Monitoring method for armoring shielding cable in strong electromagnetic region in substation

Resumen Técnico: Método de Monitoreo para Cables con Blindaje de Armadura en Regiones de Fuerte Campo Electromagnético en Subestaciones

Planteamiento del Problema
En subestaciones de alta tensión (AT) y ultra alta tensión (UAT), los reactores de núcleo de aire de tipo seco generan una fuga de flujo magnético significativa, creando regiones de fuerte campo electromagnético local. Cuando se forman bucles de circuito secundario alrededor de estas regiones —a menudo debido al desgaste del aislamiento entre las capas de armadura/blindaje o a una conexión a tierra inadecuada de los cables de tierra—, las corrientes de bucle inducidas pueden superar los 20 A. Este fenómeno provoca un sobrecalentamiento severo, la combustión de cables y posibles riesgos de incendio, lo que representa una amenaza crítica para la seguridad de la subestación.

El mantenimiento tradicional depende de inspecciones visuales manuales y mediciones periódicas de temperatura por infrarrojos. Los autores identifican limitaciones significativas en estos métodos convencionales:

• Naturaleza no en tiempo real: Las inspecciones ocurren solo una o dos veces al día (hasta cuatro veces para tareas de alta prioridad), dejando brechas de varias horas donde un cable puede progresar desde un calentamiento anormal hasta la ignición.
• Baja precisión y subjetividad: La detección depende en gran medida de la habilidad y el estado mental del personal, la etapa de desarrollo de la falla y si la ubicación de la medición está blindada.
• Ineficiencia: Estos métodos solo pueden detectar una pequeña fracción de las anomalías de calentamiento, particularmente antes de que ocurra un daño visible.

Metodología
El artículo propone un nuevo sistema de monitoreo en línea basado en la adquisición continua de características eléctricas específicas y un criterio de discriminación compuesto por cinco alarmas distintas.

1. Adquisición de Datos:
   El sistema se enfoca en cables con blindaje de armadura en cajas de terminales dentro de regiones de fuerte campo electromagnético. Recopila:

• La suma de las corrientes en los cables de tierra de la capa de blindaje ($I_P$).
• La suma de las corrientes en los cables de tierra de la capa de armadura ($I_K$).
• El potencial de la barra de cobre de tierra primaria y la barra de cobre de tierra secundaria para calcular las diferencias de potencial.
• La corriente de tierra de una caja de terminal adyacente para contextualizar el riesgo.

2. Criterios de Discriminación Compuesta:
   La lógica de monitoreo emplea cinco criterios específicos para activar alarmas:

• Criterio de Diferencia de Potencial Excesiva: Monitorea la diferencia de potencial entre las barras de tierra primaria y secundaria. Si la diferencia excede un umbral (valor de experiencia: 1 V), o si ocurre una diferencia "extra grande", se activa una alarma. El sistema ajusta dinámicamente las restricciones según la magnitud de la diferencia de potencial.
• Criterio de Sobrecorriente de Tierra de Caja: Monitorea la corriente de tierra de la caja de terminales. El umbral de alarma es adaptativo: es más estricto (umbral más bajo) si una caja de terminal adyacente ya presenta una alarma de sobrecorriente, y más laxo si la caja adyacente es normal.
• Criterio de Sobrecorriente del Cable de Tierra de la Capa de Blindaje: Se activa si la suma de las corrientes de los cables de tierra de la capa de blindaje supera un umbral establecido (valor de experiencia: 10 A).
• Criterio de Sobrecorriente del Cable de Tierra de la Capa de Armadura: Se activa si la suma de las corrientes de los cables de tierra de la capa de armadura supera un umbral establecido (valor de experiencia: 10 A).
• Criterio de Sobrecorriente de Bucle: Esta es la lógica central para la detección de la formación de bucles. Evalúa la suma de $I_P$ e $I_K$.
  • Si no existe una alarma de diferencia de potencial, el sistema verifica si las corrientes de los cables individuales son altas mientras que su suma es inferior a un límite de bucle específico (valor de experiencia: < 5 A), lo que indica un bucle localizado.
  • Si una alarma de diferencia de potencial está activa, los umbrales para $I_P$ e $I_K$ se relajan dinámicamente para dar cuenta de la cancelación de fase y el daño de aislamiento simultáneo en múltiples cables.

Implementación del Sistema
Se desarrolló un sistema de monitoreo que comprende una estación de trabajo maestra en la sala de relés y múltiples Unidades de Adquisición de Datos (DAU) desplegadas en los patios de conmutación de subestaciones de 500 kV. Las DAU recolectan los datos eléctricos y los transmiten vía fibra óptica a la estación central para su análisis y generación de alarmas.

Resultados
El sistema fue desplegado en dos subestaciones de 500 kV en la red eléctrica de Nanjing (Jiangsu, China) de 2020 a 2022. Durante un período de tres años, el sistema generó 26 alarmas a través de 9 DAU.

• Capacidad de Detección: El método propuesto (Método A) detectó con éxito diversas anomalías, incluyendo 3 alarmas de diferencia de potencial excesiva, 7 alarmas de sobrecorriente de tierra de caja, 8 alarmas de sobrecorriente de capa de blindaje, 5 alarmas de sobrecorriente de capa de armadura y 3 alarmas de sobrecorriente de bucle.
• Comparación: En contraste, el método convencional (Método B), basado en la inspección manual y la termografía infrarroja, detectó solo una fracción de estos eventos (por ejemplo, detectando solo 1 sobrecorriente de capa de blindaje y 1 sobrecorriente de bucle de las 8 y 3 detectadas por el nuevo sistema, respectivamente).
• Hallazgos Específicos: Una DAU registró una corriente máxima de capa de blindaje de aproximadamente 27 A, y otra registró una corriente de bucle máxima de aproximadamente 49 A, confirmando la capacidad del sistema para capturar condiciones de alto riesgo que probablemente habrían sido omitidas por las verificaciones manuales.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este trabajo sienta las bases para la amplia aplicación del monitoreo y la alerta temprana del sobrecalentamiento de cables en subestaciones de alta tensión. Las contribuciones clave son:

1. Viabilidad del Monitoreo en Línea: Demostrar que el monitoreo en línea de características eléctricas específicas es una solución viable para las limitaciones de la inspección manual en regiones de fuerte campo electromagnético.
2. Discriminación Compuesta: La introducción de una lógica de cinco criterios que distingue eficazmente entre diferentes tipos de fallas (diferencias de potencial, sobrecorrientes de tierra y formaciones de bucles) en lugar de depender de una sola métrica.
3. Mantenimiento Inteligente: El despliegue exitoso del sistema en subestaciones de 500 kV verifica su confiabilidad y viabilidad, proporcionando una base para integrar el monitoreo de cables en marcos de mantenimiento inteligente más amplios.

El artículo concluye señalando que el trabajo futuro implicará la generalización de las funciones del sistema, la incorporación de monitoreo por fibra, y la integración con computación de borde y tecnologías 5G para mejorar la eficiencia e interoperabilidad con otros subsistemas, como los sistemas de inspección por robots.