SENSOR DE TEMPERATURA USANDO FIBRA ÓPTICA DE PLÁSTICO PARA USO EN TRANSFORMADORES DE POTENCIA

1. INTRODUCCION

Cuando una falla es detectada por los dispositivos de protección y control de un transformador de potencia, mediante la medición de sobrevoltaje y sobrecorriente se procede a desconectar y aislar el transformador del resto del sistema eléctrico. Sin embargo, dentro de un transformador de potencia se desarrollan ciertos fenómenos que pueden conducir a una falla, los mismos que no pueden ser detectados por los dispositivos convencionales de medición y protección, ya que dichos fenómenos no necesariamente producen sobrevoltajes y sobrecorrientes. Tales fenómenos tienen que ver con el proceso de deterioro natural por calentamiento de los componentes internos del transformador.

La necesidad de contar con técnicas especificas de medición y caracterización, impulsaron el desarrollo de varios tipos de sensores. Siendo uno de estos los sensores basados en la aplicación de las microcurvaturas en la fibra óptica, que son aplicadas en diferentes mediciones por su baja complejidad de desarrollo y su gran aceptabilidad en precisión.

El articulo presenta el desarrollo de un prototipo de sensor de temperatura óptico aplicado específicamente en la medición de temperaturas en el interior de las cubas que contienen los transformadores de potencia para poder tener una monitorización permanente de este parámetro con el fin de evitar que se desarrollen procesos de falla los cuales no puedan ser detectados sino hasta situaciones críticas y poco deseadas por las cuantiosas pérdidas que pueden generar.

2. La fibra óptica como sensor de temperatura

La fibra óptica está sujeta a perturbaciones de varias clases, todo cambio en su geometría afectará en mayor o menor medida la propagación de luz en su interior. En las aplicaciones de comunicaciones trata de minimizarse este efecto, pero en el caso de los sensores se favorece deliberadamente para que el cambio resultante pueda ser tomado como una medida de la perturbación externa.

En efecto, cualquier agente externo actuando sobre el dispositivo genera cambios en la transmisión luminosa funcionando como transductor de cambios de temperatura, presión, torsión, rotación o corriente eléctrica en cambios en la radiación óptica.

Cualquiera de los parámetros propios de la luz puede servir para detectar un cambio, ya sea su amplitud o intensidad, fase, frecuencia o polarización. La utilidad del sensor de fibra óptica dependerá por lo tanto de la magnitud de este cambio y de su capacidad para medirlo y cuantificarlo en forma repetitiva, confiable y precisa.

Por definición, los sensores con fibra óptica utilizan luz para medir una perturbación externa y fibra óptica para transmitirla desde la fuente hasta el detector.

La configuración general de un sensor de este tipo se muestra en la Figura 1 y como se puede observar en el esquema, consta de una fuente de luz, un sistema de medición y un detector óptico interconectados con fibra óptica.

En función de cómo se realice la medición de la perturbación externa se clasifican usualmente en dos grandes clases: extrínsecos e intrínsecos. [2]

Figura 1: Esquema básico de un sensor de fibra óptica [2]

descripción del sistema DE SENSADO

La estructura del sensor óptico consistirá en un transmisor láser que emitirá una luz con una determinada longitud de onda que ingresará al interior de una línea de fibra óptica de plástico por donde viajará, en el camino existirá un sistema de sensado montado en parte del recorrido de la fibra óptica. En el otro extremo de la fibra óptica estará instalado un sistema de recepción de la señal que recibirá la luz para que, luego de ser convertida a variaciones de voltaje, ingrese a un procesador electrónico en donde esta será digitalizada y controlada.

El sistema de sensado estará conformado por dos piezas, una fija y la otra móvil, estas tendrá una extensión que consistirá en una varilla de aluminio con alto coeficiente de dilatación que tendrá su otro extremo fijo a las paredes del transformador. Las variaciones de presión que se originen por la variación de temperatura dentro del transformador harán que la señal que viaja por el interior de la fibra óptica se atenúe proporcionalmente a la variación de presión.

El sistema de sensado estará montado en las paredes internas del transformador, por lo tanto estará sumergido totalmente en aceite este factor será tomado en cuenta para la construcción del chasis y su debida protección.

Figura 2: Esquema del sistema de sensado

MODELO MATEMÁTICO DEL SENSOR DE FIBRA

El rango y la precisión que se desea obtener dependerá directamente del aspecto mecánico de las placas (periodo, separación y altura) esto se puede entender por la fórmula mostrada en la figura

ΔT =(ΔT/ΔX)ΔF(k_f+ A_(s Y_s )/l_s )^(-1)

Fig. 3: Fórmula para el diseño y modelamiento de las microcurvaturas [4]

T: temperatura

Y: Modulo de Young

L: Espesor del material espaciador

A: área

F: Fuerza aplicada

X: desplazamiento de deformación de las placas

DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA GENERAL

Conociendo que existe una relación directa entre la atenuación de la luz que viaja a través de la fibra óptica y la presión ejercida por las placas dentadas por donde pasa la fibra óptica, originadas por la variación de temperatura en el interior del transformador podemos desarrollar un diagrama de bloques del sensor a diseñar y desarrollar; incluyendo el sistema transmisor láser, el sistema de sensado, el sistema de recepción y adecuación de señal y finalmente el sistema de conversión analógica digital así como el procesamiento de la señal.

Fig. 4: Diagrama de bloques del sistema

DISEÑO DEL SISTEMA

TRANSMISOR LASER:

El transmisor láser es el responsable de generar un haz de luz láser a través de uno de los extremos de la fibra óptica que contiene el sensor. El requisito fundamental para este circuito es el de proveer una señal luminosa con una potencia continua y estable. De esta manera, las fluctuaciones de la potencia registradas en el otro extremo de la fibra se pueden atribuir solamente la atenuación de la luz en el interior de la fibra óptica de plástico. Este es un problema frecuente en las diferentes aplicaciones que existe en el uso de la fibra óptica, donde solo interesa detectar las variaciones

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