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S.E.P. S.E.I,T, D.G.P.T,
CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACION Y DESARROLLO TECNOLOGICO
ESTUDIO DE LAS APLICACIONES DE LA TECNOLOGIA DE FIBRA OPTICA UNIMODO EN EL SISTEMA
ELECTRIC0 NACIONAL CENTRO DE INFORMACION
C E N I D E T * -.
T E S a s P A R A O B T E N E R E L G R A D O D E
M A E S T R O E N C I E N C I A S E N I N G E N I E R I A E L E C T R O N I C A P R E S E N T A :
T A l D E H E R N A N D E Z J U A R E Z
CUERNAVACA, MORELOC. ENERO DE 1992 '1 \- -
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
, .
ACADEMIA DE LA MAEST.RIA 'EN I.NGENIERIA ELECTRONICA
Cuernavaca, Mor., a 15 de enero de 1392.
Dr. Juan Manuel Ricaño Castillo Director del CENIDET
At-n.: .M.C. Alejandro Diaz Sáiicliez Coord. de Electrónica.
, .
For este conducto, hacemos de su conocimiento que, después de - haber sometido a revisión el,.trabajo de tesis titulado"ESTUDI0 DE LAS APLICACIONES DE LA TECNOLOGIA DE FIBRA OPTICA UNIMODO EN EL SXTEMA ELECTRIC0 NACIONAL", desarrollado por la Ing. TAIDE HERNANDEZ JUAREZ y habiendo. cumplido con todas las correcciones que se le~indicaron, estamos de acuerdo en que se :e conceda la autorización de impresión de la tesis, y la fecha de exámen de grado.
Sin otro particular, quedarnos.de usted.
A t a n t a m e n t e
Interior Internado Palmira S/N C.P. 62490
Tel. (75) 18 77 41 y (73) 12 76 15 Posta1'4-224 C.P. 62431 Cuernavaca. Mor. México
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
DIRECCION COORD. ACADEMICA OFICIO No. 008/92
Cuernavaca, Mor., a 22 de Enero de 1992.
ING. TAIDE HERNANDEZ JUAREZ CANDIDATO AL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERIA ELECTRONICA P R E S E N T E .
Después de haber sometido a revisión su trabajo de Tesis titula- do:
"ESTUDIO DE LAS APLICACIONES DE LA TECNOIDGIA DE FIBRA OPTICA UNIMODO EN EL SISTEMA ELECTRIC0 NACIONAL".
Y habiendo cumplido con todas las indicaciones que el Jurado Re-- visor de Tesis le hizo, se le comunica que se le concede autori-- zación para que se proceda a la impresión de la misma. como re- - quisito para la obtención del grado.
Sin otro particular, quedo de usted.
& ..i?!.iCk . . M.C. ' Marla-Helkera Martinez I .
en Ingenieria Electrónica. ! . ? : . I .
Coord. de la Maestría en Ciencias ,.'I,'' ' . , . . . : ~ A ? L , iJL ~, I . j . , ; , d G
' , l .
!i ;:.::i:YhC!UN : : , . ,p . . ..,
!,>.!, :.. ricttOiw:n C.C.P.: Expediente
Coord. Académica Archivo.
. .
L
kenídet \ Interior Internado Palmira S/N C.P. 62490
Apartado Postal 4 224 C P. 62431 Cuernavaca, Mor. México Tel. (73) 18 77 41 y (73) 12 76 13 /
\
Con infinito amor a Dios: Por permitirme vivir en este lugar, en este tiempo y por ser la luz de mi vida.
Con inmenso amor a mi madre: María Luz Juárez, por su amor, sacrificios y motivaciones para poder lograr una meta más en mi vida.
Con todo mi amor a mis hermanas: Dinorah, Leticia, Luz María y Patricia, por su m o r y por todo el apoyo y la confianza que siempre me han mostrado.
Con mucho caritío a mis familiares: Por los sabios consejos que siempre me han dado y que me han sido útiles en mi vida personal y profesional.
Con respeto y admiración a mis maestros: Por sus enseñanzas y motivaciones, en especial al Dr. Fernando Maitínez Piñón por su inva- luable ayuda, consejos, entusiasmo y asesoría durante el desarrollo de mi tesis.
Con mucho amor a mis amigos: Por ser como son, por estar a mi lado en los momentos díficiles y por compartir conmigo una de las etapas más bellas de mi vida. Siempre los recordaré.
A todos ustedes que siempre han creido en d...
G r a c i a s
2
R E C O N O C I M I E N T O S
Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (Cenidet) por las oportu- nidades ofrecidas durante la realización de mis estudios.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) por el apoyo económico brindado durante el programa de maestría.
Al Instituto de Investigaciones Eléctricas (HE) por la oportunidad para llevar a cabo este trabajo.
AI personal del Departamento de Comunicaciones del IIE por las facilidades otorgadas para el desarrollo de esta tesis.
Al M.C. Joaquín Rodríguez Rodríguez, M.I. José Luis Silva Fm’as y M.C. Carlos Felipe García Hernández por sus comentarios, críticas y por su valiosa cooperación en la revisión de este trabajo.
Al Sr. Juan Flores Flores por su gran ayuda en la elaboración de los dibujos de esta tesis.
3
Contenido
1 Introducción . 1
1.1 Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Opciones de comunicación en el sistema eléctrico . 4
2.1 OPLAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 Hilo piloto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ' 5
2.4 Radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.5 Microondaa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.6 Líneas telefónicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.7 Satélite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.8 Fibras ópticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.9 Comparación entre los diversos medios de comunicación . . . . . . . . . . . . . . 8
2.10 Servicios y requerimientos de comunicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10.1 Teleproteccibn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.10.2 Telefonía administrativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.10.3 Telefonía operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 OPSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
10
2.10.4 Datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 Tecnología de comunicación por íibra Óptica unimodo . 15
3.1 Propagación en fibras ópticas unirnodales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.1 Condición de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.2 Radio de campo modal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
. 3.1.3 Indice escalonado equivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.4 Dispere.ión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.5 Fibras ópticas de dispersión modificada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2 Atenuacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Métodos de fabricación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Conectores y empalmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4.1 Conectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4.2 Empalmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.5 Cables 37
3.6 Láser de semiconductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.7 Fotodetectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.8 Circuitos de excitación y control de láser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.9 Circuitos de recepción Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.10 Descripcióii de un equipo terminal de línea Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. *
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
3.11 Consideraciones de diseño para un sistema de comunicación digital 'por fibra óptica unimodal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Presupuesto de potencia óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.11.2 Tiempo de ascenso total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.12 Polarización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.13 Amplificadores opticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.11.1 46
47
. .
.. 11
4 Aplicación d e las flbras ópticas en los sistemas eléctricos de potencia . 5s
4.1 Comunicación en el interior de subestaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 Comunicación entre subestaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3 Otras aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3.1 Redes de área local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3.2 Automatización de la distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3.3 Sensores de fibra óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4 Cables de fibra óptica para líneas de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.5 Técnicas de instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5.1 Herrajes y accesorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.6 Equipos de comunicación por fibra Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5 Estudio de las necesidades de comunicación actuales y futuras en el Sector Eléctrico Nacional . 72
5.1 La red de comunicaciones actual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2 Problemática con los sistemas de telecomunicación empleados . . . . . . . . . . . 75
5.3 La red de comunicaciones a futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.4 Necesidades de comunicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.5 Derecho de vía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6 Estudio de las aplicaciones de la tecnología de flbra Óptica unimodo en el Sistema Eléctrico Nacional . 02
6.1 Análisis de la red de transmisión nacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.1.1 Distribución de las líneas de transmisión actuales . . . . . . . . . . . . . . 84
6.1.3 Pronóstico de crecimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.2 Distancia máxima entre terminales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.2.1 Limitación por atenuacioii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.1.2 Distribución de las líneas de transmisión en programa . . . . . . . . . . . 88
..
... 111
6.2.2 Limitación por dispersión . . . . . . . . . . . . . . . . ! . . . . . . . . . . 90
6.3 Uso de repetidores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i . . . . . . . . . . . . . . . 94
7 Ejemplo de aplicación . 97
7.1 Descripción del enlace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Selección del tipo de cable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.2.1 Cable interconstruido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.2.2 Cable autosoportado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Cable sujeto al hilo de guarda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.3 Cálculo de flechas y tensiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.4 Instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.4.1 Instalación áerea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.4.2 Instalación subterránea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Selección de herrajes y accesorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Colocación de empalmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Selección del equipo terminal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Selección de conectores Ópticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Presupuesto de potencia óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.2
7.2.3
7.4.3
7.4.4
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5 Equipo 115
7.5.1
7.5.2
7.5.3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6 Mediciones 116
117
7.6.2 Atenuación 117
7.6.3 Reflectornetria 118
7.6.1 Potencia Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
120
8.1 Perspectivas 123
8 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iv
A Pruebas para cable interconstruido . 124
A.l Prueba de ingreso de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
A.2 Prueba de corto circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
A.3 Prueba de vibración eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
A.4 Prueba de galopeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
A.5 Pruebadepolea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.6 Pruebas de compresión e impacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.7 Prueba de arrastre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.8 Prueba de esfuerzo a la fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.9 Prueba de margen de esfuerzo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
A.10 Prueba de esfuerzo-tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
A . l l Ciclo de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
B Hojas de datos: emisores ópticos . C Hojas de datos: cables y fibra óptica . D Corrida del programa TEN.FLE .
128
1so
191
"
Lista de Figuras
3.1 Fibra óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2 Fibras opticas: (a) multimodo y (b) unimodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 Sección transversal de dos fibras ópticas muitimodo . La relación de diámetros núcleo/revestimiento es: (a) 62.5/125 p m y (b) 50/125 pm . . . . . . . . . . . . . Sección transversal de dos fibras Ópticas unimodo a: (a) 0.633 pm y (b) 1.3 pm . Constante de propagación normalizada en función del número V para los modos de orden más bajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Distribución de amplitud de campo del modo fundamental en una fibra unimodo de índice escalonado y su aproximación Gaussiana . V = 2.1, el radio del núcleo a = 2.0pm y w8 es el radio de campo modal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Perfil de índice para una fibra iinimodo . La línea sólida representa el red y la punteada el escalonado equivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dispersión del material (MD), guía de onda (WD) y total (2') y la distribución de potencia para dos longiudes de onda Xi y A 2 para una fibra unimodo: (a)
17
18 3.4
3.5 22
3.6
3.7 25
3.8
convencional, (b) de dispersión corrida y (c) de dispersión plana . . . . . . . . . . 27 3.9 Estructuras de perfil para fibra óptica: (a) dispersión corrida, (b) y (c) dispersióii
plana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
29 3.10 Atenuación espectral para una fibra Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
separación entre terminales de la fibra y (c) desalineamiento lateral y axial . . . . 3.11 Mecanismos de pérdidas en la unión fibra-fibra en función de: (a) RCM, (11) la
31
3.12 Tipos de conertores para fibra unimodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.13 Sistema de inyección local y detección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . 3.14 Equipo empalmador de fusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
35
35
vi
3.15 Empalme mecánico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
cinta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.16 Cables de fibra Óptica: (a) tubo holgado. (b) núcleo segmentado y (c) cable de
3.17 Diagrama esquemático de un láser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.18 Configuración y salida espectral de 4 tipos de láser . (a) Fabry Perot, (b) Cavidad
externa, (c) Retroalimentación dintribuida y (d) Cavidad acoplada seccionada . . 40
3.19 Circuito de control por retroalimentación para un LD . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.20 Diagrama a bloques del receptor óptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.21 Sistema de transmisión por fibra óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.22 Pérdidas para un sistema por fibra Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.23 Sección transversal de fibras que mantienen la polarización . . . . . . . . . . . . . 48
3.24 Diagrama de un amplificador óptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1 Diagrama esquemático de un sensor de voltaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2 Diferentes tipos de cable interconstruido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3 Sección transversal .de un cable tipo autosoportado . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.4 Sujeción del cable óptico al hilo de guarda, (a) mediante grapas y (b) enrrollado al hilo de guarda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
. .
61
62
63
4.5
4.6
4.7
Sección transversal del tipo de cable sujeto al hilo de guarda . . .. . . . . . . . . . Técnica de tendido y tensionado para un cable interconstmido o autosoportado . Instalación de un cable del tipo sujeto al hilo de guarda mediante una máquina desujeción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Máquina utilizada para enrrollar el cable al hilo de guarda . . . . . . . . . . . . . 4.9 Herraje de suspensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.10 IIerraje de tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . : . . . 4.11 Caja de empalmes.' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.12 Colocación de una caja de empalmes . . : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Distribución geográfica de las divisiones Y regiones de transmisión . . . . . . . . .
4.8 64
66
67
67
6.1 83
vii
6.2 Líneas de transmisión actuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.3 Líneas de transmisión de 400 kV instaladas hasta 1988 . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.4 Líneas de transmisión de 230 kV instaladas hasta 1988 . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.5 Líneas de transmisión de 115 kV instaladas hasta 1988 . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.6 Líneas de transmisión en programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.1 Comparación de costos con igual número de canales para una línea de transmisión . 98
7.2 Sección transversal del cable interconstiuido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.3 Composición del cable tipo autosoprtado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.4 Sección transversal de un cable trenzado: (a) contraido (b) libre de esfuerzos y (c) elongado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
la fibra como función de la carga de tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 7.5 Diagrama de elongación de un cable autosoportado y elongación y atenuación de
7.6
7.7
Sección transversal del cable sujeto al hilo de guarda propuesto para la instalaciÓn.104
Representación de una catenaria por un tramo de línea de transmisión para estructuras: (a) en el mismo nivel, (b) en desnivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Colocación del tensor y jalador junto a la torre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Arreglo del cable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.10 Tendido del OPGW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.8
7.9
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.11 Instalación del come.along 111
7.12 Colocación en el interior de la torre 112 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.13 Colocación de los empalmes de línea y terminales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.14 Método de medición de atenuación por inserción
7.15 Ejemplo de una medición en un reflectómetro óptico en el dominio del tiempo
1¡7
(OTDR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
A . l Prueba de vibración eólica para cable tipo interconstmido . . . . . . . . . . . . . 126
... V l l l
.....
Lista de Tablas
2.1 Comparación entre diferentes alternativas de comunicación: 6 . Excelente. 5 . Espectro de frecuencia y velocidades de transmisión para diferentes alternativas de comunicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Comparación de costos para tres diferentes sistemas de comunicación (dólares. 1985. enlaca de 4.8 km 161) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Muy bueno. 4 . Bueno. 3 . Tolerable. 2 . Malo. 1 . Muy malo . . . . . . . . . . . . . 9 2.2
2.3 10
3.1 Características de algunos tipos de láser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2 Características de fotodiodos PIN y APD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1 Características de un equipo de transmisión de 6 y 20 canales . (mm: fibra multimodo. sm: fibra unimodo.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1 Enlaces de fibra óptica instalados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2 Capacidad de equipos y canales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3 Número de canales de teleprotección, voz y datos para iíneas de: 115,.230 y 400 kV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.1 Resultados obtenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
pueden cubrir por fibra óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Porcentajes de líneas existentes y líneas en programa (115. 230 y 400 kV) que se
94
7.1
7.2
Claros y desniveles entre torres. línea Tecamachalco-Remedios (torres: 121.150) . 99
Características de diferentes fabricantes de cable tipo interconstruido . . . . . . . . 101
ix
7.3 Características de conectores para fibra unimodo: FC Ill], D4 [ill, ST [12], SMA906 [13] y BICONICO [12). . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . 116
X
Capítulo 1
Introducción.
1.1 Antecedentes.
La tecnología de fibras ópticas se ha desarrollado de manera sorprendente desde que se fabricó la primera fibra Óptica con una atenuación de 20 dB/km por Corning Glass en los Estados Unidos hasta la fecha (1991) en que la producción de fibras con una atenuación de 0.25 dB/km es común. Las bondades del uso de fibras ópticas como son: su enorme capacidad de transmisión de información, completa inmunidad a las interferencias electromagnéticas, aislamiento eléctrico, reducido peso y tamaño, han hecho que las fibras ópticas se utilicen ampliamente en el sector telefónico y que se consideren como uno de los pilares del sistema de transmisión del futuro.
Por otro lado, las empresas eléctricas requieren como un soporte vital para su operación de una red de comunicaciones eficiente para la transmisión principalmente de: señales de voz, datos y teleprotección. Esta red de comunicaciones utiliza distintos medios de transmisión entre los que destacan el OPLAT (Onda Portadora por Línea de Alta Tensión), los sistemas de radio VHF, UHF y microondas. Por las características ya mencionadas, las fibras ópticas son muy atractivas en el sector eléctrico, siendo las motivaciones para su uso: la reducción de costo por canal, mayor confiabilidad y disponibilidad, mayor capacidad e independencia de la compañia de telefónos y la saturación del espectro de radiofrecuencia.
Diversas aplicaciones se han puesto rn marcha desde finales de los 70’s y principios de los 80’s en los países industrializados. Para fines de 1988, se habían instalado 16,500 km de cables de fibra óptica en empresas eléctricas de todo el mundo, de los cuales, la mayor parte de los enlaces habían sido en Japón. El crecimieuto estimado para 1996 es de 35,000 km; por IO que podrmos concluir que esta tecnología es ya aceptada. De una encuesta realizada en 1990 por el Utilities Telecommunicatioiis Council de Estados Unidos, de 90 empresas eléctricas de ese pd6, 77 tenían algún tipo de instalación de fibid óplica y las olras 13 tenían ya planeado introducir
1
esta tecnología en sus sistemas de comunicación.
Los primeros enlaces con fibra óptica puestos en servicio por las compdíss eléctricas utilizaron fibra Óptica multimodo y operaban en la longitud de 0.85 p m . Con esta tecnolda, la atenuación de la fibra es de alrededor de 3 dB/km y la separación entre repetidores es del orden de 10 km.
En 1983, el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) reslid un enlace experimental de fibra Óptica en el patio de la subestación “Francisco Pérez Ríos” de Tula, Hidalgo; demostrando la operación de un enlace de comunicación digital por fibra Óptica multimodo 34 Mb/s. Ac- tualmente, en México se cuenta ya con algunos enlaces de fibra óptica operando en la Comisión Federal de Eléctricidad (CFE). Según estadísticas, para 1990 se tenían en operación un total de 96 canales, utilizando 36 equipos a través de 65 km de fibra óptica repartidos en las diversas regiones de transmisión de CFE. Estos enlaces utiiiian la tecnología de fibra óptica multimodo a 0.85 pm que se conoce también como de primera generación.
Sin embargo, los sistemas de comunicación por fibra óptica han evolucionado a sistemas de mayor capacidad y mayor alcance en cuanto a la separación entre repetidores; ésto se logra con el u80 de fibras ópticas que transmisten un sólo modo de propagación (unimodo) y que operan en la longitud de onda de 1.3 prn con una atenuación de 0.4 dB/km (sistemas de segunda generación) y con fibras unimodo de dispersión corrida operando a 1.55 pm con una atenuación de 0.25 dB/km (sistemas de tercera genercción). Con estos sistemas se logran distancias entre repetidores típicas entre 40 y 100 km.
La utilización de la tecnología de fibra Óptica unimodo presentada grandes ventajas al Sector Eléctrico Nacional ya que, por una parte, las distancias a cubrir entre subestaciones caen, en su mayoría, dentro del alcance de esta tecnología sin llegar a utilizar repetidores y, por otra parte, el sistema provee una gran capacidad de canales que si bien no podrían utilizarse en su totalidad por la compañía eléctrica, podrían emplearse para rentar servicios de comunicación a otras empresas.
1.2 Objetivo.
El objetivo de este trabajo es realizar un estudio de la factibilidad de aplicación de la trc- nología de fibra óptica unirnodo entre subestaciones eléctricas para llevar a cabo la transmisión de senales de: voz, datos y teleyrotección necesarias para la operación del Sistema Eléctrico Nacional. El estudio se apoyará en un análisis a la red de transmisión actual, tomando en cuenta las necesidades de comunicación a futuro.
2
1.3 Desarrollo,
El desarrollo de este trabajo se ha estructurado _. I la siguiente forma:
En el capítulo 2 se describen los aspectos más significantes de las diferentes alternativas de comunicación utilizadas en el sector eléctrico: OPLAT, OPSA, mimmndas, satélite, radio VHF y UHF, red telefónica y fibra Óptica; se comparan algunas de sus características técnicas y econórrucas y su utilización en el Sistema Eléctrico Nacional. Así mismo, se mencionan también los requenmientos necesarios para la transmisión de senales de protección, voz y datos entre subest aciones eléctricas.
En el capítulo 3 se presenta un panorama general de la tecnología de comunicación por fibra Óptica, se mencionan los puntos más importantes de la teoría de propagación, parámetros de caracterización, mecanismos de pérdidas, fotoemisores, fotodetectores , transmisores y re- ceptores Ópticos; se mencionan también las nuevas estrategias en el diseño de fibra unimodo.
En el capítulo 4 se describe la aplicación de los sistemas de fibra óptica en el interior y entre subestaciones, instrumentos de medición (sensores), redes de área local y acitomatiza- ción de la distribución; se presentan también los elementos y consideraciones necesarias para la integración en la línea de transmisión: tipos de cables y su instalación, accesorios, herrajes y equipo terminal.
En el capítulo 5 se describe la situación actual de los sistemas de comiinicación utilizados, la problemática con estos medios y los requerimientos de comunicación a futuro. Se presenta también un breve análisis de factibilidad en el uso del derecho de vía para rentar servicios de comunicación a otras compaiúas.
En el capítulo 6 se presenta un panorama detallado de la red de transmisión E C t U d , la distribución física de las líneas y pronósticos de crecimiento. Se muestran también las carac- terísticas a considerar para la determinación de distancias máximas entre terminales y uso de repetidores.
En el capítulo 7 se analiza el diseño de un enlace como ejemplo de aplicación tomando en cuenta condiciones de transmisión, mecánicas y de costos. Se analiza la incorporación de cada uno de los tipos de cables a una línea existente, técnicas de instalacióti, empalmado, conectores y eqiiipo terminal; se proporcionan además métodos de comprobación del íuncionamiento del enlace: parámetros a medir, métodos de medición y equipo utilizado.
En el capítulo 8 se presentan las conclusiones de este trabajo, se da también, un panorama general del estado actual de las telecomunicaciones en los sistemas eléctricos y recomendaciones para los futuros trabajos de investigación en este campo.
3
Capítulo 2
Opciones de comunicación en el sistema eléctrico.
Introducción.
En este capítulo se presenta una revisión actualizada de los sistemas de comunicación que se emplean en el sector eléctrico, principalmente áquellos que se usan o se tiene interés en México. Se realiza una comparación entre estos sistemas y, finalmente, se hace una breve descripción de las señales de comunicación y requerimientos de transmisión entre subestaciones eléctricas. Esto servirá de marco a la aplicación de fibra Óptica unimodal que se propone en esta tesis.
2.1 OPLAT.
El sistema de onda portadora por Iínea de alta tensión (OPLAT) es utilizado principalmente para protección, transmisión de señales de voz y datos. Debido ai limitado espectro de frecuen- cias (30-500 kHz) disponibles, es de gran importancia buscar la óptima utilización del espectro mediante una adecuada planeación de la distribución de los canales de comunicación. Aunque la tendencia de las compaiiías eléctricas es utilizar mejores medios de comunicación que les permitan satisfacer sus necesidades de transmisión, no se descarta aún el uso de los sistemas OPLAT. Se considera a este sistema como una alternativa económica que permite el enlace de puntos muy distantes con un número mínimo o nulo de repetidores.
En México, el sistema se encuentra operando en casi toda la red de transmisión de la CFE. Datos estadísticos sexialan que para 1984 se habían instalado 990 equipos, para 1992 se prevee que asciriida a 3000 más, colocando a México como uno de los primeros cinco paises que utilizan esta tbriiica de comunicación (11.
4
Ya que uno de los principales problemas del sistema es el reducido espectro de frecuencias, se han desarrollado trabajos para perfeccionar algunas técnicas para el uso eficiente del espectro. Así mismo, se han desarrollado también métodos que predicen el comportamiento de una línea de alta tensión a señales de comunicación dentro del espectro de frecuencias utilizadas [Z]; estos métodos describen los diversos factores que influyen en las señales de propagación a frecuencias de ondas portadoras.
2.2 OPSA.
Eu líneas de transmisión que utilizan subconductores, la sustitución de los espaciadores metálicos por otros de material aislante forma un par balanceado que permite la transmisión de señales de comunicación. El sistema de onda portadora por subconductores aislados (OPSA) propor- ciona un mayor número de canales que OPLAT además de que es posible utilizar una misma gama de frecuencias en dos tramos adyacentes y/o en las tres fases de una línea. No obstante io anterior, el costo de instalación es proporcional a la longitud del enlace; por lo cual, el costo por canal para este sistema es más económico que OPLAT sólo para distancias menores a 200 km aproximadamente (utilizando trampas de onda de X/4) [Z].
A nivel mundial, las aplicaciones del sistema OPSA son muy escasas y esto se debe princi- palmente a los altos costos de instalación para grandes distancias; por lo cual, muchas compañías optan por el sistema OPLAT. Por lo que respecta a México, se han llevado a cabo algunos es- tndios para la aplicación del sistema, una aplicación del sistema OPSA se tiene en la línea Mezcala-El Caracol en el estado de Guerrero; sin embargo, frecuentemente los puntos a enlazar son muy distantes y por lo tanto la instalación resulta costosa, por lo cual se prefiere utilizar otros sistemas; por ejemplo microondas.
2.3 Hilo piloto.
Para redes eléctricas de transmisión o distribución conectadas en lugares densamente pobladas, resulta conveniente el uso de este sistema como medio de propagación para distancias cortas (alrededor de 30 km). El cable (simétrico o coaxial) puede estar suspendido en las líneas de transmisión en forma independiente o puede estar enterrado. En algunas ocasiones, esta última técnica puede presentar problemas por el terreno (frecuentemente por humedad) por lo cual, es necesario que el cable sea protegido adecuadamente.
En México, la Compafiía de Luz y Fuerza del Centro (CLyFC) utiliza este sistema de comunicación para la transmisión de señales de información en su red que cubre la zona centro- sur del país.
5
2.4 Radio.
El sistema por radio ha sido de los más utilizados para las comunicaciones dentro del sistema eléctrico, ya que representa un medio confiable para la transmisión de voz, datos y seüales de protección. Las bandas de radiofrecuencia utilizadas son VHF y UBF. En la banda de VHF, las comunicaciones pueden efectuarse de:
punto a punto
e estación base a unidad móvil
unidad móvil a unidad móvil
El medio de transmisión (atmósfera) facilita la comunicación de un punto fijo a otros
A nivel nacional, el número de equipos de radio utilizados es considerable (más de 16,000) [3]; los equipos de radio UHF se localizan sólo en algunas zonas, mientras que para la banda VHF se encuentran en toda la red. No obstante, uno de los problemas que se tienen en algunas zonas es la asignación de frecuencias. Dentro de las necesidades a satisfacer por el sistema de radio, la transmisión de voz representa una de las principales ya que se requiere para las actividades de mantenimiento y administración mientras que la transmisión de datos se planea para un futuro.
móviles para las actividades de mantenimiento, operación y construcción.
2.5 Microondas.
El sistema de microondas es utilizado frecuentemente por las compañías eléctricas para fun- ciones de control supervisorio y adquisición de datos (SCADA ’) y protección por relevadores. Sin embargo, no es muy conveniente para comunicación multipunto, esto se debe ai alto costo que representa el instalar los equipos de transmisión/recepción y las torres. Además de esto se presentan algunas inconveniencias ya conocidas como la asignación de frecuencias (principal- mente en zonas muy pobladas) y la posibilidad dr obstrucción de la línea de vista al construir nuevas edificaciones.
No obstante, el uso del sistema en la red de transmisión nacional actual es de gran utilidad para comunicar grandes distancias a través de una red por todo el país aprevechando tambiéii el gran número de canales que ofrece el sistema. Los equipos de microondas utilizados non analógicos, sin embargo, la tendencia actual es al uso de equipos digitales. Las funciones que se llevan a cabo son:
‘Supervisory Control and Data Acquisition
6
e Operación: comunicación de voz para coordinación de las actividades de conservación y mantenimento de subestaciones, líneas y unidades generadoras.
Administración: intercambio de información entre las oficinas nacionales y de zona.
Seguridad: señales de teleprotección para líneas de transmisión y unidades generadoras.
2.6 Líneas telefónicas.
El servicio que ofrecen las compañías telefónicas ha sido muy utilizado por las empresas eléctricas. Uno de los principales problemas que se presenta es el depender de una entidad ajena, lo cual impide tener control en el sistema cuando el servicio f d a . Otro factor que a menudo limita su utilización es el alto costo por la renta de circuitos telefónicos. A pesar de todo esto, la comunicación por línea telefónica es muy común en las áreas de construcción y administración en donde se utiliza para telefonía, facsímil y telex. En el Sector Eléctrico Nacional (SEN), los canales rentados a la compañía telefónica se asignan a la transmisión de voz y datos.
2.7 Satélite.
La comunicación por satélite para esta aplicación, no es muy frecuente a la fecha, aunque se podría aprovechar su amplia cobertura para la transmisión de voz y datos. Por otro lado, el retardo que se produce en el ascenso y descenso de la señal (500 ms en total), 10 hace inapropiado para la transmisión de señales de protección, ya que se requieren tiempos de respuesta muy cortos (20-40 ms).
Para comunicarse a través de un satélite, es necesario rentar un transpondedor además de contar con el rquipo de transmisión/recepción apropiado; por lo cual, con frecuencia el sistema puede resultar costoso. A pesar de esto, se han llevado a cabo algunos trabajos de investigación relacionados al uso de este sistema en el sector eléctrico [4]. Se considera que el sistema podría resolver las iiecesidades futuras de voz, datos y video desde la generación hasta la distribución de la energía.
2.8 Fibras Ópticas. . .
El desarrollo de la tecnología de fibra, óptica a,sí como Ja reducción en los costos de la misma, ha permitido que el sistema sea utilizado para diversas aplicaciones, una de ellas es la comunica~:ióii
7
en los sistemas eléctricos de potencia. El hecho de que la fibra sea inmune a las interferencias electromagnéticas debido a su naturaleza dieléctrica, la hace un medio ideal para la transmisión de información en lugares como las subestaciones eléctricas. Los aspectos tecnológicos de las fibras ópticas se tratarán en profundidad en los capítulos subsecuentes.
Actualmente, se cuenta con un gran número de enlaces operando en diversas partes del niundo; muchas compaftías están llevando a cabo trabajos para instalar cable de fibra óptica tanto en las nuevas líneas como en las existentes y otras más planean utilizarlas en un futuro próximo. Las razones principales del por qué las compaNas de suministro de energía se han decidido a utilizar este medio son la confiabilidad y el aisIamiento total.
2.9 Comparación entre los diversos medios de comuni- cación.
Los factores a considerar para la selección apropiada de cualquier medio de comunicación pueden clasificarse como: técnicos y económicos. En el primer caso, algunas de las características a comparar son:
ancho de banda
susceptibilidad al ruido de la iínea
distancia entre repetidores
capacidad de crecimiento de la red.
En la tabla 2.1 se presenta una comparación técnica de posibles alternativas de comu- nicación a utilizar eii un sistema eléctrico [ 5 ] ; las calificaciones asignadas, en escala de 1-6 representan las características deseables para un sistema de comunicaciones (alta capacidad, bajo costo, bajo mantenimiento, etc.) y en la tabla 2.2 se muestran los espectros de frecuencia y velocidades de transmisión para diferentes sistemas. Como se puede observar, las fibras ópticas ofrecen grandes ventajas sobre* los demás medios.
Por otro lado, el utilizar un sistema de fibra óptica frecuentemente puede resultar más ecoiiómico que otros medios. En la tabla 2.3 se presentan una Comparación de costos para tres diferentes sistemas; estas alternativas fueron evaluadas por una compaiiía eléctrica a fin de conocer la opción más económica para un enlace de 4.8 km entre dos subestaciones 161.
8
* Estas notaciones indican la dificultad de mantener e instalar sistemas Ópticos.
Tabla 2.1: Comparación entre diferentes alternativas de comunicación: 6. Excelente, 5. Muy bueno, 4. Bueno, 3. Tolerable, 2. Malo, 1. Muy malo.
Satélite 614 G 1200-1.544 M
* Como se verá más adelante, en fibra óptica se maneja más F. Optica 1014 * 1 > 2.048 M
bien el concepto de longitud de onda y las ventanas más utilizadas son 0.850, 1.3 y 1.55 p m.
Tabla 2.2: Espectro de frecuencia y velocidades de transmisión para diferentes alternativas de comunicación .
9'
calibre 19 I 3. Fibra óptica I $ 276,000
Tabla 2.3: Comparación de costos para tres diferentes sistemas de comunicación (dólares, 1985, enlaces de 4.8 km [e)).
4
2.10 Servicios y requerimientos de comunicación.
Dentro de un sistema eléctrico, los medios de comunicación utilizados deben transmitir y recibir informacih para llevar .a cabo las acciones necesarias para el Óptimo funcionamiento de la red eléctrica. Para l l e w a cabo está función, los sistemas deben de transmitir y recibir señales de teleprotección, voz y datos tomando en cuenta algunos requerimientos para su transmisión.
2.10.1 Teleprotección.
Los sistemas de teleprotección proporcionan una forma para la transmisión de información y comandos de protección de un sitio a otro a través del medio de comunicación conveniente. La teleprotección es utilizada cuando ocurre una falla en el sistema de potencia y se requiere la transmisión de una señal de protección a otro sitio. Las funciones de teleprotección se llevan a cabo entre puntos de una red. De acuerdo a la información que se va a transmitir, estos sistemas se clasifican en:
I
sistemas de comparación analógica y
o sistemas de comando
En el primer grupo, se compara la amplitud y fase de las corrientes del sistema eléctrico en el extremo de cada línea. Las señales analógicas son procesadas y comparadas con valores locales al final de cada línea de potencia a fin de determinar si existe alguna falla interna o externa a la sección de la línea. En los sistemas de comando, por otra parte, la información transmitida entre dos puntos de una línea protegida consiste de un cambio de estado (apagado-encendido o viceversa).
10
Existen tres funciones básicas de enviar las señales de comando en un sistema de protección: 1 1 . .
disparo directo (interno)
disparo permisivo
bloqueo
Requerimientos:
1. IJn sistema de protección bien coordinado debe mantener bloqueada a la red de la parte dañada, dejando en servicio la parte no afectada.
2. La protección debe accionarse en un tiempo tan corto como sea posible. El tiempo de transmisión máximo para una señal de protección en un sistema de comando (sin tomar en cuenta el tiempo de propagación) y para una seguridad de funcionamiento y una S/N (relación seíid a ruido) definida debe ser [7]:
menor a 20 ms para sistemas de bloqueo menor a 40 ms para sistemas de disparo permisivo menor a 60 ms para sistemas de disparo interno.
Para estos tiempos, la probabilidad de tener un comando perdido será:
menor a
menor de IO-' a
menor de lov3 a
para sistemas de bloqueo para sistemas de disparo permisivo para sistemas de disparo interno.
3. El comportamiento de un sistema de protección debe ser independiente en la medida de lo posible, de la configuración de la red.
2.1 O. 2 Telefonía ad minist rat iva.
El servicio de telefonía es utilizado en los sistemas eléctricos para establecer la comuiiicación ent,re oficinas centrales y los niveles más bajos de la organización; se utilizan además otros servicios como telex y facsímil.
11
Para poder satisfacer las necesidades de administración se dispone de una red privada que utilize un medio de transmisión adecuado jiinto con conmutadores automáticos privados; para el caso de redes muy grandes se utiliean además conmutadores de tráfico.
Requerimientos:
El servicio de telefonía debe ser de gran calidad, ya que contribuye no solo a realizar la comunicación entre las diferentes oficinas, sino también a la formación de la imagen de la compañía eléctrica frente a los usuarios de electricidad.
El servicio telefónico debe ser capaz de atender quejas del servicio público usuario, deman- das para el suministro de energía, provisión de combustible, etc.
2.10.3 Telefonía operacional.
El centro de control requiere el acceso rápido y simple a las estaciones de electricidad, subesta- ciones y centros de mantenimiento. Para satisfacer las necesidades de telefonía operacional, frecuentemente se cuenta con un sistema telefónico de propósito especial.
Requerimientos:
Se considera que la telefonía operacional es una de las herramientas de trabajo más impor- tantes en una compañía eléctrica (junto con el servicio de telecontrol), ya que se utiliza para el manejo y supervisión de la red. Uno de los requerimientos más importantes es la disponibilidad del servicio aún cuando el sistema de telecontrol falle.
Para obtener alta confiabilidad y disponibilidad, la red telefónica operacional debe propor- cionar las siguientes facilidades:
acceso muy rápido
facilidades de conferencia
enrutado alternativo de llamadas
re-enrutarnieiit,o automático de llamadas.
12
2.10.4 Datos.
Para propósitos de control y medición, es necesario adquirir datos de las diferentes subesta- ciones, por lo cual, se requiere de la transmisión y recepción de señales correspondientes a los equipos de medición (datos) de cada subestación al centro de control. Para la transmisión de señales de datos se utilizan señales codificadas a fin de detectar y corregir errores. A continua- ción, se dan como ejemplo los requerimientos típicos de transmisión de datos para aplicaciones de telecontrol[7].
Requerimientos:
canales de baja a alta velocidad (300-9600 b/s)
tiempos de respuesta rápidos y constantes
uso de protocolos de transmisión convenientes y codificación de los datos
medios de comunicación de alta calidad y confiabilidad.
13
Bibliografía
[I] Síntesis de fallas de líneas de transmisión, Gerencia de Generación y Transmisión, Comisión Federal de Electricidad, México, 1986.
[2] Gutiérrez Meraz, Felipe: “Desarrollo de un sistema de predicción de respuesta de línea de alta tensión para señales de comunicación”, Tesis Licenciatura, Universidad de Guadala- jara, México, 1989.
[3] Comisión Federal de Electricidad, Gerencia de Generación y Transmisión: “Diagnóstico y recomendaciones sobre los servicios de telecomunicaciones”, febrero 1990.
[4] Lola, J.W.: “Utilities test various telecommunications options”, Transmission & Distri- bution, april 1989, pp. 50-53.
[5] Carson, M.J., Clabburn R.J.T. et al: “The use of the fibre optics and the existing system for the extention and improvement of communications capabilities within public utilities”, 8th International Conference on Electricity Distribution, CIRED 1985.
[6] Jones, R.H.: “Fiber-optic cable improves reliability”, Transmission & Distribution, march 1985, pp.32-36.
171 International Electrotechnical Commission, Technical Committee No. 57: Telecontrol, teleprotection and associated telecommunications for electric power systems, december 1988.
14
Capítulo 3
Tecnología de comunicación por fibra óptica unimodo.
Introducción.
El desarrollo de la tecnología de fibra utiimodal en los últimos años ha revolucionado las comunicaciones en forma extraordinaria. Sus características de alta capacidad, naturaleza dieléctrica, longitud cada vez mayor entre repetidores y bajo costo, las hacen adecuadas para la transmisión a altas velocidades. Los recientes trabajos realizados en fibra unimodal se dirigen al diseño de fibras de baja dispersión y atenuación en las longitudes de onda de 1.3 a 1.6 pm. En este capítulo se presentan los conceptos básicos de la teoría de propagación por fibra uni- modal, parámetros de caracterización, mecanismos de pérdidas, nuevas tendencias en la tec- nología unimodal, así como también los componentes básicos de la sección de transmisiún y recepción del sistema de comunicaciones. Debido a que un análisis detallado de estos conceptos resultaría muy extenso y que no corresponde al objetivo principal de este trabajo se exponen los puntos en forma general.
3.1 Propagación en fibras ópticas unimodales.
Una fibra óptica es una guía de onda fabricada de material dieléctrico (vidrio) y utilizada para transmitir señales Ópticas, principalmente en las ventanas de 0.85, 1.3 y 1.55 prn del espectro electromagnético. La fibra consiste de un núcleo de índice de refracción nt y un revestimiento de indice d e refracción nz menor a nl (figura 3.1).
15
I
HECHOS DE VIDRIO DE ALTO CONTENIDO DE S¡g
Figura 3.1: Fibra óptica.
Considerando como una aproximación, el núiiiero de rayos de luz como el número de modos que se propagan dentro de una fibra, éstas de clasifican Pn: unimodo y multimodo (figura 3.4). Las fibras multimodo tienen núcleos de diámetro de 50 y 62.5 pm típicamente (figura 3.3), mientras que en las unimodo, el diámetro del núcleo es del orden de 8 a 10 pm (figura 3.4). Por otra parte, de acuerdo al perfil de índice de refracción, las fibras se pueden clasificar en: índice escdoiiado e índice gradual. En el primer tipo, el índice de refracción se mantiene constante en el núcleo mientras que, en el segundo tipo el índice de refracción es menor en las proximidades del revestimiento. De acuerdo a las dos clasificaciones anteriores, podemos identificar cuatro tipos de fibras Ópticos:
mdtimodo de Índice escalonado multjmodo de índice gradual &modo de índice escalonado Y unirnodo de índice gradual. : p p 1 1
:p 2 - p 6 d REMmylMlo n2
(4
- - 1 - ?ni
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(b) Figuia 3.2 Vihias C t p t i i cis: ( a ) t i i i i l t t t i t 4 o ( I>) ~ i i i i i ~ iodo
16
.
La propagación de luz en una fibra Óptica, se puede describir de dos formas: una de ellas es considerando la teoría de rayos; sin embargo, los conceptos de óptica geométrica no son suficientes cuando se consideran todos los tipos de fibras, especialmente la fibra óptica unimodo. La segunda forma de análisis de propagación se' conoce como teoría modal y se basa en el estudio de las ecuaciones de campo electromagnético.
Por medio de la teoría de rayos, se pueden determinar algunos de los parámetros funda- mentales asociados a la transmisión por fibra Óptica (ángulo de aceptancia, apertura numérica, etc.).
La descripción modal puede iniciarse analizando las ecuaciones de Maxwell. Estas ecua- ciones definen la relación entre los campos eléctrico y magnético, sus componentes en el espacio libre y en el medio de propagación. Las relaciones de Maxwell son la. base para obtener la ecuación de onda que describe los vectores de campo eléctrico y magnético de una onda que se propaga en un medio.
Para el análisis de las ecuaciones de Maxwell en una fibra óptica se toman en cuenta las condiciones de frontera entre los materiales dieléctdcos formados por el núcleo y el reves- timiento, ademis se considera un medio de propagación isotrópico y libre de cargas y corrientes.
A cualquier distribución de campo electromagnético que satisfaga las ecuaciones de Maxwell y las condiciones de frontera se le llama modo. El patrón de campo de un modo depende de la diferencia de índices de refracción, longitud de onda y de la estructura de la guía de 0nd.a. De acuerdo a la componente de campo guiado, los modos pueden clasificarse en modos transversal eléctrico (TE) y transversal magnético (TM). Se le llama modo TE a la onda electromagnética que se propaga en una guía y cuyo vector de campo eléctrico es perpendicular a la dirección de propagación; por el contrario, cuando en el modo guiado el vector de campo magnético es perpendicular a la dirección de propagación se le conoce como modo TM. Cuando los modos poseen componentes de campo eléctrico y magnético en la dirección de propagación se les conoce como hibrídos (HE ó EH) (11.
Debido a que la solución exacta de las ecuaciones de Maxwell es complicada, se puede llevar a cabo una solución aproximada de estas ecuaciones en una forma más simple; tal solución se conoce como <'aproximación de guiamiento débil". Con esta .aproximación se considera el hecho de que en la práctica ni - n2 < nl, y a las soluciones obtenidas se les conoce como modos linealmente polarizados ó LPv, en dode 1.7 y p definen los ceros del campo en direccióii aziiriiil.al y radial respectivamente. En relación a los niodos obteiiidos de la soliición exa.cl.a,: los mI id t>s LP correspoiiden a la superposición de los modos HE,,, y Eif"-,.
I t I La forma escalar que se obtiene con la aproxiinación de guiamiento débil está dada pu r 121. I
(3.1)
en donde
- - . $: representa las componentes de E y H . A: es la longitud de onda. k: es el número de onda en el espacio libre. n ( ~ ) : es la variación radial del índice de refracción. p: es la constante de propagación del modo. T , d: son las coordenadas cilindrícas.
La constante de propagación B está limitada por un lado por n2k ya que cuando p 2 nlk se presenta la condición de corte, y por otro lado p I nlk; por lo tanto, los límites de p están dados por
nlk I P I n d (3.2)
Ya que en fibra unimodo el único modo que se propaga es el modo fundamental LPO,, la ecuación, para el campo eléctrico E se reduce a
d a E 1 d E - + -- + [nZ(r)k - p7E = o dr' T dr (3.3)
Cuando el índice de refracción del núcleo n1 es constante (fibra de índice escalonado), la solución de la ecuación 3.3 es una función de Bessel. De la misma forma, cuando T + 03 el campo se desvanece en el revestimiento y la solución de la ecuación es una función de Bessel modificada (función de Hankel). Para el modo fundamental LPoi polarizado en la dirección z o y el campo es:
para R < 1 (núcleo) E(?) = AJo(UR)
donde
I
R : es la coordenada radial normalizada A : es el coeficiente de amplitud.
! 20
U,W : son los eigenvalores en el núcleo y revestimiento.
Los valores de U y W estan definidos por las relaciones
11' = az(n:k' - P')W' = a'(,ü' - nik')
Estos eigenvalores se relacionan p,or medio de la ecuación:
En donde a V se le conoce como frecuencia normalizada, su valor corresponde a una cantidad adimensional que está asociada al número de modos que pueden propagarse. En relación con estos psrámetros, la constante de propagación normalizada b está definida como
U' b = [ (p /k) ' - n:]/Zn:A = 1 - - V'
donde
(3.9)
debido a que para un modo guiado los límites de ,ü son nzk y nlk, el valor de b está entre O y 1. La expresiones de campo en la ecuación 3.5 son normalizadas a fin de tener el mismo valor de T = a. Las componentes de campo eléctrico tangencia1 deben ser continuas en este punto, lo cual nos conduce a la siguiente ecuación de eigenvalor para el modo LP01
(3.10)
Las ecuaciones de frontera de las componentes de campo magnético satisfacen esta condición debido a la aproximación de guiamiento. Resolviendo las ecuaciones 3.6 y 3.10 el eigenvalor 11 y ,ü pueden calcularse como una función de la frecuencia normalizada V . Por lo tanto, la dependencia de las características de propagación del modo en la longitud de onda y los demás párámetros: a, n1 y A pueden determinarse.
3.1.1 Condición de corte.
La frecuencia de corte efi un parametro importante para un modo que se propaga a través de una guía. Se dice que un modo está en corte cua.ndo s u campo en el revestimiento deja de ser evanescente y es separado de la guía; la frecuencia a la cual sucede esto se le conoce como frecuencia de corte.
21
I
Cuando p = nzk la velocidaa de fase del modo es igual a la',velocidad de la luz en el revestimiento y el modo no es guiado, el modo se encuentra en corte y el eigenvalor W = 0 (ecuación 3.6). Cuando p aumenta, la potencia transportada en el revestimiento disminuye para p = nlk toda la potencia es confinada al núcleo. La propagación de un modo únito está determinada por la longitud de onda a la cual la constante de propagación del segundo modo LP1, es igual a nlk. Para una fibra de índice escalonado, la condición de corte ,del modo de más bajo orden (LP01) ocurre cuando a = O; para el modo LP11 el límite está dado por
i
Jo( K) = 0 (3.11)
V. es el valor de corte de V y es igual a 2.405 para este modo (figura 3.5).
I i . O r . , , , , , , 1
V
Figura 3.5: Constante de propagación normalizada en función del número V para los modos de orden más bajo. I
El modo fundamental no 'tiene corte, de aquí que la operación unimodo es posible para
(3.12) O 5 V 5 2.405
En la práctica, la longitud de ondl de corte depende también de la longitud y curvatura, de la
~
fibra. I
I I !
~
- 1
1
22 !
3.1.2 Radio de campo modal.
El radio de campo modal (RCM) es un parámetro de gran utilidad en la caracterización de fibras ópticas. Por medio de este parámetro se pueden predecir las pérdidas en uniones, mi- crocurvaturas y dobleces [3].
Uno de los factores que influye en forma determinante en el RCM es la apertura numérica (NA). Cuando la N A es grande, el efecto de guiamíento aumenta y la mayor parte de la potencia en el modo fundamental se confina al núcleo reduciendo así el RCM 12).
I
Existen varias definiciones en torno al RCM, entre las m88 utilizadas son:
1.Definición del RCM Gaussiano. En 1978 Marcuse demostró que el campo de una fibra monomodo de índice escalonado puede aproximarse por un modelo Gaussiano (figura 3.6) dado por 14)
(3.13) r
u s $(TI = &ezp - (-)'
en donde
$( r ) : es la amplitud del campo eléctrico o magnético. &(r) : es la amplitud aproximada a una distribución Gaussiana. u#: es el radio de campo modal.
2. D- En 1976 Petermann definió un RFM basado en la razón de momentos de la intensidad de campo cercano 151.
L
que puede relacionarse a las pérdidas por microcurvaturas.
3.- Una segunda definición de Petermann está dada por (61
(3.14)
(3.15)
I donde q es la variable de campo lejano, la relación 3.15 puede asociarse directamente a las pérdidas ocasionadas por pequeños desplazamientos laterales en las interfaces de la fibra, así como la dispersión de la guía de onda (71.
23
La aproximación Gaussiana no es aplicable a fibras de dispersión corrida o aplanada ya que su distribución de campo no se aproxima a la Gaussiana en ninguna longitud de onda.
Figura 3.6: Distribución de amplitud de campo del modo fundamental en una fibra unimodo de índice escalonado y su aproximación Gaussiana. V = 2.1, el radio del núcleo a = 2.Opm y wg es el radio de campo modal.
3.1.3 Indice escalonado equivalente.
La determinación exacta de las características de propagación para fibras unimodo con un perñl de refracción gradual, como el que se obtiene en la práctica, es difícil de obtener; por lo cual, resulta más conveniente utilizar métodos de aproximación. Uno de ellos es el método de índice escalonado equivalente.
Debido a que los patrones de campo para fibras unimodo son muy similares, es posible representar cualquier fibra por una fibra de índice escalonado equivalente (IEE) mediante la transformación adecuada de sus parámetros básicos [E].
Con la obtención de los parámetros IEE y RCM es posible predecir características tales como: pérdidas por empalmes, curvaturas, microcurvaturas y dispersión de guía de onda. Los parámetros: radio equivalente del núcleo y diferencia equivalente de índices pueden obtenerse del perfil de índice de refraccióii (1 del RCM.
24
AI igual que para la medición del RCM, existen varias técnicas para el IEE, cada una de ellas proporciona diferentes parámetros. Por otra parte, la exactitud de estos parámetros no siempre resulta muy buena, especialmente cuando se trata de predecir la dispersión de guía de onda; en estos casos se recurre a otros modelos de caracterizacción [i’].
En la figura 3.7 se muestra el perfil de índice-obtenido para una fibra unimodo fabricada con el proceso de Deposición de Vapor Químico Modificado (MCVD) y un perñl escalonado equivalente; a. es el radio equivalente del núcleo y h. es la diferencia eqivalente de índices.
DIFERENCIA DE INDICES DE RE FRACCION
Figura 3.7: Perñl de índice para una fibra unimodo. La iínea sóiida representa d real y la punteada el escalonado equivalente.
3.1.4 Dispersión.
El fenómeno de dispersión se debe a la dependencia entre los parámetros de propagación de una onda electromagnética Y la frecuencia o la longitud de onda. En una fibra óptica, la dispersión total es el efecto que resulta de la dispersión del material, dispersión de la guía de onda y la dispersión intermodal. Para el caso de fibra uiiimodo, la dispersión total TO, está dada por la dispersión del material iCi, y la dispersión de guía de onda WD (71:
25
(3.16)
donde 6X es el ancho espectral de la fuente óptica centrada en A.
La dispersión del material representa un problema importante para fibras unimodo; se origina cuando una onda que viaja a través de una fibra es distorsionada debido a que las diversas longitudes de onda experimentan distintos índices y toman diferentes velocidades de propagación en la fibra. En el extremo opuesto, las longitudes de onda arrivan a diferentes tiempos y causan el ensanchamiento del pulso.
Por otra parte, la dispersión de la guía de onda es el resultado de la dependencia de las velocidades de grupo y de fase sobre la longitud de onda como consecuencia de las propiedades geométricas de la guía. La dependencia está dada por la relación a/A donde a es el radio del núcleo y X la longitud de onda [9]. La gráfica de la figura 3.8 (a) muestra la variación de la dispersión del material y de la guía con respecto a la longitud de onda; se muestra también la suma de ambas dispersiones. Las unidades de la dispersión se dan frecuentemente en ps/(nm . km).
3.1.5
Con la primera generación de fibras unimodo, los sistemas de comunicaciones (terrestres y marítimos) han estado operando con características de bajas pérdidas (z 0.5dB) y dispersión cero en la longitud de onda cercana a 1.3pm debido a que la dispersión del material y de la guía de onda se anulan cerca de esta longitud de onda (figura 3.8 (a)).
Fibras Ópticas de dispersión modificada.
Considerando que las fibras de sílice presentan mínimas pérdidas por dispersión intrínseca en la región de 1.5 a 1.6pm se han utilizado nuevas estrategias para optimizar las características de transmisión de la fibra unimodo. Esto se logra desplazando la región de baja dispersión a la región de bajas pérdidas (fibras de dispersión corrida) o logrando que la dispersión sea mínima en un intervalo de longitudes de onda, por ejemplo de 1.3 a 1.6 pm (fibras de dispersión plana).
Las fibras de dispersión corrida (figura 3.8 (b)) son diseñadas con un perfil escalonado de núcleo muy pequeño o con un perfil triangular (figura 3.9). El perfil de índice triangular hasta ahora ha sido e1 más exitoso, posee buenas propiedades en caso de curvaturas además de que las pérdidas adicionadas al cablear son despreciables [io]. En nuestro país, la companía Teléfonos de México utilizará este tipo de fibra para la construcción de una red de larga distancia de 13,500 kin de longitud (1993) [ill.
2G
1 8 1
t a m + W D D
Figura 3.8: Dispersión del material (MD), guía de onda (Wo) y total (2’) y la distribución de potencia para dos longiudes de onda Xi y X? para una fibra unimodo: (a) convencional, (b) de dispersión corrida y (c) de dispersión plana.
Con estas formas de perfil se logra que gran parte de la luz guiada sea transmitida a la región exterior del núcleo lográndose aumentar la dispersión de guía de onda.
27
PERFL SffiGMENTADO b) NUCLEO TRiANGULAR
PERFIL w DOBLE ESCáu)N EN EL RECUBRIMIENTO ( b)
(3
Figura 3.9: Estructuras de perfil para fibra Óptica: (a) dispersión corrida, (b) y (c) dispersión plana.
La fibra de dispersión plana (figura 3.8 (c)) presenta valores mínimos en un amplio intervalo de longitudes de onda. En la región cercana a 1.3pm presenta Ian mismas características que la fibra unimodo típica pero al aumentar la longitud de onda, se incrementa la dispersión en la guía debido a que la luz es guiada a través de los anillos de índice de depresión alrededor del núcleo. El resultado es una compensación de dispersión producida por el diseño del perfil de índice. Uno de los perfiles más conocidos en este tipo de fibras es el llamado perfil "W". Los valores de dispersión total obtenidos con esta nueva técnica son de 2 ps/(nm . km) en la región de 1.28 a 1.65 pm, con atenuaciones de 0.4 db a 1.55 pm (121.
Una desventaja que se presenta con fibras de múltiples segmentos es que una fracción considerable de potencia se transmite al revestimiento; por lo tanto las pérdidas por curvaturas aumentan al cabiear la fibra y al enrrollar el cable en carretes.
Utilizando fibras Ópticas de dispersión corrida ha sido posible transmitir a velocidades mayores a 2 Gb/s e incrementar la distancia entre repetidores hasta más de 100 km. Sin duda una de las aplicaciones más importantes de estos sistemas serán los enlaces submari- nos transoceánicos llamados de segunda y tercera generación que utilizan fibras ¿e dispersión modificada y operan en Is longitud de 1.55 hrn [13].
28
3.2 Atenuación.
Uno de los parámetros más importantes a considerar en el diseño de un sistema de comunica- ciones en general es la atenuación. En un sistema de fibra óptica, la atenuación es causada por las propiedades intrínsecas del material y por las propiedades de la guía de onda [14]. A su vez, la atenuación debida al material puede ser originada por: absorción y dispersión de Rayleigh.
La presencia de agua en forma de iones OH- produce absorción en la longitud de onda de 2.73 pm con sobretonos y combinaciones a 0.95, 1.24 y 1.390 pm. Por ejemplo, para una concentración de 1 ppm, las atenuaciones serán de 1, 3 y 40 dB/km respectivamente; por lo cual es necesario mantener la concentración de iones OH- a niveles menores a 0.1 ppm (141. En la figura 3.10 se muestran las curvas de atenuación para los diferentes mecanismos de pérdidas así como la atenuación total resultante para una fibra en función de la longitud de onda.
Figura 3.10: Atenuación espectral para una fibra Óptica.
El fenómeno de dispersión de Rayleigh se debe a inhomogeneidades microscópicas del material. La potencia radiada dispersada es función de la longitud de onda y está dada por la relación i/A4.
Otras pérdidas de radiación son ocasionadas por la guía y se deben a curvaturas de los ejes de la fibra y microcurvaturas generadas por pequeñas desviaciones en el eje de la fibra.
29
3.3 Métodos de fabricación.
El proceso de fabricación del cable óptico consta de varias etapas, sin embargo, una etapa común es la fabricación de la preforma. La preforma es una varilla o tubo de cuarzo (&Oz) de alta pureza de aproximadamente i m de largo (151 que contiene la estructura núcleo-revestimiento. Una vez fabricada, la preforma es calentada intensamente en uno de sus extremos por alguno de los métodos existentes para después ser estirada y obtener de esta forma la fibra óptica.
De la calidad de las técnicas de fabricación depende que la fibra tenga excelentes caracte- rísticas mecánicas, ópticas y geométricas.
Los primeros métodos en utilizarse fueron el del Doble Crisol y el método de Deposición de Vapor Exterior (OVD) desarrollado por la compañía Corning Glass Works, más tarde se desarrollaron otros métodos como el de Deposición Axial de Vapor (VAD), el de Deposición de Vapor Químico (CVD) y el CVD modificado (MCVD) que es uno de los más utilizados actualmente.
3.4 Conectores y empalmes.
La conexión física entre 10s dispositivos optoelectrónicos y la fibra o entre la misma fibra se logra mediante conectores y empalmes. Ambos tienen como función acoplar en forma eficiente y de una manera fácil la potencia óptica de un extremo a otro; así como también reducir al máximo las pérdidas en la unión, La diferencia radica en el tipo de conexión que se logra con cada uno de ellos. De esta forma, con un empalme se logra una unión permanente mientras que, con un conector la unión puede separarse.
Existen algunos mecanismos que afectan la función tanto de conectores como de empalmes. Las pérdidas que pueden afectar las interconexiones se clasifican en pérdidas intrínsecas y extrínsecas. Las pérdidas extrínsecas pueden ser controladas, lo cual no sucede fácilmente con las del tipo intnnsecas [16]. En fibra unimodo, las pérdidas intrínsecas producen la mayor parte de la atenuación debido al pequeño diámetro del núcleo.
Algunas causas que originan pérdidas extrínsecas son:
rn separación excesiva entre las terminales del conector
e terminación inadecuada y falta de limpieza en las terminales de la fibra
e desalineamiento lateral de los núcleos debido al tamaño inapropiado del conector
e desalineamiento angular en los núcleos de la fibra.
30
Las pérdidas intrínsecas pueden ser causadas por:
o desalineamiento lateral debido a errores .de concentriudad
o variación de los diámetroe
Las gráficas de la figura 3.11 muestran la dependencia de las pérdidas en conectores y . empalmes como función de: (a) la relación entre los radios de campo modal de las fibras ( w 2 / w l ) , (b) de la distancia de separación entre las terminales de la fibra (Se) y (c) en función del desalineamiento lateral y axial (O) para tres diferencias de índices de refracción. En este último caso, el desalineamiento lateral y axial se da para pérdidas en uniones de 0.2, 0.5 y 1 dB . , a(@
' t !-
""I E<,\ 0.2
3.4.1 Conectores.
Un conector de fibra Óptica es un dispositivo que permite de una manera fáeil el acoplamiento eficiente de potencia Óptica de fibra a fibra, de un dispositivo óptico a la fibra o viceversa.
Resulta más difícil obtener bajas pérdidas en conectores que en empalmes y ésto se debe a que el conector debe mantener tolerancias similares a las de un empalme pero en unión no permanente. Algunas características que se recomiendan tener en cuenta para la selección apropiada de un conector son las siguientes:
e facilidad de instalación
e bajas pérdidas por inserción
e costo económico
La instalación del conector al I C Z pue' realizarse por dos técnicas: en una de ellas a fibra se inserta en un montaje para fijarla; la otra técnica consiste en utilizar una resina epóxica para la fijación. La ventaja que Be obtiene al utilizar la primer técnica es que el conector puede reutilizarse.
Para los sitemas de fibra unimodal, los conectores más comunes son: SMA, ST, FC, PC, D3/D4 y Bicónico (figura 3.12). A excepción del SMA, la construcción de conectores no está sujeta a ninguna norma de estandarización. A continuación se describen algunas características de estos tipos de conectores.
1. m: El conector SMA (Sub-miniatura A) para fibra óptica es el más utilizado y el único realmente estandarizado (norma MIL estándar 1863A y MIL-C83522 1A/2A). Esta especificación define algunas csractedsticas tales como: longitud de la férrula, diámetro, rosca de acoplamiento, etc. Se encuentra disponible en dos versiones: 905 y 906 siendo esta Última la adecuada para fibra unimodo. La pérdidas promedio por inserción son de 1 dB [17].
2. D: La configuración de este conector es muy parecida a la del SMA, algunas de las características más notables en su diseño son: férrula accionada con resortes, tuerca de acoplamiento no roscada (tipo bayoneta), el conector incorpora un diseño de candado que permite posicionarlo correctamente, el hecho de que sea un conector de contacto total elimina la posibilidad de que exista alguna capa de aire entre las terminales de la fibra reduciendo de esta forma las reflexiones de Fresnel en la interfaz aire-vidrio. Las pérdidas promedio que se obtienen por inserción son de 0.25 dB en promedio 1171. Algunas aplica- ciones para este conector se encuentran en l'as redes de área local, transmisiones con láser
32
-- -
de alta potencia, sistemas militares y telefonís. . .
3. El diseno del conector incorpora una férrha con extremo piano, lo cual mantiene el contacto total cara s cara ,del conector, por lo cual se.le conoce como "contacto de cara" (face contact), #e incorpora además una férrula de cerÉmica recubierta de acero inoxidable y accionada con resorte. El tipo de contacto lo hace apropiado para sistemas de transmisión a alta velocidad. Las pérdidas promedio por inserción para este conector son de 1 dB [17].
Figura 3.12: Tipos de conectores para fibra unimodo.
4. Ec: Una modificación del conector FC da lugar a esta versión, cuya característica princi- pal es una férrula con terminación de punta. Esta terminación es la que realiza el contacto de aquí el nombre de "contacto puntual" (point contact). El contacto puntual presenta la ventaja de obtener bajas reflexiones de Fresnel (menores a las que se obtienen por contacto de cara) con pérdidas promedio de inserción de 0.5 dB [16]. Otra particularidad de este conector es que su llave antirrotación puede ajustarse y accionarse con un cerrojo a una de las seis posiciones y así, de esta forma obtener un alineamiento más cercano de los ejes de la fibra.
5. D3/D4: El conector D3/D4 es similar en construcción y compatible con el conector tipo FC. Las características del D3 son bajas perdidas, desempeño reproducible y es apropia- do para usarse en sistemas unimodo de alta velocidad. La unidad también presenta el
~
33
diseño de llave. El tipo D4 está ganando popularidad rápidamente en redes de área local y también ne utiliza frecuentemente en aplicaciones de telecomunicación. La simplicidad de su diseño permite facilidad en su instalación y no se requiere de férrulas de compresión. La sene D3/D4 exhibe pérdidas de inserción típicas de 0.7 dB para fibra unimodo. Se cuenta además con una versión construida en plástico, con la cual se obtienen pérdidas típicas de 1 dB [16].
6. Bicónico: Las pérdidas por inserción que ne obtienen son de 0.5 dB en promedio [is]. El diseño se basa en la unión de dos férrulas cónicas en un adaptador para lograr bajas pérdidas. Se requieren tolerancias muy próximas en ai adapatador. Aunque la instalación de este conector es bastante simple, rara vez es utilizado en aplicaciones diferentes a telefonía debido al costo, tamaño y equipo de instalación del conector.
3.4.2 Empalmes.
En un sistema de comunicación es necesario que la técnica de empalmado a utilizar sea confiable y que presente mínimas pérdidas de potencia en la unión, sobre todo si se trata de un enlace de larga distancia ya que este parámetro determina en parte el número de repetidores a utilizar. Además de estas caractensticas, es preferible que la técnica sea de fácil ejecución y que el empalme se realize en un tiempo corto. Estas necesidades han propiciado el desarrollo de máquinas empalmadoras automáticas o semi-automáticas que emplean la técnica de fusión que es actualmente la más utilizada para este propósito.
Otra forma de llevar a cabo la unión de dos fibras es empleando la técnica de empalmado mecánico. Aunque esta técnica no es tan utilizada como la anterior, ambas constituyen una forma segura y eficaz de realizar el empalmado de dos fibrw
Como se mencionó al inicio de esta sección, el desalineamiento de los núcleos constituye la causa principal de pérdidas en el empalme (figura 3.11); de aquí que, el proceso de alineación se debe efectuar eficientemente. Una de las técnicas que se utiliza para este propósito es un sistema de inyección local de luz y detección (ILD) que permite el posicionamiento Óptimo de los núcleos de las fibras (figura 3.13).
La técnica ILD se basa en el acoplamieiito por campo evanescente el cual se produce cuando e1 radio de curvatura de una fibra es suficientemente pequeño como para dirigir la mayor parte de la luz guiada en el núcleo al revestimiento. La inyección de luz se hace por medio de un LED. Para lograr el pequeño radio de curvatura, la fibra se coloca alrededor de un pequeño “mandril”. De1 otro lado del punto a unir, la luz es detectada por un fotodiodo y un medidor de corriente. Un mal alineamiento de los núcleos indicará una variación en el instrumento de medición.
34
A continuación se describen algunas de las características más importantes de los métodos de empalmado por fusión y mecánico.
Figura 3.13: Sistema de inyección local y detección.
a) Empalme por fusión. Esta técnica consiste en aplicar suficiente calor en los extremos de las fibras hasta fundir el material y poder unir de esta manera las terminales hasta formar una sola fibra. Para obtener las óptimas características durante la unión, se han diseñado varias máquinas empalmadoras que en forma casi automática realizan el empalme de dos fibras con pérdidas en la unión de 0.05 dB ó inclusive menos [18]; una de estas máquinas se muestra en la figura 3.14 .
\ P W
m
Figiira 3.14: Equipo cmpdmador de fusiÓii
35
La máquina localiza los centros de los núcleos y los alinea en los tres ejes. AIgunos equipos empalmadores integran un sistema ILD y la alineación de los núcleos se puede observar por medio de una pequeña pantalla; después de la alineación, se aplica un arco eléctrico de fusión por un tiempo considerable que permite obtener, además de bajas pérdidas una resistencia mecánica muy alta en el punto de unión. Otra característica de estos aparatos es que, en algunos de ellos se incorpora un instrumento de corte para la fibra por lo cual, es posible obtener ángulos de inclinación del eje de io ó menori. Este instrumento es importante ya que es esencial para obtener bajas pérdidas.
El fácil funcionamiento de estas máquinas hace posible que puedan ser manejadas por casi cualquier persona. Cuando se tiene práctica en este proceso se puede llevar a cabo un empalme en un tiempo de 4 a 6 minutos incluyendo el tiempo de preparación de la fibra [E].
En empalmes por fusión y bajo condiciones de carga mecánica en el cable, las rupturas en la fibra ocurren más frecuentemente cerca del punto de empalme; se ha demostrado que cuando el tiempo de calentamiento se incrementa de 3 a 20 segundos, la resistencia mecánica se reduce en un 50% y que la zona crítica donde se originan la mayor parte de las rupturas corresponde a la zona que es calentada de 700 a 150OoC durante la fusión [14].
Además de máquinas empalmadoras simples se han diseñado también máquinas empd- madoras múltiples para cables que contienen un gran número de fibras. Estas máquinas rea- lizan las funciones de preparación y unión del cable en forma simultánea reduciendo hasta en una cuarta parte el tiempo normalmente utilizado con un equipo empalmador simple [is]. b) Empalme mecánico. En la figura (3.15) se muestra un diseño para llevar a cabo un empalme mecánico para fibra ., unimodo y multimodo. Las fibras son alineadas en una ranura de precisión y sujetas después en sus terminales por una cubierta de plástico, finalmente se colocan las abrazaderas y se sitúan hacia el centro del conector hasta que topen para obtener un mejor alineamiento en las fi- bras. Entre otras características de este diseño podemos decir que es de fácil ejecución (no se requiere de herramientas especiales, Únicamente de una cortadora de precisión), se obtienen uniones confiables, bajas pérdidas por inserción (0.2 dB), puede desmontarse fácilmente y reu- tilizarse cualquier número de veces.
36
CUBIERTA DE M I C O
Figura 3.15: Empalme mecánico.
3.5 Cables.
El diseño de un cable de fibra óptica difiere del diseño de un cable metálico en dos aspectos principalmente Izo]:
o las propiedades físicas de laa fibras son más restringidas que las de los metales
o las características de transmisión de una fibra pueden alterarse por las operaciones de cableado debido a curvaturas y microcurvaturas.
Para llevar a cabo el diseño, es necesario considerar ante todo el tipo de aplicación a que se destinará e1 cable (áereo, subterráneo ó submarino); es conveniente también tomar en cuenta algunos criterios de diseño tales como:
a) Protección física: la estructura del cable debe proteger la fibra de daños que pudieran causarse durante la fabricación, iiistalación y uso. Es necesario además proveer al cable de miembros de refuerzo para evitar exceder el esfuerzo de tensión de las fibras.
37
-- . - -.. . .. -
b) Mantenimiento de las propiedades de transmisión: uno de los objetivos del diseño es man- tener inalterable la atenuación de la fibra ya que las caractensticas de transmisión pueden afectarse por este parámetro. Uno de los factores que más contribuyen a esta causa son las microcurvaturas. Los efectos dr las microcurvaturas pueden prevenirse en parte, cubriendo el cable con capas protectoras (cubiertas, tubos, cintas, etc.).
c) Cantidad de fibras: conforme el número de fibras en un cable aumenta se presentan proble- mas al organizarlas y “empaquetarlas” en el cable y al realizar el empalmado.
En la figura 3.16 ne muestran algunos diseños típicos de cables y su composición. En el capítulo 4 se describen y se analizan en más detalle los diseños de cable óptico áereo, más importantes para comunicaciones entre subestaciones eléctricas por líneas de alta tensión.
CUBIERTA DE PPuETILDüI
w
Figura 3.16: Cables de fibra óptica: (a) tubo holgado, (b) núcleo segmeiitado y (c) cable de cinta.
38
--
3.6 Láser de semiconductor.
La fuente óptica es considerada como uno de los componentes activos principales en un sistema de comunicación por fibra óptica. SU función es transformar en forma eficiente la energía eléctrica a energía Óptica (luz) e inyectarla dentro de la fibra. El fotoemisor utilizado para fibra unimodo es el diodo láser (LD).
El funcionamiento de un LD comprende tres procesos: absorción, emisión espontánea y emisión estimulada. La emisión estimulada se produce por la recombinación de portadores de carga en la banda de conducción y logra incrementarse mediante el aumento de la densidad óptica. El aumento de la densidad óptica se obtiene introduciendo un resonador óptico cons- tituido por dos espejos planos y paralelos; formándose de esta manera una cavidad llamada interferómetro Fabry-Perot.
Uno de los espejos me hace totalmente reflejante y el otro sólo parcialmente. A través de este último se obtiene la salida de potencia Óptica. En la figura 3.17 se muestra la composición de un láser.
Figura 3.17: Diagrama esquemático de un láser.
La luz emitida tiene un patrón de radiación angosto, lo que facilita el acoplamiento de potencia óptica dentro de la fibra. Debido a su patrón de emisión de radiación coherente, el LD puede acoplar hasta pocos mW de luz dentro de la fibra.
Para reducir las densidades de corriente y mantener el efecto láser en operación continua a temperatura ambiente, se diseiía una unión semiconductors p-n de varias capas (heterounión o heteroestructura). El objetivo de formar heterouniones es el de confinar la luz. En la tabla 3.1 se presentan algunos tipos de diodos y sus características (211.
39
Para comunicaciones a larga distancia (como en el caso de comunicaciones submarinas) los tipos de láser más adecuados para la longitud de 1.55 pna son: Fabry Pemt (FP), Cavidad Externa (EC), Retroalimentación Distribuida (DFB) y Cavidad Acoplada Seccionada (C3). En la figura 3.18 se muestra la estructura de estos tipos de láser y BU salida espectral.
Tabla 3.1: Características de algunos tipos de láser.
>+- A I" $' -&
8 1"
.h
Figura 3.18: Configuración y salida espectral de 4 t.ipos de láser. (a) Fabry Perot, (b) Cavidad externa, (c) Retroalimentación distribuida y (d) Cavidad acoplada seccionada.
40
3.7 Fotodetectores.
Características Longitud de onda ( p m ) Eficiencia cuántica (%) Tiempo de elevación (ns) Voltaje de polarización (V) Responsitividad (A/W) Ganancia avalancha
Los dispositivos optoelectrónicos utilizados en los sistemas de fibra óptica son: el fotodiodo PIN y el fotodiodo de avaiancha (APD). La operación del fotodiodo se ileva a cabo cuando la unión p-n polarizada inversamente absorbe luz y produce pares electrón-hueco que a su vez generan la corriente eléctrica. Algunos requerimientos que deben satisfacer los fotodetectorea son:
PIN PIN Ge InP
0.5-1.8 1.0-1.6 50 70 0.3 0.1 6 10
0.7 0.4 1 1
Alta sensitividad de conversión opto-electrónica en el intervalo de longitudes de onda de emisión de la fuente.
Mínima adición de ruido.
Alta velocidad de respuesta.
Baja suceptibiiidad a variaciones de temperatura.
Alta confiabilidad y mínimo costo.
Los fotodiodos basados en germanio e InGaAsP son los apropiados para lograr estos re- querimientos en las longitudes de onda de 1.3 a 1.6 pm [22]. En la tabla 3.2 se presentan algunas de las características más notables de estos dispositivos (231.
0.6 80-150
Tabla 3.2: Características de fotodiodos PIN y APD.
3.8 Circuitos de excitación y control de láser.
E1 transmisor óptico tiene como función transformar la send eléctrica recibida a pulsos lumi- nosos, los cuales transmite a través de la fibra. A diferencia del LED, el láser presenta un umbral debajo del cual la salida Óptica de un láser
41
se comporta como la de un LED. La potencia Óptica puede variar por cambios en la tempera- tura y envejecimiento del LD. Es necesario por lo tanto, integrar un control para estabilizar la potencia de salida.
Existen varios métodos para controlar ia salida de potencia Óptica de un LD. Uno de estos métodos se basa en el control de la corriente de excitación y la corriente de polarización en forma independiente [22].
La potencia óptica del fotodiodo pana al amplificador A2 (figura 3.19) y en la etapa si- guiente es detectado su valor pico. Las señales pico coresponden a la potencia de salida mínima y máxima; la diferencia es comparada en A3 con una tensión de excitación de referencia, de ésta forma se controla la comente de salida de A4 y por consiguiente ia corriente de excitación del LD.
De la misma forma, A l detecta el valor medio de la potencia de salida del LD. La diferencia de esta seiíal y ei valor dnimo de la potencia de salida en A5 se comparan en A6 con una tensión de polarización de referencia y se genera una corriente que controla la corriente de polarización del LD.
I h I 1 l -A-
& I
Figura 3.19: Circuito de control por retroalimentación para un LD.
3.9 Circuitos de recepción 6ptica.
E1 circuito de rrcepción se encarga de reproducir en íorma eficiente la señal óptica. En la figura 3.20 se muestra un diagrama a bloques del receptor óptico así como también los subsistemas
42
que lo forman.
Básicamente, las funciones que realiza cada subsistema son Ian siguientes:
0 Detector óptico: efectúa la conversión de potencia óptica a eléctrica.
0 Preamplificador: recibe la corriente generada por el fotodetector y entrega una tensión proporcional con el menor ruido posible para obtener una relación señal a ruido deseada.
0 Amplificador: provee una amplificación adicional de la señal generada por el preampiifi- cador, proporcionando un nivel de señal adecuado para les etapas posteriores.
o Ecualizador: regenera la forma de onda de la señal causada por la distorsión en las etapas precedentes y proporciona una forma adecuada para el filtro.
o Filtro: mejora la relación señal a ruido reduciendo el ancho de banda al mínimo aceptable y provee una respuesta adecuada para minimizar la interferencia entre símbolos.
Figura 3.20: Diagrama a bloques del receptor Óptico.
Uno de los problemas principales en la etapa de recepción es el ruido. Les tondiciones de ruido que se presentan a la entrada del receptor determinan la eficiencia del sistema de comunicaciones. En los receptores ópticos existen varias fuentes de ruido asociadas con el proceso de detección y amplificación de la señal.
El valor para el ruido se expresa como un valor cuadrático medio, el ruido total para el receptor óptico < i: >se define por
< i: >=< i: > + < iz > + < i: > (3.17)
en donde
43
< id >: es el ruido por corriente de obscuridad. < i: >: es el ruido cuántico. < i: >: es el ruido térmico.
D E W
3.10 Descripción de un equipo terminal de línea Óptica.
Para la transmisión de la información, es necesario modular la portadora de información (haz de luz) utilizando una de las técnicas digitales de modulación: codificación de pulsos (PCM), posición de pulsos (PPM), ancho del pulso (PWM), etc. La técnica PCM es una de las más utilizadas para sistemas de telefonía debido a las ventajas que ofrece (la información se transmite en forma de unos y ceros, los cuales pueden ser regenerados fácilmente en el receptor; los niveles de ruido e interferencia son reducidos).
La transmisión por fibra óptica se lleva a cabo de la misma forma que los sistemas con- vencionales PCM. Los dispositivos ópticos se conectan al equipo terminal por medio de una interfaz. El sistema de transmisión consta de un equipo multicanalizador y codificador PCM y el equipo terminal de línea óptica.
En la figura 3.21 se muestra un diagrama a bloques de un sistema de transmisión. El equipo terminal se encarga de enrutar la señal digital por la fibra a la salida de cualquier equipo digital. Las funciones que realiza cada uno de los componentes se mencionan a continuación en forma general.
I I I
44
TRANSMISOR.
0 HDB3/BIN: realiza la conversión de código HDB3
0 Recuperador de reloj: recupera la señal de reloj a partir de 10s datos codificados en HDB3
a binario.
y proporciona la señal de eincroda de las etapas siguientes.
fin de evitar largas cadenas de unos y ceros. o Aleatorizador: proporciona una probabilidad de ocurrencia de unos y ceros constante a
0 Codificador: codifica la señal a la salida del aleatorizador en un código adecuado para transmitir por la fibra óptica y proporciona además un mecanismo para detección de errores.
o Fotoemisor: convierte la señal codificada a pulsos Ópticos.
RECEPTOR.
o Fotodetector: realiza ¡a conversión opto-electrónica.
o Circuito de decisión: regenera los datos entregados por el fotodetector con una probabi- lidad de error baja.
o Recuperador de reloj: su función es la misma que el recuperador de reloj del transmisor.
o Decodificador: recupera la señal original de transmisión, monitorea 10s errorea y genera la señal de alineamiento de la trama.
o Desaleatonzador: realiza la función inversa del aleatorizador.
o BIN/HDB3: efectúa la conversión de código binario a código HDB3.
3.11 Consideraciones de diseño para un sistema de co- municación digital por fibra óptica unirnodal.
En el diseño de un enlace de comunicación por fibra Óptica se involucra el cálculo del presupuesto de potencia óptica y el tiempo de ascenso del sistema. El presupuesto de potencia óptica comprende un balance entre laa pérdidas en los componentes y la ganancia de 10s dispositivos; mientras que, el tiempo de ascenso involucra la respuesta del sistema.
,
'High Density Bipolar 3: código bipolai de alta densidad con sustilución de 3 bits.
45
3.11.1 Presupuesto de potencia Óptica.
El cálculo del presupuesto de potencia determina el espaciamiento entre repetidores (la m v m a distancia de transmisión para un sistema dado). Es necesario, además adicionar un margen de seguridad al sistema dentro del cálculo el cual permitirá seguridad por degradación de componentes y otros problemas inesperados. El margen depende del grado de incertidumbre esperado en los cálculos y deben considerarse factores como: temperatura, degradación por envejecimiento, variación por atenuación de la fibra, responsitividad del detector, operación (generalmente especificado en 3 dB) y futuros trabajos de mantenimiento y reparación [24].
Para los sistemas que utilizan LD de inyección como emisor generalmente se requiere un margen de seguridad mayor que aquellos que usan una fuente LED; esto se debe a que las varia- ciones de temperatura en un láser tienen mayor dependencia en la degradación del dispositivo.
Considerando las pérdidas en: conectores, empalmen y fibra y la ganancia en: el fotoemisor y fotodetector; el balance de potencia del sistema de la figura 3.22 se expresa por
P, = P. - P& - PJ,, - P-p - P e e - M (3.18)
Pfo = a L
q+q y-JRECrPmRpP S U D A
Pcn Pr DETECTOR m c o
Figura 3.22: Pérdidas para un sistema por fibra óptica.
donde
P, : es la potencia de recepción (dB). P. : es la potencia emitida por el fotoemisor (dBm). Pet, : son pérdidas en el conector fotoemisor-fibra (dB).
46
Pro : son pérdidas en la fibra (db/km). Pemp : son pérdidas por empalme (dB). P,. : son pérdidas en el conector fibra-fotodetector (dB). M : es el margen de seguridad (dB). a : es el coeficiente de atenuación de la fibra (dB). L : es la longitud del enlace (km).
3.11.2 Tiempo de ascenso total.
El análisis del presupuesto de tiempo de aacenso es conveniente ya que determina la limitación de un enlace por dispersión y la limitación en el ancho de banda que resulta de la respuesta temporal de los componentes del sistema.
Los tiempos de ascenso y descenso se definen en términos de una respuesta Gaussiana como los tiempos que transcurren para que una señal ascienda o descienda de un 10 a un 90% y de un 90 a un 10% respectivamente de su magnitud.
El tiempo de ascenso total de un sistema es 10% mayor que la raíz cuadrada media de los tiempos de subida de sus componentes y se expresa por [25]
(3.19)
donde:
Ti. : es el tiempo de aacenso del fotoemisor (seg). Tt. : es el tiempo de ascenso de la fibra (seg). T,. : es el tiempo de ascenso del fotodetector (Beg).
El tiempo de ascenso de una fibra unimodal está determinado por el tiempo de ascenso que se origina de la dispersión cromática.
3.12 Polarización.
Generalmente se supone que las fibras unimodo popagan un solo modo a longitudes de onda operacionales, lo cual no es totalmente verdadero ya que, cualquier fibra unimodo estándar tiene dos modos de propagación muy similares, pero sus planos de polarización son ortogo- naies. El estado de polarización de la señal de entrada puede mantenerse sólo en pocos metros de la fibra y, para u n número de aplicaciones potenciales, se requiere mantener el estado de
47
polarización sobre distancias considerables; por io cud, se han desarrollado diferentes tipos de fibras que conservan la polarjzación (figura 3.23). El mantenimiento del estado de polarización en estas fibras se logra introduciendo asimetría axial dentro de su estructura. Los diferentes tipos de estructuras de las fibras que se desarrollan están dentro de las categorías siguientes [26]:
fibras de núcleo no simétrico axiaimente y
fibras de distribución-esfuerzo no simétrico axialmente
Figura 3.23: Sección transversal de fibras que mantienen la polarización.
La conservación del estado de polarización en una fibra unimodo se describe en términos de un fenómeno conocido como birrefringencia modal. En los modos de soporte bimodal HE?, y HEYI, los ejes principales z y 9 son determinados por los elementos de simetría de la sección transversal de la fibra. La fibra se comporta como un medio birrefringente debido a la diferencia en los índices refractivos efectivos. Los modos tienen diferentes constantes de propagación
Cuando la sección transversal de la fibra es independiente de la longitud de la fibra L en la dirección z , la birrefringencia modal BF para la fibra es dada por 1221
y & determinadas por la anisotropía de la sección transversal de la fibra.
(3.20)
donde X es la longitud de onda Óptica. La luz polarizada a io largo de uno de los ejes principales mantendrá la polarización en toda la longitud L.
48
La diferencia en las velocidades de fase origina que la fibra presente un retardo lined + ( z ) , el cual depende de la longitud de la fibra Z en la dirección z, asumiendo que la coherencia de fase de las dos componentes del modo se mantienen, el retardo lineal está dado por
(3.21)
La coherencia de fase de las dos componentes del modo se logra cuando el retardo entre los dos tiempos de tránsito es menor que el tiempo de coherencia de la fuente. Cuando la coherencia de fase se mantiene, la ecuación conduce a un estado de polarieación generalmente eiíptico pero que varía periódicamente a lo largo de la fibra. La longitud característica que corresponde a este proceso se conoce como longitud de batido y es dada por
sustituyendo BF de la ecuación obtenemos
Las fibras unimodo estándar tienen longitud de
(3.22)
(3.23)
batido de pocos centímetros, el efecto - puede observarse directamente como una serie de bandas ciaras y obscuras periódicas, las cuales corresponden a la longitud de batido. La birrefringencia modal puede determinarse a partir de estas observaciones de la longitud de batido.
La fibras que mantienen la polarización pueden diseñarse para alta y baja birrefringencia, lo cual puede lograrse reduciendo la longitud de batido a 1 mm Ó menos o incrementandola a 50 m Ó m b respectivamente.
3.13 Amplificadores Ópticos.
El amplificador de fibra Óptica basado en fibras unimodo contaminadas con eiemementos de las tierras raras (por ejemplo: iones de erbio) ha recibido gran atención ya que, debido a su larga longitud de interacción reduce los requerimientos de potencia de bombeo [27].
Los iones de erbio son mezclados dentro del sílice cuando la fibra es elaborada. La con- centración adecuada depende de la longitud deseada de fibra contaminada. Un amplificador “concentrado” incluirá pocas partes por millón de iones de erbio a través de varios metros de fibra. En cambio, un amplificador “distribuido” necesitará decenas de kilómetros y tendrá Únicamente pocas fracciones de partes por millón de erbio [28].
49
El principio de funcionamiento de un amplificador Óptico se basa en el bombeo de ius (por medio de un diodo láser semiconductor) a la sección contaminada de la fibra. Los iones de 108
niveles más externos de erbio son forzados a cambiar a un nivel de energía mayor (inversión de población) y después tienden a caer a un nivel menor; la energía liberada se emite en forma de luz, cuando estos iones son estimulados por otra señal de luz antes de caer (una señal igual en energía a la diferencia entre los estados de energía mayor y menor), emitirán una mayor cantidad de luz. En la figura 3.24 se muestra un arreglo de un amplificador de fibra contaminada con erbio. La sección contaminada se acopla a la fibra que transmite la señal y a la fibra &e contiene la luz de bombeo.
!
t
Figura 3.24: Diagrama de un amplificador óptico. ~
Se ha demostrado que el erbio puede excitarse por numerosas longitudes de onda de luz, hasta hora se ha experimentado con tres diferentes .y se ha comprobado que los diodos láser que operan en la región de 0.98 pn son 10s más eficientes, estos diodos pueden generar una ganancia de 10 dB por mW de potencia bombeada. Debido a que la ganancia de potencia óptica no puede aumentar indefinidamente, se considera que una ganancia de 40 dB producida por un láser de 50 mW resulta de 'las mejores; para lograr io anterior, se requiere de un láser ! InGaAs.
Actualment,e, se está experimentando con una variedad de elementos contarniiiadon en I fibras basadas en flúor a fin de encontrar el apropiado para las longitudes de 1.3 /un ya que, la mayona de los enlaces operan a 1.3 p m y los más recientes a 1.55 fim.
Las aplicaciones más potenciales para los amplificadores ópticos se inclinan hacia la trans- misión de televisión por cabie y a las redes de telecomunicación transoceánicas. Para el año, de 1996, la compañía de teleconiunica,ciones de larga distancia de Japón AT%?' y la. Kolcusa,i I ) r i i F l i i n Denaa planean construir una red submarina totalmciite óptica a 2.4 '.;h/s [2Pj.
I
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52
Capítulo 4
Aplicación de las fibras Ópticas en los sistemas eléctricos de potencia.
Introducción.
Para llevar a cabo la generación, transmisión y distribución de la energía, el sistema eléctrico requiere de la transmisión segura de señales de protección, voz y datos. Es muy importante proteger no solo las redes de suministro sino también las instalaciones; y ésto se logra colocando equipos de medición, los cuales registran continuamente los parámetros de in- terés y, en caso de alguna irregularidad envían señales de mando para activar los dispositivos de protección. La transmisión de estas señales debe hacerse en tiempos muy cortos y con gran seguridad. Con el propósito de lograr estas características, en los Últimos años las empresas eléctricas han utilizado los sistemas por fibra óptica.
De acuerdo a la distancia y capacidad requerida, los sistemas de fibra Óptica para el sector eléctrico pueden utilizarse para las comunicaciones en el interior de subestaciones y plantas O '
entre subestaciones. En este capítulo se describen ambas aplicaciones, proporcionándose una descripción más detallada del segundo tipo ya que es de gran importancia para el desarrollo de este trabajo.
4.1 Comunicación en el interior de subestaciones.
Dentro de este tipo se encuentran los enlaces instalados dentro de subestaciones eléctricas y j patios de subestaciones. Los enlaces son de corta longitud, en la mayoría de ellos la longitud máxima es de pocos kilómetros.
53
El hecho de que la fibra Óptica sea inmune a las interferencias electromagnéticas (debido a su naturaleza dieléctrica), ofrece la ventaja de utilizarla confiablemente en zonas como las subestaciones eléctricas en donde se generan grandes campos electromagnéticos.
En sí, los sistemas son diseñados para el control de las subestaciones y plantas generado- r ~ . Los formatos y procedimientos de transmisión que se utilizan deben tener la facilidad de acoplarse a un sistema de adquisición de datos o equipo de protección [l]. Las seiiales de datos se envían a un sistema basado en microprocesadores (SCADA), el cual utiliza esta información para propósitos de protección y control. Las distancias a comunicar son cortas y los sistemas funcionan generalmente con fibra multimodo y emisores LED.
Como se mencionó al inicio de este capítulo, los sistemas de transmisión por fibra óptica se utilizan no sólo para el envío de señales de voz, sino también para señales de medición y control. Para las funciones de medición y control, el medio de comunicación se utiliza para la transmisión de señales analógicas de un transductor a un centro de control, por ejemplo. Las señales analógicas son convertidas a digitales, multiplexadas y enviadas al centro de control donde uno o más microprocesadores utilizan la información para las funciones ya mencionadas. A continuación se mencionan algunas características de enlaces instalados dentro de subestaciones.
La Compañia Eléctrica de Tokio [2] utiliza un sistema de fibra Óptica para el envío de señales de medición y control al equipo de protección por relevadores basado en microprocesadores. La información que se transmite proviene de transformadores de voltaje, corriente e interruptores. El sistema tiene una longitud de 2 km, emplea un diodo LED, un detector PIN y fibra multimodo (índice escalonado) de 150 micras de diámetro con pérdidas de 10 dB/km a 0.84 pm. El cable contiene tres fibras, una de ellas se destina para señales de sincronización y las otras dos para la transmisión de señales de voltaje, corriente y estados del interruptor.
Otro ejemplo, corresponde a un enlace puesto en funcionamiento por una cornpañí’ajaponesa también [3]; la información se transmite por una sola fibra a 432 kb/s y después se divide y se envía a dos receptores acoplados a unidades diferentes. El procesamiento se hace por medio de un analizador de forma de onda. Para cada fase se ha introducido al sistema un relevador multifase y uno de sobrecorriente.
4.2 Comunicación entre subestaciones. r
Dentro de las aplicaciones al sector eléctrico, este tipo ha sido el más utilizado y en donde se han programado más enlaces para los próximos aiios. Las distancias a cubrir entre subestacioiies normalmente son de decenas a cientos de kilómetros y los canales de comunicación se asignan ’ principalmente a la transmisión de:
e voz (administración y operación)
54
datos
señales de protección
Aunque el propósito de utilizar un medio que permita cubrir grandes distancias de trans- misión entre repetidores es primordial para esta aplicación, no io es tanto el de disponer de gran capacidad y altas velocidades de transmisión como lo seda para una compada telefónica por ejemplo. Aún así, el medio resulta más práctico para comunicar subestaciones en zonm altamente pobladas, en las cuales se presentan problemas por los medios utilizados debido a: reducida disponibilidad del espectro de frecuencias (radio), obstrucciones por la construción de edificios muy altos (microondas), dependencia del sevicio de la compañía telefónica, etc. Como ejemplo de este tipo de aplicación, a continuación se mencionan algunos sistemas puestos en funcionamiento que utilizan fibra unimodo.
En Philadelphia E.U.A (1989) [4], se ha instalado un enlace que comunica dos subestaciones a través de una línea de 500 kV de aproximadamente 25 km de longitud. El cable (tipo interconstruido) contiene 24 fibras, 10 de las cuales están en uso y el resto se planea utilizarlas para comunicaciones futuras de la planta y para control. De las fibras que se encuentran en funcionamiento, se utilizan dos de ellas por cada direcciótt; cuatro como respaldo y las dos restantes se reservan para uso de una planta de bombeo. Las señales en cada par de fibras, son multicanalizadaa para proveer cinco canales en cada fibra. .Para la colocación del cable, se diseñaron estructuras tubulares de acero en forma de €I, las cuales se instalaron paralelamente a una línea ya existente.
En Ohio, E.U.A. (1984) [5] , se reporta un sistema que comunica la oficina central de una empresa eléctrica con una estación de microondas. El enlace fue diseñado para operar sin repetidores a velocidades de transmisión mayores a 405 Mb/s. Se prevee que el enlace de 33 km de longitud, mantenga las comunicaciones cuando el equipo de microondas sea dañado o bloqueada su lfnea de vista por alguna construcción nueva.
Otro ejemplo es el enlace instalado por la CEGB (Central Electricity Generating Board) en el Reino Unido (1982), el cual comunica dos subestaciones a través de una Enea de 400 kV de 21 km de longitud. El sistema PCM de 34 M b / s y 480 canales de voz opera en la longitud de onda de 1.3 pm. El enlace consta de dos secciones, cada una de aproximadamente 12 km de longitud; para unirlas y simular un enlace de larga distancia se ha instalado un repetidor que funciona a base de una fuente local de bajo voltaje con baterías de respaldo 161.
55
4.3 Otras aplicaciones.
4.3.1 Redes de área local.
En tanto los sistemas de protección son más complejos en instalación, operación y manteni- miento, se requiere de sistemas más avanzados y eficientes para llevar a cabo las funciones de protección. Uno de los sistemas de protección digital para subestaciones recientemente utilizado es la Red de Area Local (LAN) con fibra óptica. A finales de 1987, se instaló en Japón una red de prueba de este tipo dentro de una subestación eléctrica [7]; por medio de la cual, se transmiten señales de datos para funcionen de proteción y control. El sistema “token passing bus” o de ficha circulante en ducto (norma IEEE 802.4) transmite a una velocidad de 10 Mb/s, la longitud máxima entre terminales (terminal-acoplador óptico) es de 2 km.
4.3.2 Automatización de la distribución.
Otra de las aplicaciones de las fibras ópticas en los sistemas eléctricos es en la automatización de la distribución; la cual provee una forma de lograr la máxima utilización de loa recursos de una compañía eléctrica además de dar una mayor calidad del servicio a sus consumidores. La automatización de la distribución, proporciona un medio para llevar a cabo en forma máa efectiva y continua las operaciones de un sistema de distribución. Como en cualquier proceso de automatización, el sistema comprende la recolección y análisis de información, toma de decisiones y activación de dispositivos. Lo anterior puede resumirse en las funciones básicas de un sistema de automatización de la distribución: monitoreo, control y protección.
Para poder realizar estas actividades, los sistemas de automatización requieren el uso de medios de comunicación efectivos para transmitir señales de control y datos entre centros de control y dispositivos remotos. Entre los sistemas de comunicación más utilizados para este propósito destacan las fibras ópticas. En la actualidad, gran número de compañías eléctricas estan comenzando a utilizar fibra óptica para sus sistemas de automatización (81.
4.3.3 Sensores de fibra óptica.
Para llevar R cabo UII buen funcionamiento de la red eléctrica, se require el uso de instrumentos de medición confiables. En muchos casos, los partímetros de medición requieren de un control exacto para el óptimo control y protección del sistema. Una de las aplicaciones más potenciales de las fibras ópticas en los sistemas eléctricos de potencia es en el área de sensores. A través de la alteración de luz por estímulos externos, los sensores de fibra Óptica detectan ciertos
56
parámetros con gran sensitividad y exactitud.
Los sensores ópticos se dasifican en dos clases: activos y pasivos, el primer tipo lo consti- tuyen aquellos sensores que requieren de alguna entrada externa pars su operación; mientras que el segundo tipo no requiere de ninguna entrada externa. Los sensores pasivos son ideales para los sistemas eléctricos de potencia, y para esta aplicación, las variables más importantes a medir son:
o voltaje
o corriente
o temperatura
La ventaja principal de estos dispositivos, es que ofrecen una medición confiable aún en sitios de gran interferencia electromagnética.
Sensor de voltaje. El sensor de voltaje utiliza la propiedad de birrefringencia para medir el campo eléctrico airede- dor de un conductor (de alta tensión). Cuando ciertos cristales, como por ejemplo: Fosfato Dehidrogenado Amónico (ADP), Fosfato Dehidrogenado de Potasio (KDP) o Niobato de Litio (LiNb03) se exponen a un campo eléctrico, sufren un cambio óptico en el índice de refracción. En la figura 4.1 se muestra un diagrama a bloques de este tipo de sensor.
FOTODIODO
Figura 4.1: Diagrama esquemático de iin sensor de voltaje.
57
La luz polarizada pasa a través del cristal y experimenta una rotación en su plano de polari- zación. El efecto producido (efecto electro-óptico) puede utilizarse para modular la onda de luz. La modulación de la onda transmitida es detectada, y de esta forma se obtiene una medición del voltaje aplicado. La exactitud lograda para ede tipo de sensor es de 0.5% aproximadamente [91.
Sensor de corriente. El funcionamiento de este tipo de sensor se basa en el mismo principio que el anterior, únicamente qur para este caso se utiliza un material magneto-óptico. La luz que incide a través de un mate- rial magneto-óptico sufre un cambio en su índice de refracción causado por el campo magnético a través de un conductor. Este campo puede ser medido y por lo tanto, la corriente eléctrica asociada (11.
Sensor de temperatura. El control de la temperatura es de gran importancia para los instrumentos de protección en . una subestación y, es además útil para determinar el estado de transformadores, generadores, reactores, etc. Existen diferentes clases de sensores de temperatura, entre los cuales están los de tipo fluores- cente, birrefringente y de absorción.
LOS sensores de tipo fluorescente, utilizan una luz ultravioleta para excitar una punta de sondeo recubierta de un compuesto que contiene fósforo y elementos del grupo de las tierras raras. Este compuesto fluorece, es decir emite luz. La intensidad de luz emitida está relacionada a la intensidad de excitación debida a la temperatura.
El principio de funcionamiento de un sensor birrefringente es similar al de voltaje y cor- riente. Para este caso, se emplea una fibra con punta de cuarzo, la cual es cortada y pulida. El cuarzo se comporta como una placa óptica que retarda un haz polarizado en función de la temperatura. Una desventaja que ne presenta con este sensor, es que se hace necesario el uso de fibras que mantienen la polarización. Para el caso de un sensor de absorción, se utiliza un material que absorbe la luz en función de la temperatura.
4.4 Cables de fibra óptica para líneas de transmisión.
En las redes de suministro de energía eléctrica, para la transmisión de señales de comunicación se dispone de las líneas de transmisión y, rn particular del hilo de guarda o cable a tierra. El hilo de guarda se instala en las redes de alta tensión para protección contra descargas atmosféricas, ya que son conectadas a tierra y proporcionan una trayectoria de baja impedancia a las corrientes no deseadas. Debido a que en toda la red se requiere de este cable, resulta práctico adicionar fibras ópticas a éste y aprovechar de alguna forma el derecho de vía de las líneas de transmisión.
58
La incorporación del cable de fibra Óptica al hilo de guarda, puede hacerse en dos formas: atando el cable óptico al cable de guarda existente Ó integrandolo a él. De acuerdo c011 io anterior, los cables utilizados se clasifican en tres tipos: interconstruido, autosoportado y sujeto al hilo de guarda . La descripción de cada uno de estos cables se hace a contiiiuación.
a) Tipo interconstruido. Se considera que este cable es el más adecuado para líneas nuevas en donde se desea utilizar fibra Óptica [IO]. La instalación de este cable evita los problemas de colocar un cable adicional a la línea ya existente.
La integración al hilo de guarda permite una mejor protección del cable óptico. Las exye- riencias han mostrado la gran resistencia de los cables de guarda a las descargas atmosféricas, lo cual asegura una mínima posibilidad de que el cable Óptico sufra algún daño por estas causas. Sin embargo, es necesario que la fibra óptica resista las altas temperaturas a las que el hilo de guarda está expuesto, debido a las grandes cantidades de corriente que se generan en un corto circuito, para lo cual se adiciona al cable una cubierta de plástico reforzado de fibra de vidrio (FRI'); lo cual proporciona no solamente buenas características térmicas sino también mecánicas. La sección transversal de algunos diseñor; de este tipo de cable se muestra en la figura 4.2.
AUYBRES DE uuuOwEIl>
NBO DE ALUMINIO
FIBRAS I N D M D W
MIEMBRO DE RENERZO CDmW
En (a) el cable Se compone de un tubo de aluminio, alrededor el cual se encuentran los conductores de acero recubiertos también de aluminio. Dentro del primer tubo se coloca un soporte de aluminio ranurado; en las ranuras de éste, se acomodan las fibras en torno a un miembro de material de refuerzo (comúnmente FRP) y cubiertas con una cinta de poliamida. En (b), las fibras se colocan individualmente dentro de un tubo de aluminio (el cual evita la penetración de agua ai interior del cable) y alrededor de un miembro central de refuerzo.
I)) Tipo autosoportado. El cable es de composición dieléctrica, a fin de evitar problemas que pudieran originarse por descargas atmosféricas. El cable se coloca de manera independiente al hilo de guarda (cuando éste existe); cuando el cable es suspendido libremente entre las torres, se sujeta a éstas con la misma flecha que los conductores de fase [ll].
La sobrecarga que adiciona el cable a la torre es mínima, ya que éste posee un peso ligero debido a su pequeño diámetro y puede compensarse añadiendo algunos reforzamientos.
Aunque el comportamiento mecánico que presenta el cable es diferente al que presentan los conductores de fase o el hilo de guarda, el cable debe cumplir con los mismos requerimientos que se toman en cuenta para un cable &reo convencional: carga de hielo, nieve y viento y claros entre torres.
En la figura 4.3 se muestra la sección transversal un cable tipo autosoportado. Las fibras ópticas están situadas en tubos holgados junto a los elementos de refuerzo no metálicos. Para aumentar la rígidez y resistencia a los impactos, se adiciona al cable una cubierta de material resistente a rayos ultravioleta.
ELEMfNTOS DE TENSION NO UETAUCOS 7
!%RAS OrmCAs
CENTRO CUBIERIO DE POUrnlENO
Figura 4.3: Sección irausversal de un cable tipo autosoportado.
60
c) Tipo sujeto al hilo de guarda. La opción de usar cable óptico en las líneas de transmisión ya existentes, ofrece la ventaja de utilizar las estructuras de éstas sin hacer modificaciones significativas en laa torres. Para su instalación, se requiere de poco tiempo y mano de obra por IO cual, se considera que ésta alternativa es la más económica [ii].
El cable es de composición dieléctrica y debido a que el cable estará expuesto a condi- ciones ambientales, es necesario que éste resista la carga de hielo, nieve y viento y descargas atmosféricas. Para este último caso, se han llevado a cabo pruebas de arco de dc a cables de este tipo con corrientes de hasta 2 kA por un tiempo de 100 ms, sin presentarse algún daño en el cable Óptico [io]. Es necesario también, que el peso del cable sea ligero; ya que de otra forma, éste presentaría una sobrecarga considerable a la línea de transmisión y, por lo tanto a las torres.
La sujeción del cable Óptico al hilo de guarda puede hacerse de dos formas, como se muestra en la figura 4.4. En (a) el cable se fija al hilo de guarda mediante grapas de sujeción, las cuales deben ser completamente dieléctncas; en (b) el cable Óptico es enrrollado al hilo de guarda. Esta última técnica es utilizada con más frecuencia ya que se evita el adicionar sobrecarga por las grapas de sujeción que se utilizan. La instalación del cable se hace con la ayuda de una máquina especial.
Figura 4.4: Sujeción del cable óptico al hilo de guarda, (a) mediante grapas y (b) enrrullado ai hilo de guarda.
El cable está compuesto por una cubierta especial diseñada para proteger las fibras con- tra altas tensiones, descargas atmosféricas y condiciones ambientales extremas. Las fibras se colocan dentro de tubos holgados junto a los miembros de refuerzo fabricados de Kevlar '. El cable puede contener hasta 24 fibras uiiimodo (figura 4.5).
Marca Regiatrada de una fibra textil sintética de alta resistencia mecánica
61
Figura 4.5: Sección transversal del tipo de cable sujeto al hilo de guarda.
4.5 Técnicas de instalación.
Para cables tipo interconstruido y autosoportado, generalmente se emplea la técnica conven- cional para hilos de guarda y conductores de fase (figura 4.6). La técnica de tendido tensado por cuerda, tiene la ventaja de lograr obtener una tensión relativamente baja y una catenaria controlada; de esta forma, se evita que el cable llegue a tocar un conductor más bajo o algún obstáculo 112). El tendido y tensado el cable ne lleva a cabo en la siguiente forma:
1. Las poleas Be fijan en la parte superior de las torres y para evitar esfuerzos de cualquier tipo se escoge una polea de diámetro adecuado.
2. El carrete del cable y el tensor se colocan a un extremo del claro (junto a la torre), mientras que en el otro extremo se coloca el tractor.
3. El cable de amarre (de acero) se coloca manualmente por las poleas y se tensa mediante un tractor sin control de tensión.
4. El cable interconstruido y el de amarre se unen mediante un engranaje articulado y una unión giratoria.
5. De acuerdo a la tensión especificada , y mediante tensores de presión calibrada se lleva a cabo el tensado del cable.
62
6. Después de que la tensión del cable ha side regulada, se colocan las abiaeaderae para fijar el cable a la torre;se quitan las poleas y finalmente Be instalan Ias estructurae de anclaje y suspensión.
J
Figura 4.6: Técnica de tendido y tensionado para un cable interconstruido o autosoportado.
Para instalaciones de cable sujeto al hilo ¿e guarda, es común el uso de máquinae especiales que sujetan o enrrollan el cable St hilo de guarda. La colocación del cable se realiza en la siguiente forma:
1. El carrete se coloca sobre el cable al cual se va a sujetar con la ayuda de un camión de carga o tractor o bien, sobre el suelo.
2. Un extremo del cable se sujeta al hilo mediante abrazaderas.
3. La máquina se coloca sobre el cable de guarda, conforme ésta recorre la longitud del clato, el carrete proporciona el cable óptico hasta que finalmente llega al extremo opuesto.
En la figura 4.7 se muestra la colocación de un cable por medio de una máquina de sujección. La máquina une el cable al hilo de guarda o conductor mediante grapas metálicas, las cuales se colocan alrededor de ambos cables al mismo tiempo que la máquina va recorriendo la longitud de la línea. Una de las ventajas que se obtiene con este método, es que un cable Óptico estándar puede utilizarse sin necesidad de adicionar miembros de reforzamiento dieléctrico 1131. Cuando el cable es enrrollado al hilo, la colocación del cable es más rápida y sencilla, ya que, a la máquina se le puede colocar un carrete de cable óptico (figura 4.8), lo cud ahorra tiempo y trabajo en la colocación del cable; de aquí que este tipo de cable sea el más económico.
63
I
I Otro factor que facilita la colocación del cable es que setudmente'se cuenta con máquinas
controladas remotamente, las cuales pasan de una torre 6 otra por medio de una 'gka especial (cola cada en lo alto de la torre) que cuenta con un brazo de soporte [IO].
i . .
. I
Figura 4.7: Instalación de un cable del tipo sujeto al hilo de guarda rnediaiite una máquina de sujeción. I
I
I Figura 4.8: Máquina utilizada para enrrollar el cable al hilo dr guarda.
64
I
I
I
I
4.5.1 Herrajes y accesorios. I Se debe considerar que la carga de ruptura de los herrajes seleccionados sea mayor a 1s co- rrespondiente al hilo de guarda. En cables tipo interconstruido, los herrajes para áreas convencionales tales como: ciernas de suspensión, amortiguadorea de vibración y espaciadores pueden ser utiiiaados sin ninguna modificación (141.
Los herrajes utilisados para este propósito pueden ser de dos tipos:
herrajes de euspensión
herrajes de tensión.
I Herrajca de suspensión. Los herrajes de suspensión son colocados en las torres para soportar el cable, su función es: reducir el esfuerzo de compresión en el cable y en los elementos ópticos, especialmente durante oscilaciones producidas por factores ambientales. En la figura 4.9 se muestra en detalle la colocación del cable en un herraje de suspensión.
I
I Loa herrajes de suspensión son diseñados para:
a) Reducir las cargas inducidas por el hilo de guarda, sin que se alteren las propiedades 1 mecánicas de este úitimo ni las características de transmisión del cable Óptico. I
b) Reducir las tensiones en el punto de soporte.
c) Proteger al cable óptico áereo de los efectos de movimientos oscilatonos. 1 I I
Figura 4.9: Herraje de suspensión.
65
I I I I I
Herrajea de tensión. Al igual que los de suspensión, los herrajes de tensión son colocadas en las torres; con la diferencia de que se utilizan cuando es necesario realizar un empalme. Los herrajes proporcionan la fuerza de sostenimiento necesaria y minimizan cualquier esfuerzo de compresión que pueda transferirse a los elementos Ópticos. La figura 4.10 muestra la colocación del cable en bn herraje de tensión. I
Figura 4.10: Herraje de lensiún. I
Otros tipos de accesorios utilizados en la instalación son:
Cajas de empalmes. I Una vez que el proceso de empalmado se ha llevado a cabo, los cables son colocados dentro de una caja especial para empalmes (figura 4.11). Estas cajas son fabricadas de' plástico o acero inoxidable, son resistentes al agua, aire e impactos. Generalmente, las cajas de empalmes consisten de dos medias carcaaaa unidas por una junta hermética. Una de las carcasns contiene una bandeja que puede contener hasta 100 empalmes [15]. l
Las fibras se fijan con abrazaderas y a un radio de curvatura adecuado. El uso de estaa cajas permite mantener las fibras y empalmes en forma ordenada además, de que la factores ambientales y tensiones mecánicas que pudieran dañar e incluso provocar en la fibra. Las cajas se colocan en las torres de transmisión a una altura apropir evitar posibles daños por vandalismo (figura 4.12).
60
protege de na ruptura a, a fin de
. .
. .
i Figura 4.11: Caja de empalmes.
Figura 4.12: Colocación de una caja de empalmes. I 67
utilizado con diversas interfaces.
I
Tipo de multicanaiieación Vel. de multicanalización Vel. de muestre0 Longitud de la trama Número de canales
Emisor Detector Longitud de onda de operación Longitud de alcance
TDM TDM 1024 ilkb/s 1024 kb/s 64 kd/s 64 kb/s 16 bits 32 bits 6 I1 20 (expansión a 30)
FOX& 0.9 pm FOX6L: 1.3 pm FOX6: 8 km FOX6L (mm): 18 km FOX6L (sm): 35 km
;I Interfaces: I1
'! I
LED o LASER Diodo PIN 1.3 pm
LED (mm): 24 km LED (sm): 40 km LASER (mm): 46 km LASER (sm): 86 km
Interfaces Protehón digital Protección analógica Datoslasíncrona PAX-PAX A bon8do
II Derivación
II I
I/ 1
Disparo II directo, . permisivo . I . y esquemas de bloqueo 5 2 m s
I
11
Aplicaciones
-0ptica -Protección digital -Protección analógica
-Abonado PAM -Datos aafncronos -SubmulticanaüzaciÓn para datos síncronos/ asíncronos
Disparo directo, condicionado, y bloqueo 5 2 ms
-PAX-PAX
Tiempo transmisión de la orden
'I . Tabla 4.1: Características de un equipo de transmisión de 6 y 20 canales. (mm: fibra multimodo, sm: fibra unimodo.) i' 1
¡I 69 !I
' ' 1) .I // I
. ,
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I it
I
I
'I
! ~, i
Capít ulo
Estudio de las necesidades de comunicación actuales I1 y futuras en //el II
Sector Eléctrico Nacional. I
II intiodución. 11
11
I
En el capítulo 4 se mencionó la importancia de las telecomunicaciones como un recurso esencial para la operación eficiente y Beg&; de law redes eléctricas; en este capítulo ne descri- birá. más a d e t d e el panorama de la red telecomunicaciones actual y futuro en base a la información disponible.
I
/I I I :I I1 I!
I
5.1 La red de comunicadiones actual. I II 1) 11
,I
I
En nuestro pais, la compañía de electricidad cuenta con una extensa red de comunicaciones que lleva a cabo funciones para monitoreo, protección, control, coordinación de brigadas de mantenimiento y administración.
A continuación se presenta un resumen del equipamiento de la red de telecomunicaciones t de la CFE hasta febrero de 1990 111.
1. MICROONDAS: 'I El sistema de micwndas está compuho por 282 estaciones y 569 equipos, lo cud repre- senta una capacidad de 3,072 canales telefónicos. A excepción de la región de transmisión noreste, se cuenta con una red de microondas (alguna parte en etapa final de construcción) que cubre el resto de las regiones de transmisión. La red proporciona enlaces para telepro- tección, telefonía, transmisión de datos y SCADA.
I 1 II It II 11 11 II
72 'I I
'I
ubicado en áreas aisladas.
! !
3. OPLAT: ti .I
(cuatro fibras por cable). En la tablal5.1 enlaces y el tipo de cable que utilizan.'
I
It ne muestran la longitud de cada uno .de estos
'I .i I
Plaza - Sabino Plaza - Tecnológico Loma Larga - Plaza ,
I ~1
En la tabla 5.2 BC. muestra la total de equipos y canales, i! I medios de comunicación Gtiriores.
Valle Juárez - Parque Jardín - Veracruz I1 Jardín - Aluminio I
REGION NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE N
OR OR OR OR OR OR OR
Longitu
57.5 31.7
2.1 8.7
I LOCALIZACION I San Jerónimo - Valle ii
: I 7.0 569
1391
42 0.2 -
Playa Norte - Pagés 1 Temaacal - Caseta de o Temazcal I - Tmiazcal' Minatitlán I1 - Coats. I no especificada en la inf
Tabla 5.1: Enlaces' I
SISTEMA DE
Microondas OPLAT Telefónico ** Fibra Óptica I 113 I * Frecuencias ** Servicios arrendados a la SCT y 'I
Tabla 5.2: Capacil
trol
- mat
LONG. (km) 2.4 3.4 1.1 * *
5.1
4.1 3.6
4.0 11.0 1 .o 3.0 2.5 0.5 4.0 9.0
1 disponible
*
*
I fibra óptica instalados.
rwo DE CABLE interconstmido interconstruido interconstruido interconstruido interconstruido interconstruido interconstmido interconstmido interconstruido intercons truido interconstruido interconstruido interconstmido inst. en ducto inst. en ducto subterráneo
autosoport ado autosoportado
74
5.2 Problemática con lod sistemas de telecomu&&ión empleados. I I
I I I La red de comunicaciones presenta los siguientes problemas 111:
I I
0 Se hace necesario el disponer de enlaces I1 de larga distancia en algunas áreas en donde las redes públicas no tienen enlaces disponibles. I1
0 Se depende de servicios de comunic 'ón deficientes (baja calidad) por parte1 de las cornpaidas que los arrendan. 1, 11 ! I I
I I 0 Los servicios de radiocomunicación por VHF y UHF presentan limitaciones e inconve-
nientes debido a su alcance de solo de)nas de kilómetros o de pocas centenas utilizando repetidores, falta de cubrimiento en ciertas áreas debido a las condiciones topográñeas, interferencias e insuficiente disponibilidad de frecuencias.
II
1 t
' I
I I1
1
o La calidad de los servicios de comunicación por radio es insuficiente para algunos sJrvicios I en que se le aplica (transmisión de alarmas y datos). I ! 1
I
o Dificultad de acceso y costos altos de mantenimiento de los caminos a los repetidores.
o Dificultad y grandes demoras para obtener la autorización de frecuenciw adicionales para
/I 11 /I
I1
I t
II radiocomunicación.
11 o La mayoda de los canales de teleprotección se obtienen por OPLAT y están sujetos a la pérdida de calidad de los canales de dhmunicación precisamente en el momento en que hay que conducir las señales de protección, ya que la línea de alta tensión que está'kiendo afectada por una falla eléctrica es a la ;vez el medio de transmisión. I
I 11
o En el sistema de OPLAT se presenta el problema de congestiondento de frecuencias y /I ruido excesivo en líneas de transmision con fugas eléctricas.
'I .' I I I
o Se adquieren equipos que resultan incompatibles con sistemas ya establecidos. I
!I
- Tensión Número de C M ~ C E
de la iínea Teleprotección Voz Datos 400 kV 3 2 1 I 230 k V 2 21 1 115 kV 1 * 11 1 I!
5.3 La red de comunicadiones a futuro. II
II
!
Por lo anterior, podemos anticipar que los sistemaa OPLAT serán insuficientela y para otros sistemas como radio o microondm Id tendencia de crecimiento m á muy limitada debido al problema de asignación de frecuenciae. J, I 11 Por otra parte, las necesidades de comunicación y por consiguiente, el número depende (no sólo en líneas de 115 kV sin; también en tensiones mayores) de la red eléctrica asociada a la línea. De esta forma, tenem4 que Be presenta una mayor demanda de canales de comunicación en el área centro-sur del p+ debido a que gran parte de la energía generada a
de subestaciones y Centros de Control a nivel nacional; estos úItimos requieren continuamente máa canales de comunicación y la utilización de medios cada vez máa confiables y n&os.
Como ejemplo podemon mencionar uno de lw enlaceo de la CLyFC entre subestaciones (km O - CLyFC) de 4.13 km en la zona d b Distrito Federal en donde se utilizan el &&ente
nivel nacional se consume en esta zona. Ppr lo tanto, en esta región se localizan gran t número I
t
I 11
número de canales: 'I ' I I
o 38 canales de datos
o 99 canales telefónicos
e 2 canales para teleprotección
l
i I
li 5.4 Necesidades de comunicación. 't , I 11
Como se mencionó en la sección anterior, conforme aumenta la demanda de energía eléctrica se requiere de un mayor número de enlacen de comunicaci¿n y capacidad de canalka II para llevar a cabo lae actividades de necesidades de comunicación:
de acuerdo con ésto, se presentan lae siguientes
/I Ampliación de la red de teleinformática y de la red telefónica en el CENACE y kentros
I I de Control de Area y Subárea. I I
I /I Enlaces entre algunos Centros de Coitrol de Area y subestaciones.
Extensiones telefó.nicas adicionales para funciones de opexación en algunas Regones de Transmisión.
Mayor cobertura para telefonía administrativa a nivel regional y larga distancia.
1. I I. ir
II I1 Necesidades de comunicación entre oficinae ubicadas en difetentea edifiu-.
Enlaces para transmisión de datos Centros de Control de Arew y S u b k d (1200 a 9800 b/s), entre Residencias y Coordinadoras de Construcción (4800 a 9800 b/8) y entre Centrales Generadoras y Regiones de Generación entre otras. /I
11
I/ I
ll
Se requiere de una red de comunicaciones para que realice desde la atención de mostrador ai usuario eléctrico, la actualización Ir de laa bases de datos correspondientes entre Sucur- d e s , Zonas, Centros de Distribución: etc.
I I
I1 II
Un sistema Be transmisión de datos a fin de disponer de datos para es- pecificar las características de termoeléctricas.
Necesidades de servicios de transmisión de datos no satisfechas debido 8 la falta de redes telefónicas privadas regionales y de una red metropolitana con integración nacional de larga distancia.
1)
I
I
5.5 Derecho de vía. I
El derecho de vía es una franja de terreno 1,que se ubica a lo largo de cada unea derea y cuyo eje coinude con el central longitudinal de las estructuras o con el del trazo t o p o p s l o . LOS
objetivos de asignar un derecho de vfa a las líneas breas son 131: il 11
I1
i I e disponer del área bajo las líneas
permitir una adecuada operación con, la máxima confiabilidad en beneficio del servido /I I I público eléctrico
facilitar la inspección y mantenimiento con las mínimas interferencias
proporcionar la seguridad necesaria allos residentes que se ubiquen en la vecindad de los 'I
conductores, para evitar la posibilidad de accidentes. t I:I II La tecnología de fibra óptica abre la pAsibilidad de utilizar el derecho de via'de ly líneas
de transmisión para aplicaciones de telecomunicación externas a la empress eléctrica. : A raíz de la aplicación de cables de fibra óptica dentro del sector eléctrico se pensó inicialmente en
11
.I I I
1 utilizar las torres de las h e a s de alta tensión para la instalación del cable óptico para &facer tiene las necesidades de comunicación entre subestaciones II déctficas; pr incipbente porque t
la posibilidad de colocar un cable de características II muy similares al &lo de guarda, I
I!
punto a considerar, es que la prestación de este I servicio representaría un ingreso adicional 1 a la
incluía en su interior varias fibras ópticas.
Al Pas0 del tiempo, Y para aprovechar la máxima capacidad de transmisión de esta tee- nología, se planteó la idea de que la wmpañía eléctrica no solamente satisfaciera sus necesidades
otras empresas. Lo anterior, basado en el hecho de que el número de c a n d a necesarios por
y menor aún si Be considera que se pueden adicionar hasta 36 fibras en un solo cable! Otro
compañía eléctrica que fortalecería su posición económica.
I de comunicación, sino que también se le permitiera .I proporcionar candes de comuniyción a
las companías eléctricas es menor al número 11 de anales que se pueden obtener con u& fibra I.
I I I
'I I II I
En nuestro país, la CFE opera con una ampiia red de líneas de transmisión y miles de kilómetros en derecho de vía; esta franja de terreno y las estructuraa ya instaladas {odrían utilizarse no sólo para el envío de señales de información entre las subestacíones, sino también para la comunicación entre sitios que carecen del servicio telefónico y el resto del país lo para uso de empresas que requieran servicios de comunicación.
Una forma de lograr lo anterior, sería mediante la planeación adecuada de la totaliidad de canales de comunicación una vez que la compañía eléctrica se decidiera a instalar un cable de, fibra óptica en 811s Uneas de transmisión. Otra forma podría ser mediante trámites legales ante la SCT; en este caso, la compañía telefónica instalada un cable en las mismas torres pero para
Para el uso de este derecho de vía u t i l iwdo fibras ópticas en las h e e s de alta teniión, se
I1
It I1 11 t
11
I
uso exclusivo. 'I I 11 11 I
deben tener en cuenta varios factores, por 2;emplo: la velocidad de transmisión
Actualmente, un enlace troncal típico entre centrales telefónicas en
I la compañía de comunicaciones que solicite el servicio.
velocidades de 140 Mb/s y se tiene planeada la instalación de sistemas de mayor velocidad como las de 565 Mb/s. Esta es una diferencia importante en comparación con las velocidades de transmisión que manejan los equipos d{ fibra óptica que se están utilizando en el' sector eléctrico (2.048 Mb/s) como se explica en la sección 4.6 .
La consecuencia de esta diferencia en lLeiocidades de transmisión, es que los enl'ces [ de larga distancia (mayores que 90 km) ne veráh afectados en la máxima velocidad de transmisión debido al efecto acumulativo de la dispersiób I/ total en fibras unimodo. En el capítulo siguiente se realiza un cálculo en el que se demuestra que para una fibra unimodo, por ejemplo, a 1.3 pm de longitud es posible transmitir en una diitancia de 92 km. En este caso, se puede concluir que un enlace de este tipo es adecuado para una transmisión a 140 Mb/s, pero es insupiente
I1 it I' II
I
t
" . 1! 79 11
!I ~
,
para una tasa de transmisión a 565 Mb/s.ILa transmisión's esta velocidad implicarfa, reducir el alcance entre repetidores. Todas .esta8 consideraiones deber& tomme en cuenta p&a cada enlace en particular; ademán, debe recordsfse que también se 'tiene la opción de utilis8r fibrM ópticas de dispersión corrida a 1.55 pm deilongitud de onda.
I1
!I empresa8 eléctiicss y kldón¡w compliendo
el total de canden Como ejemplo podemos mencionar el de Italia, en donde para resolver las de comunicación la c o m p d a eléctrica ENFL y Is telefónica SIP, decidieron submarino (Piombino - Ida Elb) que contiene 12 fibras Ópticas de las de la compañía ENEL y el mat0 para Is c o m p d a telefónica [4].
A nivel
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[l] Comisión Federal de Electricidad, Técnica, Comité de Telecomad+ona ‘I “Diagnóatico y recomeadacionen sobre los servicios de tziccomunicacionen“, iM&co, febrero 1990. I
1 II
11 II
1 [2] Instituto de Investigaciones Eléctricas: “Boletfn IIE”, vol. 13, nam.6, México, novi-- bre/diaembre 1989. II
[3] Comisión Federal de Electricidad: Especificación CFE LOOOO-10, ”Derechos be da”, México, mayo 1983.
[4] Bazzi, G., Monti, G.: “The 132 kV AC power cables and the optical Aber cabld for the submarine intertie Italy-Elba Island”1 IEEE Trans. on Powet Delivery, january 1989, pp.
I1 ’I I
58-67. ¡I I I$
- 'I !
I
Capít ulo I -
0.1 Análisis de la red del 'I
¡I // Estudio de las aplicaciones de la
el Sistema Eléctrko Nacional. tecnología de fibra I Óptica unirnodo 'en
/j
I /i
transmisión nacional. I II
Introducción. I
o Región de Txansmisión Occidente (R
o Región de Txansmisión Norte (RTN)
o Región de Transmisión Oriente (RTi
o Región de Transmisión Central (RT<
o Región de Transmisión Sureate (RTS
o División Peninsular (DP)
8: Figura 6.1: Distribución geográfica las divisiones y regiones de transmisión.
83
'!
!
6.1.1 Distribución de las líneas I de transmisión actuales.
Para 1990, el total de heas de transmisión"in6taladas 'I1 en el país era de 47,136 kms. aproxima- I damente [l] [2]. Dentro de éstas se encuentran II líneas de: 400, 230, 161, 150, 138, y 115)kV. En
la gráfica de la figura 6.2 se observa la longitud 1) de las h e m de transmisión para cada d e a y en las figuras 6.3, 6.4 y 6.5 se muestran las línlas de transmisión de 400, 230 y 115 kV inahladas hasta 1988.
w
Figura 6.2: Líneas:de transmisión actuales.
,
. 4
Figura 6.3: Líneas de transmisión de 400 kV instaladas hada 1988.
ll . ' I, ' . Ij !¡ I87 (1
I I li i 6.1.2 Distribución de las Uneas de transmisión en programa.^/
II I I/ I¡
II el período 1991-1997 se lincrementará la longitud de líneas de transmisión en 10,976 k(. De acuerdo con el Prog 1 ama de Obras e Inversiones del Sector Eléctrico (POISE) 121, durante
De esta manera, p a 1997 la longitud 'i totai de líneas de transmisión será de poco I1 máa de 58,000 km; de las cual s el 66% corresponde a líneas de máa de 50 km de longitud, dn 26% a líneas entre 10 y 50 km y el resto a iíneas menores a 10 km. En la figura 6.6 se muestra gráficamente las líneas Arogramadas para id próximos 8iete años.
II
/I !I 'I
i
a
en programa. .I , . . !
'! 6.1.3 PronÓstic
Para la planeación a 1 relación que existe anterior puede
es necesario tener en cuenta la económico y de la poblacikn. Lo
de transmisión que habkán de
!
!
construirse de canales que Se requerirán
d 5% restante entre la
De acuerdo con lo
1 altamente pobladas codio la centro-Bur.
I
división de Baja California y Peninsular.
anterior, podemos deducir que en los próximos 10 a b se requeflrá la 1 1
6.2 Distancil
La longitud máxima en mente por dos factores más importantes de esta este punto, se analizará
6.2.1 Limitad
La limitación por ateni los pulsos de luz emiti' de error en el receptor significativa.
De la ecuación 3.1 entre repetidores L, COI
máxima entre terminales.
11 II 11 II II
'I
I/ Ij // I1
*e equipos terminales o entre repetidores, está determinada p k p a l - c transmisión de la fibra: dispersión y atenuación. Las características factores se mencionaron en la sección 3.1.4 y 3.2 respectivamente. En
rl efecto de ellos en'la determinación de la longitud entre terdnales.
por atenuacih
f ción se produce cuando las velocidades de transmisión permiten que
esten lo suficientemente espaciados, de forma que la probaplidad lega a niveles inaceptables antes de que el valor de la dispersión sea II
li II
I I/ I obtenemos que la separación máxima entre transmisor y receptor o iderando Únicamente la limitación por atenuación, está dbda por
II /I
I ' 89 1/
donde
psmp = np, = es la
I i
I
/j pérdida total por empalmes
I/
II I t
II pp = es la pérdida prbmedio en empalmes (dB).
I L. = es la longitud del tramo de fibra (km). 1 I
n = es el número de 1 mpalmes.
/I .!i (6.1)
/j El resto de 10s etros ha sido definido en la sección 3.11.1 de esta tesis.
11
I1
0.2.2 Limitación por
La limitación por dispersión se un ensanchamiento dk 10s pulsos de que es posible idehtificarlos
a altas velocidadeir de transmisión, se produce se interpongan a 10s pulsos contiguos al grado
La dispersión lle a a ser significativa II cuando la distorsión por retardo del pulso transmitido II k II Ir
I llega a ser lo suficienkemente grande como el intervalo entre bits. La limitación por dispersión puede determinarse partir de la limitación del ancho de banda que resulta de lairespuesta I
/I temporal de 10s componentes del sistema. 'I I I 1 d l La tasa máxima de bits de un sistema, generalmente es definida en términos del tiempo
de ascenso del mismb T8,, considerando dl tiempo de ascenso de un filtro RC simple./) Para una entrada escalón de II plitud V, el tiempo de ascenso t, = tl - tl es dado por [4]:
'
I el ancho de banda a I3 dB es
= 2.2 RC ~I
sustituyendo 6.2 en I , .3
1 jlB= 2ñRC I It 1 0.35 t , = -
B
90 II I
il ~ (6.4)
I
11 Para sistemas de fibra por lo tanto
Óptica que involucrk I el cálculo de tiempos de ascenso t. = T,,, y I1 Br = 1, I! T ' - 0 . 3 5 ~ I/'" - donde T es la duración del pulso. Para un código de regreso a cero (RZ), la tasa de bits
Sustituyendo en la ec ación 6.4 obtenemck la máxima tasa de bits ET(-) II
De la misma forma, /I pbra un código no regreso a cero (NRZ), la velocidad máxima eatá dada
(6.7)
De esta forma, el mite superior en Th, debe ser menor al 35% del i n t e d o de bit para un código RZ y menor a 70% para NRZ.1IA partir de las ecuaciones 6.1, 6.6 y 6.7 podemos determinar la longitud1 máxima entre terminales y la velocidad de transmisión que e81 posible alcanzar para un sisteda de fibra Óptica con formato RZ y NRZ. Los cálculos fueron hechos para tres casos diferentes cdnsiderando un márgen de atenuación de 8 dB y pérdidas en conectores
1 I!
I ¡I I! i /I
I y empalmes de 0.5 y 0.05 1 fibra óptica (apéndice b y C) dadas por
dB respectivamente. Las especificaciones para emisores detectores y son las siguientes:
I/ 1
CASO I: diodo láser a 1.3 pm y fibra unimodo estándar. /I
ii
I/
1. Diodo láser [5]:
Pot. acopla a a la fibra = 0.3 mW = -5.22 dBm e Ancho espectral = 2 nm e Tiempo de -censo = 0.5 ns
Tiempo de descenso = 0.5 ns
l j
,I
? 1 I !
I I
3. Fibra [7]:
¡I j i
CASO 11: diodo a 1.55 pm y fibra'unimodo estándar.
o Vel. trans.
3. Fibra [7]:
1. Diodo láser [5]
!
!I = 34 Mb/s
lb 0 Pot. acopiada a la fibra = 1 mW = O dBm
Ancho espectral = 2 nm I l
0 Tiempo d d ascenso = 0.2 ns '
= -55.8 dBm 1 o Vel. trans.l= 34 Mb/s
= 0.3 na 1
2. Fotodiodo pin I
I II
'I I
3. Fibra (71: i I i 'i ,!
!
i !I
I/
li
II
¡I
I!
I!
!j
II
1(
II
/I
~ 1 1 I¡ Los cdculos se hicieron para una velocidad de 2.048 Mb/s, la cual corresponde al nivel TI de la jerarquía eu opes (recomendación CCITT) aunque la sensitividad del fotoilector se
'I terminales considerando la dispersión en ik fibra fue de 38,450 km; lo cual nos indica que este especifica para 34 Mb/s; i por ejemplo, para II el primer caso la máxima longitud calculada $1 entre
se determinó en cada daso empleando estos Ij datos y las ecuaciones 6.6 y 6.7 para los cÓ&gos de
factor no es limitante I ai igual que para los t casos I1 y 111; esto se debe a la baja dispersión
de la fibra. La distancia 1 máxima entre transmisor y receptor óptico está entonces ilimitada por atenuación para la! aplicación de fibras ' i ópticas unimodo entre subestsciones. Utilikando la
los límites de atenuacikn para cada uno de ellos. La velocidad máxima de transmisión,$ambién I t
transmisión RZ y NRZ respectivamente. Los I resultados se muestran en la tabla 6.1. 1
ecuación 6.1 y los datoi del láser, detector f fibra presentados en los casos I, I1 y I11 se c&cularon
I I1
Caso
I I1 , I11
Longitud Tipo Limitación Velocidad Velocidad de 1 por máxima de máxima de
operación fibra atenuación transmisión transmisión lrm 1) (km) RZ (Mb/s) NRZ (Mb/s) 1.3 urn* 1.55 um * 1.55 um **
- I de I
398 796 64 128 269 538 -
Caso Longitud Tipo Limitación Velocidad Velocidad máxima de máxima de I ¡ d e I de I / POI
II
** fibra ukmodo de dispersiók corrida I it
I 'I - 1 operación I fibra I atenuación I transmisión I transmisión 11 -
I I1 , I11
93 il
lrm 1) (km) RZ (Mb/s) NRZ (Mb/s) 1.3 urn* 1.55 um * 1.55 um **
398 796 64 128 269 538 -
enlaces no sería óptimo I
en términos de costos ya que, en algunos casos estarían sobrados. I
II II
. . - li Caso Longitud Tipo Longitud Lfnean
de separación a cubrir (W (%)
1 operación de 1 (w) . .
Lfneas existentes: 1.3 ptn urn* [ O 10- 92 82.57 I
I1 1.55 pm urn * ~ O 93-148 10.03 I11 1.55 pm um ** i O 149- 175 3.13 I11 1.55 pm um ** ! 1 176-350 4.27
IO- 92 70.4 93-148 11.2
I
1 Line4 en programa: ! I 11.3 pm I1
Tabla 6.2: Porcentajes pueden cubrir por fibra
1 111 1.55 pm um ** O 149-175 5.1 111 1.55 pm um ** 1i 1 176-350 13.3 * fibra ukmodo cntándard 11
I
I 11 de líneas existentes y líneas en programa (115, 230 y 400 kV) que se óptica.
. 'I 1
6.3 Uso de epetidores.
celdas solares
las mismas iíneas
11 Los repetidores ópticos son dispositivos capaces de recibir, amplificar y retransmitir señales de comunicación. El uso j e repetidores en un hatema de comunicación, incorpora la necesidad de contar con fuentes de ahmentación además'lde que adiciona gastos al sistema por instalación 11 y mantenimiento.
En algunas ocasiones, la alimentación de ti repetidora puede presentar problemas, eipecial- mente en áreas poco pobladas; por 10 cual, es 11 necesario tener en cuenta algunos requeribientos de diseño tales como: I larga vida y bajo consumo de energfa principalmente (considerados también para repetidores convencionales). Dentro de los tipos de fuentes de alirnentakn que pueden utilizarse para kste propósito se encuentran [E]:
I / L /
'I /r 'I I l /I I!
o fuentes de tensión locales
I o bateriaa amente recargables I
11 de transmisión ' 1 : I
;I
I- II 11
Es conveniente considerar I la tecnologd reciente de emplificadores ópticos como una ll solución
plificadores tienen COTO I atractivo principal el contar con muy pocos componentes y por I lo tanto, II a la necesidad de inclhr repetidores ópticos en iíneas de comunicación muy largas. Dichos am-
su diseño sería más simple y más confiable. Los conceptos básicos de amplificación kptica ae han revisado en el cadítulo 3 de esta tesis! /I
I¡
ll
I1
!I
/I
I 'I
¡I jl I Bibliogra
!I
'I !
!I [l] Comisión Feder
[2] Comisión Feder de Electricidad, Gerencia de Estudios: "Programa de Obras e Inver-
de Estudios de Ingeniería Preelimi-
principles and practice", Prentice Hall
de Electricidad, Gerencia de Generaüón y Transmisión: "Sídtesis de 'I
il 1
/I
fallas en Lfneas de transmisión", MéAco, 1986.
siones del Sector Eléctrico", México, 1989. /I
131 Comisión Federal/ de nar: "Plan de Exbansión ai
[4] Senior, M. J.: "?pticd fiber
Edición, México, 1978.
I 1
.!
¡I I
International, 1985.
communications systems",, IEEE Journal of September 1985. 11
I1
Ir
"Sistema de comunicación 'I un enlace experimental", Tesis dei' Licen-
México, D.F., 1982.
Gapít u10
Ejemplo
Introducción.
Para llevar a cabo capítulo un ejemplo d El diseño del enlace si no obstante que ante1 utilizar el tipo enrrolii dos opciones para pres para líneas existentes
7.1 Descripl
Para el ejemplo de apl a la CLyFC. Esta Iínei estado de México, la la sobre las cuales se SUI
tipos de cable de acue
En el capitulo 2 comunicación posibles las ventajas que brind más económico que ot
I . P le aplicacion. 'I
ll I1
I
NI t 11
/I
/I ina demostración práctica de esta aplicación, se desarrolla en el presente diseño para una línea de transmisióo exidente. especificará para los tres tipos de cables existentes con fibra unimodo, irmente se mencionó que para líneas existentes resulta más económico lo al hilo de guarda! sin embargo, se cree conveniente analizar las otras itar un panorama d'áa completo sobre la aplicación: tipo autosoportado
I1 11 11 .
interconstruido para 11 nuevas líneas. I
ión del eniaLe. II
I ación se utilizará una línea de transmisión de 220 kV, la cual pe'rtenece
L se encuentra entre ly subestaciones de Tecamachalco y Remedios en el gitud de la Iínea es de 12.6 km y está formada por 29 torres o estructuras
I enden las líneas del alta tensión. Para esta línea ne seleccionarán tres I1 Io a los existentes para esta aplicación.
llevó a cabo una comparación técnica entre 19s diferentes medios de le utilizar en un sistkma eléctrico (tabla 2.1); en esta tabla se observan el medio de fibra óptica aparte de que frecuentemente puede resultar
II
I II I
)s sistemas (tabla 2.5). /I I I
1
En vista de lo anterior, y con el fin de instalar un enlace de fibra Óptica para propósitas de fa misma empresa, la CLyFC realizó una comparación de costos para esta línea, tal com- paración se hizó para el mismo número de canales y para tres sistemas diferentes: hilo piloto, OPLAT y fibras ópticas (figura 7.1).
I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 r 1 ~ 1 1 l 1 , 1 1 1 1
/o i'5 U) 25
Figura 7.1: Comparación de costos con igual número de canales para una línea de transmisión.
Analizando los costos obtenidos para cada uno de ellos, se determinó que los sistemaa de hilo piloto y de OPLAT no resultan adecuados para este enlace debido a su alto costo; en cambio, para fibra óptica el costo se reduce en una cantidad considerable. La tabla 7.1 muestran los claros y desniveles entre las torres que se encuentran a lo largo de la línea de transmisión.
98
G No. 121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
-
-
Torre No. 136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
clarc o 436
210
503
199
366
452
335
535
223
161
732
625
398
3 76
520
Claro m
211
813
190
525
388
409
842
292
311
150
478
263
223
349
- ASNM
2530.1
2523.6
2487.9
2471.6
2469.0
2464.5
2466.5
2441.0
2439
2447.5
2431.5
2429.9
2422.0
2426
2437.5
lml Desnive (4 -6.5
-35.7
-16.3
-2.6
-4.5
2.0
-25.5
-2.0
8.5
16.0
-1.6
-7.9
4.0
11.5
-13.0
- ASNM
2424.5
2404.5
2414.5
2415.2
2382.1
2405
2414.5
2425
2362.6
2352.6
2361.7
2366
2334.5
2339
2297.5
M Desnivi (4
-20.0
10.0
0.7
-33.1
22.9
9.5
10.5
-62.4
-10.0
9.1
4.3
-31.5
4.5
-41.5
Tabla 7.1: Claros y desniveles entre torres, línea Tecamachdw-Remedios (torres: 121-150).
99
7.2 Selección del tipo de cable.
Las consideraciones que deben tenerse en cuenta pus esta splicacih son básicamente las mismas que para cualquier cable áereo; por ejemplo, cargas ocasionadan por hielo y viento. A continuación se describen las características de ceda uno de los trea tipos de cables seleccionados para 1s línea.
7.2.1 Cable interconstruido.
Se puede decir que este tipo de cable es el único normalizado ya que existe una norma de cons- trucción que especifica las características mecánicas, eléctriai, de initdación, requerimientos de prueba y criterios de aceptación pars un cable tipo interconstruido [l], en el ApCndice A se definen los puntos más importantes de esta norma.
La construcción del cable debe asegurar que éste cumpla los requerimientos de transmisión Óptica además de proteger contra descargas atmosféricas a los cables de alta tensión. Las carac- terísticas principales que debe tener un cable interconatruido (OPGW) generalmente deben ser muy similares a las de un hilo de guarda convencional (diámetro, peso y módulo de elasticidad principalmente); esto es debido a que se pueden aprovechar las eatructuras convencionales sin necesidad de utilizar algún tipo de rdorzamiento en ellail.
Actualmente, existen en el mercado diferentes proveedores que fabrican este tipo de cable, las características de ellos difieren de fabricante a fabricante. En la tabla 7.2 se muestra una comparación de algunos de ellos; en la misma tabla M muestran también las mismm características normalizadas pars los cables de guarda [2]. Como se puede observar, el cable que más se aproxima a las características de un cable de guarda es el C2.
En la figura 7.2 se muestra una sección transvenal 131. El cable puede contener 24 Ó 36 fibras unimodo, consiste de un tubo de aluminio que evita la entrada de agua, dentro de este tubo se encuentra una estructura central con ranuras helicoidales fabricada del mismo material. Las fibras son enrrolladas en tomo a un miembro central de refuerzo (FRP), cubiertas por una cinta de poliamida y colocadas en las ranuras. Los hilos de aluminio (12) recubiertos de acero y colocados alrededor del tubo de aluminio brindan protección a las fibras contra esfuerzos mecánico.
100
Parámetro
No. fibras Diámetro (mm) Peso (kg/km) Carga ruptura (kg) Módulo de elasticidad (kg/mrnz) Coef. de dilatación lineal (i0-~/0C)
Kilo de guarda convencional
9.5 406.0 4400 15747
-
11.6
- c1
12 13.4 572.6 8520 14300
13.4
- c2
24 y 36 12.7 509.6 7800 15800
12.6
2-24
Tabla 7.2: Características de diferentes fabricantes de cable tipo interconstruido.
Figura 7.2: Sección transversal del cable intercotistruido.
7.2.2 Cable autosoportado.
La construcción del cable tipo autosoportado es dieléctrica completamente, una de las ventajaa que se presentan con estos cables es que se eliminan los problemas causados por descargas eléctricas. Las labores de mantenimiento y reparación pueden llevarse a cabo sin necesidad de interrumpir el servicio.
101
Las fibras son protegidas por una cubierta primaria de wrilato y por una cubierta secun- daria que consiste de un tubo holgado de poliamida, el cual 8e reiiena con una grasa que evita la penetración de agua. Los tubos se colocan helicoidalmente alrededor de un miembro de refuerzo fabricado de FRP y son cubiertos por una capa del mismo material y una cubierta exterior de polietileno (figura 7.3) [4].
1. Cub1 a primaria de la fibra: -Aoma6. -Tuba d. pmtealdn WamdmlI:
.-compu& de rdleno -hiturn: anto pidrtlca
PollamIda -Mlmbm d. nhiüno: FRP
-Cublwta: FRP
Figura 7.3: Composición del cable tipo autosoprtado.
En diseños de cables trenzados como el autosoportado, e8 importante crear una "ventana" de expansión que permita a la fibra mantenerse libre de esfuerzos de tensión y compresión, ya que los componentes del cable no situados en el eje neutral entán sujetos a fuerzas de tensión o compresión. Esto se produce ye que, cuando el cable es sometido a tensión, la fibra se mueve radialmente hacia el centro del núcleo de éste y permanece sin tensión hasta no tocar la pared interna de la cubierta del tubo próxima al miembro central (figura 7.4).
Las ventanas de elongación/contracción son determinadas por: el claro de la fibra dentro del tubo próximo al núcleo (W), el salto de trenzado o paso de la hélice (P) y por el diámetro del círculo de paso (D). El exceso de longitud en cables trenzados se encuentra entre el 0.3 y 0.8% [5]. En la figura 7.5 se muestra el diagrama de elongación-atenuación para la fibra en función de la carga de tensión.
102
Figura 7.4: Sección transversal de un cable trenzado: (a) contraido (b) libre de esfuerzos y (c) eiongado.
0.5 -- Q.4 _ _ 03 -- 0.2 --
Figura 7.5: Diagrama de elongacióti de un cable autoeoportado y elongaciún y atenuación de la fibra como función de la carga de tensióii.
103
7.2.3
Como se ha mencionado anteriormente, ente tipo de cable representa la opción más económica para líneas en funcionamiento, la facilidad de utilizar mhquinas especiales para su colocación permite instalarlo en un tiempo relativamente corto a comparación de los otros dos tipos (sección 4.5). Las máquinas utilizadas llegan a instalar hasta 4 km de cable por día. El cable se coloca al conductor o hilo de guarda ya instalado, por lo cual, su diseño debe ser tal que resista cualquier esfuerzo adicional que soporte el hilo de guarda.
En la figura 7.6 se muestra la sección transversal de un tipo de cable que puede ser enrro- llado al hilo de guarda de la línea del ejemplo. Las fibras ópticas se localizan al centro del cable y son protegidas por una cubierta de FRP. Una segunda capa de protección se coloca al cable, esta capa es fabricada con una resina resistente al calor y al adicionar una capa protectora térmica, el cable óptico se mantiene aislado de cualquier incremento de temperatura.
Cable sujeto al hilo de guarda.
Figura 7.6: Sección transversal del cable sujeto ai hilo de guarda propuesto para la instalacibn.
Dentro de las características físicas del cable, se puede mencionar que tiene un diámetro de 4 mm y un peso de 24 kg/km; estos datos son importantes para determinar el incremento en la flecha por la sobrecarga que adiciona al hilo de guarda. La disminución de la tetisión en los puntos de soporte no presenta problema alguno al cable; por lo cual, podemos despreciar esta variación. Debido al pequeño diámetro y ligero peso del cable, no se hace necesario el cálculo de flechas y tensiones entre los claros; sin embargo, para asegurar que no se necesitará algún reforzamiento en las estructuras, es conveniente tomar en cuenta el peso que adicionará el cable al hilo de guarda. Considerando lo anterior, se llevó a cabo el cálculo de tensiones y flechas una vez que el cable sea instalado.
104
7.3 Cálculo de flechas y tensiones.
Un cable áereo sostenido en sus dos extremos ee comporta como un elemento sometido a tensión. Suponiendo que el peso del conductor es constante a lo largo de toda su longitud, éste tomará la forma de una catenaria (fig 7.7 (a)). La determinación de los parámetros del tramo de línea de transmisión puede hacerse por diferentes métodos, entre los cuales se encuentran: tablas de Martin, el de Ehrenburg, gráficas de Copperweld, método gráfico de Vamey y el método de la ecuación de cambio de estado [GI.
b
---r---
(4
M Figura 7.7: Representación de uua catenaria por un tramo de línea de transmisión para estruc- turas: (a) en el mismo nivel, (L) en desnivel.
El método de la ecuación de cambio de estado establece que a partir de ciertas condiciones dadas, es posible obtener el comportamiento de los parámetros de la línea de transmisión para condiciones diferentes a las iniciales; de esta forma, se consideran los cambios que experimenta un cable áereo cuando es sometido a variaciones en tensión y temperatura simultáneamente. La ecuación de cambio de estado corresponde a una ecuación de tercer grado de la forma: z3 - i’z’ - 2 = O, cuya solución puede obtenerse a partir de un método iterativo. La ecuación se expresa como [7].
t a’(@‘ - 8 ) - t km’cll
donde:
105
W: es el peso específico del cable ( k g ) . E f : módulo de elasticidad final ( k g / n n z ) . E;: módulo de elasticidad inicial (kglmm'). a: coeficiente de dilatación del cable (/OC). cl: claro (m).
En el estado inicial: O: temperatura (OC). n: coeficiente de sobrecarga. t : esfuerzo de tensión kglmm'.
En el estado final: O': temperatura ("). m': coeficiente de Sobrecarga. t': esfuerzo de tensión kglmm'.
donde:
p: es el peso del cable con o sin hielo (kglm). v: es el peso del viento sobre el cable (kglm). D: es el diámetro del cable (m)
En ausencia de viento, el coeficiente de sobrecarga ea igual a uno.
La flecha que forma el cable depende de la tensión mecánica que se aplique en los puntos de apoyo, para estructuras que se encuentran a un mismo nivel, la flecha puede calcularse por medio de [SI
clap f=,, para estructuras en desnivel (figura 7.7 (b)), el procedimiento que se sigue es el mismo yero en este caso se obtiene un claro efectivo a partir del teorema de Pitágoras
el., = rn (7.3)
106
donde:
clef = es el daro eiectivo (m) h= es el desnivel (m).
A mayor tensión mecánica aplicada, la flecha es menor; a n embargo, existe un Ifmite pata asegurar el equilibrio en las estructuras de suspensión y tensión ad como también para evitu fallas de tipo mecánico en el cable. Por otro lado, una flecha muy grande involucra el USO de estructuras más altas para mantener el libramiento mínimo a tierra.
La solución de la ecuación 7.1 puede resultar laboriosa en algunss ocasiones, sobre todo cuando se quiere determinar flechan y tensiones para un número considerable de clsto~; por lo cual se hace necesaria la ayuda de la programación. Para llevar a cabo esta tarea en una forma más práctica y rápida ne diaeñó un programa de cálculo (TEN-FLE), este programa determina las tensiones y flechas para un número determinado de claros considerando la influencia de factores externos tales como:
Temperatura: la temperatura influye sobre los conductores de las líneas de tal forma que si ésta disminuye la flecha se reduce y aumenta la tensión en los puntos de soporte. Por otro lado, cuando la temperatura aumenta, la flecha aumenta y al mismo tiempo disminuye la tensión.
Presión del viento: la carga del viento produce en los cables &reos una sobrecarga, lo que equivale a un aumento en el peso del cable.
hielo: al igual que el anterior, la presencia de hielo en los cables representa un aumento en su peso; sin embargo, la acumulación de hielo en los cables o torres es un fenómeno poco común en México y puede despreciarse si se considera que en los Estados Unidos la zona que comprende la frontera con México (zona denominada "ligera") no se toma en cuenta.
La consideración de los factores anteriores es de gran importancia debido a que el cable debe resistir las sobrecargas y variaciones de temperatura y ofrecer las máximas condiciones de seguridad.
Para establecer las flechas y tensiones iniciales de instalación, se deberán considerar tres límites de tensión, los cuales corresponden a conductores e hilos de guarda normalmente uti- lizados. Para el caso del cable tipo interconstruido, se tomarán en cuenta las consideraciones anteriores por las razones mencionadas en la sección 7.2.1 y tomando en cuenta también que el cable estará colocado en el mismo sitio, los límites son los siguientes:
Tensión máxima: la tensión máxima del cable a -5OC y presión de viento de 24 kg/ml no debe ser mayor de 50% de la carga de ruptura.
107
Tensión inicial: la tensión inicial a O°C sin viento no debe ser mayor de 335% de la carga de ruptura.
Tensión final: la tensión final a O°C sin viento no debe exceder el 25% de la carga de ruptura.
Los resultados se obtuvieron considerando las condiciones anteriores y para tres tempera- turas: 10,20 y 30°C, no obstante que pueden ser determinados para cualquier temperatura. La tensión resultante en condiciones extremas (presión de viento y temperatura m’nima) aplicando el 20% de la carga de ruptura total es de 1300 kg en promedio; lo cual coincide con la tensión que soporta el hilo de guarda ya instalado. La flecha varía de acuerdo a la longitud del claro, los valores calculados aplicando este porcentaje de carga se muestran en el Apéndice D.
Los valores de las tensiones mecánicas máximas permisibles en los cables, se limitan a los valores recomendados por la práctica común con el objeto de evitar problemas de fatiga en los cables y también para limitar el efecto dinámico sobre la estructura de soporte en caso de que éstos fallen 191. Esto quiere decir que las experiencias prácticas son esenciales en la determinación de la tensión máxima que podrán soportar tanto el cable como las estructuras.
Por otro lado, los resultados que se obtuvieron para cable sujeto al hilo de guarda muestran una variación en la tensión de 2% en promedio; con lo anterior se comprobó que no se requiere adicionar ningún tipo de reforzamiento a las estructuras.
7.4 Instalación.
En el capítulo 4 se describieron brevemente ttes de las técnicas utilizadas para la colocación de cada uno de los cables en las líneas de transmisión; en este capítulo, se describirá con más detalle la técnica de tendido y tensado para un cable tipo interconstruido en las líneas de alta tensión.
7.4.1 Instalación áerea.
Se ha mencionado anteriormente que el procedimiento de instalación del cable OPGW es básicamente el mismo que para un conductor o hilo de guarda convencional (sección 4.5); sin embargo, es necesario considerar algunas precauciones que nos servirán para protección de las fibras [IO]:
durante la colocación, es importante evitar las curvaturas en el cable,
108 ’
se recomienda enrroiiar el cable en carretes de aproximdamente 1 m de diámetro y utilizar poleas para guiarlo con diámetro mayor a 45 em,
0 se recomienda también no instalar conductores de fase u otros cables en paralelo durante d tendido; deberán emplearse tramos de OPGW uno a uno de acuerdo a la longitud de ceda carrete.
durante el tendido, la tensión deberá mantenerse por debajo de los 1000 kg.
Para la instalación del cable se siguen los siguienten pasos de una técnica desarrollada por la compañía Hidachi Cables Ltd. de acuerdo a las experiencias obtenidas durante BUS instalaciones 1101.
1. Ya que las fibras deben prevenirse para aplicar cualquier fuerza de tensión, las terminales del OPGW deberán ser cubiertas con un tubo de aluminio.
2. El tensor y el tractor hidraúlico utilieados para slimentar y estirar el cable respectivamente se colocan en ambos extremos del o los claros en donde se va a instalar el cable.
3. La distancia A? entre el tensor y la primer polea debe sei mayor que la longitud de OPGW necesaria de tendido del claro adyacente, ésto facilitará los trabajos de manejo (figura 7.8).
Figura 7.8: Colocación del tensor y jalador junto a la torre.
4. Uno de los extremos del OPGW se ata a un cable guía, el cual evita que el primero sufra torceduras durante el tendido; después se une a éstos un cable de tendido que servirá para jalar el OPGW de un extremo a otro. En el extremo opuesto del OPGW se ata también un cable con contrapesos cuya función es la misma que la del cable guía (figura 7.9) .
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Figura 7.9: Arreglo del cable.
5. El OPGW ee hace pasar a través de las poleas colocadas en lo alto de las torres; en la torre cercana al extremo B 8e coloca un cable (de estirado) que guiará el primero dentro de la estructura (figura 7.10).
Figura 7.10: Tendido del OPGW.
110
6. Antes de que el OPGW llegue a la torre find, se instala un "come-aiong". El "come- along" es un elemento mecánico que une el OPGW a un cable de estirado de 120 m aproximadamente y sostiene un contrapeso de 6 kg que evits torceduras al primero mien- tras se conduce éste por el interior de la torre (figura 7.11).
Figura 7.11: Iustalación del come-along.
7. La colocación del OPGW dentro de la torre se lleva a cabo uniendo el cable de estirado 1 y 2, de tal forma que al estirarlos el OPWG será conducido en el interior de la torre. Para facilitar la instalación del cable en el interior de la torre, se deberán instalar poleas o cuerdas de guía dentro de ellas, además de que será necesaria también la ayuda de trabajadores de campo ("linieros") que se encontrarán situados en la parte superior e interior de la torre (figura 7.12).
111
Figura 7.12: Colocación en el interior de la torre.
8. Cuando el OPGW llega a la parte inferior de la torre, ne procede a la colocación de los herrajes de tensión y laa abrazaderas que sujetarán el cable a la torre. Es necesario dejar un exceso de cable en cada extremo del OPGW, ya que será necesario para llevarlo a la posición donde quedará la caja de empalmes y para futuros trabajos de reparación. Se debe tener presente también el radio m’nimo de curvatura del cable ya que de io contrario, se podrán inducir pérdidan en el cable.
9. La fijación del OPGW dentro de la estructura opuesta (torre A) y la colocación de herrajes de tensión se lleva a cabo de la misma forma.
10. Una vez que se encuentra un extremo libre de cable en la torre A (cable de estirado), se procede a tensionar el cable de acuerdo a los valores especificados. Para llevar a cabo lo anterior, se puede medir la flecha del claro e instalar después los herrajes de susyención adecuados.
112
7.4.2 Instalación subterránea.
Para la conexión del cable OPGW al cuarto de comunicaciones de la subestación, es necesario empalmar éste a un tramo de cable Óptico para instalación subterránea por las trincheras de la subestación. Es más sencillo instalar un cable subterráneo que un cable áereo, esto se debe principalmente a que el cable es de menor peso y sección transversal y se instala en tramos de longitud más cortos. Durante los trabajos de instalación, se debe evitar el estiramiento excesivo del cable y dobleces en las trayectorias que excedan el radio mínimo de curvatura ya que esto puede ocasionar mayor atenuación y finalmente rupturas.
7.4.3 Selección de herrajes y accesorios.
Como se vió en la sección 4.5, los tipos de herrajes y accesorios más comúnmente utilizados para la instalación son: herrajes de tensión y suspensión, abrazaderas, amortiguadores de viento y cajas de empalmes; a continuación se mencionan los tipos de herrajes y accesorios que podrán utilizarse, así como también la colocación física de cada uno de ellos.
Herrajes de tensión: este tipo de herrajes se utilizará para sostener el cable en torres en donde se tenga que liewr a cabo el empalme del cable o en las torres terminales.
0 Herrajes de suspensión: serán colocados en las torres de suspensión para sostener el cable.
o Amortiguadores: estos accesorios son diseñados para evitar vibraciones causadas por viento, por lo tanto se recomienda utilizarlos en claros de gran longitud en donde se puedan presentar problemas por vibraciones de viento.
Abrazaderas: la abrazadera adecuada se seleccionará de acuerdo al diámetro del cable y al uso (sujeción a la torre u orientación).
o Cajas de empalmes: estas cajas cuentan con sus propias abrazaderas para sujetarlas a la torre de tensión o terminal, por seguridad se recomienda colocarlas a una altura considerable a fin de evitar que puedan ser accesibles a personas ajenas.
7.4.4 Colocación de empalmes.
En las torres en donde se realizarán los empalmes de línea se deberá dejar un tramo de cable por cada extremo, este tramo será guiado dentro de la torre al sitio donde se ubique la caja de empalmes. El cable debe acomodarse en forma de anillo de tal manera que el radio de curvatura no sea menor al mínimo especificado a fin de evitar pérdidas.
113
Los empalmes de Iínea se podrán llevar a cabo una vez que se hays sujetado el cable a la torre. Para lograr buena calidad en el trabajo de empalmado, se recomienda utiliear la técnica de fusión. Los empalmes deberán hacerse cuantas veces sea necesario a fin de obtener la calidad adecuada en el empalme.
Los empalmes terminales se realizarán una vez que el cable sea introducido a la sala del equipo terminal, al igual que los empalmes de línea, podrán utilizarse cajas para empalmes terminales. Cada fibra se empalmará con cables de fibra conectados en un extremo (“pig- tails”); de esta forma, se podrá conectar cada fibra directamente al equipo termind.
Considerando que la longitud de tramo de cable interconstruido se especifica en 2.5 km, los empalmes se deberán llevar a cabo en las torres: 121, 127, 132, 137, 142, 147 y 150 ademán de los que se realizarán antes de conectarse al equipo terminal (2 por cada fibra). En caso de que el cable a instalar sea tipo autosoportado, se deberá considerar también la longitud de tramo de cable para determinar lk torres en donde se deberán realizar los emplames además de la altura en donde se colocarán para tener en cuenta la longitud de cable que se utilizará en el interior de la torre. Para este tipo de cable se especifican longitudes de 2 y 4 km.
Como se observa en la figura 7.13, el cable &reo se conduce dentro de la torre terminal a la caja de empalmes (instalada en la parte inferior) en donde se une al cable subterráneo, este iiltimo se dirige al interior de la subestación en donde se empalma al “pig-tail” para finalmente conectarse al equipo terminal de fibra óptica. En la misma figura se observa también la colocación de los herrajes y accesorios.
Figura 7.13: Colocacióii de los empalmes de línea y terminales.
114
Una vez terminados los trabajos de empalmado, se procederá a efectuar las mediciones a lo largo de linea con el fin de evaluar las pérdidas totales del enlace. En la sección 7.6 se describen las mediciones necesarias para evaluar la calidad del enlace.
7.6 Equipo.
7.5.1 Selección del equipo terminal.
Como se mencionó en la seeci6n 4.6, actualmente se dispone de algunos eqnipos twlminala para comunicaciones entre subestaciones, en ésta misma sección se mencionaron también las caractensticas que debe tener el sistema a utilizar.
Una de las ventajas que ofrecen estos sistema es que se pueden transmitir divetsos tipos de señales sin la necesidad de utilizar equipos de teleprotecuón adicionales, ademán de que se enlazan directamente a las centrales telefónicas. Existe la opción de conectar hasta 20 tarjetas de interfaz, las cuales serán seleccionadas de acuerdo a los requerimientos del sistema.
Como puede observarse en la tabla 4.1 del capítulo 4, el elemento de emisión para un sistema de transmisión de 20 canales es un diodo Iáaer a 1.3 pm; en el extremo receptor la señal será detectada por un fotodiodo PIN de InGaAs. La sensitividad del receptor para una tasa de error de bit (BER) de 10-e es de -52 dBm. La transmisión se lleva a cabo en forma digital con multicanalización por división de tiempo.
Los módulos necesarios pura la operación de loa primeros 10 canales se podrán ubicar en un chasis básico de 19 pulgadas. Las conexiones ópticas son conectadas en la parte superior del chasis básico; los cables de conexión a las tarjetas de interfaz son conectados también a bloques de bornes terminales que pueden ser fijados en un riel.
7.5.2 Selección de conectores Ópticos.
En la tabla 7.3 se muestran algunos parámetros de interés para conectores de fibra unimodo que podrán utilizarse, las características más importantes de operación y diseño se han tratado en la sección 3.4.1 .
115
Parámetros Diámetro nuc./reves.(pm) Pérdidas por inser. (dB) Temperatura de operación m’n. (Y?) máx. (%)
Durabilidad de conexión (num. de conexiones) Material de la férruia
-potencia Óptica acoplada a la fibra
FC 91125 < 1.0
-40 80
> 1000
acero inoxidable cerámica
5.2 dBm *
> 1000 1500
cerámica
500
Tabla 7.3: Características de conectores para fibra unimodo: FC 1111, D4 (111, ST [12], SMA906 (131 y BICONICO 1121.
7.5.3 Presupuesto de potencia óptica.
A fin de evaiuar la atenuación total del enlace, se muestra a continuación un balance de pérdidas en donde se indica en detalle la atenuación en cada uno de los componentes del sistema.
-pérdidas en conectores -atenuación en la fibra -pérdidas en empalmes -margen de operación
Atenuación total -semitividad del receptor
Margen del sistema * Nivel de potencia referido a 1 mW
7.6 Mediciones.
2.0 dB 6.0 dB 0.5 dB 8.0 dB
21.7 dB -52.0 dBm *
30.3 dB
Una vez instalado el cable, es necesario comprobar el funcionamiento y calidad del mismo, esto puede lograrse llevando a cabo la medición de algunos parámetros. La medición de parámetros tales como atenuación y la localización de fracturas o desperfectos en la fibra ocasionados por
116
las operaciones de instalación se considera como una prueba de aceptación para un enlace de fibra óptica; estas mediciones tienen como propósito comprobar la calidad del enlace.
7.6.1 Potencia óptica.
Uno de los parhe t ros más importantes a medir en un enlace de fibra óptica es la potencia Óptica. Para llevar a cabo esta medición, se utilizan medidoren de potencia óptica. Existen difc rentes tipos de medidores de potencia (portátiles y para laboratorio) adecuados para diferenta longitudes de onda e intervalos de potencia. Antes de efectuar cualquier tipo de medición, es necesario tener una estimación de la magnitud de potencia óptica que se desea medir y conocer la longitud de onda de operación a 6x1 de seleccionar el medidor adecuado.
7.8.2 Atenuación.
La medición de la atenuación se puede lievar a cabo haciendo una comparación entre una señal Óptica inyectada y la señal que ne obtiene a la salida de la fibra (figura 7.14), eats técnica se conoce como medición por inserción, otra forma de llevar a cabo la medición es utilizando un reflectómetro óptico en el dominio del tiempo (OTDR I).
Las mediciones pueden hacerse en secciones de fibra, c o n d o n a (permanentes y no peima- nentes) ad como también en dispositivos. Por medio del mCtodo de inserción, se pueden lograr mediciones muy exactas, el error en la medición depende de la estabilidad de la fuente Óptica y del medidor de potencia.
Figura - 7.14: - Método de medición de atenuación por inserción. ' Optical Time Domain Reflectometer
117
7.6.3 Reflectometria.
La reflectometn'a óptica ea un método de caracterización fibras ópticas que se basa en la medición de la luz retrodispersada en función del tiempo cuando una onda de luz es inyectada dentro de la fibra; en base a esta técnica se ha desarrollado un método para la medición y localización de fdss y rupturas en fibras ópticas, este método es utilizado por los OTDR's. Como se mencionó en la sección anterior, mn este instrumento se pueden determinar algunos parámetros de gran interés para evaluar la calidad en empalmes y enlaces en general; sin em- bargo, una aplicación muy Útil del OTDR es en la localización de averías en cables ya Instalados en donde el instrumento detecta y ubica íísicamente el punto donde se está presentando una atenuación mayor a la tolerada o una discontinuidad óptica.
En la figura 7.15 se muestra la forma de onda de una medición en un OTDR. Por otro lado, actualmente existen en el mercado refiectómetros ópticos que detectan niveles de atenuación del orden de 0.02 dB con alcances de operación de 20 a 30 dB, lo que repreeenta distanciaa de 50-75 km a la longitud de 1.3 p m y de 80-120 a 1.55 prn.
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Figura 7.15: Ejemplo de una medición en un reflectómetro óptico en el dominio del tiempo (OTDR).
118
B i bliografia
[I] “Standard construction of composite fiber optic groundwire (OPGW) for use on electric
[2] Compañía de Luz y Fuerza del Centro: ” Manual de diseño y normalización de líneas de
[3] Alcan-Sumitomo Electric, Inc.: “Specification for composite fiber-optic overhead ground
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191 Comisión Federal de Electricidad e Instituto de Investigaciones Eléctricas: “Manual de diseño de obras civiles”, México 1983.
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1111 Seiko Instruments Inc., Fiber optic products, 1989.
1121 Storm Products Co., 1990.
(131 Ofti Products, Fiber optic connectors, 1990.
119 I
Capítulo 8
Conclusiones
En este trabajo de tesis se llevó a cabo un estudio de factibilidad técnica de la utilización de fibra óptica unimodo para comunicación entre subestaciones eléctricas utilizando como medio de soporte las líneas de alta tensión. La aportación personal consistió básicamente en la evaluación detallada de esta tecnología, de su potencial de uso en el Sistema Eléctrico Nacional y del desarrollo de un ejemplo de aplicación. Debe tomarse en cuenta que hasta ahora (1991) no se ha instalado ningún enlace en el sector eléctrico en México con este nuevo tipo de fibras. Las conclusiones más importantes de la realización de esta tesis son:
o Los sistemas por fibra unimodo son uno de los desarrollos más recientes en el área de co- municaciones ópticas, y su utilización es prácticamente la m b conveniente en aplicaciones de larga distancia y gran capacidad, como lo demuestra la aceptación que han tenido por las companías telefónicas.
o La tecnología unimodo estándar utiliza la longitud de onda de 1.3 pm y fibras de índice escalonado. Sin embargo, se observa una tendencia al uso de sistemas que operan a 1.55 pm con fibras de dispersión corrida; en esta longitud de onda, la atenuación es m'nima (0.25 dB/km).
Para redes eléctricas como la de nuestro país, en donde existen distancias a comunicar entre subestaciones muy largas, la comunicación por fibra unimodo abre la posibilidad de omitir el uso de repetidores en distancias menores a 92 km operando en la longitud de onda de 1.3pm. Por otro lado, para enlaces entre subestaciones en donde se requiere el envío de señales de comunicación a través de distancias mayores a 92 km; existe la opción de utilizar fibras unimodo estándar o de dispersión corrida operando en la lonetud de 1.55 pm. Utilizando el último tipo de fibra se logra aumentar la distancias entre repetidores
120 I
hasta 175 km (como se ha mencionado en el capítulo 6).
0 A partir de datos proporcionados por fabricantes, ne determinó la distancia maxima entre repetidores para tres diferentes casos (sección 6.2). Se pudo comprobar también que no existen limitaciones por el ancho de banda ya que, para esta aplicación, no se requieren velocidades de transmisión muy altas. Sin embargo, en caso de que se requiera conectarse a la red telefónica pública será necesario disminuir la distancia entre repetidores si se requiere transmitir a velocidades mayores de 400 Mb/s, como es el caso de lejerarquía de transmisión a 565 Mb/s. Un sistema de 140 Mb/s no tendrá ningún problema.
o De acuerdo con información obtenida del total de kilómetros de líneas existentes (400, 230 y 115 kV ) hasta finales de 1988, se determinó que aproximadamente el 82% de estas líneas pueden cubrirse sin necesidad de repetidores utilizando fibra unimodo a 1.3 pm. Así mismo, se determinó también que para líneas en programa (1991-1997) se puede cubrir un 70% del total.
Los planes de la CFE para instalar nuevos enlaces de fibra óptica como el del área metropolitana de Guadalajara, Jalisco, demuestran la aceptación de este medio en el Sistema Eléctrico Nacional. Hasta ahora, los enlaces ya instalados son de corta distancia, por lo cual, se ha optado por utilizar cables de fibra mdtimodo. No obstante, existe gran número de distancias a cubrir entre subestaciones, en las cuales se podría justificar el uso de fibra unimodo, ademáa de que también podrían utilizarse para comunicar grandes plantas generadoras con Centros de Control ya que, para este cüüo, se requiere un número de canales mayor al que el sistema OPLAT puede proporcionar.
o Es difícil predecir el crecimiento de la demanda de canales de comunicadón; sin embargo, se anticipa un crecimiento mínimo entre el 10 y 20% para el aiío 2000 considerando que la infraestructura del sector eléctrico crece a una tasa real de entre 1 y 2% anual.
o El comportamiento mecánico del cable óptico una vez instalado sobre las líneas de alta tensión se determinó a partir del cálculo de flechas y tensiones bajo condiciones extremas de temperatura y carga de viento. Los resultados obtenidos de este análisis demuestran que es posible utilizar las estructuras ya instaladas sin presentarse problema alguno por aumento en las tensiones en los puntos de apoyo. De acuerdo con los resultados obtenidos, se determinó que para cable tipo interconstruido la carga presente en los puntos de so- porte será de 1240 kg en promedio; mientras que, para cable sujeto ai hilo de guarda la carga promedio será de 880 kg. Los resultados obtenidos representan un valor menor a la máxima carga que pueden soportar las estructuras de la línea estudiada: 1300 kg (dato
121
proporcionado por la Compañía de Luz y Fuerza del Centro).
Por otro lado, para cable autosoportado no fué posible determinar las tensiones y flechas que se presentarán, ya que no se contó con información técnica suficiente para caiculario. Sin embargo, considerando el peso del cable y las experiencias obtenidas por diversas compañías que lo han instalado, se puede anticipar que la instalación del cable no ex- cederá el peso que llegan a soportar las estructuras.
Considerando que la transmisión de señales de comunicación no es afectada por problemas de falla en la línea, se presenta la opción de utiiisar las torres de las iíneas de alta tensión para instalar cables de fibra Óptica para propósitos ajenos a las compañías eléctricas (renta de canales para Comunicación). Esta aplicación resultaría muy benéfica para empresas que requieren comunicarse a través de señales de voz y datos en zonas en donde no exis- ten líneas telefónicas, y en las cuales, la instalación del cable por la compañía telefónica (comúnmente subterráneo) resultaría muy costosa.
La utilización de los sistemas tradicionales de comunicación en el sector eléctrico, seguirá proporcionando un buen soporte para satisfacer Iaa necesidades de comunicación. Sin embargo, éstos tienen limitaciones bien definidas en cuanto a capacidad de transmisión, distancias máximas de enlace y en los casos de radio, microondas y satélite, la limitación está dada por el problema de asignación de frecuencias. Debido a lo anterior, en líneas en donde se prevee un crecimiento notable de canales de comunicación, los sistemaa de fibra óptica son una opción muy importante, particularmente, los que utilizan tecnología unimodo.
Actualmente, el costo de los sistemas de fibra unimodo es ya menor al de los sistemas comúnmente utilizados (OPLAT, por ejemplo) hasta una distancia de aproximadamente 20 km y menor aún si se considera el parámetro de costo por canal. Para distancias más largas, el costo es más elevado y su justificación económica podría darse con relación a un mayor número de canales, la renta del derecho de vía o el incremento en la confiabilidad y calidad de la transmisión. Debe considerarse también, que la gran capacidad de las fibras unimodo permite satisfacer la demanda de canales de comunicación conforme esta vaya creciendo sin necesidad de cambiar el cable óptico, unicamente los equipos terminales.
122
8.1 Perspectivas.
Las perspectivas que se preven y recomendaciones que se pueden dar para trabajoa fu tum tomando como base el trabajo redizuio en esta tesii son:
0 La realización de un enlace piloto de fibra óptica unimodo en alguna Unea de transmisión eléctrica del paíi, a fin de e d u a r en forma práctica esta tecnología y que las experiencias obtenidas sirvan para enlaces futuros.
La operación de sistemu a 1.55 pm con fibrss unimodo est índu o de dispersión corrida, en distancias muy largu y p u r fines no sólo de las compañías eléctricas, iino también de empresas ajenas con el fin de utilizar el derecho de vía de las líneas de transmisión.
o Evaluación del uso de amplificadores ópticos p u a evitar el uso de repetidores conven- cionales y 10s problemas de mantenimiento que se presentan con d o s .
o La intepción de una red de comunicación nacional por fibra Óptica unimodo para el sector eléctrico, mediante la cud sea posible transmitir voz, datos, señales de protección y control y mediciones entre centros de control y plantas generadoras o subestaciones.
Estudio de la factibilidrd del uso de sistemas de comunicación por fibra unimodo que utilizan técnica8 Ópticrm coherentes para lograr incrementu aún mis 18 separación entre repetidores, al obtenerse una mejora en la sensitividad de fotodetección de aproximada- mente 10 dB.
123
. . __ __ . .
Apéndice A
Pruebas para cable interconstruido.
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El propósito de llevar a cabo pruebas a cables como el tipo interconstruido es evaluar la calidad para resistir las condiciones ambientales a las cuales están expuestos los cables áereos. Estas pruebas son recomendadas por el Standard Construction of Composite Fiber Optic Groundwire (OPGW) para uso en las líneas de alta tensión de las compañías eléctricas (P1138).
I I
A.1 Prueba de ingreso de agua.
Esta prueba es diseñada para comprobar el bloqueo de agua al interior del cable, se lleva a cabo de acuerdo a los requerimientos de la norma EIA-455-82A.
A.2 Prueba de corto circuito.
Para esta prueba, deberán colocarse al cable los accesorios necesarios y aplicarse una tensión de al menos el 2% del esfuerzo Último de tensión. La prueba se lleva a cabo mediante pulsos de corriente que se aplican al OPGW. Cada pulso de corriente que se aplica deberá ser como máximo del valor límite especificado por el fabricante o el requerido por el usuario; la duración y amplitud serán de acuerdo a las especificaciones utilizadas para la prueba. La duración de la corriente de falla no deberá exceder de 30 ciclos. Cada pulso de corriente deberá ser aplicado con asimetría completa. La atenuación óptica de las fibras en prueba deberá monitorearse continuamente con al menos 2 métodos de monitoreo y de 2 a 5 minutos al menos después de cada pulso de corriente.
A.3 Prueba de vibr'ación eólica.
El objetivo de esta prueba es apreciar la función de fatiga del OPGW y las características ópticas de las fibras bajo vibraciones eólicas típicas. El cable deberá ser tensionado al 25% f 1% del esfuerzo de tensión límite, el claro de prueba deberá ser de 20 m como mínimo.
Para simular la vibración en el plano vertical, se utiliza un agitador controlado electróni- caniente (figura A.l) . El agitador deberá colocarse en el claro de tal forma que permita un mínimo de 6 lazos de vibración entre el herraje de suspención y el agitador. El cable estará sujeto a un mínimo de 100 millones de ciclos de vibración.
Las mediciones ópticas se harán utilizando una fuente de luz con una longitud nominal de 1.55 pm para fibras unimodo. La fuente se divide en dos señales, una de ellas será conectada a un medidor de potencia óptica y se tomará como referencia; la otra seüal se conectará al
> I
extremo libre de la fibra de prueba. La seiid de retorno se conectará a un segundo medidor de potencia óptica.
Una medición inicial deberá tomarse cuando el d u o es tenaionado de 1335 a 2224 Nw aproximadamente antee de la tensión find. La diferencia entre lae dos señdes para la medición óptica inicial provee un nivel de referencia. El cambio de esta diíerencía durante la prueba indicará el cambio en la atenuación de la fibra de prueba.
HERRAJE OE TDiISION HERWE DE SUSPENSION HERWE M TENslON
3 ü m MlNlMO
Figura A.1: Prueba de vibración eólica para cable tipo interwnstruido.
A.4 Prueba de gaiopeo.
El objetivo de esta prueba es determinar el funcionamiento de un OPGW y las características ópticas de las fibras bajo movimientos de galopeo. El cable deberá ser tensionado a una tensión de al menos el 2% del esfuerzo de tensión límite.
Para la realización de la prueb'a, se utiliza un arreglo similar ai de la prueba anterior, sólo que en este caso el segundo claro es de 20 m de longitud y el cable se sujeta a un m'nimo de 100,000 ciclos de galopeo. Los medidores de potencia óptica estarán monitoreando continua- mente al menos una hora antes de la prueba y al menos dos horas después de concluida la misma.
I
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A.5 Prueba de polea.
El objetivo de esta prueba es verificar que el tendido del OPGW con el tamaüo de polea y procedimientos recomendados no daíiará ni modificará la calidad de leci Abras ópticas.
La longitud de prueba de la fibra óptica deberá aer de al menos 100 m. La muestra de cable se conduce a una polea. El diámetro momendado para la polea deberá ser 40 veces el diámetro del cable. El cable se jala de un extremo aplicando el 25% del esherzo de tensión límite a un ángulo de deflexión de 3 6 f 2O.
La muestra de cable de 2 m de longitud ne jala hacia adelante y hacia atrás (a través de la polea) una cantidad de 35 veca en cada dirección (70 en total); para &to deberá marcarse el punto inicial, medio y final de este tramo de longitud.
Se deberán tomar mediciones al pasar el cable por primera vez por la polea y de allf en adelante cada 10 ciclos. Después de que la prueba es terminada, lor alambree. de acero recubiertos de aluminio serán removidos en la sección de prueba y el diámetro del tubo de aluminio será medido en y entre loa puntos marcados.
A.6 Pruebas de compresión e impacto.
Las pruebas de compresión e impactos se llevan a cabo en una muestra de cable de aproxi- madamente 1 m de longitud, de acuerdo al método propuesto por las normas IEC-794-1-E3 y IEC-794-1-E4. Un incrento temporal o permanente en el valor de la atenuación Óptica mayor a 0.1 dB en una muestra de fibra unimodo a 1.55 p a se considerará como falla.
A.7 Prueba de arrastre.
Las pruebas de arrastre se realizan a muestras de OPGW de aproximadamente 10 m de longitud; el cable deberá someterse a una 'tensión de al menos el 25% del esfuerzo de ruptura límite. El esfuerzo se aplicará por una duración de al menos 1,000 h. La elongación del cable contra el tiempo deberá ser medida a intyvalos apropiados.
A.8 Prueba de esfuerzo a la fibra.
Las pruebas se relizan a tramos de cable de 10 m de longitud como mínimo, el cambio en la longitud de la fibra puede medirse por medio de transductores de desplammiento. La muestra
127
estará sujeta a carga mientras si llevan a cabo I s i medicionea de: cuga aplicada, elongación del cable y esfuerzos del cable a interdon apropiados demb de v u i d n de la longitud de las fibras ópticas a intervalos regulares y con incremento de irecuecia a cargan mayores.
La carga podrá ser interrumpida anten de que el OPGW se quiebre, por ejemplo, al 80% del esfuem de ruptura límite o cdntinuar hasta que el u b l e re quiebre.
A.8 Prueba de margen de esfuereo. I
Esta prueba se aplica a cables de 10 m de longitud (por lo menos) y en útil para determinar la cantidad de esfuerzo que un cable puede mantener nin truinfuirlo a la fibra. La muestra de cable se estira mientm se mide la carga de teniión, el d u e r a o del uble, la atenuación y longitud de la fibra. El margen de esfuerzo del cable se alwss cuando la fibra comienza a elongarse a la misma razón que el cable.
A.10 Prueba de esfuereo-tensión.
Esta prueba se realiza de m e t d o a un método de prueba duermtenr ión de conductora de aluminio y conductorem de aluminio reforzad- de acero cditdo por el Technical Committee on Electrical Conductor de la Aluminum Associetion. Cualquier daño visual al conductor (tempord o permanente) que incremente la atenuación óptica en más de 0.2 dB/km se podrá consideru como falla.
A.11 Ciclo de temperatura.
Los cables ópticos deberán mantener sus características mecánicas y ópticui cuando sean ex- puestos a temperaturas extremaa de -4OOC a $85OC. El cambio de atenuwión entre tempera- turas extremas no deberá ser mayor que 0.2 dB/km para fibra unimodo. Par. fibra unimodo estándar, la medición de cambio de atenuación deberá hacerse a 1.3 y 1.55 pm; mientras que, para fibra unimodo de dispersión corrida las mediciones se harán a 1.55 pm.
NOTA: Para las pruebas que se kencionan en las secciones: A.2, A.3, A.4, A.5 y A.9, un incremento en la atenuación óptica medida mayor a 1.0 dB por kilómetro de fibra de prueba a 1.55 prn podrá considerurc como falla. Todm los e m p d m a y conexiones ópticas que se realicen para llevar a cabo IM pruebaé, deberán mantenerse intactos durante la duración de éstas. I
128
Apéndice B
Hojas de datos: I emisores y detectores ópticos.
129 I
HLl323DM InGaAsP LD Description
HL1323DM Is a 1.3 pm InOaAsP laser diode with double heterojuncüon suuc?~rr.
It io suitable as a l i t sourca in short- to inter- mcdiate-dkimce fiberoptic mmmunkatiom sys- tems. e%. LAN, CATV and UN.
The Iiser barn mmcs out from the connected smgie-mode fiber: monitoring m n t by a buili-in photodiode.
-Fiber specihlions- Mode iield diameler : 10.0 f 1.0 @I CutotTwavelength . 1.10-1.20 pm Core diameter : 10pm Outer diameter : 125 pm Jacket diameter : 900 pm Fiber length : More than 500 mm
Featores o Long wavelength ügtlt oUQUt:
= 1260-i340nrn o 0.3 mW CW and yulss operation aI mom ICm-
o Fast pulse rcpponse: I,, 1( si 0.5 IIS o Built-in photodiode lor moniipnng laser oUQUI o Package with thinner-height
perature
Absolute Mardmum RdUgs f l c 9 25-0 It"- smibo* v.(ua UnIU
~~ ~
F l k r opücai P. 0.3 rnW ournut Dowsr
Laser diode revame Vw, 2 V voltage Photodiode revarw V., voltage Photodiode forward I
V
mA I l6
current opsratingtamperetwe 1- oto* z Storago temperatura Tt. -2olo+?o z
P*ei;age Dimensions
3 DM-NPe tunn: M I 1
Pin Connection (Bottom view)
O p t i d and Electrid tlhm&e&tic~ Cr, - 29C, lteM Syiibob min. typ. mar Units Testcondltions
Threshold current 1. I nt.arop~w~outputWwsr P, ' 0.3 rnW Kink free
30 50 rnA
rnW I, - a+ 26 rnA 0.14 1180 1300 13éü nrn P, - 0.16 rnW Liainp wavelength A 0
SpecIra1 width A A 2 nrn P, - 0 3 mW Rise time t. o 5 ns P,-a15mW. L.-L 101090a
0.5 nu P, - O 15 mW. b. - Sato 10% Fall Urne 4 Photodiode dirk current bu. 350 nA V " ~ , - 5 v Monltor currenl i r ' 100 @ v,,, - 5V. P# - O 15mW Photodiodecapscitenw & 1 10 20 PF V.,,, - 5 V, f - 1 MHz
178 Hitach1 Amnca Ltd Hilachi Plaza 2OOOzra Point Pw Bmbane. CA 94005-1819 (415) 589-8300 HITAGHI
Description HL1541BF is a DFB laser dodi module in a 14-
pin buttefly-type package with a built-in thenno- electronic controller and connected single .mode fiber.
It is suitable 8s a light source in high-speed modulated, high-bit-rate, longdismce fiberoptic communications equipment. ~
The built-in thennoelectronic controller func- tions to keep the l a s r chip ope l ion at a constant temperature.
-Fiber specifications- Mode field diameter : 10.0 i 1.0 pm Cutoff wavelength ;. 1.10- L20 p m Core diameter : 10pm ' Outer diameter : 125 p m ~ Jacket diameter : 900 pm, Fiber length : More than 500 mm
Features 8 Long wavelength light output:
o 1.0 mW CW and pulse operation at mom tem-
8 Dvnamic sinde loneitudinal mbde:
E 1530- 1570 nm
perature - - S, = 35 dB typ.
8 Hi&-soeed modulation (1.8 Gb/s) 0 Sibiliied operation with built-in thennoelec.
tronic controller
I
Absolute Maximurn Ratings (T, = 25'C) I t m S symbols Valun Unih Fiber optical P, 1 .o mW output power I Laser diode reverse V.,,, 1 2 V
Photodiode reverse 'fa-, 15 V voltnae Photodiode toward Ir_, ' 1 mA . -. currant Cooler current C 1.4 A operatmg temperature 7, 1 O to +WI r: Swrage ternpernure 7, -4OU>+70 Y:
Package Dimensions
r- !I ?+++
3 IUnt mml
BF-type
Pin Connection (Bottom view)
u): Leser di& PD; Photodiode
T. E. C. : T. E. cools, SMF; Singlbmode fibsr
m; Thsrmima
0 T.E.C.amde @ N.C. @I N.C. @ N.C. @cesa @ N.C. o ~ ~ c a t h d @I PDenode @I LDMhode @ u) anode (carel 0 Thammor 62 Thmmor 6 N.C. Q T.E C.calhade
-ACHI 234 Hitachi Amm LId h a c h i Plaza 2000 Skrra Point Pkwy Brisbane. CA 94iXS1819 (415) 58-
HLl541BF InGaAsP LD
Package Dimensions
t E
Mlt: niil
6 F - W
Pin Connection (Bottom view)
n: n*miiaor T. E. C. ;T. E. end81 SMF: Sinolwrod. ciba
6 T. E.C.- N.C.
@ N.C. Go N.C. @ - 161 N.C.
@ N.C. 63 T.E.C.csmoda
iCHI
HL1541 BF
lum S I m W nJn trp. mu. Unib Tatcaidltlono
Rber opucai outpul pwwr Pi 1 .o mW Kink irea
Lasing wavelength a. I 1- 1swI 167ü nm PI - 0.5 mW
S ~ O d S W P P r e r d o n s, w 35 dü PI - 0.6 mW, CW nu0 Rise lime t. 0.2 ns b -b tom 90% Fall lima 4 0.3 M b-L.90(0 10%
Photodiode dark current I-. I 3E4 nA Vm-6V Monimr curmi 4 ~hotodiOdeca~18~1mnes C, 10 20 PF Photoiensihrly ~ N i a d O n V, 2 V dmge COdinE faPaCi(v AT 40 ‘c
cwi.r wnant ic I cookfwltsge vc ThennistarreDistance R, 10 to
Thrwhoid cumni c 30 60 mA
I 0.3 mW ir - I. + ?o mA
1 . 3 mA V,, - SV. P, - 0.6 mW V, - 5 V, f - 1 MH,
Tc - WC. P,- 0.5 mW 1 A A dT- 4QC
I 1.8 V AT- 4Qc
HR1103TG' InGaAs PIN Photodiode
Hitachi Amarica Lid. Hitachi Plaza
Description HR1103TG is an InGlAs PIN photodiode for
detecting 1.0- 1.65 p n light. Its high speed pulse response makes it suitable
as an optical signal detector in high-bit-rate fiber- optic wmmunications equipment. 1
Hermetic sdmg of the package achieves high reliability.
309 @ H ITACHI 2M)o Sieria Point Pkwy. Bnsbane. CA 9ooo5-1819 (415) 589-8300
Features o Fast pulse response
High sensitivity : I,. t, - 0.5 ns typ. : S = 0.9 m N m W typ. hp PIISSO nm) IDARK~ - 1 nA ~YP. C, = 1.0 pF iyp. 100 pm din.
0 Low dark c u m t o Small capcilance o Photodetectable area
ltsm Spmbob Values Units RWBW voltage V" 20 V
Reverse current 4 500 iiA Opemíing l8mperaNm 1, -4Oto+80 T Storage mmpareNra T., +46m+toQ T
Forward currenl ir I .o mA
Package Dimensions I a . 4 t O . 2
b Optifal md E l d d C ~ I I & I W C S f l c ltsM Dark currant iour
2 5 ' 0 I 0)nnbc.b min. WP. IM. Units Tastconditlom
1 20 nA v.-5v 1 .o 1.5 PF VR - 5V. f - 1 MHz Capocitenu, G I
Sensiwiiy s, I 0.73 0.86 mMmW V, - 5 V,a - 1300 nm 0.S mMmW V. - 5 V, a - 15W nm Ct
2 V Photossnsitivtly vm wtumuon volwe RIM time 1,
Fail time 4
0.5 na v. -5v. a - 13mnm
0.5 na v. - 5v. a - 1300 nm R,-WQ
R, -WQ
H R1201 TGl InGaAa Avalanche Photodiode
úlaximum mulUpiicaUon M. fector
Description HR1201TG is M InOsAs avalanche photodiode
for detening 1.0-1.6S.pm ü&t. l(s high speed pulse response makes it suitable
as an optical signal deteaor in bib-bil-nts fiber- optic communications equipment. I
Hermetic scaling Of the peckage achieves hi8h reliability.
Features 0 High sensitivity
0 Lowdarkcurrent Smallcapacitance
0 Photcdecectabb MP 0 High multiplicsh
ratio :hi =&O. High cut-off fRqUenfy : .G - 30 typ.
j
: S - 0.9 mAlmW typ. (b - 1550 nm)
: lDABx 1 - 2 nA typ. : c, I 0.5 pF typ. : 50 &m!dm.
30 40 & - 13W nm. 1m-2w
I Absolute Maximum Ratings CrC- 25%) namr Svmbob V.k ia unm
Reverse current 1" 5w w Forward current c 10 mA
Operating temperature T- +40la+fJo i: Storage temperature T, +46 la +lW -c
Package Dimensio& , 46.4tO.Z
TG-Nps
o Internal Circuit r _ _ _ _ _ _
@ Q
Apéndice C
Hojas de datos: cables y fibra óptica. I
I 130
STRUCTURE OF COMPOS ITE FIE ER - OPTIC /OVERHEAD GROUND WIRE
fig. 1 Cross kection of OPGW I
fig. 2 Cross-section of optical fiber unit bundle
Note: 24 fiber OPGW will have two empty grooves.
I
I Alcan - Table 2: Composite F i b O p t i c Overhead.6ro~nd Mire (Opa) with 24 and 36
f 1 brs
!
9217823 .DOC
AERIAL FIBRE 'OPTIC CABLE FOR'POWER LINE . . ROUTES
. . .. .
. . I OPTICAL FIBRES
. .
. .
. .
ADVANTAGES e SimDle and economical l way tó implement a iarge capacity communications system wherever an electrical distribution system already exists or is planned.
e Lightweight design allowing for installation by direct tension stringing.so reducing the installation problems often experienced over difficult terrain.
.Minimum disruption to the power supply during installation is made possible by the positioning of the cablebelow the existing conductors. .Totally non-metallic construction minimizing risk to personnel working along live power line routes. .Complete cable systems offered covering cable design and manufacture. the
supply of associated end equipment and hill instaliation management. Description Thnsiite is a self-supporting, non-metallic cable for installation on electrical supply tower and pole systems with spans of up to 500m.' 'Designs for longer spans are available but are determined by tension and sag constraints within prevailing climatic conditions
Construction Cables with up to 24 single or multimode optical fibres, contained in loose tubes
covered with an anti- tncking, uv resistant polymer sheath.
l+d-up with non-meollic strainbad ng members, can be pmided. The cable is
Attenuation Dispersion
FIBRE TYPES Singlemode optical fibres to CClTT recommendation G 652
Maximum 0.5 dBllmi at 13-
Maximum 6 ps/nm.km at 13oOnm 1550 nm &ormywe available on appü&on
Maximum external diameter (mm) Nominal cable weight o<-) 1 standard drum length (im) I Breaking load (kN) Maximum workine tension ílrhn
Attenuation Bandwidth
I Maximum 1.3 &kmP 13- Maximum 3.5 dB/knl Y 85Onm
I UD to 1200 M H 2 . h
16 260
2 o r 4 100 25
I Where rrquirrd. o<ba íibrc typce could k consided I
Numberoffibres I UD to 24 I CABLE TECHNICAL DATA
Maximum tension without she& damage (kN) lfrpically 80 Tensile modules ímin) IkN/mm21 20.5
krmanent set I 400 During iwrallation I 200 Minimum bending radius (mm)
~ o m i m i cable strain at maximAm working tension
1 Operating temperature range ( 0 , ~ ) I -40to +70 I I
0.63%
PERFORMANCE CHARA~ERISTICS
Fibre strain (at maximum working tepsion)
I Soanim) I 300 I 400 I 500 I
0.3%
Nominal installation tension (kN) Minimum normal working sag (m) FOR COLD CLIMATW (80 km/h winds. 13 Omm ice)
13 15 11 2.2 3.3 7.0
! Ice loaded sap (m) I 8.2 12.3 I 194 i
CORNING Coming" Optical Fiber Cang.NY (4831 'ki (607)974-Mtl Taer 932451 Far (607) 974-7522
kwluct Inkwmetion
SMF-28m CPC3 SingbMode Optical Fiber
..PL-ll . , . .
Is&: 3191
cupersedes: 1rm __ ' '
. .
Corning SMF-28nl optical fiber is a non-dispersion shifted single-mode fiber with a nominal mode. field diameter of 9.3 prn. The dispersion minimum. where the fiber intonation carrying capacity is a maximum. is in the 1300 nm waveiengih region.
CPC3 is a mechanically strippable &ylate coating wiih a 250 nominal outside diameter. It is used primarily in loose tube and slotted core cable designs.
Corning SMF-28 CpC3 optical fiber is designed to &I precent day requirements of improved 1550 nm performance through enhanced bend resistance. A modafield diameter of 9.3 prn provides excellent bend resistance in the 1550 nm region where induced attenuation due to excessive bending in splice trays or cables may hampar system performance.
Applications for this product include. longhaul telephony, interexchange. feeder and distribution markets carrying data, voice andlor video services where system upgrading 10'1550 nm is a design requirement. I
~
Optical Speciticcltions I Anenuation:
Sfandard Aítenuafion cells:
Wavelength
1300 nm 50.36 I 1310 nm (0.35 50.40 1550 nm 5 0.25 50.30
Available in limited quantities.
Attenuation Unilorrnity: No point discontinuity greaie6 than 0.1 dB al either 1300 nm or 1550'nm:
Page 1 of 5 c 19P' Cornino IncorDoraleC
i Affenuafion at the Warer Peak: The attenuation at 1383 f 3 nm shall not exceed 2.1 dühm
Aftenuafioh Versus Wavelength: The attenuation for the wavelength region )c, to 14 does not exceed the attenuation at more than a dükm.
by.
_.. 1330 1525
I 1285 I 1310 I '1310 I 0.10 I 1310' 11310 0.05 1575 1550 0.05
Mandrel Number Wavelength Diameter [mrn] jof Turns [nml
32 1 1550 75 100 1300
Induced Attenuation [dB]
5 0.5
S0.05
75
Mode-Field Diameter:
1 loo 1550 so.10
9.3f0.5 p at 1300 nm 10.5 f 1 .O p at 1550 nrn
Dispersion: I Zero Dispersion Wavelength (Ao): Zero Dispersion Slope (So): Dispersion Calculafjont
4
1301.5nm<ñO< 1321.5nm 5 0.092 ps/(nrn2*krn)
Dispersion = O@) ps/(nm* krn). for 1200 nm 5 X S.1600 nrn
I
Page 2 of 5 PL- I I
I ' I Attenuation[dBhml 1 1 Environmental Test Method
Induced
I I 13Günm 1 1550nm
Temperature-Humidity Cycling -lO°C to +85"C and 4% to 98% Relative Humidity
Water Immersion. 23°C ¡
Temperature Dependence 1 I 50.05 1 5 0.05 - 60°C to + 85°C
'0.05 s 0.05
50.05 . 50.05
I Heat Aging, 85°C I 50.05 1 '0.05 I Operating Temperature Range: 1 -60°C to +@"C
Dimensional Specifications
Standard Length Range: 2.200-25.000 m
Glass Geometry:
125.0 f 2.0 pm <l.Opm <2.0%
j Chdding Diamefer: Core to Cladding Offset: Ciadding Non-Circu/arity:
Defined as: - Min. Cladding Diameter loo 1 M a . Cladding Diameter I Coating Geometry:
Coating Diamefer: Coating Concentricity: 2 0.70
250 f 15 pm
Defined as: -Min. FOating Thickness Max. Coating Thickness
I Mechanical Specifications
Proof Test:
The entire length of fiber is subjected to a tensile proof stress equivalent to 50 kpsi (0.35 GN/m7) or 100 kpsi (0.70 GNW) for a 1.0 second dwell time. . .
I Pertomema Characteikaflons
4.0 - 3.5 -
- 3.0- E
2.5-
Characterized parameters are typical values:
Core Diameter:
Numerical Aperture:
8.3
0.13 I,
NA was measurediat the one percent power angle of a one-dirnensional far-field scan at 1300 nm. : 1312 nm Nominal Zero Dispersion. Wavelength (&J:
Nominal Zero Dispersion Slope (So):
Refractive Index Difference:
Effective Group Index of'Refraction (Nan):
0.090 ps/(nn+ km) . .
0.36%
1.470 at 1300 nm 1.470 at 1550 nm
i !
Ne" was empiricdy derived to the third decimal place using a specific commercially available OTDR. I
nm d m a 850 1.81 b . 13W 0.35 C 1310 O.% d 1380 0.40 e lSC4 0.19 I
Fatigue Resistance Parameter (n): 22
I
Page 4 of 5
Refractive Index Profile (typical hber): I
8 0.7 X 0.6 3 0.5 3 0.4 cn
0.3 U 4 0.2
0.1
0.0
m
I -0.1 I
-25 -15 -5 O 5 15 25 Radius (pm)
Ordering lnformation
To order Corning SMF-28”” C k 3 optical fiber. contact.your sales representative or call the Telecommunications Products Division Sales Department at (607) 974-4270. Please specify the following parameters when;ordering:
I
Fiber Type:
Coating:
I Corning CMF-26 single-mode fiber
CPC3 (250 pn outside diameter)
Desired Aitenuation’Cell: ’ dBkm
Reel Length: 2,200-25,000 meters Total Number of Reels: - Proof Test: 50 kpsi (0.35 GN/m2) or 100 kpsi (0.70 GN/m2)
Page 5 of 5
Corning" Optical Fiber M u d lniormetion
.. Tebx 7; (607) 932498 974-4411
Fax (607) 974-7522 I
SMFlDSm CPC3 Sin IeMode Di Shi a edOptical iber Tion- I
Gemml
Coming CMF/DSTU singlwmde dspersion-shilled fiber is d e s i lo operate in the 1550 nm region. A segmenled cwe design has lowered the s lop of the dispersion cwve while maintaining control oí the zero-dispersion waweiengih which has keen shifted to the anenuation minima point at 1550 nm. This improved performance allows systems transmitting at 565 Mbps to have regenerator spans greater than 80 km. In additi?, very long spans wkhoul regenerators. over 200 km, are achievable at lower. 140 Mbps. bit rates.
CPC3 is a mechanically slrippable acrylate waling with a 250 pm mina1 outside diameter. It is used primarily in loose lube and slotted w e cable designs.
Applications for this product inciudi long-haul tetephony. opticai gr&nd wire and submarine cables where long spans withart regeneratws and high data rates are required. .
0Ptw-k- Attenuation: I
Anenuaiion Cell.
Anenuafion Uniformity: i No point discontinuity gr6ater than 0.1 dB at 1550 nm.
Anenuatfon Versus WavelsngM: The attenuation for the wavelength region from 1525 nm to 1575 nrn does not exceed the attenuation at 1550 nm by v e than 0.05 dükm.
Anenuation with 8end;ng: I The induced attenuation due to 100 turns of liber wrapped around a mandrel of 75 mm diameter shall be S 0.05 dü at 1550 nm. The induced attenuation due to 1 turn ot fiber wrapped arwnd a mandrel of 32 mrn diameter shall be S0.5 dü at 1550 nh.
Fiber Cutoff Wavelength (Ac,):
Cable Cutof! wavelength kc,):
50.25 dükm at 1550 nm
I 1120nmcAc, s1350nm
Act, < 1250 nm
Mode-Field Diameter: I 6.10 2 0.65 urn at 1550 nm
I
Dispersion: I
Environments1 Test Method
Zero Dispersion Wavelength (Ae): Zero Dispersion Slope (So): Total DispBfS¡Ofl: Dispersion Calculation: 1 Dispersion = D(X) = So(A-Ao) [ps/(nm-km)j. for 1500 nm4A.5 1600nm
1535 nm SA,, s 1565 nm So< 0.085 ps/(nm2. km) 5 2.7 ps/(nm.km) over the range 1525 to 1575 nm
Induced Attenuation [dEkm]
at 1550 nm
Environmental Specifications
Temperature Dependencd -60°C to + 85°C
Temperature-Humidity Cycling -10% to +85'C and 4% to 98% Relative Humidity . 1
Heat Aging, 85%
Water Imrnersjion. 23%
50.03 , '
50.10
50.05
5 0.05 -
Standard Length Range: I 2.200-25.000 m
Glass Geometry:
Cladding Diameter: 1 125.0 f 2.0 pm Core to Cladding Offset: 51.opm Cladding Non-Circulariiy < 2.0%
1 - Min. Cladding Diameter 100 1 ~ Max . Cladding Diameter
Coating Geometry: i Coating Diameter: ~
Coating Concenrnciiy: ~
250 f 15 20.70
Defined as: Mid. Coating Thickness Max. Coating Thickness
Page 2 of 4 '
Mechanicel Specificatbn8
Proof Test:
The entire length of fiber is subjected to a tensile proof stress which is equivalent to 50 kpsi (0.35 GN/m2) or 100 kpsi (0.70~GN/mz) for a 1.0 second dwell time.
Performance Characterizatlons
Characterized parameters are typical values
Attenuation at 1300 nm:
Refractive Index Difference: , The refractive index difference’between the peak of the core and the cladding is 0.9%. and the difference between the peak of the ring and the cladding is 0.3%.
Effective Group Index of Refraction (Ne”):
! 5 0.5 dB/km I 1.476 at 1300 nm 1.476 at 1550 nm
N, was empirically derived to the third decimal place using a specific commercially available OTDR. ..
Numerical Aperture: 0.17 NA was measured at.the one percent power angle of a one-dimensional far-field scan at 1300 nm.
Fatigue Resistance Parameter in): 22
Coating Strip Force: I Dry 0.67 Ibs. (3.0 N) Wet, 14 days in 65°C water soak: 0.42 Ibc. (1.9 N)
Spectral Attenuation (typical fiber):
4.0 7
3.5{ I nm dBRm a 8% 206 b 13W 041
d 15% 022 c 1380 0.51
O 0 ! t
800 1 coo 1200 1400 1600 Waveiength inmi
Page 3 of L
, Refractive Index Profile (typical fiber):
g 0.7 * 0.6
0.5 0.4
Q 0.2 0.1
0.0
To order Corning SMFDS CPC3 dispersion-shiíted optical fiber. contact your sales representative 01 call the Telecommunications Products OiviSjon Sales Department at (607)974-4270. Please specify the following parameters when ordering:
Fiber Type:
Coating: CPC3 (250 outside diameter)
Desired Attenuation Cell: I d k
Reel Length: 2.200-25.000 meters
Corning SMF/DS dispersion-shifted fiber I
Total Number of Reels: 1 - Proof Test: , ' 50 kpsi (0.35 GN/n?) or 100 kpsi (0.70 GN/mz)
I
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Apéndice D 1
Corrida del programa TEN-FLE.
I
131 I
TIPO DE CONDUCTOR : OPGW AREA CONDUCTOR (mnl2)r 92.83 DIAMETRO (m): 0.01272 COEFICIENTE DE DILATACION ( / G C ) i 12.6E-6 PESO DEL CABLE CON O SIN HIELO (Kg/m)i 0.5096 PRESION MAX. SOBRE EL CABLE CON O SIN HIELO (KgIm2)t 24 MODULO DE ELASTICIDAD (Kg/m2)i 15800 CARGA DE RUPTURA [Kg)r ?E00 TEMPERATURA MINIMA ( G C ) r - 5
TIPO DE CONDUCTOR I SUJETO AL HILO DE GUARDA AREA CONDUCTOR ( m 2 ) : 75.25 DIAMETRO (m): 0.00988 1 COEFICIENTE DE DILATACION (/GC)i 11.52E-6
PRESION MAX. SOBRE EL CABLE CON O SIN HIELO (Kg/m2): 24 MODULO DE ELASTICIDAD (Kg/m2): 15747 CARGA DE RUPTURA (Kg); 4900 TEMPERATURA MINIMA ( G C ) : - 5
PESO DEL CABLE CON O SIN HIELO (Kg/m): 0.43
436.00
210.00
503.00
199.00
366.00
452.00
335.00
535.00
223.00
161.00
732.00
625.00
398.00
376.00
520.00
211.00
813.00
190.00
436.05
213.01 I 503.26
199.02 ~
366.03 , 452.00
335.97 ~
,535. 001
223.16
161.79 I
732.00
625.03
398.02
376.18 l.
520.16 ~
211.95 I
813.06
190.00
10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20 * 00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00
1322.68 1273.54 1228.30 1304.11 1197.80 1102.99 1325.65
1248.30 1302.39 1190.51 1090.64 1318.54 1256.82 1200.72 1323.46 1276.71 1233.55 1316.35 1247.96 1186.15 1326.79 1290.24 1256.04 1305.33 1202.89
12135.59
1111.55 1297.56 1169.67 1054.68 1331.44 1309.41 1288.32 1329.34 1300.71 1273.59 1320.59 1265.08 1214.33 1319.22 1259.56 1205.24 1326.27 1288.14 1252.54 1303.98 1197.26 1102.07 1332.59 1314.21 1296.50 1301.24
4.67 4.85 5.02 1.13 1 .23 1.34 6.20 6.40 6.59 0.99 1.08 1 .18 3.30 3.46 3.62 5.01 5.19 5.38 2.78 2.94 3.09 7.00 7.20 7.40 1.24 1.34 1.45 0.65 0.73 0.81 13.06 13.28 13.50 9.54 9.75 9.96 3 .89 4.07 4.23 3.48 3.65 3.81 6.62 6.82 7 .01 1.12 1 .22 1.32 16.10 16.33 16.55 0.90
CLARO C. EFECTIVO I TFNPERATURA TENSION FLECHA lm) im) (GC) íkg) ím)
__1-o8-1-11111-11-11p-----~--lll------------------------~~--------~--=--~--- I
20.00 1185.64 0.99 30.00 1082.34 1.08
525.00 526.04 I 10.00 1326.48 6.77 20.00 1288.99 6.97 30.00 1253.95 7.16
388.00 388.68 I 10.00 1320.02 3.72 20.00 1262.78 3.88 30.00 1210.54 4.05
409.00 409.11 1 10.00 1321.23 4.11 20.00 1267.69 4.29 30.00 1218.63 4.46
842.00 842.07 1 10.00 1332.94 17.27
30.00 1298.96 17.72
20.00 1235.24 2.34 30.00 1165.23 2.48
311.00 311.16 10. Q0 1314.32 2.39 20.00 1239.74 2.54 30.00 1172.64 2.68
150.00 150.28 1 10.00 1296.04 0.57 20.00 1162.89 0.63 30.00 1042.70 0.70
478.00 478.02 10.00 1324.63 5.60 20.00 1281.45 5.79 30.00 1241.41 5.98
263.00 264.88 10.00 1309.95 1.74 20.00 1221.96 1.86 30.00 1143.29 1.99
223.00 223.05 10.00 1305.32 1.24 20.00 1202.83 1.34 30.00 1111.45 1.45
349.00 351.46 10.00 1317.51 3.04 20.00 1252.66 3.20 30.00 1193.89 3.36 ,
20.00 1315.65 '17.50
292.00 298.59 , 10.00 1313.21 2.20
436.00
210.00
503.00
199.00
366.00
452.00
335.00
535.00
223.00
161 .OO
732.00
625 .OO
398.00
376.00
520.00
211.00
813.00
190.00
436.05
213.01 I
503.26
I 199.02
366.83 1
452.00
335.97 I
535.00
223.16'
161.79,
732.00 I
625.05
I 398.02
376.18
520.16
211.95
813.06
190.00
10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00
30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00
20.00
845.63 825.98 807.47 823.54 771.75 725.69 848.35 832.81 818.01 820.87 765.23 716.19 841.54 815.78 791.89 846.37 827.82 810.30 839.20 810.02 783.15 649.34 835.34 821.94 825.33 776.13 732.41 812.63 744.91 685.82 853.18 845.14 837.31 851.49 840.81 830.48 843.61 820.93 799.73 842.24 817.52 794.52 848.90 834.20 820.17 823.34 771.27 725.18 854.07 847.44 840.96 819.03
5.20 5.32 5.44 1.27 1.36 1.44 6.90 7.03 7.16 1.12 1.20 1.28 3.68 3.80 3.91 5.58 5.70 5.83 3.11 3.22 3.33 7.79 7.92 8.05 1.39 1.48 1.57 0.74 0.81 0.88 14.52 14.65 14.79 10.60 10.74 10.87 4.34 4.46 4.58 3.88 4.00 4.12 7.37 7.50 7.62 1.26 1.35 1.43 17.89 18.03 18.17 1.02
I CLARO C . EFECTIVO
Imi TEMPERATURA TENSION FLECHA
(m)
525.00
388.00
409.00
842.00
292.00
311.00
150.00
478.00
263.00
223.00
349.00
526.04
388.68
409.11 ' 842.07 , 298.59
311.16
150.28
I
478.02
I 264.88
223.05:
351.46,
20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00
20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10 .00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00 10.00 20.00 30.00
1e.00
760.72 709.47
., 849.08 834.66 820.89 843.04 819.52 797.57 844.24 822 .51 802.15 854.33 848.13 842.05 835.64 801.27 769.96 836.93 804.43 774.72 809.73 737.66 674.90 847.44 830.51 814.45 831.63 791.48 755.29 825.31 776.08 732.34 840.46 813.12 787.83
1 .10 1 .18 7 .53 7 .66 7 .79 4.14 4-
v 4.26 4 . 3 8 4 .58 w 4.70 CB 4.82 19.18 19.32 19.46 2.47
ij 2 . 5 7 2 .68 U 2.67 2 .78
z - 2 . 8 9 0.64 - z
6
2 Q 0 . 7 1 t l u 0.77 o u
' 6.23 6 .36 6 .48 v
1 . 3 9 1 . 4 8 1 . 5 7 3 .40 3 . 5 1 3.62