fiber-optic probe, compatible with the multichannel interferometric system. The design of the fiberoptic sensing head is based on a coil of optical fiber with multiple layers. It is compact, rugged and cost-effective. An adequate sensitivity was achieved with 17 m of fiber disposed in a coil with 5 layers. Combined with the heterodyne interferometer the fiberoptic interferometric sensor is able to detect the acoustic emission of partial discharges at 150 kHz with resolution of 1 Pa in a range of up to 17 kPa. The complete characterization of the fiber-optic probe was performed in an acoustic test bench that was designed for ultrasound tests with acoustic emissions that reproduce the characteristics of those generated by partial discharges. The fiber-optic sensing probe has also been characterized in high voltage experiments, where different types of partial discharges were generated in transformer oil and in different conditions. It was tested in high voltage AC setups, with internal partial discharges, with surface partial discharges, and also in high voltage DC setups, thus its effectiveness for detecting partial discharges under a wide range of conditions was demonstrated. It is worth mentioning that the acoustic detection of internal partial discharges in a transformer with a fiber-optic sensor was demonstrated for the first time.