Realizzazione del prototipo strumentale e prove su un simulatore di effetto corona - L. De Maria, D. Bartalesi, P. Serragli, R. Marini
←
→
Trascrizione del contenuto della pagina
Se il tuo browser non visualizza correttamente la pagina, ti preghiamo di leggere il contenuto della pagina quaggiù
Realizzazione del prototipo
strumentale e prove su un
simulatore di effetto corona
L. De Maria, D. Bartalesi, P. Serragli,
R. Marini
Febbraio 2008 Area: Trasmissione e Distribuzione
CESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 1/27
Contratto Accordo di programma con il Ministero dello Sviluppo Economico ai sensi dell’art. 3
comma 2 del D.M. 23 marzo 2006 per le attività di ricerca e sviluppo di interesse generale
per il sistema elettrico.
Piano Annuale di realizzazione 2007.
Oggetto Realizzazione del prototipo strumentale e prove su un simulatore di effetto corona
Area Trasmissione e Distribuzione
Progetto Tecniche di valutazione delle condizioni, della vita e delle funzionalità residue di
componenti elettrici mediante metodiche sotto tensione
Deliverable 2.2 – Rapporto Aggiuntivo
Note
PUBBLICATO 08000652 (PAD - 779816)
La parziale riproduzione di questo documento è permessa solo con l'autorizzazione scritta del CESI RICERCA.
N. pagine 27 N. pagine fuori testo
Data 28/02/2008
Elaborato TTD – L. De Maria, D. Bartalesi, P. Serragli, R. Marini
Elaborato De Maria Letizia (TTD), Bartalesi Daniele (TTD), Serragli Paolo (TTD), Marini Remo (TTD)
08000652 436474 AUT 08000652 436375 AUT 08000652 436685 AUT 08000652 436587 AUT
Verificato TTD – G. Rizzi
Mod. RPRDS v. 01
Verificato Rizzi Giuseppe (TTD)
Approvato TTD – C. Cherbaucich
08000652 436548 VER
Approvato Cherbaucich Claudio (TTD)
08000652 436446 APP
CESI RICERCA S.p.A. Via R. Rubattino 54 Capitale sociale 1 100 000 Euro
20134 Milano - Italia interamente versato
Telefono +39 023992.1 Registro Imprese di Milano,
Fax +39 0239925370 C.F. e P.IVA 05058230961
N. R.E.A. 1793295
ISO 9001: 2000 CH-32919
CESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 2/27
Indice
SOMMARIO............................................................................................................................................. 4
1 INTRODUZIONE ............................................................................................................................ 5
2 REQUISITI FUNZIONALI DEL SISTEMA DIAGNOSTICO .................................................. 6
3 REALIZZAZIONE DEL NUOVO SISTEMA DIAGNOSTICO ................................................ 7
3.1 Schema generale............................................................................................................................... 7
3.2 Caratteristiche del sistema diagnostico ........................................................................................... 8
3.3 Caratterizzazione dei microfoni ottici .............................................................................................. 9
3.4 Sensore di ozono............................................................................................................................. 10
3.5 Progetto e realizzazione del dispositivo di sincronismo ................................................................ 12
3.6 Sviluppo del software di gestione ................................................................................................... 14
4 MISURE DI PRESCARICA IN ARIA (EFFETTO CORONA)................................................ 18
4.1 Descrizione del simulatore dell’effetto corona in aria............................................................. 18
4.2 Prove e risultati .............................................................................................................................. 19
5 CONCLUSIONI ............................................................................................................................. 26
BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................................... 27
© Copyright 2008 by CESI RICERCA. All rights reserved - Activity code 10311J
CESI RICERCA 08000652 Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 3/27 STORIA DELLE REVISIONI Numero Data Protocollo Lista delle modifiche e/o dei paragrafi modificati revisione 0 28/02/2008 0800652 Prima Emissione
CESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 4/27
SOMMARIO
Il presente Rapporto è parte integrante della documentazione delle attività di Ricerca di Sistema previste
dal “Piano Annuale di Realizzazione 2007” rev. 1 del 3/12/2007 nell’ambito del progetto “Tecniche di
valutazione delle condizioni, della vita, e delle funzioni residue di componenti elettrici mediante
metodiche sotto tensione” e costituisce Rapporto aggiuntivo per il Deliverable 2.2.
I guasti dei componenti elettrici di cabine di Media Tensione (MT) sono una delle principali cause di
indisponibilità della rete di distribuzione. Ai fini di una maggiore ottimizzazione dell’efficienza della
rete è importante effettuare un controllo da remoto di questi componenti.
Nell’ambito del Progetto “Tecniche di valutazione delle condizioni, della vita e delle funzionalità
residue di componenti elettrici mediante metodiche sotto tensione”, si intende valutare la fattibilità di un
sistema diagnostico basato sull’impiego di sensoristica innovativa e a basso costo in grado di rilevare
tempestivamente e da remoto l’insorgere di fenomeni di prescarica nei componenti di cabine di
distribuzione.
L’attività svolta nel 2007 rappresenta la naturale evoluzione di quella effettuata nel 2006 nell’ambito del
WP 4.1. ed è stata articolata nelle seguenti fasi principali:
Progetto, realizzazione e caratterizzazione di un sistema per la misura dell’ozono.
Sviluppo di un sistema per l’acquisizione contemporanea e l’elaborazione dei segnali d’uscita
dai sensori utilizzati per la rilevazione dei segnali acustici, luminosi e dell’ozono associati ai
fenomeni di prescarica in aria.
Effettuazione di prove sperimentali per la verifica della correttezza di funzionamento dei tre
sensori in presenza di fenomeni corona generati in un ambiente controllato.
I risultati ottenuti, pur evidenziando la necessità di affinare ulteriormente alcuni aspetti strumentali
ancora critici, confermano la funzionalità dell’implementazione strumentale realizzata.
CESI RICERCA 08000652 Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 5/27 1 INTRODUZIONE La liberalizzazione e la privatizzazione del mercato elettrico ha forzato i gestori ad introdurre nuovi sistemi di gestione delle loro reti per soddisfare sia i criteri di qualità del servizio imposti dal regolatore sia le aspettative economiche degli azionisti. Negli ultimi anni, in Italia, sono sempre più utilizzati sistemi di telecontrollo e telegestione delle cabine secondarie. Queste tecniche hanno nettamente diminuito i tempi di fuori servizio e aumentato la flessibilità delle reti. Per questo motivo sono anche diminuiti gli interventi nelle cabine, per cui l’insorgere di fenomeni di degrado come quelli causati dal progressivo deterioramento delle superfici isolanti, dovuti a fenomeni di prescarica, sono più difficilmente identificabili. La numerosità delle cabine insieme alla ridotta sorveglianza ha suggerito di considerare la possibilità di sviluppare sistemi diagnostici in grado di evidenziare l’insorgere di fenomeni potenzialmente in grado di causare fuori servizio se non rimossi. Per avere un ordine di grandezza della numerosità degli scomparti di manovra, si consideri che nel 2000 la sola rete distribuzione dell’ENEL era di circa 300000 km, un terzo dei quali costituti da linee in cavo; considerato che la tratta media di cavo è di circa 450 m si arriva a un numero di cabine ben superiore a 200000 unità; inoltre, una cabina secondaria di distribuzione MT/bt è tipicamente costituita da un trasformatore, da due scomparti di manovra oltre alla sezione bt e misuratori di energia. Quindi, il numero di scomparti di manovra è molto superiore alle 400000 unità. Nel 2006 è iniziata nell’ambito del Progetto “Tecniche di valutazione delle condizioni, della vita e delle funzionalità residue di componenti elettrici mediante metodiche sotto tensione” (Area Trasmissione e Distribuzione) un’attività con lo scopo di verificare la possibilità di realizzare un sistema diagnostico per gli scomparti di manovra, avente due requisiti fondamentali: il basso costo e la ridotta invasività. Come noto, i fenomeni di prescarica in aria generano emissioni luminose, acustiche e ozono. Nel 2006 si è avviato lo sviluppo di un sistema diagnostico improntato alla rilevazione contemporanea di luce, suono e ozono utilizzando sensori ottici in virtù del loro basso costo, della ridotta (o nulla) invasività e delle durata superiore del rilevatore ottico di ozono rispetto a quelli chimici. Nel corso del 2006, si è verificata la fattibilità del rilievo di emissioni acustiche e sonore con sensori ottici [1]. A seguito di questa sperimentazione, nel 2007, si è deciso di focalizzare l’attività di ricerca sulla messa a punto del dispositivo strumentale innovativo per la diagnostica di scomparti di cabine MT. Dopo aver richiamato l’attenzione sui requisiti di applicazione del sistema su componenti reali (§.2), sarà descritto, nel §.3, il prototipo strumentale assemblato con prestazioni adeguate al tipo di operatività richiesto. In particolare nei §3.1-3.4 saranno descritte le caratteristiche HW delle singole unità e del sistema di sincronismo, mentre nel §3.5 l’architettura del SW di gestione del sistema. Nel §. 4 saranno illustrati i principali risultati della sperimentazione preliminare condotta in laboratorio su un simulatore di effetto corona per verificare la funzionalità del sistema.
CESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 6/27
2 REQUISITI FUNZIONALI DEL SISTEMA DIAGNOSTICO
Per valutare concretamente la fattibilità di un sistema diagnostico per la verifica da remoto
dell’insorgenza di fenomeni di prescarica in scomparti di sezionamento delle cabine di distribuzione
MT, è necessario disporre di un sistema prototipale affidabile, robusto e facilmente installabile. Questo
sistema deve acquisire i segnali di prescarica in aria generati all’interno dello scomparto e essere in
grado di seguirne l’evoluzione temporale, al fine di discriminare reali condizioni di aggravio
dell’isolamento. L’acquisizione dei segnali deve essere sincrona con la tensione di rete, per consentire il
riconoscimento delle cause che hanno indotto i fenomeni di prescarica stessa.
Per soddisfare questi requisiti di misura e di operatività, al sistema diagnostico vengono richieste le
seguenti prestazioni:
un’elevata sensibilità ai fenomeni associati ad eventi di prescarica;
un “intervallo di operatività spettrale” dei singoli sensori adeguato per la rivelazione di ciascun
fenomeno;
un’efficiente raccolta dei segnali emessi dai fenomeni di prescarica per rivelare l’insorgere del
fenomeno in qualsiasi punto dello scomparto;
un’acquisizione dei segnali sincrona con la tensione di rete e quindi con l’evento di prescarica;
un’acquisizione simultanea delle tre grandezze (ottica, acustica e ozono) generate dal fenomeno
di prescarica. La contemporaneità delle tre rilevazioni è infatti un valido indicatore diagnostico
per non incorrere in falsi allarmi.
Valide soluzioni a questo problema sono quelle basate sull’impiego della tecnologia a fibre ottiche, che
è la più promettente per i noti vantaggi di elevata inerzia chimica, immunità ai disturbi elettromagnetici
e bassa invasività offerti da questa tecnologia.
Inoltre, per la scelta del rivelatore di ozono è necessario individuare soluzioni che non necessitano di
manutenzione periodica, evitando i relativi oneri di intervento in loco.
Per una effettiva funzionalità del sistema diagnostico è infine necessario che questo sistema soddisfi i
seguenti requisiti:
architettura modulare del sistema, per agevolare l’installazione e la sostituzione dei singoli
componenti/sensori, qualora fosse necessario;
basso costo dei suoi componenti, rispetto al costo dei singoli componenti di cabina; in questo
contesto occorre tener presente che questo dispositivo deve essere riproducibile su larga scala,
per poter monitorare le diverse unità di cabine MT (>400000) distribuite su tutto il territorio
nazionale.
Semplicità di interrogazione delle unità sensore: singolarmente o in parallelo. Con la possibilità
di individuare degli algoritmi di selezione dei dati per il riconoscimento di situazioni di criticità.
Praticità di trasferimento dei dati acquisiti.
Per il proseguimento dell’attività è stato progettato e realizzato un nuovo dispositivo diagnostico
potenzialmente in grado di soddisfare i requisiti di operatività e di applicabilità, sopra elencati, le cui
caratteristiche sono descritte nel cap.3.
CESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 7/27
3 REALIZZAZIONE DEL NUOVO SISTEMA DIAGNOSTICO
La soluzione proposta si basa sulla combinazione di tre diverse tipologie di sensori, ciascuno in grado di
rivelare uno degli eventi associati al fenomeno di prescarica. Si è deciso di valutare preliminarmente la
possibilità di adottare, ove possibile, sensori innovativi di tipo ottico e moduli di acquisizione e di
controllo a basso costo, esistenti in commercio, focalizzando l’attività di ricerca sullo sviluppo del
sensore ottico per la misura di ozono nello scomparto e sull’assemblaggio del sistema diagnostico
prototipale.
In questa fase dell’attività, si è scelto di sviluppare un prototipo connesso a un PC notebook per
verificare le prestazioni HW e SW del dispositivo mediante prove in laboratorio, su un simulatore di
effetto corona.
3.1 Schema generale
Lo schema del prototipo messo a punto in CESIRICERCA per il controllo diagnostico dei componenti
di cabina è mostrato in fig. 1. L’architettura HW comprende i seguenti componenti principali:
Periferica di acquisizione
moduli di acquisizione dei segnali rispettivamente, acustico e ottico e segnale di trigger
3 sensori
spettrometro
sorgente UV
scheda di trigger
PC notebook
Figura 1: Schema del sistema diagnostico
Questo schema modulare consente di poter interrogare le unità sensore singolarmente per verificarne le
prestazioni e di acquisire contemporaneamente dati dalle tre unità sensore. Questa stessa modularità è
stata riprodotta anche nell’architettura del programma SW di acquisizione dati e di gestione del
dispositivo; la descrizione di questo software è riportata nel §.3.6.
CESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 8/27
3.2 Caratteristiche del sistema diagnostico
In fig.2 è mostrata una cella di prova realizzata per simulare l’effetto corona nella quale è stato inserito il
sistema diagnostico realizzato.
Figura 2: Sistema per la diagnostica di scomparti
Per garantire la simultaneità nell’acquisizione dei segnali acustici e ottici e il loro sincronismo con la
tensione di rete (50Hz), è stata utilizzata una periferica di acquisizione Compact-DAQ (c-DAQ)
compatta, modulare e costo contenuto, con connessione USB al PC notebook. Su questa sono alloggiati
i singoli moduli di acquisizione di segnali.
Per l’acquisizione dei segnali acustici dai microfoni è stato utilizzato un modulo di acquisizione di
segnali dinamici (DSA): quattro canali analogici con campionamento simultaneo, accoppiato in AC (0,5
Hz), con risoluzione a 24 bit. La frequenza di campionamento massima per canale è 50 kS/s, conforme
ai requisiti di banda dei microfoni (
CESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 9/27
per la rivelazione di ozono, è stato assemblato un sensore ottico di tipo spettroscopico; le
caratteristiche di questo sensore sono descritte in dettaglio nel §3.4.
3.3 Caratterizzazione dei microfoni ottici
Le caratteristiche di risposta in frequenza e linearità dei microfoni ottici selezionati sono state
determinate per confronto con un microfono calibrato, vedi fig. 3.
Sorgente
calibrata
Unità EOU
ottico
Analizzatore
segnali dinamici
Riferimento (DSA)
Microfoni
Figura 3: Schema utilizzato per la determinazione delle caratteristiche dei microfoni ottici
Nelle figg. 4 e 5 sono mostrate le principali caratteristiche misurate: la fig. 4 mostra la risposta in
frequenza normalizzata, mentre la fig. 5 mostra la linearità a 1kHz. Per maggiori dettagli sulla procedura
di prova si rimanda a [2]. I risultati confermano l’adeguatezza dei microfoni all’utilizzo nel caso
specifico.
A fronte dei risultati ottenuti, i microfoni sono stati inseriti nel prototipo, schematizzato in fig. 1 e le
prove di caratterizzazione sono state ripetute con il nuovo sistema strumentale, che utilizza il modulo
DSA (NI9233) con 4 ingressi differenziali e simultanei, a bordo della c-DAQ (vedi fig.6). Come
riportato in [2] i risultati di queste prove sono in buon accordo con quelli ottenuti con il sistema di
laboratorio, mostrato in fig. 3.
1,2
1,0
Rapporto MO/B&Krif
0,8
0,6
MO_02466/B&K rif
MO_02501/ B&K rif
0,4 MO_02514 / B&K rif
0,2
0,0
10 100 1000 10000 100000
Frequenza [Hz]
4,
Figura 4: Risposta in frequenza dei microfoni ottici, misurata in laboratorioCESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 10/10
100
90
SPL [dB] microfoni ottici
80
70 MO2501
MO2466
60
50
40
40 50 60 70 80 90 100
SPL [dB] impostati
Figura 5: caratteristiche dei microfoni ottici misurate in laboratorio: linearità a 1kHz.
schema Sistema assemblato
Figura 6: Schema e vista del sistema di acquisizione sviluppato per i microfoni
3.4 Sensore di ozono
Per la rivelazione di ozono ci si è orientati verso una tipologia di sensori spettroscopici realizzati con
l’impiego di tecnologia ottica [3, 4]. Il sensore sviluppato è basato sull’assorbimento ottico della luce
ultravioletta, a 254nm, cioè alla lunghezza d’onda corrispondente alla banda di assorbimento
fondamentale dell’ozono; in Fig.7 è mostrato lo schema di principio del sensore; per una descrizione
dettagliata del sensore assemblato si rimanda a [5].
Il fascio di lunghezza d’onda corrispondente alla banda di assorbimento dell’ozono attraversa la zona
d’interesse e viene retroriflessa in modo da colpire il sensore. La misura della variazione dell’intensità
del fascio (entrata/uscita) è proporzionale alla concentrazione di ozono presente nella zona di misura,
secondo la legge di Lambert-Beer [6].CESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 11/27
Ingresso
ozono
Fibra ottica dalla lampada UV
Uscita ozono
Fibra ottica al detector
Prisma
Ingresso
ozono
Figura 7: Schema di misura del sensore per la misura di ozono
La taratura del sensore è stata effettuata in laboratorio su una cella, operante in flusso di ozono (1lt/min),
con diversi valori di concentrazione. La foto di 8 mostra il banco di taratura allestito.
Figura 8: Vista della cella di prova allestita per la taratura del sensore di ozono.
Sono state eseguite prove per determinare la sensibilità e la linearità del sensore realizzato in un
intervallo compreso tra 0,2 e 250ppm di ozono. La misura d’assorbimento è stata confrontata con
misuratori calibrati basati su altri principi, come riportato in [5]. La fig. 9 mostra la risposta temporale
del sensore e la fig. 10, la linearità.CESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 12/27
Figura 9: Risposta temporale del sensore assemblato alle variazioni di concentrazione di ozono
1,2
1
0,8
LOG10(Io/I)
0,6
0,4
0,2
0
0 20 40 60 C ppm 80 100 120 140
Figura 10: Linearità del sensore assemblato
Le due figure mostrano che sia la linearità sia i tempi di risposta sono più che adeguati all’applicazione
specifica.
3.5 Progetto e realizzazione del dispositivo di sincronismo
Per far coincidere l'avvio delle acquisizioni con un evento ripetitivo correlato alla frequenza della
tensione di alimentazione (50Hz), si è scelto di sincronizzare le acquisizioni con il passaggio per il
valore di 0V (zero crossing) del fronte di salita dell'onda sinusoidale della tensione di alimentazione.CESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 13/27
Il circuito si collega direttamente alla tensione di alimentazione del dispositivo sottoposto a
monitoraggio, nel caso di apparecchiature operanti in BT, oppure si utilizza un riduttore di misura per
adattare i livelli di tensione di alimentazione ai livelli di tensione d'ingresso accettati dal circuito, per
apparecchiature operanti in MT ed in AT.
Nella figura 11 è riportato lo schema a blocchi del circuito generatore di impulsi di sincronizzazione
(trigger).
Ingresso Uscita
Tensione Divisore Comparatore blocco Trigger fisso
da di di monostabile e
sincronizzare tensione tensione fotoaccoppiatore
Trigger variabile
Figura 11: Schema a blocchi del circuito generatore di impulsi di sincronizzazione (trigger).
Il divisore di tensione adatta il livello della tensione di rete da sincronizzare con l'ingresso del circuito
comparatore di tensione. Quest'ultimo individua sul fronte di salita dell'onda sinusoidale il passaggio per
il valore di 0V. Infine il blocco “monostabile e fotoaccoppiatore” genera, in corrispondenza dello zero
crossing, un breve impulso TTL di durata nota (pari a 120 µs), che viene utilizzato per avviare
l'acquisizione dei dati. Un esempio del segnale TTL è mostrato in fig.12.
5
4
3
2
1
V [V]
0
-1
-2
Dal divisore
-3 Riferimento fisso
Riferimento variabile
-4
-5
-2,50E-02 -2,00E-02 -1,50E-02 -1,00E-02 -5,00E-03 0,00E+00 5,00E-03
t [s]
Figura 12: Esempio dei segnali TTL di uscita dalla scheda di sincronismo (verde/rosso) a partire dalla
forma d'onda della tensione di alimentazione (traccia blu).
Il circuito prototipale dispone di due uscite, separate galvanicamente dall'ingresso attraverso due distinti
fotoaccoppiatori. La prima uscita è di tipo a riferimento fisso: dalle prove e misure effettuate, il ritardo
dell'impulso di sincronizzazione rispetto allo zero crossing risulta essere di circa 50 µs, pari a circa 0,9°
(vedi fig.13). La seconda uscita è di tipo a riferimento aggiustabile; dopo opportuna messa a punto delCESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 14/27
circuto di prova, il ritardo dell'impulso di sincronizzazione rispetto allo zero crossing risulta essere di
circa 6µs, pari a circa 0,1°.
5,5
4,5
Dal divisore
Riferimento fisso
Riferimento variabile
3,5
V [V]
2,5
1,5
0,5
-0,5
-2,5E-04 -2,0E-04 -1,5E-04 -1,0E-04 -5,0E-05 0,0E+00 5,0E-05 1,0E-04 1,5E-04 2,0E-04 2,5E-04
t [s]
Figura 13: Particolare dei segnali TTL fisso (rossa) e regolabile (giallo) , generati dalla scheda di
sincronismo, nell'intorno dello zero crossing della tensione di alimentazione (azzurro).
Anche in questo caso la soluzione sviluppata è adeguata allo scopo. La soluzione a trigger fisso può
essere utilizzata per l’applicazione specifica senza necessità di correggere i ritardi introdotti; infatti
ritardi dell’ordine di 1 grado non sono importanti per individuare la causa che ha provocato i fenomeni
di prescarica.
3.6 Sviluppo del software di gestione
Per consentire un interfacciamento semplice e veloce con le tre diverse tipologie di sensori, si è scelto di
sviluppare il programma di controllo del sistema diagnostico nel linguaggio grafico NI_Labview
versione 8.5; questo ha notevolmente semplificato la procedura di controllo dei moduli di acquisizione e
dello spettrometro, per la gestione del quale sono stati utilizzati driver LabVIEW dedicati.
Sono state inoltre utilizzate alcune funzioni del pacchetto NI Sound&Vibration dedicate all’analisi di
segnali sonori; questo per elaborare i dati microfonici in termini di livello di pressione sonora (dB),
secondo le procedure standard di analisi di segnali sonori.
Per soddisfare i requisiti di “modularità”, si è scelto di adottare uno schema SW a “cicli paralleli”;
questa modalità operativa consente di gestire in modo indipendente “i processi” relativi a ciascun tipo di
sensore e, al contempo, garantisce una simultaneità nell’acquisizione dei dati di tutti e tre i sensori;
questa simultaneità è rispettata anche nella fasi successive di analisi, di visualizzazione e del salvataggio
dei risultati.
Per ottimizzare il consumo delle risorse HW da parte del SW, sono stati introdotti dei livelli di priorità
per ogni ciclo; in questa scala di priorità, la percentuale maggiore di risorse è stata assegnata ai cicli
dedicati all’acquisizione dati. Ai cicli che si occupano della sessione analisi/visualizzazione/salvataggio
dei dati è stata attribuita una priorità intermedia, mentre al ciclo dedicato alla gestione della logica diCESI RICERCA 08000652 Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 15/27 businnes, ovvero della parte di programma che si occupa dell’interfaccia utente, è stata assegnata una priorità più bassa. La congruenza temporale nel trasferimento dei dati dai cicli di acquisizione ai cicli di analisi, visualizzazione e salvataggio dei dati, è stata garantita mediante tecniche di sincronizzazione software gestiti con logica “master/slave”: terminata l’acquisizione di un nuovo flusso di dati, viene inviata, ai processi di livello intermedio, una “notifica” di autorizzazione al prelievo degli stessi; terminato il “download” di questi dati, la finestra di notifica si richiude per lasciar attivare nuovamente i cicli a alta priorità, al termine dell’acquisizione di un nuovo flusso di dati. L’interfaccia utente è costruita su una struttura di programmazione “ad eventi”: l’esecuzione delle diverse porzioni di programma (configurazione/acquisizione/visualizzazione/salvataggio dati) è provocata solo dall’attivazione di un tasto della tastiera o di un click del mouse. In questo modo si ottiene un notevole risparmio delle risorse in gioco sulla macchina, che possono quindi essere dedicate alle altre attività con maggiore priorità. Come già accennato nel §. 3.2 il SW consente anche di gestire la sincronizzazione dei dati acquisiti con il segnale TTL, correlato alla frequenza di rete. Il funzionamento prevede la sincronizzazione dei dati acquisiti mediante un algoritmo matematico. Questa soluzione comporta un ritardo nella visualizzazione della misura dovuto all’esecuzione dell’algoritmo. Pertanto, sebbene questa soluzione SW abbia il pregio di gestire in modo semplice ed economico il problema del sincronismo, sono attualmente in fase di validazione soluzioni alternative, quali quella basata sull’utilizzo di un modulo c-DAQ di trigger a cui connettere il segnale TTL. Questa soluzione avrebbe il vantaggio di affidare all’hardware parte delle operazioni e di essere più efficace ed affidabile. Nella fig. 14 è riportato un esempio di pannello frontale di gestione della configurazione di una unità sensore, in questo caso quella microfonica. La sezione in alto a sinistra, comune a tutti e tre i pannelli di configurazione, è dedicata alla definizione delle proprietà dei canali di acquisizione (misura/Frequenza di campionamento e N° di campioni) e del livello di trigger. Quella sinistra in basso, serve ad impostare i parametri di filtraggio del segnale, mentre quella a destra i parametri di acquisizione dello spettro del segnale.
CESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 16/27
Figura 14: Esempio di pannello frontale di configurazione di un'unità sensore; in questo caso di
impostazione dei parametri strumentali per microfoni
Figura 15: Pannello di visualizzazione dei microfoni: in alto a sx) andamento temporale del segnale acquisito
nel quale, in ascissa, il tempo è espresso in secondi; in basso a sx) spettro in terzi d’ottava del segnale
acustico e relativo livello di pressione sonora [dB].CESI RICERCA 08000652 Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 17/27 L’architettura modulare adottata consente di passare agevolmente il controllo da un’unità sensore all’altra; è inoltre possibile seguire e visualizzare in ogni istante l’evoluzione del segnale in esame, senza interferire sull’acquisizione dei segnali delle altre unità. Nella fig. 15 è riportato il pannello di visualizzazione del segnale sonoro: a sinistra, in alto, è mostrata le forma d’onda dei segnali acustici acquisiti (al massimo 4 segnali) e in basso, lo spettro in terzi d’ottava e i livelli di pressione sonora. A destra sono mostrati gli spettri dei segnali acquisiti in banda fine, per poter con maggior precisione selezionare la banda di operatività spettrale più adeguata, per svincolarsi dal rumore ambiente. Il programma sviluppato consente anche di visualizzare simultaneamente i segnali dei tre diversi tipi di sensore, attivando la funzione riepilogo, visibile nel “frame”(in alto a destra) di tutti i pannelli, e avviare il salvataggio dei dati.
CESI RICERCA 08000652 Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 18/27 4 MISURE DI PRESCARICA IN ARIA (EFFETTO CORONA) In questa sezione viene descritta la sperimentazione eseguita su un dispositivo di generazione di effetto corona, allestito presso i laboratori del CESIRICERCA. Queste misure sono state effettuate per verificare concretamente la funzionalità del dispositivo realizzato. Il mock-up di generazione di effetto corona, descritto nel successivo §.4.1, si basa su una configurazione “punta-piano”, che rappresenta una sorgente puntuale di onde di pressione sonore, chiaramente udibili. Questa è quindi una soluzione sperimentale adeguata e funzionale alla verifica delle prestazioni del sistema e delle sensibilità di risposta delle singole unità sensore, anche se è stata predisposta a scopo dimostrativo e non è quindi in grado di rappresentare completamente le reali condizioni di esercizio dell’impianto. 4.1 Descrizione del simulatore dell’effetto corona in aria Il simulatore di “effetto corona”, messo a punto in CESIRICERCA è mostrato in fig. 16. E’ costituito da un cilindro in plexiglass, lungo 400 mm, con due flange laterali (100 mm di raggio). Al suo interno sono inseriti i due elettrodi, che realizzano la configurazione “punta-piano” il cui dettaglio è visibile nel riquadro in figura. Gli elettrodi, fra i quali viene generata il “corona”, sono posti a distanza regolabile (da 3 a 10 mm). La “punta”, un filo di rame con 2mm di diametro e lunghezza 100 mm, è connessa al generatore di alta tensione (50Hz). L’ampiezza di questa tensione di alimentazione è regolabile da 0 a 6kV. Il “piatto”, un disco in rame con un diametro pari a 70mm, è collegato alla corda di terra. Per ridurre l’azione corrosiva dell’ozono prodotto dal “corona”, è stato necessario rivestire tutte le superfici metalliche esposte con teflon, come mostrato in figura. Figura 16: Simulatore di prescarica assemblato in laboratorio. In figura sono visibili le posizioni dei sensori (a fibra ottica, microfono e di ozono) e un dettaglio degli elettrodi utilizzati per generare l’effetto corona Sulle pareti laterali del cilindro sono stati predisposti i sensori e due accessi, in teflon, per il ricambio dell’aria all’interno del cilindro.
CESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 19/27
4.2 Prove e risultati
Dopo aver posizionato nel simulatore il sensore di ozono, come mostrato in fig. 16, sono state effettuate
sul sensore stesso prove preliminari di taratura per confermarne la funzionalità. A questo scopo, uno dei
due accessi in teflon è stato connesso all’uscita della sorgente di ozono calibrata (valori di
concentrazione 0-2ppm). La risposta del sensore è riportata in fig. 17 ed è in accordo con quella
risultante dalla precedente taratura (riportata nel § 3.3).
Successivamente, sono state effettuate prove con la configurazione punta - piano, poste a 5mm di
distanza aumentando gradualmente la tensione applicata fino ad un massimo di 4kV.
Durante tutte le prove effettuate, si è in generale osservato, con livelli di tensioni superiori a quello di
innesco, un aumento dell’attività corona al crescere della tensione applicata. Mantenendo costante il
livello di tensione applicata si è potuto registrare una diminuzione della concentrazione di ozono dovuta
alla diminuzione dell’attività corona a causa del noto effetto di schermatura che si manifesta quando la
concentrazione di elettroni nelle immediate vicinanze della punta in tensione diminuisce il gradiente
locale.
Un esempio dell’andamento dell’ozono registrato variando in modo graduale la tensione di
alimentazione applicata agli elettrodi, è riportato in fig. 19. I parametri di acquisizione impostati sul
sensore durante le registrazioni sono i seguenti: tempo di integrazione = 30ms e N°medie= 30.
Il grafico di fig.19 mostra che il sensore è in grado di seguire con buona rapidità le variazioni della
concentrazione di ozono prodotte al variare dalla tensione applicata: un aumento della tensione (traccia
verde) induce un aumento dell’attività del corona e quindi maggior emissione di ozono; a questa
corrisponde una diminuzione dell’intensità @254nm misurata dal sensore (traccia viola), dopo un tempo
di ritardo che è legato soprattutto alla diffusione dell’ozono nella cella. Ad una diminuzione dell’attività
del corona corrisponde invece un aumento del segnale luminoso.
Nello stesso grafico è visibile anche un esempio del fenomeno di schermatura prima descritto. Alla
tensione di 3,5 kV circa (livello di tensione costante), si osserva un aumento dell’intensità @254nm,
corrispondente alla diminuzione (od estinzione) del fenomeno corona.
Durante tutte le prove, non sono invece emerse variazioni significative di intensità del segnale di
riferimento@375nm, cioè variazioni indipendenti dalla produzione di ozono; questo è un indice della
buona stabilità del sensore. Dalle curve di taratura (vedi figg. 10 e 17) è stato stimato un valore di
concentrazione dell’ozono presente all’interno della cella di misura, compreso tra 0.1 e 3ppm.
0.025
0.02
LOG[Io/I]
0.015
0.01
0.005
0
0 0.5 1 1.5 2
C [ppm]
Figura 17: Taratura del sensore di ozono montato sul simulatore di effetto corona. In ascissa C(ppm) è la
concentrazione di ozono impostata; in ordinata il Log della variazione dell'intensità a 254 nm misurata
rispetto al valore iniziale Io.CESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 20/27
In fig. 18, è riportata la risposta del microfono ottico (SPL [dB]) in funzione della tensione applicata
(kV), registrata durante tre successive salite in tensione; la dispersione dei dati registrati è tipica del
fenomeno in esame.
65
60
55
50 1a
SPL[dB]
2a
45 3a
40
35
livello del rumore di fondo
30
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
tensione di alimentazione [kV]
Figura 18: Risposta del microfono ottico SPL[dB] in funzione della tensione applicata (kV)
6200 4
6140
tensione applicata 3,5
6080
6020 3
Vappl (kV)
5960
Conteggi
2,5
5900
5840 2
5780 segnale di ozono
1,5
5720
5660 1
15.43
15.46
15.48
15.51
15.54
15.57
16.00
16.03
16.06
16.09
16.12
16.14
16.17
16.20
16.23
16.26
16.29
16.32
16.35
16.37
16.40
16.43
16.46
16.49
16.52
16.55
16.58
17.00
17.03
17.06
17.09
tempo (h.m.s)
Figura 19: Andamento temporale della risposta del sensore di ozono in funzione dell'emissione di ozono
prodotta dall'effetto corona con diversi livelli della tensione applicata alla puntaCESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 21/27
[A]
[B]
Figura 20: Impostazione dei parametri strumenti per il controllo delle unità: a) microfoniche, b) otticheCESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 22/27
Vappl=3.8kV [a] Vappl=3.8kV [b]
Vappl=3kV [c]
VAPPL=3KV [D]
Figura 21: Risposte temporali dei sensori ottico e acustico registrati rispettivamente con Vappl=3,8kV, [(a) e
(b)] e Vappl=3kV [(c) e (d)]: a) e c) segnali ottici in tempo reale (in alto), e mediati (in basso); b) e d) segnali
acustici in tempo reale (in alto a destra), SPL (dB) (in basso, a destra) e risposta spettrale (a sinistra)
3,8 KV
andamento nel tempo dell'intensità@254nm
3 KV
Figura 22: Sensore di ozono: spettro (in alto) e variazione nel tempo (in basso) dell’intensità@254nm. Le
frecce indicano le variazioni del segnale registrate con Vappl=3,8kV e Vappl=3kVCESI RICERCA 08000652 Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 23/27 Con le stesse modalità operative, sono state effettuate prove inserendo nella cella di prova anche i sensori acustico e ottico. Per sincronizzare le acquisizioni di questi segnali con “lo zero crossing del fronte di salita” della tensione applicata, si è collegato l’ingresso della scheda di trigger al lato “bassa” tensione del trasformatore di alimentazione. Il segnale di sincronismo generato dalla scheda è stato acquisito contemporaneamente agli altri segnali. Le configurazioni di misura impostate per l’acquisizione dei segnali acustici e ottici sono mostrate nelle figg.20[a] e 20[b], rispettivamente per il microfono e per il sensore a fibra ottica. Per ridurre il contributo del rumore ambientale, si è scelto di filtrare il segnale acustico ed operare nella banda di frequenza compresa tra 5 e 20 kHz; analogamente, sul segnale ottico sono state filtrate le frequenze inferiori al kHz, per eliminare il contributo a 50Hz. Nelle figg.21[a]-21[d] sono riportati alcuni esempi dei segnali acquisiti rispettivamente con sensore a fibra ottica e con il microfono ottico, per due valori di tensione applicata: V=3,8kV e V=3 kV. In particolare le figg. [a] e [c] sono relative al sensore ottico mentre la [b] e[d] al sensore acustico. L’analisi delle figure evidenzia per le misure ottiche che l’emissione luminosa è centrata intorno 1,5 ms a partire dal segnale di sincronismo e quindi in corrispondenza della cresta di polarità negativa come ci si aspettava. Inolte, il segnale luminoso a 3,8 kV ha ampiezza e durata maggiore rispetto al segnale registrato a3 kV in accordo con le aspttative. Per quanto rigurada l’analisi delle registrazioni dei segnali acustici, si può evidenziare che l’aumento della pressione sonora (SPL) all’aumentare della tensione aumenta da 47,2 dB a 48,5 dB, anche questo caso in accordo con le aspettative. Infatti, all’aumentare della tensione è noto che aumenta il numero degli impulsi di scariche parziali che mantengono tuttavia la stessa ampiezza. In fig.22 è mostrato l’andamento del segnale di ozono (@254nm) acquisito durante la stessa prova di fig. 21. In figura, le frecce evidenziano l’istante di variazione della tensione applicata ed il relativo valore efficace. Dal confronto tra queste figure si evidenzia una buona correlazione tra gli andamenti registrati in contemporanea con le tre unità sensore (ottico, acustico e ozono); la simultaneità di questi segnali è intrinsecamente connessa alle caratteristiche del fenomeno “corona”, che si manifesta con le produzioni contemporanee di luce, sonora e di ozono; questa è quindi una conferma del corretto funzionamento del sistema diagnostico.
CESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 24/27
Figura 23: Esempio delle misure contemporanee dei tre sensori
Successivamente, per valutare la sensibilità dei sensori, le prove sono state ripetute trasportando la cella
in un ambiente elettricamente schermato (gabbia di Faraday). Per avere un riscontro della presenza
dell’effetto corona e della sua entità è stato utilizzato, insieme ai sensori, un misuratore di scariche
parziali di tipo convenzionale. Le prove sono state condotte aumentando la tensione applicata alla punta
fino ad ottenere l’innesco del fenomeno corona e successivamente aumentando la tensione in modo
graduale fino a 4kV. A diversi valori di tensione sono stati registrati contemporaneamente i segnali in
uscita dai tre sensori e dal misuratore di scariche parziali.
I segnali acquisiti con i tre diversi sensori sono stati visualizzati in contemporanea sul display PC
(pannello “riepilogo”, mostrato in fig. 23), i loro andamenti nel tempo sono stati salvati e correlati con i
dati registrati in parallelo con il misuratore tradizionale di scariche parziali. La fig.23 mostra un esempio
delle tre misure in una condizione di fenomeno corona innescato e un’attività di circa 200 pC sulla
cresta della polarità negativa della tensione applicata (fenomeno corona) e di circa 1200 pC sulla cresta
della polarità positiva (trasformatore di alimentazione). Il riquadro in alto a sinistra mostra il segnale del
microfono ottico (non mediato) e nella tabella adiacente i valori del livello di pressione sonora (dB)
corrispondente. Il riquadro in basso a sinistra quello del sensore ottico mediato su N=10 acquisizioni,
mentre il riquadro di destra mostra nella parte superiore il segnale ottico non mediato ed in basso l’uscita
del sensore per la misura dell’ozono.CESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 25/27
1 ,2 5
t e n s io n e d i in n e s c o ( p .u )
1 ,2
1 ,1 5
1 ,1
1 ,0 5
1 f ib r a o t t ic a
m ic r o f o n o
ozono
o t t ic o
Figura 24: Sensibilità dei sensori ottico, acustico e di ozono. Le tensioni di innesco misurate dai sensori sono
in unità percentuale (p.u.) della tensione di innesco misurata con il sistema tradizionale
Il grafico di fig.24 riassume le sensibilità dei tre sensori (rispettivamente fibra ottica, microfono ottico e
sensore di ozono) al “corona”. Le tensioni di innesco misurate dai sensori sono state normalizzate
rispetto al valore di innesco misurato con il sistema elettrico. La sensibilità dei sensori ottico e acustico
sono paragonabili e leggermente superiori a quella del sistema convenzionale. La misura dell’ozono
mostra un ritardo sia nella fase d’innesco ed aumento del corona sia nella fase di estinzione dovuta ai
tempi di generazione ed estinzione dell’ozono.
Questi risultati preliminari dimostrano comunque l’ottima sensibilità di tutto il sistema e l’efficacia del
SW di controllo sviluppato.CESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 26/27
5 CONCLUSIONI
In questo documento sono riportati i principali risultati dell’attività di ricerca svolta nel corso del 2007,
volta a valutare la fattibilità di un sistema diagnostico basato sull’impiego di sensoristica innovativa e a
basso costo in grado di rilevare tempestivamente e da remoto l’insorgere di fenomeni di prescarica nei
componenti di cabine di distribuzione.
I principali risultati ottenuti nel corso del 2007 sono i seguenti:
sono stati definiti i requisiti di misura e di applicabilità del sistema diagnostico;
sono state caratterizzate le unità acustiche
è stato progettato e realizzato il sensore spettroscopico per la rilevazione di ozono. Ne sono state
determinate la sensibilità e i tempi di risposta per confronto con sistemi campione
è stato realizzato il software di gestione e acquisizione simultanea dei sensori.
E’ stato quindi assemblato il nuovo sistema multi-sensore potenzialmente in grado di soddisfare i
requisiti di operatività e applicabilità individuate.
I primi test effettuati con questo prototipo e con i tre sensori alloggiati contemporaneamente nella cella
di un simulatore di effetto corona, hanno dimostrato la corretta funzionalità del nuovo sistema. Le prove
condotte per confronto con un misuratore tradizionale, hanno consentito di verificare che i sensori
rilevano con buona sensibilità i fenomeni indotti dal “corona” e ne seguono l’evoluzione temporale.
Sono inoltre state individuate ulteriori soluzioni HW per il sincronismo dei segnali con la tensione di
alimentazione applicata (50Hz).
Si prevede un’ulteriore attività di sperimentazione in scomparti MT con la strumentazione realizzata per
consolidare i risultati ottenuti.CESI RICERCA 08000652
Rapporto TTD Tecnologie T&D Pag. 27/27
BIBLIOGRAFIA
[1] L. De Maria et al.,” Verifica delle potenzialità di impiego di sensoristica innovativa per il
monitoraggio dei principali componenti di cabine secondarie” Rapporto CESIRICERCA 06007089,
Ricerca di Sistema 2006, Area Trasmissione e Distribuzione, WP4.1(http://www.cesiricerca.it);
[2] R. Marini, L. De Maria, P. Serragli, “Sistemi innovativi di diagnostica in cabine secondarie MT:
Specifica tecnica e taratura delle unità acustiche” Rapporto CESIRICERCA 07004703, Ricerca di
Sistema 2007, Area Trasmissione e Distribuzione, Tecniche di valutazione delle condizioni, della
vita e delle funzionalità residue di componenti elettrici mediante metodiche sotto tensione
[3] Progetto (http://www.cesiricerca.it);
[4] O’Keeffe, S., Fitzpatrick C., Lewis E., “Ozone measurement using optical fibre sensors in the
visible region”, IEEE Sensors 2005, Irvine, CA, Oct. 2005
[5] Griggs M., “Absorption coefficients od ozone in the ultraviolet and visible regions” The Journal of
Chemical Physics v.49,N°2,1968 p.857-873:
[6] L. De Maria R.Marini, P.Serragli L.Fialdini.,” Assemblaggio e caratterizzazione del sensore ottico
per la rivelazione di ozono associato a fenomeni di prescarica in cabine MT” Rapporto
CESIRICERCA 08000699, Ricerca di Sistema 2007, Area Trasmissione e Distribuzione,Progetto
(http://www.cesiricerca.it);
[7] Nelson G.O., “Gas Mixtures: Preparation and Control”, Ed.Lewis 1995.Puoi anche leggere
