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PROYECTO FIN DE CARRERA
PROTOCOLO DE MEDIDAS DEL AISLAMIENTO DEL BANCO GENERAL
A350
AUTOR: TOMÁS ALONSO MARTÍNEZ
MADRID, Junio de 2009
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
Índice
I. Introducción y planteamiento ...................................................................1
II. Descripción de las tecnologías ..............................................................2
El Banco General ...............................................................................................2
Red de masa del Banco General......................................................................3
III. Modelización de la red de masa............................................................6
Modelo eléctrico ................................................................................................6
Valores de los parámetros del modelo...........................................................8
Simulaciones realizadas a partir del modelo ..............................................10
IV. Métodos de detención de defectos de
aislamiento por medida de corriente .............................................................11
Introducción.....................................................................................................11
Medida global del aislamiento......................................................................11
Localización de una fuga local ......................................................................12
V. División en islas del Banco General para la
localización de una pérdida de aislamiento .................................................22
Modelización del Banco General ..................................................................22
División en islas mediante « aislamiento inductivo » ...............................23
Método de localización de la pérdida de aislamiento ...............................25
Simulaciones ....................................................................................................27
VI. Método de detención de defectos de
aislamiento por medición de tensión.............................................................41
Análisis frecuencial .........................................................................................41
Simulaciones de defecto resistivo.................................................................46
Método de detención mediante impulsiones de tensión...........................49
VII. Conclusión ..............................................................................................63
Conclusiones sobre la metodología..............................................................63
Conclusiones sobre los resultados................................................................63
VIII. Bibliografía .........................................................................................65
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
I. Introducción y planteamiento
La concepción de los bancos de ensayo de aviones requiere en ciertas
ocasiones una red de masa aislada de la tierra del edificio. Luego veremos
que este es el caso del futuro Banco General A350 (BG A350) que impone
unos requisitos de aislamiento más severos que los de sus predecesores.
Si bien se puede conseguir un buen aislamiento, es difícil mantenerlo en el
tiempo. El objetivo de este proyecto será proponer un protocolo de
medida del aislamiento de la totalidad del banco con la posibilidad de
detectar una pérdida local de este aislamiento.
Este diagnóstico debe hacerse en tiempo real y debe ser compatible con las
exigencias de seguridad eléctrica. Finalmente, debe poderse poner en
práctica gracias a una solución industrial simple.
En un primer momento, nos interesaremos por estudiar el contexto de este
proyecto, las especificidades del Banco General A350 y modelizaremos la
red de masa del Banco General.
En un segundo instante, estudiaremos los distintos métodos de
localización de defectos de aislamiento posibles y propondremos un
método de división en zonas del Banco General y de posterior medida de
corriente o de tensión.
En último lugar, inspirándonos en la teoría de localización de defectos
gracias a la ecometría con impulsiones de tensión, propondremos un
protocolo de detención de defectos de aislamiento basado en la medida de
tensión.
Finalmente, concluiremos este proyecto proponiendo posibles desarrollos
industriales para los distintos métodos aplicables a la construcción del
futuro Banco General del A350.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
II. Descripción de las tecnologías
El Banco General
El Banco General (BG), también llamado “Iron Bird”, es un banco de
ensayos, una representación a escala del futuro avión con accionadores,
caminos de cable, sistemas tales como los trenes de aterrizaje y que sirve
principalmente para simular, probar y validar los diferentes sistemas
eléctricos de los futuros aviones.
Cada avión posee su propio banco general. Nosotros hemos podido visitar
las instalaciones de AIRBUS de Saint Martin en Toulouse-Blagnec, a
continuación vemos una foto del Banco General del A380.
Figura 1. Imagen, Banco General A380
Se puede observar en esta foto el cuerpo del avión en el centro con los
caminos de cable que circulan a lo largo de toda la estructura y en los
lados vemos las dos alas replegadas. Las partes rojas corresponden a las
partes móviles del BG (trenes de aterrizaje en el medio y los timones a la
altura de las alas).
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
En el marco de nuestro estudio, nos interesaremos en el futuro Banco
General del A350.
Concretamente nos proponemos estudiar el aislamiento de la tierra del
edificio donde se encuentra situada esta compleja estructura, constituida
de numerosos pilares que suponen puntos de contacto y que deben de ser
correctamente aislados del suelo.
El objetivo será de proponer un protocolo de medidas del aislamiento del
futuro BG A350, que permita detectar y localizar una posible pérdida de
asilamiento.
Red de masa del Banco General
El futuro Banco General del A350 presenta exigencias particulares en
términos del aislamiento de su red de masa eléctrica. Estas exigencias se
explican por la utilización en la concepción del avión A350 de materiales
compuestos a base de fibra de carbono, no conductores, para la realización
del fuselaje. Por lo tanto ya no está asegurada la misión de masa eléctrica
que desempeñaba el fuselaje tradicionalmente. De este modo nos
encontramos con la necesidad de tener a bordo del avión una red de masa
filiar, bajo la forma de un camino de cables, llamada en Airbus la Electrical
Estructure Network (ESN).
Figura 2. Imagen, Visión general de la red de masa
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
En el futuro Banco General A350, la ESN, formada por los caminos de
cables en el centro del BG, está conectada a la Main Bounding Network
(MBN). MBN es un término que reagrupa al conjunto de partes metálicas
del avión que participan en el retorno de corriente y que está en contacto
en múltiples puntos con la estructura del BG (postes metálicos, pilares…).
Contrariamente a la red de masa del un avión convencional que es
únicamente filial, en la red de masa del BG A350 se incluye también la
estructura metálica del banco.
La ESN sirve como referencia de tensión, participa además en el retorno
de la corriente y está unida solamente por un punto a la tierra del edificio.
La ESN se encuentra en régimen de neutro TN-C, es decir, el neutro y el
conductor de protección eléctrica están unidos.
La estructura metálica del banco participa igualmente en el retorno de
corriente y en la referencia de potencial. Está aislada del suelo en cada
pilar por placas de teflón. Su régimen de neutro es el régimen TN-S, el
neutro y el conductor de protección eléctrica están separados.
Figura 3. Imagen, Estructura de la red de masa
El BG deberá por lo tanto presentar un aislamiento de calidad para tener
una red de masa que sea representativa de la futura red de masa a bordo.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
A continuación hacemos referencia a las especificaciones relativas a la
concepción del Iron Bird A350:
Tener una red de neutro en el Banco General A350 que respete la
impedancia de la ESN del avión en un +/- 5%, en todo el rango de
frecuencia de 300 – 1000 Hz, para tener así corrientes de retorno
representativas.
Simular las interacciones electromagnéticas entre los cables sistema
y el fuselaje y los caminos metálicos del avión.
Tener una red de neutro en el Banco General A350 aislada de la
tierra.
El punto de partida del estudio será definir un modelo de la futura red de
masa del A350 y validar mediante simulación el valor de los diferentes
parámetros.
La modelización de la red de masa A350 será el objeto de la primera parte
de este proyecto.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
III. Modelización de la red de masa
Modelo eléctrico
Buscamos realizar una modelización eléctrica relativamente simple de la
red de masa del Banco General con el propósito de verificar que, en
nuestra gama de frecuencias, conseguimos un aislamiento de buena
calidad del BG.
De esta manera nos situaremos en la gama de frecuencia [0, 10 kHz]
sabiendo que el fundamental de los generadores del Iron Bird es de 400
Hz. En esta gama de frecuencia están comprendidos con bastante
suficiencia tanto la corriente continua utilizada por ciertos componentes
electrónicos como las altas frecuencias y los armónicos (ruidos,
perturbaciones debidas a la electrónica utilizada).
Representamos a continuación un breve recapitulativo de los esquemas
eléctricos simples de las redes de masa de un avión (masa flotante), de un
BG no aislado de la tierra y de un BG aislado con un solo punto de
contacto con la tierra. Como dijimos antes, elegiremos la tercera
configuración para conseguir que las corrientes de fuga por la tierra sean
lo más pequeñas posible.
Las placas aislantes utilizadas en los pilares para el aislamiento de la
estructura metálica del banco están hechas de PTEE (Teflón) y presentan
un aislamiento de buena calidad dentro de la gama de frecuencia
considerada.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Figura 4. Esquema, Redes de masa de un avión y un BG
En la siguiente figura representamos le modelo eléctrico de la red de masa
del banco general A350.
Figura 5. Esquema, Modelización eléctrica de la red de masa
En este esquema aparecen las diferentes partes del Banco General:
- La Main Bounding Network con las alas, el estabilizador y el fuselaje.
- La Electrical Structure Network en el centro de la estructura.
- Una fuente de tensión correspondiente a la alimentación situada en
el núcleo eléctrico del aparato.
- Una fuente de corriente que simboliza el retorno de corriente por el
estabilizador.
- La unión a tierra de la sala de explotación.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Valores de los parámetros del modelo
Los diferentes parámetros del modelo han sido evaluados. De hecho, la
concepción del BG A350 está relativamente avanzada, las tecnologías y las
geometrías ya están definidas. Podemos entonces aprovechar la
experiencia de los BG existentes, tales como el del A380, para definir los
valores típicos de los diferentes parámetros como son:
- Resn1&2: Resistencias de la ESN.
- Rt: Resistencia de las sogas que unen la MBN a la ESN.
- Rpe: Resistencia del cable de protección eléctrica.
- Cemp, Clw/w, Cfus: Capacidades que engloban al conjunto de
efectos capacitivos de cada elemento de la MBN (estabilizador,
fuselaje, ala izquierda/derecha)
Parámetros no tenidos en cuenta:
- Rmbm: Resistencia de los diferentes elementos conductores de la
MBN que no se tendrán en cuenta frente al valor de su capacidad.
- Cesc: Capacidad parásita creada por las escaleras de la estructura,
que es despreciable.
Estas evaluaciones permiten llegar a la siguiente tabla de valores. Hace
falta destacar que estos valores son forzadamente aproximados y que
convendrá estudiar mediante simulación si ofrecen una buena imagen de
la realidad.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Componente Descripción Valor
Resn1 Resistencia de la ESN (dividida en dos partes) 25mΩ
Resn2 Resistencia de la ESN (dividida en dos partes) 25mΩ
Rpe
Resistencia del cable de protección eléctrica
(100m con 0,18 mΩ/m) 18mΩ
Rt Resistencia de las sogas de masa (0,23 mΩ/m) 92mΩ
Rsol Resistencia del suelo = Resistencia del hormigón 75Ω
Tabla 1. Valores de las resistencias del modelo eléctrico de la red de masa del BG
Componente Descripción Valor
Crw
Capacidad entre la estructura que representa el ala derecha y
el suelo 8114pF
Clw
Capacidad entre la estructura que representa el ala izquierda y
el suelo 8114pF
Cfus
Capacidad entre la estructura que representa el fuselaje y el
suelo 24750pF
Cemp
Capacidad entre la estructura que representa el estabilizador y
el suelo 8250pF
Cse Capacidad entre la estructura que representa la sala y el suelo 4770pF
Tabla 2. Valores de las capacidades del modelo eléctrico de la red de masa del BG
Ejemplo de cálculo de capacidad
Para Crw y Clw, capacidades entre la estructura que representa las alas y
el suelo, han sido calculadas como sigue:
- Capacidad de un pilar (placa aislante entre dos conductores): 300pF
24 pilares en paralelo sean 24 x 300 = 7200 pF.
- Transformador de aislamiento: 450 pF (Datos del constructor).
- Capacidad de la EDF (bomba situada a la altura de las alas): 232 pF
Dos EDP -> 464 pF
Sea Crw = Clw = 7200 + 450 + 464 = 8114 pF.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Componente Descripción Valor
Vex Tensión de excitación DC o AC (0 – 10 kHZ) 1V
I0 Corriente de excitación DC o AC (0 – 10 kHZ) 1A
Ralim
Resistencia del conductor de alimentación, depende del modelo
de excitación. Por ejemplo: Cobre 6 (1,5 mΩ/m ) x 50m de cable 75 mΩ
Tabla 3. Valores de los parámetros del modelo eléctrico de la red de masa del BG
Simulaciones realizadas a partir del modelo
Ahora simulamos el modelo con Matlab-Simulink y sacamos los valores
de corriente de retorno en las distintas partes del Banco General.
Dentro de la gama de frecuencias considerada [0, 10 kHz], constatamos
que el retorno de corriente se efectúa sin problemas por la ESN, en
presencia de un aislamiento de calidad de la estructura.
En revancha, en caso de defecto de aislamiento del banco (modelizado con
un corto circuito), obtenemos una corriente de fuga del mismo orden de
magnitud que la corriente de retorno que se cierra por la ESN.
En este caso, la corriente de retorno medible ya no es representativa de la
corriente de retorno de la ESN del avión y los requisitos no son
respetados.
Por lo tanto, la detención y la localización de eventuales defectos de
aislamiento se van a convertir en el objeto de la continuación del estudio.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
IV. Métodos de detención de defectos de
aislamiento por medida de corriente
Introducción
En un primer lugar, es necesario comprender lo que vamos a intentar
medir. Si consideramos el Banco General como una serie de impedancias
en paralelo, queda claro que si en algún pilar hay un problema de pérdida
de aislamiento o si hay un defecto resistivo en el banco (por ejemplo, una
escalera apoyada), toda la corriente se perderá por el pilar o por el defecto.
Figura 6. Esquema, Modelización simple del BG
Vemos en la figura de arriba que toda la corriente fluirá por donde la
resistencia sea más pequeña, bien sea por el pilar con pérdida de
aislamiento (círculo de la izquierda), bien sea por el defecto resistivo
(círculo de la derecha).
Medida global del aislamiento
La medida de una fuga global se puede hacer con un controlador de
aislamiento clásico (Fluke 1507, Megger MIT400). Obtendremos así el
valor de la resistencia de aislamiento global de todo el banco (alrededor de
100 pilares como los descritos anteriormente), que puede ser suficiente
sino hay fugas en el banco. Sin embargo, en caso de fuga, no seremos
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
capaces de diagnosticar el lugar ni siquiera la zona de la fuga, sólo
sabremos que hay una fuga.
Podremos utilizar también un CPA, controlador permanente de
aislamiento, con el fin de automatizar esta medición e incluso podremos
programar los límites con una alarma para advertir al utilizador de un mal
funcionamiento del aislante. Será más fácil encontrar la fuente del
problema si se sabe en que momento exacto se produce la fuga.
Este método permite saber si hay una fuga pero no decir donde se ha
producido.
Localización de una fuga local
Ahora vamos a intentar localizar una fuga local detectada gracias al
método anterior. En este punto vamos a distinguir dos posibles métodos
que nos permitirán efectuar una medida de la fuga de manera local.
El primer método consiste en considerar el BG como un gran divisor de
corriente e investigar por donde se escapa la corriente. El segundo método
es un compromiso entre la medida global y local, donde vamos a intentar
dividir el Banco en ”islas” para facilitar la localización del defecto.
Divisor de corriente
Hace falta medir la corriente circulante por un pilar de varias decenas de
centímetros de perímetro. Los únicos sensores que están adaptados a
nuestro caso son la Sonda de Rogowski, un sensor de tipo Fluxgate y un
medidor de campo.
Para medir esta corriente, empezamos primeramente explorando tres
pistas. La primera, consiste en intentar medir el campo creado por la
corriente de fuga. El segundo método busca medir los efectos térmicos del
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
paso de la corriente de fuga por los pilares. Finalmente, el último método
que hemos analizado es la resonancia: intentar hacer entrar en resonancia
una parte del BG para tener mayor facilidad a la hora de medir la corriente
de fuga.
Medición del Campo
En la medida del campo, hemos barajado tres técnicas distintas. La
medida clásica de la inducción, la medida gracias a una sonda flexible sin
material magnético y finalmente la medida con una sonda de tipo
Fluxgate.
Medición de la inducción
Buscamos calcular previamente la inducción para después encontrar un
captador capaz de medirla.
Si consideramos un pilar, de dimensiones 50 cm x 50 cm, atravesado por
una corriente I, obtenemos el campo: r
IB
πµ2
0= considerando el pilar como
un cable que crea un campo. Nos situamos a 50 cm para medir este campo,
sabiendo que la corriente que lo atraviesa es de 1 mA (corriente de defecto
en el peor caso posible: degradación del aislamiento bajo una tensión
razonable de 10 V).
Obtenemos B = 0.04 nT, una inducción muy pequeña.
Este campo es extremadamente débil y el ambiente en el que se efectúan
las medidas esta muy perturbado por interferencias electromagnéticas, no
obstante intentamos encontrar un captador que pudiese medir ese campo.
Buscando en los catálogos de los distintos constructores, lo máximo que
encontramos fueron sensores de resoluciones del orden de nT, lo que es
aproximadamente 100 veces más grande que el valor de nuestro campo.
Por lo tanto, abandonamos esta pista.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Medición por sonda de Rogowski
Figura 7. Esquema, Sonda de Rogowsi
Si sólo consideramos la bobina atravesada por i, de una longitud de L, de
N espiras y de una sección constante S, obtenemos: n = N / L que
corresponde al número de espiras por unidad de longitud. El sensor
proporciona entonces una tensión dt
dinSe
1
02µ= .
El circuito electrónico situado a continuación de la bobina es un
integrador. Al final, obtenemos 1
0i
RC
nSus
µ= . La tensión de salida es una
imagen directa de la corriente que atraviesa la sonda.
Después de consultar los catálogos de constructores, vemos que los
órdenes de magnitud de los valores mesurables no son compatibles con
los que podemos obtener en el Banco.
De hecho, la sensibilidad máxima que hemos encontrado para una sonda
de Rogoswki es de 100 mV por amperio circulante en el circuito a medir.
Si consideramos que por el pilar circula una corriente de 1 mA, obtenemos
después de integrar, una tensión de salida en el sensor de 100 µV. Esta
tecnología necesita además muchos medios y personas cualificadas para
efectuar las medidas. Esta solución por lo tanto no se adapta a nuestro
problema.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Medición mediante sensor de tipo Fluxgate
La tecnología Fluxgate explota la saturación de los materiales magnéticos.
Se excita un material magnético y se le coloca dentro del campo a medir.
Figura 8. Esquema, Sensor tipo Fluxgate
Enrollamos sobre este mismo material un circuito para medir la fem
creada por estas dos excitaciones.
El material se satura periódicamente, debido a la corriente de excitación
Iexc sinusoidal o triangular. La tensión obtenida en el enrollamiento
auxiliar eind es cero durante las fases donde el material esta saturado, y no
nula en el resto (la variación de flujo toma un valor distinto de cero
únicamente durante la fase de no saturación y esto justifica el término de
puerta de flujo « Fluxgate »). En presencia de un campo magnético
exterior continuo o de una corriente de frecuencia mucho más pequeña
que la corriente de excitación, la saturación deja de ser simétrica. El
principio de medida de la inducción magnética exterior está basado en la
medida de esta disimetría.
Este tipo de sensor tiene una sensibilidad bastante buena del orden de
25000 µV/(A/m).
Nuestro campo es B = 0.04 nT, sabiendo que 510*18.3
−==µB
H ,
obtenemos una tensión de salida en el sensor de 0.8 µV.
Este sensor no es explotable entonces para nuestra aplicación.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Medición de la temperatura
Toda corriente que atraviesa un material, lo agita produciendo en
consecuencia una subida de temperatura en este último.
Si dibujamos el modelo térmico de un pilar, obtenemos:
Figura 9. Esquema, Medición de Temperatura
Gracias a este modelo, intentamos determinar ∆T=T-Text.
Consideramos una rodaja de pilar de 1 metro de longitud, por lo que
todos los cálculos se harán para la longitud de 1 m. Tenemos hS
Rth
1=
siendo S la superficie de intercambio térmico y h el coeficiente de
intercambio térmico (típicamente h = 10 en convección natural).
Si hacemos la analogía térmica / eléctrica, tenemos que: U=RI → ∆T=RthФ
Ahora bien, la potencia eléctrica entregada al sistema es: P=Releci2. Como
esta potencia se dispersa integralmente en calor, tenemos que:
22 φthelecRiRP == siendo
th
elec
R
Ri=φ .
Tomando la definición de resistencia eléctrica, cogiendo R = 0.6 mΩµ
(resistividad del acero) y considerando una superficie de pilar de 5 mm de
espesor y de talla 50 cm por 50 cm, obtenemos Relec=0.121 mΩm-1.
Si tomamos I = 1 mA, como en el caso más desfavorable, tenemos
entonces:
∆T°= 2.46 x 10-6 ºC (Máximo ∆T posible).
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Consultando catálogos, hemos encontrado termómetros con una
resolución máxima de 0.1 °C. Tenemos por lo tanto que descartar también
esta tecnología para nuestro caso. Sin embargo, podemos imaginar que
como la variación depende directamente de la corriente (variación lineal),
si aumentamos la tensión, aumentara la corriente y por lo tanto la
variación de temperatura. No obstante, vemos que este aumento no es
suficiente como para poder utilizar este método.
Resonancia
La última solución aquí presentada es la resonancia. De hecho, como la
corriente es muy débil y no podemos aumentarla, hemos pensado
valernos de impedancias suplementarias en el Banco para crear un circuito
resonante y así aumentar la corriente que intentamos medir.
Primero hemos modelizado el efecto inductivo del bucle con una
inductancia, obteniendo las siguientes gráficas:
Figura 10. Bode, Resonancia
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
- La curva Verde corresponde a la impedancia con un aislamiento
correcto.
- La curva Roja corresponde a la impedancia con un aislamiento
degradado.
- La curva Azul corresponde a la impedancia de un corto circuito.
Aquí vemos primeramente el efecto capacitivo producido cuando el banco
está bien aislado y el efecto resistivo cuando no lo está. Remarcamos
también que el efecto inductivo impide todo aumento en frecuencia.
Como consecuencia, pensamos en hacer una doble resonancia para hacer
aumentar la corriente.
Figura 11. Bode, Doble Resonancia
Después de varias simulaciones, vemos que la doble resonancia no aporta
gran cosa ya que no llegamos a disminuir la impedancia a baja frecuencia
para conseguir aumentar la corriente. Nos olvidamos también de esta
idea.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
División en islas
Abordamos la idea de dividir el Banco en islas. A continuación un
esquema sinóptico para facilitar la comprensión de lo que puede ser este
procedimiento.
Figura 12. Esquema, División en islas
La división en islas permitiría aislar ciertas partes del BG para poder
identificar el lugar de la fuga.
Los interruptores representados se situarían geográficamente a la altura de
la soga que une la MBN y la ESN. Para realizar estos interruptores, existen
varias soluciones.
La primera solución, la mas intuitiva, sería colocar unos interruptores
“tradicionales” en la soga para elegir si cortarla o no.
Esta solución puede parecer tentadora pero plantea un grave problema de
seguridad, ya que si hacemos esto cortaríamos el conductor de protección
eléctrica, lo cual no es admisible en nuestra instalación.
Debido a esto, hemos pensado en otra solución: utilizar las propiedades de
una inductancia saturada para que haga de interruptor.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Cogemos un circuito magnético sobre el cual hemos enrollado un cable a
forma de bobina:
Figura 13. Esquema, Bobina
Aplicando la teoría de Ampere, obtenemos H l = n i. Siendo nilB =µ
.
Además dt
diL
dt
di
l
nnS
dt
dBnS
dt
dnV ==== µφ
.
Ahora bien, si el material magnético esta saturado, tenemos que µ → µ0
provocando una disminución de L.
Podemos concluir diciendo que si excitamos el material magnético y
enrollamos la soga de masa alrededor de él, tendremos una impedancia
pseudo-equivalente a la de la soga de masa sin el resto del circuito. Sin
embargo, si dejamos de excitar el circuito magnético, abriremos el circuito
y podremos dividir en islas sin perder la protección eléctrica.
Otra solución consiste en hacer con la soga de masa una inductancia en el
aire, cuyo valor variará si introducimos en su interior un material
magnético o no, permitiendo de esta forma abrir el circuito en este punto.
Estas dos soluciones sólo son ideas que podrían ser llevadas a cabo en el
Banco, ya que no es posible verificar directamente si el Banco está bien
aislado de la tierra.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Conclusión
Todo lo hecho hasta ahora nos ha servido para darnos cuenta de que un
problema, que en principio puede parecer extremadamente simple si se
tratase de un problema de laboratorio, se complica cuando añadimos
restricciones relacionadas a las condiciones especificas del entorno del
producto.
Hemos constatado también que, en nuestro caso y con nuestras
restricciones, no hemos encontrado todavía una solución satisfactoria a
nuestro problema. De hecho, con nuestros conocimientos tecnológicos
actuales, nuestro problema parece tener demasiadas restricciones.
Podemos de todas formas extraer conclusiones interesantes sobre el hecho
de que incluso si el realizar un diagnóstico pilar por pilar no parece
factible, deberíamos de ser capaces de hacer un diagnóstico zona por zona.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
V. División en islas del Banco General para
la localización de una pérdida de
aislamiento
Continuando con la idea anterior, vamos a separar una zona del banco de
ensayos del resto de la estructura para localizar y evaluar una eventual
pérdida de aislamiento. Proponemos un método que sirva para dividir en
islas el banco, aprovechando el efecto “tapón” de una inductancia cuando
la excitamos deforma local a una frecuencia conveniente.
Modelización del Banco General
En un primer momento, es sensato partir de un modelo eléctrico
simplificado de la estructura del banco. Cada pilar puede ser modelizado
por un condensador en paralelo con una resistencia de fuerte valor (que
bajaría en caso de aparecer un defecto de aislamiento). Además, la ESN es
un conductor que presenta una inductancia lineal.
La medida de los valores de los diferentes parámetros que entran en juego
ha sido realizada siguiendo distintos métodos y en vista a una futura
aplicación numérica, lo que nos importa son los ordenes de magnitud.
Tomaremos como valores típicos los siguientes:
- C = 0,98 nF: Del orden de nF.
- R = 10 MΩ: buen aislamiento.
- R = 10 kΩ: aislamiento parcialmente degradado.
- R < 1 kΩ: pérdida de aislamiento.
- L = 0,1 µH/m.
La distancia media entre pilares es de varios metros (valor retenido: 10 m,
es decir, un valor de inductancia equivalente de 1 µH).
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Figura 14. Esquema, Modelización del banco de ensayos
División en islas mediante « aislamiento inductivo »
El objetivo es determinar la frecuencia de excitación que nos permitirá
aislar una parte del banco del resto de la estructura. Aprovecharemos el
efecto "tapón" de una inductancia excitada a una frecuencia suficiente, ya
que su impedancia ZL = jLω varía en función de la frecuencia.
Calculamos la frecuencia de corte a la que se obtiene el efecto de
"tapón":
A.N: El valor obtenido gracias a la fórmula anterior es de unos 10 MHz si
utilizamos los parámetros retenidos.
Para lograr una frecuencia de corte inferior, nos preguntamos si sería
técnicamente posible añadir una inductancia de valor variable en serie a la
altura de la ENS.
Tratamos de calcular el valor de esta inductancia para obtener una
frecuencia no superior a un MHz.
A.N.:
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Figura 15. Esquema, Aislamiento inductivo
Si fuera técnicamente posible aumentar localmente la inductancia de un
bucle de la estructura, se podría aprovechar este fenómeno para aislar no
solamente un pilar sino una zona del banco constituida de varios pilares.
Figura 16. Esquema, Aislamiento inductivo de una zona
También debe considerarse en este caso que la capacidad equivalente a
por ejemplo 10 pilares en paralelo es . Esto ayuda también a
disminuir el valor de la frecuencia de corte .
Se consideró en primer lugar, la utilización de un conductor "de retorno"
que uniese las bases de los pilares, justo entre la plancha de material
aislante y la tierra del edificio. El aumento de la inductancia de bucle en
este conductor no permite aislar unas zonas de otras, pero favorece el
cierre de las corrientes de fuga por la tierra.
Así que es en la ENS donde ha de realizarse la división en islas por
aislamiento inductivo, excitando en alta frecuencia. La realización de
simulaciones de este método será abordada en la última parte de este
estudio.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Método de localización de la pérdida de aislamiento
Como hemos visto, es posible medir el aislamiento general del banco
gracias a un controlador de aislamiento. Es necesario trabajar en este caso
a bajas frecuencias y el banco equivale a una red de resistencias en
paralelo. Un defecto de aislamiento se caracteriza por una bajada de
resistencia local y se traduce por la medida de una corriente de fuga de un
valor a veces elevado (hasta 20 A en el banco de ensayos del A380) en la
unión del banco con la tierra del edificio.
• 1er método
Consiste en aislar una zona del banco del resto de la estructura mediante
el método descrito en el párrafo División en Islas por aislamiento inductivo,
para después realizar una medida del aislamiento global.
El resultado de esta primera etapa nos informaría sobre la presencia o no
de un defecto en la zona aislada.
El problema planteado por esta estrategia es que la medición del
controlador de aislamiento se efectúa a baja frecuencia mientras que el
aislamiento inductivo local utiliza una frecuencia mucho más grande
(del orden del MHz). ¿La división en islas se puede realizar a la frecuencia
de trabajo utilizada por el controlador de aislamiento o es transparente a
baja frecuencia?
El método de localización podría ser iterativo por división sucesiva del
banco en zonas cada vez más pequeñas hasta localizar con precisión la
zona de la fuga. Esta estrategia forma parte de los desarrollos propuestos
en la primera parte del estudio.
26
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
• 2º método
La segunda solución consiste buscar localmente corrientes de fuga en el
conductor de retorno situado en paralelo con la tierra.
Excitamos localmente a la frecuencia de corte logrando así el aislamiento
inductivo de una zona del banco siguiendo el método descrito en el
parágrafo División en islas por “aislamiento inductivo” y después medimos la
eventual corriente de fuga en el conductor de retorno.
Este método no permite inicialmente detectar una fuga, en un poste de la
ESN por ejemplo, pero permite evaluar la calidad de aislamiento de los
pilares (placas aislantes de teflón).
Figura 17. Esquema, Medida de la corriente de fuga en el conductor de retorno
Precisión: Aquí se plantea el problema de la medición de corriente que
debería ser fácil gracias a la utilización del conductor de retorno (en
relación a las tentativas precedentes de medida directa en los pilares) a
pesar de que se traten de corrientes relativamente débiles.
De hecho, para una tensión de alimentación de 1 V y un aislamiento
degradado con una R = 1 kΩ, haría falta por ejemplo ser capaz de medir
una corriente del orden del miliamperio.
27
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Simulaciones
A partir de ahora, nos vamos a centrar en el estudio mediante
simulaciones en Matlab-Simulink del método de aislamiento inductivo.
Aunque ya hemos definido el modelo de estudio en la primera parte,
hacemos un breve recordatorio:
Figura 18. Esquema, Modelización del banco de ensayos
La idea es excitar localmente un pilar (en nuestro ejemplo el pilar central)
y efectuar las mediciones de corriente en el resto de la estructura para
validar la hipótesis de aislamiento inductivo a la frecuencia de corte
considerada y con los parámetros retenidos.
Figura 19. Esquema, Protocolo de medida del aislamiento inductivo
28
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
1er Modelo: Modelo simple con un pilar
Figura 20. Esquema, Modelo simple con un pilar
Parámetros del modelo
- R = 10 MΩ
- C = 1 nF
- Lligne = 1 µH
- Inductancia “tapón” = 25 µH, 25 mH, 1H
- Frecuencia de excitación: f = 10 kHz-10 MHz,
- Valor cresta de la tensión de excitación: 10V-50V
- Resistencia en serie de la alimentación: 100 Ω
Medida de corriente en la rama del pilar (Scope) y en el resto de la
estructura que queremos aislar (Scope 1).
Comparamos los niveles de corriente para verificar la validez del efecto
“tapón”. Variamos el valor de la inductancia añadida y de la frecuencia de
excitación para tener parejas de datos y poder comparar los resultados.
29
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Inductancia Frecuencia Ipylône (mA) Istructure (mA)
f = 1 MHz 50 0.06
25 µH f = 10 MHz 100 1
f = 10 kHz 0.6 0.2
f = 100 kHz 6 0.015
f = 1 MHz 50 1.5*10-3
1 H
Ω = 105 rad/s 1 0.1
Tabla 4. Modelo simple con un pilar
Decidimos elegir el valor de inductancia más elevado posible para bajar al
máximo la frecuencia de corte. El valor retenido será entonces de 1 H,
incluso sabiendo es difícil de encontrar una inductancia de ese valor.
Para establecer la frecuencia de excitación, simulamos una pérdida de
aislamiento en un pilón e intentamos detectarla midiendo la corriente que
pasa por el conductor de retorno.
Primeramente, efectuamos un pequeño estudio del Bode del sistema para
tener una idea previa del valor de la frecuencia de excitación buscada.
Filtro LC paralelo
Frecuencia de corte:
Es posible dibujar un diagrama de Bode de este filtro. Identificamos la
frecuencia a partir de la cual obtenemos el efecto “tapón”. Nos situamos
en la pulsación lo más alta posible para tener un efecto máximo.
30
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Figura 21. Bode, Filtro LC paralelo
Deseamos igualmente poder detectar una eventual pérdida de aislamiento
en un pilar gracias a la medida de corriente en el conductor de retorno.
Esto es difícil si trabajamos en altas frecuencias. Tenemos la función de
transferencia siguiente: I= U (jCω + 1/R).
A altas frecuencias, una variación de la resistencia R no influirá en el nivel
de corriente, ya que predomina el carácter capacitivo.
Cuando la pulsación disminuye, el valor de la resistencia determina el
nivel de corriente. Hace falta encontrar un compromiso entre una
pulsación suficientemente “grande” para garantizar el efecto tapón y
suficientemente “pequeña” como para detectar una pérdida de
aislamiento (caída de la resistencia del pilar).
Decidimos situarnos en distintas frecuencias para ver cual es la más
pertinente.
31
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Distinguimos dos casos:
o Buen aislamiento (R = 10 MΩ)
Frecuencia Ipylône (mA) Istructure (mA)
ω = 2.105 rad/s 2 0.05
ω = 9.104 rad/s 0.9 0.1
ω = 105 rad/s 1.2 0.1
Tabla 5. Buen aislamiento
o Pérdida de aislamiento (10 Ω)
Frecuencia Ipylône (mA) Istructure (mA)
ω = 2.105 rad/s 90 5.10-3
ω = 9.104 rad/s 90 0.01
ω = 105 rad/s 90 0.01
Tabla 6. Pérdida de aislamiento
Finalmente, la pulsación ω = 105 rad/s parece presentar el mejor
compromiso entre efecto “tapón” y detención de una pérdida de
aislamiento en un pilar.
Aislamiento degradado de un pilar, la resistencia baja de 10 MΩ a 10 kΩ.
Frecuencia Ipylône (mA) Istructure (mA)
Ω = 105 rad/s 1.2 0.1
Tabla 7. Aislamiento degradado
32
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Efecto “tapón” con un factor 10.
Detención de la pérdida de aislamiento difícil (diferencia entre
corrientes de fuga de 0.2 mA).
Aislamiento de un pilar perdido, la resistencia baja de 10 MΩ a 10 Ω.
Frecuencia Ipylône (mA) Istructure (mA)
Ω = 105 rad/s 90 0.05
Tabla 8. Aislamiento perdido
Efecto “tapón” reforzado.
Detención de la pérdida de aislamiento posible (corriente de fuga
de 90 mA).
2º Modelo: Modelización de la tierra
Figura 22. Esquema, Modelización de la tierra
33
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Añadimos resistencias de pequeño valor para modelizar la tierra del
edificio.
Vamos a seguir un método de análisis similar al anterior.
Probamos primero la posibilidad de realizar el aislamiento inductivo
aprovechando sólo la inductancia de línea entre los pilares (L= 5 µH).
Frecuencia Ipylône (mA) Istructure (mA)
f = 1 MHz 25 10
f = 10 MHz 100 5
Tabla 9. Inductancia de línea
Tenemos un efecto “tapón” de relación 2 a 1 MHz y una relación de 20 a
10 MHz.
Hacemos seguidamente variar la calidad del aislamiento con una
frecuencia de excitación de 10 MHz. Aislamiento correcto (10MΩ),
degradado (10kΩ) y perdido (10Ω).
Aislamiento Ipylône (mA) Istructure (mA)
10 MΩ 100 5
10 kΩ 100 5
10 Ω 90 2.5
Tabla 10. Frecuencia de 10 MHz
Con un aislamiento perdido (paso de 10 MΩ à 10 Ω), deberíamos detectar
normalmente una caída de corriente de 10 mA.
34
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Conclusión
La frecuencia de trabajo es relativamente alta (10 MHz), pero el mayor
problema es que este método de aislamiento y de detención de corrientes
de fuga sólo concierne en cada ensayo a un solo pilar y no a una zona de la
estructura.
Por otra parte, la pérdida de aislamiento no siempre se produce en un
pilar sino que también puede ser que se dé en la propia estructura, es
decir, en la misma ENS (escalera apoyada sobre un poste por ejemplo).
Modelizamos este defecto con una resistencia de valor similar a la Rsource.
Defecto en un pilar (antes del aislamiento):
Figura 23. Esquema, Defecto antes del aislamiento
Aislamiento Ipylône (mA) Istructure (mA) Idéfaut (mA)
10 MΩ 90 4 6
10 kΩ 90 4 6
10 Ω 100 2.5 3
Tabla 11. Defecto antes del aislamiento
35
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Nos damos cuenta que en el caso del defecto resistivo en la estructura de
la ESN o de un pilar (pero antes del aislamiento), la corriente de fuga es
débil y el efecto “tapón” se mantiene.
3er Modelo: Modelo con tres pilares
Pylône d'essai
Conducteur de retour
Pylône1 Pylône
Scope1
Scope
R Terre2R Terre1R Terre
R Source
L Ligne1 L Ligne
i+
-Current Measurement1
i+ -
Current Measurement
AC Voltage Source
Figura 24. Esquema, Modelo con tres pilares
Medimos la corriente que atraviesa el pilar de ensayo y la que atraviesa el
resto de la estructura para verificar el efecto “tapón” para los distintos
niveles de calidad aislante. La inductancia entre pilares es siempre de 1 µH
y la frecuencia de excitación de 1 MHz
Aislante Ipylône (mA) Istructure (mA)
10 MΩ 175 90
10 kΩ 120 90
10 Ω 90 6
Tabla 12. Modelo con tres pilares
36
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
A la frecuencia f = 1 MHZ, es posible detectar la diferencia de corriente
que circula por un pilar que tiene una fuga (del orden de 80 mA).
Es difícil de explicar la bajada de corriente que se produce entre el
aislamiento de calidad y la pérdida de aislamiento. Podríamos justificar
esta medida como consecuencia de un fenómeno de resonancia alrededor
de la frecuencia de excitación.
El efecto “tapón” no es tan marcado (relación de 2)
Decidimos entonces añadir en serie una inductancia (L = 1 Hz) en la ESN
para disminuir la frecuencia de corte y para poder aislar una zona entera
de la estructura como veremos más adelante.
Colocamos la medición de corriente en serie con la fuente de excitación
local, cerca del pilar de ensayo. La medida de corriente debe hacerse en la
zona aislada por las inductancias en serie.
Defecto resistivo en la estructura
Figura 25. Esquema, Defecto resistivo
37
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Un solo aparato de medida de corriente en serie con la fuente podría ser
suficiente, como veremos luego, pero queremos obtener la máxima
información para deducir correctamente el comportamiento del banco.
El valor de nuestra resistencia de defecto es siempre similar al de Rsource.
Simulación de un defecto resistivo con aislamiento de calidad (10 MΩ)
Isource (mA) Ipylone (mA) Idefaut (mA) Istructure (mA)
Sin defecto 10 10 0 0.01
Con defecto 34 6.6 33 0.006
Tabla 13. Defecto con aislamiento de calidad
Detectamos la presencia de un defecto resistivo franco gracias a la
diferencia de corriente de la fuente entre un estado de banco sano y otro
con defecto (diferencia de 20 mA).
Simulación de un defecto con aislamiento perdido (10 Ω)
Isource (mA) Ipylone (mA) Idefaut (mA) Istructure (mA)
Sin defecto 91 91 0 0.001
Con defecto 91 87 4 9 * 10-4
Tabla 14. Defecto con aislamiento perdido
Aplicamos el mismo método que en el caso de pérdida de aislamiento en
el pilar de ensayo. Medimos en este caso unas corrientes mayores.
38
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Conclusión
Distinguimos dos tipos de defectos:
- Defecto de aislamiento de un pilar con la tierra.
- Defecto franco resistivo en la estructura de la ESN.
Para detectar un defecto de aislamiento en un pilar, aislamos zona por
zona y procedemos a medir la corriente interna a la zona. Hemos pensado
hacer la medición de esta corriente en la rama de la fuente de excitación,
correspondiente a la suma de las corrientes de retorno.
El método de medida anterior nos permite también detectar un defecto
resistivo franco en la estructura de la ESN al medir el aumento de la
“corriente fuente” en relación a la corriente observada en un banco sano.
Simulación de un defecto resistivo de diferentes valores
Ahora vamos a centrarnos en el estudio de un defecto resistivo de
diferentes valores, conservando un buen aislamiento en el pilar de ensayo,
ya que es un caso más probable que la pérdida de aislamiento en un pilar.
Consideramos tres casos posibles: 10kΩ, 100Ω et 10Ω.
Rdéfaut Isource (mA) Ipylone (mA) Idefaut (mA) Istructure (mA)
10 Ω 62 4 62 4 * 10-3
100 Ω 40 6 40 6 * 10-3
900 Ω 13 9 9.5 10-5
10 kΩ 10 10 1 10-2
Infinito
(banco sano) 10 10 0 10-2
Tabla 15.Defecto resistivo con aislamiento de calidad
39
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Constatamos que para pequeños valores de resistencia de defecto casi toda
la corriente de la fuente se escapa por el defecto, provocando un aumento
considerable (y por lo tanto medible) de la corriente proporcionada por la
fuente. A partir de varios kΩ, la corriente que pasa por el defecto es
despreciable con respecto a las corrientes de la fuente y del pilar.
En el caso intermediario de 900 Ω, donde la corriente del pilar y la
corriente del defecto son similares, tenemos un aumento del 30% de la
corriente de la fuente.
Hasta aquí hemos añadido una inductancia en serie de valor muy elevado
(1 H) para ser capaces de detectar una pérdida de aislamiento en un pilón,
pero ahora ya sólo nos interesamos por los defectos resistivos. Este hecho
nos permite disminuir el valor de la inductancia serie y de llevarlo a
valores más próximos de la realidad (algunos mH).
Figure 26. Esquema, Inductancia serie de 10 mH
Continuamos con el mismo esquema de simulación (mismos valores de
resistencias, frecuencia de excitación…) haciendo variar solamente el valor
de la inductancia serie (10 mH en vez de 1 H).
40
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Rdéfaut Isource (mA) Ipylone (mA) Idefaut (mA) Istructure (mA)
10 Ω 62.5 4 62.5 4.2
100 Ω 40 6 40 0.7
900 Ω 12 9 9.5 1
10 kΩ 8 10 1 1.1
Infinito 7.7 10 0 1.1
Tabla 16. Inductancia serie de 10 mH
Conclusión
o Tenemos todavía el efecto “tapón” deseado (de un factor 7
aproximadamente).
o Cuando la corriente de defecto toma valores considerables (para el
caso de un valor de resistencia de 900 Ω y menos) la fuente
proporciona una corriente 60% más fuerte que cuando no hay
defecto. Esta diferencia de corriente nos permite detectar y localizar
nuestro defecto.
41
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
VI. Método de detención de defectos de
aislamiento por medición de tensión
Análisis frecuencial
Vamos a intentar trazar el diagrama de Bode de la función de
transferencia entre la tensión de excitación y la tensión en los extremos de
la resistencia de defecto. El objetivo de este estudio es encontrar la
frecuencia de corte. Así podremos excitar el sistema a una frecuencia tal
que nos permita limitar nuestra zona de estudio (en un primer momento,
un solo pilar).
El esquema utilizado para nuestro estudio es el siguiente:
Pylône d'essai
1
Out1
v +-
Voltage Measurement3
R défaut
R Source
Pylône2
L Ligne2L Ligne1
s -+
Controlled Voltage Source
1
In1
Figura 27. Esquema para hacer el análisis frecuencial
Hemos calculado con la ayuda de Matlab la función de transferencia y
hemos trazado los diagramas de Bode y de respuesta del sistema a un
escalón.
42
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
Mag
nitu
de (
dB)
105
106
107
108
109
-270
-180
-90
0
Pha
se (
deg)
Bode Diagram
Frequency (rad/sec)
Figura 28. Bode, Análisis frecuencial
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
x 10-6
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7Step Response
Time (sec)
Am
plitu
de
Figura 29. Respuesta a un escalón
43
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Ahora obtenemos, gracias al análisis lineal de Matlab, las siguientes
figuras que nos permiten verificar nuestros cálculos precedentes:
Figura 30. Bode
Figura 31. Respuesta a un escalón
Hallamos una frecuencia de corte de 10 MHz aproximadamente, con una
resonancia importante.
El régimen transitorio tiene un rebasamiento admisible y un tiempo de
primer máximo pequeño.
Para poder delimitar las distintas zonas de estudio, tenemos necesidad de
excitar a una frecuencia verdaderamente elevada. Por esta razón,
decidimos aumentar artificialmente un poco el valor de ciertas
inductancias de línea para conseguir delimitar las diferentes zonas.
44
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
En el siguiente ejemplo, el valor de la inductancia de línea 1 ha sido
modificado de 10uH a 10mH.
Queremos demostrar que si existe un defecto resistivo fuera de la zona de
estudio no tiene demasiada influencia dentro de esta zona.
-200
-150
-100
-50
0M
agni
tude
(dB
)
103
104
105
106
107
108
109
-270
-180
-90
0
Pha
se (
deg)
Bode Diagram
Frequency (rad/sec)
Figura 32. Bode, Presencia de defecto
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
x 10-4
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5Step Response
Time (sec)
Am
plitu
de
Figura 33. Respuesta a escalón con defecto
45
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Conclusión
Con una inductancia de valor elevado, pero real, conseguimos delimitar
distintas zonas y trabajar con una frecuencia de excitación del orden de 10
MHz, teniendo una ganancia negativa suficiente como para no tener en
cuenta la influencia de un defecto lejano de nuestra zona de estudio.
El régimen transitorio tiende a tener la forma típica de un sistema de
primer orden, permitiendo diferenciarlo mejor del estado de banco sano,
donde encontramos una curva de este tipo:
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
x 10-3
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2Step Response
Time (sec)
Am
plitu
de
Figura 34. Respuesta a un escalón del banco sano
46
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Simulaciones de defecto resistivo
En este caso, vamos a estudiar la posibilidad de localizar un defecto
resistivo en una zona concreta gracias al estudio de la tensión.
El esquema propuesto para este estudio es el siguiente:
Figura 35. Esquema con tres posibles posiciones del defecto
Vemos, en el centro del esquema, nuestra zona de estudio compuesta por
dos pilares separados entre ellos por una inductancia de línea (10 µH). En
los lados, encontramos dos pilares que modelizan el resto de la estructura.
Para delimitar nuestra zona de estudio, aumentamos la inductancia de
línea hasta un valor de algunos mH. La fuente de tensión utilizada genera
una tensión sinusoidal de amplitud 1 V y de frecuencia 1 MHz.
Las tres posiciones en las que colocaremos la resistencia de defecto están
marcadas en rojo en nuestro esquema. El método a seguir es comparar los
niveles de tensión en la zona de estudio cuando no hay defecto (banco
sano) y cuando lo haya (bien sea en la misma zona [2], bien sea en el resto
de la estructura [1] y [3]).
47
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Figura 36. Banco sano
Nos encontramos con un valor de 1 V en la zona de estudio y un valor
mucho más pequeño en el resto de la estructura. Estos resultados nos van
a servir como referencia para las siguientes simulaciones.
Defecto en nuestra zona de estudio
Añadimos una resistencia de defecto (100 ohm) en la posición [2]
Figura 37. Defecto en la posición [2]
48
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Vemos que la tensión observada es dos veces más pequeña que la del
banco sano. Este hecho es debido a la modelización de la resistencia
interna de la fuente mediante una resistencia de valor de 100 ohms.
Podemos percibir sin problemas esta diferencia de tensión en relación al
valor del banco sano, por lo que podemos concluir que hay un defecto en
la zona estudiada.
Defecto fuera de nuestra zona de estudio
Ahora verificamos la influencia de un defecto resistivo, situado en el resto
de la estructura, en la tensión de la zona de estudio. Si encontramos una
tensión similar a la que teníamos con el banco sano, podremos afirmar que
no hay ningún defecto en la zona estudiada.
Defecto resistivo en la posición [1]
Figura 38. Defecto resistivo en la posición [1]
49
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Defecto resistivo en la posición [3]
Figura 39. Defecto resistivo en la posición [3]
Conclusión
La influencia de un defecto resistivo fuera de la zona de estudio es nula.
Un defecto resistivo dentro de la zona estudiada provoca una variación de
tensión suficientemente importante como para permitir su detección.
Método de detención mediante impulsiones de tensión
Otra pista para librarse de las limitaciones del método anterior consiste en
utilizar un método de detención de defecto de aislamiento a partir de una
medición de tensión.
Este método se inspira en las técnicas de la ecometría utilizada para la
búsqueda de defectos en las líneas y los cables eléctricos. Se trata de
estudiar la propagación de impulsiones de tensión en la estructura y
observar los niveles de tensión, los retardos y las deformaciones de la
señal en distintos puntos de la red.
50
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
De este modo procederemos a excitar localmente mediante impulsiones de
tensión y observamos la forma de las señales en las proximidades de la
zona excitada.
Simularemos defectos de aislamiento resistivos francos en la estructura de
la ESN (se puede tratar por ejemplo de una escalera apoyada en la
estructura de la ESN). Observaremos después la forma de las señales cerca
del defecto para poder estudiar su influencia en términos de nivel de
tensión, de retardos, de oscilaciones…
El modelo Simulink
Modelo con 3 pilares (banco sano)
Figura 40. Esquema, Modelo Simulink con 3 pilares – Banco sano
Parámetros del modelo
Pilar modelizado por un dipolo RC paralelo (R=10 MΩ, C=1nF)
Lligne = 10 µH
Rsource = 100 Ω
51
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Excitamos con un impulso de tensión de amplitud unitaria (Signal
Builder + Source de tension) en el pilar central.
Observamos la impulsión después de la propagación por la estructura
(Voltage measurement) en el banco sano.
Figura 41. Banco sano
Podemos constatar que por los valores de los parámetros retenidos
(principalmente Lligne = 10µH) y excitando como hemos excitado con una
impulsión de tensión, no hay ninguna deformación en la señal propagada.
52
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Introducción de un defecto resistivo
Introducimos un defecto resistivo entre dos pilares, en la estructura del
banco de ensayos.
Figura 42. Defecto resistivo
Probamos con varios valores de Rdéfaut: 1MΩ, 1kΩ, 10Ω
53
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Nos fijamos en las tensiones en los extremos de los pilares del banco.
Figura 43. R = 1 MΩ
No observamos ni tensiones altas ni tensiones bajas significativas.
Figura 44. R = 1 kΩ
54
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Se empieza a ver una división de tensión en el extremo de cada pilar.
Figura 45. R = 10 Ω
Se observa un divisor de tensión significativo, siguiendo la expresión:
Rdéfaut / (Rsource + Rdéfaut)
Excitando con una impulsión de tensión (es decir a frecuencia nula una
vez que se llega al régimen permanente), el dipolo RC paralelo que
modeliza un pilar equivale solamente a la resistencia R. Como hemos
elegido un valor de R grande (R = 10 MΩ) para modelizar un aislamiento
de los pilares de calidad, la caída de tensión en los extremos de los pilares
aislados es casi nula. El fenómeno observado es por lo tanto una simple
división de tensión asociada a oscilaciones transitorias.
Se observa un segundo fenómeno relacionado con el comportamiento
resonante de una parte de la estructura.
Por la parte del pilar1, tenemos un comportamiento RLC resonante y se
observa una sobre tensión transitoria cuando empieza y termina la
corriente.
Por la parte del defecto resistivo y del pilar2, el comportamiento es el de
un circuito RL serie. La sobre tensión es menos marcada, se observa
solamente un retardo a la hora de llegar al régimen permanente.
55
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Al comienzo
Figura 46. Al comienzo
En el retorno a cero
Figura 47. Retorno a cero
56
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Conclusión
Descripción del método:
- Se excita en el pilar de ensayo.
- Se trazan las gráficas para un banco sano en los pilares vecinos.
- La aparición de un defecto resistivo es detectable por una bajada
del nivel de tensión (común a todos los pilones de nuestro ejemplo).
- La localización del defecto podría hacerse observando la forma de
las señales al observar comportamientos resonantes y
amortiguados.
Estudio del régimen transitorio
Continuamos nuestro estudio del régimen transitorio del establecimiento
de la tensión que nos puede permitir de distinguir pilares sanos y pilares
próximos a un defecto.
De hecho, como hemos visto antes, si la estructura de la ESN se supone
equipotencial, entonces el régimen permanente de la tensión nos permite
detectar un defecto gracias a una bajada el nivel de tensión pero no nos
permite localizarlo.
Nos situamos en un modelo de 4 pilares.
- Un pilar de ensayo donde colocamos la fuente de excitación
local.
- Un pilar en el lado sano de la fuente y dos pilares próximos a
un defecto resistivo franco entre la ESN y la referencia de
tensión.
57
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Estudiamos el régimen transitorio de la tensión en los extremos de estos
pilares.
Figura 48. Esquema, Régimen transitorio
Parámetros:
- Rsource = 50 Ω
- Tsimulation = 3 ms
- Rdéfaut = 10 Ω
Figura 49. Régimen transitorio
Tenemos un régimen transitorio con un rebasamiento importante (sobre
tensión debida al comportamiento resonante) en el lado sano y un
comportamiento más próximo a un circuito de primer orden del lado del
defecto.
58
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
En otra configuración
Figura 50. Esquema, Otra configuración
Figura 51. Otra configuración
Se observa bien la diferencia entre un comportamiento puramente
inductivo (con un fuerte rebasamiento) y el comportamiento RL (sin
rebasamiento) bajo la influencia de la Rdéfaut.
59
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Figura 52. Esquema, Rdéfaut = 1 kΩ
Figura 53. Rdéfaut = 1 kΩ
La identificación del defecto en régimen permanente es muy difícil (bajada
de la tensión poco significativa) y sólo el régimen transitorio puede darnos
alguna información.
Aumento artificial de la inductancia de línea
Como en la identificación de defectos mediante la medida de corriente,
podemos estudiar la influencia del aumento de la inductancia de línea
para separar zonas y facilitar la identificación de señales.
60
Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Excitando con una tensión continua, no obtendremos como con altas
frecuencias el aislamiento inductivo. Sin embargo, debería ser más fácil
analizar las señales del lado sano y del lado del defecto, los fenómenos
transitorios serían más largos y más marcados con una inductancia
aumentada.
Con una inductancia Lligne1 = 10 mH en el lado del defecto.
Figura 54. Esquema, Modelo con 4 pilares con un defecto resistivo
Con una inductancia Lligne1 = 10 mH en el lado del defecto.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Figura 55. Modelo con 4 pilares con un defecto resistivo
Se observa más claramente la diferencia de curvas entre las señales del
lado sano y del lado del defecto resistivo.
Tenemos en el lado sano un fenómeno de resonancia correspondiente a la
frecuencia calculada en el análisis frecuencial y en el lado del defecto
resistivo un régimen de primer orden sin rebasamiento (RL serie).
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
Para una inductancia aumentada en el lado sano Lligne = 1 mH
Figura 56. Lligne = 1 mH
Se observa un régimen oscilatorio amortiguado siguiendo exp (-L/R) en el
lado sano.
La distinción entre las señales del lado sano y las del lado del defecto está
facilitada.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
VII. Conclusión
Conclusiones sobre la metodología
Después de haber identificado diferentes pistas de investigación, hemos
definido modelos del Banco General y hemos realizado una aproximación
mediante simulaciones en Matlab-Simulink a partir de esos modelos.
Todo ello nos a llevado a eludir ciertos problemas debidos a la realización
práctica e industrial para poder concentrarnos en la validez de los
modelos y el estudio de estrategias de localización de los defectos
considerados.
Conclusiones sobre los resultados
Hemos llevado finalmente a buen término dos estrategias distintas gracias
a las cuales es posible no solamente detectar pero sobretodo localizar un
defecto resistivo en la estructura, ya que es el tipo de defecto que más nos
interesa.
Un primer método consiste en excitar a alta frecuencia y realizar una
división en islas del Banco General aprovechando el aislamiento
inductivo. Una medición de corriente o de tensión permite entonces
detectar un eventual defecto en la zona de estudio, definiendo un valor en
las medidas que separe el estado de banco sano y de defecto.
La principal dificultad de implementación industrial que se nos plantea
consiste en prever en la concepción del banco de ensayos la división en
zonas mediante el empleo de inductancias integradas en la estructura del
Banco General.
El segundo método consiste en detectar y localizar el defecto mediante
impulsiones de tensión. La medida del nivel de tensión en régimen
permanente nos informa sobre la presencia de un eventual defecto. No
obstante, sólo el estudio del régimen transitorio en respuesta a una
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
impulsión de tensión nos puede aportar información sobre la localización
del defecto resistivo.
Esta vez, es la realización industrial de las medidas y de las observaciones
lo que nos plantea dudas. Supone disponer de aparatos de medición
suficientemente potentes y definir unos límites a partir de los cuales se
pueda concluir que hay cerca un defecto. Seria necesario realizar ensayos
prácticos mientras se construye el Banco General A350 o incluso
realizarlos en el actual Banco General A380.
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Protocolo de medidas del aislamiento del Banco General A350
VIII. Bibliografía
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[KUZY06] KUZYK H., “Câbles d’énergie : théorie de l’échométrie”,
Techniques de l’ingénieur. 2006.
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