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8 enero, 2017

Líneas de transmisión como canal de comunicación mediante trampas de onda

Artículo escrito por el Ing. Lucas Bruno para el blog Ingeniería Eléctrica Explicada.

Bobina de onda portadora

bobina

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Podemos observar que , en la estación transformadora de la foto, existen dos bobinas de onda portadora conectadas cada una en serie con la línea de alta tensión, montadas sobre dos fases , que suspenden desde el pórtico de entrada de línea, con doble cadena de aisladores en V, para quitarle grados de libertad.

Estas bobinas son dispositivos que tienen una impedancia despreciable a frecuencia industrial, de tal forma de que no perturbe la transmisión de energía, pero debe ser relativamente alta para cualquier banda de frecuencia usada para comunicación por portadora.

Esta colocada en dos fases para tener una en funcionamiento y la otra como reserva ante cualquier desperfecto.

Este sistema de comunicación vincula dos subestaciones (comunicacion a distancia). Cabe aclarar que la frecuencia portadora , del orden de las 10 kHz, no entra a la barra.

 

Breve historia de las Comunicaciones por Líneas Eléctricas

La comunicación a través de la red eléctrica existe desde hace bastante tiempo, aunque sólo se ha utilizado para aplicaciones de control remoto de repetidores de banda estrecha, alumbrado público y automatización de hogares.

La banda ancha a través de PLC se empezó a utilizar a finales de la década del 90:

  • 1950: con una frecuencia de 10 Hz, una alimentación de 10 kW, y una vía de un solo sentido: alumbrado de ciudades, control remoto de repetidor.
  • Mediados de la década del 80: inicio de las investigaciones relacionadas con el uso de la red eléctrica para permitir la transmisión de datos, en bandas de entre 5 y 500 Khz, siempre en una sola dirección.
  • 1997: primeras pruebas para la transmisión de señales bidireccionales de datos a través de la red de suministro eléctrico, inicio de las investigaciones por parte de Ascom (Suiza) y Norweb (Reino Unido)
  • 2000: primeras pruebas llevadas a cabo en Francia por EDF R&D y Ascom.

Principios operativos

La tecnología PLC de banda ancha puede transmitir datos a través de la red de suministro eléctrico, y, por lo tanto, extender una red de área local existente o compartir una conexión a Internet existente a través de los enchufes eléctricos mediante la instalación de unidades específicas.

 

El principio de PLC consiste en superponer una señal de alta frecuencia (de 1,6 a 30 Mhz) en niveles bajos de energía a través de una señal eléctrica de 50 Hz. Esta segunda señal se transmite a través de la infraestructura eléctrica y se puede recibir y decodificar de manera remota. De esta forma, recibirá la señal cualquier receptor PLC que se ubique en la misma red eléctrica.

 

Un acoplador integrado en los puntos de entrada del receptor PLC elimina los componentes de baja frecuencia antes de que se proceda al tratamiento de la señal.

Marco legal y normativa

Cualquier tipo de tecnología que funcione en una banda de frecuencia definida debe situarse dentro de un marco legal. Las redes PLC son, al mismo tiempo, redes de suministro eléctrico y de telecomunicaciones. Por este motivo, a las autoridades les resultó difícil definir su marco legal. Además, no existe ninguna norma específica que regule los equipos y las redes PLC. En la actualidad, se están realizando trabajos con el PLC Forum y el Instituto europeo de estándares de telecomunicaciones (ETSI. por sus siglas en inglés). Sin embargo, hasta la fecha no se ha publicado ningún resultado.

 

En consecuencia, la instalación de redes PLC es libre en la actualidad en lo que respecta las instalaciones que se encuentran detrás de un dispositivo de medición privado (llamado “de interiores” o “doméstico“); a la condición de que no causen efectos secundarios negativos. En ese caso, el equipo se retiraría. Con respecto a las instalaciones externas (llamadas “de exteriores“) donde se transmite la señal en el nivel de los transformadores de alto y bajo voltaje HTA/BT para crear bucles eléctricos locales, la autoridad reguladora de telecomunicaciones debe conceder los permisos para realizar pruebas siempre que la tecnología esté aún en desarrollo y no se hayan publicado los estándares.

Estandarización

Solo existe un estándar de este tipo. El estándar estadounidense: Estándar Homeplug V1.0.1. Este estándar es válido únicamente para instalaciones “en interiores” y no funciona con aplicaciones “de exteriores” actuales. Surgirán otros estándares en los próximos meses o años.

Importante: Todos los equipos disponibles al público en la actualidad cumplen con el estándar “Homeplug”.

Adentrándonos:

Características de la bobina de onda portadora

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En las líneas de transmisión  además de utilizarlas como medio para transmitir la energía eléctrica también las podemos utilizar para la transmisión de señales de onda portadora entre  30 kHz y 500 kHz, para telecontrol, telefonía, teleprotección, telemedición, internet por la red eléctrica, etc., comúnmente llamado “sistema de onda portadora“(carrier).
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La bobina de onda portadora (también llamada bobina de bloqueo o trampa de onda) tiene la función de impedir que las señales de alta frecuencia sean derivadas en direcciones indeseables, sin perjuicio de la transmisión de energía en la frecuencia industrial.

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La bobina de bloqueo es, por lo tanto, acoplada en serie con las líneas de transmisión de alta tensión que deben ser dimensionadas para soportar la corriente nominal de la línea en la frecuencia industrial y las corrientes de cortocircuito a las cuales están sujetas las líneas de transmisión.

Como es su construcción

Bobina Principal: La bobina principal conduce la corriente nominal de la línea de transmisión y es proyectado para soportar la corriente máxima de cortocircuito. El arrollamiento consiste en perfiles de aluminio de sección rectangular de alta resistencia mecánica. Dependiendo de la corriente, uno o más perfiles son conectados en paralelo. Cada espira es separada por trozos de fibra de vidrio. El arrollamiento es rígidamente inmovilizado por medio de crucetas de aluminio montadas en las extremidades del arrollamiento de la bobina principal y por uno o más tirantes aislados de fibra de vidrio.

 

La bobina principal es de construcción robusta y liviana. Se trata de una estructura abierta, con aislamiento en aire, que resulta en excelentes propiedades de enfriamiento. Debido a esta construcción, no ocurrirán grietas en la superficie de la bobina. Su baja capacidad propia implica una elevada frecuencia de auto resonancia, volviendo este proyecto particularmente adecuado para aplicaciones en alta frecuencia, tal como en sistemas de onda portadora. Estas importantes características aseguran un excelente desempeño, principalmente en la ocurrencia de un cortocircuito. Esto permite que se alcance una larga vida útil.

 

Dispositivos de sintonía: El dispositivo de sintonía es montado en el tirante central localizado en el interior de la bobina principal. Es de fácil acceso y puede también ser fácilmente reemplazo en el caso de una eventual alteración de la faja de operación, sin que sea necesario remover la bobina de bloqueo. Todos los componentes del dispositivo de sintonía son escogidos para garantizar una excepcional fiabilidad operacional y una vida útil prolongada. El dispositivo de sintonía puede ser fijo o ajustable para sintonía simple, de doble frecuencia o de banda ancha.

 

Todos los componentes son encapsulados con una triple capa resistente a la intemperie, protegiendo el dispositivo de sintonía de los constantes cambios climáticos y eventuales choques mecánicos. Los coeficientes de temperatura de los elementos del dispositivo de sintonía son escogidos de forma que se obtenga un alto grado de estabilidad en la sintonía.

 

Dispositivo de Protección: El dispositivo de protección es conectado en paralelo con la bobina principal y el dispositivo de sintonía, para evitar que la bobina de bloqueo sufra algún daño debido a una sobretensión transitoria. Las características del dispositivo de protección son escogidas para soportar elevadas sobretensiones transitorias, siendo que éste no debe empezar a actuar debido a la tensión que surge entre los terminales de la bobina de bloqueo en el caso de un cortocircuito, y tampoco debe permanecer en operación después de la respuesta a una sobretensión momentánea entre los terminales de la bobina de bloqueo, causada por la corriente de cortocircuito. En las bobinas de bloqueo, son utilizados dispositivos de protección de óxido de cinc (ZnO), sin centelleador.

Montaje Suspendido: Todos las bobinas de bloqueo son suministradas con un cáncamo para izar, fijado directamente en el tirante central. Para este tipo de montaje, un cáncamo adicional es añadido a la cruceta inferior para soportar la bobina de bloqueo, evitando oscilaciones.

 

Montaje Vertical: Para este tipo de montaje, las bobinas de bloqueo son suministradas con pedestal de aluminio. Los pedestales tienen una altura adecuada para evitar el calentamiento excesivo del soporte del aislador o del transformador de tensión capacitivo (TPC) debido al campo magnético de la bobina principal.

Algunos accesorios

Rejilla de Protección anti Pájaros: Las rejillas de protección contra pájaros evitan la entrada de aves al interior de la bobina principal. La rejilla es hecha de fibra de vidrio con protección contra UV y resistente al calor . La presencia de la rejilla de protección contra pájaros no perjudica el enfriamiento de la bobina de bloqueo.

 

Además del proyecto estándar, el cual consiste en un inductor principal, un dispositivo de sintonía y un dispositivo de protección, los siguientes accesorios están disponibles, en caso de que sea solicitado:

 

  • Conectores de línea (aluminio o bimetal) para conexión directa del conductor de alta tensión
  • Anillos anticorona. En caso de que no haya ningún requisito especial con relación al nivel de descarga de corona, su instalación no es necesaria para tensiones nominales de hasta 245 kV. Si es necesario, los anillos anticorona son construidos de tubos de aluminio. En este caso, el diámetro total de la bobina de bloqueo es aumentado en 40 mm y la altura total de la bobina, en 2×100 mm. En el caso de montaje sobre pedestal, la altura total es solamente aumentada en 100 mm, pues el anillo anticorona inferior se proyecta sobre el pedestal.

Se agradece a:
RAMA ESTUDIANTIL DEL IEEE DE LA UCSA
Ing. Lucas Bruno para el blog Ingeniería Eléctrica Explicada.

 

Mejores comentarios:

Aldo Viacava(2017-01-08): Permítanme aportar al tema. En efecto las líneas de transmisión son utilizadas como canal de comunicación. Las señales de voz y datos viajan como ondas portadoras a través de los conductores a una alta frecuencia. Para que esta alta frecuencia no afecte a los equipos de las subestaciones q están diseñados a la frecuencia industrial se colocan las trampas de onda o bobinas de bloqueo, esos son sus dos nombres de estos aparatos, que como repito, no permiten q la alta frecuencia ingrese a la subestación sino que la desvía hacia los dispositivos de comunicación. En cada subestación de los extremos se instalan equipos de comunicación por onda portadora de la marca q uno escoge, ABB, Siemens, GE, Dimat, etc. Estos equipos emiten la señal en un extremo, la transforman y la ingresan a la línea de transmisión y la reciben en el otro extremo. Estas señales son recibidas por otros equipos de comunicaciones para derivarlas al usuario q puede ser un equipo de protección, control local o a un Scada. Ese canal de comunicación es utilizado principalmente para la protección de la línea, para voz y datos y a medida q la tecnología avanza ahora los equipos al ser digitales pueden llevar muchos más datos. Al aparecer el uso de la fibra óptica sobre la línea de transmisión, este sistema está cayendo en desuso por qué la fibra óptica es mucho más eficiente aunque en muchas instalaciones todavía se prefiere la onda portadora para reserva ante la falla de la fibra óptica. Espero haber aportado y si alguien tiene algún comentario más por favor aportar.

 

Erick Lasteros (2017-01-08): Estimados Ingenieros, con respecto al tema y según la teoría de Enrique Villegas y otras publicaciones de Cigre y la IEEE la trampa de onda es un filtro formado por una inductancia (bobina de bloqueo) + una capacitancia (transformador de tensión capacitivo), sin embargo fabricantes y diseñadores ya consideran a la bobina de bloqueo como la trampa de onda.

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