celdas pockels

5/21/2018 celdas pockels

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Universidad de San Carlos de GuatemalaFacultad de IngenieraEscuela de Ingeniera Mecnica Elctrica

SISTEMAS PTICOS DIGITALES PARA MEDICINDE ENERGA EN ALTA TENSIN

Francisco Alberto Aldana de Len

Asesorado por el Ing. Otto Andrino Gonzlez

Guatemala, septiembre de 2007


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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERA

SISTEMAS PTICOS DIGITALES PARA MEDICINDE ENERGA EN ALTA TENSIN

TRABAJO DE GRADUACIN

PRESENTADO A LA JUNTA DIRECTIVA DE LAFACULTAD DE INGENIERA

POR:

FRANCISCO ALBERTO ALDANA DE LEONASESORADO POR EL ING. OTTO ANDRINO GONZLEZ.

AL CONFERRSELE EL TTULO DEINGENIERO ELECTRICISTA

GUATEMALA, SEPTIEMBRE DE 2007


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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERA

NMINA DE JUNTA DIRECTIVA

DECANO Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos

VOCAL I Inga. Glenda Patricia Garca Soria

VOCAL II Inga. Alba Maritza Guerrero de Lpez

VOCAL III Ing. Miguel ngel Dvila Caldern

VOCAL IV Br. Kenneth Issur Estrada RuzSECRETARIA Inga. Marcia Ivonne Vliz Vargas

TRIBUNAL QUE PRACTIC EL EXAMEN GENERAL PRIVADO

DECANO Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos

EXAMINADOR Ing. Otto Andrino Gonzlez

EXAMINADOR Ing. Juan Fernando Morales Mazariegos

EXAMINADOR Ing. Carlos Francisco Gressi Lpez

SECRETARIA Inga. Marcia Ivonne Vliz Vargas


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HONORABLE TRIBUNAL EXAMINADOR

Cumpliendo con los preceptos que establece la ley de la Universidad de San

Carlos de Guatemala, presento a su consideracin mi trabajo de graduacin

titulado:

SISTEMAS PTICOS DIGITALES PARA MEDICINDE ENERGIA EN ALTA TENSIN,

tema que me fuera asignado por la Direccin de la Escuela de Ingeniera

Mecnica Elctrica, en octubre de 2006.

Francisco Alberto Aldana de Len


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ACTO QUE DEDICOA:

Dios, por darme vida.

Mis padres, por darme el impulso a los proyectos emprendidos a lo largo demi vida.

Mi familia, por todo el apoyo en mi proyecto de vida.

Mis amigos, por su apoyo y compaa en cada etapa del camino recorrido.

A todos los catedrticos que sin egosmo me han enseado el arte de laingeniera elctrica.

Gracias


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I

NDICE GENERAL

NDICE DE ILUSTRACIONES....V

RESUMEN...........VII

OBJETIVOS......IX

INTRODUCCIN.....XI

1. PRINCIPIOS FSICOS DE LOS DISPOSITIVOS PTICOS

DIGITALES..........................................................................................1

1.1 Aspectos Generales..1

1.2 Fenmenos Fsicos en que se basa los dispositivos pticos

digitales....2

1.2.1. Efecto Faraday.....21.2.2. Ley de Ampere . ..6

1.2.3. Efecto Kerr.....7

1.2.4. Efecto Pockels...7

1.3 Consideraciones bsicas acerca de las fibras pticas.9

2. TRANSDUCTORES PTICOS DE VOLTAJE Y

CORRIENTE......13

2.1 Transductores elctricos.....13

2.2 Transductor ptico de corriente.....14

2.3 Principio de operacin del transductor ptico de corriente16

2.2.1. Componentes del transductor ptico Corriente...20

2.2.2. Precisin del transductor ptico de corriente...22

2.2.3. Ventajas del transductor ptico de corriente26


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II

2.4 Transductor ptico de voltaje.....27

2.4.1 Principio de operacin del transductor ptico de voltaje27

2.4.2 Diseo del transductor ptico de voltaje...322.4.3 Precisin del transductor ptico de voltaje...35

2.4.4 Ventajas del transductor ptico de voltaje36

2.5 Transductor ptico de voltaje y corriente..38

2.5.1 Ventajas del transductor ptico de voltaje y corriente....38

2.5.2 Precisin del transductor ptico de voltaje y corriente...39

2.6 Transductores pticos para proteccin y medicin.40

2.6.1 Consideraciones tcnicas para el uso de transductores

medicin........402.6.2 Consideraciones tcnicas para el uso de transductores

proteccin.........41

2.7 Referencia de Transductores pticos instalados en el mundo.42

3. SISTEMA DE MEDICIN CON FIBRA PTICA45

3.1 Generalidades...45

3.2 Caractersticas de un sistema de medicin con fibra ptica.47

3.2.1 Elementos bsicos de un sistema de medicin con fibra

ptica..51

3.2.2 Sistemas de comunicacin de fibra ptica...52

3.2.3 Ventajas y desventajas del uso de fibra ptica54

3.2.4 Interferencias en la fibra ptica..55

4. APLICACIN DE SENSORES PTICOS DE CORRIENTE

EN UNA SUBESTACIN..574.1 Generalidades...57

4.2 Alternativas de conexin de los sensores pticos de corriente....59

4.2.1 Salida digital hacia un medidor o rele digital61

4.2.2 Salida anloga de baja energa hacia un medidor o rele

anlogo..62


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III

4.2.1 Salida anloga de alta energa..........65

4.3 Seleccin de un sensor ptico de corriente.....67

4.4 Perturbaciones en el sensor ptico de corriente.....69

5. ANLISIS COMPARATIVO DE LOS TRANSDUCTORES

PTICOS VRS. CONVENCIONALES....71

5.1 Transductor ptico de corriente vrs. transformador convencional

de corriente.......74

5.2 Transductor ptico de voltaje vrs. transformador convencional devoltaje.....75

5.3 Anlisis econmico de los sensores pticos vrs. transformadores

de instrumento convencionales.....77

5.3.1 Sensores pticos de corriente vrs. transformadores

convencionales de corriente...81

5.3.2 Sensores pticos de voltaje vrs. transformadores

convencionales de voltaje...85

5.3.3 Sensores pticos de voltaje y corriente vrs. transformadores

convencionales de voltaje y corriente...88

6. ENCUESTA - UTILIZACIN DE TRANSDUCTORES

PTICOS EN EL SECTOR ELCTRICO91

6.1 Encuesta91

6.2 Anlisis de resultados.92

CONCLUSIONES95

RECOMENDACIONES...97

BIBLIOGRAFA...99

ANEXOS.....101


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IV


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V

NDICE DE ILUSTRACIONES

FIGURAS

1. Efecto de Rotacin de Faraday....................3

2. Ley de Ampere.........6

3. Ejemplo de fibra ptica.............10

4. Fibra ptica brillando cuando transmite luz ......11

5. Polarizacin en el sensor ptico......176. Reflector en el sensor ptico...........18

7. Desfase de las seales pticas19

8. Sensor de corriente de fibra ptica.....21

9. Error de relacin versus corriente para transductor de corriente...22

10. Error de fase versus corriente para transformador de corriente............23

11. Corriente primaria y corriente secundaria..24

12. Amplitud versus frecuencia para transductor de corriente....................25

13. Porcentaje de error de amplitud versus frecuencia para transductor

de corriente..25

14. Lneas de campo de los sensores de voltaje...................29

15. Celdas Pockels.......30

16. Cambio en la polarizacin de la luz.....31

17. Transductor ptico de voltaje..............31

18. Campo elctrico versus la distancia en el sensor.....33

19. Precisin del transductor ptico de voltaje........35

20. Respuesta en la salida a la frecuencia del sensor de voltaje..36

21. Diseo del transductor ptico de voltaje y Corriente...........40

22. Fibra ptica de tubo suelto....48

23. Fibra ptica restringida.........48

24. Fibra ptica de mltiples hilos......49

25. Fibra ptica tipo liston.......49


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VI

26. Muestra de fibra ptica.........49

27. Tipos de fibra ptica......50

28. Salidas secundarias de los transductores pticos....6029. Salida digital........61

30. Prdida de energa en un convertidor D/A.....63

31. Grfico de falla en transductor de corriente.......66

32. Comparacin de dos sensores de corriente pticos........70

33. Anualidades de costos comparativos.....80

34. Comparacin de respuesta a corrientes de corto circuito...83

TABLAS

I. Posiciones y pesos calculados para sensor.........................34

II. Referencias de transductores pticos instalados en el Mundo....43


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VII

RESUMEN

La medicin de energa en alta tensin es un aspecto importante para

el consumidor y los comercializadores de electricidad. Los dispositivos ms

comunes utilizados para transformar la energa a niveles seguros son los

transformadores de instrumento convencionales. En aos recientes la

tecnologa ptica ha ido evolucionando y revolucionando la forma de medir

corrientes y altos voltajes en subestaciones.

La creacin de los transductores pticos para medicin en alta

tensin, ha ido cambiando la forma de hacer mediciones precisas en

aplicaciones en donde el costo de una medicin ptica puede significar un

beneficio para el comercializador a mediano y largo plazo.

Los transductores pticos basan su tecnologa en los efectos pticos

que ocasionan los voltajes y las corrientes del sistema en el elemento sensor

de cada instrumento. En ciertas aplicaciones han sustituido a los

transformadores de instrumento convencionales gracias a las grandes

ventajas que los pticos ofrecen.

En el presente trabajo se estudian los efectos fsicos que utilizan los

sensores pticos para medir los parmetros elctricos. Se describen, los

efectos que causan el voltaje y la corriente en elemento sensor y los

principios fsicos a los que corresponden tales efectos.

Tambin, se analizan las caractersticas, principios de operacin,

accesorios y mtodos de trasladar las seales de los transductores pticos

de medicin. Se describen las caractersticas fundamentales de los

transductores pticos de corriente y los de voltaje.


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VIII

Ms adelante, se definen los diferentes tipos de fibra ptica y la

utilizacin de la fibra para trasladar la seal desde el sensor en la lnea de

transmisin y el receptor en el cuarto de control de la subestacin. Lautilizacin de la fibra ptica hace posible utilizar el transductor ptico en un

sistema totalmente digital.

Se explican las diferentes formas de obtener la seal adecuada y

normada para los medidores y relevadores que comercial se consiguen en

el mercado y las restricciones respecto al ancho de banda, la precisin para

proteccin y medicin y la confiabilidad del sistema de medicin.

Tambin se realiza un anlisis comparativo tcnico y econmico para

evaluar las ventajas y desventajas de la utilizacin de los transductores

pticos en lugar de los transformadores de instrumento convencionales.

Por ltimo, se realiza una encuesta para evaluar la posible utilizacin

de los transductores pticos. Se utiliza una muestra de personas que

laboran en el sector elctrico y que tienen relacin directa o indirecta con

este tipo de instrumentos en el campo laboral. Se detallan los resultados de

la encuesta y se establecen recomendaciones y conclusiones.


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IX

OBJETIVOS

General

Efectuar un estudio de la tecnologa de los instrumentos pticos

digitales, para medicin de energa en alta tensin y proporcionar los

criterios adecuados para la seleccin y el uso adecuado de los

equipos en la industria elctrica guatemalteca.

Especficos

1. Analizar y describir las ventajas comparativas de los sensores

pticos de voltaje y corriente contra los tradicionales

transformadores de instrumento.

2. Explicar los principios fsicos en que se basan los transductores

pticos.

3. Estudiar los fundamentos bsicos de la transmisin de datos

por fibra ptica.

4. Estudiar el costo-beneficio de los nuevos sistemas de medicin

ptica en comparacin con los tradicionales.

5. Definir las posibles interfases entre medidor o relevador ytransductor ptico.

6. Investigar la viabilidad en la aplicacin de sistemas de

medicin pticos en subestaciones de alta tensin en

Guatemala.


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X


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XI

INTRODUCCIN

La mayora de subestaciones elctricas actuales estn diseadas con

equipos convencionales, tales como: transformadores de potencia,

interruptores de potencia, seccionadores, transformadores de corriente y de

potencial, etc.

Este sistema convencional ha sido funcional y efectivo durante mucho

tiempo. Ahora, con los avances tecnolgicos se hace necesario, en algunos

casos, implementar nuevas tecnologas para que el sistema est integrado

en una misma plataforma de informacin, ms precisa y exacta.

La tecnologa de medicin ptica para lneas de alta tensin, ha

evolucionado la forma de obtener la medicin de energa. En algunas

aplicaciones, utilizar los transductores de corriente y voltaje pticos puede

ser una solucin tcnica para la aplicacin especfica y econmicamente

rentable.

Como se sabe, la precisin en las mediciones elctricas,

especialmente para facturacin, es muy importante y significativa. Esta es la

principal razn del desarrollo de esta tecnologa. Tiene muchas ventajas en

comparacin con los sistemas convencionales de medicin. Estos nuevos

sistemas se estn implementando en varios pases del mundo dejando a un

lado los sistemas convencionales, aun cuando el costo inicial es mayor.

El objetivo del trabajo de graduacin es difundir la tecnologa de

medicin ptica en alta tensin, las interfases disponibles, y sus

aplicaciones en subestaciones elctricas.


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XII


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1

1. PRINCIPIOS FSICOS DE LOS DISPOSITIVOS PTICOS

DIGITALES

Las nuevas tecnolgicas referentes a los transformadores de

instrumento han centrado su inters en promover avances en la de medicin

de energa utilizando tecnologa ptica. Estos instrumentos tienen muchas

ventajas tales como: la insensibilidad a las interferencias electromagnticas,

la facilidad de transportar, su ligereza y la su fcil instalacin. En ciertas

aplicaciones pueden sustituir a un sistema convencional de medicin.

Cuando se requiere una adquisicin de datos precisa y segura se

debe pensar en fibra ptica, y esta precisin se puede apreciar cuando en

los transductores de medicin los errores en la lectura son mnimos,

despus de procesada, transmitida y almacenada la informacin. Esto ltimo

es en gran parte debido a que las seales luminosas son insensibles a

perturbaciones electromagnticas, en consecuencia, una excelente

capacidad para transmisin de datos. En los casos de medicin de energa

en alta tensin, ya sea con el objetivo de proteccin o medicin, se necesita

que el instrumento sea preciso y exacto.

1.1 Aspectos generales

En los sistemas actuales de medicin de energa en alta tensin,

cada instrumento de medicin, no importando que sea TP (transformador de

potencial) o TC (transformador de corriente), estn conformados por ncleos

ferromagnticos. Estos instrumentos adquieren un pequeo porcentaje de

energa de la lnea de transmisin para la medicin, por lo que se tiene que

tomar en consideracin la saturacin de dicho ncleo, y esta se relaciona

con la precisin y exactitud del transformador.


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2

A diferencia de los sistemas convencionales, un sistema

basado en medicin indirecta cuenta con un sensor del campo magntico

circundante y lo convierte a una seal ptica. Este sensor cuenta con unapropia alimentacin, dejando sin alteracin la energa elctrica circundante.

El sensor basa su funcionamiento en principios fsicos tales como los

efectos Pockels, Kerr, Faraday y Ampere.

El sensor simplemente se basa en el principio fsico de que un

material cambia o rota el plano de polarizacion de la onda luminosa que

pasa a travs del mismo, la cantidad de rotacin depende del campo

elctrico o magntico. El sensor debe ser capaza de medir los pequeoscambios de polarizacin del haz de luz.

Para la transmisin y comunicacin de los efectos pticos,

utilizan fibra ptica. La fibra ptica es capaz de transmitir gran cantidad de

informacin en trayectos relativamente largos, con pocas prdidas. Esto se

debe a su caracterstica de funcionamiento utilizando la reflexin interna total

en el material. En los ltimos aos se ha estado utilizando cada vez ms la

fibra ptica, especialmente para las telecomunicaciones.

1.2 Fenmenos fsicos en que se basan los dispositivos

pticos digitales

1.2.1 Efecto Faraday

El efecto Faraday (denominado a veces como: Rotacin Faraday) fue

descubierto en 1845 por el fsico Michael Faraday, e intenta demostrar la

interaccin entre la luz y un campo magntico. Para ser ms precisos, el

efecto describe como el plano de polarizacin de la luz puede cambiar.


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3

Tambin muestra como su alteracin es proporcional a la intensidad del

componente del campo magntico en la direccin de propagacin de la onda

luminosa.

El efecto Faraday es un efecto magneto-ptico. El efecto es la primera

evidencia experimental de que la luz y el magnetismo estn relacionados.

Hoy en da la base terica para definir esta relacin se denomina Teora

electromagntica, y fue desarrollado por James Clerk Maxwell entre los 60 y

70. Este efecto ocurre en la mayora de los materiales dielctricos

transparentes afectados por fuertes campos magnticos (por ejemplo: 5

Tesla (50000 gauss) para hacer rotar la polarizacin 90 grados).

El efecto Faraday es resultado de una resonancia ferromagntica

cuando la permeabilidad de un material se representa por un tensor. Esta

resonancia provoca que las ondas se descompongan en dos rayos

polarizados circularmente y que se propagan con velocidades diferentes,

est propiedad se conoce como birrefringencia circular. Los rayos se

recombinan al llegar a la interfase del medio, de tal forma que la onda

resultante final tiene una rotacin de su plano de polarizacin.

Figura 1. Efecto de Rotacin de Faraday

Fuente: pgina web. www.wikipedia.org Portal de descargas


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4

Para poder determinar el grado de giro del plano de polarizacin en los

diferentes materiales, se emplea la siguiente frmula:

Donde:

es el ngulo de rotacin (en radianes).

Bes flujo de densidad magntico en la direccin de propagacin (en teslas).

des la longitud del camino ptico (en metros)

es la constante de Verdet del material. Este valor es una constante

emprica que muestra la proporcionalidad (en unidades de radianes por tesla

y por metro) entre el campo y la rotacin del plano de polarizacin para

varios materiales. Un valor positivo de esta constante indica que el giro del

plano ser levgiro (contrario a las agujas del reloj) y por el contrario un valor

negativo indica un giro dextrgiro (sentido de las agujas del reloj).

Algunos materiales tales como las aleaciones transparentes de terbio

y galio (denominadas abreviadamente como TGG) tienen un valor de la

constante de Verdet extremadamente elevada (40 rad T-1m-1). De estaforma si se coloca una barra de este material en un intenso campo

magntico, el ngulo de la rotacin Faraday puede llegar a ser de 0.78 Rad.

(45). Este efecto permite la construccin del Rotator de Faraday, que tienen

como propiedad aislar algunos componentes de la luz transmitida en una

direccin. Aislantes similares se construyen en los sistemas de microondas

empleando barras de ferrita en una gua de onda envuelta en un campo

magntico.

El efecto de Faraday se considera de mucha importancia en campos

tales como la astronoma, que se emplea en la medicin de campos

magnticos de pulsares de radio, que puede ser estimada mediante las

medidas combinada de la rotacin del plano de polarizacin y los retrasos

existentes entre los pulsos de radio en diferentes longitudes de onda.


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5

Si se considera que un rayo de luz pasa a travs de un medio

interestelar en el que existe una cierta cantidad de electrones libres, se

puede observar como existe un ndice de refraccin que consiste en hacerque la luz se propague en dos modos polarizados circularmente. El efecto

Faraday en las nubes interestelares, al contrario de lo que pasa en los

lquidos y slidos, tiene una simple dependencia con la longitud de onda de

la luz (), de esta forma:

donde el efecto global de esta perturbacin, caracterizado por MR, Medidade la Rotacin, indica el giro del plano de polarizacin en funcin de By de

la densidad de electrones, ne, ambos pueden variara a lo largo de la

trayectoria lumnica, de esta forma se tiene que:

,

donde:

ees el carga de un electrn

mes la masa de un electrn

ces la velocidad de la luz en el vaco

Las ondas de radio que pasan a travs de la ionosfera estn sujetas

igualmente a rotacin del plano de polarizacin segn el efecto Faraday, y el

efecto es proporcional al cuadrado de la longitud de onda. A 435 MHz (UHF),

se puede esperar que las ondas hayan cambiado su plano de polarizacinen 1.5 grados a causa del trnsito por la ionosfera, mientras que las ondas

de 1.2 GHz lo hacen en cerca de un cuadrante.


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6

1.2.2 Ley de Ampere

Andr Marie Ampere fue un fsico y matemtico francs que en el ao1825 publico sus teoras en electrosttica y electrodinmica, estudio la

equivalencia entre imanes y corrientes y distingui la diferencia entre tensin

elctrica y corriente elctrica. Se le acredita a Ampere el descubrimiento del

electromagnetismo.

La ley de Ampere expresa que si la onda luminosa es

uniformemente sensitiva al campo magntico a lo largo del camino de la

onda luminosa y si este camino define un lazo o bucle cerrado, entonces larotacin acumulada del plano de polarizacin de la onda luminosa debido al

campo es directamente proporcional a la corriente fluyendo por el conductor

encerrado por el lazo.

Figura 2. Ley de Ampere

Fuente: pgina web. www.wikipedia.org Portal de descargas


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7

1.2.3 Efecto Kerr

Descubierto en 1875 por el fsico escocs John Kerr, elefecto Kerresuna birrefringencia o doble refraccin, creada en un material por un campo

elctrico exterior. Se caracteriza por la existencia de dos ndices de

refraccin diferentes: un haz luminoso se divide en dos haces cuando

penetra en este material.

La birrefringencia creada, a diferencia de la del efecto Pockels, vara

segn el cuadrado del campo elctrico aplicado. Los materiales presentan

en general un efecto Kerr muy dbil, sin embargo, algunos lquidos

presentan un efecto Kerr medible.

Un campo elctrico aplicado a un material genera una birrefringencia en

ese material: la luz tiene un ndice de refraccin diferente segn su

polarizacin sea ortogonal o paralela al campo. La diferencia entre los dos

ndices n2-n1es:

K es la constante Kerr, cuando K es positiva, n2-n1 es positivo y la

sustancia se comporta como un cristal uniaxial positivo.

E es la amplitud del campo elctrico.

1.2.4. Efecto Pockels

El efecto electro-ptico Pockels produce una birrefringencia en un

medio ptico inducido por un constante o cambiante campo elctrico. Adiferencia del efecto Kerr, el efecto Pockels produce una birrefringencia

proporcional al campo elctrico, mientras que en el efecto Kerr es al

cuadrado del campo. El efecto Pockels ocurre solo en cristales desprovistos

de un centro de simetra, como el Litio Nobio Oxigeno y el Galio Arsnico.


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8

Friedrich Carl Alwin Pockels estudio el efecto que lleva su nombre en

1983, este efecto es utilizado para la fabricacin de celdas Pockels, estas

no son mas que un monocristal orientado sin centro de simetra sumergidoen un campo elctrico controlable.

El campo elctrico puede ser aplicado al cristal ya sea de forma

longitudinal o transversal al rayo de luz. El eje del cristal puede ser

longitudinal o transversal. Una celda longitudinal es un poco ms grande, y

los cristales son un poco menos eficientes en este modo. El alineamiento

del eje del cristal con el eje del rayo es crtico, ya que el des-alineamiento

produce una birrefringencia y un cambio en la fase a lo largo del cristal, yestos una rotacin polarizada, si el alineamiento no es exactamente paralelo

o perpendicular a la polarizacion.

Una celda transversal consiste en dos cristales en una orientacin

opuesta, esto produce un valor cero de la onda cuando el voltaje es llevado

a cero. Esta celda no es ideal y tiene cambios debido a la temperatura. El

alineamiento mecnico del eje del cristal no es tan crtico y es regularmente

hecho con la mano sin necesidad de desarmadores; mientras el des-alineamiento produce una energa en un sentido errneo, en contraste al

caso longitudinal, este no es amplificado proporcionalmente a la longitud del

cristal.

Las celdas de Pockels son comnmente usadas para rotar la

polarizacion del rayo de luz que pasa a travs de ellas.

Debido a la gran constante dielctrica del cristal, las celdas Pockels se

comportan como un capacitor. Cuando estas se maniobran a un estado de

alto voltaje, se necesita una alta descarga, consecuentemente, estas rpidas

maniobras requieren el manejo de grandes corrientes. Las celdas Pockels

para fibra ptica utilizan un diseo de onda viajera para reducir los

requerimientos de corriente.


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9

Las celdas Pockels son utilizadas en una variedad de aplicaciones

tcnicas cuando se combinan con un polarizador:

1. Maniobras de apertura y cerrado en nanosegundos.

2. Imprimir informacin en el rayo por medio de modulacin de la

rotacin entre cero y noventa grados.

3. Obtener una seal de amplitud modulada de la intensidad del rayo,

cuando es visto por medio del polarizador.

4. Prevenir el feedback utilizando el prisma polarizador.

1.3 Consideraciones bsicas acerca de las fibras pticas

Fibra ptica, gua o conducto de ondas en forma de filamento,

generalmente de vidrio (polisilicio), aunque tambin puede ser de materiales

plsticos, capaz de transportar una potencia ptica en forma de luz,

normalmente emitida por un lser o LED. Las fibras utilizadas en

telecomunicacin a largas distancias son siempre de vidrio, utilizndose las

de plstico solo en algunas redes locales y otras aplicaciones de corta

distancia, debido a que presentan mayor atenuacin o posibilidad de sufrir

interferencias.

En el interior de una fibra ptica, la luz se va reflejando contra las

paredes en ngulos muy abiertos, de tal forma que prcticamente avanza

por su centro. De este modo, se pueden guiar las seales luminosas sin

prdidas por largas distancias.

La fibra ptica ha representado una revolucin en el mundo de las

telecomunicaciones, por cuanto ha desplazado a los cables de cobre para latransmisin de grandes cantidades de informacin, sea en forma de canales

telefnicos, televisin, datos, etc.

Las diferentes trayectorias que puede seguir un haz de luz en el interior

de una fibra se denominan modos de propagacin.


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Figura 3. Ejemplo de Fibra ptica

Fuente: pgina web. www.monografias.com Fibra ptica

Una fibra multimodo es una fibra que puede propagar ms de un modo

de luz. Una fibra multimodo puede tener ms de mil modos de propagacin

de luz. Las fibras multimodo se usan comnmente en aplicaciones de cortadistancia, menores a 1 km. Simple de disear y econmico. El ncleo de una

fibra multimodo es inferior, pero del mismo orden de magnitud, que el

revestimiento. Debido al gran tamao del ncleo de una fibra multimodo, es

ms fcil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor

precisin.

Una fibra monomodo es una fibra ptica en la que slo se propaga un

modo de luz. Se logra reduciendo el dimetro del ncleo de la fibra hasta untamao que slo permite un modo de propagacin. Se utiliza en aplicaciones

de larga distancia, ms de 300 km.

La fibra ptica se emplea en multitud de sistemas y el actual auge de

los sistemas de banda ancha se debe en gran medida a la elevada

capacidad de trfico que pueden transmitir las redes de las operadoras

basadas en fibra ptica. Las fibras pticas pueden ahora usarse como los

alambres de cobre convencionales, tanto en pequeos ambientes, dada la

dificultad de hacer imperceptible una intercepcin de los datos transmitidos.

Algunas de las desventajas son el costo, la fragilidad de las fibras, la

disponibilidad limitada de conectores y la dificultad de reparar un cable de

fibras roto en el campo.


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Charles Kao en su tesis doctoral de 1966 estim que las mximas

prdidas que debera tener la fibra ptica para que resultara prctica en

enlaces de comunicaciones eran de 20 dB/km. En 1970 los investigadoresMaurer, Keck, Schultz y Zimar que trabajaban para Corning Glass Works

fabricaron la primera fibra ptica dopando el slice con titanio. Las prdidas

eran de 17 dB/km.

El primer enlace transocenico con fibras pticas fue el TAT-8,

comenz a operar en 1988. Desde entonces se ha empleado fibra ptica en

multitud de enlaces transocenicos, entre ciudades y poco a poco se va

extendiendo su uso desde las redes troncales de las operadoras hacia losusuarios finales.

Figura 4. Fibra ptica brillando cuando transmite luz.

Fuente: pgina web. www.wikipedia.org Fibra ptica.


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Algunos de los usos que se le ha dado a la fibra ptica son:

Se puede usar como una gua de onda en aplicaciones mdicas oindustriales en las que es necesario guiar un haz de luz hasta un

blanco que no se encuentra en la lnea de visin.

La fibra ptica se puede emplear como sensor para medir tensiones,

voltajes, corrientes, temperatura, presin as como otros parmetros.

Es posible usar latiguillos de fibra junto con lentes para fabricar

instrumentos de visualizacin largos y delgados llamados

endoscopios. Los endoscopios se usan en medicina para visualizar

objetos a travs de un agujero pequeo. Los endoscopios industrialesse usan para propsitos similares, como por ejemplo, para

inspeccionar el interior de turbinas.

Las fibras pticas se han empleado tambin para usos decorativos

incluyendo iluminacin, rboles de Navidad.


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2. TRANSDUCTORES PTICOS DE VOLTAJE Y

CORRIENTE

2.1 Transductores elctricos

Un transductor se define como un dispositivo, usualmente elctrico,

electrnico o electromecnico, que transforma un tipo de energa a otro para

diferentes propsitos tales como, medicin y transferencia de informacin.Generalmente, un transductor es un dispositivo que convierte una seal de

una forma a otra.

Algunos ejemplos de transductores son los termmetros, sensores de

posicin, sensores de presin, fotoceldas, galvanmetros, etc. Los

transductores estn clasificados segn su funcionamiento como

electromecnicos, electroqumicos, electroacsticos, fotoelctricos,

electromagnticos, electroestticos, termoelctricos, y otros.

El transductor elctrico se utiliza comnmente para convertir una

variable fsica en una seal elctrica. Estos dispositivos son muy tiles para

interconectar sistemas similares.

Un transductor ptico realiza la transformacin de energa por medio de

diferentes mtodos, utilizando los principios fsicos descritos en el capitulo

uno. La transformacin de la variable da como resultado una mejor eficienciaen la medicin. En el presente capitulo ampliaremos la informacin de los

diferentes tipos de traductores pticos para la medicin de corriente y voltaje

en aplicaciones de alta tensin.


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14

El transformador ptico digital es utilizado para la medicin de

corriente y voltaje en sistemas de potencia.

El instrumento esta destinado para aplicaciones de proteccin,

medicin, control y supervisin de la calidad de energa. Estos

transformadores combinan tcnicas tradicionales de medicin conjuntamente

con seales pticas para transmisin, permitiendo esto, una conexin no

conductiva entre el transductor en la subestacin y la interfase en el cuarto

de control.

Transductor ptico de corriente

La medicin de la intensidad que viaja en un conductor permite conocer

condiciones de funcionamiento de los equipos conectados a la lnea,

detectar y prevenir fallos, optimizar el flujo de energa, cerrar el lazo de

control de dispositivos y establecer la facturacin del consumo de energa.

En alta tensin es demasiada riesgosa la manipulacin de elementos

conectados a la lnea, por lo que se descarta la idea de utilizar ampermetros

en serie. Es necesario utilizar mtodos indirectos para la medicin de

corriente. Los mtodos convencionales de medida de grandes corrientes son

los transformadores de corriente y las sondas de efecto Hall.

Aunque los transformadores de corriente convencionales dominan el

mercado, estos tienen algunas limitaciones como:

1. No pueden medir corriente directa.

2. Pueden haber problemas de aislamiento entre primario y secundario

3. Se saturan con picos de corrientes debidos a fallas

4. Tienen problemas de histresis y en consecuencia de calentamiento

5. La tensin en bornes es muy alta cuando se encuentran en vaco

debido a la relacin de espiras.

6. Se ven influidos por interferencias electromagnticas


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15

En los aos recientes se han desarrollado nuevas tecnologas tales

como los sensores de corriente basados en anillos de Rogowski. Estos

instrumentos estn basados en la ley de induccin de Faraday y necesitanun integrador para obtener la intensidad que circula por el primario. Su

principal atractivo es que pueden medir altas frecuencias, pero la desventaja

es que al integrar la fuerza electromotriz inducida no miden corriente

continua.

Las investigaciones sobre las propiedades pticas de los materiales

influidos por un campo magntico ha sido la base para desarrollar la

tecnologa de los sensores magneto pticos.

Ms de cien aos despus de que Michael Faraday descubriera la

relacin que existe entre la polarizacion de una onda electromagntica a la

entrada y la polarizacion de la onda a la salida de un material imanado, A.J.

Rogers propuso un mtodo para la medida de corriente con un mtodo

ptico. Desde entonces el desarrollo de esta tecnologa ha ido mejorando.

La principal ventaja de los traductores pticos de corriente es que

pueden medir, a distancia, campos magnticos que son proporcionales a

intensidades. Adems, como la luz es la que la transmite la informacin

medida ganamos un aislamiento total entre primario y secundario. Otra de

las ventajas que agrada a los ingenieros elctricos es que no tienen

problemas de saturacin en condiciones de falla y su ancho de banda es

prcticamente ilimitado, es decir, tambin puede medir corriente continua.

Las importantes desventajas del transductor ptico que se deben tomar

en consideracin en el momento del diseo son:

- La baja sensibilidad

- Las pequeas variaciones en el ngulo de rotacin en el plano de

polarizacin de la luz, este ngulo es proporcional a la magnitud

medida.


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16

Debido a lo anterior es necesaria la incorporacin de amplificadores

con una alta ganancia para obtener medidas aceptables. Adems, las

propiedades pticas de los materiales, su constante Verdet, dependen dela temperatura en mayor o menor medida dependiendo de la

composicin qumica del sensor.

2.3 Principio de operacin del transductor ptico de corriente

En aos recientes los transductores pticos de corriente y voltaje han

alcanzado un alto grado de madurez en su desarrollo y estn empezando a

competir con los transformadores de instrumentos convencionales. Lostransductores de fibra ptica se pueden adaptar muy bien a las condiciones

de alto voltaje, esto es debido a que son inmunes a las interferencias

electromagnticas y no existe conexin galvnica entre la cabeza del sensor

en alto voltaje y los circuitos electrnicos de la subestacin.

Existen varios tipos de sensores desarrollados por los fabricantes de

los transductores pticos de corriente, pero todos tienen como base de

funcionamiento los principios pticos desarrollados en el capitulo uno.

El fabricante NXTPHASE utiliza en sus transductores de corriente un

diseo interferomtrico. El diseo utiliza una fibra ptica que acta como

material magnetoptico, la fibra se enrolla alrededor de un conductor. La luz

entra al enrollamiento a travs de un acoplador de fibra ptica que la divide

en dos haces. Cada uno de ellos tiene la luz polarizada en un sentido. Si por

el conductor no circula intensidad, la luz que se recupera en el sensor es la

misma que la emite la fuente. Si por el contrario el conductor lleva corriente

se crea un campo magntico que lleva la misma direccin que la fibra y

sentidos contrarios o iguales a la circulacin de la luz, dependiendo del haz

que se considere. Debido a que el efecto Faraday es no reciproco, es decir,

este depende del sentido del campo magntico.


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17

Cuando los haces se recomponen de nuevo en el acoplador de la fibra,

la luz tiene la fase desplazada con respecto al emisor. La relacin

matemtica es una senoidal al cuadrado.

Los diferentes pasos en que se recoge la seal de corriente en el

transductor sern analizados a continuacin.

El transductor empieza a funcionar cuando el modulo opto-electrnico

en el cuarto de control, convierta la seal de un diodo emisor de luz, en dos

seales ortagonalmente polarizadas. Estas seales son transmitidas hacia la

cabeza del sensor por medio de fibra ptica capaz de mantener lapolarizacion.

En el tope de la columna del instrumento se encuentra instalado un

polarizador elptico, que no es ms que una placa de cuarto de onda. Este

polarizador convierta las dos seales de luz ortagonalmente polarizadas en

una polarizacion elptica de izquierda-derecha.

Figura 5. Polarizacin en el sensor ptico

Fuente: pgina web. www.nxtphase.com Portal de descargas


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Las seales viajan en la fibra ptica enrollada alrededor del conductor

muchas veces. El campo magntico generado por la corriente que fluye en el

conductor desacelera una seal y acelera la otra, dndose el efecto Faraday.

Cuando las seales circularmente polarizadas completan su camino en

la fibra alrededor del conductor, estas son reflejadas por medio de un espejo

en el sensor. Las seales viajan de regreso por medio de la fibra y la

direccin de sus polarizaciones es invertida. Cuando se da esta inversin el

efecto Faraday se duplica. Las seales mantienen su diferencia de velocidad

para el viaje de retorno alrededor de la fibra.

Figura 6. Reflector en el sensor ptico


Las dos seales viajan ahora de regreso y pasan de nuevo por elpolarizador elptico. El polarizador las convierte nuevamente en haces de luz

ortagonalmente polarizados. Las dos ondas son recombinadas en el

polarizador, luego descienden por medio de la fibra en la columna aislante

del transductor hacia un fotodetector del modulo opto-electrnico.


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19

La diferencia en la velocidad de propagacin se traduce en un cambio

de fase entre los dos haces de luz. Como las dos seales han viajado sobre

un camino idntico, los cambios de temperatura y vibracin, afectan de lamisma forma a las dos seales, por lo que la medicin de corriente es

altamente precisa y se mantiene sin perturbaciones.

Cuando por el conductor no circula corriente, las dos seales viajan

en fase por la fibra ptica, pero cuando la corriente circula en el conductor, el

efecto magneto-ptico cambia las seales de luz en una direccin opuesta,

ponindolas fuera de fase.

Figura 7. Desfase de las seales pticas


Por ltimo, el mdulo opto-electrnico mide la diferencia del tiempo de

recorrido entre las dos ondas luminosas, y es una medida precisa de la

corriente que fluye en el conductor.

El mdulo opto-electrnico es capaz de medir diferencias en el tiempo

de 10E-21 a 10E-15 segundos, para un rango de corrientes de 100mA a

100 kA. Un modulador convierte la seal del tiempo de desfase en una ondaportadora de alta frecuencia. La seal es desmodulada en el fotodetector, y

esta es convertida a una forma digital regularmente descrita por 16 bits. El

tiempo total que se toma una medicin de corriente para que se muestre en

el sensor de salida es de 11.25 microsegundos, con una incertidumbre de

100 nanosegundos.


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20

Como la seal es convertida en una onda portadora de alta frecuencia

el sensor responde a una frecuencia igual a de la onda portadora de alta

frecuencia.

2.3.1 Componentes del transductor ptico de corriente

El transductor ptico de corriente esta constituido por partes

separables, los que lo hace ms liviano para su transporte e instalacin. Las

partes del transformador ptico de corriente son: el modulo opto electrnico,

el cableado de fibra ptica y las columnas aislantes donde se encuentra el

sensor principal.

El modulo opto-electrnico situado en el cuarto de control de la

subestacin es fcilmente configurable. En este se encuentran los

componentes electrnicos tales como, el fotodetector, la fuente de luz,

fuente de poder, y otros elementos electrnicos.

El diseo altamente flexible permite varias configuraciones para las

aplicaciones de medicin o proteccin. El modulo esta disponible en varios

rangos de interfases, capaz de hacer conexiones anlogas con medidores y

relevadores, as como, comunicase por medio de protocolos digitales. El

usuario tiene disponible un completo historial de los sucesos que han

ocurrido con la corriente, el mdulo es capaz de almacenar toda la

informacin.

El cableado de fibra ptica lo despachan con sus terminaciones de

fbrica para una instalacin ms sencilla. El cableado se debe ordenar al

fabricante con una longitud definida para su instalacin. El cableado puede

instalarse areo, subterrneo (con opcin contra roedores), o en tubera

conduit.


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Las columnas de sensores de alto voltaje estn basadas en un diseo

pasivo, en donde no se encuentra un solo componente electrnico en el

campo donde se encuentran instalados los equipos de la subestacin. Lascolumnas aislantes estn diseadas para que tengan un bajo grado de

mantenimiento, gracias a que no utilizan gases SF6, o aceite mineral, o

papel para aislamiento.

En la cabeza de la columna se encuentra ubicado el enrollamiento de

fibra ptica, el reflector y un polarizador. En el modulo opto-electrnico estn

ubicados el modulador, el polarizador, la fuente de luz, el fotodetector y los

circuitos digitales para el procesamiento de las seales.

Figura 8. Sensor de corriente de fibra ptica


La alta precisin en la medicin se gana gracias al modulador y a la

electrnica en el mdulo ubicado en el cuarto de control, estos permiten

mediciones precisas, excediendo la norma IEEE clase 0.15S.


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Se pueden lograr mediciones en un rango dinmico de 1A (rms) hasta

4,000 A (rms), para aplicaciones de medicin, y censando transitorios de

corriente de hasta 80KA rms, o 216KA pico.

2.3.2 Precisin del transductor ptico de corriente

Una de las caractersticas mas importantes de los transductores pticos

de corriente para instalaciones en alto voltaje es la precisin. El transductor

excede en precisin a las normas ANSI/IEEE clase 0.15 y la IEC clase 0.2S.

Figura 9. Error de relacin vrs corriente para el transductor de corriente



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23

La grfica anterior muestra la relacin entre el error en la relacin de

transformacin y la corriente en la lnea, en un marco donde supera la clase

IEC 0.2S.

Como se puede observar, para intensidades menores de 10 amperios

es cuando se presenta el mayor error, sin embargo, esta medicin se

encuentra fuera del rango dinmico del sensor, y para intensidades mayores

el error es casi imperceptible. Aun as, el porcentaje de error no supera el

1.5%, en todo el rango dinmico de medicin.

Figura 10. Error de fase vrs corriente para transformador de corriente


En esta nueva grfica se puede observar que el error en la fase no esmayor a 5 minutos dentro de todo el rango dinmico de medicin.

En lo que se refiere a la utilizacin del transductor ptico para

aplicaciones de proteccin, el mismo transductor ptico es capaz de realizar

una replica exacta de la corriente primaria.


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24

Por ejemplo, si en el circuito primario ocurre un transitorio de corriente

de 108KA pico, en un offset positivo, y la corriente nominal es de 2000 A, el

transductor responde de la siguiente forma: como el transductor tienen en elsecundario un voltaje nominal de 200mV correspondiente a los 2000

nominales, el secundario mide un pico de 10.8 V y reproduce los sags del

transitorio casi instantneamente. Adems, esta seal es enviada

directamente al relevador correspondiente para que analice si es necesario

el disparo o no. En la grafica siguiente se puede observar el ejemplo.

En la grfica se puede observar que el proporcional a la corriente

secundaria se dibuja casi exactamente sobre la grafica de referencia en elprimario.

Figura 11. Corriente Primaria y Corriente Secundaria


La grfica siguiente define la respuesta a la frecuencia que tiene untransductor ptico de corriente sometido a una prueba con una corriente de

100KA pico. Se puede observar que a 60HZ la amplitud normalizada se

mantiene en la unidad.


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Figura 12. Amplitud vrs Frecuencia para transductor de corriente


Por ltimo, en la siguiente grfica se puede apreciar que la precisin del

sensor respecto a la respuesta a la frecuencia se da en una forma muy

horizontal, en donde no supera el 0.15% de error en la amplitud. A 60HZ el

error es menor al 0.1%. Esta respuesta a la frecuencia lo hace un

instrumento ideal para aplicaciones de monitoreos de lnea, calibraciones en

vivo, y generacin de altas corrientes.

Figura 13. Porcentaje de error de amplitud vrs Frecuencia para transductor de

corriente



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2.3.3 Ventajas del transductor ptico de corriente

Algunas de las ventajas del transductor ptico de corriente ya semencionaron anteriormente, sin embargo en este inciso se enumeran las

ventajas ms importantes en la utilizacin de estos equipos.

Ventajas de operacin:

- La precisin excede las normas ANSI/IEEE clase 0.15 e IEC

clase 0.2S

- Un largo rango dinmico.

- Un ancho de banda desde CD hasta la armnica +100th- Buen funcionamiento en regiones altamente ssmicas.

- El usuario configura la relacin de transformacin.

- No existe la saturacin del transformador

- Excelente precisin de fases.

Ventajas ambientales y en seguridad:

- No utiliza aislamiento de aceite o SF6

- No existe riesgo de secundarios en circuito abierto

- No se da la ferroresonancia

- Aislamiento galvnico de la lnea de alta tensin.

Ventajas en la instalacin e innovaciones:

- El peso es un 10% de un transformador de corriente

convencional.

- El voltaje y la corriente pueden estar combinados en un equipo.

- Medicin de corriente cero.

- El mismo instrumento para medicin, proteccin y calidad de

energa.

- Capaz de monitorearse a si mismo.

- La interfase grfica es amigable y permite el monitoreo del

sistema y la modificacin de los parmetros.


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- Simplifica el diseo de la subestacin un solo diseo para

mltiples aplicaciones.

2.4 Transductor ptico de voltaje

2.4.1 Principio de operacin del transductor ptico de voltaje

Las tecnologa en la fabricacin de transductores de voltaje y corriente

pticos esta emergiendo en el sector elctrico con muchas ventajas

respecto de los transformadores de instrumento convencionales, basados en

acoplamientos inductivos o capacitivos.

Para medir voltaje por medio del campo elctrico, se puede utilizar uno

de dos principios bsicos: la integracin del campo elctrico y el blindaje del

campo elctrico. Para implementar el mtodo de la integral de lnea del

campo elctrico se debe combinar ya sea, un gran efecto Pockels, o fibra

ptica con elementos piezoelctricos, o una distribucin uniforme del efecto

Pockels, o sensores de fibra ptica con elementos piezoelctricos entre una

terminal en alto voltaje y una terminal de tierra. El transductor detecta la

componente longitudinal del campo elctrico entre terminales. Esto da una

medida de la integral de lnea de la componente longitudinal del campo

elctrico que es proporcional al voltaje.

La implementacin de blindar el campo elctrico involucra encerrar una

regin entre las terminales de alto voltaje y tierra por medio de paredes

metlicas, y la colocacin de un sensor de campo electro-ptico en algn

lugar de la regin encerrada. La geometra en esta regin es determinada y

se asla de influencias elctricas externas, por lo que el campo elctrico

medido en cualquier punto de la regin da una medida del voltaje.


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Debido al tamao limitado de los elementos sensores

(aproximadamente 25cm) en el caso de implementar una integracin de

lnea y debido a que el espacio es limitado en el caso de un blindajemetlico, las terminales metlicas en ambos casos deben estar lo mas cerca

una de la otra, resultando en un gran estrs de campo elctrico presente a

altos voltajes. Por lo tanto, un aislamiento poco ambiental como el SF6, se

requiere para soportar el estrs en los transductores pticos de voltaje.

El transductor de la firma NXTPHASE utiliza un mtodo eficiente de

integral de lnea, conocido como el mtodo en cuadratura, y un nuevo

mtodo para el blindaje del campo elctrico, conocido como blindaje porpemitividad. Ambos mtodos, junto con tres sensores pticos para campo

elctrico miden la tensin con muy buena precisin.

El mtodo en cuadratura es utilizado para escoger las posiciones,

pesos, y las salidas de los sensores, para reproducir una integracin de lnea

ptima del campo elctrico. El blindaje por permitividad es utilizado para

reducir las perturbaciones al campo elctrico debidas por el acercamiento

entre fases, movimientos de equipos cercanos, y contaminacin en el

exterior del transductor. Este mtodo permite que el transductor tenga

electrodos internos con gran separacin, eliminando la utilizacin de SF6. En

lugar de SF6 el transductor utiliza gas nitrgeno a una presin mayor de

14psi-g para el aislamiento.

El transductor esta dentro de una columna aislante. Adems, resistores

cilndricos huecos estn montados dentro del aislador extendindose entre

dos electrodos colocados a los extremos del aislador, lo anterior permite el

blindaje por permitividad. Tres sensores de campo elctrico en miniatura

estn posicionados dentro de las resistencias de acuerdo al mtodo de

cuadratura. Los dimetros de los aisladores son aproximadamente de 0.3m

a 0.5m, su altura entre 1.5m y 2.7m para 138KV y 345KV respectivamente.


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El transductor cuenta con seales de salidas digitales y anlogas. Las

seales anlogas pueden ser a bajo voltaje (4V) y a alto voltaje (69V o

115V). La seal digital es la seal natural del instrumento, mientras que laseal anloga es derivada de la seal digital. Todas las seales tienen un

retraso en el tiempo de cuatro microsegundos, debido al procesamiento

digital. El desplazamiento de fase es establecido a cero utilizando la

compensacin digital de fase.

A continuacin se detalla el proceso de medicin del instrumento:

El sensor de voltaje con tecnologa ptica esta basado en el efectoPockels, reproduce una medida de gran precisin utilizando mltiples

sensores pticos con un peso promedio determinado.

Figura 14. Lneas de campo de los sensores de voltaje



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El voltaje en un conductor crea un campo elctrico entre el conductor y

tierra. Un modulo opto-electrnico especial en el cuarto de control, enva una

seal de luz desde un LED por medio de fibra ptica. La seal viaja haciaarriba en la columna aisladora del transductor. La seal de luz entra en

cristales electro-pticos (una celda pockels ), localizados en tres puntos

estratgicos de la columna aislante de la alta tensin del transductor.

Figura 15. Celdas Pockels



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Mientras la seal de luz atraviesa el cristal, el campo elctrico cambia

su polarizacin circular a una polarizacin elptica. Midiendo la elipticidad

relativa en cada eje del cuadrante en la salida del cristal, se obtiene unamedida precisa del campo elctrico.

Figura 16. Cambio en la polarizacin de la luz


La informacin es tomada de los tres cristales o sensores

estratgicamente colocados a lo largo de la columna. La informacin es

combinada para reproducir una medida altamente precisa del voltaje. Lamedida de voltaje es inmune a influencias externas tales como la presencia

de otras estructuras de alto voltaje o contaminacin superficial.

Figura 17. Transductor ptico de voltaje



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2.4.2 Diseo del transductor ptico de voltaje

El mtodo en cuadratura, que se define en esta seccin, es el principiode operacin del transductor ptico de voltaje. La teora electromagntica

indica que el voltaje entre dos puntos a y b, puede expresarse como la

integral de lnea de la componente del campo elctrico que es tangente a la

lnea que une a y b. Tomando la integracin del camino a lo largo de a y b,

adems,suponiendo que se encuentra en el eje x, y aproximando la integral

por medio de una suma de pesos se formula lo siguiente:

Donde: Ei es la componente x del campo elctrico. N es el

nmero de muestra, (Xi) es la posicin de la muestra, y es el peso de

las muestras.

El mtodo en cuadratura determina algunos elementos bsicos del

diseo como: el nmero de sensores (N), en donde exactamente deben

estar localizados (Xi), y cual debe ser el peso de cada salida. ( )

La integral asume una geometra particular para el transductor ptico

de voltaje, un sistema definido sin perturbaciones, y un inesperado caso de

perturbacin extrema del campo a lo largo del camino de integracin.

Un sistema sin perturbaciones se define como una configuracin

particular de conductores y un medio, en donde existe para cada cual, un

particular campo elctrico Ex a lo largo del eje x, entre a y b, definido

como , o el campo Ex sin perturbacin.


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El sistema sin perturbaciones del transductor ptico de voltaje consiste

en situar el transductor en un plano de tierra, donde eje x es tomado como el

eje de simetra del transductor ptico. Para el TOV el espacio entre loselectrodos a y b, es de 2.16m. En la siguiente figura se muestra la

simulacin .

Figura 18. Campo elctrico vrs la distancia en el sensor


Despus de verificar la precisin necesaria para el comportamiento de

Ex en condiciones de perturbacin, se ha determinado que tres sensores de

campo son suficientes para disear el transductor ptico de voltaje. El

transductor para 230KV debe cumplir con las normas de la industria en

relacin a los niveles de precisin (IEC 0.2%), y debe mantener la precisin

durante cambios externos en los equipos vecinos de la subestacin, que

afectaran la geometra externa en el diseo del transductor. La mnima

libranza normalizada entre dos equipos de alta tensin en una subestacin,

se ajusta al rango mximo de perturbaciones. En general, si los cambios en

la geometra son ms cercanos al transductor, mayor es la distorsin del

campo elctrico dentro del transductor, y por lo tanto, se requiere un mayor

nmero de sensores N para asegurar la precisin.


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Varios tipos de perturbaciones fueron simulados durante pruebas y el

resultado fue una medida de voltaje con un error menor de 0.2% para

perturbaciones tales como cambios en las fases de los equipos vecinos y elacercamiento de una esfera conductora.

El mtodo en cuadratura, junto con la componente del grfico

del campo sin perturbacin y el nmero N escogido, sirven para determinar

la localizacin y el peso de cada sensor. En la siguiente tabla se puede

apreciar este hecho.

Tabla I. Posiciones y pesos calculados para el sensor

Los sensores fueron montados en las posiciones indicadas por la

muestra y la salida del sensor alimenta a un modulo electrnico para calcular

el voltaje en tiempo real. En el clculo de la integracin se asume que los

sensores de campo elctrico idealmente miden solamente una componente

del campo elctrico en un solo punto.

Cada sensor individual es realmente un cristal miniatura cilndrico de

efecto Pockels, con 2cm de alto y 3.5mm de dimetro y el eje es alineado

con el eje de simetra del aislador. Debido al sensor, la luz que viaja a travs

del eje del cristal es modulada por la componente axial del campo elctrico.

En cambio, el modulo electrnico que procesa la seal, demodula la seal y

luego integra el campo elctrico en tiempo real.


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2.4.3 Precisin del transductor ptico de voltaje

El transductor ptico de voltaje es comnmente utilizado enaplicaciones de medicin, en donde involucra la cuantificacin de la energa

despachada. En esta aplicacin la precisin del instrumento es de suma

importancia. En aplicaciones de monitoreo de la calidad de energa se

involucra al sensor con la medicin del contenido harmnico en la energa

despachada y esta limitado al rango de frecuencias de los instrumentos.

Un transductor ptico de voltaje cuenta regularmente con un gran

ancho de banda y gran rango dinmico, manteniendo la precisin sobre elrango.

En la siguiente figura se puede observar la linealidad en la precisin del

transformador ptico de voltaje.

Figura 19. Precisin del transductor ptico de voltaje



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En la grfica se puede observar que los errores de fase y de relacin

de transformacin para diferentes mediciones esta lejos de acercarse al

limite del 0.2% de la clase de precisin IEC. La precisin en la medicin semantiene lineal a lo largo de todo el rango dinmico de medicin del

instrumento.

En el siguiente grfico se puede observar el gran ancho de banda que

tiene el instrumento, y su respuesta a la frecuencia. Esta caracterstica lo

hace un instrumento ideal para aplicaciones de calidad de energa y de

medicin de tensin en corriente directa. El ancho de banda del instrumento

es de 40kHz.

Figura 20. Respuesta en la salida a la frecuencia del sensor de voltaje


2.4.4 Ventajas del transductor ptico de voltaje

Despus de describir el funcionamiento, diseo y caractersticas del

transductor ptico de voltaje se pueden definir claramente sus ventajas

sobre los transformadores de potencial convencionales. El transductor ptico

de voltaje mantiene su precisin sobre un ancho rango de temperatura,

sobre un gran ancho de banda, y bajo disturbios ambientales incluyendo la

contaminacin y el hielo.


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El transductor cumple con las distancias dielctricas de alto voltaje

requeridas y cumple con las normas ms relevantes de la IEC e IEEE. El

transductor no utiliza SF6, ni aceite dielctrico y esta disponible para variasclases de voltajes hasta 550KV. Tambin puede estar combinado en un

solo equipo con el transductor ptico de corriente.

A continuacin se detallan las diferentes ventajas del instrumento:

Ventajas de operacin:

- La precisin excede las normas ANSI/IEEE clase 0.15 e IEC

clase 0.2S- Un ancho rango dinmico de operacin.

- Un ancho de banda desde CD hasta la harmnica +100th

- Buen funcionamiento en regiones altamente ssmicas.

- No existe la saturacin del transformador

- Excelente precisin de fases.

Ventajas ambientales y en seguridad:

- No utiliza aislamiento de aceite o SF6

- No se da la ferroresonancia

- Aislamiento galvnico de la lnea de alta tensin.

Ventajas en la instalacin e innovaciones:

- El peso es un 10% de un transformador de corriente

convencional.

- El voltaje y la corriente pueden estar combinados en un equipo.

- El mismo instrumento para medicin, proteccin y calidad de

energa.

- Capaz de monitorearse a si mismo.

- La interfase grfica es amigable y permite el monitoreo del

sistema y la modificacin de los parmetros.


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- Simplifica el diseo de la subestacin un solo diseo para

mltiples aplicaciones.

2.5 Transductor ptico de voltaje y corriente

2.5.1 Ventajas del transductor ptico de voltaje y corriente

El sensor ptico de voltaje y corriente combina las ventajas de los dos

transformadores de medicin pticos estudiados en las secciones

anteriores, en un solo instrumento para voltajes hasta 550KV.

Su tamao reducido y su peso comparado con los transformadores

sumergidos en aceite convencionales permiten su instalacin en

subestaciones compactas o en subestaciones existentes donde el espacio

es limitado. El instrumento combinado reemplaza algunos equipos

convencionales y permite flexibilidad en el diseo de la subestacin. A

continuacin se describen algunas de las ventajas del transductor.

En cuanto a la precisin para medicin el diseo del transductor

permite mediciones excediendo la clase de precisin IEC 0.2. En cuanto a la

proteccin, el transductor tambin excede los requerimientos de la IEC e

IEEE.

La precisin es mantenida dentro de un ancho rango dinmico desde 1

hasta 3000A con la capacidad del usuario de escoger la relacin de

transformacin.

El transductor reproduce una precisa forma de onda dentro de un gran

ancho de banda, lo que lo hace ideal para el anlisis de harmnicos y

transitorios para aplicaciones de calidad de energa.


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39

El peso liviano del transductor reduce los costos de transporte, de la

estructura de soporte del sensor, y el equipo para la instalacin. El peso

liviano tambin permite la instalacin del sensor en reas sismicamenteactivas.

La columna del transductor no contiene SF6 ni aceite. Las terminales

de alto voltaje y las de tierra estn bastante separadas hasta arriba y abajo

del sensor respectivamente, reduciendo significativamente la posibilidad de

falla. No hay problemas por restricciones ambientales o gas que haya que

reciclar. Con el diseo ptico no hay problemas por secundarios abiertos de

los transformadores de corriente o ferroresonancia en el transformador depotencial.

Por ltimo, para el transductor ptico de voltaje y corriente se requiere

poco mantenimiento debido a que no contiene componentes activos al

voltaje de lnea. No necesita pruebas peridicas del factor de disipacin. La

electrnica situada en el cuarto de control tiene la capacidad de auto

diagnosticarse. La columna aislante del transductor es por sus componentes

de hule y silicn no necesita limpiarse.

2.5.1 Precisin del transductor ptico de voltaje y corriente

Como se dijo anteriormente el transductor combina las ventajas de

voltaje y corriente de los dos transformadores pticos individuales. El diseo

del mismo es una combinacin de ambos transductores, por lo tanto el

sensor excede la precisin requerida por las normas IEC 0.2 e IEEE 0.3.


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40

Los grficos con relacin a la precisin son exactamente los mismos

descritos en las secciones anteriores.

Figura 21. Diseo del transductor ptico de voltaje y corriente


2.6 Transductores pticos para proteccin y medicin


para medicin

Debido a que las seales de los transductores pticos de medicin son

inherentemente digitales, hay que tomar en consideracin el tipo de entradas

que contienen y aceptan los equipos secundarios a donde van ha ir

conectados los instrumentos de medicin.

Lo ideal para el uso de estos nuevos equipos de medicin sera tener

nicamente dispositivos secundarios inteligentes que aceptan las seales

digitales, pero estos dispositivos todava estn en proceso de prueba y se

cree que se fabricaran comercialmente dentro de unos aos.


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41

En estos momentos los fabricantes de los transductores pticos,

fabrican equipos de conversin y amplificacin capaces de convertir las

seales digitales a seales anlogas para que los medidores acepten lasseales de entrada. Los dos tipos de seales a las que se pueden convertir

la palabra digital del transductor son: seales anlogas de alta energa y

seales anlogas de baja energa. Este tipo de seales se detallara en el

capitulo cuatro.

La seal anloga de alta energa es la ms apropiada cuando se

utilizan los transductores pticos para medicin. Esta interfase permite la

instalacin de los sensores pticos y el medidor como si se estuvieranutilizando transformadores de medicin convencionales. La medicin optima

se obtiene cuando se utiliza un medidor clase 2, el medidor acta con la

seal de 1 A de la salida anloga de alta energa. Cualquier medidor clase

20 comercialmente disponible en el mercado puede hacer interfase con la

seal de salida de 1 A del transductor ptico de corriente. La precisin

global del sistema de medicin es superior a la precisin de un sistema

utilizando medidores clase 20 y transformadores convencionales de

medicin.


pticos para proteccin.

La interfase anloga de baja energa es la ms apropiada para la

utilizacin de transductores pticos para aplicaciones de proteccin. La

mayora de fabricantes de relevadores de proteccin soportan entradas

anlogas de baja energa. El comit de Relevadores para Sistemas de

Potencia de la IEEE tiene un grupo de trabajo que esta desarrollando la

normativa para el uso practico de las seales anlogas de baja energa para

los relevadores.


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Las seales anlogas de baja energa tienen ventaja sobre las de alta

energa que tiene solamente una etapa de amplificacin y cumplen con los

requerimientos de las normas para salidas durante eventos de falla.

Las normas de proteccin piden que el instrumento de medicin sea

capaza de hacer una replica de la corriente de veinte veces la corriente

nominal (20 A en este caso) durante 100ms durante eventos de falla.

Cualquier tipo de interfase, alta o baja energa, puede ser utilizada para

los transformadores pticos de voltaje para aplicaciones de proteccin. La

seal anloga de alta energa cumple con los estndares al igual que lostransformadores de potencial convencionales, incluyendo el voltaje nominal

de seal de salida del transductor. En general, utilizar la seal anloga de

baja energa es una mejor decisin de diseo, ya que elimina la etapa de

amplificacin requerida por la seal anloga de alta energa.

2.7 Referencias de tranductores pticos instalados en el mundo

A continuacin se listan algunas referencias de transductores pticos

de corriente instalados en subestaciones de diferentes lugares del mundo.

Para abreviar en la columna de equipos se describe:

TOVC = Transductor ptico de voltaje y corriente combinado

TOC= Transductor ptico de corriente

TOC-DC= Transductor ptico de corriente para corriente directa

TOV= Transductor ptico de voltaje


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Tabla II. Referencias de transductores pticos instalados en el mundo

NO. EQUIPO VOLTAJE CLIENTE APLICACION LUGAR

1 VCT 230 KV BC HYDRO Proteccin Subestacin de

Ingledow, Surrey,

BC, Canada

2 VCT 138 KV Hydro Qubec Medicin para

Facturacin

Estacin de turbina

de gas Rolls Royce.

Montreal, PQ

3 VCT 230 KV Servicio Publico

de Arizona

Medicin y

Proteccin

Subestacin de

Deer Valley,

Phoenix, AZ

4 VT 500 KV BC HYDRO Calibracin Laboratorio de

Prueba

POWERTECH

6 VCT 500 KV BC HYDRO Medicin para

Facturacin

Subestacin de

Ingledow, Surrey,

BC, Canada

7 CT 230 KV

Northern

California Power

Authority

Medicin para

Facturacin

Plata Geotermica,

Sonoma County,

CA

8 VCT 345 KV American Electric

Power

Proteccin y

Medicin

Proyecto, PSERC

Columbus, OHIO

9 VT 138 KV Portland General

Electric

Calibracin Prtland, Oregon

10 VT 138 KV LACTEC Calibracin Brazil

11 VCT 138 KV Commonwealth

Edison

Facturacin Mendoza Hills,

ILLINOIS

12 VT 138 KV Hydro One

Monitoreo de

Transitorios (PQ)

Toronto,

ONTARIO

13 CT 115KV Alabama Power Facturacin Sylacauga, AL

14 CT LV NIST Calibracin de TCs Gaithersburg, MD


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Tabla II. Referencias de transductores pticos instalados en el mundo

NO. EQUIPO VOLTAJE CLIENTE APLICACION LUGAR

15 CT 138KV Prtland General

Electric

Medicin y

Proteccin

Prtland, Oregon,

Subestacin Movil

16 VCT 345 KV Xcel Energy Facturacin Lamar,

interconexin CO

17 VCT 138 KV Commonwealth

Edison

Facturacin Crescent Ridge, IL

18 CT-DC 50 KA EKA Chemicals Medicin Magog, Qubec

19 CT 115 KV Entergy Facturacin Amite, LA

20 CT-DC 260 KA DynAmp Alcan Proteccin y

Medicin

Laterrier, Qubec

21 CT 420 KV VA TECH

ENEL

Proteccin de

Interruptor

Italia, Terna

(Candia)

22 CT 420 KV VA TECH NGT

UK

Proteccin de

Interruptor

Reino Unido,

Sundon

23 CT 420 KV VA TECH

Wienstrom

Medicin y

Proteccin

Austria

24 CT-DC 80 KA DynAmp Alcan Proteccin y

Medicin

Beauharnouis,

Qubec, Canada

25 CT-DC 350 KA DynAmp Rusal Proteccin y

Medicin

Sayanagorsk, Rusia

26 VCT 230 KV Prtland General

Electric

Medicin y

Proteccin

Prtland, OR

27 VCT 230 KV APS Medicin y

Proteccin

Phoenix, Arizona

28 CT 230 KV Alta Link Proteccin de

Banco de

Capacitores

Alberta, Canada

29 CT-DC 69 KV Areva/HydroQubec

Proteccin decompensacin

esttica de VARs

Qubec Canada,Proyecto De-

Icer


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3. FIBRAS PTICAS

3.1 Generalidades

Los sistemas clsicos de comunicacin utilizan seales elctricas

soportadas por cable coaxial, radio, etc., segn el tipo de aplicacin. Estos

sistemas presentan algunos inconvenientes que hacen necesario buscar

otras vas para la transmisin de datos.

Los sistemas de comunicacin por fibra ptica utilizan la energa

luminosa como soporte. Presentan un conjunto importante de ventajas sobre

otros soportes utilizados en la transmisin de seales analgicas y digitales.

Entre ellas estn:

- Gran ancho de banda, lo que permite la transmisin de un gran

volumen de informacin.

- Atenuacin baja. Permite realizar enlaces de mayor longitud sin

necesidad de repetidores. La atenuacin depende del tipo de

fibra ptica y de la longitud de onda utilizada.

- Inmunidad a interferencias electromagnticas. La fibra ptica

es absolutamente inmune a las radio interferencias e impulsos

electromagnticos, presentando un menor ndice de errores enla transmisin de seales digitales. Esto es de gran importancia

en aplicaciones de control industrial donde se genera gran

cantidad de ruido.

- Seguridad y aislamiento elctrico.


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- En determinadas aplicaciones de ambientes peligrosos las

fibras pticas son imprescindibles debido a la imposibilidad de

producir descargas elctricas o chispas.

- Menor peso y volumen. Comparando las fibras pticas y los

cables coaxiales necesarios para obtener las mismas

prestaciones, las primeras ocupan un volumen muy inferior y

tienen menor peso.

- Seguridad frente a posibles intervenciones de la lnea. Aunque

no es imposible pinchar una fibra ptica, esto es ms difcilque en otros soportes y normalmente se puede detectar la

intervencin.

La fibra ptica tambin presenta algunos inconvenientes que no hay

que olvidar. Por ejemplo:

- No hay una estandarizacin de los productos, lo que plantea

problemas de compatibilidad.

- Las tcnicas de empalme son complejas y necesitan de equipos

muy caros y personal muy cualificado.

- La instalacin de los conectores es compleja y requiere un

personal con formacin adecuada.

- La fibra ptica puede se daada. Al igual que el cable de cobre, la

fibra ptica puede ser deteriorada por excavaciones, corrimiento

de tierras, vandalismo y accidentes.

Conceptualmente, y en determinados aspectos, un sistema por fibra

ptica es similar a un sistema de microondas va radio. Las principales

diferencias son la frecuencia y el medio de transmisin.


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El principio en que se basa la transmisin de luz por la fibra es la

reflexin interna total; la luz que viaja por el centro o ncleo de la fibra incide

sobre la superficie externa con un ngulo mayor que el ngulo crtico, deforma que toda la luz se refleja sin prdidas hacia el interior de la fibra. As,

la luz puede transmitirse a larga distancia reflejndose miles de veces. Para

evitar prdidas por dispersin de luz debida a impurezas de la superficie de

la fibra, el ncleo de la fibra ptica est recubierto por una capa de vidrio con

un ndice de refraccin mucho menor; las reflexiones se producen en la

superficie que separa la fibra de vidrio y el recubrimiento.

3.2 Caractersticas de un sistema de medicin con fibra ptica.

Una fibra ptica consiste en un filamento transparente llamado ncleo,

cuyo dimetro est entre 8 y 600 micras dependiendo del tipo de fibra ptica,

y un revestimiento exterior, ambos de cuarzo o plstico, ms una cubierta

protectora de material plstico.

La capacidad de transmisin de informacin que tiene una fibra ptica

depende de tres caractersticas fundamentales:

a) Del diseo geomtrico de la fibra.

b) De las propiedades de los materiales empleados en su elaboracin.

(Diseo ptico)

c) De la anchura espectral de la fuente de luz utilizada.

La mayora de las fibras pticas se hacen de arena o slice, materia

prima abundante en comparacin con el cobre. Con unos kilogramos de

vidrio pueden fabricarse aproximadamente 43 kilmetros de fibra ptica. Los

dos constituyentes esenciales de las fibras pticas son el ncleo y el

revestimiento.


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El ncleo es la parte ms interna de la fibra y es la que gua la luz,

consiste en una o varias hebras delgadas de vidrio o de plstico con

dimetro de 50 a 125 micras. El revestimiento es la parte que rodea yprotege al ncleo.

El conjunto de ncleo y revestimiento est a su vez rodeado por un

forro o funda de plstico u otros materiales que lo resguardan contra la

humedad, el aplastamiento, los roedores, y otros riesgos del entorno.

Las principales variantes en cuanto a la construccin son:

1. Tubo suelto. Cada fibra est envuelta en un tubo protector.

Figura 22. Fibra ptica de tubo suelto

Fuente: pgina web. www.ilustrados.com Portal de Fibra ptica

2. Fibra ptica restringida. Rodeando al cable hay un bfer primario y uno

secundario que proporcionan a la fibra proteccin de las influencias

mecnicas externas que ocasionaran rompimiento o atenuacin excesiva.

Figura 23. Fibra ptica restringida

Fuente: pgina web. www.ilustrados.com Portal de fibra ptica


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2. Hilos mltiples: Para aumentar la tensin, hay un miembro

central de acero y una envoltura con cinta de Mylar.

Figura 24. Fibra ptica de mltiples hilos


3. Listn: Empleada en los sistemas telefnicos Tiene varios

miembros de fuerza que le dan resistencia mecnica y dos

capas de recubrimiento protector trmico.

Figura 25. Fibra ptica tipo liston


En la foto de abajo se observa un cable de fibra ptica.

Figura 26. Muestra de fibra ptica

Fuente: pgina web. www.wikipedia.org Portal de Fibra ptica


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Los tres tipos de fibra ptica:

La fibra a salto de ndice 200/380 micrmetros, constituida de uncorazn y de una faja ptica en vidrio de diferentes ndices de refraccin.

Esta fibra provoca de parte de la importante seccin del corazn, una

dispersin grande de las seales que la atraviesan, es lo que genera una

deformacin de la seal recibida.

La fibra a gradiente de ndicecuyo corazn est constituido de lechos

de vidrio sucesivos teniendo un ndice de refraccin prximo. Se aproxima

as a una igualacin de los tiempos de propagacin, lo que quiere decir que

se ha reducido la dispersin nodal. Banda pasante tpica 200-1500Mhz por

km.

La fibra monomodo cuyo corazn es tan fino que el camino de

propagacin de los diferentes modos es prcticamente directo. La dispersin

nodal se hace casi nula. La banda pasante transmitida es casi infinita

(> 10Ghz/km). Esta fibra es utilizada esencialmente para los sitios a

distancia.

Figura 27. Tipos de fibra ptica

Fuente: pgina web. www.wikipedia.org Portal de Fibra ptica


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Las fibras del tipo salto de ndice y de gradiente de ndice son fibras

multimodales. La fibra de salto de ndice es til para distancias cortas

(menores a 2km) por tener las prdidas ms altas y el ancho de banda mas

reducido.

3.2.1 Elementos bsicos de un sistema de medicin con fibra

ptica.

Los bloques principales de un enlace de comunicaciones de fibra ptica

son:

Transmisor

Receptor

Gua de fibra

El transmisor consiste de una interfase analgica o digital, un

conversor de voltaje a corriente, una fuente de luz y un adaptador de fuente

de luz a fibra.

La gua de fibraes un vidrio ultra puro o un cable plstico.

El receptor incluye un dispositivo conector, un fotodetector, un

conversor de corriente a voltaje un amplificador de voltaje y una interfase

analgica o digital.

En un transmisor de fibra ptica la fuente de luz se puede modular por

una seal anloga o digital.

Acoplando impedancias y limitando la amplitud de la seal o en pulsos

digitales. El conversor de voltaje a corriente sirve como interfase elctrica

entre los circuitos de entrada y la fuente de luz.


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La fuente de luz puede ser un diodo emisor de luz LED o un diodo deinyeccin lser ILD, la cantidad de luz emitida es proporcional a la corriente

de excitacin, por lo tanto el conversor voltaje a corriente convierte el voltaje

de la seal de entrada en una corriente que se usa para dirigir la fuente de

luz. La conexin de esa fuente a la fibra es una interfase mecnica cuya

funcin es acoplar la fuente de luz al cable.

La fibra ptica consiste de un ncleo de fibra de vidrio o plstico, una

cubierta y una capa protectora. El dispositivo de acoplamiento del detector

de fibra a luz tambin es un acoplador mecnico.

El detector de luz generalmente es un diodo PIN o un APD (fotodiodo

de avalancha). Ambos convierten la energa de luz en corriente. En

consecuencia, se requiere un conversor corriente a voltaje que transforme

los cambios en la corriente del detector a cambios de voltaje en la seal de

salida.

3.2.2 Sistema de comunicacin por fibra ptica

En un sistema de comunicacin por fibra ptica existe un transmisor

que se encarga de transformar las ondas electromagnticas en energa

ptica o en luminosa, por ello se le considera el componente activo de este

proceso. Una vez que es transmitida la seal luminosa por las minsculas

fibras, en otro extremo del circuito se encuentra un tercer componente al que

se le denomina detector ptico o receptor, cuya misin consiste en

transformar la seal luminosa en energa electromagntica, similar a la sealoriginal.

El sistema bsico de transmisin se compone en este orden, de seal

de entrada, amplificador, fuente de luz, corrector ptico, lnea de fibra ptica

(primer tramo ), empalme, lnea de fibra ptica (segundo tramo), corrector

ptico, receptor, amplificador y seal de salida.


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En resumen, se puede decir que este proceso de comunicacin, la fibra

ptica funciona como medio de transportacin de la seal luminosa,

generado por el transmisor de LEDS (diodos emisores de luz) y lser.

Los diodos emisores de luz y los diodos lser son fuentes adecuadas

para la transmisin mediante fibra ptica, debido a que su salida se puede

controlar rpidamente por medio de una corriente de polarizacin. Adems

su pequeo tamao, su luminosidad, longitud de onda y el bajo voltaje

necesario para manejarlos son caractersticas atractivas.

La fibra ptica se emplea cada vez ms en la comunicacin, debido a

que las ondas de luz tienen una frecuencia alta y la capacidad de una seal

para transportar informacin aumenta con la frecuencia. En las redes de

comunicaciones se emplean sistemas de lser con fibra ptica. Hoy

funcionan muchas redes de fibra para comunicacin a larga distancia, que

proporcionan conexiones transcontinentales y transocenicas.

Una ventaja de los sistemas de fibra ptica es la gran distancia que

puede recorrer una seal antes de necesitar un repetidor para recuperar su

intensidad. En la actualidad, los repetidores de fibra ptica estn separados

entre s unos 100 km, frente a aproximadamente 1,5 km en los sistemas

elctricos. Los amplificadores de fibra ptica recientemente desarrollados

pueden aumentar todava ms esta distancia.


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3.2.3 Ventajas y desventajas del uso de fibra ptica

VENTAJAS

La fibra ptica hace posible

navegar por Internet a una

velocidad de dos millones de

bits por segundo.

Acceso ilimitado y continuo

las 24 horas del da, sin

congestiones.

Video y sonido en tiempo real.

Fcil de instalar.

Es inmune al ruido y las

interferencias, como ocurre

cuando un alambre telefnico

pierde parte de su seal a

otra.

Las fibras no pierden luz, porlo que la transmisin es

tambin segura y no puede

ser perturbada.

Carencia de seales

elctricas en la fibra, por lo

que no pueden dar sacudidas

ni otros peligros. Son

convenientes para trabajar enambientes explosiv

celdas pockels

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