Medición de corriente eléctrica mediante fibras ópticas

Abstracto

Este artículo explora la medición de la corriente eléctrica utilizando fibras ópticas, principalmente a través del efecto Faraday, también conocido como efecto magnetoóptico. Los sensores de corriente de fibra óptica (FOCS) ofrecen alta precisión, modularidad y fácil instalación. Proporcionan aislamiento de la parte de medición de la tecnología primaria y pueden medir el interior de los transformadores, incluida la temperatura del devanado. El artículo resume los resultados, enfoques y principios publicados para definir valores eléctricos utilizando tecnología de fibra óptica.

Introducción

La medición de la corriente eléctrica mediante tecnología de fibra óptica se basa en el efecto magnetoóptico de Faraday, descubierto en 1845. Este efecto implica la rotación del plano de polarización de la luz en presencia de un campo magnético. El uso de este fenómeno para medir cantidades eléctricas sólo se ha vuelto factible con los avances en la tecnología de fibra óptica. El ángulo de rotación (β) del plano de polarización se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

$\beta =V\cdot B\cdot d$

dónde:

• V  es la constante de Verdet, que depende de la longitud de onda de la luz,
• B  es la inducción magnética,
• d  es la longitud del camino óptico.

Principios de los sensores de corriente de fibra óptica (FOCS)

Los sensores de corriente de fibra óptica (FOCS) aprovechan el efecto Faraday para medir la corriente eléctrica. Estos sensores son muy precisos y pueden detectar ondulaciones y transitorios de corriente en un amplio ancho de banda. Ofrecen varias ventajas, entre ellas:

• Alta precisión : mediciones precisas esenciales para diversas aplicaciones.
• Amplio rango de temperatura : funcionamiento eficaz en diversas condiciones ambientales.
• Procesamiento digital completo : manejo de datos mejorado e integración con sistemas digitales modernos.
• Medición de corriente uni o bidireccional : versátil para diferentes direcciones de flujo de corriente.
• Salidas analógicas y digitales : Flexibilidad en la interfaz con otros sistemas.
• Fácil instalación : Configuración e integración sencillas en sistemas existentes.
• Forma del cabezal sensor adaptable : personalizable para adaptarse a diversas aplicaciones.
• Tamaño y peso reducidos : Diseño compacto para facilitar su uso.
• No se requiere centrado magnético : configuración simplificada sin necesidad de alineación magnética.
• Sin problemas de sobrecarga magnética : rendimiento confiable sin distorsión en condiciones de alta corriente.
• Inmunidad a las interferencias electromagnéticas : No se ve afectado por campos electromagnéticos externos.

Aplicaciones de FOCS

1. Metallurgical Industry: FOCS are used in electrolytic processes for obtaining precious metals, where they measure direct current (DC) up to 500 kA. Their compact size and high accuracy make them ideal for this application.

2. High-Voltage Direct Current (HVDC) Lines: FOCS are employed to measure and protect high-voltage DC lines, which are crucial for long-distance electricity transmission. Their immunity to magnetic overload and electromagnetic interference ensures reliable performance even under high short-circuit currents.

3. Transformer Monitoring: FOCS can be integrated into transformers to measure internal currents and temperatures, helping to prevent overheating and optimize performance.

4. Substation Control and Protection: Due to their small dimensions and weight, FOCS can be integrated into existing substation equipment like switches and bushings, providing accurate current measurements for control and protection.

Approaches and Results

1. Recirculating Architecture: An advanced FOCS design that uses a recirculating fiber loop to enhance current sensitivity. A 2×2 optical switch creates the loop, with a single-mode fiber as the sensing head. Sensitivities of 11.5 degrees/A for 1000 meters of fiber and 21.2 degrees/A for 500 meters of fiber have been experimentally achieved.

2. Spun Highly Birefringent Fiber: This approach reduces the size of the sensing coil, making it suitable for high-voltage watt-hour meters. The special spun fiber resists bending, improving measurement performance. The FOCS using this fiber achieved a measurement error of ±0.2% across a temperature range of -40°C to 70°C.

3. Plasma Current Measurement: FOCS technology has been adapted for measuring plasma currents in fusion reactors, such as the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). The sensor measures the rotation of the polarization state in the presence of a magnetic field, achieving high accuracy in extreme conditions.

4. Temperature Drift Compensation: Research on temperature drift shows a linear relationship between temperature and FOCS error. Understanding this relationship allows for effective temperature compensation, improving sensor accuracy in varying temperatures.

5. Vibration Sensitivity Reduction: Improvements in fiber design and sensor configuration can mitigate errors caused by mechanical vibrations, enhancing the stability and accuracy of FOCS in dynamic environments.

6. HVDC Applications: FOCS technology is used to measure high DC currents up to 500 kA, offering significant advantages over traditional current transducers, such as smaller size, lighter weight, and higher accuracy.

7. Técnicas interferométricas : en FOCS se utilizan diseños interferométricos avanzados, como los interferómetros Sagnac, para mejorar la precisión y la sensibilidad. Estos diseños minimizan los errores causados ​​por la birrefringencia lineal y factores ambientales.

Conclusión

Los sensores de corriente de fibra óptica (FOCS) representan un avance significativo en la medición de corriente eléctrica. Aprovechando el efecto Faraday, los FOCS ofrecen alta precisión, amplio ancho de banda e inmunidad a las interferencias electromagnéticas. Son particularmente valiosos en aplicaciones que requieren mediciones de corriente precisas, como la industria metalúrgica, líneas HVDC, monitoreo de transformadores y control de subestaciones. El desarrollo de diseños avanzados de FOCS y técnicas de compensación continúa mejorando su rendimiento y confiabilidad, convirtiéndolos en una herramienta esencial en los sistemas modernos de medición y monitoreo eléctricos.

Al resumir el estado actual de la tecnología FOCS y destacar los avances clave, este artículo subraya la importancia y utilidad de los sensores de fibra óptica en la medición precisa de corrientes eléctricas. La investigación y el desarrollo en curso en este campo prometen más mejoras y aplicaciones más amplias, solidificando el papel de FOCS para garantizar la eficiencia y seguridad de los sistemas eléctricos en todo el mundo.