Tabla de contenido0
Los sensores de medida como pieza clave para la transición hacia sistemas eléctricos sostenibles y digitales
Los sistemas eléctricos están compuestos por equipos analógicos como transformadores o interruptores, esenciales para el correcto suministro de energía eléctrica a los consumidores. Estos equipos se caracterizan por ser robustos y fiables, capaces de soportar grandes tensiones y corrientes eléctricas, y llegan a tener vidas útiles que superan los 20 años.
Sin embargo, estos equipos no son por naturaleza fácilmente adaptables a los requisitos de la transición ecológica, ya que, para desarrollar sistemas eléctricos más sostenibles, debe incrementarse su eficiencia, debemos reducir los recursos necesarios para la fabricación de equipos y también debemos ser capaces de digitalizarlos.
No obstante, a pesar de esa aparente incompatibilidad inicial, ya disponemos de equipos compactos y eficientes que permiten actuar de intermediarios entre el mundo analógico de los electrones circulando dentro de una línea eléctrica, y el mundo digital de los sofisticados sistemas de control. Los sensores de medida son equipos que, sustituyendo a los convencionales transformadores de medida, permiten la adaptación de los sistemas eléctricos a los nuevos requerimientos ya mencionados.
Conocer el estado de los sistemas eléctricos a cada instante, la indispensable función de los sensores y transformadores de medida
Como es bien sabido, la electricidad es un fenómeno físico por lo general imperceptible para nuestros sentidos, y esto supone un problema: no tenemos la capacidad de conocer si la corriente eléctrica fluye a través de una línea eléctrica o, si hay presencia de voltaje en una subestación. Más aún, considerando que para realizar tareas de protección y explotación básicas para el sistema eléctrico es necesario conocer con precisión el valor de la tensión y la intensidad.
Por esta razón, el desarrollo de los sistemas eléctricos estuvo desde un inicio ligado al de los transformadores de medida de tensión e intensidad. Estos equipos se instalan en puntos estratégicos de las redes eléctricas y permiten a los operadores de las mismas conocer su estado real a cada instante: ¿es la tensión demasiado elevada para una operación segura del sistema eléctrico? ¿supera la corriente medida un límite suficiente como para poder considerarlo un cortocircuito?
Los sensores de medida son equipos que cumplen con la misma función, pero son más eficientes y adaptables a las nuevas tendencias de sostenibilidad que sus hermanos mayores, los transformadores de medida. Todos ellos cumplen con la indispensable tarea de permitir a los operadores penetrar en lo oculto de los sistemas eléctricos, transformando las elevadas tensiones y corrientes de las líneas eléctricas en señales de bajos valores de voltaje y amperios que puedan ser registrados por equipos de medida y protección.
Sensor de medida, un término que abarca una gran diversidad de tecnologías alternativas
Como ya se ha mencionado, los sensores de medida tienen una función equivalente a la de los transformadores de medida, pero difieren de estos últimos en cuestiones clave que les proporcionan grandes ventajas debido a que los sensores funcionan según principios físicos y tecnologías alternativas.
Mientras que los transformadores de medida funcionan en base a los principios electromagnéticos fundamentales y disponen de un núcleo magnético, los sensores de medida buscan otras vías para convertir las elevadas tensiones y corrientes primarias en manejables y seguras señales secundarias.
Así, los sensores de medida de tensión funcionan según el principio de divisor de tensión que no requiere de abundantes materiales como hierro o cobre para la fabricación de los devanados y el núcleo magnético. A su vez, los sensores de medida de intensidad funcionan según un gran abanico de tecnologías como la de las bobinas Rogowski o la fibra óptica.
La imparable transformación de los transformadores de medida convencionales en sensores de medida. ¿Cuáles son las ventajas?
Los transformadores de medida convencionales han sido la única tecnología disponible para la medida de la tensión y la corriente desde la creación de los primeros sistemas eléctricos. Sin embargo, esa hegemonía terminó con la aparición en el mercado de los primeros sensores de medida.
La necesidad de que surgieran los primeros sensores de medida se debió a que los transformadores de medida convencionales carecían de ciertas funcionalidades cada vez más necesarias y la rápida expansión de los sensores se ha debido a la gran cantidad de ventajas que estos presentan:
- Producción sostenible: los sensores no requieren de abundantes y costosos materiales para su fabricación. No disponen de pesados núcleos magnéticos de hierro ni de devanados de cobre que, aunque son fácilmente reutilizables en su forma pura, complican el proceso de reciclaje al mezclarse con resina aislante.
- Equipos más compactos: al sustituir los núcleos magnéticos por componentes resistivos o capacitivos para los sensores de tensión y por núcleos de aire para los sensores de intensidad, los sensores se convierten en equipos muy compactos que pueden llegar a integrarse o camuflarse en otros equipos eléctricos como terminales de transformadores de potencia o cables, reduciendo la superficie ocupada por las subestaciones.
- Mayor eficiencia: un nombre técnico empleado para referirse a los sensores de medida es también transformadores de medida de baja potencia. El término "baja potencia" hace referencia al bajo consumo que requieren para su funcionamiento con relación a los transformadores de medida convencionales. Así, se reducen las pérdidas energéticas debidas a su operación y se consigue un sistema eléctrico más eficiente.
- Digitalización: a diferencia de los transformadores convencionales, que aportan corrientes que hay que transformar a tensiones para poder ser procesadas o tensiones demasiado elevadas para los sistemas de control modernos, los sensores proporcionan señales de salida en el orden de los milivoltios, de forma que estas señales pueden ser directamente alimentadas a los sistemas digitales de control. De esta forma, se acelera la digitalización de los sistemas eléctricos al eliminar equipos intermedios que deban adaptar las señales de salida.
- Versatilidad: los núcleos magnéticos tienen la principal desventaja de la saturación magnética. Esto supone que el rango de funcionamiento de los transformadores de medida convencionales está limitado ya que, fuera de esos límites, el núcleo saturado no es capaz de proporcionar una señal secundaria fiable. Al carecer de núcleo magnético, los sensores de medida mantienen su linealidad en un amplio rango de funcionamiento, permitiendo a los operadores de redes eléctricas emplear un mismo modelo de sensor en líneas de diversas características de tensión o corriente.
- Buena respuesta frente a armónicos: la integración de energías renovables, así como sistemas de corrección del factor de potencia o de almacenamiento, suponen la introducción de gran cantidad de electrónica de potencia en los sistemas eléctricos. Esta electrónica proporciona unas funcionalidades y un control nunca antes disponibles, pero también pueden verter una gran cantidad de armónicos o perturbaciones en las redes eléctricas que merman la calidad del suministro y generan ineficiencias. Por esta razón, la medida precisa de armónicos se ha vuelto indispensable. Sin embargo, los transformadores de medida convencionales presentan problemas para cumplir con esta labor, mientras que los sensores de medida lo hacen con gran precisión.
- Mayor seguridad: los sensores de medida no presentan problemas de seguridad como la ferrorresonancia o calentamientos indebidos que puedan resultar en violentas explosiones, por lo que se reduce el riesgo sobre las personas o equipos que puedan encontrarse en su proximidad.
¿Suponen los sensores de medida una condena en firme contra los transformadores de medida convencionales?
Debido a que los sensores de medida han empezado a utilizarse hace relativamente poco tiempo de forma masiva, y que la vida útil de los transformadores de medida convencionales es larga, el parque de equipos de medida de tensión e intensidad de los sistemas eléctricos se halla todavía copado por las tecnologías convencionales.
A pesar de ello, el crecimiento vivido por los sensores de medida es exponencial y se prevé un mantenimiento de esta tendencia por encontrarse alineada con los objetivos de desarrollo sostenible de la ONU, y las directivas de sostenibilidad de la Unión Europea.
Sin embargo, como con toda tecnología joven (que no emergente), con los sensores de medida es necesario un mayor refinamiento que aún no ha sido alcanzado: campos magnéticos de gran intensidad en un entorno cercano de los sensores de medida pueden afectar a su precisión, igual que fuertes variaciones de temperatura ambiente, fenómenos que los transformadores de medida convencionales no son susceptibles de sufrir.
Además, es necesario determinar si las vidas útiles de los nuevos sensores de medida alcanzarán a superar varias décadas, como sucede con los robustos transformadores de medida convencionales.
En definitiva, aunque la tecnología deba madurar todavía, los sensores de medida presentan ventajas ineludibles que, inevitablemente, terminarán por transformar casi en su totalidad las tecnologías de medida de tensión e intensidad de los sistemas eléctricos.
No obstante, la robustez de los trasformadores de medida convencionales permanece imbatible hasta la fecha. Surge entonces la pregunta: ¿el relevo generacional será completo o los fiables transformadores originales seguirán empleándose en funciones específicas? ¿Se decantaría igualmente por los sensores de medida un operador de un sistema eléctrico que un operador de una central nuclear?
Laboratorio Alta Tensión de TECNALIA
Para que una nueva tecnología pueda implantarse con éxito y ofrezca garantías de calidad, disponer de normativa específica es fundamental. En el caso de los sensores de medida, la familia normativa IEC 61869 incluye este tipo de equipos y ya está completamente desarrollada.
En el Laboratorio de Equipos Eléctricos de TECNALIA estamos acreditados según ISO/IEC 17025:2017 para la ejecución de ensayos de tipo sobre sensores de medida según los requisitos de las partes 6, 10 y 11 de IEC 61869. Además, hemos desarrollado capacidades para ensayos especiales como el de precisión frente a armónicos y medidas de corriente y tensión residual.
De esta forma, TECNALIA, a través de su Laboratorio de Alta Tensión, proporciona a los fabricantes de sensores de medida los medios para la evaluación normativa de sus equipos, así como una amplia experiencia en el ensayo de sensores y transformadores de medida.
