Medição de Temperatura do Estator, Radiador e
Mancal de um Gerador de Potência de 182 MW
Utilizando Sensores a Fibra Ótica
Erlon Vagner Silva, Uilian José Dreyer, Kleiton de Morais Sousa, Jonas Somenzi, Valderi Junot Babinski, André Biffe Di Renzo Felipe Mezzadri, João Paulo Bazzo, Valmir de Oliveira, Hypolito José
Kalinowski, Cicero Martelli, Jean Carlos Cardozo da Silva
Resumo – Este trabalho apresenta os resultados preliminares do projeto ANEEL n° PD 0403-0028/2012 em desenvolvimento por pesquisadores da UTFPR e com suporte financeiro
da Tractebel Energia e que tem por objetivo a instrumentação
ótica de geradores elétricos de potência. Neste artigo são apresentados os resultados para a instrumentação do gerador, radiador e mancal de um gerador de 182 MW, empregando redes
de Bragg em fibra ótica (FBG). Para medição do estator são
utilizadas seis FBGs distribuídas simetricamente ao longo do
estator. Os resultados mostram uma elevação de temperatura
de 35oC ao longo de 13 horas de medição. Para a medição no
mancal e radiador são utilizadas pontas de prova contendo
uma FBG para o mancal e três FBGs multiplexadas para o
radiador. A temperatura medida pelos sensores óticos acompanhou as etapas de sincronismo do gerador, primeiro operando como compensador síncrono e depois fornecendo potência à
rede.
Palavras-chave – Gerador elétrico de potência, instrumentação optoeletrônica, medição de temperatura em geradores,
redes de Bragg em fibra ótica.
I. INTRODUÇÃO
A matriz energética brasileira apresenta dependência de
fontes hídricas de geração de energia, a partir de usinas hidrelétricas (UHE). No ano de 2012 a geração de energia
hídrica foi de cerca de 441 GWh, de acordo com o Operador
Nacional do Sistema (ONS) [1], o que representa um total
de cerca de 85% de toda a energia elétrica gerada no país. A
maior parte dessa energia é produzida nas 100 maiores
UHEs do país, onde cada uma dessas UHEs pode gerar ao
menos 30 MWh. 1Ainda segundo a Agência Nacional de
Energia Elétrica (ANEEL), em 2011 a potência instalada do
1
Este trabalho foi desenvolvido no âmbito do Programa de Pesquisa e
Desenvolvimento Tecnológico do Setor de Energia Elétrica regulado pela
ANEEL e consta dos Anais do VII Congresso de Inovação Tecnológica em
Energia Elétrica (VII CITENEL), realizado na cidade do Rio de Janeiro/RJ,
no período de 05 a 07 de agosto de 2013.
Projeto desenvolvido no âmbito do Programa de P&D da Tractebel
Energia regulamentado pela ANEEL.
Os autores agradecem ao FINEP, CAPES, CNPQ, Fundação Araucária,
ANEEL e Tractebel Energia pelo apoio financeiro.
E.
V.
Silva
trabalha
na
Tractebel
Energia
([email protected]). U. J. Dreyer, K. M. Sousa, J. Somenzi, F.
Mezzadri, J. P. Bazzo, V. Oliveira, H. J. Kalinowski, C. Martelli e J. C. C.
Silva trabalham na Universidade Tecnológica Federal do Paraná. E-mail
para contato: J. C. C. Silva ([email protected]) e C. Martelli ([email protected]).
país era de 117,1 GW e desse total 66,91% estão instaladas
em UHEs [2]. Atualmente existe uma discussão acerca dos
impactos socioambientais para a construção de novas UHEs
devido ao fato de que 60% do potencial hidrelétrico do país
estar presente na bacia amazônica, em grande parte ocupada
por reservas florestais, parques nacionais e terras indígenas,
de modo que a exploração desse potencial irá demandar
estudos especiais acerca de sua sustentabilidade ambiental
[3]. Apesar dessa preocupação socioambiental estima-se que
dos US$ 168 bilhões que o Governo Federal pretende investir na expansão da matriz energética brasileira no período de
2005 à 2030, 70% desse valor será destinado em UHEs de
grande porte [3], a maioria delas serão localizadas na bacia
amazônica [4].
Logo, o cenário para os próximos anos para a matriz de
geração de energia elétrica brasileira é continuar dependente
da operação das UHEs de grande porte. Sendo assim essas
UHEs devem gerar energia de forma ininterrupta por longos
períodos antes de uma manutenção preventiva do sistema de
geração. Das partes envolvidas no sistema de geração de
energia elétrica em UHEs, o gerador de potência possui
grande importância que é realizar a conversão de energia
mecânica proveniente da turbina em energia elétrica. Todavia, os geradores de potência são suscetíveis a situações
adversas que não estão restritas as condições de operação da
UHE, fazendo com que sua vida útil seja reduzida. Como
exemplo de situações adversas, pode-se citar alimentação de
cargas desbalanceadas, curto circuito na linha de transmissão e condições de sub e sobre excitações. Essas situações
fazem com que ocorram perdas mais elevadas nos enrolamentos do gerador (estator e rotor) e por consequência uma
elevação de temperatura acima das condições normais de
operação. Esse fato faz com que os materiais isolantes presentes no gerador tenham sua vida útil reduzida e consequentemente ocasiona redução da vida útil do gerador, além
de problemas de isolação que levam a curto circuito na máquina [5].
Dentro dessa perspectiva, o projeto em andamento
ANEEL n° PD 0403-0028/2012 em desenvolvimento por
pesquisadores da Universidade Tecnológica Federal do Paraná e com suporte financeiro da Tractebel Energia tem por
objetivo o desenvolvimento de um sistema de monitoração
de temperatura distribuída e quase-distribuída para medição
de temperatura nas partes do gerador que sofrem mais desgaste com a elevação de temperatura. São elas os radiadores,
mancais, rotor e estator. A partir da instrumentação do esta-
tor pretende-se ainda desenvolver um mapa térmico tridimensional. Por fim, as informações obtidas com a instrumentação ótica serão integradas ao sistema supervisório na
usina.
A utilização de sensores óticos em geradores elétricos já
foi apresentada em outros trabalhos. Em [6] foram utilizadas
redes de Bragg em fibra ótica (FBG) para medição de temperatura em algumas partes de um gerador com 120MVA de
potência, dentre as quais o estator da máquina e as buchas
que conduzem a energia para fora do estator. Em [7] foi
apresentada a medição de temperatura nos radiadores em um
gerador na Usina Hidrelétrica de Samuel, localizada na bacia amazônica e que tem potência total instalada de
216,75MW, contando com cinco unidades geradoras [8]. A
utilização de sensores óticos baseados em FBGs foi relatada
também em [9], todavia o objetivo não era medir temperatura e sim descargas parciais entre rotor e estator, proximidade
entre o eixo da máquina e o mancal. Por fim, foi desenvolvido um protótipo para medição de temperatura e deformação do rotor.
Neste trabalho são apresentados resultados preliminares,
referente aos três primeiros meses do projeto, onde é utilizada apenas a técnica de instrumentação quase-distribuída,
empregando as FBGs. As FBGs apresentam algumas características que torna sua aplicação em máquinas elétricas
promissora [10]. Dentre essas caraterísticas pode-se destacar: imunidade à interferência eletromagnética, os sensores
são intrínsecos por serem formados de sílica, material inerte
quimicamente e de alta resistividade elétrica; tamanho e
peso reduzido, podendo ser instalada em lugares de difícil
acesso; rápido tempo de resposta, devido à sua pequena
massa; e a multiplexação em comprimento de onda, o que
permite a instrumentação de vários pontos ao longo da máquina em apenas uma única fibra ótica. Estas características
são de grande interesse para a instrumentação de geradores
de potência, com destaque para a imunidade à interferências
eletromagnéticas, uma vez que estes sensores estarão imersos nos campos do interior do gerador. A multiplexação de
diversos sensores em apenas uma fibra também representa
um diferencial face à instrumentação convencional, pois
possibilitará o aumento substancial da quantidade de bobinas estatóricas supervisionadas. A Figura 1 demonstra este
fato, onde é possível verificarmos a existência de 20 cabos
elétricos referentes aos 20 sensores de temperatura (PT100)
instalados no núcleo do gerador instrumentado por este trabalho, em contraste com o cabo ótico de diâmetro muito
inferior e que sozinho conduz a medição de 6 bobinas estatóricas, podendo este número ser na ordem de centenas de
sensores.
Figura 1 Detalhe comparativo entre fiação utilizada para instrumentação
convencional e a instrumentação ótica multiplexada.
A utilização de sensores a fibra ótica apresenta vantagens
em relação à instrumentação convencional utilizada em geradores de potência. Um exemplo é a possibilidade da medição de temperatura distribuída, assim podem-se obter medidas de temperatura ao longo de toda a extensão da fibra ótica, podendo abranger toda a região do estator. Com a instrumentação utilizando a técnica quase-distribuída obtém-se
um tempo de resposta rápido, podendo assim determinar a
elevação de temperatura durante transitórios de carga a qual
o gerador fica sujeito durante a sua operação. O tamanho
reduzido e a multiplexação em comprimento de onda possibilita a medição de vários pontos no gerador, podendo ser
usado para medir a temperatura em todas as ranhuras do
estator da máquina. Ainda a característica de imunidade
eletromagnética faz com que os sensores óticos não se danifiquem quando sujeito aos fortes campos magnéticos no
interior do gerador, ou ainda possam ocasionar falhas na
máquina ocasionadas por correntes de fuga. Tendo em vista
as vantagens dos sensores óticos apresentados espera-se que
falhas como a ocorrida em 2010 na UHE Salto Santiago
possam ser evitadas. Na falha em questão, uma das barras
do gerador foi danificada devido à elevação de temperatura
ocasionada por falhas na isolação interna da barra (strands).
A barra não possuía nenhum tipo de medição de temperatura
e tal falha poderia ser evitada se todas as barras e ranhuras
do estator possuíssem medição de temperatura. Na Figura 2
é apresentada uma fotografia da ranhura do estator onde
ocorreu a falha.
Figura 2 Fotografia da ranhura do estator do gerador na UHE Salto Santiago onde ocorreu uma falha devido a elevação de temperatura.
Os resultados apresentados neste trabalho são provenientes da instrumentação do estator, do mancal e do radiador de
um dos 6 geradores da Usina Hidrelétrica de Salto Osório
(Figura 3), Usina esta entre as maiores UHEs do país, com
potência total instalada de 1.078 MW. Sua importância não
se dá apenas pela capacidade de geração, mas por se tratar
de uma Usina estratégica para a recomposição do sistema de
230 kV do Sistema Interligado Nacional (SIN). A instrumentação do estator é realizada em caráter experimental,
contendo seis sensores distribuídos ao longo da máquina. Os
resultados do mancal e do radiador estão mais adiantados,
com o desenvolvimento de uma ponta de prova contendo
três FBGs multiplexadas. Os detalhes da ponta de prova são
apresentados, além dos métodos de caracterização das
FBGs.
definido pelos parâmetros da rede [13]. Do ponto de vista
do espectro refletido, a FBG tem um comportamento similar
a um filtro passa faixa muito seletivo, já o espectro transmitido tem um comportamento similar à um filtro rejeita faixa,
como ilustrado na 4.
Figura 4 Representação de três FBGs no núcleo de uma fibra ótica (a) fibra
ótica e (b) espectros associados.
Figura 3 Usina Hidrelétrica de Salto Osório, localizada no curso do rio
Iguaçu-PR..
II. MATERIAIS E MÉTODOS
A. Redes de Bragg em fibra ótica
A rede de Bragg em fibra ótica, ou simplesmente FBG
(Fiber Bragg Grating), em sua forma mais simples é constituída de uma modulação periódica do índice de refração no
núcleo de uma fibra ótica, com índice efetivo denominado
nef . A alteração no índice é feita perpendicular ao longo do
eixo longitudinal da fibra, com um período Λ constante. Os
planos paralelos de maior e menor índice de refração formam uma rede de difração [11–13]. Conforme apresentado
na Figura 4 o comprimento de onda próximo ao centro do
espectro refletido λB , chamado de comprimento de onda de
Bragg, é dado pela equação:
λB = 2nef Λ .
(1)
A Figura 4 apresenta a ilustração de uma fibra ótica onde
três FBGs são gravadas em seu núcleo. Cada uma das FBGs
possui um período Λ diferente, o que ocasiona em um comprimento de onda de Bragg λB diferente para cada uma delas. Cada um dos planos irá espalhar a luz confinada na fibra
e, se a condição de Bragg não for satisfeita, a luz refletida
em cada plano subsequente torna-se progressivamente fora
de fase e eventualmente a intensidade de luz refletida é cancelada. Quando a condição de Bragg é satisfeita, a contribuição da luz refletida por cada plano da rede contribui
construtivamente na direção contra propagante, formando
uma banda de reflexão com comprimento de onda central
O comprimento de onda de Bragg λB apresenta dependência de dois parâmetros, o índice de refração efetivo e do
período da rede. A mudança de um desses dois parâmetros
provenientes de interferências externas faz com que haja
deslocamento ∆λB no valor de λB . As alterações mecânicas
e térmicas do meio são relacionadas com o deslocamento
∆λB através da expressão:
 ∂nef
 ∂nef
∂Λ 
∂Λ 
∆λB (l , T ) = 2  Λ
+ nef
+ nef
 ∆l + 2  Λ
 ∆T
∂
l
∂
l
∂
l
∂l 



(2).
Onde l é variação de comprimento e T é variação de temperatura.
O primeiro termo em (2) está associado ao deslocamento
de λB devido à alteração do índice de refração, denominada
de constante foto elástica, e do comprimento da FBG ocasionado por deformação mecânica. Para o segundo termo em
(2) o deslocamento de λB está associado ao coeficiente de
expansão térmica da fibra e ao coeficiente termo ótico, sendo que o coeficiente termo ótico é predominante sobre o
coeficiente de expansão térmica da fibra.
Assim, a FBG apresenta sensibilidade cruzada à deformação mecânica e à temperatura. Sendo assim, quando a FBG
está sujeita tanto a variações de temperatura quanto deformação não é possível dissociar qual a parcela de contribuição de cada uma dessas variáveis sobre o valor de
∆λB quando é utilizada apenas uma FBG. Dessa forma,
quando o interesse é medir apenas temperatura, por exemplo, deve-se utilizar alguma forma para que a FBG não sofra
deformações mecânicas. Logo, deve-se utilizar algum artifício para que a FBG não fique sujeita a deformações mecânicas, sendo necessária a utilização de algum tipo de encapsulamento.
B. Encapsulamentos Utilizados Para o Estator, Mancal e
Radiador
Para a instrumentação do estator do gerador são utilizados
seis FBGs. A fim de evitar a medida cruzada de temperatura
e deformação utilizou-se um encapsulamento que consiste
em um tubo metálico de aço inoxidável, onde a região da
fibra ótica que contém a FBG é posicionada no centro do
tubo. As extremidades do tubo são fixadas com cola a base
de epóxi. O restante da fibra ótica que fica no interior do
gerador é protegido por tubos de teflon que suportam a temperatura de operação do gerador. Na Figura 5 é apresentado
o diagrama do encapsulamento utilizado, identificando as
dimensões do tubo de aço e da parte da fibra recoberta com
teflon.
Figura 5 Diagrama do encapsulamento utilizado identificando as dimensões
do tubo de aço inoxidável.
Já para proteger a fibra ótica utilizada na monitoração do
mancal e radiador outro tipo de protótipo de encapsulamento foi desenvolvido, utilizando como base o transdutor convencional que já é utilizado na usina hidrelétrica de Salto
Osório. O transdutor conta com um sensor de temperatura
do tipo PT100, também denominado ponta de prova, e com
um poço termométrico como ilustrado na Figura 6.
são da ponta de prova. O maior número de pontos de medição possibilita identificar eventuais falhas em mais de uma
região e que associado ao rápido tempo de resposta das
FBGs possam ser mais rapidamente detectadas. Para o radiador utilizou-se um total de 3 FBGs distribuídas simetricamente ao longo da ponta de prova. Para o mancal utilizou-se
uma FBG localizada na parte inferior da ponta de prova.
C. Caracterização dos Sensores
O processo de caracterização do encapsulamento para o
estator e para o mancal e radiador foi realizado na UTFPR
Câmpus Pato Branco, no Laboratório de Radiofrequência e
Compatibilidade Eletromagnética, utilizando para cada um
dos encapsulamentos um método diferente.
Após encapsulados os sensores para medição de temperatura no estator foram caracterizados utilizando um termoelemento Peltier com controle digital de temperatura [14]. A
curva de caracterização para os seis sensores é apresentada
na Figura 7, onde se pode observar que os sensores apresentam uma resposta linear para a variação de temperatura, obtidas a partir de uma média de quinze repetições para cada
sensor. O ajuste linear apresenta coeficiente de correlação R 2 > 0,999 para todos os sensores. A incerteza combinada para esse tipo de encapsulamento é de 0,47oC [15].
Figura 7 Curvas de calibração e coeficientes termo ótico para os seis sensores instalados no estator.
Figura 6 Protótipo montado utilizando uma termoresistência PT100(5), com
encaixe no poço térmico(1), redes de Bragg(2), tubos de aço(3), fibra ótica(4).
No corpo da ponta de prova são colados tubos de aços
com 1,2mm de diâmetro e 40mm de comprimento. A ponta
de prova possui comprimento de 0,98 m. No interior dos
tubos passa a fibra ótica contendo as FBGs multiplexadas
em comprimento de onda. A fibra ótica é posicionada de tal
forma que as FBGs fiquem protegidas no interior dos tubos
de aço. Dessa forma o protótipo do transdutor de temperatura permite o monitoramento de temperatura no óleo do mancal e no radiador, utilizando as FBGs e PT100 simultaneamente. O PT100 efetua o monitoramento pontual de temperatura com sua localização na extremidade da haste, já as
FBGs são dispostas sobre a haste possibilitando o monitoramento da distribuição de temperatura ao longo da exten-
A caracterização das redes de Bragg dispostas no protótipo utilizado no mancal e radiador é realizada utilizando o
sistema apresentado na Figura 8. Nesse sistema o controlador digital de temperatura PolyScience®, modelo
9002A11B, é utilizado para a caracterização. O líquido com
a temperatura ajustada pelo banho térmico circula para um
poço térmico, onde fica em contato com o protótipo do encapsulamento. Depois do poço térmico o líquido retorna
para o banho térmico, onde sua temperatura é mantida constante. As mangueiras utilizadas para escoar o líquido são
recobertas com material isolante a fim de manter a temperatura durante o tempo em que circula fora do banho térmico.
O sentido do fluxo do líquido e as partes que compõe todo o
sistema de caracterização são identificados na Figura 8.
III. INSTALAÇÃO DOS SENSORES ÓTICOS NO GERADOR,
RADIADOR E MANCAL
Figura 8 Arranjo experimental utilizado para a caracterização do protótipo(3), controlador de temperatura(1), sentido de fluxo do fluido(2).
A caracterização do sensor de temperatura do mancal e
radiador é realizada entre 20°C e 80°C com intervalos de
10°C entre cada valor. A curva gerada pela caracterização
das FBGs utilizadas no monitoramento do radiador e mancal
são apresentadas na Figura 9 e Figura 10, respectivamente.
O diâmetro do gerador, onde os sensores para medição de
temperatura no estator foram instalados, é de aproximadamente 12 m e cerca de 2,5 m de altura. Na Figura 11 é apresentada uma fotografia do gerador onde é possível identificar a equipe trabalhando na instalação dos sensores. Os sensores foram colados no interior de ranhuras entre as barras
do estator, utilizando uma mistura de resina de epóxi e pó de
vidro, como apresentado Figura 12. Após a secagem da cola
os sensores foram recobertos com um verniz isolante, o
mesmo utilizado no enrolamento estatórico do gerador. Como a fibra ótica é proveniente de material isolante é possível
a sua utilização em equipamentos elétricos independente dos
níveis de tensão elétrica e corrente elétrica envolvidos sem
risco de falhas de isolação ou correntes de fuga. Antes de
inserir o rotor do gerador, foram realizados testes normatizados de isolação pela equipe de manutenção da UHE, a
qual não constatou nenhuma falha de isolação na máquina.
Figura 11 Fotografia do gerador durante a instalação dos sensores.
Figura 9 Curva de caracterização e coeficiente linear dos três sensores
utilizados para o monitoramento do radiador.
Figura 12 Detalhe da instalação do sensor utilizando resina.
Figura 10 Curva de caracterização e coeficiente linear do sensor utilizado
para o monitoramento do mancal.
Pode-se observar nas Figuras 9 e 10 a característica linear
das FBGs e o coeficiente de correlação linear foi superior a
R 2 > 0,999 para todas as FBGs. A incerteza para cada sensor utilizado no protótipo do radiador resultou em 0,90oC
para o Sensor 1, 0,82oC para o Sensor 2 e 0,64oC para o
Sensor 3, já a incerteza calculada para o protótipo utilizado
no mancal foi de 0,8°C.
Na Figura 13 é apresentado um diagrama da localização
dos sensores óticos ao longo do estator. O Sensor 1 está
localizado no canto inferior esquerdo da Figura 13. A partir
do Sensor 1, no sentido horário, estão os demais sensores na
sequência. Para a leitura das FBGs utilizou-se o interrogador ótico DI410 e o programa Catmaneasy para aquisição
dos dados, ambos fabricados pela HBM®. O interrogador
ótico possui uma resolução de 1 pm e a taxa de aquisição
utilizada é de 50 Hz.
Figura 13 Diagrama da localização dos sensores óticos ao longo do estator.
Figura 16 Diagrama esquemático do sistema de aquisição dos protótipos
utilizados no radiador e mancal.
A Figura 14 e a Figura 15 apresentam uma comparação
entre a fotografia do mancal e do radiador e o desenho esquemático da instalação dos sensores. Devido ao fato de o
protótipo desenvolvido ser semelhante aos já existentes na
UHE não foi necessário realizar adaptações para instalação
dos sensores. Na Figura 15 são identificadas as posições dos
sensores 1, 2 e 3 ao longo da extensão da ponta de prova. A
aquisição de dados é realizada de acordo com o diagrama
apresentado na Figura 16. Os equipamentos, programa e a
taxa de aquisição utilizados no monitoramento do mancal e
radiador são os mesmos para a aquisição no estator.
O gerador possui os mancais dispostos conforme apresentado na Figura 17, sendo que o monitoramento da temperatura foi no mancal guia da turbina, diretamente em contato
com o óleo. O mancal guia tem a função de suportar os esforços radiais do eixo, ou seja, esforços que forcem o desalinhamento do eixo na direção transversal e cuja superfície
de deslizamento, também conhecida como sapata, é paralela
ao eixo e pode ser identificada pelo detalhe 1 na Figura 16
[16].
Figura 14 Local da instalação do sensor(4) na cuba de óleo(2) do mancal(1),
envoltos pela tampa(3) da turbina e em contato com o seu eixo(5).
Figura 27 Estrutura de mancais de um hidrogerador. Rotor do gerador(1),
Mancal combinado do gerador(guia e escora)(2), Eixo principal do hidro
gerador(3), Mancal guia da turbina(4), Rotor da turbina(5).
IV. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Figura 15 Disposição das redes de Bragg instaladas no protótipo do radiador.
A. Medição de Temperatura no Estator
Após a instalação dos sensores, o rotor do gerador foi posicionado e teve início o procedimento de partida da máquina. A Figura 18 apresenta a elevação de temperatura para os
seis sensores durante as primeiras 13 horas de funcionamento do gerador. A corrente de uma das fases do estator é
apresentada junto com a curva de temperatura na Figura 18.
Os seis sensores apresentam um comportamento similar e a
diferença de temperatura máxima entre os sensores é cerca
de 5oC, sendo esta diferença relacionada à posição de instalação dos sensores, uma vez que alguns são posicionados
mais próximos às saídas de ar de refrigeração do gerador. A
aquisição da corrente do estator é realizada a cada meia hora, proveniente do sistema supervisório da UHE. O aqueci-
mento no estator do gerador está associado às perdas, e a
maior parte dessas perdas é ocasionada pelo efeito Joule que
por sua vez é proporcional a corrente do estator. Portanto, é
esperado que a temperatura apresentasse perfil similar ao da
corrente.
Figura 38 Medição de temperatura na superfície do estator pelos seis sensores. Pode-se observar que a corrente e a temperatura apresentam o mesmo
comportamento durante vários transitórios durante o tempo monitorado. É
possível observar o comportamento similar entre temperatura e corrente
estatórica durante as mudanças ocasionadas no regime operacional da máquina.
Durante o intervalo de tempo de 0 até 70 minutos de
aquisição, apresentada na Figura 18, o gerador estava operando como compensador síncrono e portanto não fornecia
potência para a rede. A partir de 70 minutos de aquisição o
gerador passa a operar no modo carga e começa a fornecer
potência para a rede. A partir desse instante as temperaturas
dos sensores óticos começam a subir devido às perdas no
estator. No intervalo de tempo entre 190 minutos e 480 minutos ocorre um aumento na carga do gerador e por consequência um aumento da corrente estatórica. A temperatura
também sofre elevação, atingindo a estabilidade térmica em
t=350 minutos. A partir de 480 minutos ocorrem algumas
variações na potência fornecida pelo gerador, acompanhada
por oscilações de corrente. Durante essas oscilações de corrente a temperatura também apresenta oscilações com o
mesmo perfil da corrente do estator. A perturbação da temperatura em função das condições de trabalho da máquina
tem efeitos mais sutis na temperatura de outras partes da
máquina, como serão apresentadas na Subseção B as variações de temperatura no óleo do mancal guia da turbina e
radiador do hidrogerador.
B. Medição de Temperatura no Mancal e Radiador
Na Figura 19 é apresentado o resultado do monitoramento
da temperatura do óleo do mancal durante as primeiras seis
horas de operação do gerador.
Figura 49 Comportamento da temperatura no óleo do mancal do hidro gerador monitorado na UHE Salto Osório utilizando uma rede de Bragg.
No início da aquisição a máquina encontra-se em repouso
e a temperatura é constante até o instante t=30min. A partir
desse instante de tempo observam-se dois regimes transitórios diferentes. O primeiro deles inicia em t=0,5h até t=3,5h.
A partir de t>3,5h tem início o segundo regime transitório
de temperatura. No primeiro transitório o gerador está operando como compensador síncrono, não fornecendo potência para a rede. Embora o gerador não esteja fornecendo
potência à rede o mancal encontra-se girando e, portanto
ocasionando elevação de temperatura por atrito. No segundo
transitório para t>3,5h o gerador passa a fornecer potência
ao sistema. Vale ressaltar que essa elevação de temperatura
não se deve a um aumento na velocidade do rotor, uma vez
que as perdas mecânicas são proporcionais à velocidade da
máquina, mas sim levar em consideração que o rotor tem
uma rotação orbital que é intensificada quando o gerador é
conectado à rede devido ao desbalanço magnético proveniente das diferenças existentes no entreferro da máquina.
Na Figura 19 são destacados os detalhes 1 e 2 cujos quais
são apresentados nas Figuras 20 e 21, respectivamente. Pode-se observar no detalhe da Figura 20 um decréscimo de
0,5°C no instante de tempo que ocorre a partida da máquina.
O início do giro do rotor faz com que o óleo circule por todo
o mancal, homogeneizando desta forma a temperatura do
óleo. A Figura apresenta algumas oscilações na temperatura, identificadas entre os detalhes 1 e 2. Essas oscilações são
provenientes da vibração da máquina no momento da partida, fazendo com que o sensor ótico sofra deformação mecânica. Todavia, essas oscilações estão dentro da faixa de incerteza obtida pela caracterização do sensor.
Figura 22 Temperatura e potência monitorada no radiador em um período
de 7h e 10min.
Figura 20 Detalhe 1 indicado na Figura 19 da curva de temperatura no óleo
do mancal, entrada em operação do hidro gerador como compensador síncrono.
No segundo detalhe da Figura 19, apresentado na Figura
21, o gerador deixa de operar como compensador síncrono e
passa a fornecer potência para a rede. A elevação de temperatura é de 9°C em relação à etapa anterior da operação do
gerador. Ainda na Figura 21 é identificado o momento em
que o gerador passa a fornecer potência à rede em t=205
minutos.
Na Região 1 do gráfico o gerador encontra-se em repouso
e a temperatura medida pelos sensores óticos é igual a temperatura ambiente. Na Região 2 tem início a operação do
gerador, inicialmente operando como compensador síncrono. Nessa etapa de operação o gerador consome uma potência de 2,5 MW e por isso esse é um valor negativo no gráfico da Figura 22. No início da Região 2, em t=20 minutos,
observa-se uma diminuição na temperatura dos três sensores
em 1oC. Isso é devido ao início do giro do rotor, fazendo
com que haja um fluxo de ar no interior da máquina e por
consequência reduza a temperatura no radiador. Observa-se
ainda que a temperatura medida pelos três sensores, que
inicialmente eram ligeiramente diferentes na Região 1, decresçam para aproximadamente o mesmo valor que é 30oC.
Após esse decréscimo a temperatura sobe exponencialmente
e em t=150 minutos atinge a estabilidade térmica.
Na Região 3 do gráfico da Figura 22, em t=200 minutos,
o gerador passa a fornecer uma potência de aproximadamente 175 MW, próxima à nominal. A temperatura sobe
exponencialmente e a elevação de temperatura máxima em
relação à Região 2 em regime permanente é de 5oC. As diferenças obtidas entre os três sensores deve-se a posição relativa na ponta de prova.
V. CONCLUSÕES
Figura 21 Detalhe 2 indicado na Figura 17 da curva de temperatura no óleo
do mancal, início da operação como gerador
A aquisição de temperatura no radiador do gerador é
apresentada na Figura 22 para os primeiros 430 minutos de
operação da máquina. Na Figura 22 também é apresentada
a potência ativa do gerador, onde o eixo da esquerda é utilizado para representar a temperatura e o da direita a potência.
Ainda na Figura 22Figura são identificadas três regiões no
gráfico que correspondem às etapas de sincronismo do gerador com a rede e são discutidas na sequência.
O desenvolvimento de sensores óticos para aplicação em
geradores de potência e os resultados da instrumentação no
estator, radiador e mancal da máquina são apresentados neste trabalho. Embora o projeto P&D esteja em fase inicial, os
resultados preliminares se mostram promissores.
Os encapsulamentos desenvolvidos permitiram a medição
de temperatura, evitando a medida cruzada de temperatura e
deformação das FBGs. A partir das caracterizações dos sensores, utilizando o termoelemento Peltier para o sensor do
estator e um banho térmico para o mancal e radiador, podese determinar as incertezas associadas. A maior incerteza
obtida foi para o sensor do radiador e mancal, ficando em
0,90oC e a menor incerteza foi obtida para os sensores do
estator que é 0,47oC. O encapsulamento desenvolvido para a
medição de temperatura no mancal e radiador é baseado em
uma ponta de prova já utilizada no gerador, o que torna a
sua instalação fácil sem a necessidade de adaptações nos
locais a serem instrumentados.
A instrumentação do estator, empregando as FBGs, representa a primeira aplicação dessa técnica em um gerador de
grande porte na América do Sul. Os seis sensores apresentam um comportamento similar e seguem a tendência da
corrente no estator. Embora a instalação dos seis sensores
não tenha por objetivo a substituição da instrumentação
convencional nesta etapa do projeto, mas sim verificar o
funcionamento desses sensores em um gerador de grande
porte, os resultados obtidos são promissores. Durante as 13
horas de aquisição de temperatura houve uma elevação de
35oC na temperatura do estator do gerador.
A temperatura no óleo do mancal é medida durante todo o
processo de sincronismo do gerador com a rede. A instrumentação ótica possibilitou a medida do decréscimo de temperatura no óleo do mancal quando tem início o giro do rotor, operando como compensador síncrono. Durante o tempo em que o gerador opera como compensador síncrono a
elevação de temperatura é de 8oC. No instante em que o
gerador passa a fornecer potência para a rede observa-se
uma variação brusca de temperatura que pode ser identificada devido ao rápido tempo de resposta das FBGs. Em operação como gerador a temperatura do óleo do mancal tem
uma elevação de 4oC em relação a temperatura quando o
gerador está operando como compensador síncrono.
Durante o monitoramento do radiador, empregando três
FBGs multiplexadas, é possível observar o comportamento
da temperatura durante a operação como compensador síncrono e gerador. Em operação como gerador a elevação de
temperatura no radiador é de 5oC em média. Vale ressaltar
que o Sensor 3 apresenta uma temperatura superior aos outros dois sensores em 1oC em regime permanente para a
operação como gerador. Essa diferença se deve ao fato de
que esse sensor está localizado na parte superior da ponta de
prova, próxima a uma região do radiador com menor incidência do ar de saída do gerador.
Como o projeto está em fase inicial, existem diversos trabalhos futuros para a serem realizados. A próxima etapa
para a instrumentação do estator do gerador é a instalação
de sensores em um maior número de ranhuras do estator a
fim de obter melhor proteção do gerador. Os pesquisadores
da UTFPR juntamente com a equipe da Tractebel Energia
irão levantar os pontos críticos a serem instrumentados e os
materiais e equipamentos necessários para se atingir esta
meta do projeto. Com relação aos radiadores e mancais da
máquina, etapa do projeto que encontra-se mais adiantada
em relação a medição no estator, o próximo objetivo é o
aperfeiçoamento da ponta de prova desenvolvida, utilizando
um maior número de FBGs multiplexadas para o radiador.
VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
“ONS - Operador Nacional do Sistema Elétrico,” 2013. [Online].
Disponível em: www.ons.com.br.
[2]
“ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica,” 2013.
[Online]. Disponível em: www.aneel.com.br.
[3]
M. T. Tolmasquim, A. Guerreiro, and R. Gorini, “Matriz
energética brasileira: Uma prospectiva,” Novos estud. - CEBRAP
[online], vol. 1, no. 79, pp. 47–69, 2007.
[4]
J. G. TUNDISI, “Exploração do potencial hidrelétrico da
Amazônia,” Estud. av. [online]., vol. 21, no. 59, pp. 109–117,
2007.
[5]
G. Stone and J. Kapler, “Stator Winding Monitoring,” IEEE
Industrial Application Magazine, vol. 4, no. 5, pp. 15–20, 1998.
[6]
N. M. Theune, M. Willsch, T. Bosselmann, M. Kauliiiann, P.
Krärnmcr, J. Kaiser, S. C. Technology, and Z. T. En,
“Multiplexed Temperature Measurement for Power Generators,”
vol. 4074, 2000.
[7]
M. M. Werneck, R. C. S. B. Allil, and B. a. Ribeiro, “Fiber Bragg
grating temperature sensing system for large air cooled
hydrogenerators,” 2011 Fifth International Conference on
Sensing Technology, pp. 329–334, Nov. 2011.
[8]
Agencia Nacional de Energia Elétrica ANEEL, “Contrato de
Concessão de Geração N°005/2011 - ANEEL,” 2011.
[9]
J. B. Rosolem, C. Floridia, D. C. Dini, C. A. Hortencio, J. Batista,
D. M. Ayres, R. L. Leite, E. Ferreira, W. Bezerra, A. A. Juriollo,
J. Philippe, M. Sanz, and N. Bramatti, “utilizando sensores
ópticos,” pp. 21–29, 2010.
[10]
K. D. M. Sousa, A. A. Hafner, H. J. Kalinowski, and J. C. C.
Silva, “Determination of Temperature Dynamics and Mechanical
and Stator Losses Relationships in a Three-Phase Induction
Motor Using Fiber Bragg Grating Sensors,” IEEE Sensors
Journal, vol. 12, no. 10, pp. 3054–3061, 2012.
[11]
T. Erdogan, “Fiber grating spectra,” Journal of Lightwave
Technology, vol. 15, no. 8, pp. 1277–1294, 1997.
[12]
K. O. Hill and G. Meltz, “Fiber Bragg grating technology
fundamentals and overview,” Journal of Lightwave Technology,
vol. 15, no. 8, pp. 1263–1276, 1997.
[13]
A. Othonos, “Fiber Bragg gratings,” Rev. Sci. Instrum., vol. 68,
no. 12, pp. 4309–4341, 1997.
[14]
J. P. Bazzo, J. C. C. SILVA, E. G. CARATI, M. VOGT, and T.
LUKASIEVICZ, “Digital Control System Using a Thermoelectric
Cell for Temperature Electronic Devices Testing,” in Proceedings
of LASCAS 2010., 2010, pp. 4–7.
[15]
F. Bortolotti, K. M. Sousa, and J. Carlos, “Packaging ,
characterization and calibration of fiber Bragg grating
temperature sensors,” in MOMAG 2012 - 15o SBMO - Simpósio
Brasileiro de Microondas e Optoeletrônica e o 10o CBMag
Congresso Brasileiro de Eletromagnetismo, 2012, no. 1, pp. 1–5.
[16]
ABNT, “Mancais de deslizamento para turbinas hidráulicas,
turbinas-bombas e bombas de acumulação — Terminologia.”
Associação Brasileira de Normas Técnicas.