21 a 25 de agosto de 2006
Belo Horizonte – MG
Sensor de Alta Tensão à Fibra Óptica
Francisco Manuel Pires Neto
Bandeirante Energia S.A.
Rogério Marques
Bandeirante Energia S.A.
[email protected]
Pesq. Telecom. João Batista M. Ayres Neto
CPqD
Pesq. Telecom. Flávio Borin
CPqD
Pesq. Telecom. Rogério Lara Leite
CPqD
Pesq. Telecom. Danilo César Dini
CPqD
Pesq. Telecom. Cláudio Antonio Hortencio
CPqD
RESUMO
Este trabalho tem por objetivo apresentar os resultados obtidos no desenvolvimento de um sensor de
tensão à fibra óptica, baseado na utilização de uma Grade de Bragg em Fibra (FBG) fixada
paralelamente ao eixo de deformação de um cristal piezoelétrico montado entre dois eletrodos planos,
para detectar a intensidade de um campo elétrico. Quando o sensor é submetido a um campo elétrico,
ocorrem mudanças dimensionais que atuam na FBG. Tais mudanças são detectadas em um
comprimento de onda específico pela monitoração da intensidade da luz refletida pela FBG.
Protótipos de sensores foram desenvolvidos para a execução de testes em laboratório e campo. Nos
testes de laboratório, o protótipo sensor respondeu a tensões na faixa de 150 V até 88 kV, limitada à
capacidade do gerador. Em campo, o protótipo foi instalado na rede de distribuição interna de 11,9 kV
do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações – CPqD. Os resultados obtidos
indicam a viabilidade técnica do sensor de tensão à fibra óptica.
PALAVRAS-CHAVE
Sensor óptico de tensão, fibra óptica, grade de Bragg.
1. INTRODUÇÃO
O sensor de alta tensão à fibra óptica apresentado neste trabalho é resultado do Projeto de P&D B13
intitulado “Tecnologias de Sensores Ópticos à Fibra para Monitoramento e Supervisão Remota de
Rede de Energia Elétrica”, desenvolvido pela Bandeirante Energia S.A. e pelo Centro de Pesquisa e
Desenvolvimento em Telecomunicações – CPqD, referente ao ciclo de Pesquisa e Desenvolvimento
2002/2003 e 2004/2005, aprovado pela Agência Nacional de Energia Elétrica – Aneel.
A fibra óptica possui muitas características que a tornam apropriada para o uso como um sensor
totalmente passivo. Um sensor passivo é aquele que não requer energia elétrica na região de
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sensoriamento. A mais importante vantagem das fibras ópticas é o fato de serem fabricadas com
materiais dielétricos, como a sílica e plásticos, possibilitando que os sensores a fibra óptica sejam
empregados em ambiente perigosos, em que as utilizações de sensores elétricos convencionais não são
adequadas. Os sensores a fibra óptica são especialmente indicados para operarem em ambientes que
requerem isolação elétrica, tendo em vista que, em geral, os sensores ópticos são imunes aos efeitos da
interferência eletromagnética (EMI) encontrados em ambientes eletricamente ruidosos, tornando-se
altamente vantajosos para as aplicações nos sistemas de sensoriamento utilizados pelas empresas de
energia elétrica.
Os sensores que utilizam FBG são sensores intrínsecos1 que vêm sendo utilizados e implementados
para quantificar os mais diversos parâmetros, tais como: deslocamento, temperatura2, pressão3, tensão
mecânica4, corrente elétrica, campo elétrico5, 6. A Figura 1 ilustra um segmento de fibra óptica com
uma grade de Bragg, com período espacial Λ, gravada ao longo do eixo do núcleo da fibra. As grades
construídas em fibra, com cerca de 10 a 100 mm de comprimento, são praticamente imperceptíveis a
olho nu. As cores foram utilizadas para facilitar a apresentação da estrutura de uma grade.
SEGMENTO DE FIBRA ÓPTICA
Λ
Defeitos periódicos ao longo
do segmento de fibra
Figura 1 Configuração de uma grade de Bragg ao longo de um segmento de fibra
Intensidade
As grades de Bragg são previamente projetadas com períodos Λ, para refletir os comprimentos de
onda em torno de um determinado λR de fase casada com a estrutura da grade. Portanto a grade opera
como um refletor sintonizado em λR, que reflete com grande eficiência os comprimentos de onda
próximos a λR e transmite os demais. A Figura 2 ilustra o mecanismo de operação de uma fibra com
grade de Bragg sobre um feixe contendo várias componentes espectrais.
Luz
Incidente
Luz
Transmitida
Reflexão
Intensidade
λ
Luz
refletida
Grade Bragg =
periodicidade Λ localizada do
índice de refração do núcleo
λ
λ
Figura 2 Grade de Bragg atuando sobre os componentes espectrais transmitidos na fibra
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A seguir, são apresentadas as etapas do desenvolvimento do protótipo do sensor de tensão à fibra
óptica, incluindo a concepção do sistema, o princípio de funcionamento e a montagem do sensor, os
circuitos eletrônicos, os testes de laboratório e campo e os primeiros resultados obtidos.
2. UNIDADE SENSORA
2.1. Construção
A unidade sensora é composta por um cristal piezoelétrico, dois eletrodos e uma fibra sensora com
Grade de Bragg. A Figura 3 mostra o esquema de montagem do sensor.
Figura 3 Esquema de montagem do sensor
A unidade sensora foi montada utilizando um cristal piezoelétrico como transdutor para detectar um
campo elétrico alternado, com uma FBG fixada paralelamente ao eixo de deformação do cristal para
acompanhar as mudanças das deformações axiais, sendo o cristal piezoelétrico montado entre dois
eletrodos planos.
2.2. Princípio de funcionamento
Quando um campo elétrico é aplicado entre os eletrodos da unidade sensora, ocorrem mudanças
dimensionais no cristal piezoelétrico que modificam a FBG. As mudanças são detectadas pela FBG
aplicando-se uma luz com um comprimento de onda (λ) específico transmitido através da grade. A
monitoração da intensidade da luz refletida indicará as mudanças dimensionais longitudinais do cristal
na presença do componente do campo elétrico paralelo ao eixo longitudinal. A monitoração da luz
refletida é realizada utilizando-se um circuito óptico representado esquematicamente pela Figura 4.
Unidade
Sensora
FBG
Fonte
Fonte
deLASER
Luz
de
Luz
1
2
Circulador
Óptico 3
Receptor
Óptico
Osciloscópio
Figura 4 Esquemático para monitoração da luz refletida pela FBG
A Figura 5 ilustra o espectro característico de reflexão da FBG sem estar tensionada ou pressionada. A
Figura 6 ilustra o espectro de reflexão da grade de Bragg, montada sobre o sensor, quando a unidade
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Potência refletida (λ)
sensora está submetida ao campo elétrico. Nessa condição, ocorrem alterações dimensionais
periódicas a 60 Hz no cristal, causando compressão ou esticamento, proporcionalmente à intensidade
do campo.
1
∆λ ~ 0,5 nm
λ
0
λ g ~ 1550 nm
λ
Figura 5 Espectro de reflexão de uma FBG sem estar tensionada ou pressionada
Λe > Λc
Potência refletida (λ)
Λc
1
λ
0
λQ λg
Nível de modulação
obtido com o laser
sintonizado em λ = λQ
Freq. modulação = 60 Hz
Figura 6 Espectros de reflexão da FBG e o nível de modulação resultante, com o dispositivo
submetido ao campo elétrico, com a fonte operando em λ = λQ
2.3. Testes da unidade sensora em laboratório
Sinal medido com sensor óptico [mV]
Para validar o funcionamento da unidade sensora, foi realizada uma série de testes. A Figura 7 ilustra
os resultados de um dos testes realizados, nas seguintes condições: Potência óptica: -3 dBm, tempo de
estabilização: ~20min e utilizando um fotodetector de germânio. Na Figura 7, pode-se observar que o
protótipo respondeu até 60 kV- Fase/Terra, um limite imposto pela infra-estrutura do Laboratório de
Proteção Elétrica do CPqD.
300
225
150
75
0
0
10
20
30
40
50
60
Tensão CA [kV]
Figura 7 Sinal medido com a unidade sensora em função da tensão aplicada
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2.4. Encapsulamento da unidade sensora
Para garantir a estabilidade do campo elétrico sobre a unidade sensora e dar uma maior robustez do
conjunto para a realização dos testes no laboratório, além de garantir as mesmas condições para os
testes realizados, foi desenvolvida uma mecânica de encapsulamento para a unidade sensora, conforme
Figura 8.
Figura 8 Protótipo da unidade sensora encapsulada
3. TESTE DE CAMPO EM REDE DE DISTRIBUIÇÃO
3.1. Montagem do protótipo
Para a realização de testes em campo, na rede interna de 11,9 kV do CPqD, foi montado um protótipo,
no qual o dispositivo sensor, conforme Figura 8, foi inserido em uma bucha isoladora com tensão de
isolação superior a 30 kV. A bucha isoladora foi fixada a uma caixa de alumínio fundida com
dimensões de 150 x 150 mm para abrigar a emenda óptica da fibra do sensor com o cordão óptico. A
Figura 9 apresenta alguns detalhes da montagem do protótipo.
Figura 9 Detalhes da montagem do protótipo do sensor de tensão para a rede de distribuição
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3.2. Instalação do protótipo
O protótipo do sensor foi instalado em um poste da rede elétrica de média tensão no CPqD. Para a
instalação do protótipo, foi confeccionado um suporte para fixação e a conexão elétrica foi realizada
através de uma chave-fusível – inserida para garantir a integridade da rede, no caso de falha do
dielétrico do sensor. A Figura 10 apresenta alguns detalhes da instalação do protótipo do sensor de
tensão no campo de teste.
Figura 10 Detalhes da instalação do sensor
3.3. Medição da forma de onda para referência
Com o objetivo de comparar a forma de onda real da rede com a forma de onda apresentada pelo
protótipo do sensor de tensão, foi realizada uma medição da fase utilizada da rede de média tensão,
utilizando um osciloscópio. A Figura 11 apresenta a forma de onda, na qual pode-se observar o valor
de pico a pico da tensão: 19,60 kV e a freqüência de 59,98 Hz. Para um valor de 19,60 kV de pico a
pico, tem-se um valor RMS de 6,92 kV e, multiplicando-se esse valor por √3, obtém-se o valor da
tensão de linha de 11,97 kV. Na Figura 11, pode-se observar que há uma distorção na forma da onda.
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Figura 11 Medição da forma de onda da rede de média tensão do campo de testes do CPqD
3.4. Medições realizadas com o protótipo do sensor
Os circuitos eletrônicos de detecção e aquisição de sinais do sensor e os equipamentos de medição
foram acomodados em um contêiner próximo ao poste onde o sensor foi instalado. A interligação do
protótipo do sensor de tensão com os circuitos eletrônicos foi realizada com um cordão óptico.
A primeira verificação realizada foi uma comparação da forma de onda do sinal elétrico com a forma
de onda da saída do circuito receptor. Essa comparação é apresentada na Figura 12.
Sinal elétrico
Sinal óptico
Figura 12 Formas de ondas – elétrica e óptica
Pode ser observado que as duas formas de onda da rede e do sensor são bastante semelhantes. A
distorção que aparece na onda elétrica aparece também na forma de onda do sensor, mas deslocada de
90°. Esse deslocamento está relacionado com o comprimento de onda de trabalho e ele pode ser
ajustado sintonizando-se o comprimento de onda do laser que excita o sensor.
A Figura 13 mostra a forma de onda de saída do circuito analógico completo, a qual está devidamente
amplificada e filtrada, ou seja, pronta para os circuitos de digitalização e processamento.
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Figura 13 Forma de onda na saída do circuito analógico completo
4. CONCLUSÕES
Os resultados obtidos nos testes de laboratório e campo demonstram que a técnica de sensoriamento
de tensão a fibra óptica, utilizando cristal piezoelétrico como transdutor para detectar um campo
elétrico alternado em conjunto com uma FBG, descrita neste trabalho, é tecnicamente viável para se
medir alta tensão. A curvas de medição obtidas nos testes, a alta sensibilidade e a alta resposta em
freqüência do sensor indicam a possibilidade de análise de oscilografia para a avaliação da qualidade
de energia da rede elétrica.
Nos testes de laboratório, a unidade sensora respondeu a estímulos de tensão na faixa de 150 V até
88 kV. Entretanto, o limite da classe de tensão a que ele pode ser submetido não foi definido. O limite
é dado pela máxima intensidade de campo elétrico ao qual a unidade sensora pode ser submetida sem
o comprometimento de sua integridade física. Essa condição é determinada pelas características
intrínsecas do material piezoelétrico, pelo projeto mecânico da unidade sensora e pelo projeto do
conjunto mecânico do produto para a aplicação desejada.
Os resultados indicam que a técnica apresentada neste trabalho técnico, se realizados esforços e
investimentos na continuidade do projeto, visando ao modelamento teórico e ao desenvolvimento de
novos protótipos para as diversas classes de tensão nas condições de aplicação, será possível para a
obtenção de protótipos de Transformadores de Potencial Óptico – TPO.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS E SITES DA WEB
1 ANDONOVIC, Ivan; UTTAMCHANDANI, Deepak. Principles of modern optical systems.
Norwood, 1989, pp. 357-431.
2 BHATIA; et al. Wavelength-tracked white light interferometry for highly sensitive strain and
temperature measurements. Electr Lett 32, n.3, pp. 247-248, Feb. 1996.
3 ABEYSINGHE, DASGUPTA, et al. A novel MEMS pressure sensor fabricated on an optical
fiber. IEEE Photonics Tech Lett 13, n.9, pp. 993-995, Sep. 2001.
4 XIAO; DENG; PICKRELL; MAY; WANG. Single-Crystal Saphire Fiber-Based Strain
Sensor for High-Temperature Applications. Journ. Light Tech 21, n.10, pp 2276-2283, Oct. 2003.
5 <www.llnl.gov/sensor_technology/STR14.html>. Remote Electric Field Sensor. Acesso em
08/jan/2004.
8/9
6
<www.iris.stuttgart.de/FACILITIES/DIAG/d_fpi.html>.
Acesso em: 09/jan/2004.
Fabry-Perot-Interferometerie.
7 HILL, FUIJI, JOHNSON, KAWASAKI. Photosensitivity in optical fiber waveguides:
applications to reflection filter fabrication. Appl. Phys. Lett. 32, p. 647, 1978.
8 MELTZ; MOREY; GLENN. Formation of Bragg gratings in optical fibers by transverse
holographic method. Opt. Lett. 14, p. 832, 1989.
9 ASKINS, Putmnam et al. Fibre strength unaffected by on-line writing of single-pulse Bragg
gratings. Electronics Letters 33, n.15, Jul. 1997.
10 EGGLETON et al. Novel waveguide structures for enhanced fiber grating devices. IEEE
Journ., on Select. Topics in Quantum. Electr. 7, n.3, pp. 409-424, May/Jun. 2001.
11 SZKOPEK et al. Novel multimode fiber for narrow-band Bragg Gratings. IEEE Journ., on
Select. Topics in Quantum Electr. 7, n.3, pp. 425-433, May/Jun. 2001.
12 FILIPPOV et al. Fiber-optic voltage sensor based on a Bi12TiO20 crystal. Appl. Optics 39,
n.9, pp. 1389-1393, 20 Mar. 2000.
13 MUROOKA et al. Modified Pockels sensor for electric-field measurements. IEE Proc. Sci.
Measur. Technol. 141, n.6, pp. 481-485, Nov. 1994.
14 SUMIYOSHITANI. Study on Kerr electro-optic field measurement method for nonuniform
three-dimensional electric field. IEE Proc. Scien. Measur. Technol. 141, n.5, pp. 418-422, Sep.1994.
15 SANTOS, TAPLAMACIOGLU, HIDAKA. Pockels high-voltage measurement system.
IEEE trans. on power delivery 15, n.1, pp 8-13, jan. 2000.
16 Johnstone et al. In line fibre optic electric field sensing technique without interruption of the
fibre. IEE Proc. Scien. Measur. Technol. 142, n.2, pp. 109-113, Mar. 1995.
17 KINGSLEY, SRIRAM. Parallel-plate integrated optic high-voltage sensor. Electr. Lett. 31,
n.13, pp. 1096-1097, Jun. 1995.
18 RAHMATIAN et al. 230 kV optical voltage transducers using multiple electric field sensors.
IEEE Transac on Power Deliv. 17, n.2, pp. 417-422, Apr. 2002.
19 DONATI et al. A novel magnetic field fiberoptic sensor. 7th International Symposium on
High Voltage Engineering – Technische Universität Dresden, pp. 123-126, Aug. 26-30/1991.
20 BORIN, F.; ROCHA, M.L.; et. al. Electrical and mechanical tuning of fiber bragg gratings
for sensing and optical networking applications. Intnl. Microw.Optolectron.Conference –
IMOC’2003, Foz do Iguaçu, Brazil, Sep. 2003.
9/9