Bobina Rogowski como sensor de corriente para monitoreo de

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Víctor González Agüero
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1 Bobina Rogowski como sensor de corriente para monitoreo de transformadores de distribución. Sergio A. Campos Montiel (1), René D. Carranza López Padilla (1), Adrián González Parada () 1) Centro Nacional de Metrología, CENAM. km 4,5 Carretera a los Cués, Municipio El Marqués, 7646 Querétaro, México acampos@cenam.mx, rcarranz@cenam.mx ) Dpto. de Ingeniería Eléctrica, DICIS Universidad de Guanajuato. gonzaleza@salamanca.ugto.mx

Carranza López Padilla (1), Adrián González Parada () 1) Centro Nacional de Metrología, CENAM.

2 Contenido. 1. Introducción.. Desarrollo..1. Bonina Rogowski... Principio de funcionamiento..3. Características geométricas y eléctricas Respuesta en frecuencia..5. Método de integración. 3. Caracterización y resultados. 4. Conclusiones. 5. Trabajo a futuro. 6. Referencias.

Características geométricas y eléctricas. 4.4. Respuesta en frecuencia.

3 1. Introducción.

4 1. Introducción. Estadística de fallas de transformadores de potencia , Comisión Federal de Electricidad, Marzo 1999.

5 1. Introducción. Cual es la principal causa del problema en el aislamiento de los devanados de los transformadores de distribución? 1. La demanda de energía eléctrica al transformador de distribución.. Incremento de la corriente eléctrica circulante en sus devanados. 3. El incremento de la temperatura de operación que provoca envejecimiento prematuro de sus materiales aislantes Evitar que el instrumento exceda sus límites máximos de operación aumenta su vida útil, se pueden prevenir futuras fallas.

La demanda de energía eléctrica al transformador de distribución.

6 1. Introducción. El objetivo de este trabajo es el estudio y desarrollo de un transductor de corriente no intrusivo para la medición y el monitoreo de la amplitud de la corriente eléctrica en los devanados primario y secundario de los transformadores de distribución.

7 . Desarrollo.

8 .1. Bobina Rogowski. Una bobina Rogowski es un embobinado de área transversal constante que se construye sobre un material diamagnético.

9 .1. Bobina Rogowski continuación 1) Alta linealidad. lid d ) Amplio ancho de banda. 3) Sistema de medición no intrusivo y de fácil instalación. 4) Aislación eléctrica. 5) Tiempo de respuesta. 6) Tolerancia a sobre corrientes. 7) Problemas de componentes de frecuencia cero, saturación del núcleo e histéresis. 8) Bajo coeficiente térmico. 9) Bajo consumo de potencia.

5) Tiempo de respuesta. 6) Tolerancia a sobre corrientes.

10 .. Principio de funcionamiento. Si la bobina Rogowski forma un circuito cerrado en torno a la corriente a ser medida I, entonces la tensión inducida E en la bobina es teóricamente independiente de su forma y de la posición del conductor de corriente dentro de esta.

corriente a ser medida I, entonces la tensión inducida E en la

11 .. Principio de funcionamiento continuación... E = H di dt H = µ 0 N A E es la tensión inducida H es la sensibilidad de la bobina (Vs/A) µ0 es la permeabilidad magnética del núcleo N es el número de vueltas A es el área de una vuelta (m )

12 .3. Características geométricas y eléctricas. Los cálculos se basan en la hipótesis de que la resistencia (R), la Inductancia propia e inductancia mutua de la bobina (L, M) y la capacitancia (C) se distribuyen homogéneamente a lo largo de la bobina.

(R), la Inductancia propia e inductancia mutua de la bobina

13 .3. Características geométricas y eléctricas continuación... Longitud y diámetro del cable de cobre: l1, S1 Longitud y área transversal del núcleo: l, S Número de vueltas: N Resistividad del cobre: ρ Permeabilidad magnética del núcleo: µoµ Permitividad eléctrica del núcleo: εo l1 N 16 ε l R = ρ M = µ 0 S C = d1 l π S π ln N L = µ 0 S 1 d1 AB = π l π L C

núcleo: l, S Número de vueltas: N Resistividad del cobre: ρ Permeabilidad magnética del

14 .3. Características geométricas y eléctricas continuación...

15 .3. Características geométricas y eléctricas continuación...

16 .4. Respuesta en frecuencia. La respuesta en frecuencia de la bobina Rogowski se obtuvo de su función de transferencia y de sus parámetros eléctricos calculados. G ( s ) = V V O i = L C s 1 + R C s + 1 R = 84,14 (Ω) L =,115E-03 (H) C = 1,868E-1 (F)

su función de transferencia y de sus parámetros eléctricos

17 .4. Respuesta en frecuencia continuación...

18 .5. Método de integración. La tensión inducida E en los extremos de la bobina, corresponde a lavariación ió enel tiempo del flujo magnético que cruza el área transversal de esta. La integral de la tensión E en el tiempo, recupera la información de la corriente medida. Con una constante de tiempo de integración, Ti. V = R H sh I R sh = T i

enel tiempo del flujo magnético que cruza el área transversal de esta.

19 .5. Método de integración continuación...

20 .5. Método de integración continuación... ( ) 1 1 s T T T G V V s s o i o = ξ α oα i G T T = + = R R C C α 1 1 R T αc = T R C C R = ξ o o R R G 1 =

= ξ α oα i G T T = + = 1 1 1 1 R R C C α

21 .5. Método de integración continuación... () ( ) [ ] ( ) [ ] ( ) [ ] { } ( ) = s Cc C R R R s R C R R C s R R R R R C C R R R R R R R R sc RCs LCs s G

22 .5. Método de integración continuación...

23 3. Caracterización y resultados.

24 3. Caracterización y resultados. Error absoluto = I I med ref

25 3. Caracterización y resultados continuación

26 3. Caracterización y resultados continuación

27 3. Caracterización y resultados continuación

28 3. Caracterización y resultados continuación

29 3. Caracterización y resultados continuación

30 3. Caracterización y resultados continuación

31 3. Caracterización y resultados continuación

32 3. Caracterización y resultados continuación Corriente Error absoluto Corriente Posición del de e medida conductor de referencia incertidumbre corriente I med I ref k =,0 [A] [A] [A] Centro 50,0 50,0 0,0 ± 0,5 0 50,1 50,0 0,1 ± 1, ,3 50, ,3 ± 10 1, ,4 50,0-0,6 ± 1, , 50,0 0, ± 1,0

33 3. Caracterización y resultados continuación Error absoluto = I I med ref

34 3. Caracterización y resultados continuación

35 3. Caracterización y resultados continuación

36 3. Caracterización y resultados continuación

37 3. Caracterización y resultados continuación Corriente de referencia Error absoluto e incertidumbre I med I ref k =,0 [ A ] [ A ] [ A ] 10,0 10,0 0,0 ± 0,1 0,0 0,0 0,0 ± 0, 30,0 30,0 0,0 ± 0,3 40,0 40,0 0,0 ± 0,4 Corriente medida 50,0 50,0 0,0 ± 0,5 59,9 60,0-0,1 ± 0,6

38 3. Caracterización y resultados continuación Corriente aplicada: 0 A / Frecuencia: 60 Hz Derivador de corriente Canal 1: 00 mv Transductor de corriente Canal : 0 mv Tiempo: 10 ms Tensión entregada por el transductor 0 mv

39 3. Caracterización y resultados continuación Error absoluto = I I med ref

40 3. Caracterización y resultados continuación

41 3. Caracterización y resultados continuación

42 3. Caracterización y resultados continuación

43 3. Caracterización y resultados continuación Corriente medida I med Corriente de referencia I ref Error absoluto e incertidumbre k =,0 [ A ] [ A ] [ A ] 69,99 70,00-0,1 ± 07 0,7 79,9 80,0-0,1 ± 0,8 89,9 90,0-0,1 ± 0, ,0 ± 10 1, ,0 ± 1, ,0 ±, ,0 ± 5, ,0 ± 3, ,0 ± 3, ,0 ± 4, ,0 ± 4, ,0 ± 5,0

44 3. Caracterización y resultados continuación Corriente aplicada: 8 A / Frecuencia: 60 Hz Corriente amplificada: 400 A vuelta / Frecuencia 60 Hz Derivador de corriente Canal 1: 100 mv Transductor de corriente Canal : 500 mv Tiempo: 10 ms Tensión entregada por el transductor 400 mv

45 4. Conclusiones. La instrumentación presentada al ser no intrusiva, no afecta el funcionamiento i del transformador de distribución, ib ió por lo que reduce el costo de su instalación. Es importante de realizar una correcta instalación del transductor de corriente para evitar errores en la medición debidos a la posición del conductor de corriente. Los resultados obtenidos indican que el transductor de corriente desarrollado es adecuado para la medición y monitoreo de la corriente eléctrica en las terminales de los devanados primario y secundario de un transformador de distribución.

46 5. Trabajo a futuro. La siguiente etapa de este proyecto, se enfoca en la instalación del transductor de corriente construido, con el objetivo de analizar y evaluar su desempeño en las condiciones ambientales y de operación a las que se encuentra sometido un transformador de distribución.

47 6. Referencias. [1] Luka Ferković, DamirIlić and Roman Malarić, Mutual inductance of a precise Rogowski coil in dependence of the position of primary conductor, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 58, No. 1, 009, [] Ehsan Abdi-Jalebi Jalebi, Richard McMahon, High-performance low-cost Rogowski transducers and accompanying circuitry, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 56, No. 3, 007, [3] C. R. Hewson, W. F. Ray and R. M. Davis, Verification cato of Rogowski current transducer s ability to measure fast switching transients, Applied Power Electronics Conference and Exposition, Twenty-First Annual IEEE, 006, [4] Marta Argüeso Montero, Estudio de una bobina de Rogowski como sonda detectora de pulsos de alta frecuencia, Tesis Doctoral, Universidad Carlos III de Madrid, Departamento de Ingeniería Eléctrica, 005. [5] Ray W. F., Davis R. M., High performance Rogowski current transducers, Industry Applications Conference, Conference Record of the 000 IEEE Vol. 5, 000,

48 6. Referencias continuación [6] Ray W. F., Davis R. M., Practical aspects of Rogowski current transducer performance, Power Electronic Measurements Ltd., Nottingham - U.K. [7] Ray, W.F., Hewson, C.R., Metcalfe, J.M., High frequency effects in current measurement using Rogowski coils, Power Electronic Measurements Ltd., Nottingham - U.K. [8] Ray W. F., Davis R. M., Coil and cable behavior for Rogowski current transducers, Power Electronic Measurements Ltd., Nottingham - U.K. [9] Ray W. F., Davis R. M., Wide bandwidth Rogowski current transducers: Part 1 The Rogowski coil, EPE Journal, Vol. 3, No. 1, 1993, [10] Ray W. F., Davis R. M., Wide bandwidth Rogowski current transducers: Part The Integrator, EPE Journal, Vol. 3, No., 1993, [11] David E. Shepard, Donald W. Yauch, An overview of Rogowski coil current sensing technology, LEM DynAmp Inc., 3735 Gantz Road, Grove City, Ohio 4313.

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