Transformadores Opticos 634h3g

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA .

TRANSFORMADORES OPTICOS. José Andrés Galiano e-mail: [email protected]

2. Transformadores de instrumentos no convencionales

RESUMEN: En el siguiente trabajo trataremos acerca de unos de los elementos muy importantes dentro de una subestación eléctrica, estos son los transformadores de corriente y voltaje, de los cuales se tocara el tema de su funcionamiento y características.

El aumento de tensión en el transporte de energía hace que los niveles de aislamiento seguridad y características mecánicas sean cada vez más exigentes, todo esto ha conducido a la búsqueda de nuevos modelos de transformadores de instrumentación que den una respuesta adecuada a los problemas planteados. A diferencia de los transformadores convencionales, estos aparatos se basan principalmente en efectos ópticos o electromagnéticos de muy baja potencia para medir la corriente y la tensión. Poseen circuitos electrónicos que están encargados de transformar esas medidas en datos digitales o en señales analógicas de baja potencia, gracias al avance de la tecnología en la actualidad la mayoría de los equipos de medición y protección son sistemas digitales, pudiendo enviar los datos de las medidas de una red eléctrica tanto en corriente y tensión mediante un protocolo de comunicación [2]. Estos nuevos transformadores tienen la ventaja principal del aislamiento entre la Alta Tensión y tierra, pues tan solo es necesario una fibra óptica por el interior de un aislador (normalmente se usan aisladores sintéticos), por donde viaja la información de la señal medida en la Alta Tensión. Después, una electrónica situada en la caseta de relés prepara toda la información para enviarla a los equipos de medida y protección. También en algunos casos. Existe una electrónica en la Alta Tensión que transforma la señal medida en datos digitales para que sean transmitidos por la fibra óptica hasta la electrónica situada en la caseta de relés. Los transformadores electrónicos tienen un tamaño mucho menor que los convencionales. A continuación se exponen las principales alternativas tecnológicas que se están utilizando en los nuevos transformadores de instrumentos no convencionales[2].

PALABRAS CLAVE: transformador de corriente óptico, transformador de voltaje óptico, efecto Faraday, anillos de Rogowsky.

1. INTRODUCCION Desde los inicios de la generación eléctrica los sistemas convencionales han estado regidos a los mismos mecanismos como por ejemplo, generadores propios de las centrales eléctricas, líneas de transmisión tanto en alta como en baja tensión, transformadores de voltaje y corriente, los sistemas convencionales se han mantenido con el paso del tiempo un gran porcentaje de efectividad, debemos tener en cuenta en el caso de las subestaciones eléctricas que sus componentes internos han evolucionado tecnológicamente pero manteniendo los mismos parámetros convencionales, con el avance de la tecnología se han creado nuevos elementos que han beneficiado al aumento de confiabilidad en un sistema eléctrico, dentro de esto podemos citar un caso particular que es la medición de parámetros dentro de una subestación regidos al trabajo de transformadores de corriente y voltaje con sus características básicas dentro del rango de voltaje que manejan, llamados también elementos de medición, pero debemos tener en cuenta que tienen desventajas como el rango de precisión. Aprovechando los avances científicos que se han desarrollado en años anteriores, se han creado métodos de medición indirecta basándose en los mismos parámetros como son los transformadores de corriente y voltaje pero de la mano con los avances tecnológicos, bajo los métodos tradicionales ya conocidos pero aplicando sistemas electrónicos y ópticos para mayor precisión de lectura. En una subestación de Alta tensión es de gran importancia la precisión de la medición es por esto que el avance de los instrumentos de medición tienen una alta gama de ventajas en comparación a los convencionales.

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3. Transformadores ópticos utilizan el efecto Faraday.

Si el elemento sensor se corresponde con un cristal óptico de constante de Verdet elevada (vidrio FLINT, etc.) el captador se denomina extrínseco. En el caso de utilizar fibra óptica como elemento sensor, el captador recibe el nombre de intrínseco. Uno de los aspectos más críticos de los sistemas de medida basados en el efecto Faraday es el control preciso de los ángulos de polarización de la luz incidente y la transmitida. Otro es la influencia en el estado de polarización de la luz de factores como la temperatura, reflexiones en las caras del cristal, influencia de las otras fases, y en el caso de la fibra óptica, de imperfecciones en la sección.

que

El efecto Faraday consiste en la rotación del plano de polarización de la luz por la acción de un campo magnético. El ángulo de rotación dependerá de la intensidad del campo magnético y de la longitud que recorra la luz polarizada:

Siendo: ØF = ángulo de rotación. V = constante de Verdet característica propia del material óptico y dependiente de la temperatura y de la frecuencia de la señal luminosa. H = intensidad del campo magnético. l = longitud recorrida por la señal luminosa bajo la acción de la inducción magnética.

4. Transformadores convencionales con salida óptica. Consiste en la utilización de un transformador de corriente tradicional al que se añade una salida óptica que sustituye a la salida por cables, de tal forma que se mantienen las ventajas tanto de la tecnología convencional como de las nuevas tecnologías ópticas. El transformador de corriente que se usa con esta metodología puede diferir del diseño de un transformador de corriente normal para Alta Tensión. En primer lugar el transformador de corriente no necesita aislamiento de Alta Tensión. En segundo la carga es constante (y consume muy poca potencia) pudiéndose reducir las dimensiones del núcleo, e incluso utilizar núcleos de otros materiales (o de aire para obtener una buena respuesta en altas frecuencias).

Figura1. Donde: A: Luz polarizada incidente. B: Rotación del plano del polarización. C: Cristal óptico. D: Luz polarizada transmitida.

Figura 3.

Se emplea una electrónica que produce una salida óptica digital, compuesta básicamente por un circuito CMOS de baja potencia y un diodo óptico. El diodo óptico realiza dos funciones: por una parte transmite los pulsos luminosos en que se codifica la medida efectuada, y por otra actúa como receptor de la energía luminosa que es enviada desde la

Figura 2.- Esquema de un captador óptico por efecto Faraday.

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA . parte de Baja Tensión, transformándola en energía eléctrica utilizada para alimentar al resto de la electrónica situada en la parte de alta tensión. Debido a que se utiliza una codificación digital para la transmisión de la señal la fibra óptica no tiene por qué ser de muy alta calidad. Mientras se pueda detectar las señales procedentes de la fibra la transmisión no degradará la precisión de la medida. El error está por lo tanto completamente determinado por el transductor. Sólo el transductor necesita ser calibrado. Si tiene lugar una avería, es posible sustituir cualquiera de los componentes del sistema (transductor, fibra y unidad de interface) sin recalibración.

5. Transformadores que anillos de Rogowsky.

6. Transformadores de tensión. Los transformadores de medida de tensión no convencionales desarrollados en los últimos años están basados en dos filosofías de diseño:

7. Transformadores que utilizan el efecto Pockels. El efecto Pockels consiste en la rotación del plano de polarización de la luz por la acción de un campo eléctrico. El ángulo de rotación viene representado por la siguiente expresión:

utilizan

El anillo de Rogowsky es un arrollamiento helicoidal flexible con hilo de retorno axial. Su funcionamiento es equivalente al de un transformador convencional pero con núcleo no magnético. Su sensibilidad a la inducción magnética es, por lo tanto, mucho menor. Esto se soluciona elevando el número de espiras utilizado en el secundario.

Figura 5. A : Luz polarizada incidente. B : Rotación del plano del polarización. C : Tensión de control. D : Cristal óptico. E : Luz polarizada transmitida.

Figura 4. La tensión en bornes del anillo de Rogowsky es proporcional a la variación de la intensidad en el conductor:

8. Transformadores que utilizan un divisor capacitivo y salida óptica.

Donde: S = sensibilidad del anillo. Vr = tensión inducida en bornes del anillo.

Esta metodología es la más sencilla y utilizada. Su principio se basa en el empleo de una serie de condensadores para dividir la tensión. El captador se sitúa en una zona de baja tensión proporcional a la de la línea. Circuitos electrónicos se encargan de codificar esta señal de baja tensión en pulsos luminosos digitales para que la transmisión sea inmune a radiaciones electromagnéticas y el ruido. Presentan como ventajas principales una alta linealidad y una buena respuesta de frecuencia.

Aunque este método es conocido desde principios del siglo XX no ha tenido aplicación en sistemas eléctricos de medida debido principalmente a su alta impedancia de salida lo que lo hace susceptible al ruido, proporcionando una escasa potencia de salida.

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Donde: A : Conversión eléctrica a óptica. B : Fibra óptica.

CONCLUSIONES Los transformadores de instrumento no convencionales son utilizados en las subestaciones eléctricas para tener un menor tiempo de respuesta para el envió de los datos de corriente y voltaje en el momento de la falla ganando con ellos una confiabilidad y seguridad del sistema. En la mayoría de las subestaciones eléctricas se usan transformadores del tipo convencional estos equipos tienen una desventaja la cual es el momento que ocurre una falla estos transformadores dan medidas imprecisas de los valores de corriente y voltaje debido a la alta corriente que se produce influye en el núcleo del transformador llegando a saturar el núcleo ferro magnético. Bibliografía [ http://www.mayecen.com/catalogos/arteche/T 1 RANSFORMADORES%20DE%20MEDIDA ] %20ALTA%20TENSION %20EXTERIOR.pdf. [ http://www.frlp.utn.edu.ar/materias/tydee/mo 2 duloii.pdf. ] [ http://es.idoub.com/doc/125231211/Compara 3 cion-de-un-Transformador-de-Corriente] Optico. 4