Contribuciones a la localización de defectos en cables eléctricos

Resumen

El trabajo realizado en la tesis tiene como objetivo la detección y localización de defectos en cables eléctricos, tanto en cables de media tensión como en mazos eléctricos del sector aeronáutico. La tesis se estructura como se explica a continuación. La energía eléctrica es un producto más, y diría que es de primera necesidad, que tiene que cumplir con unos estándares y calidades como las recogidas en la norma UNE-50160. El transporte y distribución de la electricidad no han sido siempre igual ni tampoco se han empleado los mismos medios ni la misma tecnología; sobre todo en lo relativo a la distribución. La tecnología, la estructura, los métodos de fabricación y los materiales empleados en los cables de media tensión han evolucionado bastante rápido a finales del siglo pasado; acompañado con el gran crecimiento económico y por tanto de la demanda eléctrica. El suministro de la energía eléctrica en la sociedad actual es un tema de vital importancia ya que todos los sectores, económicos, industria, sector servicios y residencial, hacen un uso intensivo de esta energía; y la pérdida del suministro en cualquiera de estos sectores puede ocasionar un fuerte impacto económico y grandes pérdidas. Por ello existe la necesidad de evitar que se produzcan las interrupciones del suministro eléctrico, y en base a dicha necesidad se ha realizado el trabajo de esta tesis. El modo de evitar que se produzcan interrupciones del suministro eléctrico por fallo en las redes de distribución de media tensión, que una gran parte se realizan con cable aislado subterráneo, se ha canalizado por dos caminos: • El primero, la previsión del fallo total del cable por medio del estudio de la estimación del estado del aislamiento del cable. Estimando cómo se encuentra el aislamiento del cable, se podría prever que el fallo total del cable esta próximo. A partir de esta información, se puede realizar una interrupción programada del suministro eléctrico y con ello evitar las posibles pérdidas económicas. • El segundo, es la localización del punto de fallo o la zona dañada que necesita reparación. El tema de la localización es importante porque el número de kilómetros de redes subterráneas en entornos urbanos es muy elevado y suelen discurrir por debajo de las calles. El poder localizar con exactitud el punto de fallo reduce el tiempo de interrupción del suministro durante la reparación y reduce los costes económicos. Estos costes económicos están asociados al número de horas de trabajo de los operarios, al coste de obra por los metros de zanjas en asfalto o vías públicas que deben ser excavados y al lucro cesante por las horas sin facturación de consumo eléctrico. En resumen, la estimación del estado del cable y la localización precisa del punto de fallo han sido los objetivos principales de esta investigación. Para llevar a cabo el trabajo se han estudiado todas las partes que compondrán la plataforma de ensayos así como las técnicas de análisis de daños y localización de puntos de defectos. Primeramente se presenta información sobre el objeto de estudio, el cable de media tensión, mostrando la tecnología que hay presente en los cables de distribución, desde su composición, estructura y funciones de cada una de las partes. Conociendo la función de cada una de las partes y la estructura del cable, se puede entender los diferentes tipos de defectos, causas y consecuencias. Una vez analizada la mecánica de los defectos, se puede entender cuál es el motivo de la aparición de las descargas parciales, dónde se producen y cómo es su naturaleza. Como se verá, las descargas parciales son fenómenos eléctricos muy rápidos que necesitan de sensores y sistemas de adquisición adecuados en función del análisis que se quiere realizar, y por ello se presentan los parámetros de interés de los sensores, tipo de respuesta, ventajas e inconvenientes. Las técnicas utilizadas para la valoración del estado del cable, así como las técnicas de localización emplean análisis y variables en el dominio del tiempo, lo que condiciona entre otras cosas, la elección de los tipos de transductores o sensores que se emplearán. A continuación se expone un sistema de detección de envolventes de las descargas parciales y a partir de estas envolventes se presenta y se desarrolla un modelo temporal con un conjunto de variables. Estas variables y representaciones de algunas de éstas, servirán para determinar el estado del cable y así conocer si el cable está sano, ligeramente dañado o presenta un daño elevado. Empleando las variables del modelo temporal se podrá constatar el comportamiento o los efectos que sufren los pulsos de las descargas parciales, como son la atenuación y la dispersión. En cuanto a la localización, se realiza una revisión de diferentes técnicas, de las que se presentarán las ventajas e inconvenientes, precisión y cuáles son las fuentes que introducen error en la estimación del punto de defecto. A partir del conocimiento de estas técnicas y de los efectos adversos que reducen la precisión, se propone una nueva técnica de localización que corrige los efectos adversos de la dispersión y que mejora la precisión. Esta técnica consiste en mejorar una técnica ya existente y conocida como Correlación Cruzada. El algoritmo de mejora se ha denominado Algoritmo de Reconstrucción (Reshape). Todos los análisis se realizan con la presencia de ruido, ya que es el ruido uno de los factores que afectan a la precisión. La nueva técnica de localización es comparada con otras técnicas que hay en la literatura científica. Con la técnica de la correlación cruzada, mejorada con el algoritmo de reconstrucción, se consiguen resultados mejores en la mayoría de los casos comparados con los obtenidos por algunas técnicas que hay presentes actualmente en la literatura científica y analizados en este trabajo. Aparte del estudio de las descargas parciales en cables de media tensión, se presenta un sistema de pruebas universal para ensayo de mazos eléctricos del sector aeronáutico. Los mazos eléctricos son un conjunto de cables que pueden tener muchas ramificaciones, todas ellas terminan en conectores que pueden ser diferentes. El número de conectores que pueden formar un mazo puede ir desde 2 hasta 120. Estos mazos eléctricos, posteriores a su fabricación y previos al montado en la aeronave, tienen que pasar un conjunto de pruebas eléctricas. Para ello se conecta el mazo eléctrico a un equipo que realiza una serie de ensayos y aquí es donde radica el principal problema y el motivo de haber desarrollado el sistema universal de pruebas. Para poder conectar el mazo al equipo de pruebas hay que hacer uso de los contramazos y hay que conectar tantos contramazos como conectores tenga el mazo eléctrico. Un contramazo es un mazo de cables que tiene un contraconector del mazo a ensayar y el contraconector del equipo de pruebas. De esta forma se conecta el mazo al equipo, pero se necesitan tantos contramazos como conectores diferentes se emplean en la industria aeronáutica, 5000, sin tener en cuenta que algunos contramazos se necesitan repetidos por lo común de determinados conectores. Esto introduce el problema de la gestión de contramazos, que implica un consumo de tiempo elevado en la realización de la prueba y mucho espacio de almacenamiento. La solución para reducir el tiempo en la prueba eléctrica es lo que ha motivado el desarrollo del sistema universal de pruebas, i-Tester. Para la concepción y el diseño del sistema i-Tester, primeramente se hace una revisión de los equipos que se emplean para las pruebas eléctricas, cual ha sido la evolución y el estado actual; para posteriormente seleccionar el equipo adecuado que se ajuste a la solución. Posteriormente se presenta un conjunto de propuestas, basada en una revisión de patentes, soluciones a problemas similares de otros sectores e ideas aportadas. Estas propuestas son analizadas desde el punto de vista de pros y contras de cada una de ellas. Una de las propuestas es el origen del i-Tester. Para llegar al diseño final se realizaron un conjunto de estudios de requisitos eléctricos, mecánicos y de compatibilidad electromagnética y un estudio de conectorización, donde se revisaron las normas de los conectores, para analizar variables como tamaño, número de contactos, tipos de contactos, entre otras. Finalmente se consigue un sistema universal de pruebas que sirve tanto para la fabricación como para el ensayo de los mazos eléctricos, todo en un único lugar. El sistema se llama i-Tester y consigue que la fabricación sea más eficiente porque se reduce efectivamente el tiempo de prueba y de fabricación, reduce la fatiga de los operarios y con ello se reducen los errores. Y por otro lado es más respetuoso con el medio ambiente por la reducción de papel. Desde el punto de vista de los ensayos, hay una reducción de costes asociado a la reducción de tiempo en la preparación y realización de las pruebas, logrando así el principal objetivo. En la fabricación del prototipo de i-Tester se diseñaron sistemas de conexión, un conector y contraconector eléctrico, sistemas de comprobación de conexionado previo a las pruebas eléctricas, un sistema de extensión y recogida de cable y la estructura principal del i-Tester. Todo ello empleando el software CATIA. En la actualidad, el taller eléctrico que tiene Airbus en el barrio de Tablada de Sevilla, realiza la fabricación y los ensayos de los mazos eléctricos con este sistema, permitiendo aumentar la producción, reducir tiempos de fabricación, reducir costes y de espacio en taller.