… son los transformadores ópticos

Pascual Simón Comín, director del LCOE
Javier López Ríos, director sede de Getafe 1 del LCOE.

En los últimos años asistimos a una revolución en el mundo de la metrología y más específicamente en el mundo de los sensores. Uno de los campos donde los sensores presentan avances y cambios más significativos son las medidas de alta tensión, en las que los transformadores clásicos con núcleo de hierro o material ferromagnético y arrollamientos de cobre se están sustituyendo progresivamente por sensores que utilizan otros principios físicos para la medida y que presentan ventajas frente a los primeros. Dentro de este grupo de nuevos sensores destacan los transformadores ópticos que tienen un ancho de banda mucho mayor que los tradicionales transformadores (del orden del MHz frente a unos pocos kHz) y que por tanto presentan ventajas para las medidas de calidad de red, es decir, que pueden medir no solamente los valores eficaces de las tensiones y las corrientes, sino también armónicos, supra armónicos, huecos, micro cortes, cambios rápidos en la tensión o transitorios.  

Existen transformadores ópticos, en inglés “optical transformers”, destinados a medir tensiones (“optical voltage transformers” OVT) y corrientes (“optical current transformers”, OCT).  

Los transformadores de tensión ópticos se basan en el efecto Pockels o efecto electroóptico lineal que poseen algunos cristales, de forma que la alta tensión a medir se aplica entre las caras del cristal. Se emplean distintos tipos de cristales, por ejemplo, BGO (Germanato de bismuto), LiNbO3 (litio niobato), KDP (Potasio dihidrógeno fosfato) o GaAs (arseniuro de Galio) entre otros.  

Este cristal se coloca en el interior de una columna aislante en cuyo seno se genera un campo eléctrico por efecto de la alta tensión aplicada. Cuando un rayo de luz atraviesa este cristal, el campo eléctrico altera las propiedades ópticas del material. Esto hace que la luz se divida en dos rayos que viajan a velocidades ligeramente diferentes (un fenómeno llamado birrefringencia). Al salir del cristal, ambos rayos de luz presentan un desfase o diferencia de fase. Un receptor colocado en la base y referido a potencial de tierra se encarga de medir este desfase que es directamente proporcional a la tensión a medir.

La tensión medida no se ve afectada por la presencia de otros conductores en tensión, y toda la parte electrónica queda referida a tierra. Debido a motivos económicos hay que limitar la longitud del cristal y también por tanto la tensión máxima a medir al orden de unos 30 kV, por lo que para medir tensiones mayores el OVT debe integrar o combinar otros elementos como divisores capacitivos, de tipo resistivo-capacitivo o incluso transformadores inductivos, que serían los encargados de disminuir la tensión de alta tensión a estos niveles intermedios (30 kV).

Los transformadores de tensión ópticos (OVT) eliminan uno de los problemas más destructivos y temidos de las subestaciones eléctricas tradicionales que es la ferrorresonancia que ocurre entre la capacidad de las líneas y la inductancia del núcleo de hierro de un transformador de tensión convencional que puede saturarse durante transitorios y cambiar su inductancia hasta llegar a resonar con la capacidad. La ferrorresonancia puede causar sobretensiones y sobrecorrientes peligrosas que pueden llegar a destruir equipos de la red eléctrica, incluidos los propios transformadores si no se toman las medidas de amortiguamiento y diseño apropiadas.

Los OVT son inmunes a la ferrorresonancia al carecer de núcleos magnéticos saturables, lo que aporta una gran seguridad. Además, ofrecen una respuesta en frecuencia ideal para detectar armónicos y transitorios rápidos en la red que los transformadores no pueden apreciar al no tener el ancho de banda suficiente.

Los OCT son sensores de corriente por fibra óptica. Según la ley de Ampere cuando una corriente eléctrica fluye por un conductor (como un cable de alta tensión), genera un campo magnético a su alrededor. El transformador óptico aprovecha ese campo magnético para provocar un efecto óptico gracias a las propiedades de la luz mediante el efecto de Faraday o magneto-óptico.  

El funcionamiento básico consiste en emitir un rayo de luz linealmente polarizada (es decir, cuyas ondas vibran en un solo plano) a través de una fibra óptica desde un módulo conectado al potencial de tierra.  Esta fibra óptica se enrolla formando una bobina alrededor del conductor de corriente. Al pasar la luz por la zona influenciada por el campo magnético, el plano de polarización de la luz gira un determinado ángulo que es directamente proporcional a la intensidad del campo magnético y, por lo tanto, a la corriente eléctrica que se desea medir. Finalmente, la luz regresa por la fibra óptica hacia un receptor en la base, que mide cuánto rotó el plano de la luz y traduce ese ángulo en una señal digital.

Entre las ventajas que presentan estos transformadores frente a los convencionales cabe destacar que son capaces de medir intensidades continuas y alternas, así como su mayor ancho de banda.

Otra ventaja es su nivel de aislamiento, ya que al usar vidrio (fibra óptica) en lugar de metal, no hay conexión eléctrica física entre la alta tensión y los equipos de electrónicos de la base referidos al potencial de tierra (fuente de luz y detector). Por consiguiente, no requieren de dieléctricos como el aceite o mezclas de gases para su aislamiento, con lo cual son plenamente ecológicos. Tampoco se saturan con corrientes alta al carecer de núcleo magnético por lo que disponen de un rango de medida muy amplio.  Por último, cabe destacar su menor peso y tamaño, lo que simplifica las estructuras de las subestaciones que soportan dichos transformadores.