ES2284125T3 - Transformador de corriente con bobinas de tipo rogowski, que comprende circuitos parciales asociados para formar un circuito completo. - Google Patents
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Abstract
Transformador de corriente que tiene al menos dos circuitos parciales (CB1, CB2, ...CBn, ...CBN), de los que cada uno comprende un devanado (C1, C2, ...Cn, ...CN) de tipo Rogowski, donde cada uno de dichos circuitos parciales está realizado en forma de una porción angular de un circuito completo (CB) que rodea en 360° a al menos un conductor primario (10, 10A, 10B, 10C) del transformador, donde dicho circuito completo tiene la función de circuito secundario de tipo Rogowski para el transformador, y donde el devanado (Cn) de cada circuito parcial (CBn) está constituido por un devanado de ida (Cn0) y por un devanado de retorno (Cn1) que recorren la extensión angular (zetan) del circuito parcial (CBn), caracterizado porque para cada circuito parcial (CBn), dichos devanados de ida (Cn0) y de retorno (Cn1) están unidos eléctricamente en serie, teniendo los dos un mismo sentido de arrollamiento de las espiras, con el fin de formar un solo devanado (Cn) que presenta un par de terminaciones eléctricas(T1n, T2n) vecinas, y donde los pares de terminaciones eléctricas (T1n, T2n) de dichos devanados (Cn) están unidos a un sistema (7, 7'') de adquisición previsto para producir una señal completa (vs) que es una imagen de la corriente primaria (ip) del transformador.
Description
Transformador de corriente con bobinas de tipo
Rogowski, que comprende circuitos parciales asociados para formar un
circuito completo.
La invención se refiere a un transformador de
corriente que tiene al menos dos circuitos parciales, de los que
cada uno comprende un devanado de tipo Rogowski y donde cada uno de
estos circuitos parciales está realizado en forma de una porción
angular de un circuito completo que rodea en 360º al conductor
primario del transformador. El devanado de cada circuito parcial
está constituido por un devanado de ida así como también por un
devanado de retorno, que recorren la extensión angular del circuito
parcial. El circuito completo equivale a un circuito secundario de
tipo Rogowski del transformador. Así, una señal de tensión medida
sobre este circuito secundario es proporcional a la derivada de la
corriente que atraviesa al conductor primario.
Se recuerda que una bobina de Rogowski, también
llamada toro de Rogowski, se presenta clásicamente en forma de un
arrollamiento conductor devanado sobre un mandril de forma tórica
construido de un material no ferromagnético, lo que le proporciona
excelentes características de linealidad, debidas a la ausencia de
saturación. Una de las dificultades presentadas en la medición de
una corriente primaria por medio de un conductor o circuito
secundario en forma de una bobina de Rogowski es debida a la
variación de los parámetros de la bobina con la temperatura, lo que
puede ocasionar errores importantes de medición. Por otra parte, si
la bobina no tiene una perfecta simetría axial, la medida de la
derivada de la corriente primaria depende de la posición del
conductor primario que atraviesa al toro, así como también depende
de su orientación. Es sabido que una buena simetría axial exige como
mínimo que el arrollamiento conductor esté constituido por un doble
devanado, es decir, un devanado enrollado sobre un camino de ida
seguido de un devanado análogo enrollado sobre el camino de retorno
inverso, teniendo el mismo sentido de arrollamiento de las espiras
sobre los dos caminos, respectivamente, de ida y de retorno, para
tener un flujo aditivo de los devanados de ida y de retorno. Este
doble devanado de ida y de retorno permite que la bobina no sea
influida por los campos electromagnéticos producidos por las fuertes
corrientes que atraviesan los conductores eléctricos situados en el
exterior del toro.
En el estado de la técnica, son conocidos los
transformadores de corriente en los que se utilizan circuitos
parciales con devanados de tipo Rogowski. El documento de patente
DE4424368 divulga una bobina completa de forma cuadrada, que
presenta una simetría axial con respecto al conductor primario que
la atraviesa en su centro. Esta bobina está fabricada a partir de
cuatro porciones, constituidas cada una de ellas por un tubo
recubierto de una primera capa de un material conductor, estando la
capa dispuesta en hélice para formar una pista que constituye un
devanado de ida. Este material conductor está recubierto por una
capa aislante y por una segunda capa de un material conductor que
también está dispuesto en hélice para hacer un devanado de retorno.
Las cuatro pistas de ida están unidas en serie entre sí por
elementos de conexión junto a los tubos, de la misma forma que las
cuatro pistas de retorno. La pista completa de ida se une en serie
con la pista completa de retorno, y la bobina completa de
ida-retorno así realizada se interrumpe en un lugar
específico sobre uno de los tubos, con el fin de realizar las dos
terminaciones de salida en los bornes, en los que se puede medir la
tensión inducida en la bobina por la corriente primaria.
Este principio de constitución de una bobina de
Rogowski completa a partir de bobinas parciales en forma de
porciones angulares también se aplica en las realizaciones
divulgadas por la solicitud de patente DE10161370 ó US2003137388A1.
Se describe particularmente una realización en la que la bobina
completa está constituida por la asociación en serie de ocho
porciones de circuitos semi-anulares. Cada porción
está constituida por una placa de circuito impreso en
semi-anillo, y se realiza un apilamiento de cuatro
placas para formar una mitad de bobina que lleva mitades de
devanados de ida y retorno. Los dos apilamientos en
semi-anillos se pueden separar al nivel de dos
extremos angulares adyacentes, con el fin de facilitar la
instalación de la bobina completa alrededor del conductor primario
del transformador. La conexión en serie del devanado de ida con el
devanado de retorno se sitúa al nivel de un primero de estos dos
extremos angulares adyacentes. Las dos terminaciones de salida de la
bobina completa se sitúan al nivel del segundo extremo angular, que
es adyacente al primero. Así pues, no hay conexión eléctrica entre
estos dos extremos angulares adyacentes, todo ello teniendo un doble
devanado de ida y de retorno sobre 360º, con el fin de permitir una
cierta simetría axial de la bobina completa.
Es sabido que la tensión v_{s} medida cuando
se adquiere (y, generalmente, también cuando se amplifica) la señal
de fuerza electromotriz v_{s} en los bornes de una bobina de
Rogowski que rodea en 360º a un conductor primario, depende de la
derivada temporal de la medida algebraica de la corriente primaria
i_{p} de acuerdo con la siguiente relación.
(1)v_{s} (t) =
D \cdot S(T) \cdot \frac{\partial i_{p}}{\partial
t},
en la que S(T) designa la
sensibilidad de la bobina a la temperatura T de la medición y la
constante D designa un factor de amplificación, propio del sistema
de adquisición de la fuerza electromotriz v_{s}. Por lo tanto, la
señal v_{s} es, indirectamente, una imagen de la corriente
primaria. En lo que sigue, se designará por S_{0} la sensibilidad
de la bobina a una temperatura de referencia T_{0} específica. Por
otra parte, si un devanado de tipo Rogowski se arrolla sobre un tubo
en arco de círculo, también denominado mandril, que se extiende
sobre un sector angular de un cierto ángulo \theta, la
sensibilidad s_{0} de esta porción de devanado a la temperatura
T_{0} se puede definir como que es igual a S_{0} x \theta/360,
donde \theta se expresa en grados y donde S_{0} es la
sensibilidad de la bobina de Rogowski completa extrapolada
prolongando el devanado de manera uniforme sobre 360º alrededor de
un mandril circular. Por ejemplo, si una bobina completa está
constituida por la asociación en serie de dos porciones de devanados
semi-anulares como se indica en la solicitud de
patente DE10161370, se puede definir la sensibilidad s_{0} de cada
porción de devanado como que es igual a la mitad de la sensibilidad
S_{0} de la bobina
completa.
Sin embargo, hay que observar que con un
devanado de tipo Rogowski definido sobre un sector angular inferior
a 360º, la medida de corriente de un conductor primario está
influida por la posición de dicho conductor con respecto al devanado
y, con mayor motivo, está fuertemente influido cuando dicho sector
angular es inferior a 180º. Tomemos por ejemplo el caso de un
devanado semi-anular dispuesto perpendicularmente
con respecto a un conductor primario rectilíneo, de forma que el
conductor esté situado a igual distancia de los dos extremos del
devanado. Cualquier desplazamiento, incluso mínimo, que tienda a
alejar del devanado al conductor primario, conducirá entonces a una
disminución sensible de la fuerza electromotriz medida en los bornes
del devanado, suponiendo una corriente primaria uniforme a lo largo
del tiempo. En efecto, el campo magnético generado por la corriente
primaria en un punto específico disminuye a medida que aumenta la
distancia entre dicho punto y el conductor primario. Por
consiguiente, el flujo inducido en el devanado disminuye como
consecuencia del desplazamiento precitado y, por lo tanto, se atenúa
la imagen medida de la corriente primaria.
Por estas razones, con el fin de poder obtener
una medida fiable de una corriente, con la ayuda de un devanado de
tipo Rogowski, es absolutamente esencial que dicho devanado realice
una vuelta completa del conductor primario, con el fin de que pueda
presentar una perfecta simetría axial. En otros términos, el cierre
sobre 360º del circuito secundario del transformador es una de las
condiciones necesarias para poder realizar una medición
independiente de la posición del conductor primario con respecto al
secundario. Este es el motivo por el que, en la literatura relativa
a este campo técnico, la idea de sensibilidad de un devanado de
tipo Rogowski generalmente solo aparece para un devanado que forma
un toro o, incluso, para un conjunto de devanados puestos en serie
para realizar un toro completo. En los dispositivos conocidos de
transformadores de corriente en los que se utilizan devanados
formados por porciones de una bobina de Rogowski completa tales
como, por ejemplo, el transformador presentado en la solicitud de
patente DE10161370, cada devanado está de forma sistemática unido
eléctricamente en serie con al menos un devanado análogo formado por
otra porción de bobina, con el fin de que el conjunto de estas
porciones realice una bobina de Rogowski completa que circunde en
360º a un conductor primario.
En una realización con dos devanados
semi-anulares unidos en serie, la sensibilidad del
devanado anular completo es casi igual a la de un solo devanado de
las mismas dimensiones. Además, con la condición de que la unión en
serie sea suficientemente corta para perturbar lo menos posible la
uniformidad de los arrollamientos en la zona de unión de los dos
devanados, con el fin de conservar una simetría axial casi perfecta,
la medida puede permanecer casi independiente de la posición del
conductor primario. El relativo sobrecoste que implica tal
realización con devanados separables, con respecto a un devanado
clásico sobre un soporte cerrado, se puede justificar
particularmente por la facilidad de instalación del devanado
completo alrededor del conductor primario. También existe un
contexto particular en el que puede ser interesante construir una
bobina de Rogowski completa a partir de bobinas parciales, y sin que
sea necesario permitir la separación de las dos bobinas parciales
con el fin de hacer pasar el conductor primario en el bucle de la
bobina completa.
Como es sabido por el documento de patente
EP0573350, es ventajoso realizar una bobina de Rogowski a partir de
una placa de circuito impreso, sensiblemente cuadrada y dotada de un
corte circular destinado al paso del conductor primario. Este tipo
de bobina presenta una simetría axial perfecta y permite obtener un
devanado de ida y un devanado de retorno con un gran número de
espiras, teniendo un flujo aditivo de los devanados de ida y
retorno, donde una gran sensibilidad de la bobina se conjuga con una
gran precisión de la medida, del orden de un 0,1%. Por otra parte,
la precisión permanece estable a lo largo del tiempo, siendo casi
insensible particularmente a las vibraciones, así como también a las
variaciones de temperatura que puedan afectar a la bobina. En
efecto, es posible efectuar una medición prácticamente independiente
de la temperatura, debido a la utilización de una resistencia en
paralelo sobre los bornes de salida de la bobina y donde el valor se
elige en función de diversos parámetros de dicha bobina, como se
enseña en el documento de patente EP0587491.
Las máquinas de fabricación de placas de
circuitos impresos permiten producir placas dentro de una cierta
gama de dimensiones. En la fecha de la presentación de la presente
solicitud de patente, aparentemente, no existen máquinas que
permitan obtener placas de dimensiones superiores a 700 mm. Incluso,
si en el futuro se desarrollan tales máquinas, el coste de
fabricación de una placa de grandes dimensiones permanecerá siendo
superior al coste de varias placas que se ensamblarían para formar
dicha placa grande. Además, ciertas mediciones de corriente por
bobina de Rogowski, por ejemplo en líneas o aparatos eléctricos
blindados, aislados al gas, necesitan que el diámetro interior del
anillo formado por las pistas y agujeros metalizados de la bobina
del secundario del transformador sea al menos del orden de dicho
valor de 700 mm. Hay que observar que para tales diámetros, es muy
ventajoso realizar las bobinas en placas de circuitos impresos, con
el fin de poder conservar una precisión de la medida dentro del
0,1%, ya que las técnicas clásicas de fabricación de bobinas por
arrollamiento de un conductor no permiten producir bobinas que
tengan esta clase de precisión.
Una solución para permitir realizar bobinas más
grandes en placas de circuitos impresos consiste en ensamblar en un
mismo plano varias placas, sobre cada una de las cuales se disponen
porciones angulares de devanados. Un primer método de conexión de
las porciones angulares de una bobina completa consiste en unirlos
eléctricamente en serie a través de conductores especialmente
adaptados para el uso, es decir, en unir en serie los devanados del
mismo sentido de ida o de retorno al nivel de cada unión de dos
placas adyacentes, sobre el mismo principio que para las conexiones
que se realizan entre los tubos dispuestos presentados en el
documento de patente DE4424368. Por ejemplo, se pueden ensamblar
cuatro cuartas partes de una bobina anular completa, donde cada
cuarta parte se ha realizado a partir de una placa cuadrada de
circuito impreso cuyo lado tiene como longitud al menos la mitad del
diámetro exterior de la bobina anular. De esta forma es posible
realizar bobinas completas, con tecnología de circuito impreso, de
hasta un diámetro exterior del orden de 1400 mm, lo que sobrepasa
las dimensiones más grandes de las cubiertas metálicas alrededor de
las cuales se instalan secundarios de transformadores de corriente
en las líneas o aparatos eléctricos blindados actuales.
De esta forma, el circuito secundario del
transformador de corriente, realizado por la bobina anular completa,
se puede instalar a la presión atmosférica, por ejemplo alrededor de
una doble virola metálica de enlace estanco de dos cubiertas
metálicas llenas de gas aislante a presión y atravesadas por el
conductor primario del transformador. Este conductor primario está
constituido, por ejemplo, por el conductor de una línea blindada
monofásica. Las dos virolas se enlazan mutuamente por una junta de
estanqueidad al gas aislante, donde dicha junta está fabricada de un
material que garantiza un aislamiento eléctrico. Esto permite que la
corriente de retorno que circula en las cubiertas metálicas pase al
exterior de la bobina anular y, de esta forma, que la medida de
corriente no sea influida por dicha corriente de retorno.
Sin embargo, la solución que consiste en unir
eléctricamente en serie las porciones angulares de una bobina
completa puede presentar algunos inconvenientes, tanto en el caso de
una bobina con arrollamiento tórico clásico como en el caso de una
bobina anular con tecnología de circuito impreso. En primer lugar,
una unión por un puente conductor que une dos porciones adyacentes
de la bobina completa perturba en cierta medida la uniformidad de la
distribución de los arrollamientos, en la zona de unión de dos
devanados. Esto es particularmente visible por ejemplo en la figura
3 del documento de patente DE10161370. En el caso de porciones
angulares realizadas por placas en cuartas partes de circuito
impreso, es necesario prever una unión muy corta, con el fin de
conservar una uniformidad de distribución de los arrollamientos casi
perfecta para la bobina de Rogowski completa, con el fin de mantener
la precisión de la medida dentro del 0,1%. Por otra parte, la zona
de unión eléctrica y mecánica entre dos cuartas partes adyacentes de
circuito impreso constituye una zona de fragilidad debido a las
vibraciones y dilataciones que afectan a estas cuartas partes.
Además, previendo un montaje de cuartas partes sobre elementos
relativamente flexibles como gomas, con el fin de limitar la
amplitud de las vibraciones y de las compulsiones en las uniones de
las cuartas partes, es difícil evitar el riesgo de eventuales
roturas de los puentes conductores que unen los circuitos impresos
de las cuartas partes cuando estos puentes se han previsto rígidos
y, por lo tanto, es generalmente necesario prever puentes
conductores flexibles.
Sin embargo, las dificultades para obtener una
unión eléctrica que sea mecánicamente fiable entre dos cuartas
partes adyacentes de circuito impreso y que perturbe lo menos
posible a la medida se pueden superar, particularmente con la
solución de un puente conductor flexible. Así, es posible obtener
una bobina de Rogowski anular completa y de gran dimensión, formada
por cuartas partes de circuito impreso y que es eléctricamente
equivalente a una bobina de la misma dimensión que se hubiera
fabricado a partir de una sola placa de circuito impreso como se
enseña en el documento de patente EP0573350, en la hipótesis de que
se dispusiera de una máquina que permitiera la fabricación de tal
dimensión. Las dos terminaciones eléctricas de la bobina de Rogowski
completa se sitúan, preferentemente, en un extremo de una cuarta
parte de bobina al lado de la unión con la cuarta parte adyacente,
siendo entonces esta unión la única que no está unida por un puente
conductor.
Considerando esta última solución con cuartas
partes de bobina de Rogowski, en particular para realizaciones con
tecnología de circuito impreso, tal como se enseña en el documento
de patente EP0573350, es necesario tener en cuenta que el anillo
formado por la bobina completa del transformador de corriente puede
tener un diámetro típicamente superior a 700 mm en aplicaciones con
transformadores de corriente para equipos eléctricos blindados,
aislados al gas. Entonces, el número total de espigas (formadas cada
una de ellas por dos segmentos de pistas opuestos y dos agujeros
metalizados de un circuito impreso) puede ser muy grande para la
bobina de Rogowski completa. En este estado, conviene recordar que
la sensibilidad total S_{0} de una bobina de Rogowski de gran
diámetro es poco diferente de la de una bobina de diámetro más
pequeño pero que tiene la misma densidad de espiras. En efecto, el
aumento de sensibilidad debido al número más elevado de espiras se
compensa con el valor más débil del campo magnético, debido al
alejamiento del devanado frente al conductor primario del que se
quiere medir la corriente.
Así pues, igual que para una bobina de gran
diámetro, las señales parásitas de sobretensiones que pueden afectar
a la señal de fuerza electromotriz inducida en la bobina tienen
amplitudes relativamente importantes, por el hecho de que la
sensibilidad total S_{0} es casi independiente del diámetro de la
bobina. Las señales parásitas se producen por corrientes de altas
frecuencias existentes en la línea de la que se mide la corriente
primaria i_{p} por el transformador. Debido a que la señal de
fuerza electromotriz es proporcional a la derivada de la corriente
primaria i_{p}, las perturbaciones de altas frecuencias que pueden
afectar a la corriente primaria engendran, inevitablemente,
sobretensiones en los bornes del devanado secundario del
transformador. Entonces, las señales parásitas de sobretensiones
deben tratarse por una unidad de adquisición y de tratamiento, apta
para producir una señal v_{s} corregida (más frecuentemente
amplificada) que es una imagen de la señal de una corriente primaria
corregida en la que se habrían filtrado las perturbaciones de
corriente de altas frecuencias.
Debido a sus amplitudes relativamente
importantes, las señales parásitas de sobretensiones pueden ser
difíciles de tratar para corregir la señal medida, lo que entonces
se traduce en una peor precisión de la medida. Incluso en el caso en
que se realiza un tratamiento que efectúa una corrección de la señal
sobre la señal de fuerza electromotriz en los bornes de la bobina de
Rogowski con el fin de obtener una gran precisión de la medida, ello
implica generalmente un sobrecoste con respecto a la obtención de
una precisión del mismo orden en una situación en la que las señales
parásitas de sobretensiones tienen una menor amplitud.
El objetivo principal de la invención es
realizar un transformador de corriente en el que el circuito
secundario comprende una bobina de Rogowski completa de gran
diámetro, formada a partir de varias porciones angulares de bobina
mecánicamente ensambladas entre sí, con una gran uniformidad de la
simetría axial de la bobina completa, todo ello teniendo una
configuración del circuito secundario del transformador que permite
limitar las amplitudes de las señales parásitas de sobretensiones a
tratar. Un objetivo más particular es llegar a tener realizaciones
con tecnología de circuito impreso para bobinas de Rogowski
completas de gran diámetro, haciendo ahorro de todo puente conductor
entre los devanados de los circuitos impresos parciales adyacentes
que componen la bobina completa, debiendo permitir estas
realizaciones la obtención de al menos una precisión del 0,1% con
una excelente estabilidad térmica.
A este efecto, la invención tiene por objeto un
transformador de corriente que tenga al menos dos circuitos
parciales de los que cada uno comprende un devanado de tipo
Rugowski, donde cada uno de estos circuitos parciales está realizado
en forma de una porción angular de un circuito completo que rodea en
360º al conductor primario del transformador, donde dicho circuito
completo tiene la función de circuito secundario de tipo Rugowski
para el transformador, donde el devanado de cada circuito parcial
está constituido por un devanado de ida así como por un devanado de
retorno, que recorren la extensión angular del circuito parcial,
caracterizado porque para cada circuito parcial, los devanados de
ida y de retorno se unen eléctricamente en serie teniendo un mismo
sentido de arrollamiento de espiras, con el fin de formar un solo
devanado que presenta un par de terminaciones eléctricas vecinas,
donde los pares de terminaciones eléctricas de dichos devanados
están unidos a un sistema de adquisición previsto para producir una
señal completa que es una imagen de la corriente primaria del
transformador.
De esta forma, el circuito completo, constituido
por la asociación de un número N de circuitos parciales, presenta el
mismo número N de pares de terminaciones eléctricas. Como se explica
mas adelante en la presente, las señales de fuerza electromotriz
v_{n(s)} medidas en los bornes de cada circuito parcial se
transmiten a un sistema de adquisición sumador (generalmente, con
amplificación) previsto para crear de nuevo una señal completa
v_{s} que verifica, a una temperatura de referencia T_{0}
específica, la relación siguiente:
(2)v_{s}(t) =
K \cdot \sum\limits^{N}_{n=1} v_{s(n)} (t) = K \cdot S_{0}
\cdot \frac{\partial i_{p}}{\partial
t},
donde K designa el factor de
amplificación global del sistema de adquisición sumador y S_{0}
designa la sensibilidad del circuito completo equivalente. Más
adelante, se explica como los valores de resistencias que determinan
el factor de amplificación global se pueden parametrar para que este
factor sea insensible a las variaciones de la temperatura. Es
necesario observar que S_{0} es igual a la sensibilidad de una
bobina completa que estaría constituida por la puesta en serie de
los devanados de los circuitos parciales para obtener una
configuración equivalente a la descrita en la patente EF0573350,
configuración en la que el devanado completo únicamente presenta dos
terminaciones eléctricas para adquirir la señal de fuerza
electromotriz imagen de la corriente
primaria.
En un transformador de corriente según la
invención y en el caso en que todos los circuitos parciales son
idénticos, la sensibilidad S_{0} del circuito completo equivalente
es igual a la sensibilidad s_{0} de un circuito parcial
multiplicada por el número N de circuitos parciales. La relación (2)
precedente se puede escribir de la siguiente forma:
y, por lo tanto, es posible
determinar la corriente primaria del transformador por integración
en el tiempo de la señal completa v_{s} medida sobre el circuito
secundario de tipo
Rogowski.
Preferiblemente, el par de terminaciones
eléctricas de un circuito parcial está dispuesto en uno de los
extremos angulares del circuito parcial, donde cada uno de los
devanados de ida y de retorno recorren la extensión angular del
circuito parcial, estando eléctricamente unidos en serie al nivel
del otro extremo angular. Esta disposición de los bornes en un
extremo angular de un circuito parcial permite particularmente que
los bornes de dos circuitos parciales adyacentes se puedan disponer
uno al lado del otro, con el fin de utilizar dos cables blindados
relativamente cortos y de las mismas longitudes para unir los dos
circuitos a un sistema de adquisición de señales. En efecto, se ha
hecho constar que es importante que los cables sean a la vez
relativamente cortos y de las mismas longitudes, para permitir
limitar a niveles que no afecten a la precisión dentro del 0,1% las
señales parásitas que se pueden generar al nivel del cableado por
los fuertes campos electromagnéticos debidos a las corrientes que
circulan por los conductores primarios vecinos del transformador de
corriente.
En un modo de realización preferido de un
transformador de corriente según la invención, cada circuito parcial
se realiza con una placa de circuito impreso plana o curvada que
tiene sobre cada una de sus dos superficies o caras una serie de
pistas metálicas, donde las pistas de una serie están eléctricamente
unidas con las de la otra serie por agujeros metalizados que
atraviesan la placa para formar el devanado del circuito
parcial.
Según otro modo de realización ventajosa de un
transformador de corriente según la invención, una de las dos
terminaciones del devanado de cada circuito parcial está
eléctricamente unida a un potencial de referencia común, mientras
que la otra terminación está eléctricamente unida a una entrada de
un sistema de adquisición que tiene una función de amplificación,
que lleva al menos un amplificador operacional con un bucle de
reacción. Ventajosamente, cada entrada del sistema de adquisición
está unida a una entrada del amplificador operacional a través de
una resistencia cuyo valor se elige de forma que la señal de tensión
medida a la salida del sistema de adquisición sea independiente de
las variaciones de la temperatura del circuito secundario del
transformador.
La invención, sus características y sus ventajas
se precisan en la descripción que sigue, en relación con las figuras
que se definen a continuación.
La figura 1 representa esquemáticamente un
circuito parcial de un transformador de corriente según la
invención, con forma de una cuarta parte anular plana con tecnología
de circuito impreso.
La figura 1a representa esquemáticamente una
ampliación de un primer extremo angular del circuito parcial de la
figura 1.
La figura 1b representa esquemáticamente una
ampliación de un segundo extremo angular del circuito parcial de la
figura 1.
La figura 2 representa esquemáticamente una
vista en perspectiva de un transformador de corriente según la
invención, que comprende un circuito completo en anillo que está
constituido por la asociación de cuatro circuitos parciales, que
forman cuartas partes idénticas, con caras alternadas y que forma el
circuito secundario del transformador.
La figura 2a representa esquemáticamente un
circuito parcial que forma una cuarta parte constitutiva del
circuito completo de la figura 2.
La figura 2b representa esquemáticamente una
cara de un extremo angular del circuito parcial de la figura 2a, que
presenta la serie de pistas metálicas de esta cara.
La figura 2c representa esquemáticamente la otra
cara del extremo angular de circuito parcial representada en la
figura 2b, con su serie de pistas metálicas.
La figura 3 representa esquemáticamente una
vista parcial de un circuito secundario de un transformador de
corriente según la invención, que tiene dos circuitos completos
dispuestos paralelamente entre sí.
La figura 4 representa esquemáticamente una
vista parcial de otro circuito secundario de un transformador de
corriente según la invención.
La figura 5 representa esquemáticamente una
vista parcial de otro circuito secundario de un transformador de
corriente según la invención, constituido por un solo circuito
completo en el que cada circuito parcial lleva dos placas
superpuestas de circuito impreso.
La figura 5a representa esquemáticamente una
vista desde arriba del circuito parcial representado en la figura 5
con su soporte.
La figura 6 representa esquemáticamente una
vista en perspectiva de un transformador de corriente según la
invención, que comprende un circuito completo en anillo tubular que
está constituido por la asociación de cuatro circuitos parciales que
forman cuartas partes idénticas.
La figura 6a representa esquemáticamente las dos
caras de un circuito parcial que forma una cuarta parte constitutiva
del circuito completo de la figura 2.
La figura 7 representa el esquema eléctrico de
un transformador de corriente según la invención, que comprende un
circuito completo constituido por la asociación de cuatro circuitos
parciales idénticos alternados y que además comprende un sistema de
adquisición sumador.
\newpage
La figura 8 representa el esquema eléctrico de
un transformador de corriente según la invención, que comprende dos
circuitos completos dispuestos paralelamente entre sí y que
comprende un sistema de adquisición sumador con dos etapas de
amplificación.
La figura 9 representa esquemáticamente un
transformador de corriente según la invención, aplicado a la
detección de una eventual corriente homopolar en una línea
trifásica.
En la figura 1, se representa esquemáticamente
un circuito parcial CB_{n}, para un transformador de corriente
según la invención, en forma de una cuarta parte anular plana con
tecnología de circuito impreso. El método de realización de las
espigas de un devanado de Rogowski en circuito impreso es conocido
por el documento de patente EP0573350, y permite que las pistas
metálicas rectilíneas que están previstas sobre las dos caras del
circuito impreso estén dispuestas según radios cuya prolongación
pase por el centro O de la cuarta parte anular. La extensión angular
\theta_{n} del circuito parcial es aquí igual a 90º, de forma
tal que un circuito completo puede estar formado asociando en un
mismo plano cuatro circuitos parciales idénticos, para constituir el
conductor secundario del transformador de tipo Rogowski. En lo que
sigue, llamaremos circuito secundario a un conductor secundario de
un transformador de corriente según la invención, particularmente si
este último se realiza con tecnología de circuito impreso. Con las
máquinas actuales de fabricación de placas de circuitos impresos, es
posible fabricar un circuito parcial en cuarta parte anular de hasta
una dimensión de radio exterior de alrededor de 500 mm, partiendo de
una placa rectangular de circuito impreso de aproximadamente 700 mm
en su dimensión mayor.
Por lo tanto, aquí se forma un circuito parcial
CB_{n} por una cuarta parte de un circuito secundario anular, tal
como el descrito en la patente EP0573350. Sin embargo, dicho
circuito parcial no es eléctricamente idéntico a una cuarta parte
que se obtendría por un simple corte del circuito impreso de una
bobina de Rogowski del estado precitado de la técnica. En efecto,
como se puede ver en la figura 1b, cada circuito parcial CB_{n}
comprende en un primer extremo angular E_{1n} un par de
terminaciones eléctricas vecinas, T_{1n} y T_{2n}, que
constituyen los dos extremos de un solo devanado continuo C_{n}.
Los devanados respectivos de ida C_{n0} y de retorno C_{n1}, que
recorren la extensión angular del circuito parcial, están
eléctricamente unidos en serie al nivel del segundo extremo angular
E_{2n} del circuito, con el fin de que el devanado C_{n} sea
continuo entre los dos bornes constituidos por las terminaciones
T_{1n} y T_{2n}. Las pistas metálicas representadas con trazo
lleno están formadas sobre una misma cara del circuito parcial,
mientras que las pistas representadas con puntos están formadas
sobre la otra cara del circuito.
Como se puede ver en las figuras 1a y 1b, los
dos extremos angulares, E_{1n} y E_{2n}, de un circuito parcial
CB_{n}, para un transformador de corriente según la invención, no
tienen puente conductor para la conexión a otro circuito parcial,
porque el devanado C_{n} de un circuito parcial CB_{n} es
independiente de los devanados de los otros circuitos parciales del
circuito completo sobre 360º. Como se representa en la figura 1b,
una señal de fuerza electromotriz v_{s(n)} se puede medir
en los bornes constituidos por las dos terminaciones T_{1n} y
T_{2n} de cada circuito parcial.
Con objetivo de simplificación de los esquemas
de las figuras 1a y 1b, los devanados respectivos de ida C_{n0} y
de retorno C_{n1} se han representado como si el devanado continuo
C_{n} estuviera formado por un hilo conductor enrollado alrededor
de un anillo. Sin embargo, este método de arrollamiento no está
realmente adaptado para un circuito parcial de un transformador de
corriente según la invención, incluso aunque respondiera a la
necesidad de no tener cruce de hilos entre los devanados de ida y de
retorno. En efecto, en la figura 1a se puede ver particularmente que
el devanado de ida C_{n0} no tiene el mismo sentido de
arrollamiento de las espiras que el devanado de retorno C_{n1}.
Más precisamente, cuando las espiras del devanado de ida C_{n0}
progresan en el sentido inverso al de las agujas del reloj para un
observador situado hacia la derecha de la figura 1a, las espiras del
devanado de retorno C_{n1} progresan en el sentido de las agujas
del reloj para el mismo observador. Por lo tanto, este método de
arrollamiento no puede permitir un flujo aditivo de los devanados de
ida y de retorno, y se debe utilizar otro método para realizar el
devanado particular de un circuito parcial destinado a un
transformador de corriente según la invención. Por ejemplo, en
tecnología de circuito impreso, es posible adoptar el método de
arrollamiento con entrelazamiento de las espiras de ida y de retorno
que se describe en el documento de patente EP0573350, con referencia
al diseño de las pistas metálicas que se ilustra en la figura 2 de
este documento.
En la figura 2, se representa esquemáticamente y
visto en perspectiva un circuito completo CB en anillo, constituido
por la asociación de cuatro circuitos parciales con tecnología de
circuito impreso. Este circuito completo constituye el circuito
secundario de un transformador de corriente según la invención,
donde el conductor primario del transformador está aquí constituido
por una barra 10 de eje Z que atraviesa al anillo con preferencia
perpendicularmente por su centro O. Los cuatro circuitos parciales
forman cuartas partes idénticas con caras A y B alternadas que se
montan sobre un mismo bastidor anular 15 plano, de forma que los
extremos angulares adyacentes de los circuitos parciales se
mantengan reunidos unos contra los otros. Se prevén uniones 16 que
tienen propiedades elásticas, para garantizar el mantenimiento entre
dos extremos angulares adyacentes. Preferiblemente, el coeficiente
de dilatación del bastidor 15 es sensiblemente igual al coeficiente
de dilatación del sustrato de los circuitos impresos, con el fin de
evitar la aparición de una holgura o de una compulsión excesiva
entre dos circuitos parciales adyacentes durante una variación de
temperatura.
Así pues, sobre el bastidor anular 15 se
ensamblan cuatro circuitos parciales idénticos CB_{1} a CB_{4},
donde el circuito completo se mantiene sobre el bastidor por ejemplo
debido a agujeros circulares dispuestos sobre salientes radiales del
borde exterior de los circuitos impresos. Entonces, estos agujeros
deben estar previstos para ser atravesados con un débil juego por
pasadores cilíndricos correspondientes que se fijan al bastidor,
donde pueden ser suficientes dos pasadores cilíndricos para el
montaje de un circuito parcial sobre el bastidor. En este ejemplo de
realización de un circuito completo en anillo con circuitos
parciales idénticos, dos circuitos parciales adyacentes vistos
desde un mismo lado del anillo tienen caras A y B alternadas, de
manera que sus dos pares de bornes respectivos estén dispuestos uno
al lado del otro. El interés de esta disposición se explica más
adelante, en relación con el modo de realización representado en la
figura 8.
El circuito parcial GB_{1} del circuito
completo CB de la figura 2 se representa esquemáticamente en la
figura 2a. Los dos bornes T_{11} y T_{21} del circuito impreso
se disponen aquí sobre la cara A de la única capa 3 de sustrato que
forma la placa del circuito, en el primer extremo angular E_{11}
de la cuarta parte anular. Estos dos bornes están separados por una
distancia que, típicamente, es de algunas décimas de milímetro, de
forma que se pueden conectar respectivamente, por ejemplo, por
soldaduras a dos cables que terminan en un sistema de adquisición
para medir la fuerza electromotriz v_{s(1)} del circuito
CB_{1}. Preferentemente, estos dos bornes consisten en agujeros
metalizados que atraviesan el espesor de la placa 3 y que
constituyen las terminaciones T_{11} y T_{21} del devanado del
circuito parcial CB_{1}. De esta forma, las soldaduras para los
dos cables precitados se pueden realizar sobre una cualquiera de las
dos caras A y B del circuito. En particular, el circuito parcial
CB_{2}, visible en la figura 2, está previsto idéntico al circuito
CB_{1}, pero las soldaduras para los dos cables de medición de la
fuerza electromotriz v_{s(2)} del circuito están realizadas
sobre su cara B. De esta forma, todos los pares de cables de
circuitos parciales pueden estar situados sobre un mismo lado del
circuito completo CB, por ejemplo, sobre el lado visible en la
figura 2.
En la figura 2b, la cara A del segundo extremo
angular E_{21} del circuito parcial CB_{1} de la figura 2a se
representa esquemáticamente presentando la serie 31 de pistas
metálicas de esta cara. Las pistas del devanado de ida C_{10} y
las pistas del devanado de retorno C_{11} están entrelazadas y
casi paralelas entre sí, con una densidad de pistas que puede ser
importante para permitir una gran sensibilidad del devanado del
circuito parcial. La cara B de este segundo extremo angular
E_{21}, con su serie 32 de pistas metálicas, está representada
esquemáticamente en la figura 2c. Unos agujeros metalizados 6
atraviesan el sustrato del circuito en los extremos de las pistas,
agujeros que permiten unir entre sí a las pistas de un mismo
devanado de ida C_{10} o de retorno C_{11}, para realizar las
espiras del devanado de Rogowski, como se describe en el documento
de patente EP0573350.
En la figura 3 se representa esquemáticamente
una vista parcial despiezada de un circuito secundario que tiene dos
circuitos completos dispuestos paralelamente entre sí. Con objetivo
de simplificación, únicamente se representan los circuitos parciales
CB_{n} y CB_{n+4}. Sobre el mismo principio descrito en el
documento de patente EP0573350, en relación con el montaje de la
figura 3 de este documento, es en efecto ventajoso superponer varias
bobinas de Rogowski de forma que se multiplique un tanto la
sensibilidad del circuito segundario total. Cada bobina completa se
monta aquí de manera que está mantenida por vástagos fijados al
bastidor anular 15. Entre las dos bobinas se intercala una pantalla
metálica 17 anular, que sirve como soporte de planeidad para el
circuito parcial CB_{n+4}. Esta pantalla tiene un papel capacitivo
con el soporte principal formado por el bastidor anular 15 que, en
este caso, es metálico. Los dos bastidores metálicos 15 y 17
superpuestos se mantienen alineados axialmente por los vástagos
fijados al bastidor 15. De esta forma es posible realizar un
apilamiento de capas alternadas de bobinas de Rogowski en circuitos
impresos y de pantallas metálicas 17. Ventajosamente, entre cada
cara de una pantalla 17 y los circuitos impresos de la bobina
completa se puede interponer una hoja de mylar que se mantiene
pegada contra la superficie de la cara.
La figura 4 representa esquemáticamente una
vista parcial de otro circuito secundario que tiene dos circuitos
completos dispuestos paralelamente entre sí. Con excepción de las
pantallas capacitivas, que aquí se han retirado, este circuito
secundario es eléctricamente equivalente al de la figura 3. Entre
cada circuito parcial CB_{n} y el circuito parcial CB_{n+4} que
está superpuesto a él, se intercala una capa 5 de resina o de otra
materia aislante, lo que permite que cada grupo de circuitos
parciales superpuestos forme un apilado de dos placas de circuito
impreso. El material de la capa aislante 5 que separa a las dos
placas debe tener un coeficiente de dilatación cercano o igual al
del sustrato de las placas y, eventualmente, puede tener una función
de pegado de las placas. En la figura se presenta un solo grupo,
pero es necesario comprender que el circuito secundario está
constituido por cuatro grupos de circuitos parciales superpuestos,
montados sobre el mismo bastidor anular 15.
La figura 5 representa esquemáticamente una
vista parcial de otro circuito secundario de un transformador de
corriente según la invención, constituido aquí por una sola bobina
completa. Cada circuito parcial de la bobina completa tiene dos
cuartas partes superpuestas de circuitos impresos separadas por una
capa de un material aislante 5. Cada placa 3 ó 4 que forma una
cuarta parte está aquí dispuesta de forma que el devanado formado
por el circuito impreso de la placa esté constituido por un único
devanado de ida o de retorno. Por ejemplo, si el devanado de ida
está dispuesto sobre la placa 3, partiendo del borne constituido por
la terminación T_{1n} en un extremo angular de la cuarta parte,
entonces se realiza una unión eléctrica en el extremo angular
opuesto para unir el devanado de retorno que está dispuesto sobre la
placa 4. Las pistas del devanado de retorno deben estar diseñadas de
forma que el sentido de arrollamiento de las espiras sea el mismo
que en el devanado de ida, para que los flujos respectivos de los
devanados de ida y de retorno se añadan. El borne T_{2n} del
devanado de retorno se puede situar muy cercano al borne T_{1n},
separado por el espesor de la capa aislante 5. Preferentemente, este
espesor se limita a algunas décimas de milímetro.
En la figura 5a se representa esquemáticamente
una vista desde arriba de este circuito parcial, orientada según la
dirección Y, representada por la flecha dibujada con línea de
puntos. De forma conocida por sí, las dos series 41 y 42,
respectivamente, de pistas dispuestas sobre las dos caras de la
placa 4 están unidas entre sí por agujeros metalizados realizados en
el espesor de la placa. De la misma forma están las dos series 51 y
52, respectivamente, de pistas dispuestas sobre las dos caras de la
placa 3. Preferiblemente, el espesor de la placa aislante 5 es
inferior al espesor de una placa 3 ó 4.
La figura 6 representa una vista en perspectiva
de otro transformador de corriente según la invención, con una
geometría particular. El secundario del transformador está formado
por un circuito completo en anillo tubular que está constituido por
la asociación de cuatro circuitos parciales que forman cuartas
partes idénticas, donde este circuito completo está fijado a un
bastidor anular 15. Así, cada placa de circuito impreso está curvada
para tener la forma de una porción angular de un anillo tubular cuyo
eje de simetría coincide sensiblemente con el eje Z del conductor
primario 10 del transformador. Como se puede ver en la figura 6a,
las pistas metálicas de cada cara A ó B de un circuito parcial son
paralelas a este eje de simetría. Cada extremo angular E_{1n} ó
E_{2n} de un circuito parcial se sitúa al nivel de un borde
rectilíneo de la placa curvada que forma este circuito.
En la figura 7 se representa el esquema
eléctrico de un transformador de corriente según la invención. El
transformador corresponde, por ejemplo, al representado en la figura
2 y comprende un circuito secundario completo CB, constituido por la
asociación de cuatro circuitos parciales idénticos con caras
alternadas. El circuito secundario del transformador está unido
eléctricamente a un sistema 7 de adquisición que aquí tiene la doble
función de suma y de amplificación y que para ello lleva un
amplificador operacional 8 con un bucle de reacción. Para cada
circuito parcial CB_{n}, uno de los dos bornes T_{1n} o T_{2n}
del devanado se une a un potencial de referencia común G, mientras
que el otro borne se une eléctricamente a una entrada E_{n} del
sistema 7 de adquisición.
Por ejemplo, el borne T_{11} del circuito
parcial CB_{1} está unido a una masa que está a un potencial de
tierra, y el otro borne T_{12} está unido a una resistencia
R_{1} que está a la entrada del sistema 7 de adquisición. Como se
representa esquemáticamente en la figura por los arrollamientos, el
devanado de cada circuito parcial CB_{n} debe tener el mismo
sentido de arrollamiento de las espiras sobre los dos caminos de ida
y de retorno, respectivamente, para tener un flujo aditivo de los
devanados de ida C_{n0} y de retorno C_{n1}. Se puede ver que
progresando, por ejemplo, desde el borne T_{11} hacia el borne
T_{12}, el devanado de ida C_{10} y el devanado de retorno
C_{11} tienen el mismo sentido de arrollamiento de las espiras, en
el sentido inverso al de las agujas del reloj.
Ventajosamente, los dos bornes T_{1n} y
T_{2n} de un circuito parcial están unidos de la siguiente manera:
uno de ellos a masa y el otro a una de las entradas E_{1} a
E_{4} del sistema 7 de adquisición, de forma alternada con
respecto a los dos bornes T_{1n+1} y T_{2n+1} de un circuito
parcial adyacente. De esta forma, las señales de las tensiones de
salida v_{s(1)} a v_{s(4)} de los circuitos
parciales se suman en fase por el sistema de adquisición. En efecto,
es importante que estas señales no se sumen en oposición de fase
porque, entonces, la señal de tensión v_{s} medida en el borne de
salida 11, del sistema de adquisición, sería sensiblemente nula.
Debido a que los circuitos parciales se ensamblan como en la figura
2, con sus caras alternadas dos a dos, en esta configuración es
necesario alternar la polaridad de las ramificaciones de los bornes
de los circuitos parciales a las entradas del sistema de
adquisición. Así pues, se aplica una suma de señales de tensión en
fase sobre la entrada inversora 9 del amplificador operacional
8.
El principio de suma y de amplificación
ilustrado por el esquema de la figura 7 también se puede aplicar en
el caso en que el transformador de corriente tenga un cierto número
p de circuitos completos dispuestos paralelamente entre sí. Tal
disposición de los circuitos completos se ha explicado anteriormente
en la descripción relativa a las figuras 3 y 4. La entrada 9 del
amplificador operacional 8 está unida a través de una resistencia
R_{1} a un borne de cada uno de los circuitos parciales CB_{n}
que componen los p circuitos completos. Si cada circuito completo
tiene cuatro circuitos parciales, hay cuatro veces p resistencias
R_{1} a la entrada del sistema 7 de adquisición.
Como se demuestra en lo que sigue, la señal
v_{s}, medida a la salida del sistema 7 de adquisición, es
independiente de las variaciones de la temperatura si el valor
R_{1} de cada resistencia a la entrada del sistema 7 de
adquisición verifica la relación (9) que se indica mas adelante.
Se ha visto que la sensibilidad s de in circuito
parcial se define tal como que la señal de fuerza electromotriz
v_{s} medida en los bornes de un circuito parcial verifica la
relación siguiente:
Por otra parte, la resistencia interna r del
devanado de un circuito parcial varía linealmente con la temperatura
T del circuito parcial, según la relación siguiente, bien
conocida:
donde
\deltaT=T-T_{0}, siendo \beta el coeficiente
de temperatura de la resistividad del material del devanado y siendo
T_{0} la temperatura de referencia. Por ejemplo, si este material
es de cobre, \beta es del orden de 3900
ppm/ºC.
De la misma forma, la sensibilidad s de un
circuito parcial varía linealmente con la temperatura T del
sustrato, ya que una dilatación del sustrato provoca un aumento de
la sección de las espiras del circuito parcial, donde esta sección
es proporcional al espesor del sustrato. La relación se escribe como
se indica a continuación:
donde \alpha_{z} es el
coeficiente de dilatación lineal del sustrato según la dirección
perpendicular a la superficie del sustrato. En el ejemplo de
realización ilustrado en la figura 2, esta dirección corresponde al
eje Z. El coeficiente \alpha_{z} está típicamente comprendido
entre 40 y 60 ppm/ºC según los
materiales.
Considerando el amplificador ideal y siendo nula
la corriente a la entrada inversora 9 del amplificador operacional
8, la ley de Kirchoff conduce a la relación siguiente:
Teniendo en cuenta la relación (4), se obtiene
lo siguiente:
Suponiéndose que los N circuitos parciales son
idénticos y que tienen una misma temperatura T, se puede considerar
que todos estos devanados tienen la misma resistencia interna r y la
misma sensibilidad s que verifican, respectivamente, las relaciones
(5) y (6) a esta temperatura T. Entonces, la relación (7) se
convierte en:
o sea
7
o incluso:
Se puede remarcar que si el valor de R_{1} se
elige de forma que se verifique la siguiente relación:
o sea, también
\;
entonces, la relación 8 se escribe como se
indica a continuación:
\newpage
Así pues, con respecto a la relación (2), el
factor de amplificación global K del sistema de adquisición sumador
7 verifica la relación:
o, incluso, sustituyendo R_{1} en
función de la relación
(9):
De forma absoluta, las resistencias R_{1} y
R_{2} no son rigurosamente estables con las variaciones de la
temperatura. Pero en la práctica, por una parte el coeficiente de
temperatura de cada resistencia se puede elegir muy pequeño (por
ejemplo, inferior a 5 ppm/ºC para una resistencia de NiCr), y por
otra parte las variaciones ínfimas de los valores respectivos de
R_{1} y de R_{2} en función de la temperatura son conjuntos en
el mismo sentido, de forma tal que la relación
R_{2}/(r_{0}+R_{1}) se puede considerar perfectamente estable
con la temperatura. El factor K y, por lo tanto, la señal v_{s}
medida, es así independiente de las variaciones de la temperatura.
Por lo tanto, la señal v_{s} es una imagen muy precisa de la
corriente i_{p} del conductor primario 10.
La figura 8 representa el esquema eléctrico de
un transformador de corriente según la invención, en el que dos
circuitos completos se disponen paralelamente entre sí, como se ha
explicado precedentemente en la descripción relativa a las figuras 3
y 4. Cada circuito completo está en conformidad con el circuito
descrito en relación con la figura 2. Debe quedar bien entendido que
el principio que se ilustra para la conexión eléctrica entre el
circuito secundario y el sistema de adquisición sumador del
transformador, se puede aplicar a un número p de circuitos completos
superior a dos.
El sistema sumador 7' de adquisición comprende
dos etapas de amplificación. Una primera etapa de amplificación
comprende aquí dos amplificadores operacionales 8 de los que cada
uno maneja o gestiona la mitad de las señales de fuerza
electromotriz v_{s(n)} de los circuitos parciales. Así
pues, la primera etapa de amplificación está constituida por dos
sub-conjuntos amplificadores 71 y 72 idénticos, y
cada uno de ellos es análogo al circuito del sistema 7 de
adquisición de la figura 7. La salida de cada amplificador 8 de la
primera etapa está unida a una segunda etapa de suma, prevista para
producir la señal completa (v_{s}), imagen de la corriente
primaria. Esta segunda etapa comprende un amplificador operacional
8' con un bucle de reacción, para efectuar una amplificación de la
suma de las señales producidas por la primera etapa de
amplificación.
El interés principal de este sistema 7' de
adquisición está ligado a la disposición de los bornes de los
circuitos parciales del transformador de corriente. En efecto,
cualquiera que sea el número p de circuitos completos, se obtienen
dos grupos de bornes diametralmente opuestos. Por ejemplo, los
bornes de los circuitos parciales CB_{1}, CB_{2}, CB_{5}, y
CB_{6}, están cercanos entre sí y forman el primer grupo, y los
bornes de los circuitos parciales restantes forman el segundo grupo
diametralmente opuesto. Cada grupo de bornes está eléctricamente
unido a un sub-conjunto amplificador 71 ó 72, y la
longitud de los cables de la misma longitud que constituyen el
cableado puede ser particularmente corta si cada
sub-conjunto 71 ó 72 está dispuesto al lado de su
grupo de bornes. Entonces, se puede realizar sin mayor dificultad un
blindaje eficaz de cada cable, así como también de cada
sub-conjunto amplificador, afectados a un grupo de
bornes, con el fin de que los dos grupos de señales
v_{s(n)} respectivas de las entradas E_{1} a E_{4} y
E_{5} a E_{8} del sistema 7' de adquisición no sean perturbados
por los campos electromagnéticos debidos a las corrientes que
circulan por los conductores primarios vecinos del transformador de
corriente.
Las señales v_{71} y v_{72} producidas por
la primera etapa de amplificación verifican las relaciones
siguientes:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
La señal completa v_{s} verifica la relación
siguiente:
o sea:
17
Como la sensibilidad S de un circuito completo y
la resistencia interna r de un circuito parcial verifican
respectivamente las relaciones siguientes:
S=S_{0}(1+\alpha_{z} . \delta
T)
\hskip0.5cmy
\hskip0.5cmr=r_{0}(1+\beta . \delta T),
se puede de nuevo elegir R_{1} de
forma que se verifique la relación (9), con el fin de que la tensión
v_{s} de salida del sistema 7' de adquisición sea independiente de
la temperatura T' de los circuitos
completos.
La relación (14) se convierte en:
Las resistencias R_{3} y R_{4} se pueden
elegir idénticas, de forma que en la segunda etapa de amplificación
se efectúa una simple suma de las tensiones de salida de las dos
primeras etapas 71 y 72.
Entonces, la relación precedente se escribe de
la siguiente manera:
La comparación de las relaciones (10) y (15)
traduce bien el hecho de que la sensibilidad equivalente a dos
circuitos completos idénticos montados en paralelo es igual a dos
veces la sensibilidad S_{0} de un circuito completo. Además, el
interés de tener una pluralidad de circuitos completos dispuestos
paralelamente entre sí es también permitir un aumento de la relación
de señal sobre ruido para la señal v_{s} de salida del sistema de
adquisición. En efecto, la relación de señal sobre ruido para un
número p de circuitos completos idénticos es \sqrt{p} veces
superior a la relación de señal sobre ruido para un solo circuito
completo.
No es indispensable utilizar amplificadores
operacionales para un sistema de adquisición de señal suministrada
por el circuito secundario de un transformador de corriente según la
invención. La sensibilidad de cada circuito parcial del circuito
secundario se puede considerar suficiente para obtener una señal de
tensión v_{s(n)} que satisfaga a los bornes de una
resistencia R_{1} que verifique la relación (9) y que una entre sí
a las dos terminaciones eléctricas vecinas T_{1n} y T_{2n} del
circuito parcial. Entonces, las N señales v_{s(n)} se
pueden adquirir separadamente y cada una de ellas se puede dirigir
hacia un sistema de suma (con o sin amplificación) para volver a
crear la señal secundaria del circuito completo formado por los N
circuitos parciales. Por ejemplo, cada señal de tensión
v_{s(n)} de los bornes de una resistencia R_{1} se puede
adquirir por un convertidor analógico/digital, donde la señal
numérica se dirige por vía óptica hacia un sistema de suma que se
puede situar separado del circuito secundario.
Por otra parte, es posible prescindir del
amplificador operacional 8' de la segunda etapa de
amplificador/sumador del sistema 7' de adquisición representado en
la figura 7. En efecto, se puede prever un convertidor
analógico/digital a la salida de cada uno de los dos conjuntos
amplificadores 71 y 72 de la primera etapa amplificadora, y una
transmisión, por ejemplo por vía óptica, de las dos señales
numéricas hacia un sistema de suma numérica, para volver a crear la
señal v_{s}.
Un transformador de corriente según la invención
también se puede destinar a la detección de una eventual corriente
homopolar. La figura 9 representa esquemáticamente un transformador
cuyo circuito secundario está formado por el ensamblaje de tres
circuitos parciales para rodear a tres conductores primarios 10A,
10B y 10C de una línea trifásica. Las tres tensiones de salida
v_{(s1)} a v_{s(3)}, de los circuitos parciales CB1 a
CB3, se deben sumar en fase por un sistema de adquisición, con el
fin de obtener una imagen de una corriente primaria total i_{p}, o
corriente homopolar que, de hecho, es la suma vectorial de las tres
corrientes de los tres conductores primarios. En ausencia de
corriente de defecto, esta suma vectorial es nula y, por lo tanto,
la salida del sistema de adquisición produce una señal de tensión
sensiblemente nula. Por el contrario, en caso de aparición de un
defecto de tierra, la suma vectorial deja de ser nula y el sistema
de adquisición entonces permite tener una imagen de la corriente
homopolar. Aunque la precisión de la medida sea peor que con una
bobina completa en anillo circular, como se ha descrito
precedentemente, sin dificultad, dicha precisión puede ser
suficiente debido a que una medida de corriente homopolar
generalmente sirve para poner en marcha una protección. En este
caso, no es necesario tener una precisión de 0,1%.
Claims (16)
1. Transformador de corriente que tiene al
menos dos circuitos parciales (CB_{1},
CB_{2},...CB_{n},...CB_{N}), de los que cada uno comprende un
devanado (C_{1}, C_{2},...C_{n},...C_{N}) de tipo Rogowski,
donde cada uno de dichos circuitos parciales está realizado en forma
de una porción angular de un circuito completo (CB) que rodea en
360° a al menos un conductor primario (10, 10A, 10B, 10C) del
transformador, donde dicho circuito completo tiene la función de
circuito secundario de tipo Rogowski para el transformador, y donde
el devanado (C_{n}) de cada circuito parcial (CB_{n}) está
constituido por un devanado de ida (C_{n0}) y por un devanado de
retorno (C_{n1}) que recorren la extensión angular
(\theta_{n}) del circuito parcial (CB_{n}),
caracterizado porque para cada circuito parcial (CB_{n}),
dichos devanados de ida (C_{n0}) y de retorno (C_{n1}) están
unidos eléctricamente en serie, teniendo los dos un mismo sentido de
arrollamiento de las espiras, con el fin de formar un solo devanado
(C_{n}) que presenta un par de terminaciones eléctricas (T_{1n},
T_{2n}) vecinas, y donde los pares de terminaciones eléctricas
(T_{1n}, T_{2n}) de dichos devanados (C_{n}) están unidos a un
sistema (7, 7') de adquisición previsto para producir una señal
completa (v_{s}) que es una imagen de la corriente primaria
(i_{p}) del transfor-
mador.
mador.
2. Transformador de corriente de acuerdo con
la reivindicación 1, en el que un par de terminaciones eléctricas
(T_{1n}, T_{2n}) de un circuito parcial (CB_{n}) está
dispuesto en uno de los dos extremos angulares (E_{1n}, E_{2n})
del circuito parcial, donde cada uno de los devanados de ida
(C_{n0}) y de retorno (C_{n1}) recorren la extensión angular
(\theta_{n}) del circuito parcial (CB_{n}) estando
eléctricamente unidos en serie al nivel del otro extremo angular del
circuito parcial.
3. Transformador de corriente de acuerdo con
una de las reivindicaciones 1 y 2, en el que cada circuito parcial
(CB_{1}, CB_{2}, ..., ...CB_{N}) está realizado por una placa
de circuito impreso, plana o curvada, que sobre cada una de sus dos
caras tiene una serie (31, 32) de pistas metálicas, donde las pistas
de una serie (31) están eléctricamente unidas con las de la otra
serie (32) por agujeros metalizados (6) que atraviesan a dicha
placa, para formar el devanado (C_{n}) de dicho circuito parcial
(CB_{n}).
4. Transformador de corriente de acuerdo con
la reivindicación 3, en el que dicha placa de circuito impreso tiene
una capa de sustrato de espesor constante que separa dos series (31,
32) de pistas metálicas, donde una primera mitad de las pistas de
cada serie se utiliza para el devanado de ida (C_{n0}) mientras
que la otra mitad se utiliza para el devanado de retorno (C_{n1})
del circuito parcial.
5. Transformador de corriente de acuerdo con
una de las reivindicaciones 1 y 2, en el que cada circuito parcial
(CB_{1}, CB_{2}, ..., ...CB_{N}) está realizado a partir de
dos placas (3 y 4) de un sustrato, donde cada placa tiene sobre cada
una de sus dos caras una serie (41, 42; 51, 52) de pistas metálicas
y donde las pistas de una serie (41; 51) de una placa están
eléctricamente unidas con las de la otra serie (42; 52) de la misma
placa por agujeros metalizados para formar bien un devanado de ida
(C_{n0}) o bien un devanado de retorno (C_{n1}) de dicho
circuito parcial (CB_{n}).
6. Transformador de corriente de acuerdo con
la reivindicación 4, en el que cada circuito parcial
(CB_{1},
CB_{2}, ..., ...CB_{N}) tiene la forma de una porción angular de un anillo plano con el fin de formar un circuito completo (CB) en anillo y en el que cada serie de pistas metálicas (31, 32) de un circuito impreso se realiza con pistas sensiblemente rectilíneas según radios cuya prolongación pasa por un eje (z) perpendicular al anillo en su centro
(O).
CB_{2}, ..., ...CB_{N}) tiene la forma de una porción angular de un anillo plano con el fin de formar un circuito completo (CB) en anillo y en el que cada serie de pistas metálicas (31, 32) de un circuito impreso se realiza con pistas sensiblemente rectilíneas según radios cuya prolongación pasa por un eje (z) perpendicular al anillo en su centro
(O).
7. Transformador de corriente de acuerdo con
la reivindicación 4, en el que cada placa de circuito impreso tiene
la forma de una porción angular de un anillo tubular cuyo eje de
simetría coincide con el eje (Z) del conductor primario del
transformador, y en el que las pistas metálicas de un circuito
impreso son paralelas a dicho eje (Z) del conductor primario.
8. Transformador de corriente de acuerdo con
la reivindicación 4, en el que el circuito completo está montado
sobre un bastidor (15) plano que está atravesado perpendicularmente
por al menos un conductor primario (10) del transformador, y en el
que se prevén uniones (16) que tienen propiedades elásticas para
mantener unidos entre sí los extremos angulares adyacentes de los
circuitos impresos.
9. Transformador de corriente de acuerdo con
la reivindicación 6, tomada en combinación con la reivindicación 2,
en el que el circuito completo (CB) en anillo está formado por al
menos cuatro circuitos parciales (CB_{1}, CB_{2}, CB_{3},
CB_{4}) idénticos, donde las caras (A, B) de un mismo lado del
anillo están alternadas dos a dos, de forma que un par de
terminaciones eléctricas (T_{1n}, T_{2n}) del devanado de un
primer circuito parcial están dispuestas al lado de otro par de
terminaciones eléctricas de uno de los dos circuitos parciales
adyacentes a dicho primer circuito
parcial.
parcial.
10. Transformador de corriente de acuerdo con
una de las reivindicaciones precedentes en el que, para cada
circuito parcial (CB_{n}), una de las dos terminaciones eléctricas
(T_{1n}, T_{2n}) del devanado está eléctricamente unida a un
potencial de referencia común (G), mientras que la otra terminación
está eléctricamente unida a una entrada (E_{n}) de un sistema (7,
7') de adquisición que tiene una función de suma y de amplificación,
para lo que tiene al menos un amplificador operacional (8).
\newpage
11. Transformador de corriente de acuerdo con
la reivindicación 10, en el que los circuitos parciales (CB_{n})
son idénticos y en el que cada entrada (E_{n}) del sistema (7, 7')
de adquisición está unida a una entrada (9) de dicho amplificador
operacional (8) a través de una resistencia cuyo valor R_{1} se
elige de forma que se verifique la relación siguiente:
donde \alpha_{z} es el
coeficiente de temperatura de la sensibilidad (s_{n}) de la bobina
de Rogowski formada por dicho devanado
(C_{n}),
donde \beta es el coeficiente de temperatura
de la resistividad del material que compone el devanado (C_{n}) de
un circuito parcial (CB_{n}),
y donde r_{0} es la resistencia interna de
dicho devanado (C_{n}) a una temperatura de referencia (T_{0})
específica,
de forma que la señal del circuito completo
(CB), una vez amplificada por el sistema (7, 7') de adquisición, sea
independiente de las variaciones de la temperatura (T) del
transformador.
12. Transformador de corriente de acuerdo con
una de las reivindicaciones 10 y 11, en el que las señales de las
tensiones de salida (v_{s(n)}) de los circuitos parciales
se suman en fase por el sistema (7, 7') de adquisición.
13. Transformador de corriente de acuerdo con
una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque
tiene una pluralidad (p) de circuitos completos (CB) dispuestos
paralelamente entre sí.
14. Transformador de corriente de acuerdo con
la reivindicación 13, en combinación con una de las reivindicaciones
11 y 12, donde el sistema de adquisición (7) tiene un circuito de
amplificación que comprende un amplificador operacional (8) en el
que una entrada (9) está unida a cada uno de los circuitos parciales
(CB_{n}) que componen los circuitos completos (CB).
15. Transformador de corriente de acuerdo con
la reivindicación 13, en combinación con una de las reivindicaciones
11 y 12, en el que el sistema de adquisición (7') tiene una primera
etapa de amplificación (71, 72) que comprende al menos dos
amplificadores operacionales (8), donde la salida de cada
amplificador (8) de dicha primera etapa está unida a una segunda
etapa de suma prevista para producir dicha señal completa
(v_{s}).
16. Transformador de corriente de acuerdo con
la reivindicación 15, en el que la segunda etapa de suma comprende
un amplificador operacional (8') con un bucle de reacción para
efectuar una amplificación de la suma de las señales producidas por
la primera etapa de amplificación.
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