TRANSFORMADOR INTELIGENTE RESUMEN DEL PROYECTO. Autor: Salvador Prado, Pablo. Carnicero López, Alberto. López García, Oscar.

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1 TRANSFORMADOR INTELIGENTE Autor: Salvador Prado, Pablo. Directores: Carnicero López, Alberto. López García, Oscar. Entidad Colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas. RESUMEN DEL PROYECTO Este proyecto presenta el desarrollo de una nueva clase de sensor de corriente para líneas de Alta Tensión. Este sensor de corriente es un diseño innovador con respecto a los transformadores de medida convencionales. El desarrollo del sensor fue financiado por la Comisión Europea a través del proyecto IESLAS (nº G5RD-CT-21-54) bajo el programa Competitive y Susteainable Growth Resarch. La idea fundamental de este sensor, se basa en que la corriente alterna induce un campo magnético en un material magnetoestrictivo que actúa como emisor. El material magnetoescrictivo transforma la energía del campo magnético en energía mecánica en forma de desplazamientos. Dichos desplazamientos son transmitidos a través de una estructura, compuesta por un dieléctrico hasta llegar un receptor, que es de material piezoeléctrico. El receptor convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Procesando la señal del piezoeléctrico se estima la corriente que atraviesa el primario y que se desea medir. El transformador es un aparato de medida, tanto de tensión como de corriente, muy utilizado dentro de los modernos sistemas de transmisión y distribución eléctrica. Éste proporciona, a partir de una simple señal de entrada, una regulación de los flujos de energía en las redes eléctricas. Su importancia últimamente se ha visto incrementada

2 debido a los complejos sistemas de interconexión actuales, los cuales requieren ser ajustados y controlados con precisión. Un transformador de corriente convencional para la medida de intensidades eléctricas en redes de Alta Tensión posee secundarios que proporcionan una salida de corriente reducida (5A, 1A). Para líneas de Alta Tensión, que normalmente soportan corrientes superiores a 2A, los transformadores de medida son grandes, pesados y costosos debido al riesgo de explosión. Dado que las interconexiones de potencia están aumentando a ritmo constante en el mundo, los fabricantes de transformadores cada vez están más concienciadas de este problema y buscan soluciones alternativas a los diseños tradicionales. El proyecto resulta novedoso en tanto en cuanto el transformador de medida está basado en materiales denominados activos, y serán empleados para líneas de Alta Tensión. Es un estudio innovador basado en la transmisión de ondas mecánicas a través de un dieléctrico que acopla los materiales activos. El transformador aquí propuesto reduce el peso, el volumen y el coste de fabricación, evitando, al mismo tiempo, el riesgo de explosión del aceite empleado en los transformadores convencionales. Teniendo en cuenta los estudios realizados acerca de la fibra óptica, este sensor de corriente presenta menos complejidad y menos coste en circuitos electrónicos, proporcionando un comportamiento térmico más estable. A parte de las mejoras evidentes, los sensores pueden presentar un envejecimiento más o menos menor, dependiendo del tipo de materiales activos que se empleen. Una dificultad derivada del uso de materiales activos puede surgir por la presentación de histéresis y efectos altamente no lineales, como sucede en los materiales magnetoestrictivos. El objetivo principal de este proyecto es mostrar la fiabilidad del modelo numérico de simulación que ha sido desarrollado para evaluar el transformador inteligente, así como mostrar el transformador en distintos estados de funcionamiento una vez validado el modelo numérico. La simulación numérica se realiza sobre un modelo bidimensional axilsimétrico del prototipo. En el laboratorio de ICAI ha sido construido un prototipo del transformador. El objetivo de dicho prototipo es validar el modelo numérico del transformador. Los datos experimentales han sido comparados con los resultados del modelo numérico mostrando

3 unos excelentes resultados tanto en valores como en tendencia tal y como puede apreciarse en las figuras 1 y 2. Analizando los resultados de los test experimentales y del diseño numérico se puede concluir que el magnetoestrictivo acoplado a un piezoeléctrico a través de un dieléctrico puede ser empleado para medir la corriente en las líneas de Alta Tensión. El transformador desarrollado está siendo actualmente fabricado y será probado en líneas de Alta Tensión. Intensidad (A) 5 Gráfica Entrada TI 2A Ensayo Entrada modelo numérico Tensión piezoeléctrico (mv) Gráfica Salida TI 2A Figura 1: Comparativa Entrada-Salida Intensidad valor eficaz 2A Entrada-Salida TI valores eficaces comparativa Ensayos Simulaciones Tensión salida piezoeléctrico (mv) Intensidad entrada (A) Figura 2: Comparativa entre el modelo numérico y los ensayos al prototipo

4 SMART CURRENT SENSOR SUMMARY This project presents the development of a new class of smart current sensors for high voltage transmission systems. This smart current sensor is an innovate design with respect to conventional current measurement transformer. This project was come up by the European Commission through the IESLAS project (contract number G5RD-CT-21-54) under the Competitive and Sustainable Growth Research Programme. In this current measurement transformer, the alternate current signal to be measured induces a magnetic field in an emitter which consists of a magnetoestrictive material. The emitter transforms the current magnetic energy into mechanical energy in the form of mechanical waves due to the alternate nature of the induced magnetic field. These waves are transmitted through a dielectric structure up to a piezoelectric stack, which is the receiver, it converts the mechanical energy back into electrical energy. An electronic signal module processes this low electrical current and estimates the primary current to be measured. Instrument transformers are devices for voltage and electrical current measurements which are key elements within the modern transmission and distribution systems. These devices provide the basic input signals required for controlling the power flows in any electrical grid. Their importance has grown even higher in nowadays complex power networks due to the tighter and precise control required inside a sector undergoing profound changes due to European, and world-wide, electrical, electrical market deregulation. Conventional transformer for measurement of elevated electrical currents in highvoltage grids have secondary winding which produce proportionally reduce electrical currents (5A, 1A) suitable for measurement. For lines with voltage levels of more than 44kV, that usually support currents higher than 2A, these inductive measurement transformers are large, heavy and expensive devices with certain risk explosion. So, as the power of the electrical networks is steadily increasing worldwide, manufacturers of

5 instrument transformers and electrical utilities companies are becoming ever more concerned with this problem. In this project a measurement transformer based on active materials for high voltage transmission lines is presented. This new approach is based on mechanical wave transmission due to coupling between active materials through dielectric medium. This feature constitutes the main difference form the aforementioned hybrid smart structure. This sort of transformers reduce weight, volume, manufacturing cost and avoid the necessity of isolating oil, when are compared to traditional measurement transformers that use magnetic flux variations. Regarding fiber optic approaches, this current sensor features lower complex and cost electronic circuits and provide more thermal stable behaviour. Despite the evident improvements, depending on the sort of active materials used, active materials sensors can be exhibit more or less performance ageing. Other difficulties derived from the use of active materials can arise such as histeretic behaviour or intrinsic nonlinear behaviour. The goal of this project is to show the feasibility of the numerical simulation program that has been developed to evaluate the smart current sensor. In order to demonstrate the validity of the numerical model and the design of the small prototype that has been carried out. Therefore, the numerical simulation program is based on modelling two dimensional axilsimetric. Another objective of this project is to show that the running for different operations states when the numerical simulation model has been validated. A laboratory prototype has been built and tested to demonstrate the feasibility of the numerical model of smart current sensor. Experimental data have been compared to numerical results showing a good fitting not only in value but also in tendency, as is shown in figures 1 and 2. The main conclusion that can be drawn from the experimental test and design is that a magnetoestrictive emitter coupled to a piezoelectric receiver through a dielectric material can be used to measure current in high voltage lines. Both experimental and numerical modelling data have shown that a measurable current can be obtained to determinate the actual current of the high voltage line. The current sensor developed is currently in the manufacturing process and it will be tested on real power transmission lines.

6 Intensidad (A) 5 Gráfica Entrada TI 2A Ensayo Entrada modelo numérico Tensión piezoeléctrico (mv) Gráfica Salida TI 2A Figure 1: Input-output current comparison rms 2A Entrada-Salida TI valores eficaces comparativa Ensayos Simulaciones Tensión salida piezoeléctrico (mv) Intensidad entrada (A) Figure 2: numeric model and prototype test comparison

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