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Importancia del relé buchholz

Ing. Enrique Garcia

abril 4, 2021

Los transformadores de corriente (CT) y los transformadores de voltaje (VT) se utilizan ampliamente en subestaciones para medir y monitorear voltaje y corriente. Estas mediciones forman una parte esencial de las funciones de operación y protección en la subestación y, por lo tanto, la confiabilidad y precisión de los transformadores de voltaje y corriente (VCT) es importante. Una nueva generación de CT y VT digitales, basada en efectos ópticos, ofrece ventajas significativas sobre los instrumentos convencionales.

Los sensores de corriente y voltaje de fibra óptica ofrecen ventajas significativas sobre las tecnologías tradicionales de medición de corriente y voltaje:

  • El elemento sensor está naturalmente desacoplado de la línea de voltaje.
  • Hay una mínima interferencia eléctrica en la línea de señal.
  • Ofrecen tiempos de respuesta extremadamente rápidos con alta precisión de medición.
  • El tamaño y el peso de los sensores se reducen en comparación con las tecnologías existentes.
  • No explotan durante una falla catastrófica, a diferencia de las torres de aislamiento eléctrico llenas de aceite.

 

Fig. 1: El efecto Faraday óptico-magnético [2].

Además, están intrínsecamente libres de saturación magnética y, por lo general, tienen un ancho de banda de medición en el rango de kHz. También son factibles anchos de banda en el rango de decenas o cientos de kHz. Como resultado, los transformadores de corriente de fibra óptica entregan, dentro de su rango de medición, una imagen real de la corriente primaria, también en el caso de corrientes transitorias rápidas, corrientes de cortocircuito y CA con compensación de CC.

Los VCT ópticos son livianos y de pequeño tamaño. Esto hace posible operarlos no solo como dispositivos independientes, sino que también se pueden integrar fácilmente en otros productos de energía. Se reducen el espacio ocupado por la subestación y los costos de instalación. Otras ventajas son la seguridad mejorada (sin riesgo de circuitos CT secundarios abiertos o fallas catastróficas) y el respeto al medio ambiente (sin aceite). Los sensores de corriente óptica son inmediatamente compatibles con la comunicación de subestaciones digitales modernas, lo que ayuda a eliminar grandes cantidades de cableado de cobre [2].

Los sensores de fibra óptica son de particular interés para aplicaciones en los entornos de alto voltaje de la industria de la energía eléctrica debido a sus propiedades características que incluyen una naturaleza dieléctrica, inmunidad a interferencias electromagnéticas y tamaño y peso pequeños. El sensor de corriente emplea el efecto Faraday en una bobina de fibra sensora recocida térmicamente. Los sensores de voltaje se basan en el efecto Pockels en cristales electro ópticos o el efecto piezoeléctrico inverso en un cristal de cuarzo con forma de cilindro.

El efecto Faraday

El efecto Faraday es un efecto magnetoóptico que provoca un cambio del estado de polarización de la luz en presencia de un campo magnético. Describe la rotación de polarización de la luz que se propaga en la dirección de un campo magnético. Cuando se envía un haz de luz a través de un material que exhibe el efecto Faraday, la polarización de la luz se rotará en el ángulo θ que depende de la fuerza del campo magnético paralelo a la dirección de propagación de la luz.

El efecto Faraday es proporcional a la magnetización del material.La rotación se puede describir en términos de la intensidad del campo magnético β y la constante de Verdet V.

                 (1)

Que, en el caso de un campo magnético uniforme constante se reduce a

θ = V ∙ β ∙ L (2)

La constante de Verdet V es la rotación específica de un material y se define como el ángulo sobre el campo magnético multiplicado por la longitud. V está determinado por las propiedades magnéticas del material.

β es el componente de la densidad de flujo magnético paralelo a la dirección de propagación de la luz.

Medida de la rotación de fase

Todos los principios de detección de efectos de Faraday se basan fundamentalmente en la detección de intensidad. Sin embargo, la estructura, los materiales y la trayectoria de la luz de los diferentes sensores de Faraday difieren mucho. Se utilizan varios métodos para medir la rotación de fase. El más simple y general hace uso de un polarizador como se muestra en la Fig. 2 [2]. El campo magnético en un medio de Faraday se puede medir determinando la rotación de la polarización θ, que se produce después de que un haz de luz polarizada linealmente pasa por el medio de Faraday. Esto se puede hacer midiendo la intensidad del haz de luz después de pasar un segundo polarizador. La intensidad de este haz de luz es función del ángulo de rotación y, por tanto, de la intensidad del campo magnético.

La característica del sensor está determinada por la orientación de los dos polarizadores entre sí. El ángulo entre los ejes de transmisión de los polarizadores determina cuánto varía el valor de la intensidad transmitida con un campo magnético variable. Los ángulos se pueden elegir en cualquier lugar entre 0 ° y 90 ° dando los mismos resultados para todos los demás cuadrantes. Las intensidades resultantes se pueden calcular empleando la ley de Malus: considerando un haz de luz linealmente polarizado incidente sobre un polarizador, su componente perpendicular del haz está bloqueado. Por lo tanto, la amplitud de la luz transmitida por el polarizador se muestra en la ecuación. 3.

E (θ) = E0 cos (θ) (3)

Y la intensidad de la luz transmitida viene dada por la fórmula de la ecuación. 4.

Yo (θ) = I0 cos2 (θ) (4)

Dónde:

E0 es el vector de campo eléctrico,
I0 es la intensidad del haz incidente.

Otros métodos de detección utilizan prismas separadores de polarización y dos detectores. Los dos haces polarizados linealmente ortogonales se detectan por separado. Esta técnica tiene la ventaja de que se pueden compensar las pérdidas ópticas en las fibras y el material del sensor. La rotación de la polarización se puede obtener directamente comparando las dos señales del sensor. 

Referencias

[1] R Silva, et al: "Sensores ópticos de corriente para sistemas de alta potencia: una revisión", Ciencia aplicada, 2012.
[2] S Liehr: "Medición óptica de corrientes en convertidores de potencia", www.researchgate.net/publication / 237212593_Optical_Measurement_of_Currents_in_Power_Converters
[3] K Bonhert, et al: “Sensores de voltaje y corriente de fibra óptica para subestaciones de alto voltaje” 16ª Conferencia internacional sobre sensores de fibra óptica, octubre de 2003.
[4] E Langford y J Swindlehurst: “Optical Current & Sensores de voltaje ” www.ieso.ca/Documents/imowebpub/200705/rm_pres-20070307-Ontario-IESO-Pres.pdf
[5] K Bonhert, et al:“ Sensor de voltaje de fibra óptica usando tecnología fibra-giroscópica ”, Actas Eurosensors XXIV, septiembre de 2010.
[6] L Piheiro, et al: “Transformador óptico de medición de alto voltaje usando interferometría de luz blanca”, Annals of Optics, 2002.

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