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Diferencias entre los Transformadores ópticos de instrumentación y transformadores capacitivos e inductivos. Juan Francisco Andrade Ingeniería Eléctrica Universidad Politécnica Salesiana Quito, Ecuador [email protected]

Abstract—En el presente trabajo investigativo tiene como fin mostrar las diferencias entre los transformadores ópticos y los de funcionamiento tradicional, como lo son del tipo inductivo y capacitivo. Este trabajo también presenta la posibilidad de utilizar una técnica de sensor de campo magnético-óptico basado efecto Faraday. Keywords- Optico, Faraday, interferometro.

I.

INTRODUCCIÓN

Al momento de realizar una medición de la corriente que circula por conductor se puede tener varios parámetros a ser analizados como condiciones del funcionamiento de los aparatados que se encuentran enlazados a la red, facturación del consumo de energía, tener un lazo cerrado de control[1]. Cuando se habla de alta tensión se dice que no hay posibilidad de colocar un amperímetro o un voltímetro de medición convencional, debido a la producción de sobretensiones y sobreintensidades en las líneas, por esta razón se utilizan medios indirectos de medición, que me permitan tener una proporción en valores menores, entonces aparecen los transformadores de corriente y potencial los cuales son utilizados en alta tensión de CA, con algunas limitaciones en la aplicación[2], [3]. II.

SENSORES MAGNETO-OPTICOS

Al momento de realizar una medición en función de un campo magnético proporcional a la corriente circundante se lo puede realizar a distancia, en este tipo de sensores mucho más ya que la transmision del dato medido se la realiza por luz, y además existe un total aislamiento entre en el primario y el secundario[4], A. Desventajas de los transformadores convenciaonales de instrumentacion • No pueden medir corriente continua. • Puede haber problemas de aislamiento entre el primario y secundario. • Se saturan con picos de corriente debidos a fallas. • Tienen problemas de histéresis y en consecuencia problemas de calentamiento.

• • •

La tensión en sus bornes es muy alta cuando se encuentran en vacío debido a la relación de espiras. Se ven influidos por interferencias electromagnéticas. La principal desventaja de las sondas de efecto Hall es que tienen limitado su ancho de banda al del circuito electrónico de compensación.

B. Ventajas de los transfromadores ópticos • aislamiento total entre el primario y el secundario • los sensores magneto-ópticos no tienen problemas de saturación en condiciones de falla. • Ancho de banda ilimitado • Se incluye a la corriente continua. C. Desventajas de los transfromadores ópticos • su sensibilidad es baja. • Experimenta pequeñas variaciones y es necesario diseñar amplificadores con una gran ganancia para obtener una medida aceptable. • su constante de Verdet, dependen de la temperatura en mayor o menor medida atendiendo a la composición química del sensor. III.

EFECTO FARADAY

Según el efecto Faraday un campo magnético es capaz de cambiar las propiedades ópticas de un material., los índices de refracción del material dependen del campo magnético y del eje de simetría que consideremos. Cuando una luz linealmente polarizada atraviesa el material, el plano de polarización rota un ángulo proporcional al campo magnético. Mediante un polarizador es posible traducir ese ángulo a variaciones de intensidad luminosa y posteriormente ser detectadas por un sensor óptico. Para poder medir un campo magnético y la intensidad que lo crea con el Efecto Faraday, se necesita una luz polarizada. La luz es una onda electromagnética, son dos campos, uno eléctrico y otro magnético que varían en el tiempo y en el espacio de una manera senoidal. Si la polarización es lineal, el vector oscila en una recta.

Cuando una luz polarizada atraviesa un material que tiene un índice de refracción distinto en cada eje de simetría, el plano de polarización cambia, gira un ángulo θ como se muestra en la Fig. 1

la que emite la fuente. Si por el contrario, el conductor lleva una intensidad, se crea un campo magnético que lleva la misma dirección que la fibra y sentidos contrarios o iguales a la circulación de la luz, dependiendo del haz que se considere.

Fig. 2. Esquema de medida de campos magnéticos utilizando una fibra óptica enrollada al conductor[1]

Fig. 1. Representación esquemática del efecto Faraday. La polarización de la luz, representada por los campos magnéticos y eléctricos E y H, gira al atravesar un material imanado por un campo Hind[1]

Al ser la fibra óptica un dieléctrico, puede estar en contacto con el conductor sin que exista ningún problema de aislamiento. Sin embargo, presenta ciertas desventajas que hay que superar para poder diseñar un sensor magnetó-optico con garantías de funcionamiento satisfactorio.

El ángulo girado es proporcional al campo magnético, a la distancia recorrida por la luz dentro del material y a las propiedades magneto-ópticas del sensor. Si conocemos estos dos últimos parámetros, y el giro, la obtención del campo magnético es inmediata. IV.

METODOLOGIA DE MEDIDA

se trata de medir un cambio en la polarización de la luz. Para poder analizar el giro del plano de polarización, éste debe ser proporcional a variaciones de luz. Para ello se hace uso de dos polarizadores lineales. Un polarizador no es nada más que un material que orienta el campo eléctrico de la onda electromagnética en una determinada dirección. Un método es el de la fibra óptica alrededor del conductor que se puede apreciar en la Fig. 2 A. Sensores de fibra óptica basados en el efecto faraday Existen dos tipos de sensores que utilizan fibra óptica atendiendo a la manera de obtenerla información contenida en la luz.

Fig. 3. Interferómetro de Sagnac[1].

La luz emitida por la fuente –flecha negra- se divide en dos haces con polarizaciones diferentes –flechas roja y azul. El campo magnético modifica las polarizaciones de manera substractiva en el caso de la flecha azul y aditiva en el caso de la roja. Al recomponerse el haz en el divisor, la luz resultante – flecha gris, incluye el giro debido al efecto magneto-óptico dos veces. Las flechas naranja y azul claro representan los haces de luz con giro de polarización debido al campo magnético. V.

TRANSFORMADORES ÓPTICOS DE CORRIENTE

1) Diseños polarimétricos El esquema básico está representado en la Fig. 2. Consta de un emisor de luz, una fibra óptica, un detector y los dos polarizadores explicados en la sección anterior.

Un avance lógico para superar los problemas causados por la interferencia electromagnética en la señal del sensor es el uso de una transmisión de señal que es inmune a los campos electromagnéticos[5].

El campo magnético creado por un conductor infinito es circular. El uso de fibra óptica enrollada en la línea permite establecer un camino en la dirección del campo magnético.

Transmisión de la señal óptica utilizando fibras ópticas son la mejor solución para ese propósito. Normalmente, la señal óptica no se ve influenciada por los campos electromagnéticos.

2) Diseños interferométricos El más conocido es el interferómetro de Sagnac, Fig. 3. Una fibra óptica, que actúa como material magneto-óptico se enrolla alrededor de un conductor igual que en el caso anterior. La luz entra al arrollamiento a través de un acoplador de fibra óptica que la divide en dos haces. Cada uno de ellos tiene la luz polarizada en un sentido. Si por el conductor no circula intensidad, la luz que se recupera en el sensor es la misma que

En un sensor diseñado adecuado sin embargo, varias propiedades de la luz que se utiliza como la portadora de la señal pueden ser influenciadas, por ejemplo, intensidad, estado de polarización, las propiedades espectrales y retardo de fase. Idealmente, la señal del sensor se genera directamente por la interacción del campo magnético con el medio sensor[3].

VI.

TRANSFORMADORES ÓPTICOS DE VOLTAJE

Se clasifican en dos: A. Transductor de voltaje electro-optico El transductor de tensión electro-óptica (EOVT) explota el efecto Pockels en un cilindro-haped con Cristal BGO (Bi4Ge3O12), que tiene simetría del cristal cúbico. Se aplica el voltaje completo entre las dos caras de extremo del cristal. La luz doble atraviesa el material electro-óptico. A tensiones en el rango de varios 100 kV la birrefringencia inducida por el campo provoca un desplazamiento de fase óptica diferencial entre dos polarizaciones ortogonales correspondientes a varios períodos de onda. En la Fig. 4 se presenta un tipo de este transductor Fig. 5. Transductor de tensión Piezo-óptica para 170 kV conmutador aislado con gas. El largo cristal de cuarzo 100 mm (derecha) se monta dentro de un tubo aislante (flecha) que separa el electrodo de alta tensión (superior) y la brida de la base al potencial de tierra (abajo)[6].

VII. APLICACIONES Para hablar de aplicaciones de este tipo de sensor se recurrirá a una marca conocida la cual es ABB, y un modelo que ellos fabrican es el MOCT-P, el cual es un sistema de transformación óptico de corriente, para ser utilizado en sistemas de 72,5 a 800 kV, a una frecuencia de 50 o 60 Hz[7].

Fig. 4. Unidad de medicion optica con transductor de corriente (MOCT) y transductor de voltaje (EOVT)[6]

B. Transductor de voltaje piezo-optico En el sensor explota el efecto piezoeléctrico inverso en un transductor de cuarzo en forma de cilindro. La deformación periódica piezoeléctrica del transductor que se produce por un voltaje AC aplicado es detectada por un doble modo de fibra herida-elíptica núcleo en la superficie circunferencial como se observa en la Fig. 5 . La modulación resultante de la fase óptica diferencial de los dos modos de fibra espacial, se detecta de forma remota mediante interferometría de baja coherencia. La fuente de luz es un multi-modo de diodo láser de baja coherente. Una segunda fibra de modo dual que es parte del sistema de detección actúa como un interferómetro de recepción.

El transformador de corriente magneto-óptico para la Protección (MOCT-P) es un transductor de corriente óptico pasivo que utiliza la luz para medir con precisión la corriente en los sistemas de alta tensión. El sistema MOCT-P es adecuado para uso al aire libre y tiene una capacidad de corriente continua de hasta 3150 A con un factor límite de precisión de 40 x. Se reúne la precisión de acuerdo con la norma IEC 60044-8. El diseño óptico permite una reproducción precisa de las corrientes de falla totalmente compensado con una descomposición en componente dc sin saturación u otra fuente de distorsión. Este sistema produce un voltaje de salida de 200 mV para el uso con relés de protección. Tomando en cuenta lo anteriormente mencionado podemos deducir, que

En la Fig. 6 se puede observar el tipo de transductor mencionado.

En la fig se muestra una aplicación instalada de este tipo de transformador de corriente.

Fig. 6. El transformador de corriente magneto-óptico para la Protección (MOCT-P)[7]

A. Beneficios de El transformador de corriente magnetoóptico para la Protección (MOCT-P) El sistema MOCT-P puede satisfacer las necesidades de detección de corriente para relés de protección en una amplia variedad de aplicaciones. A continuación se presenta una lista de los beneficios: • No existe un requisito para el aceite o el gas del sistema de aislamiento, ecológico y seguro.

Fig. 7. Interruptores con transductores de corriente de fibra óptica integrados para niveles de 170 kV[6]

VIII. INSTALACION En la Fig. 8 se puede apreciar el diagrama unifilar de una instalación convencional de un sistema de transformación de medida óptico.

• Derivación-como reproducción de la corriente de falla totalmente compensado con descomposición dc componente con alta precisión y sin saturación o de otras fuentes de distorsión. • Mejora de la seguridad con ningún mecanismo de fracaso o secundario abierto. • Tamaño Significativamente más pequeño y más ligero que el equipo de aceite o con aislamiento en SF6. • Aislamiento total contra sobretensiones para medidores y relés basados en microprocesador. • No hay límites ferroresonancia o saturación de núcleo magnético.

Fig. 8. Transformadores de instrumentos optico[8]

IX.

CONCLUSIONES

-

Los transformadores de medida óptica llevaron a los límites de medida más allá de las posibilidades de la tecnología tradicional. Con el fin de ser aceptados los sensores ópticos, un método sencillo para la conexión de las antiguas y las nuevas tecnologías es un paso necesario. Si este paso se realiza bien, la transición a los nuevos sistemas dentro de las estaciones eléctricas será fácilmente aceptado.

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El desarrollo de transductores de corriente y tensión de fibra óptica y sus aplicaciones prácticas en

subestaciones de alta tensión han hecho notables progresos en los últimos años, -

La interconexión de los sensores ópticos con los dispositivos de medición y relés existentes es una de las diferencias esenciales, ya que elimina la pérdida o variación de señal por interferencias electromagnéticas.

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Es evidente que la nueva tecnología tiene importantes ventajas sobre los instrumentos convencionales. En la actualidad, se está implementando nuevas tecnologías que faciliten y mejoren la confiabilidad de un SEP.

REFERENCES [1]

M. Faraday, “Nuevas tendencias en la medida de intensidades,” 2002.

[2]

M. Imamura, M. Nakahara, and S. Tamura, “Output characteristics of field sensor used for optical current transformers applied to the flat-shape three-phase busbar,” IEEE Trans. Magn., vol. 33, no. 5, pp. 3403– 3405, Sep. 1997.

[3]

T. Sawa, K. Kurosawa, T. Kaminishi, and T. Yokota, “Development of optical instrument transformers,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 5, no. 2, pp. 884–891, Apr. 1990.

[4]

M. Takahashi, H. Noda, K. Terai, S. Ikuta, Y. Mizutani, T. Yokota, T. Kaminishi, and T. Tamagawa, “Optical current transformer for gas insulated switchgear using silica optical fiber,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 12, no. 4, pp. 1422–1427, Oct. 1997.

[5]

M. Brojboiu, V. Ivanov, and S. M. Diga, “IMPLEMENTATION OF THE OPTICAL CURRENT AND VOLTAGE TRANSDUCERS IN THE POWER SYSTEMS,” no. 33, pp. 27–33, 2009.

[6]

K. Bohnert, P. Gabus, and H. Brändle, “Fiber-Optic Current and Voltage Sensors for High-Voltage Substations,” pp. 752–754, 2003.

[7]

“MOCT-P Optical Current Transformer System.” [Online]. Available: http://www05.abb.com/global/scot/scot245.nsf/verityd isplay/09714458c987c70b8525755f006bbc17/$file/mo ct-p_2gnm110051_new.pdf. [Accessed: 14-Jul-2014].

[8]

R. M. S. Meeting and D. Wilkinson, “Optical Instrument Transformers,” 2006.