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CONVENIENCIA DEL USO DE FIBRA OPTICA EN TRANSFORMAD ORES DE POTENCIAL Y DE CORRIENTE

JAVIER ADALBERTO URREA BELTRAN

ANDRÉS FELIPE CARDONA GOMEZ

ESCUELA TECNOLÓGICA INSTITUTO TÉCNICO CENTRAL

INGENIERIA ELECTROMECÁNICA

BOGOTÁ

2016

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CONVENIENCIA DEL USO DE FIBRA OPTICA EN TRANSFORMAD ORES DE POTENCIAL Y DE CORRIENTE

JAVIER ADALBERTO URREA BELTRÁN

ANDRÉS FELIPE CARDONA GOMEZ

Tesis de grado para optar el título de ingeniero el ectromecánico

Asesor

Myriam Herrera Paloma

Doctora En Física Óptica Aplicada

ESCUELA TECNOLÓGICA INSTITUTO TÉCNICO CENTRAL

INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

BOGOTÁ

2016

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Nota de aceptación

______________________________

______________________________

______________________________

______________________________

______________________________ Firma del presidente del jurado

______________________________ Firma del jurado

_____________________________ Firma del jurado

Bogotá 27 de Mayo de 2016

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DEDICATORIA

Este trabajo se lo dedicamos a Dios por darnos la fuerza para poder concluir esta meta. También dedicarlo a nuestras familias por brindarnos siempre el apoyo necesario para salir adelante y a nuestra asesora de proyecto Myriam Herrera Paloma por brindarnos siempre su conocimiento y apoyo durante la ejecución del mismo.

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AGRADECIMENTOS

Damos gracias a Dios por darnos la oportunidad de cumplir una meta más en nuestra vida profesional, también gracias a nuestras familias por darnos la oportunidad de desarrollarnos como personas y como profesionales.

Un agradecimiento especial a la profesora Myriam Herrera Paloma por brindarnos su apoyo y conocimiento durante la ejecución de proyecto.

Y damos gracias a la Escuela Tecnológica Instituto Técnico Central por habernos dado la oportunidad de formarnos académicamente.

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GLOSARIO

• Atenuación: Es la pérdida de potencia sufrida en una señal (eléctrica, acústica u óptica) al transitar por cualquier medio de transmisión.

• Bahía electica: También se le llama módulo, es un conjunto de equipos que permiten la conexión de un activo eléctrico a un barraje, el activo puede ser: un transformador, una línea de trasmisión, un inductor, un capacitor, o una combinación de ellos.

• Barraje: Nodo o punto común de conexión en una subestación o instalación eléctrica.

• Burden: o Potencia Nominal de un Transformador de Corriente. Es la

capacidad de carga que se puede conectar a un transformador, expresada en VA o en Ohms a un factor de potencia dado. El término "Burden" se utiliza para diferenciarlo de la carga de potencia del sistema eléctrico. El factor de potencia referenciado es el del burden y no el de la carga.

• Disparo: Apertura de un interruptor debido a una falla real en su equipo

asociado. • Dispersión modal: Es un fenómeno que se presenta en la fibra óptica

multimodo en el cual un rayo de luz puede seguir diferentes trayectorias dentro de la fibra, haciendo que en el otro extremo haya distorsión de la señal.

• Espejo de primera cara: Elemento de laboratorio que refleja la luz sin que esta sufra fenómenos de refracción, debido a que la superficie reflejante no está detrás de un vidrio.

• IEC 61850: Norma sobre protocolo de comunicaciones que busca unificar criterios sobre la automatización de subestaciones eléctricas de alta potencia.

• I ED (Intelligent Electronic Device): Se refiere a un elemento numérico con procesador de datos como un relé un registrador de fallas, medidor eléctrico o similar que está en una subestación y que monitorea variables eléctricas, generalmente está integrado a una red de comunicaciones.

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• Mergin Unit: Este elemento como su nombre lo indica es una unidad de mezclado, es decir las señales de tensión y corriente son digitalizadas y enviadas a través de un solo canal de comunicaciones, ya sea este una red Ethernet en cobre o una red de fibra óptica que está interactuando con otros elementos de la subestación eléctrica.

• Nivel de tensión Alta tensión (AT): De acuerdo a la clasificación RETIE 2013 (Capítulo 2 artículo 12) y NTC 1340 de las redes eléctricas de corriente alterna en Colombia son redes con voltaje entre 57500 V y 230000 V.

• Paralaje: desviación angular de la posición aparente de un objeto,

dependiendo del punto de vista elegido.

• Puente de Shunt: Es una carga resistiva a través de la cual se deriva una corriente eléctrica.

• R ed PRP (Parallel Redundancy Protocol): es un diseño o arquitectura de

red donde hay dos sistemas de comunicaciones en servicio simultáneamente, si uno de los dos llegara a fallar, el otro está en capacidad de tomar todo el flujo de datos, cada IED está conectado, entregando y/o recibiendo información con las dos redes simultáneamente.

• R ed HSR (High Availablilty Seamless Redundacy): es una arquitectura de

red donde hay un anillo de comunicaciones entre todos los IED de forma que al abrirse un enlace el sistema permite continuar comunicando en la nueva condición ahora como dos redes radiales.

• SF6: Hexafluoruro de Azufre, es un gas obtenido en el laboratorio que se utiliza

en equipos eléctricos, como aislante para subestaciones o para cámaras de extinción de arco en interruptores de potencia.

• Sistema de Auxiliares: Instalación eléctrica de corriente alterna y continua

que permite alimentar las fuentes de equipos esenciales en el funcionamiento de la subestación, tales como relés, medidores, interruptores, seccionadores y controladores.

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EXCLUSIÓN DE RESPONSABILIDAD

“La Escuela Tecnológica Instituto Técnico Central, reconoce en todo momento los

derechos morales y patrimoniales del autor sobre todo trabajo de grado, la

institución velará porque ningún documento contenga ataques personales contra

persona alguna, antes bien se vea en ellos el anhelo de buscar la verdad y la

justicia”

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TABLA DE CONTENIDO

pág.

INTRODUCCIÓN 14

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 15

2. ANTECEDENTES 16

2.1. EQUIPOS ANÁLOGOS 18

2.2. EQUIPOS ELECTRÓNICOS 19

2.3. EQUIPOS NUMÉRICOS 21

2.4. ERRORES EN LA MEDIDA 22

3. DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 23

4. JUSTIFICACIÓN 24

5. OBJETIVOS 25

5.1. OBJETIVO GENERAL 25

5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 25

6. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 26

7. MARCO TEÓRICO 27

7.1 FUNDAMENTOS FÍSICOS EN LOS DISPOSITIVOS ÓPTICOS. 27

7.1.1. Efecto de Rotación de Faraday 27

7.1.2. Ley de ampere 28

7.1.3. Efecto Fotoeléctrico 30

7.2. EL LASER 31

7.3. TRANSDUCTOR DE CORRIENTE ÓPTICO 32

7.4. CONDUCTOR ELÉCTRICO 32

7.4.1. Tipos de conductores de cobre 33

7.4.2 Partes que componen los conductores eléctricos 33

7.4.3 Características de los aislantes 34

7.4.4 Clasificación de los conductores eléctricos de acuerdo a su aislación y número de hebras. 34

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7.4.5. Clasificación de los conductores eléctricos de acuerdo a sus condiciones de empleo. 35

7.4.6. Los conductores de cobre desnudos 35

7.4.7. Alambres y cables de cobre con aislación 35

7.5. FIBRA ÓPTICA 36

7.5.1 Clasificación de fibra óptica 36

7.5.1.1. Fibras ópticas mono-modo 37

7.5.1.2. Fibras ópticas multi-modo 37

7.5.1.3. Atenuación de la fibra óptica 38

7.5.1.4. Refractancia 40

7.5.1.5. Reflectancia 41

7.6. TRANSFORMADORES 42

7.6.1. Transformador convencional 42

7.6.1.1. Tipos y construcción de transformadores 42

7.6.1.2. Transformadores de corriente (CT) 43

7.6.1.3. Corrientes nominales 43

7.6.1.4 Ventajas del transformador 44

7.6.1.5. Desventajas transformador 44

7.6.2. Transformadores convencionales con salida óptica. 44

7.6.3. Transformador de corriente óptico (TCO) 46

7.6.3.1 Principio de funcionamiento del TCO 47

7.6.3.2. Ventajas transformador óptico 48

7.6.3.3. Desventajas del transformador óptico 49

7.7. NORMAS APLICABLES A ESTA TECNOLOGÍA 49

8. MARCO METODOLÓGICO 50

8.1. TIPO DE ESTUDIO 50

8.2. UNIDAD DE ANÁLISIS 50

8.3. UNIDAD DE ESTUDIO 50

8.4. UNIDAD DE TIEMPO 50

8.5. UNIDAD GEOGRÁFICA 51

8.6. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 51

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8.7. PARTICIPANTES 51

8.8. POBLACIÓN 51

8.9. INSTUMENTOS Y EQUIPOS 52

8.9.1. INSTRUMENTOS 52

8.9.2. EQUIPOS 52

9. DESARROLLO DEL PROYECTO 54

9.1 CARACTERIZACIÓN DE UN TRANSFORMADOR DE CORRIENTE TIPO INDUCTIVO 54

9.2. DEMOSTRACIÓN DE LA INDUCCIÓN DE FARADAY 56

9.3. IDENTIFICACIÓN DE COLORES MONOCROMÁTICOS Y POLICROMÁTICO 56

9.4. MONTAJE DEL INTERFERÓMETRO EN EL LABORATORIO 59

9.5. CÁLCULO DE INTENSIDAD DEL LASER POR MEDIO DE UNA 59

FOTOCELDA 59

9.6. DEMOSTRACIÓN DEL EFECTO DE ROTACIÓN DE FARADAY 60

Materiales: 60

10. ESTUDIO DE COSTOS 64

11. CONCLUSIONES 65

12. RECOMENDACIONDES 66

13. BIBLIOGRAFÍA 67

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LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. a).Transformador de tensión inductivo. b). Transformador de corriente tipo horquilla. 17

Figura 2. Amperímetro análogo 19

Figura 3. Diagrama transformador de tensión divisor capacitivo 20

Figura 4. a).Transformadores de tensión divisor capacitivo. b). Transformador corriente tipo invertido en módulos. 20

Figura 5. Transformador de instrumentación tipo combinado. 21

Figura 6. Voltimetro / Amperimetro Digital 22

Figura 7. Giro del plano de Polarización debido al Efecto Faraday 27

Figura 8. Líneas de campo magnético de los alambres 29

Figura 9. Efecto fotoeléctrico sobre un material 30

Figura 10. Átomo en estado excitado y en estado base. 31

Figura 11. Alambre 34

Figura 12. Cable 34

Figura 13. Fibra monomodo 37

Figura 14. Fibra multimodo 38

Figura 15. Índice de refracción en las fibras 38

Figura 16. Perdidas en la fibra óptica 40

Figura 17. Refracción de la luz 40

Figura 18. Fenomeno de reflexión 41

Figura 19. Fenómenos del rayo de luz en la fibra óptica 41

Figura 20. Transformador monofásico tipo núcleo 42

Figura 21. Partes transformador convencional con salida de fibra óptica 45

Figura 22. Rotación de la señal de salida con respecto a la de la entrada 46

Figura 23. Transformador de corriente óptico 47

Figura 24. Espectro lámpara de Mercurio 57

Figura 25. Espectro luz incandescente 58

Figura 26. Espectro luz laser 58

Figura 27. Montaje del laboratorio para el fenómeno de rotación de Faraday 61

Figura 28. Luz laser sin aplicar campo magnético 62

Figura 29. Luz laser cuando se aplica un campo magnético 62

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LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Atenuaciones típicas de diferentes fibras ópticas 39

Tabla 2. Resultados de la relación de transformación con TC de 30/5A 55

Tabla 3. Resultados experimento inducción de Faraday 56

Tabla 4. Resultados de la medición de la resistencia con una fotocelda a varias distancias 60

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INTRODUCCIÓN

Desde el inicio de la civilización el hombre ha buscado realizar sus tareas eficientemente, para ello se hizo usuario de la energía eléctrica y al ser masivo su uso, la cantidad de electricidad requerida aumentó y dada esta condición, se fue haciendo necesario transmitir cada vez más grandes cantidades de energía eléctrica. Para esto se ha requerido, en el caso de Colombia, voltajes del orden de 500 kV (kilovoltios) y corrientes en uso industrial del orden de 4 kA (kiloamperios). En Bogotá se recibe la potencia eléctrica del Sistema de Interconexión nacional a través de líneas de transmisión a 230 kV y 500 kV para luego ser distribuidas en un sistema a 115 kV y 57,5 kV que conecta las subestaciones donde se transforma al voltaje de distribución a media tensión a 11,4 kV y 34.5 kV. Desde que se construyeron los primeros sistemas eléctricos, se han creado dos sistemas de transmisión de potencia eléctrica, el sistema de Corriente Continua (CC) y el sistema de Corriente Alterna (CA), siendo necesario tener monitoreo exacto de estas magnitudes eléctrica. Para poder monitorear estas magnitudes eléctricas, se ha requerido el uso de transformadores de instrumentación que permiten tener un valor a escala de las magnitudes monitoreadas; tradicionalmente, se ha realizado mediante el uso de transformadores de instrumentación tipo inductivo y ahora se presentan alternativas que prometen ser eficientes, precisas y seguras; una de las cuales es el uso de transformadores de instrumentación de fibra óptica.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En el sistema eléctrico con nivel de tensión (AT) instalado en Bogotá, actualmente gran parte de los transformadores de instrumentación o medida, instalados son del tipo convencional, es decir del tipo pedestal; el inconveniente es que estos equipos introducen distorsiones a las señales debido a los efectos electromagnéticos. Ocurre especialmente al momento de presentarse una falla que involucre incremento de corriente, debido a que las elevadas corrientes tienden a saturar el núcleo ferromagnético de los transformadores trayendo como consecuencia medidas imprecisas en los valores de corriente y tensión. En funcionamiento normal, la impedancia propia del equipo y de los conductores de cobre asociados a los núcleos secundarios, hacen que se presenten errores en la medida secundaria de las magnitudes, este fenómeno es evidente en transformadores de corriente ya que se presenta: saturación, inducción entre cableado secundario y perdidas eléctricas debido al efecto Joule.

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2. ANTECEDENTES

Durante muchas décadas, la medición de intensidades en equipos de alta tensión se ha basado en transformadores voluminosos que podían pesar varias toneladas. En los sistemas o instalaciones eléctricas ha sido necesario tener un monitoreo adecuado de magnitudes eléctricas, estos métodos han ido evolucionado con el tiempo y los recursos disponibles en el mercado como también a las necesidades de los sistemas eléctricos. Las mediciones de intensidad y tensión son dos funciones clave en el control y la protección de las redes eléctricas. Tradicionalmente, se han llevado a cabo con los denominados transformadores de medida, aparatos voluminosos que pueden pesar varias toneladas. Hace tiempo que se piensa que los instrumentos basados en fibra óptica que aprovechan el efecto Faraday tienen un gran potencial como una atractiva nueva tecnología para la medición de la intensidad. El notable progreso alcanzado en las telecomunicaciones ópticas durante los últimos 20 años ha proporcionado componentes como fuentes luminosas, fibras ópticas, moduladores y fotodetectores que pueden reutilizarse para producir sensores de intensidad de fibra óptica (FOCS) que son fiables y comercialmente atractivos. Por otro lado, los FOCS también se han beneficiado del rápido desarrollo en los últimos años de los giroscopios de fibra óptica, que utilizan técnicas que aprovechan los mismos efectos físicos básicos. Cuando se hace necesario transportar energía eléctrica a largas distancias, por ejemplo por concentración de carga, lejos de centros de generación, se requiere elevar el voltaje mediante el uso de transformadores a niveles en los que es imposible monitorear directamente; entonces se requiere tener valores de tensión a escala, para esto se utilizan transformadores de voltaje, con relaciones de transformación típicas entre 100/1 y 20000/1 según su aplicación. (Carrillo Caicedo, 2007). En la actualidad, las intensidades en equipos de alta tensión se miden con transformadores de intensidad (CT) voluminosos y pesados. Estos utilizan el principio de la inducción electromagnética para generar una pequeña corriente secundaria, normalmente de 1 A o 5 A de intensidad nominal, a partir de una corriente primaria, que a su vez sirve como entrada para relés de protección o contadores de energía. Estos transformadores han representado durante muchas décadas la tecnología más avanzada y funcionan de manera fiable en las condiciones exigentes propias de una subestación al aire libre. (Thomas, 2007). En estos se debe tener en cuenta un problema de seguridad para las personas dado que tiene la particularidad de permanecer cortocircuitado el secundario todo el tiempo (BAPTIDANOV, TARASOV, 1960).

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Pero, además de su tamaño y peso, presentan varios inconvenientes, el más importante de los cuales es que, como resultado de la saturación magnética y la limitada anchura de banda, la forma de onda de la corriente secundaria no suele ser una imagen fiel de la corriente primaria. En la figura 1(b.) se puede ver un ejemplo de transformador de instrumentación de corriente del tipo tanque u horquilla, donde la corriente primaria es conectada desde el borne primario de entrada hasta un tanque en la parte inferior del equipo, donde están alojados los devanados secundarios de medida y protección y luego conectada al exterior a través del borne primario de salida. De igual forma en la figura 1 (a.) se puede ver un ejemplo de transformador de instrumentación de tensión de tipo inductivo para uso en subestación de alta tensión tipo exterior el borne conectado a la fase a monitorear está conectado a través del centro del aislador hasta el devanado primario del transformador y el otro punto de conexión del devanado es puesto a tierra, puede tener uno o varios devanados secundarios destinados a protección o medida, el aislamiento es en aceite cuarzo y papel (ABB, 2012). Figura 1. a).Transformador de tensión inductivo. b). Transformador de corriente tipo horquilla.

a). Inductivo tensión

b). Inductivo horquilla corriente

Fuente : Subestación Salitre 115 kV, Bogotá Colombia Para las medidas en sistemas de corriente continua se ha usado el puente Shunt (Alerxander, 1967) que consiste en un puente con una resistencia del orden de no más de 1 mΩ, calculada para desviar una cantidad de corriente por un equipo

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medidor (galvanómetro) que muestra un voltaje en mV proporcional a la corriente conducida. Este sistema tiene limitaciones para su uso en alta tensión, ya que está conectado a la tensión primaria del circuito. También se presenta interferencia por acoplamientos magnéticos entre los circuitos de control y potencia, entre otras causas por el deterioro de los sistemas de puestas a tierra puesto que se producen fenómenos que hacen errático el monitoreo mediante el uso de una magnitud eléctrica a escala de otra (KRAUS D. , 1960). Hace más de 40 años se admitió que el efecto Faraday en las fibras ópticas podría ser la base de una nueva y mejor tecnología para la medición de intensidades. Pero sólo en los últimos veinte años la tecnología adecuada ha madurado lo suficiente para servir de base comercialmente atractiva para aplicaciones de FOCS. El notable progreso alcanzado en el mundo de las comunicaciones ópticas ha proporcionado muchos componentes que pueden reutilizarse para los FOCS, como fuentes luminosas, fibras ópticas, moduladores y fotodetectores. 2.1. EQUIPOS ANÁLOGOS

Un método de lectura de magnitudes eléctricas se realiza directamente en el medidor eléctrico, en el equipo de protección o de monitoreo mediante el uso de instrumentos análogos electromecánicos; estos presentan buena confiabilidad, pero presentan errores por incertidumbre de mínima escala, también ocasiones se puede presentar perdida de paralaje, a veces se requiere el uso de escalas no lineales en los indicadores lo que incrementa la incertidumbre en el momento de tomar la medida, también se presenta descalibración mecánica de los elementos de medida. Los contadores tienen funciones básicas, y las protecciones se pueden ajustar a valores discretos fijos. En la figura 2 se puede ver un amperímetro para medida indirecta de corriente mediante el uso de transformadores de instrumentación para corriente con relación de transformación 100/5 Amperios del tipo análogo, donde se requiere interpretar y aproximar la magnitud, de acuerdo a la posición de la aguja o puntero.

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Figura 2. Amperímetro análogo

Fuente: http://www.directindustry.es/prod/fc-misure/product-19243-705567.html

2.2. EQUIPOS ELECTRÓNICOS

Con este desarrollo, se facilita la lectura de las medidas pero se presentan problemas por la incertidumbre, aunque siguen siendo equipos de tecnología análoga, tiene ventajas como la poca potencia requerida (burden), puede haber errores cuando las magnitudes oscilan y también se presenta defecto por descalibración debida a degaste por fatiga en los componentes electrónicos sometidos a tensión y/o corriente a lo largo de los años, efecto Joule. Adicionalmente para su funcionamiento se requiere de una fuente de alimentación externa. Simultáneamente se desarrolla el uso de transformadores de instrumentación de tensión, del tipo divisor capacitivo que consta de una serie de condensadores desde la tensión primaria hasta un punto puesto a tierra, presenta ventajas por un menor costo de construcción que el transformador de tensión electromagnético de donde se toma la tensión a escala del último condensador lado puesta a atierra, como el mostrado en la figura. En la figura 3, se muestra un diagrama simplificado de las conexiones eléctricas en un transformador de tensión de tipo divisor capacitivo.

Figura 3. Diagrama transformador de tensión divisor capacitivo

Fuente :http//energiaelectrica.weebly.com/uploads/2/3/0/0/23001344/4712511_orig.png Para la medida de corriente se desarrolla el uso de transformadores de corriente del tipo invertido en los cuales los cables secundarios están conectados a toroides en la parte superior del transformador de corriente este tipo de disposición también es ventajosa para usos en sistemas de hasta 800 kV. En la actualidad se ha incrementado el uso de transformadores de instrumentación del tipo divisor capacitivo para tensión y del tipo invertido para corriente comostrados en la figura 4 partes en el transformador de corriente muy usaterminales primarios son conectados por un conductor que hprimario de una serie de devanados toroidales que actúan como secuparte superior del transformador, a esta disposición se debe su nombre.

Figura 4. a).Transformadores de tensión divisor capacitivo. b). Transformador

a). Divisor capacitivo

Fuente:

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Diagrama transformador de tensión divisor capacitivo

:http//energiaelectrica.weebly.com/uploads/2/3/0/0/23001344/4712511_orig.png

Para la medida de corriente se desarrolla el uso de transformadores de corriente del tipo invertido en los cuales los cables secundarios están conectados a toroides en la parte superior del transformador de corriente este tipo de disposición también

tajosa para usos en sistemas de hasta 800 kV.

En la actualidad se ha incrementado el uso de transformadores de instrumentación del tipo divisor capacitivo para tensión y del tipo invertido para corriente comostrados en la figura 4 donde se puede apreciar la nueva distribución de las partes en el transformador de corriente muy usado en la actualidad, allíterminales primarios son conectados por un conductor que h

serie de devanados toroidales que actúan como securansformador, a esta disposición se debe su nombre.

a).Transformadores de tensión divisor capacitivo. b). Transformador corriente tipo invertido en módulos.

Divisor capacitivo

b). Invertido

Fuente: Castellana y Fontibón a 115 kV, Bogotá Colombia

Diagrama transformador de tensión divisor capacitivo

:http//energiaelectrica.weebly.com/uploads/2/3/0/0/23001344/4712511_orig.png

Para la medida de corriente se desarrolla el uso de transformadores de corriente del tipo invertido en los cuales los cables secundarios están conectados a toroides en la parte superior del transformador de corriente este tipo de disposición también

En la actualidad se ha incrementado el uso de transformadores de instrumentación del tipo divisor capacitivo para tensión y del tipo invertido para corriente como los

apreciar la nueva distribución de las do en la actualidad, allí los

terminales primarios son conectados por un conductor que hace las veces de serie de devanados toroidales que actúan como secundarios en la

ransformador, a esta disposición se debe su nombre.

a).Transformadores de tensión divisor capacitivo. b). Transformador

Invertido

Castellana y Fontibón a 115 kV, Bogotá Colombia

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Con el ánimo de optimizar espacio también se presenta la alternativa del uso de equipos de medida combinados, que hacen posible la medida de magnitudes de tensión y corriente con un solo equipo, este método ahorra espacio pero presenta dificultades por las limitaciones de equipos con uso de conductores de cobre y sistemas electromagnético también si hay daño en una de las funciones, se hace necesario el reemplazo de toda la unidad. En la figura 5 se puede ver un transformador de instrumentación de tipo combinado con la única caja de bornes para tensiones y corrientes, en la parte inferior.

Figura 5. Transformador de instrumentación tipo combinado.

Fuente: http://www.rhona.cl/seccion/55/combinados.htm

También se ha hecho uso de transformadores de instrumentación aislados en Hexafluoruro de Azufre (SF6) evitando los inconvenientes del aceite, pero con problemas por incremento del efecto invernadero en caso de fuga del aislante. 2.3. EQUIPOS NUMÉRICOS

Esta tecnología se basa en los del tipo electrónico digital, con la diferencia que las magnitudes se toman en valores o muestras discretas en el tiempo, lo que puede producir errores dado que si la tasa de muestreo no es la adecuada, se pueden producir errores esto es más evidente cuando se presentan fenómenos transitorios presenta muchas ventajas respecto a la poca potencia de entrada requerida en los equipos de medida también tiene la facilidad de integrarse a sistemas de comunicaciones, esta es la tecnología que actualmente se está masificando y es la que incluye el sistema de medida de corriente mediante el uso de sensores ópticos. Estos sistemas se pueden ajustar o configurar de diferentes formas, lo que les da enormes ventajas por su flexibilidad operativa. En los equipos de tipo numérico se han dado también desarrollos en algunas marcas de equipos de protección que han fabricado sistemas de protección que

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utilizan comunicaciones para integrar diferentes componentes de un mismo sistema tal es el caso de la diferencial distribuida para subestaciones eléctricas, sobretodo en alta y extra alta tensión. En estos sistemas, una unidad central que es el relé diferencial, toma datos y envía disparos a unidades satélites ubicadas en cada módulo de protección asociado a una bahía eléctrica. En la figura 6 se muestra un display de un equipo de medida digital, con grandes ventajas para la rapidez de la visualización e integración por redes, pero con errores por tasa de muestreo y por su dependencia de sistema de alimentación externa o auxiliar.

Figura 6. Voltimetro / Amperimetro Digital

Fuente: http://articulo.mercadolibre.com.pe/MPE-417538866-voltimetro-amperimetro-digital-ac-100 -300v-50a-lcd-_JM

2.4. ERRORES EN LA MEDIDA También se ha notado que el problema de saturación es mucho más crítico en transformadores de corriente, dado que cuando hay una falla del tipo sobre corriente, que son las más comunes, el voltaje decrece, haciendo que en el transformador de voltaje la condición sea menos crítica, en cambio en los trasformadores de corriente, la condición es inversa, es decir el valor primario medido, se incrementa, haciendo que el equipo pueda saturarse y causar errores en la medida de la magnitud.

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3. DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Una alternativa para afrontar el fenómeno de la interferencia electromagnética, entre conductores secundarios de cobre, dispuestos en paralelo a lo largo de los cárcamos, y que produce alteración de los valores secundarios de corriente es el uso de fibra óptica en medidas de corriente. El conductor de fibra óptica, también ofrece ventajas frente a la eliminación de efecto Joule en cables secundarios, dado que su atenuación es despreciable, frente a las perdidas térmicas en un conductor de cobre. Adicionalmente esta alternativa presenta ventajas de: espacio (debido al gran volumen de los equipos actuales o convencionales), de costos (en montaje y mantenimiento de medida de magnitudes eléctricas) y de peso (debido a que los equipos convencionales utilizados en alta tensión pesan alrededor de 1000 Kg y los transformadores de corriente de fibra óptica no superan los 20 Kg por cada fase; estos sensores pueden ser instalados dentro de otros aparatos de maniobra o de conexión del módulo eléctrico, haciendo más eficiente el uso del espacio. Frente al problema de medidas de corriente en situaciones de corto circuito (saturación) en sistemas de Corriente Alterna, también es buena alternativa el uso de transformadores de fibra óptica. Para obtener una efectiva medición se ha planteado el uso de la fibra óptica para medir magnitudes eléctricas, dada sus propiedades que superan al conductor convencional, la rapidez del transporte de información, no hay perdidas eléctricas y ruido en la señal. El tipo de sensor que se utiliza para redes de distribución eléctrica en corriente alterna es del tipo de efecto Faraday con interferómetro de Sagnac con fibra óptica o con prisma. Estos dispositivos hacen uso del efecto Faraday que se basa en el cambio de fase de un rayo de luz al ser sometido a un campo magnético. Para dar solución a esa problemática se plantea la siguiente pregunta. ¿Es conveniente la medición de corriente eléctrica en instalaciones de Alta Tensión (AT) por medio de fibra óptica?

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4. JUSTIFICACIÓN Se considera importante el tema escogido para la investigación a raíz de situaciones desfavorables que se presentan en los sistemas de monitoreo con transformadores convencionales de corriente eléctrica cuando esta se transporta a niveles de tensión superiores a 57,5 kV. En el mercado existe una alternativa que permite medir corrientes más eficientemente en los sistemas de alta tensión (AT), con enorme reducción de riesgo para la seguridad de las personas y equipos eléctricos, así como disminución en costos de espacio de utilización del suelo, transporte, montaje y mantenimiento. Esta monografía presenta las diferentes ventajas y desventajas en las medidas de corriente eléctrica, mediante el uso de transformadores de medida, como son los transformadores convencionales de corriente, con salida óptica y los transformadores de corriente ópticos. En la alternativa propuesta se utiliza las propiedades de la luz para transmitir los parámetros eléctricos desde la fuente de medida, hasta un equipo de monitoreo que puede estar distante del lugar fuente de la medida. Otra de las finalidades es poder entregar criterios suficientes que permitan determinar la conveniencia del uso del método convencional o del propuesto en el proyecto para la medida de corrientes eléctricas en sus diferentes usos, como: sistemas de protecciones, medidas, registro de fallas en redes eléctricas etc. Es de gran importancia investigar sobre los métodos actualmente utilizados y los ofrecidos por el sistema óptico, ya que cada uno de ellos aporta ventajas y desventajas, y será de estos factores de donde se pueda determinar su conveniencia.

Este método ha tenido notables desarrollos en los últimos años permitiendo mediante el uso de foto detector, modulador, fibras ópticas y otros mecanismos, dar origen a sensores de intensidad de fibra óptica como el tipo (FOCS)

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5. OBJETIVOS

5.1. OBJETIVO GENERAL • Evaluar la aplicabilidad del uso de fibra óptica en el monitoreo de magnitudes

eléctricas. 5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Identificar las diferentes topologías y arquitecturas de aplicación del método para monitoreo de magnitudes eléctricas a través de fibra óptica

• Evaluar las ventajas y desventajas de los diferentes métodos respecto a la

seguridad de las personas, de los equipos y en general del sistema. • Analizar ventajas y desventajas del uso de esta tecnología en diversas

empresas del sector eléctrico. • Evaluar aplicación de transformadores ópticos en sistemas de corriente alterna. • Investigar la normatividad vigente en Colombia al respecto.

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6. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO

En el proyecto se tiene un alcance que es determinar mediante la investigación de algunos fabricantes de transformadores ópticos de corriente (TCO), teoría de fenómenos físicos que intervienen en estos equipos y por medio de prácticas de laboratorio a una escala menor, para así poder determinar la viabilidad de esta tecnología en la medición y protección en sistemas del sector eléctrico. El proyecto está limitado a la investigación a través de diferentes fuentes como son información de fabricantes y literatura formal al respecto del tema, como también a las pruebas de laboratorio para buscar reproducir el fenómeno según el cual se puede medir la corriente eléctrica mediante el uso de elementos ópticos como luz y fibra óptica. No se realizan pruebas en equipos reales de alta tensión como los utilizados en una subestación eléctrica, debido al riesgo eléctrico para las personas. Si bien la tecnología de medición de corriente con fibra óptica se puede realizar en sistemas de corriente continua, en sistemas de baja y media tensión, esta monografía solamente se enfoca en el nivel Alta tensión (AT) en Bogotá. El estudio se enfoca en el análisis de fenómenos presentes en transformadores de corriente ópticos, como son la rotación de Faraday, la interferometría, las propiedades de la luz y la aplicación de la luz láser, En el transporte de energía eléctrica en alta tensión (AT), el monitoreo de tensión mediante transformadores de potencial, no representa problemas, porque cuando se presentan fallas, la tensión disminuye, manteniéndose fuera de límites de saturación; en cambio en el monitoreo de corriente se presentan fenómenos desfavorables en transformadores de instrumentación tipo inductivo como: saturación, riesgo de calentamiento en los devanados secundarios e inducción entre cableado secundario.

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7. MARCO TEÓRICO El presente capitulo muestra una descripción general de los fenómenos físicos relacionados con la conducción eléctrica, y de los sistemas ópticos. De igual forma se presentan características generales de los materiales y recursos utilizados en la medición de magnitudes eléctricas, como la fibra óptica y el LASER; todos ellos relacionados con la medida de magnitudes eléctricas. 7.1 FUNDAMENTOS FÍSICOS EN LOS DISPOSITIVOS ÓPTICOS. 7.1.1. Efecto de Rotación de Faraday Michael Faraday en 1845 descubrió que la manera en que se propaga la luz a través de un medio material puede influenciarse por la aplicación de un campo magnético externo. En particular encontró que el plano de vibración de la luz lineal incidente en un pedazo de vidrio giraba cuando se aplica un campo magnético fuerte en la dirección de propagación. Ver figura 7

Figura 7. Giro del plano de Polarización debido al Efecto Faraday

Fuente: http://creyentesintelectuales.blogspot.com.co/2012/06/michael-faraday-en-cristo.html?_sm_au_=iMV7q4MPVjvF3DHT El efecto Faraday es resultado de una resonancia ferromagnética 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, está propiedad se conoce como birrefringencia circular. Los rayos se recombinan al llegar a la interface del medio, de tal forma que la onda resultante final tiene una rotación de su plano de polarización. Para poder determinar el grado de giro del plano de polarización en los diferentes materiales, se emplea la siguiente fórmula:

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β= V*B*d Donde: β = Ángulo de rotación (Radianes) B= Densidad del flujo magnético estático (Tesla) d= Longitud del medio atravesado (m) V= la constante de Verdet del material (rad/Tm) El efecto de rotación de Faraday es un efecto magnético, notable en conductores de vidrio de alta densidad (grado de luminosidad), el grado de rotación es proporcional al campo magnético. Un pedazo de fibra de vidrio de 1” de espesor y 2” de diámetro necesitaría un campo de 0,5 Teslas para cambiar o rotar la polarización 90 grados. La rotación es proporcional a la longitud del camino óptico y al campo magnético tanto que una pieza de vidrio mucho más larga se constituirá en un mejor detector sensitivo. El efecto de rotación de Faraday provee una vía conveniente para medir la intensidad de corriente eléctrica en subestaciones de alta tensión. Un pedazo de fibra de vidrio es ubicado cerca del cable de energía y un láser polarizado es usado para medir la rotación. (ALVARADO SALCEDO, 2002) 7.1.2. Ley de ampere André Marie Ampere fue un físico y matemático francés que en el año 1825 publico sus teorías en electrostática y electrodinámica, estudio la equivalencia entre imanes y corrientes y distinguió la diferencia entre tensión eléctrica y corriente eléctrica. Se le acredita a Ampere el descubrimiento del electromagnetismo. La ley de ampere expresa que si un conductor conduce una corriente eléctrica se produce un campo magnético. Para poder determinar el campo magnético se emplea la siguiente fórmula:

B= μ0 I / 2πd Donde: B= Campo magnético en un punto determinado

μ0= Permeabilidad del vacio (Tm/A) IIII= Intensidad de corriente que circula por el conductor (A) d= distancia perpendicular entre el conductor y el punto considerado (m)

El campo magnético neto producido por varios alambres u otras distribuciones de corriente, cada una de las cuales produce un campo magnético individual, se apega al principio de superposición. Este principio indica neto producido por varias corrientes es la suma (Vectorial) de los campos magnéticos producidos por las corrientes individuales. Un ejemplo del principio de superposición cuando alto voltaje se encuentruna de distancia. Los alambres conducen figura 8).

Figura 8

Fuente: John Markert

En la figura 8 se observan las líneas del campo magnético de cada alambre. Como las corrientes son opuestas, las líneas de campo rodean a los en direcciones opuestas. En el punto medio enmagnéticos individuales de los dos alambres son paralelos. En consecuencia, esos campos magnéticos individuales se suman y el campo magnético neto es el doble del campo magnético individual de cada alambre2009) La ley de Ampere es una de las leyes generales del magnetismo. La única restricción para esta ley es que las corrientes deben ser estables; es decir que deben ser constantes en el tiempo. Por otra parte esta ley también uniformemente sensitiva al campo magnético a lo largo del camino censado y este camino censado define un lazo o bucle cerrado, entonces la rotación acumulada del plano de polarización de la onda luminosaproporcional a la corriente fluyendo en el conductor encerrado por el lazo.

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El campo magnético neto producido por varios alambres u otras distribuciones de corriente, cada una de las cuales produce un campo magnético individual, se apega al principio de superposición. Este principio indica que el campo magnético neto producido por varias corrientes es la suma (Vectorial) de los campos magnéticos producidos por las corrientes individuales.

cipio de superposición cuando en una línea de trasmisión de se encuentra formada por dos conductores en paralelo separados por

de distancia. Los alambres conducen corrientes, en direcciones opuestas

8. Líneas de campo magnético de los alambres

John Markert, Física para ingeniería y ciencias 3° edición, Vol. 2

En la figura 8 se observan las líneas del campo magnético de cada alambre. Como las corrientes son opuestas, las líneas de campo rodean a los en direcciones opuestas. En el punto medio entre los alambres, los campos magnéticos individuales de los dos alambres son paralelos. En consecuencia, esos campos magnéticos individuales se suman y el campo magnético neto es el doble del campo magnético individual de cada alambre. (MARKERT & OHANIAN,

La ley de Ampere es una de las leyes generales del magnetismo. La única restricción para esta ley es que las corrientes deben ser estables; es decir que deben ser constantes en el tiempo.

sta ley también expresa que si la onda luminosa es uniformemente sensitiva al campo magnético a lo largo del camino censado y este camino censado define un lazo o bucle cerrado, entonces la rotación acumulada del plano de polarización de la onda luminosa debido al campo es directamente proporcional a la corriente fluyendo en el conductor encerrado por el lazo.

El campo magnético neto producido por varios alambres u otras distribuciones de corriente, cada una de las cuales produce un campo magnético individual, se

el campo magnético neto producido por varias corrientes es la suma (Vectorial) de los campos

en una línea de trasmisión de res en paralelo separados por , en direcciones opuestas (ver

Líneas de campo magnético de los alambres

3° edición, Vol. 2

En la figura 8 se observan las líneas del campo magnético de cada alambre. Como las corrientes son opuestas, las líneas de campo rodean a los dos alambres

tre los alambres, los campos magnéticos individuales de los dos alambres son paralelos. En consecuencia, esos campos magnéticos individuales se suman y el campo magnético neto es el

(MARKERT & OHANIAN,

La ley de Ampere es una de las leyes generales del magnetismo. La única restricción para esta ley es que las corrientes deben ser estables; es decir que

que si la onda luminosa es uniformemente sensitiva al campo magnético a lo largo del camino censado y este camino censado define un lazo o bucle cerrado, entonces la rotación acumulada

debido al campo es directamente proporcional a la corriente fluyendo en el conductor encerrado por el lazo.

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7.1.3. Efecto Fotoeléctrico El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material al encontrarse expuesta a una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general). Ocurre normalmente bajo luz ultravioleta y en superficies muy trabajadas se puede obtener foto-efecto hasta con rayos infrarrojos. En 1887, Henry Hertz descubrió que iluminando con luz ultravioleta un electrodo negativo sometido a una tensión, se produce un arco eléctrico entre los electrodos. La esencia del fenómeno consiste en que al iluminar con luz ultravioleta un cuerpo metálico cargado negativamente este pierde parte de su carga (ver figura 9 ). Si se ilumina un cuerpo cargado de forma positiva no se observa esta pérdida de carga y más aún, si se ilumina un cuerpo neutro, éste se carga positivamente.

Figura 9. Efecto fotoeléctrico sobre un material

Fuente: http://physics.tutorvista.com/modern-physics/photoelectric-effect.html

Los fotones tienen una energía característica determinada por la frecuencia de onda de la luz. Si un átomo absorbe energía de un fotón y tiene más energía que la necesaria para expulsar un electrón del material y además posee una trayectoria dirigida hacia la superficie, entonces el electrón puede ser expulsado del material. Si la energía del fotón es demasiado pequeña, el electrón es incapaz de escapar de la superficie del material. Los cambios en la intensidad de la luz no modifican la energía de sus fotones, tan sólo el número de electrones que pueden escapar de la superficie sobre la que incide y por tanto la energía de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la radiación que le llega, sino de su frecuencia. Si el fotón es absorbido, parte de la energía se utiliza para liberarlo del átomo y el resto contribuye a dotar de energía cinética a la partícula libre. Las propiedades fotoeléctricas aparecen no sólo en los metales, estas están presentes también en los materiales dieléctricos y en semiconductores. La única condición necesaria, aunque no suficiente, es que exista suficiente absorción de luz. Por otro lado, no sólo ocurre bajo luz ultravioleta, en metales alcalinos (sodio, litio, etc) aparece en luz visible. En superficies muy trabajadas se puede obtener fotoefecto hasta con rayos infrarrojos. (ALVARADO SALCEDO, 2002)

7.2. EL LASER Un laser es un dispositivo que produce un intenso haz muy estrecho de luz coherente monocromática. (Coherente significa que a través de cualquier sección transversal del haz, todas las partes tiene la misma fase). El haz emitido es una onda plana casi perfecta. Por otra parte, una fuente de luz ordinaria emite luz en todas las direcciones (así que la intensidad disminuye rápidamente con las distancia), y la luz emitida es incoherente (las diferenteen fase unas con otras). Los átomordinaria actúan independientemente, de manera que cada considerar como un tren de onda cortó que dura aproximadamente La acción de un laser se basa en la teoría absorber un fotón si (y solo si) la energía fotónica hfde energía entre un nivel energético ocupado del átomo y un estado excitado disponible. Si el átomo ya está en el estado excitado, este puede salespontanea (es decir sin estimulo aparente) al estado inferior con la emisión de un fotón. Sin embargo, si un fotón con la misma energía choca con el átomo excitado, puede estimular al átomo para realizar la transición más rápido hacia inferior ver figura 10. Este fenómeno se llama emisión estimulada: no solo se tiene todavía el fotón original, si no también uno de la misma frecuenciade la transición del átomo. Estos dos fotones están exactamente en fase,desplazan en la misma dirección. de esta manera, es lo que se vuelve luz coherente e intensa de un laser. (GIANCOLI, 2009).

Figura 10

Fuente: Raymond Serway, física para ciencias e ingeniería En la figura 10 se puede observar la incidente con energía hf

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Un laser es un dispositivo que produce un intenso haz muy estrecho de luz coherente monocromática. (Coherente significa que a través de cualquier sección

del haz, todas las partes tiene la misma fase). El haz emitido es una fecta. Por otra parte, una fuente de luz ordinaria emite luz en

todas las direcciones (así que la intensidad disminuye rápidamente con las distancia), y la luz emitida es incoherente (las diferentes partes del haz no están en fase unas con otras). Los átomos excitados que emiten la luz en una bombilla ordinaria actúan independientemente, de manera que cada fotónconsiderar como un tren de onda cortó que dura aproximadamente

La acción de un laser se basa en la teoría cuántica. Puesto que un átomo puede absorber un fotón si (y solo si) la energía fotónica hf corresponde a la diferencia de energía entre un nivel energético ocupado del átomo y un estado excitado disponible. Si el átomo ya está en el estado excitado, este puede salespontanea (es decir sin estimulo aparente) al estado inferior con la emisión de un fotón. Sin embargo, si un fotón con la misma energía choca con el átomo excitado, puede estimular al átomo para realizar la transición más rápido hacia

. Este fenómeno se llama emisión estimulada: no solo se tiene todavía el fotón original, si no también uno de la misma frecuenciade la transición del átomo. Estos dos fotones están exactamente en fase,desplazan en la misma dirección. Cuando se producen gran cantidad de fotones de esta manera, es lo que se vuelve luz coherente e intensa de un laser.

10. Átomo en estado excitado y en estado base.

Raymond Serway, física para ciencias e ingeniería, vol II, 2007.

En la figura 10 se puede observar la emisión estimulada de un fotón por otro fotón incidente con energía hf=E2-E1. Inicialmente el átomo se encuentra en estado

Un laser es un dispositivo que produce un intenso haz muy estrecho de luz coherente monocromática. (Coherente significa que a través de cualquier sección

del haz, todas las partes tiene la misma fase). El haz emitido es una fecta. Por otra parte, una fuente de luz ordinaria emite luz en

todas las direcciones (así que la intensidad disminuye rápidamente con las partes del haz no están

os excitados que emiten la luz en una bombilla fotón emitido se puede

considerar como un tren de onda cortó que dura aproximadamente 10-8 s.

que un átomo puede corresponde a la diferencia

de energía entre un nivel energético ocupado del átomo y un estado excitado disponible. Si el átomo ya está en el estado excitado, este puede saltar de manera espontanea (es decir sin estimulo aparente) al estado inferior con la emisión de un fotón. Sin embargo, si un fotón con la misma energía choca con el átomo excitado, puede estimular al átomo para realizar la transición más rápido hacia el estado

. Este fenómeno se llama emisión estimulada: no solo se tiene todavía el fotón original, si no también uno de la misma frecuencia como resultado de la transición del átomo. Estos dos fotones están exactamente en fase, y se

Cuando se producen gran cantidad de fotones de esta manera, es lo que se vuelve luz coherente e intensa de un laser.

excitado y en estado base.

, vol II, 2007.

misión estimulada de un fotón por otro fotón E1. Inicialmente el átomo se encuentra en estado

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excitado. El fotón incidente es estimula al átomo a producir un segundo fotón con energía hf=E2-E1. 7.3. TRANSDUCTOR DE CORRIENTE ÓPTICO

Los sensores ópticos de corriente brindan significativas ventajas en comparación con los sistemas convencionales, su utilización es de gran importancia dentro de la medición de parámetros eléctricos en base a sistemas modernos. Los sensores ópticos de corriente trabajan bajo el principio del efecto de rotación de Faraday. La corriente que fluye por un conductor induce un campo magnético el cual según el efecto de Faraday cambia el plano de polarización de la onda luminosa viajando a través de un camino determinado el cual rodea al conductor. La ley de Ampere establece que si la onda luminosa es uniformemente sensible a todo el campo magnético a lo largo de un camino determinado, y este define un lazo cerrado, entonces el cambio acumulado del plano de polarización de la onda luminosa es directamente proporcional a la corriente fluyendo en el conductor. Estos sensores de corriente con fibras ópticas trabajan en el principio que el campo magnético, más que rotar o cambiar una onda de luz linealmente polarizada, cambia la velocidad de la luz circularmente polarizada dentro de un sensor de fibra envuelto alrededor del conductor que lleva la corriente. Los transductores ópticos de corriente son tanto intrínsecos como extrínsecos, son intrínsecos porque la fibra óptica es usada para sensar la corriente y a su vez son extrínsecos porque la fibra transmite la onda luminosa hacia y desde el grupo de elementos sensores de corriente. (ALVARADO SALCEDO, 2002)

7.4. CONDUCTOR ELÉCTRICO

Son materiales, en forma de hilo sólido o cable a través de los cuales se desplaza con facilidad la corriente eléctrica por tener un coeficiente de resistividad muy pequeño. Los conductores empleados normalmente son de cobre (los hay también en aluminio) y deben tener muy baja resistencia eléctrica, ser mecánicamente fuertes y flexibles y llevar un aislamiento adecuado al uso que se les va a dar. La resistividad en un metal está dada por la formula: ρ= R (S/l) Donde:

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ρ= Resistividad (Ω.m) R= Resistencia (Ω) S= Sección Transversal () l= longitud (m) Para el caso del cobre la resistividad es de 1,71 x 10-8 Ω.m

El principal medio de transporte de la energía eléctrica son los cables eléctricos, los cuales están compuestos de dos elementos básicos: Conductor y Aislamiento. 7.4.1. Tipos de conductores de cobre Cobre de temple duro: Conductividad del 97% respecto al del cobre puro, y Capacidad de ruptura a la carga, oscila entre 37 a 45 kg/mm2.

Este tipo de cobre se utiliza para la fabricación de conductores desnudos, para líneas aéreas de transporte de energía eléctrica, donde se exige una buena resistencia mecánica.

Cobre recocido o de temple blando: Conductividad del 100%, y Carga de ruptura media de 25 kg/mm2.

Ya que este tipo de cobre es dúctil y flexible es utilizado en la fabricación de conductores aislados. 7.4.2 Partes que componen los conductores eléctricos Los conductores eléctricos se componen de tres partes muy diferenciadas: • Conductor. • El aislamiento. Conductor: El conductor, como su nombre lo indica es el encargado de conducir la energía eléctrica de un punto a otro en forma de corriente. La capacidad de conducir energía eléctrica de un conductor se mide en Amperios (A) y depende de la pureza química del metal conductor. La capacidad de conducción de corriente depende también de la cantidad de metal conductor, es decir, del calibre, área o diámetro del conductor. La clasificación de los conductores eléctricos depende de la forma como está construida el alma. Tipos:

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Alambre: Conductor eléctrico cuya alma conductora está formada por un solo elemento o hilo conductor. (Ver figura 11)

Figura 11. Alambre

Fuente: Capitulo 1 ¿Qué es un conductor eléctrico?, Manual técnico Pro-cobre Chile, primera edición 2001. Cable: Conductor eléctrico cuya alma conductora está formada por una serie de hilos conductores o alambres de baja sección, lo que le otorga una gran flexibilidad. (Ver figura 12)

Figura 12. Cable

Fuente: Capitulo 1 ¿Qué es un conductor eléctrico?, Manual técnico Pro-cobre Chile, primera edición 2001. 7.4.3 Características de los aislantes Las características del aislamiento, de vital importancia en el funcionamiento del cable y que proporcionan la seguridad para los usuarios y confiabilidad en la operación, son: • Capacidad de soportar altas temperaturas. • Eficacia en la no propagación de la llama. • Resistencia mecánica. • Capacidad de aislamiento eléctrico. El objetivo del aislamiento en un conductor es evitar que la energía eléctrica que circula por él, entre en contacto con las personas o con objetos, ya sean éstos ductos, artefactos u otros elementos que forman parte de una instalación. (Araya Diaz & Sandobal Ortega, 2001) Entre los materiales usados para la aislación de conductores podemos mencionar el PVC o cloruro de polivinilo, el polietileno o PE, el caucho, la goma, el neoprén y el nylon. 7.4.4 Clasificación de los conductores eléctricos de acuerdo a su aislación y número de hebras.

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La parte más importante de un sistema de alimentación eléctrica está constituida por conductores. Al proyectar un sistema, ya sea de poder, de control o de información, deben respetarse ciertos parámetros imprescindibles para la especificación del conductor. • Voltaje del sistema, tipo (CC o CA), fases y neutro, sistema de potencia, punto

central de aterramiento. · Corriente o potencia a suministrar. • Temperatura de servicio, temperatura ambiente y resistividad térmica de los

conductores. • Tipo de instalación, dimensiones (profundidad, radios de curvaturas, distancia

entre vanos, etc.). • Sobrecargas o cargas intermitentes. • Tipo de aislación. • Cubierta protectora. 7.4.5. Clasificación de los conductores eléctricos de acuerdo a sus condiciones de empleo. Para tendidos eléctricos de alta y baja tensión, existen diferentes tipos de conductores de cobre, desnudos y aislados, diseñados para responder a distintas necesidades de conducción y a las características del medio en que la instalación prestará sus servicios. La selección de un conductor debe asegurar una capacidad de transporte de corriente adecuada, una capacidad de soportar corrientes de cortocircuito apropiado, una adecuada resistencia mecánica y un comportamiento acorde con las condiciones ambientales en que operará. (Araya Diaz & Sandobal Ortega, 2001) 7.4.6. Los conductores de cobre desnudos Estos son alambres o cables y son utilizados para: • Líneas aéreas de redes urbanas y suburbanas. • Tendidos aéreos de alta tensión a la intemperie. • Líneas aéreas de contacto para ferrocarriles y trolebuses.

7.4.7. Alambres y cables de cobre con aislación Estos son utilizados en: • Líneas aéreas de distribución y poder, empalmes, etc.

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• Instalaciones interiores de fuerza motriz y alumbrado, ubicadas en ambientes de distintas naturaleza y con diferentes tipos de canalización.

• Tendido aéreos en faenas mineras (tronadura, grúas, perforadoras, etc.). • Tendidos directamente bajo tierra, bandejas o ductos. • Minas subterráneas para piques y galerías. • Control y comando de circuitos eléctricos (subestaciones, industriales, etc.). • Tendidos eléctricos en zonas de hornos y altas temperaturas. • Tendidos eléctricos bajo el agua (cable submarino) y en barcos (conductores

navales). (Araya Diaz & Sandobal Ortega, 2001). 7.5. FIBRA ÓPTICA La fibra óptica está constituida por un hilo flexible, normalmente está hecha de vidrio u otro material dieléctrico (no conduce cargas eléctricas). Algunas veces se pueden encontrar de plástico. Su índice de refracción es alto y es capaz de llevar la luz con bajas atenuaciones incluso cuando se curva el cable. Está constituida por un núcleo y un revestimiento, ambos cilindros concéntricos y con diferente índice de refracción, siendo el índice del exterior inferior al del interior. Según el uso y las condiciones a las que será sometida, la fibra óptica además se cubre externamente con diferentes tipos de capa llamada recubrimiento. La forma de enviar información a través de la fibra óptica es a través de haces de luz, los cuales viajan dentro de ella. En telecomunicaciones, es el medio de transmisión más utilizado gracias a la gran capacidad que tiene de enviar información, ya que a través de un hilo de fibra óptica se pueden enviar millones de bits por segundo (bps) y acceder a servicios de manera simultánea con gran velocidad y calidad. El cable de fibra óptica es más liviano, lo cual permite una fácil instalación sobre redes de energía, viales y de gasoductos, entre otras, con importantes características técnicas para su funcionamiento. 7.5.1 Clasificación de fibra óptica De acuerdo con el tipo de aplicación que se requiera, la capacidad de información a transmitir, la distancia a transmitir y otros criterios como el precio, en el mercado se pueden encontrar cables de fibra que se adaptan a la necesidad. Ellos son:

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7.5.1.1. Fibras ópticas mono-modo Son aquellas fibras ópticas que, por su diseño, pueden guiar y transmitir un solo rayo de luz o modo de luz a través del eje de la fibra óptica, siendo la longitud de onda del mismo tamaño del núcleo, por lo que se denomina 'mono-modo' (único modo de propagación). Esta fibra óptica permite lograr grandes distancias, para alcanzar un alto cubrimiento y una alta capacidad de transmisión de información dada la capacidad de respuesta en frecuencia.

Figura 13. Fibra monomodo

Fuente: http://datateca.unad.edu.co/contenidos/208019/MODULO%20ANTENAS%20Y%20PROPAGACION-2011/leccin_11_caractersticas_de_la_fibra_ptica.html.

En la figura 13, se puede observar que sólo se puede transmitir los rayos en línea recta.

7.5.1.2. Fibras ópticas multi-modo

Son aquellas fibras que pueden guiar y transmitir varios rayos de luz por el efecto de reflexión (varios modos de propagación), a través del núcleo de la fibra óptica. Estas fibras ópticas son fabricadas a base de vidrio y son utilizadas para aplicaciones de cortas distancias en soluciones donde no existen trayectos mayores de 2 kilómetros. El núcleo de una fibra multimodo tiene un índice de refracción superior, pero del mismo orden de magnitud, que el revestimiento, debido al gran tamaño del núcleo de una fibra multimodo, es más fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor precisión.

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Figura 14. Fibra multimodo

Fuente: http://datateca.unad.edu.co/contenidos/208019/MODULO%20ANTENAS%20Y%20PROPAGACION-2011/leccin_11_caractersticas_de_la_fibra_ptica.html

En la figura 14 se observa cómo se propaga el rayo de luz en una fibra multimodo.

Existen dos tipos de fibra multimodo, dependiendo del tipo de índice de refracción del núcleo: • Índice escalonado: en este tipo de fibra, el núcleo tiene un índice de refracción

constante en toda la sección cilíndrica, tiene alta dispersión modal (ver figura15).

• Índice gradual: mientras en este tipo, el índice de refracción no es constante,

tiene menor dispersión modal y el núcleo se constituye de distintos materiales. (Fibremex, 2015).

Figura 15. Índice de refracción en las fibras

Fuente: http://nemesis.tel.uva.es/images/tCO/contenidos/tema2/tema2_1_1.htm

7.5.1.3. Atenuación de la fibra óptica Es la disminución de potencia de la señal óptica, en proporción inversa a la longitud de fibra. La unidad utilizada para medir la atenuación en una fibra óptica

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es el decibel (dB). La atenuación de la fibra se expresa en dB/Km. Este valor significa la pérdida de luz en un Km. En la tabla 1 se pueden observar los valores de atenuación de la fibra óptica dependiendo del tipo y el diámetro del núcleo.

Tabla 1. Atenuaciones típicas de diferentes fibras ópticas

ATENUACION EN FIBRA OPTICA (dB/Km)

TIPO DIAMETRO

NUCLEO (µm)

DIAMETRO FUNDA

(µm)

1° VENTANA (850 nm)

2° VENTANA (1310 nm)

3° VENTANA (1550 nm)

MONOMODO 5 85/125 2,5

9 125 0,5 0,25

MULTIMODO

50 125 2,4 0,6 0,5

62,5 125 3 0,7 0,3

100 140 3,5 1,5 0,9 Fuente: http://es.slideshare.net/BrujaLoca/cap-2-fisica La fibra óptica que se utiliza en transformadores de corriente es del tipo monomodo y la longitud desde la Mergin Unit hasta el transformador de corriente, no supera los 100 metros, entonces las perdidas en la condición más crítica seria del alrededor de 0,025 dB condición que es no relevante en la medición de corriente con fibra óptica. Los factores que influyen en la atenuación pueden ser entre otros: Debidos a las impurezas que absorben la luz y la convierten en calor (absorción). El vidrio ultra puro usado para fabricar las fibras ópticas es aproximadamente 99.9999% puro. Aún así, las pérdidas entre 1 y 1000 dB/Km pueden darse. Las pérdidas por dispersión (esparcimiento), se manifiestan como reflexiones del material, debido a las irregularidades microscópicas ocasionadas durante el proceso de fabricación y cuando un rayo de luz se está propagando choca contra estas impurezas y se dispersa o refleja por difusión debido a fluctuaciones térmicas del índice de refracción como también por imperfecciones de la fibra, particularmente en la unión núcleo-revestimiento, variaciones geométricas del núcleo en el diámetro, impurezas y/o burbujas en el núcleo. (Fibremex, 2015) En la figura 16 se puede observar los factores que influyen en la atenuación de la fibra óptica.

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Figura 16. Perdidas en la fibra óptica

Fuente: http://www.gonzalonazareno.org/certired/p17f/p17f.html

7.5.1.4. Refractancia

Es la propiedad que tiene la fibra óptica de refractar el rayo de luz, es decir, modificar la dirección de propagación de dicho rayo incidente en ella, esto se da al suceder un cambio de medio, dado que por ejemplo el aire permite cierta velocidad de propagación y el agua o el vidrio permiten una velocidad diferente, para que se dé el fenómeno el haz de luz debe incidir a determinado ángulo sobre la superficie, también es de tener en cuenta que hay un ángulo límite o crítico, este ángulo se da en toda la superficie entonces al rotar este ángulo se da origen al cono de aceptación que es el rango en el cual el haz de luz se refracta al cambiar de medio. En la figura 17 se presenta un ejemplo de refracción de la luz mediante el uso de un laser y el fenómeno en el cambio de medio del aire al agua.

Figura 17. Refracción de la luz

Fuente: http://definicion.de/refraccion/

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7.5.1.5. Reflectancia

Es la propiedad de reflejar o modificar la dirección de propagación del rayo de luz incidente en una superficie reflectante o reflectiva. El ángulo formado entre una línea perpendicular a la superficie y la trayectoria del rayo incidente, es de la misma magnitud que el ángulo entre dicha perpendicular o normal y la trayectoria del rayo ya reflejado. En la figura 18 se muestra las principales características del fenómeno de la reflexión.

Figura 18. Fenomeno de reflexión

Fuente: http://definicion.de/reflexion-de-la-luz/

En el caso de la fibra óptica, los fenómenos de refracción y reflexión permiten la transmisión del haz de luz a través de ella dado que las paredes de la fibra se comportan como espejos que reflejan sucesivamente la luz hasta llegar al otro extremo de la fibra. En la figura 19 se puede observar los principales fenómenos que intervienen en la transmisión de un rayo de luz a través de una fibra óptica.

Figura 19. Fenómenos del rayo de luz en la fibra óptica

Fuente: https://blog.soporteti.net/documentacion-tecnica/fibra-optica-que-es-y-como-funciona/

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7.6. TRANSFORMADORES 7.6.1. Transformador convencional Un transformador es un aparato que “Consta de dos bobinas eléctricamente aisladas, pero devanadas sobre el mismo núcleo magnético. Una corriente variable en el tiempo de una bobina establece en el núcleo magnético un flujo también variable en el tiempo (ver figura 20). También puede acoplarse más de 2 bobinas dando origen a un transformador multidevanado. Uno de los devanados del transformador se conecta a una fuente de energía eléctrica alterna y el segundo suministra energía eléctrica a las cargas. El devanado del transformador que se conecta a la fuente de potencia se llama devanado primario o devanado de entrada, y el devanado que se conecta a la carga se llama devanado secundario o devanado de salida. (Chapman, 2005)

Figura 20. Transformador monofásico tipo núcleo

Fuente :http://www4.frba.utn.edu.ar/html/Electrica/archivos/electrotecnica_y_maquinas_electricas/apuntes/7_transformador.pdf

7.6.1.1. Tipos y construcción de transformadores Los transformadores se construyen de dos maneras. Un tipo de transformador consta de una pieza rectangular, laminada, con los devanados enrollados sobre dos de los lados del rectángulo. Esta clase de construcción, conocida como transformador tipo núcleo. El otro consta de un núcleo laminado de tres columnas cuyas bobinas están enrolladas en el núcleo central. Esta clase de construcción se conoce como transformador tipo acorazado. En cualquier caso, el núcleo se

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construye con delgadas láminas aisladas eléctricamente unas de otras para minimizar las corrientes parasitas. (Chapman, 2005)

En un transformador, las bobinas del primario y del secundario están físicamente enrolladas una sobre la otra; la bobina de menor voltaje está situada en la parte interna (más cerca del núcleo). Esta disposición cumple dos objetivos: 1. simplifica el problema del aislamiento del devanado de alta tensión desde el

núcleo.

2. Resulta menor flujo disperso que en caso de disponer los dos devanados en el núcleo, separados

7.6.1.2. Transformadores de corriente (CT) Se utiliza ante la necesidad de medir corrientes elevadas ó en circuitos de alta tensión. En este caso el bobinado primario se conecta en serie con el circuito de carga y en el secundario del transformador se conectan los instrumentos correspondientes (Amperímetro, vatímetro, medidor de energía, relés de protección, analizadores de red, registradores de fallas) En este tipo de transformador el número de espiras del devanado secundario es mayor que las del primario (De acuerdo a la corriente a medir). Por lo tanto si por algún motivo se dejara el bobinado secundario abierto, no habría una fuerza magneto motriz que se oponga a la del primario. Esto ocasiona que el flujo en el núcleo magnético, se haga elevado, con lo cual la fuerza electromotriz inducida en el secundario es muy elevada y puede dañar el aislamiento o causar lesiones graves a las personas. Además al crecer el flujo magnético, aumentan las pérdidas en el núcleo (Pérdidas en el hierro), lo cual trae aparejado un calentamiento excesivo que puede dañar el transformador de corriente. Por lo tanto es indispensable que antes de desconectar, los instrumentos en el secundario, se deben cortocircuitar sus bornes. Las corrientes secundarias están normalizadas en 1 o 5 A. La lectura de los instrumentos se debe afectar incrementándola de acuerdo a la relación de transformación. 7.6.1.3. Corrientes nominales La corriente nominal del devanado primario es el valor eficaz de la corriente sobre la que se basa la operación del transformador de intensidad. Son valores enteros como ser: 5 - 10 - 15 - 25 - 50 - 100 -.....- 1000 A. En cambio la corriente nominal

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secundaria es de 5 A, y cuando los instrumentos a colocar se encuentran alejados ó tienen un consumo importante se utiliza una corriente de 1 A. Cada uno de los sistemas o métodos de medida de magnitudes eléctricas, tiene marcadas diferencias respecto al otro, como también grandes ventajas y desventajas. 7.6.1.4 Ventajas del transformador El sistema de transformador de corriente tiene ventajas como:

• Sencillez en el método de medida de magnitud eléctrica. • No requiere sistemas intermedios de adecuación de señal para tomar y llevar

la magnitud a escala al equipo de monitoreo (mas confiabilidad). • Sencillez de mantenimiento. • Sencillez en las pruebas y detección de fallas, es muy conocido. • No requiere fuente auxiliar de poder para su funcionamiento. • Dada su popularidad de uso, se consigue fácilmente en el comercio. 7.6.1.5. Desventajas transformador

El sistema de transformador de corriente tiene desventajas como: • Saturación en corrientes de falla. • Gran masa de los componentes. • Dificultad para manipulación. • Utiliza aceite dieléctrico que impacta negativamente el medio ambiente. • Imposibilidad de medición de corriente continúa. • Perdidas eléctricas en la señal. • Si se abren los caminos de corriente pueden causar lesiones a las personas y

equipos conectados a él. 7.6.2. Transformadores convencionales con salida óptica. Consiste en la utilización de un transformador de corriente tradicional al que se añade una salida óptica (ver figura 21) que sustituye a la salida por cables, de tal forma que se mantienen las ventajas tanto de la tecnología convencional como de las nuevas tecnologías ópticas. El transformador de corriente que se usa con esta metodología puede diferir del diseño de un transformador de corriente normal para Alta Tensión. En primer lugar el transformador de corriente no necesita aislamiento de Alta Tensión. En segundo la carga es constante (y consume muy poca potencia) pudiéndose reducir las dimensiones del núcleo, e incluso utilizar núcleos de otros materiales (o de aire para obtener una buena respuesta en altas frecuencias).

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Figura 21. Partes transformador convencional con salida de fibra óptica

Fuente: http://gama.fime.uanl.mx/~omeza/pro/SE/5.pdf

A: Transformador de corriente B: Carga C: Conductor circuito de alta tensión D: Fibra Óptica Se emplea una electrónica que produce una salida óptica digital, compuesta básicamente por un circuito CMOS de baja potencia y un diodo óptico. El diodo óptico realiza dos funciones: por una parte transmite los pulsos luminosos en que se codifica la medida efectuada, y por otra actúa como receptor de la energía luminosa que es enviada desde la parte de Baja Tensión, transformándola en energía eléctrica utilizada para alimentar al resto de la electrónica situada en la parte de alta tensión. Debido a que se utiliza una codificación digital para la transmisión de la señal la fibra óptica no tiene por qué ser de muy alta calidad. Mientras se pueda detectar las señales procedentes de la fibra la transmisión no degradará la precisión de la medida. El error está por lo tanto completamente determinado por el transductor. Sólo el transductor necesita ser calibrado. Si tiene lugar una avería, es posible sustituir cualquiera de los componentes del sistema (transductor, fibra y unidad de interface) sin recalibración. Si bien el sistema es más liviano y mejora notablemente las condiciones de matenibilidad y operación, no puede medir corriente continua y se puede saturar en ciertos tipos de falla a razón de que sigue dependiendo de un transformador de tipo convencional.

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7.6.3. Transformador de corriente óptico (TCO) El principio de funcionamiento del TCO está basado en el Efecto Faraday, mediante el cual, el estado de polarización de una señal óptica linealmente polarizada sufre una rotación a medida que se desplaza por un medio que se encuentra bajo la influencia de un campo electromagnético (ver figura 22). Para una señal óptica que se transmite a través de un circuito cerrado, el ángulo de rotación será proporcional a la corriente circulante.

Figura 22. Rotación de la señal de salida con respecto a la de la entrada

Fuente: http://gama.fime.uanl.mx/~omeza/pro/SE/5.pdf A: Luz polarizada incidente. B: Rotación del plano del polarización. C: Cristal óptico. D: Luz polarizada transmitida. La rotación del estado de polarización se detecta mediante un interferómetro, como la diferencia de fase entre las dos señales ópticas circularmente polarizadas que se desplazan en dirección opuesta a través del bobinado de fibra óptica que rodea al conductor primario.

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Figura 23. Transformador de corriente óptico

Fuente: http://gama.fime.uanl.mx/~omeza/pro/SE/5.pdf

En la figura 23 se puede observar como es el esquema de funcionamiento de un transformador óptico. 7.6.3.1 Principio de funcionamiento del TCO La corriente produce un campo magnético a su alrededor que puede afectar la rotación de fase de un haz de luz, este fenómeno es aprovechado, mediante el uso de fibra óptica y luz láser en una fibra monomodo, esta rotación del haz, proporcional al campo a su vez de acuerdo a la magnitud de corriente, se determina mediante el uso de un dispositivo llamado Mergin Unit (MU), que está ubicada en el patio de la subestación, cerca a los equipos de potencia y es capaz de tomar las muestras de rotación de la luz y convertirlas en señales digitales llamadas Sampled Values, que son tomadas de acuerdo a la necesidad del usuario, es decir si es un equipo de protección, tienen un frecuencia de muestreo diferente a la requerida para un sistema de medida.

Las M U también son capaces, de conectarse a equipos como transformadores de corriente y de tensión del tipo convencional para tomar señales análogas como también a seccionadores e interruptores, para realizar maniobras, es decir conectar o desconectar, según sea la necesidad del sistema, ya sea por una falla en el sistema o por que se realizan a voluntad del operador, sea este local o desde un centro de control a kilómetros de distancia.

El sistema es completado mediante un sistema de comunicación que permite conectar las M U con los llamados IED que son relés de protección numéricos con capacidad de procesamiento de información a alta velocidad, también se encuentran en el sistema básico, los controladores de bahía, que son equipos encargados de realizar maniobras de operación, no de protección, y conectados entre también a los centros de control, para permitir realizar maniobras recibiendo

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ordenes locales y remotas; es común encontrar enestos sitemas medidores de energía y registradores de eventos (Recorder), entre otros.

Existe un standard de comunicaciones llamado IEC 61850 que permite la integración de diferentes marcas a un solo sistema de Subestación digital.

Este método de funcionamiento está estandarizado como un bus de proceso tal como se tiene diseñado para automatización de procesos en la industria, con algunas particularidades propias del funcionamiento delas subestaciones eléctrica, tal como se estipula en la IEC 61850

Por esta razón se insiste mucho en que se debe garantizar la confiabilidad en estos sistemas de proceso de datos en subestaciones de alta potencia eléctrica, dado el alto impacto de estas instalaciones en el desarrollo de una nación y también por el alto potencial de un desastre si grandes cantidades de energía, se liberaran sin control, por ejemplo en una falla eléctrica como un corto circuito, donde el sistema en conjunto debe actuar para evitar que la falla evolucione esto en valores de tiempo ya definidos y donde cada milisegundo es vital.

Este sistema simplifica enormemente el cableado en la subestación, y al tener señales de comunicaciones, no es potencialmente peligroso para las persona la manipulación de cableado de control en las subestaciones eléctricas, también hay ventajas respecto a la simplicidad para adquirir datos y tener los datos en línea y tiempo real para el uso de diferentes usuarios o interesados.

También ofrece oportunidades de mejora o retos frente a la confiabilidad debido a la multiplicidad de componentes involucrados, y al riesgo de un sabotaje a través de las redes de comunicaciones. 7.6.3.2. Ventajas transformador óptico Entre ellas se tienen por ejemplo:

• Es liviano, ya que hay CTO con un peso promedio de 15 kg. • No requiere emplazamiento adicional (ahorro en obra civil) • Aporta al ahorro de espacio en las subestaciones o equipos de medida. • Se puede montar en diversos equipos eléctricos a cualquier nivel de tensión,

sin mayores cambios en su fabricación. • No se satura con grandes corrientes. • Hay menor distorsión en la señal dada la utilización de fibra óptica y protocolo

de comunicaciones para la transmisión de datos sobre parámetros eléctricos. • No tiene limitaciones en la medida de corriente continua.

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• Se integra fácilmente a un protocolo de comunicaciones (IEC 61850) y hace que la información de las magnitudes eléctricas esté disponible para varios usuarios y aplicaciones.

• Seguridad de funcionamiento: Se evitan los riesgos por fallo catastrófico, por ejemplo, durante terremotos, o aspectos de seguridad debidos a un circuito secundario abierto. La electrónica está separada galvánicamente de la alta tensión.

• Transformador único tanto para medida como para protección. • Impacto ambiental reducido: ahorra el aluminio, el cobre, los aislantes y el

aceite de transformador de un CT convencional equiparable. Por ejemplo, un CT de 550 kV puede pesar unas 3,5 toneladas y llevar 500 kg de aceite.

• Se puede utilizar el mismo equipo para uso de protección o medida. 7.6.3.3. Desventajas del transformador óptico Tiene algunas limitaciones como:

• Depende de equipos secundarios para su funcionamiento. • Estos equipos requieren una fuente externa de alimentación para adecuar y

transmitir la señal. • Para llevar la señal de la fuente de medida al usuario final o equipo de

monitoreo intervienen muchos agentes que pueden fallar (poco confiable). • Requiere un sistema de respaldo dada su baja confiabilidad.

7.7. NORMAS APLICABLES A ESTA TECNOLOGÍA

En Colombia actualmente no existen normas para medición de corriente por medio de transformadores ópticos, la norma que actualmente rige la medición por medio de TCO es la IEC61850-9-2 la cual define principalmente la información, el intercambio de información y configuración para protección, monitoreo y control en una subestación.

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8. MARCO METODOLÓGICO

El objetivo principal de este trabajo es presentar una monografía que permita determinar la conveniencia del uso de sensores ópticos o transformadores de medida ópticos en sistemas de potencia eléctrica, ya sea en una empresa industrial, o de distribución eléctrica regional o nacional, se realiza dentro del marco del grupo de investigación PRODIGIO de la institución Escuela Tecnológica Instituto Técnico Central dirigido por la Ingeniera Miriam Herrera.

8.1. TIPO DE ESTUDIO

La modalidad del proyecto de grado, es monografía y el tema es la conveniencia del uso de transformadores de medida de magnitudes eléctricas versus el uso de sensores de fibra óptica en aplicaciones como medida, registro de fallas, protecciones eléctricas, etc. 8.2. UNIDAD DE ANÁLISIS

El campo de aplicación del proyecto es el sector eléctrico en sus etapas de uso de la energía eléctrica en grandes potencias, ya sea altos voltajes, altas corriente o altas corrientes y voltajes entonces está dirigido a empresas de gran consumo energético y a empresas generadoras y distribuidoras de energía eléctrica en Bogotá a nivel de tensión Alta tensión (AT).

8.3. UNIDAD DE ESTUDIO

El área de la ciencia donde se piensa enfocar el trabajo, es el análisis físico del fenómeno óptico y el comportamiento de la interacción de campos eléctricos, versus la polarización de la luz como también la comparación de fenómenos teóricos de comportamiento de transformadores de corriente y voltaje comparados con el comportamiento de un sensor óptico de medida en energía eléctrica. 8.4. UNIDAD DE TIEMPO

Las actividades se enmarcaran dentro de este grupo de investigación “PRODIGIÓ” entre febrero y diciembre del año 2015 (primer y segundo semestre).

51

8.5. UNIDAD GEOGRÁFICA

El desarrollo de la presente investigación y la obtención de argumentos e insumos para la monografía, se realizara en las instalaciones del laboratorio de óptica de la Escuela Tecnológica Instituto Técnico Central en Bogotá, en aulas y oficinas de atención de profesores del instituto. 8.6. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN

Se realiza en tres actividades principalmente:

Investigación en documentos formales sobre el tema, desde los fenómenos físicos fundamentales, hasta los que están directamente relacionados con los fenómenos ópticos.

Experimentación en el laboratorio de óptica la Escuela Tecnológica instituto Técnico Central, de acuerdo a lo investigado y según indicaciones de la tutora.

Consultas con proveedores o comercializadores a través de sus páginas de internet y en solo dos ocasiones, con entrevista presencial (Arteche y Areva)

8.7. PARTICIPANTES

Los alumnos involucrados son: Andrés Felipe Cardona, y Javier Urrea estudiantes de onceavo semestre de ingeniería electromecánica del Instituto Técnico Central Escuela tecnológica, y la Profesora Miriam Herrera P. Docente y Directora del Grupo de Investigación Prodigió, 8.8. POBLACIÓN El estudio se realizará en una empresa distribuidora de energía en la ciudad de Bogotá y en empresas dedicadas al comercio de instrumentos y transformadores de medida eléctrica en alta tensión (AT) a nivel nacional.

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La idea es identificar como se realiza la medida de magnitudes eléctricas en la actualidad en empresas distribuidoras y en las grandes consumidoras de electricidad.

8.9. INSTUMENTOS Y EQUIPOS

8.9.1. INSTRUMENTOS

Lo único cuantificable de la investigación es la información obtenida en las prácticas de laboratorio, esta es tabulada y donde se requiere también es graficada.

La información adquirida en otros ámbitos, como libros de física, información básica de fabricantes, y empresas proveedoras, es organizada y mostrada en el cuerpo del documento escrito según sea su contribución en el desarrollo de este.

Ya que no se puede tener acceso a información de precios, y características cuantificables más detalladas al respecto de los equipos para medición de corriente mediante uso de fibra óptica en sistemas eléctricos, por parte de los proveedores y fabricantes, no se puede mostrar mucho al respecto a pesar de haber sido plantado inicialmente.

SENSOR OPTICO: Es el eje de estudio , se trata de un arreglo que involucra un conductor eléctrico de gran capacidad de transporte de corriente y un arrollamiento debidamente dispuesto de fibra óptica bobinada alrededor del conductor eléctrico

MERGIN UNIT: Este elemento como su nombre lo indica es una unidad de mezclado, es decir las señales de tensión y corriente son digitalizadas y enviadas a través de un solo canal de comunicaciones, ya sea este una red Ethernet en cobre o una red de fibra óptica que está interactuando con otros elementos de la subestación eléctrica.

8.9.2. EQUIPOS

Los equipos que se requieren para desarrollar las pruebas de laboratorio son los siguientes:

• Multimetro: para medir intensidades de corriente y tensión durante las practicas de laboratorio.

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• Transformadores de corriente • Laser: esta fuente de luz se requiere para realizar laboratorios en la teoría del

efecto de rotación de faraday.

Accesorios necesarios para la realización de las prácticas de laboratorio:

• Fibra óptica • Espejos de primera cara • Divisor de haz • Rejillas de difracción • Cables de calibres 10 y 12 AWG • Bombillos incandescentes • Lámparas de mercurio

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9. DESARROLLO DEL PROYECTO

9.1 CARACTERIZACIÓN DE UN TRANSFORMADOR DE CORRIENT E TIPO INDUCTIVO Materiales: Miliamperímetro Transformador de corriente Cables de conexión Carga eléctrica (bombillos) Cuando se hace pasar una corriente por los terminales dispuestos para ser primarios en un transformador de corriente se espera una corriente en los terminales secundarios reflejada proporcionalmente de acuerdo a la relación de transformación del transformador de corriente para la prueba se utiliza un transformador de corriente de relación de transformación de 30/5. Entonces si por el primario de este transformador circulan 30 amperios, en el secundario circulan 5 amperios, esto hace que la relación de transformación (m) sea igual a 30/5=6 pero por errores del equipo sucede que las corrientes secundarias no son las esperadas teóricamente, el error máximo permitido es del 3% a carga nominal según la placa de características del transformador de corriente. La corriente disponible en el laboratorio es 2,232 amperios primarios correspondiente a una carga resistiva (bombillos) entonces se procede a incrementar el número de vueltas para aumentar la corriente en múltiplos del número de vueltas; las cifras significativas son de 3 luego del decimal dado que la pinza disponible para las medidas tiene sensibilidad de miliamperios. En la tabla 2 se relacionan los resultados obtenidos en las practicas de laboratorio.

Tabla 2. Resultados de la relación de transformación

VU

ELT

AS E

N E

L P

RIM

AR

IO

CO

RR

IEN

TE P

RIM

AR

IA (

A)

1 2,232

2 4,464

3 6,696

4 8,928

6 13,392

En el grafico 1 se muestra la diferencia en la relación de transformación teórica y real arrojada en la prueba, aunque se ve variación entre los valores, la diferencia no es superior al porcentaje permisible en la placa de características del transformador de corriente (

Grafico 1.

RELACION TEORICA

RELACION REAL

RELACION DE TRANSFORMACION

55

Resultados de la relación de transformación con TC de 30/5A

CO

RR

IEN

TE S

EC

UN

DA

RIA

ES

PE

RA

DA

(A

)

RELA

CIO

N D

E

TR

AN

SFO

RM

AC

ION

TE

OR

ICA

O E

SP

ER

AD

A (

m)

CO

RR

IEN

TE S

EC

UN

DA

RIA

REA

L (A

)

RELA

CIO

N D

E

TR

AN

SF

OR

MA

CIO

N R

EA

L

0,372 6 0,377 5,920

0,744 6 0,747 5,976

1,116 6 1,135 5,900

1,488 6 1,487 6,004

2,232 6 2,239 5,981

se muestra la diferencia en la relación de transformación teórica y real arrojada en la prueba, aunque se ve variación entre los valores, la diferencia no es superior al porcentaje permisible en la placa de características del transformador de corriente (3%)

Grafico 1. Relación entre valores de corriente teórica vs real

1 2 3 4 6

RELACION TEORICA 6 6 6 6 6

RELACION REAL 5,920 5,976 5,900 6,004 5,981

5,9

5,92

5,94

5,96

5,98

6

RELACION DE TRANSFORMACION

con TC de 30/5A

TR

AN

SF

OR

MA

CIO

N R

EA

L

(m)

ER

RO

R D

E M

ED

IDA

DE

L

TR

AN

SF

OR

MA

DO

R D

E

CO

RR

IEN

TE

5,920 1,33%

5,976 0,40%

5,900 1,67%

6,004 0,07%

5,981 0,31%

se muestra la diferencia en la relación de transformación teórica y real arrojada en la prueba, aunque se ve variación entre los valores, la diferencia no es superior al porcentaje permisible en la placa de características del

Relación entre valores de corriente teórica vs real

8

6

5,981 5,958

RELACION DE TRANSFORMACION

56

9.2. DEMOSTRACIÓN DE LA INDUCCIÓN DE FARADAY Al conectar una bobina en un galvanómetro a escala de 0 a 50 µA se mide una corriente cuando se acerca y se aleja un imán a una determinada distancia de la bobina. Para el experimento se eligen 2 bobinas de diferente número de espiras y así poder fundamentar la ley de inducción de Faraday (KRAUS J. D., 1960)

Tabla 3. Resultados experimento inducción de Faraday

En la tabla 3 se puede observar que la corriente aumenta cuando el imán esta a menor distancia de la bobina, debido a que la densidad de líneas de campo magnético es mayor.

9.3. IDENTIFICACIÓN DE COLORES MONOCROMÁTICOS Y POLICROMÁTICO El objetivo es identificar emisión de colores monocromáticos y policromáticos en un rayo de luz, y colores monocromáticos que componen un color policromático. Materiales: a. 1 Fuente y laser. b. lámpara de mercurio.

positiva (+) negativa (-)

15 1,5 1,2

12 2,5 2,5

9 4 3,8

6 6,5 6,5

3 16,5 15

0 40 35

15 0,1 0,1

12 0,2 0,2

9 0,5 0,5

6 1 1

3 2 2

0 9 9

9200

espiras

446Ω

500

espiras

4.4Ω

BOBINADISTANCIA

(cm)

CORRIENTE (µA)

57

c. 1 lámpara incandescente. d. 1 Divisor de haz. Desarrollo: Mediante una rejilla de difracción, la cual es un instrumento óptico utilizado en el laboratorio para descomponer un rayo de luz en colores monocromáticos, a partir de un haz luz compuesta por colores policromáticos. Este espectro mostrado puede ser continuo o discontinuo, dando origen a un espectro típico según la fuente de luz, siendo este de acuerdo a los componentes primarios. El primer tipo de luz a analizar es originado por una lámpara de Mercurio de 40W, en el cual se encuentra un espectro típico de colores monocromáticos violeta, verde y amarillo, debido a esto el espectro no es continuo dado a que no contiene toda la gama de colores, aunque el color al ojo humano es casi blanco.

Figura 24. Espectro lámpara de Mercurio

Fuente: Autor

Por ser el mercurio un átomo, los electrones del átomo saltan a niveles definidos y por tanto el espectro es en forma de líneas (ver figura 24). Otro tipo de luz a analizar, es generado por un bombillo de filamento de tungsteno o de luz incandescente de 60W, y al hacerlo pasar por la rejilla de difracción se observa el espectro completo, lo que quiere decir que emite una luz policromática continua (no es coherente) y en varias longitudes de onda.

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Figura 25. Espectro luz incandescente

Fuente: Autor

En la figura 25 se observa que el espectro es continuo debido a que la luz blanca al descomponerla contiene el conjunto de colores que corresponde a la gama de longitudes de onda que la integran. Otro tipo de luz a analizar es una fuente de luz laser de Helio-Neon de 20 mW y 630 nm de longitud de onda, y en la cual se evidencia que el espectro resultante es diferente, debido a que se compone de solo una franja roja, lo que da a entender que no es continuo en el espectro y que es un haz coherente (todas las ondas son de una misma longitud y frecuencia) y monocromático (un solo nivel de energía en la emisión).

Figura 26. Espectro luz laser

Fuente: Autor

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Como se observa en la figura 26 el rayo laser no se descompone por ser un rayo de luz monocromático de una sola longitud de onda. Una vez analizado los tres tipos de fuentes de luz, se concluye que la única fuente óptima para ser utilizada en fibra óptica es la luz laser, dado que es un haz de luz monocromática y coherente (es decir mantiene estable sus valores de frecuencia y longitud de onda). 9.4. MONTAJE DEL INTERFERÓMETRO EN EL LABORATORIO El objetivo Identificar fenómenos de interferencia entre 2 rayos de laser al ser desviados y unidos en sus trayectorias. Materiales: a. 1 Fuente laser de 20 mW b. 3 espejos de primera cara. c. Soportes para implementos. d. 1 Divisor de haz. e. 1 lente divergente. Desarrollo: Se realiza el montaje del interferómetro, mediante el uso de un laser de 20 mW y luz coherente a 630 nm de longitud de onda, se utiliza un espejo de primera cara en el cual se refleja el laser con el fin de desviarlo hacia un divisor de haz. El divisor de haz básicamente lo que hace es dividir y reflejar la luz del laser hacia varios puntos, luego dos de estos puntos son reflejados en espejos de primera cara para nuevamente unirlo y ampliarlo mediante el uso de una lente divergente. Se observa el fenómeno de la interferencia dando origen a zonas donde esta se da en forma aditiva (zonas iluminadas) y otras veces en forma sustractiva (zonas oscuras) 9.5. CÁLCULO DE INTENSIDAD DEL LASER POR MEDIO DE UNA FOTOCELDA El objetivo es calcular la intensidad del rayo laser utilizando una fotocelda y un multimetro a varias distancias y así poder identificar las perdidas.

60

Materiales: a. 1 Fuente laser de 20 mW b. 1 espejo de primera cara c. Multimetro Fluke d. 1 Fotocelda Desarrollo: Para poder obtener mediciones, el laboratorio se realiza en un lugar oscuro para que la fotocelda no arroje datos erróneos cuando el laser se refleje en la superficie de esta. Se procede colocando la fuente de luz (laser) en un lugar fijo del laboratorio y colocando una fotocelda a diferentes distancias de la fuente, se espera que al aumentar la distancia, la resistencia obtenida mediante un multimetro conectado a la fotoresistencia sea mayor a causa de la menor energía lumínica recibida en el fotoreceptor. Los datos arrojados se pueden observar en la tabla 4.

Tabla 4. Resultados de la medición de la resistencia con una fotocelda a varias distancias

Medición Distancia

(cm)

Resistencia

(Ω)

1 5 379,3

2 12 385,1

3 20 394,8

4 28 403,1

9.6. DEMOSTRACIÓN DEL EFECTO DE ROTACIÓN DE FARADAY

El objetivo es poder observar el fenómeno de rotación de faraday aplicando un campo magnético a un tramo de fibra óptica y sobre la cual se hace pasar un rayo de luz laser.

Materiales: a) 1 Fuente laser de 20 mW b) 2 espejos de primera cara

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c) 1 divisor de haz d) 2m de fibra óptica multimodo 50/125 e) Transformador de corriente relación de 60/5 A f) Pinza amperimétrica

Una vez montado el laboratorio como se observa en la figura 27, se hace pasar un rayo de luz laser He-Ne de 20mW de potencia y 630 nm de longitud de onda por un tramo de 2m de fibra óptica multimodo de 50 µm de diámetro, el rayo que sale de la fibra se hace pasar por un divisor de haz el cual redirige los dos rayos salientes a dos espejos de primera cara, los espejos se posicionan de tal forma que los rayos laser reflejados se intercepten en una lamina de policarbonato.

Figura 27. Montaje del laboratorio para el fenómeno de rotación de Faraday

Fuente: Autor

Luego de interceptar los 2 rayos laser, se procede aplicar un campo magnético alrededor de la fibra óptica, haciendo pasar una corriente de 5 A en el devanado secundario de un transformador de relación de 60/5 A para así poder obtener en el devanado primario 60 A. Cuando se aplica el campo magnético sobre la fibra óptica se produce el efecto de rotación de Faraday.

En la figura 28 se puede observar el rayo de luz laser reflejado en el policarbonato sin aplicar el campó magnético sobre la fibra óptica.

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Figura 28. Luz laser sin aplicar campo magnético

Fuente: Autor

En la figura 29 se observa una pequeña variación en la intensidad cuando a la fibra óptica es atravesada por un campo magnético.

Figura 29. Luz laser cuando se aplica un campo magnético

Fuente: Autor

Cabe notar que el efecto no es muy perceptible ya que el campo magnético generado en el conductor con una corriente de 60 A es alrededor de 240 µT y por tanto la rotación de la señal óptica es del orden de 0.24°.

Este resultado es obtenido con la formula descrita en la ley de Ampere, donde:

B= μ0 I / 2πd

63

Reemplazando: B= 4π x 10-7Tm/A (60A) / (2π x 0,05m) B= 240 x 10-6 T Si utilizáramos una fuente con una corriente del orden de 800 A, como lo sugiere la teoría el ángulo de rotación en la señal óptica sería del orden de 3,25°.

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10. ESTUDIO DE COSTOS

A pesar del hermetismo de las empresas fabricantes para suministrar información sobre precios de equipamiento eléctrico a estudiantes, informalmente se logra obtener la siguiente información.

El uso de transformadores de corriente en subestaciones de potencia de alta tensión garantiza un ahorro de espacio de 15% en ocupación del terreno, dado que este elemento se puede asociar a otros equipos pertenecientes al módulo de potencia, sin perjuicio en su funcionamiento o en sus características mecánicas, dada la baja masa del equipo óptico.

Los costos a largo plazo (más de 15 años) se reducen entre 35% a 40% en mantenimiento, uso de maquinaria pesada, mano de obra, transporte de sustancias especiales, como SF6 o aceites, sin tener en cuenta como cambie la norma al respecto.

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11. CONCLUSIONES • La fuente óptima para ser utilizada en fibra óptica es la luz laser, dado que es

un haz de luz monocromática, coherente y de alta potencia (es decir mantiene estable sus valores de frecuencia y longitud de onda).

• Es conveniente el uso de CTO, ya que se tiene un margen de error en la medida menor con respecto a los transformadores convencionales.

• Los CTO son más seguros que los transformadores convencionales ya que

estos no corren el riesgo de explotarse en caso de pérdida de aislamiento. Los equipos de medida y de protección no se verán afectados por sobrecargas debido a que estos van estar conectados por comunicación y no con señales de corriente como pasa con los transformadores convencionales.

• A pesar de sus ventajas en la seguridad de los equipos y las personas, el uso

de los CTO, tiene una confiabilidad que depende de varios componentes electrónicos y redes de comunicación para su correcto funcionamiento.

• Estos equipos manejan un protocolo de comunicación estándar 61850-9-2 lo

cual permite integrar todas las funciones de protección, control y medición.

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12. RECOMENDACIONDES

Para un óptimo desempeño en un sistema de medida de corriente, se recomienda no utilizar un solo CTO por fase, debido a que si llegase a fallar algún componente del sistema óptico se vería afectado el sistema de protección y medida. Para tener una mejor confiabilidad del sistema eléctrico usando transformadores de corriente ópticos (TCO), es conveniente contar con un robusto sistema de alimentación para todos los equipos involucrados en el monitoreo de corriente tanto para protección como para medida, dado que hay equipos que poseen doble fuente de alimentación estos pueden ser conectados a diferentes sistemas de auxiliares en corriente continua. Es recomendable tener un sistema redundante de redes de comunicaciones entre los IED para mejorar la confiabilidad (HSR, PRP). Iniciar el procedimiento para normalización del método de medida de corriente mediante fibra óptica, dado que no se encuentra normatividad especifica al respecto de medición de corriente mediante el uso de fibra óptica en Colombia. Solo existe NTC 5019 solo para transformadores de corriente del tipo electromagnéticos.

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