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Universidad de San Carlos de GuatemalaFacultad de IngenieraEscuela de Ingeniera Mecnica Elctrica
SISTEMAS PTICOS DIGITALES PARA MEDICINDE ENERGA EN ALTA TENSIN
Francisco Alberto Aldana de Len
Asesorado por el Ing. Otto Andrino Gonzlez
Guatemala, septiembre de 2007
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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
FACULTAD DE INGENIERA
SISTEMAS PTICOS DIGITALES PARA MEDICINDE ENERGA EN ALTA TENSIN
TRABAJO DE GRADUACIN
PRESENTADO A LA JUNTA DIRECTIVA DE LAFACULTAD DE INGENIERA
POR:
FRANCISCO ALBERTO ALDANA DE LEONASESORADO POR EL ING. OTTO ANDRINO GONZLEZ.
AL CONFERRSELE EL TTULO DEINGENIERO ELECTRICISTA
GUATEMALA, SEPTIEMBRE DE 2007
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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
FACULTAD DE INGENIERA
NMINA DE JUNTA DIRECTIVA
DECANO Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos
VOCAL I Inga. Glenda Patricia Garca Soria
VOCAL II Inga. Alba Maritza Guerrero de Lpez
VOCAL III Ing. Miguel ngel Dvila Caldern
VOCAL IV Br. Kenneth Issur Estrada RuzSECRETARIA Inga. Marcia Ivonne Vliz Vargas
TRIBUNAL QUE PRACTIC EL EXAMEN GENERAL PRIVADO
DECANO Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos
EXAMINADOR Ing. Otto Andrino Gonzlez
EXAMINADOR Ing. Juan Fernando Morales Mazariegos
EXAMINADOR Ing. Carlos Francisco Gressi Lpez
SECRETARIA Inga. Marcia Ivonne Vliz Vargas
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HONORABLE TRIBUNAL EXAMINADOR
Cumpliendo con los preceptos que establece la ley de la Universidad de San
Carlos de Guatemala, presento a su consideracin mi trabajo de graduacin
titulado:
SISTEMAS PTICOS DIGITALES PARA MEDICINDE ENERGIA EN ALTA TENSIN,
tema que me fuera asignado por la Direccin de la Escuela de Ingeniera
Mecnica Elctrica, en octubre de 2006.
Francisco Alberto Aldana de Len
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ACTO QUE DEDICOA:
Dios, por darme vida.
Mis padres, por darme el impulso a los proyectos emprendidos a lo largo demi vida.
Mi familia, por todo el apoyo en mi proyecto de vida.
Mis amigos, por su apoyo y compaa en cada etapa del camino recorrido.
A todos los catedrticos que sin egosmo me han enseado el arte de laingeniera elctrica.
Gracias
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I
NDICE GENERAL
NDICE DE ILUSTRACIONES....V
RESUMEN...........VII
OBJETIVOS......IX
INTRODUCCIN.....XI
1. PRINCIPIOS FSICOS DE LOS DISPOSITIVOS PTICOS
DIGITALES..........................................................................................1
1.1 Aspectos Generales..1
1.2 Fenmenos Fsicos en que se basa los dispositivos pticos
digitales....2
1.2.1. Efecto Faraday.....21.2.2. Ley de Ampere . ..6
1.2.3. Efecto Kerr.....7
1.2.4. Efecto Pockels...7
1.3 Consideraciones bsicas acerca de las fibras pticas.9
2. TRANSDUCTORES PTICOS DE VOLTAJE Y
CORRIENTE......13
2.1 Transductores elctricos.....13
2.2 Transductor ptico de corriente.....14
2.3 Principio de operacin del transductor ptico de corriente16
2.2.1. Componentes del transductor ptico Corriente...20
2.2.2. Precisin del transductor ptico de corriente...22
2.2.3. Ventajas del transductor ptico de corriente26
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II
2.4 Transductor ptico de voltaje.....27
2.4.1 Principio de operacin del transductor ptico de voltaje27
2.4.2 Diseo del transductor ptico de voltaje...322.4.3 Precisin del transductor ptico de voltaje...35
2.4.4 Ventajas del transductor ptico de voltaje36
2.5 Transductor ptico de voltaje y corriente..38
2.5.1 Ventajas del transductor ptico de voltaje y corriente....38
2.5.2 Precisin del transductor ptico de voltaje y corriente...39
2.6 Transductores pticos para proteccin y medicin.40
2.6.1 Consideraciones tcnicas para el uso de transductores
medicin........402.6.2 Consideraciones tcnicas para el uso de transductores
proteccin.........41
2.7 Referencia de Transductores pticos instalados en el mundo.42
3. SISTEMA DE MEDICIN CON FIBRA PTICA45
3.1 Generalidades...45
3.2 Caractersticas de un sistema de medicin con fibra ptica.47
3.2.1 Elementos bsicos de un sistema de medicin con fibra
ptica..51
3.2.2 Sistemas de comunicacin de fibra ptica...52
3.2.3 Ventajas y desventajas del uso de fibra ptica54
3.2.4 Interferencias en la fibra ptica..55
4. APLICACIN DE SENSORES PTICOS DE CORRIENTE
EN UNA SUBESTACIN..574.1 Generalidades...57
4.2 Alternativas de conexin de los sensores pticos de corriente....59
4.2.1 Salida digital hacia un medidor o rele digital61
4.2.2 Salida anloga de baja energa hacia un medidor o rele
anlogo..62
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III
4.2.1 Salida anloga de alta energa..........65
4.3 Seleccin de un sensor ptico de corriente.....67
4.4 Perturbaciones en el sensor ptico de corriente.....69
5. ANLISIS COMPARATIVO DE LOS TRANSDUCTORES
PTICOS VRS. CONVENCIONALES....71
5.1 Transductor ptico de corriente vrs. transformador convencional
de corriente.......74
5.2 Transductor ptico de voltaje vrs. transformador convencional devoltaje.....75
5.3 Anlisis econmico de los sensores pticos vrs. transformadores
de instrumento convencionales.....77
5.3.1 Sensores pticos de corriente vrs. transformadores
convencionales de corriente...81
5.3.2 Sensores pticos de voltaje vrs. transformadores
convencionales de voltaje...85
5.3.3 Sensores pticos de voltaje y corriente vrs. transformadores
convencionales de voltaje y corriente...88
6. ENCUESTA - UTILIZACIN DE TRANSDUCTORES
PTICOS EN EL SECTOR ELCTRICO91
6.1 Encuesta91
6.2 Anlisis de resultados.92
CONCLUSIONES95
RECOMENDACIONES...97
BIBLIOGRAFA...99
ANEXOS.....101
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IV
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V
NDICE DE ILUSTRACIONES
FIGURAS
1. Efecto de Rotacin de Faraday....................3
2. Ley de Ampere.........6
3. Ejemplo de fibra ptica.............10
4. Fibra ptica brillando cuando transmite luz ......11
5. Polarizacin en el sensor ptico......176. Reflector en el sensor ptico...........18
7. Desfase de las seales pticas19
8. Sensor de corriente de fibra ptica.....21
9. Error de relacin versus corriente para transductor de corriente...22
10. Error de fase versus corriente para transformador de corriente............23
11. Corriente primaria y corriente secundaria..24
12. Amplitud versus frecuencia para transductor de corriente....................25
13. Porcentaje de error de amplitud versus frecuencia para transductor
de corriente..25
14. Lneas de campo de los sensores de voltaje...................29
15. Celdas Pockels.......30
16. Cambio en la polarizacin de la luz.....31
17. Transductor ptico de voltaje..............31
18. Campo elctrico versus la distancia en el sensor.....33
19. Precisin del transductor ptico de voltaje........35
20. Respuesta en la salida a la frecuencia del sensor de voltaje..36
21. Diseo del transductor ptico de voltaje y Corriente...........40
22. Fibra ptica de tubo suelto....48
23. Fibra ptica restringida.........48
24. Fibra ptica de mltiples hilos......49
25. Fibra ptica tipo liston.......49
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VI
26. Muestra de fibra ptica.........49
27. Tipos de fibra ptica......50
28. Salidas secundarias de los transductores pticos....6029. Salida digital........61
30. Prdida de energa en un convertidor D/A.....63
31. Grfico de falla en transductor de corriente.......66
32. Comparacin de dos sensores de corriente pticos........70
33. Anualidades de costos comparativos.....80
34. Comparacin de respuesta a corrientes de corto circuito...83
TABLAS
I. Posiciones y pesos calculados para sensor.........................34
II. Referencias de transductores pticos instalados en el Mundo....43
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VII
RESUMEN
La medicin de energa en alta tensin es un aspecto importante para
el consumidor y los comercializadores de electricidad. Los dispositivos ms
comunes utilizados para transformar la energa a niveles seguros son los
transformadores de instrumento convencionales. En aos recientes la
tecnologa ptica ha ido evolucionando y revolucionando la forma de medir
corrientes y altos voltajes en subestaciones.
La creacin de los transductores pticos para medicin en alta
tensin, ha ido cambiando la forma de hacer mediciones precisas en
aplicaciones en donde el costo de una medicin ptica puede significar un
beneficio para el comercializador a mediano y largo plazo.
Los transductores pticos basan su tecnologa en los efectos pticos
que ocasionan los voltajes y las corrientes del sistema en el elemento sensor
de cada instrumento. En ciertas aplicaciones han sustituido a los
transformadores de instrumento convencionales gracias a las grandes
ventajas que los pticos ofrecen.
En el presente trabajo se estudian los efectos fsicos que utilizan los
sensores pticos para medir los parmetros elctricos. Se describen, los
efectos que causan el voltaje y la corriente en elemento sensor y los
principios fsicos a los que corresponden tales efectos.
Tambin, se analizan las caractersticas, principios de operacin,
accesorios y mtodos de trasladar las seales de los transductores pticos
de medicin. Se describen las caractersticas fundamentales de los
transductores pticos de corriente y los de voltaje.
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VIII
Ms adelante, se definen los diferentes tipos de fibra ptica y la
utilizacin de la fibra para trasladar la seal desde el sensor en la lnea de
transmisin y el receptor en el cuarto de control de la subestacin. Lautilizacin de la fibra ptica hace posible utilizar el transductor ptico en un
sistema totalmente digital.
Se explican las diferentes formas de obtener la seal adecuada y
normada para los medidores y relevadores que comercial se consiguen en
el mercado y las restricciones respecto al ancho de banda, la precisin para
proteccin y medicin y la confiabilidad del sistema de medicin.
Tambin se realiza un anlisis comparativo tcnico y econmico para
evaluar las ventajas y desventajas de la utilizacin de los transductores
pticos en lugar de los transformadores de instrumento convencionales.
Por ltimo, se realiza una encuesta para evaluar la posible utilizacin
de los transductores pticos. Se utiliza una muestra de personas que
laboran en el sector elctrico y que tienen relacin directa o indirecta con
este tipo de instrumentos en el campo laboral. Se detallan los resultados de
la encuesta y se establecen recomendaciones y conclusiones.
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IX
OBJETIVOS
General
Efectuar un estudio de la tecnologa de los instrumentos pticos
digitales, para medicin de energa en alta tensin y proporcionar los
criterios adecuados para la seleccin y el uso adecuado de los
equipos en la industria elctrica guatemalteca.
Especficos
1. Analizar y describir las ventajas comparativas de los sensores
pticos de voltaje y corriente contra los tradicionales
transformadores de instrumento.
2. Explicar los principios fsicos en que se basan los transductores
pticos.
3. Estudiar los fundamentos bsicos de la transmisin de datos
por fibra ptica.
4. Estudiar el costo-beneficio de los nuevos sistemas de medicin
ptica en comparacin con los tradicionales.
5. Definir las posibles interfases entre medidor o relevador ytransductor ptico.
6. Investigar la viabilidad en la aplicacin de sistemas de
medicin pticos en subestaciones de alta tensin en
Guatemala.
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X
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XI
INTRODUCCIN
La mayora de subestaciones elctricas actuales estn diseadas con
equipos convencionales, tales como: transformadores de potencia,
interruptores de potencia, seccionadores, transformadores de corriente y de
potencial, etc.
Este sistema convencional ha sido funcional y efectivo durante mucho
tiempo. Ahora, con los avances tecnolgicos se hace necesario, en algunos
casos, implementar nuevas tecnologas para que el sistema est integrado
en una misma plataforma de informacin, ms precisa y exacta.
La tecnologa de medicin ptica para lneas de alta tensin, ha
evolucionado la forma de obtener la medicin de energa. En algunas
aplicaciones, utilizar los transductores de corriente y voltaje pticos puede
ser una solucin tcnica para la aplicacin especfica y econmicamente
rentable.
Como se sabe, la precisin en las mediciones elctricas,
especialmente para facturacin, es muy importante y significativa. Esta es la
principal razn del desarrollo de esta tecnologa. Tiene muchas ventajas en
comparacin con los sistemas convencionales de medicin. Estos nuevos
sistemas se estn implementando en varios pases del mundo dejando a un
lado los sistemas convencionales, aun cuando el costo inicial es mayor.
El objetivo del trabajo de graduacin es difundir la tecnologa de
medicin ptica en alta tensin, las interfases disponibles, y sus
aplicaciones en subestaciones elctricas.
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XII
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1
1. PRINCIPIOS FSICOS DE LOS DISPOSITIVOS PTICOS
DIGITALES
Las nuevas tecnolgicas referentes a los transformadores de
instrumento han centrado su inters en promover avances en la de medicin
de energa utilizando tecnologa ptica. Estos instrumentos tienen muchas
ventajas tales como: la insensibilidad a las interferencias electromagnticas,
la facilidad de transportar, su ligereza y la su fcil instalacin. En ciertas
aplicaciones pueden sustituir a un sistema convencional de medicin.
Cuando se requiere una adquisicin de datos precisa y segura se
debe pensar en fibra ptica, y esta precisin se puede apreciar cuando en
los transductores de medicin los errores en la lectura son mnimos,
despus de procesada, transmitida y almacenada la informacin. Esto ltimo
es en gran parte debido a que las seales luminosas son insensibles a
perturbaciones electromagnticas, en consecuencia, una excelente
capacidad para transmisin de datos. En los casos de medicin de energa
en alta tensin, ya sea con el objetivo de proteccin o medicin, se necesita
que el instrumento sea preciso y exacto.
1.1 Aspectos generales
En los sistemas actuales de medicin de energa en alta tensin,
cada instrumento de medicin, no importando que sea TP (transformador de
potencial) o TC (transformador de corriente), estn conformados por ncleos
ferromagnticos. Estos instrumentos adquieren un pequeo porcentaje de
energa de la lnea de transmisin para la medicin, por lo que se tiene que
tomar en consideracin la saturacin de dicho ncleo, y esta se relaciona
con la precisin y exactitud del transformador.
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2
A diferencia de los sistemas convencionales, un sistema
basado en medicin indirecta cuenta con un sensor del campo magntico
circundante y lo convierte a una seal ptica. Este sensor cuenta con unapropia alimentacin, dejando sin alteracin la energa elctrica circundante.
El sensor basa su funcionamiento en principios fsicos tales como los
efectos Pockels, Kerr, Faraday y Ampere.
El sensor simplemente se basa en el principio fsico de que un
material cambia o rota el plano de polarizacion de la onda luminosa que
pasa a travs del mismo, la cantidad de rotacin depende del campo
elctrico o magntico. El sensor debe ser capaza de medir los pequeoscambios de polarizacin del haz de luz.
Para la transmisin y comunicacin de los efectos pticos,
utilizan fibra ptica. La fibra ptica es capaz de transmitir gran cantidad de
informacin en trayectos relativamente largos, con pocas prdidas. Esto se
debe a su caracterstica de funcionamiento utilizando la reflexin interna total
en el material. En los ltimos aos se ha estado utilizando cada vez ms la
fibra ptica, especialmente para las telecomunicaciones.
1.2 Fenmenos fsicos en que se basan los dispositivos
pticos digitales
1.2.1 Efecto Faraday
El efecto Faraday (denominado a veces como: Rotacin Faraday) fue
descubierto en 1845 por el fsico Michael Faraday, e intenta demostrar la
interaccin entre la luz y un campo magntico. Para ser ms precisos, el
efecto describe como el plano de polarizacin de la luz puede cambiar.
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Tambin muestra como su alteracin es proporcional a la intensidad del
componente del campo magntico en la direccin de propagacin de la onda
luminosa.
El efecto Faraday es un efecto magneto-ptico. El efecto es la primera
evidencia experimental de que la luz y el magnetismo estn relacionados.
Hoy en da la base terica para definir esta relacin se denomina Teora
electromagntica, y fue desarrollado por James Clerk Maxwell entre los 60 y
70. Este efecto ocurre en la mayora de los materiales dielctricos
transparentes afectados por fuertes campos magnticos (por ejemplo: 5
Tesla (50000 gauss) para hacer rotar la polarizacin 90 grados).
El efecto Faraday es resultado de una resonancia ferromagntica
cuando la permeabilidad de un material se representa por un tensor. Esta
resonancia provoca que las ondas se descompongan en dos rayos
polarizados circularmente y que se propagan con velocidades diferentes,
est propiedad se conoce como birrefringencia circular. Los rayos se
recombinan al llegar a la interfase del medio, de tal forma que la onda
resultante final tiene una rotacin de su plano de polarizacin.
Figura 1. Efecto de Rotacin de Faraday
Fuente: pgina web. www.wikipedia.org Portal de descargas
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Para poder determinar el grado de giro del plano de polarizacin en los
diferentes materiales, se emplea la siguiente frmula:
Donde:
es el ngulo de rotacin (en radianes).
Bes flujo de densidad magntico en la direccin de propagacin (en teslas).
des la longitud del camino ptico (en metros)
es la constante de Verdet del material. Este valor es una constante
emprica que muestra la proporcionalidad (en unidades de radianes por tesla
y por metro) entre el campo y la rotacin del plano de polarizacin para
varios materiales. Un valor positivo de esta constante indica que el giro del
plano ser levgiro (contrario a las agujas del reloj) y por el contrario un valor
negativo indica un giro dextrgiro (sentido de las agujas del reloj).
Algunos materiales tales como las aleaciones transparentes de terbio
y galio (denominadas abreviadamente como TGG) tienen un valor de la
constante de Verdet extremadamente elevada (40 rad T-1m-1). De estaforma si se coloca una barra de este material en un intenso campo
magntico, el ngulo de la rotacin Faraday puede llegar a ser de 0.78 Rad.
(45). Este efecto permite la construccin del Rotator de Faraday, que tienen
como propiedad aislar algunos componentes de la luz transmitida en una
direccin. Aislantes similares se construyen en los sistemas de microondas
empleando barras de ferrita en una gua de onda envuelta en un campo
magntico.
El efecto de Faraday se considera de mucha importancia en campos
tales como la astronoma, que se emplea en la medicin de campos
magnticos de pulsares de radio, que puede ser estimada mediante las
medidas combinada de la rotacin del plano de polarizacin y los retrasos
existentes entre los pulsos de radio en diferentes longitudes de onda.
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Si se considera que un rayo de luz pasa a travs de un medio
interestelar en el que existe una cierta cantidad de electrones libres, se
puede observar como existe un ndice de refraccin que consiste en hacerque la luz se propague en dos modos polarizados circularmente. El efecto
Faraday en las nubes interestelares, al contrario de lo que pasa en los
lquidos y slidos, tiene una simple dependencia con la longitud de onda de
la luz (), de esta forma:
donde el efecto global de esta perturbacin, caracterizado por MR, Medidade la Rotacin, indica el giro del plano de polarizacin en funcin de By de
la densidad de electrones, ne, ambos pueden variara a lo largo de la
trayectoria lumnica, de esta forma se tiene que:
,
donde:
ees el carga de un electrn
mes la masa de un electrn
ces la velocidad de la luz en el vaco
Las ondas de radio que pasan a travs de la ionosfera estn sujetas
igualmente a rotacin del plano de polarizacin segn el efecto Faraday, y el
efecto es proporcional al cuadrado de la longitud de onda. A 435 MHz (UHF),
se puede esperar que las ondas hayan cambiado su plano de polarizacinen 1.5 grados a causa del trnsito por la ionosfera, mientras que las ondas
de 1.2 GHz lo hacen en cerca de un cuadrante.
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1.2.2 Ley de Ampere
Andr Marie Ampere fue un fsico y matemtico francs que en el ao1825 publico sus teoras en electrosttica y electrodinmica, estudio la
equivalencia entre imanes y corrientes y distingui la diferencia entre tensin
elctrica y corriente elctrica. Se le acredita a Ampere el descubrimiento del
electromagnetismo.
La ley de Ampere expresa que si la onda luminosa es
uniformemente sensitiva al campo magntico a lo largo del camino de la
onda luminosa y si este camino define un lazo o bucle cerrado, entonces larotacin acumulada del plano de polarizacin de la onda luminosa debido al
campo es directamente proporcional a la corriente fluyendo por el conductor
encerrado por el lazo.
Figura 2. Ley de Ampere
Fuente: pgina web. www.wikipedia.org Portal de descargas
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1.2.3 Efecto Kerr
Descubierto en 1875 por el fsico escocs John Kerr, elefecto Kerresuna birrefringencia o doble refraccin, creada en un material por un campo
elctrico exterior. Se caracteriza por la existencia de dos ndices de
refraccin diferentes: un haz luminoso se divide en dos haces cuando
penetra en este material.
La birrefringencia creada, a diferencia de la del efecto Pockels, vara
segn el cuadrado del campo elctrico aplicado. Los materiales presentan
en general un efecto Kerr muy dbil, sin embargo, algunos lquidos
presentan un efecto Kerr medible.
Un campo elctrico aplicado a un material genera una birrefringencia en
ese material: la luz tiene un ndice de refraccin diferente segn su
polarizacin sea ortogonal o paralela al campo. La diferencia entre los dos
ndices n2-n1es:
K es la constante Kerr, cuando K es positiva, n2-n1 es positivo y la
sustancia se comporta como un cristal uniaxial positivo.
E es la amplitud del campo elctrico.
1.2.4. Efecto Pockels
El efecto electro-ptico Pockels produce una birrefringencia en un
medio ptico inducido por un constante o cambiante campo elctrico. Adiferencia del efecto Kerr, el efecto Pockels produce una birrefringencia
proporcional al campo elctrico, mientras que en el efecto Kerr es al
cuadrado del campo. El efecto Pockels ocurre solo en cristales desprovistos
de un centro de simetra, como el Litio Nobio Oxigeno y el Galio Arsnico.
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Friedrich Carl Alwin Pockels estudio el efecto que lleva su nombre en
1983, este efecto es utilizado para la fabricacin de celdas Pockels, estas
no son mas que un monocristal orientado sin centro de simetra sumergidoen un campo elctrico controlable.
El campo elctrico puede ser aplicado al cristal ya sea de forma
longitudinal o transversal al rayo de luz. El eje del cristal puede ser
longitudinal o transversal. Una celda longitudinal es un poco ms grande, y
los cristales son un poco menos eficientes en este modo. El alineamiento
del eje del cristal con el eje del rayo es crtico, ya que el des-alineamiento
produce una birrefringencia y un cambio en la fase a lo largo del cristal, yestos una rotacin polarizada, si el alineamiento no es exactamente paralelo
o perpendicular a la polarizacion.
Una celda transversal consiste en dos cristales en una orientacin
opuesta, esto produce un valor cero de la onda cuando el voltaje es llevado
a cero. Esta celda no es ideal y tiene cambios debido a la temperatura. El
alineamiento mecnico del eje del cristal no es tan crtico y es regularmente
hecho con la mano sin necesidad de desarmadores; mientras el des-alineamiento produce una energa en un sentido errneo, en contraste al
caso longitudinal, este no es amplificado proporcionalmente a la longitud del
cristal.
Las celdas de Pockels son comnmente usadas para rotar la
polarizacion del rayo de luz que pasa a travs de ellas.
Debido a la gran constante dielctrica del cristal, las celdas Pockels se
comportan como un capacitor. Cuando estas se maniobran a un estado de
alto voltaje, se necesita una alta descarga, consecuentemente, estas rpidas
maniobras requieren el manejo de grandes corrientes. Las celdas Pockels
para fibra ptica utilizan un diseo de onda viajera para reducir los
requerimientos de corriente.
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Las celdas Pockels son utilizadas en una variedad de aplicaciones
tcnicas cuando se combinan con un polarizador:
1. Maniobras de apertura y cerrado en nanosegundos.
2. Imprimir informacin en el rayo por medio de modulacin de la
rotacin entre cero y noventa grados.
3. Obtener una seal de amplitud modulada de la intensidad del rayo,
cuando es visto por medio del polarizador.
4. Prevenir el feedback utilizando el prisma polarizador.
1.3 Consideraciones bsicas acerca de las fibras pticas
Fibra ptica, gua o conducto de ondas en forma de filamento,
generalmente de vidrio (polisilicio), aunque tambin puede ser de materiales
plsticos, capaz de transportar una potencia ptica en forma de luz,
normalmente emitida por un lser o LED. Las fibras utilizadas en
telecomunicacin a largas distancias son siempre de vidrio, utilizndose las
de plstico solo en algunas redes locales y otras aplicaciones de corta
distancia, debido a que presentan mayor atenuacin o posibilidad de sufrir
interferencias.
En el interior de una fibra ptica, la luz se va reflejando contra las
paredes en ngulos muy abiertos, de tal forma que prcticamente avanza
por su centro. De este modo, se pueden guiar las seales luminosas sin
prdidas por largas distancias.
La fibra ptica ha representado una revolucin en el mundo de las
telecomunicaciones, por cuanto ha desplazado a los cables de cobre para latransmisin de grandes cantidades de informacin, sea en forma de canales
telefnicos, televisin, datos, etc.
Las diferentes trayectorias que puede seguir un haz de luz en el interior
de una fibra se denominan modos de propagacin.
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Figura 3. Ejemplo de Fibra ptica
Fuente: pgina web. www.monografias.com Fibra ptica
Una fibra multimodo es una fibra que puede propagar ms de un modo
de luz. Una fibra multimodo puede tener ms de mil modos de propagacin
de luz. Las fibras multimodo se usan comnmente en aplicaciones de cortadistancia, menores a 1 km. Simple de disear y econmico. El ncleo de una
fibra multimodo es inferior, pero del mismo orden de magnitud, que el
revestimiento. Debido al gran tamao del ncleo de una fibra multimodo, es
ms fcil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor
precisin.
Una fibra monomodo es una fibra ptica en la que slo se propaga un
modo de luz. Se logra reduciendo el dimetro del ncleo de la fibra hasta untamao que slo permite un modo de propagacin. Se utiliza en aplicaciones
de larga distancia, ms de 300 km.
La fibra ptica se emplea en multitud de sistemas y el actual auge de
los sistemas de banda ancha se debe en gran medida a la elevada
capacidad de trfico que pueden transmitir las redes de las operadoras
basadas en fibra ptica. Las fibras pticas pueden ahora usarse como los
alambres de cobre convencionales, tanto en pequeos ambientes, dada la
dificultad de hacer imperceptible una intercepcin de los datos transmitidos.
Algunas de las desventajas son el costo, la fragilidad de las fibras, la
disponibilidad limitada de conectores y la dificultad de reparar un cable de
fibras roto en el campo.
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Charles Kao en su tesis doctoral de 1966 estim que las mximas
prdidas que debera tener la fibra ptica para que resultara prctica en
enlaces de comunicaciones eran de 20 dB/km. En 1970 los investigadoresMaurer, Keck, Schultz y Zimar que trabajaban para Corning Glass Works
fabricaron la primera fibra ptica dopando el slice con titanio. Las prdidas
eran de 17 dB/km.
El primer enlace transocenico con fibras pticas fue el TAT-8,
comenz a operar en 1988. Desde entonces se ha empleado fibra ptica en
multitud de enlaces transocenicos, entre ciudades y poco a poco se va
extendiendo su uso desde las redes troncales de las operadoras hacia losusuarios finales.
Figura 4. Fibra ptica brillando cuando transmite luz.
Fuente: pgina web. www.wikipedia.org Fibra ptica.
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Algunos de los usos que se le ha dado a la fibra ptica son:
Se puede usar como una gua de onda en aplicaciones mdicas oindustriales en las que es necesario guiar un haz de luz hasta un
blanco que no se encuentra en la lnea de visin.
La fibra ptica se puede emplear como sensor para medir tensiones,
voltajes, corrientes, temperatura, presin as como otros parmetros.
Es posible usar latiguillos de fibra junto con lentes para fabricar
instrumentos de visualizacin largos y delgados llamados
endoscopios. Los endoscopios se usan en medicina para visualizar
objetos a travs de un agujero pequeo. Los endoscopios industrialesse usan para propsitos similares, como por ejemplo, para
inspeccionar el interior de turbinas.
Las fibras pticas se han empleado tambin para usos decorativos
incluyendo iluminacin, rboles de Navidad.
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2. TRANSDUCTORES PTICOS DE VOLTAJE Y
CORRIENTE
2.1 Transductores elctricos
Un transductor se define como un dispositivo, usualmente elctrico,
electrnico o electromecnico, que transforma un tipo de energa a otro para
diferentes propsitos tales como, medicin y transferencia de informacin.Generalmente, un transductor es un dispositivo que convierte una seal de
una forma a otra.
Algunos ejemplos de transductores son los termmetros, sensores de
posicin, sensores de presin, fotoceldas, galvanmetros, etc. Los
transductores estn clasificados segn su funcionamiento como
electromecnicos, electroqumicos, electroacsticos, fotoelctricos,
electromagnticos, electroestticos, termoelctricos, y otros.
El transductor elctrico se utiliza comnmente para convertir una
variable fsica en una seal elctrica. Estos dispositivos son muy tiles para
interconectar sistemas similares.
Un transductor ptico realiza la transformacin de energa por medio de
diferentes mtodos, utilizando los principios fsicos descritos en el capitulo
uno. La transformacin de la variable da como resultado una mejor eficienciaen la medicin. En el presente capitulo ampliaremos la informacin de los
diferentes tipos de traductores pticos para la medicin de corriente y voltaje
en aplicaciones de alta tensin.
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El transformador ptico digital es utilizado para la medicin de
corriente y voltaje en sistemas de potencia.
El instrumento esta destinado para aplicaciones de proteccin,
medicin, control y supervisin de la calidad de energa. Estos
transformadores combinan tcnicas tradicionales de medicin conjuntamente
con seales pticas para transmisin, permitiendo esto, una conexin no
conductiva entre el transductor en la subestacin y la interfase en el cuarto
de control.
Transductor ptico de corriente
La medicin de la intensidad que viaja en un conductor permite conocer
condiciones de funcionamiento de los equipos conectados a la lnea,
detectar y prevenir fallos, optimizar el flujo de energa, cerrar el lazo de
control de dispositivos y establecer la facturacin del consumo de energa.
En alta tensin es demasiada riesgosa la manipulacin de elementos
conectados a la lnea, por lo que se descarta la idea de utilizar ampermetros
en serie. Es necesario utilizar mtodos indirectos para la medicin de
corriente. Los mtodos convencionales de medida de grandes corrientes son
los transformadores de corriente y las sondas de efecto Hall.
Aunque los transformadores de corriente convencionales dominan el
mercado, estos tienen algunas limitaciones como:
1. No pueden medir corriente directa.
2. Pueden haber problemas de aislamiento entre primario y secundario
3. Se saturan con picos de corrientes debidos a fallas
4. Tienen problemas de histresis y en consecuencia de calentamiento
5. La tensin en bornes es muy alta cuando se encuentran en vaco
debido a la relacin de espiras.
6. Se ven influidos por interferencias electromagnticas
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En los aos recientes se han desarrollado nuevas tecnologas tales
como los sensores de corriente basados en anillos de Rogowski. Estos
instrumentos estn basados en la ley de induccin de Faraday y necesitanun integrador para obtener la intensidad que circula por el primario. Su
principal atractivo es que pueden medir altas frecuencias, pero la desventaja
es que al integrar la fuerza electromotriz inducida no miden corriente
continua.
Las investigaciones sobre las propiedades pticas de los materiales
influidos por un campo magntico ha sido la base para desarrollar la
tecnologa de los sensores magneto pticos.
Ms de cien aos despus de que Michael Faraday descubriera la
relacin que existe entre la polarizacion de una onda electromagntica a la
entrada y la polarizacion de la onda a la salida de un material imanado, A.J.
Rogers propuso un mtodo para la medida de corriente con un mtodo
ptico. Desde entonces el desarrollo de esta tecnologa ha ido mejorando.
La principal ventaja de los traductores pticos de corriente es que
pueden medir, a distancia, campos magnticos que son proporcionales a
intensidades. Adems, como la luz es la que la transmite la informacin
medida ganamos un aislamiento total entre primario y secundario. Otra de
las ventajas que agrada a los ingenieros elctricos es que no tienen
problemas de saturacin en condiciones de falla y su ancho de banda es
prcticamente ilimitado, es decir, tambin puede medir corriente continua.
Las importantes desventajas del transductor ptico que se deben tomar
en consideracin en el momento del diseo son:
- La baja sensibilidad
- Las pequeas variaciones en el ngulo de rotacin en el plano de
polarizacin de la luz, este ngulo es proporcional a la magnitud
medida.
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Debido a lo anterior es necesaria la incorporacin de amplificadores
con una alta ganancia para obtener medidas aceptables. Adems, las
propiedades pticas de los materiales, su constante Verdet, dependen dela temperatura en mayor o menor medida dependiendo de la
composicin qumica del sensor.
2.3 Principio de operacin del transductor ptico de corriente
En aos recientes los transductores pticos de corriente y voltaje han
alcanzado un alto grado de madurez en su desarrollo y estn empezando a
competir con los transformadores de instrumentos convencionales. Lostransductores de fibra ptica se pueden adaptar muy bien a las condiciones
de alto voltaje, esto es debido a que son inmunes a las interferencias
electromagnticas y no existe conexin galvnica entre la cabeza del sensor
en alto voltaje y los circuitos electrnicos de la subestacin.
Existen varios tipos de sensores desarrollados por los fabricantes de
los transductores pticos de corriente, pero todos tienen como base de
funcionamiento los principios pticos desarrollados en el capitulo uno.
El fabricante NXTPHASE utiliza en sus transductores de corriente un
diseo interferomtrico. El diseo utiliza una fibra ptica que acta como
material magnetoptico, la fibra se enrolla alrededor de un conductor. La luz
entra al enrollamiento a travs de un acoplador de fibra ptica 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 la emite la fuente. Si por el contrario el conductor lleva corriente
se crea un campo magntico que lleva la misma direccin que la fibra y
sentidos contrarios o iguales a la circulacin de la luz, dependiendo del haz
que se considere. Debido a que el efecto Faraday es no reciproco, es decir,
este depende del sentido del campo magntico.
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Cuando los haces se recomponen de nuevo en el acoplador de la fibra,
la luz tiene la fase desplazada con respecto al emisor. La relacin
matemtica es una senoidal al cuadrado.
Los diferentes pasos en que se recoge la seal de corriente en el
transductor sern analizados a continuacin.
El transductor empieza a funcionar cuando el modulo opto-electrnico
en el cuarto de control, convierta la seal de un diodo emisor de luz, en dos
seales ortagonalmente polarizadas. Estas seales son transmitidas hacia la
cabeza del sensor por medio de fibra ptica capaz de mantener lapolarizacion.
En el tope de la columna del instrumento se encuentra instalado un
polarizador elptico, que no es ms que una placa de cuarto de onda. Este
polarizador convierta las dos seales de luz ortagonalmente polarizadas en
una polarizacion elptica de izquierda-derecha.
Figura 5. Polarizacin en el sensor ptico
Fuente: pgina web. www.nxtphase.com Portal de descargas
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Las seales viajan en la fibra ptica enrollada alrededor del conductor
muchas veces. El campo magntico generado por la corriente que fluye en el
conductor desacelera una seal y acelera la otra, dndose el efecto Faraday.
Cuando las seales circularmente polarizadas completan su camino en
la fibra alrededor del conductor, estas son reflejadas por medio de un espejo
en el sensor. Las seales viajan de regreso por medio de la fibra y la
direccin de sus polarizaciones es invertida. Cuando se da esta inversin el
efecto Faraday se duplica. Las seales mantienen su diferencia de velocidad
para el viaje de retorno alrededor de la fibra.
Figura 6. Reflector en el sensor ptico
Fuente: pgina web. www.nxtphase.com Portal de descargas
Las dos seales viajan ahora de regreso y pasan de nuevo por elpolarizador elptico. El polarizador las convierte nuevamente en haces de luz
ortagonalmente polarizados. Las dos ondas son recombinadas en el
polarizador, luego descienden por medio de la fibra en la columna aislante
del transductor hacia un fotodetector del modulo opto-electrnico.
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La diferencia en la velocidad de propagacin se traduce en un cambio
de fase entre los dos haces de luz. Como las dos seales han viajado sobre
un camino idntico, los cambios de temperatura y vibracin, afectan de lamisma forma a las dos seales, por lo que la medicin de corriente es
altamente precisa y se mantiene sin perturbaciones.
Cuando por el conductor no circula corriente, las dos seales viajan
en fase por la fibra ptica, pero cuando la corriente circula en el conductor, el
efecto magneto-ptico cambia las seales de luz en una direccin opuesta,
ponindolas fuera de fase.
Figura 7. Desfase de las seales pticas
Fuente: pgina web. www.nxtphase.com Portal de descargas
Por ltimo, el mdulo opto-electrnico mide la diferencia del tiempo de
recorrido entre las dos ondas luminosas, y es una medida precisa de la
corriente que fluye en el conductor.
El mdulo opto-electrnico es capaz de medir diferencias en el tiempo
de 10E-21 a 10E-15 segundos, para un rango de corrientes de 100mA a
100 kA. Un modulador convierte la seal del tiempo de desfase en una ondaportadora de alta frecuencia. La seal es desmodulada en el fotodetector, y
esta es convertida a una forma digital regularmente descrita por 16 bits. El
tiempo total que se toma una medicin de corriente para que se muestre en
el sensor de salida es de 11.25 microsegundos, con una incertidumbre de
100 nanosegundos.
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Como la seal es convertida en una onda portadora de alta frecuencia
el sensor responde a una frecuencia igual a de la onda portadora de alta
frecuencia.
2.3.1 Componentes del transductor ptico de corriente
El transductor ptico de corriente esta constituido por partes
separables, los que lo hace ms liviano para su transporte e instalacin. Las
partes del transformador ptico de corriente son: el modulo opto electrnico,
el cableado de fibra ptica y las columnas aislantes donde se encuentra el
sensor principal.
El modulo opto-electrnico situado en el cuarto de control de la
subestacin es fcilmente configurable. En este se encuentran los
componentes electrnicos tales como, el fotodetector, la fuente de luz,
fuente de poder, y otros elementos electrnicos.
El diseo altamente flexible permite varias configuraciones para las
aplicaciones de medicin o proteccin. El modulo esta disponible en varios
rangos de interfases, capaz de hacer conexiones anlogas con medidores y
relevadores, as como, comunicase por medio de protocolos digitales. El
usuario tiene disponible un completo historial de los sucesos que han
ocurrido con la corriente, el mdulo es capaz de almacenar toda la
informacin.
El cableado de fibra ptica lo despachan con sus terminaciones de
fbrica para una instalacin ms sencilla. El cableado se debe ordenar al
fabricante con una longitud definida para su instalacin. El cableado puede
instalarse areo, subterrneo (con opcin contra roedores), o en tubera
conduit.
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Las columnas de sensores de alto voltaje estn basadas en un diseo
pasivo, en donde no se encuentra un solo componente electrnico en el
campo donde se encuentran instalados los equipos de la subestacin. Lascolumnas aislantes estn diseadas para que tengan un bajo grado de
mantenimiento, gracias a que no utilizan gases SF6, o aceite mineral, o
papel para aislamiento.
En la cabeza de la columna se encuentra ubicado el enrollamiento de
fibra ptica, el reflector y un polarizador. En el modulo opto-electrnico estn
ubicados el modulador, el polarizador, la fuente de luz, el fotodetector y los
circuitos digitales para el procesamiento de las seales.
Figura 8. Sensor de corriente de fibra ptica
Fuente: pgina web. www.nxtphase.com Portal de descargas
La alta precisin en la medicin se gana gracias al modulador y a la
electrnica en el mdulo ubicado en el cuarto de control, estos permiten
mediciones precisas, excediendo la norma IEEE clase 0.15S.
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Se pueden lograr mediciones en un rango dinmico de 1A (rms) hasta
4,000 A (rms), para aplicaciones de medicin, y censando transitorios de
corriente de hasta 80KA rms, o 216KA pico.
2.3.2 Precisin del transductor ptico de corriente
Una de las caractersticas mas importantes de los transductores pticos
de corriente para instalaciones en alto voltaje es la precisin. El transductor
excede en precisin a las normas ANSI/IEEE clase 0.15 y la IEC clase 0.2S.
Figura 9. Error de relacin vrs corriente para el transductor de corriente
Fuente: pgina web. www.nxtphase.com Portal de descargas
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La grfica anterior muestra la relacin entre el error en la relacin de
transformacin y la corriente en la lnea, en un marco donde supera la clase
IEC 0.2S.
Como se puede observar, para intensidades menores de 10 amperios
es cuando se presenta el mayor error, sin embargo, esta medicin se
encuentra fuera del rango dinmico del sensor, y para intensidades mayores
el error es casi imperceptible. Aun as, el porcentaje de error no supera el
1.5%, en todo el rango dinmico de medicin.
Figura 10. Error de fase vrs corriente para transformador de corriente
Fuente: pgina web. www.nxtphase.com Portal de descargas
En esta nueva grfica se puede observar que el error en la fase no esmayor a 5 minutos dentro de todo el rango dinmico de medicin.
En lo que se refiere a la utilizacin del transductor ptico para
aplicaciones de proteccin, el mismo transductor ptico es capaz de realizar
una replica exacta de la corriente primaria.
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Por ejemplo, si en el circuito primario ocurre un transitorio de corriente
de 108KA pico, en un offset positivo, y la corriente nominal es de 2000 A, el
transductor responde de la siguiente forma: como el transductor tienen en elsecundario un voltaje nominal de 200mV correspondiente a los 2000
nominales, el secundario mide un pico de 10.8 V y reproduce los sags del
transitorio casi instantneamente. Adems, esta seal es enviada
directamente al relevador correspondiente para que analice si es necesario
el disparo o no. En la grafica siguiente se puede observar el ejemplo.
En la grfica se puede observar que el proporcional a la corriente
secundaria se dibuja casi exactamente sobre la grafica de referencia en elprimario.
Figura 11. Corriente Primaria y Corriente Secundaria
Fuente: pgina web. www.nxtphase.com Portal de descargas
La grfica siguiente define la respuesta a la frecuencia que tiene untransductor ptico de corriente sometido a una prueba con una corriente de
100KA pico. Se puede observar que a 60HZ la amplitud normalizada se
mantiene en la unidad.
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Figura 12. Amplitud vrs Frecuencia para transductor de corriente
Fuente: pgina web. www.nxtphase.com Portal de descargas
Por ltimo, en la siguiente grfica se puede apreciar que la precisin del
sensor respecto a la respuesta a la frecuencia se da en una forma muy
horizontal, en donde no supera el 0.15% de error en la amplitud. A 60HZ el
error es menor al 0.1%. Esta respuesta a la frecuencia lo hace un
instrumento ideal para aplicaciones de monitoreos de lnea, calibraciones en
vivo, y generacin de altas corrientes.
Figura 13. Porcentaje de error de amplitud vrs Frecuencia para transductor de
corriente
Fuente: pgina web. www.nxtphase.com Portal de descargas
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2.3.3 Ventajas del transductor ptico de corriente
Algunas de las ventajas del transductor ptico de corriente ya semencionaron anteriormente, sin embargo en este inciso se enumeran las
ventajas ms importantes en la utilizacin de estos equipos.
Ventajas de operacin:
- La precisin excede las normas ANSI/IEEE clase 0.15 e IEC
clase 0.2S
- Un largo rango dinmico.
- Un ancho de banda desde CD hasta la armnica +100th- Buen funcionamiento en regiones altamente ssmicas.
- El usuario configura la relacin de transformacin.
- No existe la saturacin del transformador
- Excelente precisin de fases.
Ventajas ambientales y en seguridad:
- No utiliza aislamiento de aceite o SF6
- No existe riesgo de secundarios en circuito abierto
- No se da la ferroresonancia
- Aislamiento galvnico de la lnea de alta tensin.
Ventajas en la instalacin e innovaciones:
- El peso es un 10% de un transformador de corriente
convencional.
- El voltaje y la corriente pueden estar combinados en un equipo.
- Medicin de corriente cero.
- El mismo instrumento para medicin, proteccin y calidad de
energa.
- Capaz de monitorearse a si mismo.
- La interfase grfica es amigable y permite el monitoreo del
sistema y la modificacin de los parmetros.
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- Simplifica el diseo de la subestacin un solo diseo para
mltiples aplicaciones.
2.4 Transductor ptico de voltaje
2.4.1 Principio de operacin del transductor ptico de voltaje
Las tecnologa en la fabricacin de transductores de voltaje y corriente
pticos esta emergiendo en el sector elctrico con muchas ventajas
respecto de los transformadores de instrumento convencionales, basados en
acoplamientos inductivos o capacitivos.
Para medir voltaje por medio del campo elctrico, se puede utilizar uno
de dos principios bsicos: la integracin del campo elctrico y el blindaje del
campo elctrico. Para implementar el mtodo de la integral de lnea del
campo elctrico se debe combinar ya sea, un gran efecto Pockels, o fibra
ptica con elementos piezoelctricos, o una distribucin uniforme del efecto
Pockels, o sensores de fibra ptica con elementos piezoelctricos entre una
terminal en alto voltaje y una terminal de tierra. El transductor detecta la
componente longitudinal del campo elctrico entre terminales. Esto da una
medida de la integral de lnea de la componente longitudinal del campo
elctrico que es proporcional al voltaje.
La implementacin de blindar el campo elctrico involucra encerrar una
regin entre las terminales de alto voltaje y tierra por medio de paredes
metlicas, y la colocacin de un sensor de campo electro-ptico en algn
lugar de la regin encerrada. La geometra en esta regin es determinada y
se asla de influencias elctricas externas, por lo que el campo elctrico
medido en cualquier punto de la regin da una medida del voltaje.
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Debido al tamao limitado de los elementos sensores
(aproximadamente 25cm) en el caso de implementar una integracin de
lnea y debido a que el espacio es limitado en el caso de un blindajemetlico, las terminales metlicas en ambos casos deben estar lo mas cerca
una de la otra, resultando en un gran estrs de campo elctrico presente a
altos voltajes. Por lo tanto, un aislamiento poco ambiental como el SF6, se
requiere para soportar el estrs en los transductores pticos de voltaje.
El transductor de la firma NXTPHASE utiliza un mtodo eficiente de
integral de lnea, conocido como el mtodo en cuadratura, y un nuevo
mtodo para el blindaje del campo elctrico, conocido como blindaje porpemitividad. Ambos mtodos, junto con tres sensores pticos para campo
elctrico miden la tensin con muy buena precisin.
El mtodo en cuadratura es utilizado para escoger las posiciones,
pesos, y las salidas de los sensores, para reproducir una integracin de lnea
ptima del campo elctrico. El blindaje por permitividad es utilizado para
reducir las perturbaciones al campo elctrico debidas por el acercamiento
entre fases, movimientos de equipos cercanos, y contaminacin en el
exterior del transductor. Este mtodo permite que el transductor tenga
electrodos internos con gran separacin, eliminando la utilizacin de SF6. En
lugar de SF6 el transductor utiliza gas nitrgeno a una presin mayor de
14psi-g para el aislamiento.
El transductor esta dentro de una columna aislante. Adems, resistores
cilndricos huecos estn montados dentro del aislador extendindose entre
dos electrodos colocados a los extremos del aislador, lo anterior permite el
blindaje por permitividad. Tres sensores de campo elctrico en miniatura
estn posicionados dentro de las resistencias de acuerdo al mtodo de
cuadratura. Los dimetros de los aisladores son aproximadamente de 0.3m
a 0.5m, su altura entre 1.5m y 2.7m para 138KV y 345KV respectivamente.
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El transductor cuenta con seales de salidas digitales y anlogas. Las
seales anlogas pueden ser a bajo voltaje (4V) y a alto voltaje (69V o
115V). La seal digital es la seal natural del instrumento, mientras que laseal anloga es derivada de la seal digital. Todas las seales tienen un
retraso en el tiempo de cuatro microsegundos, debido al procesamiento
digital. El desplazamiento de fase es establecido a cero utilizando la
compensacin digital de fase.
A continuacin se detalla el proceso de medicin del instrumento:
El sensor de voltaje con tecnologa ptica esta basado en el efectoPockels, reproduce una medida de gran precisin utilizando mltiples
sensores pticos con un peso promedio determinado.
Figura 14. Lneas de campo de los sensores de voltaje
Fuente: pgina web. www.nxtphase.com Portal de descargas
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El voltaje en un conductor crea un campo elctrico entre el conductor y
tierra. Un modulo opto-electrnico especial en el cuarto de control, enva una
seal de luz desde un LED por medio de fibra ptica. La seal viaja haciaarriba en la columna aisladora del transductor. La seal de luz entra en
cristales electro-pticos (una celda pockels ), localizados en tres puntos
estratgicos de la columna aislante de la alta tensin del transductor.
Figura 15. Celdas Pockels
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Mientras la seal de luz atraviesa el cristal, el campo elctrico cambia
su polarizacin circular a una polarizacin elptica. Midiendo la elipticidad
relativa en cada eje del cuadrante en la salida del cristal, se obtiene unamedida precisa del campo elctrico.
Figura 16. Cambio en la polarizacin de la luz
Fuente: pgina web. www.nxtphase.com Portal de descargas
La informacin es tomada de los tres cristales o sensores
estratgicamente colocados a lo largo de la columna. La informacin es
combinada para reproducir una medida altamente precisa del voltaje. Lamedida de voltaje es inmune a influencias externas tales como la presencia
de otras estructuras de alto voltaje o contaminacin superficial.
Figura 17. Transductor ptico de voltaje
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2.4.2 Diseo del transductor ptico de voltaje
El mtodo en cuadratura, que se define en esta seccin, es el principiode operacin del transductor ptico de voltaje. La teora electromagntica
indica que el voltaje entre dos puntos a y b, puede expresarse como la
integral de lnea de la componente del campo elctrico que es tangente a la
lnea que une a y b. Tomando la integracin del camino a lo largo de a y b,
adems,suponiendo que se encuentra en el eje x, y aproximando la integral
por medio de una suma de pesos se formula lo siguiente:
Donde: Ei es la componente x del campo elctrico. N es el
nmero de muestra, (Xi) es la posicin de la muestra, y es el peso de
las muestras.
El mtodo en cuadratura determina algunos elementos bsicos del
diseo como: el nmero de sensores (N), en donde exactamente deben
estar localizados (Xi), y cual debe ser el peso de cada salida. ( )
La integral asume una geometra particular para el transductor ptico
de voltaje, un sistema definido sin perturbaciones, y un inesperado caso de
perturbacin extrema del campo a lo largo del camino de integracin.
Un sistema sin perturbaciones se define como una configuracin
particular de conductores y un medio, en donde existe para cada cual, un
particular campo elctrico Ex a lo largo del eje x, entre a y b, definido
como , o el campo Ex sin perturbacin.
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El sistema sin perturbaciones del transductor ptico de voltaje consiste
en situar el transductor en un plano de tierra, donde eje x es tomado como el
eje de simetra del transductor ptico. Para el TOV el espacio entre loselectrodos a y b, es de 2.16m. En la siguiente figura se muestra la
simulacin .
Figura 18. Campo elctrico vrs la distancia en el sensor
Fuente: pgina web. www.nxtphase.com Portal de descargas
Despus de verificar la precisin necesaria para el comportamiento de
Ex en condiciones de perturbacin, se ha determinado que tres sensores de
campo son suficientes para disear el transductor ptico de voltaje. El
transductor para 230KV debe cumplir con las normas de la industria en
relacin a los niveles de precisin (IEC 0.2%), y debe mantener la precisin
durante cambios externos en los equipos vecinos de la subestacin, que
afectaran la geometra externa en el diseo del transductor. La mnima
libranza normalizada entre dos equipos de alta tensin en una subestacin,
se ajusta al rango mximo de perturbaciones. En general, si los cambios en
la geometra son ms cercanos al transductor, mayor es la distorsin del
campo elctrico dentro del transductor, y por lo tanto, se requiere un mayor
nmero de sensores N para asegurar la precisin.
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Varios tipos de perturbaciones fueron simulados durante pruebas y el
resultado fue una medida de voltaje con un error menor de 0.2% para
perturbaciones tales como cambios en las fases de los equipos vecinos y elacercamiento de una esfera conductora.
El mtodo en cuadratura, junto con la componente del grfico
del campo sin perturbacin y el nmero N escogido, sirven para determinar
la localizacin y el peso de cada sensor. En la siguiente tabla se puede
apreciar este hecho.
Tabla I. Posiciones y pesos calculados para el sensor
Los sensores fueron montados en las posiciones indicadas por la
muestra y la salida del sensor alimenta a un modulo electrnico para calcular
el voltaje en tiempo real. En el clculo de la integracin se asume que los
sensores de campo elctrico idealmente miden solamente una componente
del campo elctrico en un solo punto.
Cada sensor individual es realmente un cristal miniatura cilndrico de
efecto Pockels, con 2cm de alto y 3.5mm de dimetro y el eje es alineado
con el eje de simetra del aislador. Debido al sensor, la luz que viaja a travs
del eje del cristal es modulada por la componente axial del campo elctrico.
En cambio, el modulo electrnico que procesa la seal, demodula la seal y
luego integra el campo elctrico en tiempo real.
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2.4.3 Precisin del transductor ptico de voltaje
El transductor ptico de voltaje es comnmente utilizado enaplicaciones de medicin, en donde involucra la cuantificacin de la energa
despachada. En esta aplicacin la precisin del instrumento es de suma
importancia. En aplicaciones de monitoreo de la calidad de energa se
involucra al sensor con la medicin del contenido harmnico en la energa
despachada y esta limitado al rango de frecuencias de los instrumentos.
Un transductor ptico de voltaje cuenta regularmente con un gran
ancho de banda y gran rango dinmico, manteniendo la precisin sobre elrango.
En la siguiente figura se puede observar la linealidad en la precisin del
transformador ptico de voltaje.
Figura 19. Precisin del transductor ptico de voltaje
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En la grfica se puede observar que los errores de fase y de relacin
de transformacin para diferentes mediciones esta lejos de acercarse al
limite del 0.2% de la clase de precisin IEC. La precisin en la medicin semantiene lineal a lo largo de todo el rango dinmico de medicin del
instrumento.
En el siguiente grfico se puede observar el gran ancho de banda que
tiene el instrumento, y su respuesta a la frecuencia. Esta caracterstica lo
hace un instrumento ideal para aplicaciones de calidad de energa y de
medicin de tensin en corriente directa. El ancho de banda del instrumento
es de 40kHz.
Figura 20. Respuesta en la salida a la frecuencia del sensor de voltaje
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2.4.4 Ventajas del transductor ptico de voltaje
Despus de describir el funcionamiento, diseo y caractersticas del
transductor ptico de voltaje se pueden definir claramente sus ventajas
sobre los transformadores de potencial convencionales. El transductor ptico
de voltaje mantiene su precisin sobre un ancho rango de temperatura,
sobre un gran ancho de banda, y bajo disturbios ambientales incluyendo la
contaminacin y el hielo.
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El transductor cumple con las distancias dielctricas de alto voltaje
requeridas y cumple con las normas ms relevantes de la IEC e IEEE. El
transductor no utiliza SF6, ni aceite dielctrico y esta disponible para variasclases de voltajes hasta 550KV. Tambin puede estar combinado en un
solo equipo con el transductor ptico de corriente.
A continuacin se detallan las diferentes ventajas del instrumento:
Ventajas de operacin:
- La precisin excede las normas ANSI/IEEE clase 0.15 e IEC
clase 0.2S- Un ancho rango dinmico de operacin.
- Un ancho de banda desde CD hasta la harmnica +100th
- Buen funcionamiento en regiones altamente ssmicas.
- No existe la saturacin del transformador
- Excelente precisin de fases.
Ventajas ambientales y en seguridad:
- No utiliza aislamiento de aceite o SF6
- No se da la ferroresonancia
- Aislamiento galvnico de la lnea de alta tensin.
Ventajas en la instalacin e innovaciones:
- El peso es un 10% de un transformador de corriente
convencional.
- El voltaje y la corriente pueden estar combinados en un equipo.
- El mismo instrumento para medicin, proteccin y calidad de
energa.
- Capaz de monitorearse a si mismo.
- La interfase grfica es amigable y permite el monitoreo del
sistema y la modificacin de los parmetros.
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- Simplifica el diseo de la subestacin un solo diseo para
mltiples aplicaciones.
2.5 Transductor ptico de voltaje y corriente
2.5.1 Ventajas del transductor ptico de voltaje y corriente
El sensor ptico de voltaje y corriente combina las ventajas de los dos
transformadores de medicin pticos estudiados en las secciones
anteriores, en un solo instrumento para voltajes hasta 550KV.
Su tamao reducido y su peso comparado con los transformadores
sumergidos en aceite convencionales permiten su instalacin en
subestaciones compactas o en subestaciones existentes donde el espacio
es limitado. El instrumento combinado reemplaza algunos equipos
convencionales y permite flexibilidad en el diseo de la subestacin. A
continuacin se describen algunas de las ventajas del transductor.
En cuanto a la precisin para medicin el diseo del transductor
permite mediciones excediendo la clase de precisin IEC 0.2. En cuanto a la
proteccin, el transductor tambin excede los requerimientos de la IEC e
IEEE.
La precisin es mantenida dentro de un ancho rango dinmico desde 1
hasta 3000A con la capacidad del usuario de escoger la relacin de
transformacin.
El transductor reproduce una precisa forma de onda dentro de un gran
ancho de banda, lo que lo hace ideal para el anlisis de harmnicos y
transitorios para aplicaciones de calidad de energa.
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El peso liviano del transductor reduce los costos de transporte, de la
estructura de soporte del sensor, y el equipo para la instalacin. El peso
liviano tambin permite la instalacin del sensor en reas sismicamenteactivas.
La columna del transductor no contiene SF6 ni aceite. Las terminales
de alto voltaje y las de tierra estn bastante separadas hasta arriba y abajo
del sensor respectivamente, reduciendo significativamente la posibilidad de
falla. No hay problemas por restricciones ambientales o gas que haya que
reciclar. Con el diseo ptico no hay problemas por secundarios abiertos de
los transformadores de corriente o ferroresonancia en el transformador depotencial.
Por ltimo, para el transductor ptico de voltaje y corriente se requiere
poco mantenimiento debido a que no contiene componentes activos al
voltaje de lnea. No necesita pruebas peridicas del factor de disipacin. La
electrnica situada en el cuarto de control tiene la capacidad de auto
diagnosticarse. La columna aislante del transductor es por sus componentes
de hule y silicn no necesita limpiarse.
2.5.1 Precisin del transductor ptico de voltaje y corriente
Como se dijo anteriormente el transductor combina las ventajas de
voltaje y corriente de los dos transformadores pticos individuales. El diseo
del mismo es una combinacin de ambos transductores, por lo tanto el
sensor excede la precisin requerida por las normas IEC 0.2 e IEEE 0.3.
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Los grficos con relacin a la precisin son exactamente los mismos
descritos en las secciones anteriores.
Figura 21. Diseo del transductor ptico de voltaje y corriente
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2.6 Transductores pticos para proteccin y medicin
2.6.1 Consideraciones tcnicas para el uso de transductores
para medicin
Debido a que las seales de los transductores pticos de medicin son
inherentemente digitales, hay que tomar en consideracin el tipo de entradas
que contienen y aceptan los equipos secundarios a donde van ha ir
conectados los instrumentos de medicin.
Lo ideal para el uso de estos nuevos equipos de medicin sera tener
nicamente dispositivos secundarios inteligentes que aceptan las seales
digitales, pero estos dispositivos todava estn en proceso de prueba y se
cree que se fabricaran comercialmente dentro de unos aos.
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En estos momentos los fabricantes de los transductores pticos,
fabrican equipos de conversin y amplificacin capaces de convertir las
seales digitales a seales anlogas para que los medidores acepten lasseales de entrada. Los dos tipos de seales a las que se pueden convertir
la palabra digital del transductor son: seales anlogas de alta energa y
seales anlogas de baja energa. Este tipo de seales se detallara en el
capitulo cuatro.
La seal anloga de alta energa es la ms apropiada cuando se
utilizan los transductores pticos para medicin. Esta interfase permite la
instalacin de los sensores pticos y el medidor como si se estuvieranutilizando transformadores de medicin convencionales. La medicin optima
se obtiene cuando se utiliza un medidor clase 2, el medidor acta con la
seal de 1 A de la salida anloga de alta energa. Cualquier medidor clase
20 comercialmente disponible en el mercado puede hacer interfase con la
seal de salida de 1 A del transductor ptico de corriente. La precisin
global del sistema de medicin es superior a la precisin de un sistema
utilizando medidores clase 20 y transformadores convencionales de
medicin.
2.6.2 Consideraciones tcnicas para el uso de transductores
pticos para proteccin.
La interfase anloga de baja energa es la ms apropiada para la
utilizacin de transductores pticos para aplicaciones de proteccin. La
mayora de fabricantes de relevadores de proteccin soportan entradas
anlogas de baja energa. El comit de Relevadores para Sistemas de
Potencia de la IEEE tiene un grupo de trabajo que esta desarrollando la
normativa para el uso practico de las seales anlogas de baja energa para
los relevadores.
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Las seales anlogas de baja energa tienen ventaja sobre las de alta
energa que tiene solamente una etapa de amplificacin y cumplen con los
requerimientos de las normas para salidas durante eventos de falla.
Las normas de proteccin piden que el instrumento de medicin sea
capaza de hacer una replica de la corriente de veinte veces la corriente
nominal (20 A en este caso) durante 100ms durante eventos de falla.
Cualquier tipo de interfase, alta o baja energa, puede ser utilizada para
los transformadores pticos de voltaje para aplicaciones de proteccin. La
seal anloga de alta energa cumple con los estndares al igual que lostransformadores de potencial convencionales, incluyendo el voltaje nominal
de seal de salida del transductor. En general, utilizar la seal anloga de
baja energa es una mejor decisin de diseo, ya que elimina la etapa de
amplificacin requerida por la seal anloga de alta energa.
2.7 Referencias de tranductores pticos instalados en el mundo
A continuacin se listan algunas referencias de transductores pticos
de corriente instalados en subestaciones de diferentes lugares del mundo.
Para abreviar en la columna de equipos se describe:
TOVC = Transductor ptico de voltaje y corriente combinado
TOC= Transductor ptico de corriente
TOC-DC= Transductor ptico de corriente para corriente directa
TOV= Transductor ptico de voltaje
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Tabla II. Referencias de transductores pticos instalados en el mundo
NO. EQUIPO VOLTAJE CLIENTE APLICACION LUGAR
1 VCT 230 KV BC HYDRO Proteccin Subestacin de
Ingledow, Surrey,
BC, Canada
2 VCT 138 KV Hydro Qubec Medicin para
Facturacin
Estacin de turbina
de gas Rolls Royce.
Montreal, PQ
3 VCT 230 KV Servicio Publico
de Arizona
Medicin y
Proteccin
Subestacin de
Deer Valley,
Phoenix, AZ
4 VT 500 KV BC HYDRO Calibracin Laboratorio de
Prueba
POWERTECH
6 VCT 500 KV BC HYDRO Medicin para
Facturacin
Subestacin de
Ingledow, Surrey,
BC, Canada
7 CT 230 KV
Northern
California Power
Authority
Medicin para
Facturacin
Plata Geotermica,
Sonoma County,
CA
8 VCT 345 KV American Electric
Power
Proteccin y
Medicin
Proyecto, PSERC
Columbus, OHIO
9 VT 138 KV Portland General
Electric
Calibracin Prtland, Oregon
10 VT 138 KV LACTEC Calibracin Brazil
11 VCT 138 KV Commonwealth
Edison
Facturacin Mendoza Hills,
ILLINOIS
12 VT 138 KV Hydro One
Monitoreo de
Transitorios (PQ)
Toronto,
ONTARIO
13 CT 115KV Alabama Power Facturacin Sylacauga, AL
14 CT LV NIST Calibracin de TCs Gaithersburg, MD
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Tabla II. Referencias de transductores pticos instalados en el mundo
NO. EQUIPO VOLTAJE CLIENTE APLICACION LUGAR
15 CT 138KV Prtland General
Electric
Medicin y
Proteccin
Prtland, Oregon,
Subestacin Movil
16 VCT 345 KV Xcel Energy Facturacin Lamar,
interconexin CO
17 VCT 138 KV Commonwealth
Edison
Facturacin Crescent Ridge, IL
18 CT-DC 50 KA EKA Chemicals Medicin Magog, Qubec
19 CT 115 KV Entergy Facturacin Amite, LA
20 CT-DC 260 KA DynAmp Alcan Proteccin y
Medicin
Laterrier, Qubec
21 CT 420 KV VA TECH
ENEL
Proteccin de
Interruptor
Italia, Terna
(Candia)
22 CT 420 KV VA TECH NGT
UK
Proteccin de
Interruptor
Reino Unido,
Sundon
23 CT 420 KV VA TECH
Wienstrom
Medicin y
Proteccin
Austria
24 CT-DC 80 KA DynAmp Alcan Proteccin y
Medicin
Beauharnouis,
Qubec, Canada
25 CT-DC 350 KA DynAmp Rusal Proteccin y
Medicin
Sayanagorsk, Rusia
26 VCT 230 KV Prtland General
Electric
Medicin y
Proteccin
Prtland, OR
27 VCT 230 KV APS Medicin y
Proteccin
Phoenix, Arizona
28 CT 230 KV Alta Link Proteccin de
Banco de
Capacitores
Alberta, Canada
29 CT-DC 69 KV Areva/HydroQubec
Proteccin decompensacin
esttica de VARs
Qubec Canada,Proyecto De-
Icer
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3. FIBRAS PTICAS
3.1 Generalidades
Los sistemas clsicos de comunicacin utilizan seales elctricas
soportadas por cable coaxial, radio, etc., segn el tipo de aplicacin. Estos
sistemas presentan algunos inconvenientes que hacen necesario buscar
otras vas para la transmisin de datos.
Los sistemas de comunicacin por fibra ptica utilizan la energa
luminosa como soporte. Presentan un conjunto importante de ventajas sobre
otros soportes utilizados en la transmisin de seales analgicas y digitales.
Entre ellas estn:
- Gran ancho de banda, lo que permite la transmisin de un gran
volumen de informacin.
- Atenuacin baja. Permite realizar enlaces de mayor longitud sin
necesidad de repetidores. La atenuacin depende del tipo de
fibra ptica y de la longitud de onda utilizada.
- Inmunidad a interferencias electromagnticas. La fibra ptica
es absolutamente inmune a las radio interferencias e impulsos
electromagnticos, presentando un menor ndice de errores enla transmisin de seales digitales. Esto es de gran importancia
en aplicaciones de control industrial donde se genera gran
cantidad de ruido.
- Seguridad y aislamiento elctrico.
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- En determinadas aplicaciones de ambientes peligrosos las
fibras pticas son imprescindibles debido a la imposibilidad de
producir descargas elctricas o chispas.
- Menor peso y volumen. Comparando las fibras pticas y los
cables coaxiales necesarios para obtener las mismas
prestaciones, las primeras ocupan un volumen muy inferior y
tienen menor peso.
- Seguridad frente a posibles intervenciones de la lnea. Aunque
no es imposible pinchar una fibra ptica, esto es ms difcilque en otros soportes y normalmente se puede detectar la
intervencin.
La fibra ptica tambin presenta algunos inconvenientes que no hay
que olvidar. Por ejemplo:
- No hay una estandarizacin de los productos, lo que plantea
problemas de compatibilidad.
- Las tcnicas de empalme son complejas y necesitan de equipos
muy caros y personal muy cualificado.
- La instalacin de los conectores es compleja y requiere un
personal con formacin adecuada.
- La fibra ptica puede se daada. Al igual que el cable de cobre, la
fibra ptica puede ser deteriorada por excavaciones, corrimiento
de tierras, vandalismo y accidentes.
Conceptualmente, y en determinados aspectos, un sistema por fibra
ptica es similar a un sistema de microondas va radio. Las principales
diferencias son la frecuencia y el medio de transmisin.
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El principio en que se basa la transmisin de luz por la fibra es la
reflexin interna total; la luz que viaja por el centro o ncleo de la fibra incide
sobre la superficie externa con un ngulo mayor que el ngulo crtico, deforma que toda la luz se refleja sin prdidas hacia el interior de la fibra. As,
la luz puede transmitirse a larga distancia reflejndose miles de veces. Para
evitar prdidas por dispersin de luz debida a impurezas de la superficie de
la fibra, el ncleo de la fibra ptica est recubierto por una capa de vidrio con
un ndice de refraccin mucho menor; las reflexiones se producen en la
superficie que separa la fibra de vidrio y el recubrimiento.
3.2 Caractersticas de un sistema de medicin con fibra ptica.
Una fibra ptica consiste en un filamento transparente llamado ncleo,
cuyo dimetro est entre 8 y 600 micras dependiendo del tipo de fibra ptica,
y un revestimiento exterior, ambos de cuarzo o plstico, ms una cubierta
protectora de material plstico.
La capacidad de transmisin de informacin que tiene una fibra ptica
depende de tres caractersticas fundamentales:
a) Del diseo geomtrico de la fibra.
b) De las propiedades de los materiales empleados en su elaboracin.
(Diseo ptico)
c) De la anchura espectral de la fuente de luz utilizada.
La mayora de las fibras pticas se hacen de arena o slice, materia
prima abundante en comparacin con el cobre. Con unos kilogramos de
vidrio pueden fabricarse aproximadamente 43 kilmetros de fibra ptica. Los
dos constituyentes esenciales de las fibras pticas son el ncleo y el
revestimiento.
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El ncleo es la parte ms interna de la fibra y es la que gua la luz,
consiste en una o varias hebras delgadas de vidrio o de plstico con
dimetro de 50 a 125 micras. El revestimiento es la parte que rodea yprotege al ncleo.
El conjunto de ncleo y revestimiento est a su vez rodeado por un
forro o funda de plstico u otros materiales que lo resguardan contra la
humedad, el aplastamiento, los roedores, y otros riesgos del entorno.
Las principales variantes en cuanto a la construccin son:
1. Tubo suelto. Cada fibra est envuelta en un tubo protector.
Figura 22. Fibra ptica de tubo suelto
Fuente: pgina web. www.ilustrados.com Portal de Fibra ptica
2. Fibra ptica restringida. Rodeando al cable hay un bfer primario y uno
secundario que proporcionan a la fibra proteccin de las influencias
mecnicas externas que ocasionaran rompimiento o atenuacin excesiva.
Figura 23. Fibra ptica restringida
Fuente: pgina web. www.ilustrados.com Portal de fibra ptica
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2. Hilos mltiples: Para aumentar la tensin, hay un miembro
central de acero y una envoltura con cinta de Mylar.
Figura 24. Fibra ptica de mltiples hilos
Fuente: pgina web. www.ilustrados.com Portal de Fibra ptica
3. Listn: Empleada en los sistemas telefnicos Tiene varios
miembros de fuerza que le dan resistencia mecnica y dos
capas de recubrimiento protector trmico.
Figura 25. Fibra ptica tipo liston
Fuente: pgina web. www.ilustrados.com Portal de Fibra ptica
En la foto de abajo se observa un cable de fibra ptica.
Figura 26. Muestra de fibra ptica
Fuente: pgina web. www.wikipedia.org Portal de Fibra ptica
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Los tres tipos de fibra ptica:
La fibra a salto de ndice 200/380 micrmetros, constituida de uncorazn y de una faja ptica en vidrio de diferentes ndices de refraccin.
Esta fibra provoca de parte de la importante seccin del corazn, una
dispersin grande de las seales que la atraviesan, es lo que genera una
deformacin de la seal recibida.
La fibra a gradiente de ndicecuyo corazn est constituido de lechos
de vidrio sucesivos teniendo un ndice de refraccin prximo. Se aproxima
as a una igualacin de los tiempos de propagacin, lo que quiere decir que
se ha reducido la dispersin nodal. Banda pasante tpica 200-1500Mhz por
km.
La fibra monomodo cuyo corazn es tan fino que el camino de
propagacin de los diferentes modos es prcticamente directo. La dispersin
nodal se hace casi nula. La banda pasante transmitida es casi infinita
(> 10Ghz/km). Esta fibra es utilizada esencialmente para los sitios a
distancia.
Figura 27. Tipos de fibra ptica
Fuente: pgina web. www.wikipedia.org Portal de Fibra ptica
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Las fibras del tipo salto de ndice y de gradiente de ndice son fibras
multimodales. La fibra de salto de ndice es til para distancias cortas
(menores a 2km) por tener las prdidas ms altas y el ancho de banda mas
reducido.
3.2.1 Elementos bsicos de un sistema de medicin con fibra
ptica.
Los bloques principales de un enlace de comunicaciones de fibra ptica
son:
Transmisor
Receptor
Gua de fibra
El transmisor consiste de una interfase analgica o digital, un
conversor de voltaje a corriente, una fuente de luz y un adaptador de fuente
de luz a fibra.
La gua de fibraes un vidrio ultra puro o un cable plstico.
El receptor incluye un dispositivo conector, un fotodetector, un
conversor de corriente a voltaje un amplificador de voltaje y una interfase
analgica o digital.
En un transmisor de fibra ptica la fuente de luz se puede modular por
una seal anloga o digital.
Acoplando impedancias y limitando la amplitud de la seal o en pulsos
digitales. El conversor de voltaje a corriente sirve como interfase elctrica
entre los circuitos de entrada y la fuente de luz.
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La fuente de luz puede ser un diodo emisor de luz LED o un diodo deinyeccin lser ILD, la cantidad de luz emitida es proporcional a la corriente
de excitacin, por lo tanto el conversor voltaje a corriente convierte el voltaje
de la seal de entrada en una corriente que se usa para dirigir la fuente de
luz. La conexin de esa fuente a la fibra es una interfase mecnica cuya
funcin es acoplar la fuente de luz al cable.
La fibra ptica consiste de un ncleo de fibra de vidrio o plstico, una
cubierta y una capa protectora. El dispositivo de acoplamiento del detector
de fibra a luz tambin es un acoplador mecnico.
El detector de luz generalmente es un diodo PIN o un APD (fotodiodo
de avalancha). Ambos convierten la energa de luz en corriente. En
consecuencia, se requiere un conversor corriente a voltaje que transforme
los cambios en la corriente del detector a cambios de voltaje en la seal de
salida.
3.2.2 Sistema de comunicacin por fibra ptica
En un sistema de comunicacin por fibra ptica existe un transmisor
que se encarga de transformar las ondas electromagnticas en energa
ptica o en luminosa, por ello se le considera el componente activo de este
proceso. Una vez que es transmitida la seal luminosa por las minsculas
fibras, en otro extremo del circuito se encuentra un tercer componente al que
se le denomina detector ptico o receptor, cuya misin consiste en
transformar la seal luminosa en energa electromagntica, similar a la sealoriginal.
El sistema bsico de transmisin se compone en este orden, de seal
de entrada, amplificador, fuente de luz, corrector ptico, lnea de fibra ptica
(primer tramo ), empalme, lnea de fibra ptica (segundo tramo), corrector
ptico, receptor, amplificador y seal de salida.
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En resumen, se puede decir que este proceso de comunicacin, la fibra
ptica funciona como medio de transportacin de la seal luminosa,
generado por el transmisor de LEDS (diodos emisores de luz) y lser.
Los diodos emisores de luz y los diodos lser son fuentes adecuadas
para la transmisin mediante fibra ptica, debido a que su salida se puede
controlar rpidamente por medio de una corriente de polarizacin. Adems
su pequeo tamao, su luminosidad, longitud de onda y el bajo voltaje
necesario para manejarlos son caractersticas atractivas.
La fibra ptica se emplea cada vez ms en la comunicacin, debido a
que las ondas de luz tienen una frecuencia alta y la capacidad de una seal
para transportar informacin aumenta con la frecuencia. En las redes de
comunicaciones se emplean sistemas de lser con fibra ptica. Hoy
funcionan muchas redes de fibra para comunicacin a larga distancia, que
proporcionan conexiones transcontinentales y transocenicas.
Una ventaja de los sistemas de fibra ptica es la gran distancia que
puede recorrer una seal antes de necesitar un repetidor para recuperar su
intensidad. En la actualidad, los repetidores de fibra ptica estn separados
entre s unos 100 km, frente a aproximadamente 1,5 km en los sistemas
elctricos. Los amplificadores de fibra ptica recientemente desarrollados
pueden aumentar todava ms esta distancia.
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3.2.3 Ventajas y desventajas del uso de fibra ptica
VENTAJAS
La fibra ptica hace posible
navegar por Internet a una
velocidad de dos millones de
bits por segundo.
Acceso ilimitado y continuo
las 24 horas del da, sin
congestiones.
Video y sonido en tiempo real.
Fcil de instalar.
Es inmune al ruido y las
interferencias, como ocurre
cuando un alambre telefnico
pierde parte de su seal a
otra.
Las fibras no pierden luz, porlo que la transmisin es
tambin segura y no puede
ser perturbada.
Carencia de seales
elctricas en la fibra, por lo
que no pueden dar sacudidas
ni otros peligros. Son
convenientes para trabajar enambientes explosiv