Tecnologias de monitoração de hidrogeradores
utilizando sensores ópticos
João Batista Rosolem*, Claudio Floridia, Danilo César Dini, Claudio Antonio Hortencio, Flávio
Borin, João Batista de Mello Ayres Neto, Rogério Lara Leite, Eduardo Ferreira da Costa, Edson
Wilson Bezerra, Antônio Amauri Juriollo, Jacques Philippe Marcel Sanz**, Norberto Bramatti**
Levando-se em conta o fato de que as usinas hidroelétricas são hoje as principais fontes de energia do
sistema elétrico nacional, pode-se notar que o desenvolvimento de métodos de proteção e
acompanhamento preditivo tornou-se fundamental para impedir impactos danosos aos geradores e
consequentes paradas prolongadas. Nesse aspecto, a monitoração on-line dos parâmetros dos
hidrogeradores é muito importante. Uma abordagem relativa à monitoração consiste em investir na
confiabilidade dos sensores e na possibilidade de implantação de redes de sensoriamento nos
hidrogeradores, dado que, normalmente, há uma grande necessidade de monitoramento em inúmeros
pontos e parâmetros nos hidrogeradores. Com o advento da tecnologia de sensores de fibra óptica,
novas e vantajosas alternativas de medição são disponibilizadas, atendendo a esses quesitos. Este
artigo apresenta os resultados do desenvolvimento de três tipos de sistemas de sensoriamento óptico a
serem utilizados na monitoração de parâmetros dos hidrogeradores: sensoriamento de descargas
parciais, sistema de sensoriamento de proximidade do rotor/estator e sistema de sensoriamento de
temperatura e deformação do rotor.
Palavras-chave: Hidrogeradores. Rotor. Estator. Smart grid. Sensor óptico.
Introdução
No Brasil, a produção de energia é realizada,
principalmente, por meio de usinas hidroelétricas,
dadas as grandes bacias hidrográficas de que o
País dispõe. De toda a energia gerada, cerca de
90% provém de usinas hidroelétricas.
Devido à importância dessas usinas como fonte
de energia principal, o ONS (Operador Nacional
do Sistema Elétrico) mantém as unidades de
produção (hidrogeradores) em sua carga
nominal, apenas removendo-as do serviço em
casos de demanda reduzida, necessidade de
pausa para manutenção ou quando as condições
dos reservatórios exigem tal retirada.
Os custos incidentes sobre a hora de cada
máquina parada – sejam eles advindos de lucros
cessantes ou, ainda, dos próprios custos
decorrentes dos eventos de manutenção –
tornam fundamental o desenvolvimento de
métodos de proteção e de acompanhamento
preditivo, de modo a impedir que os geradores
sofram impactos danosos, o que ocasionaria
paradas prolongadas (LLOYD; CAMPBELL;
STONE, 1999), fora dos períodos de demanda
reduzida ou de nível reduzido de reservatório.
Essa estratégia vem ao encontro do conceito de
smart grid (US DEPARTMENT OF ENERGY,
2008), de acordo com o qual a automação e a
digitalização das redes elétricas é possibilitada
pela
incorporação
de:
tecnologias
de
informação, telecomunicações, sensoriamento e
monitoração para o melhor desempenho da rede.
Assim,
torna-se
possível
identificar,
antecipadamente, as falhas da rede e capacitá-la
para se autorrecompor diante de ocorrências que
possam afetar seu desempenho.
As empresas geradoras do setor elétrico vêm
buscando, desde a década passada, sistemas de
monitoração para hidrogeradores. O objetivo é
fornecer às equipes de operação e manutenção
uma ferramenta de diagnóstico, destinada a
prever defeitos em formação, a partir do
tratamento das grandezas monitoradas.
Uma abordagem relativa à monitoração consiste
em investir na confiabilidade dos sensores e na
possibilidade de implantação de redes de
sensoriamento nos hidrogeradores, tendo em
vista a necessidade de monitorar uma grande
quantidade de pontos e parâmetros.
Com o advento da tecnologia de sensores de
fibra óptica, novas alternativas de medição se
apresentam. As vantagens dos sensores ópticos
são (CULSHAW; KERSEY, 2008): imunidade das
fibras
ópticas
frente
às
interferências
eletromagnéticas; capacidade de transmissão de
sinais de frequência e largura de banda
elevadas; capacidade de multiplexação de sinais
de vários sensores em uma única fibra;
compactação e uso de espaços reduzidos;
possibilidade de medidas não invasivas, além do
baixo custo proporcionado pela escolha de
elementos adequados para a monitoração.
Neste artigo, apresentamos os resultados do
desenvolvimento de três tipos de sistemas de
sensoriamento óptico a serem utilizados na
*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected].
**Centro de Tecnologia da Eletronorte.
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 6, n. 1, p. 21-30, jan./jun. 2010
Tecnologias de monitoração de hidrogeradores utilizando sensores ópticos
monitoração de parâmetros do hidrogerador.
Para melhor descrever os resultados obtidos
nesses projetos, bem como os parâmetros a
serem monitorados, na Seção 1 apresentamos
os resultados do desenvolvimento de um sistema
de sensoriamento óptico de descargas parciais.
Na Seção 2, apresentamos os resultados do
desenvolvimento
de
um
sistema
de
sensoriamento óptico de proximidade do
rotor/estator e, na Seção 3, os resultados do
desenvolvimento
de
um
sistema
de
sensoriamento óptico de temperatura e
deformação do rotor.
1
Sistema de sensoriamento óptico de
descargas parciais para o estator
A ocorrência de descargas parciais nos sistemas
isolantes dos equipamentos de alta tensão é um
sintoma de fragilidade na capacidade dielétrica,
cuja
evolução
pode
acarretar
graves
consequências para o equipamento e para o
sistema elétrico. A avaliação de equipamentos de
alta tensão, quanto à geração de descargas
parciais, é uma ferramenta preditiva, que pode
auxiliar na realização da manutenção prévia dos
equipamentos (HUDON; BÉLEC, 2005; IEEE,
2000). A partir dessa avaliação, pode-se
providenciar uma intervenção no sistema ou sua
substituição, antes que ele sofra danos mais
graves ou, até mesmo, antes que seja afetado
como um todo.
Descargas parciais ocorrem devido à ação de
vários mecanismos de falhas, como sobrecargas
térmicas,
movimentos
mecânicos,
má
impregnação do isolamento, deterioração da
camada
semicondutora,
entre
outros
(BARTNIKAS,
2002).
Monitorando-se
as
descargas parciais, que são sintomas evidentes
desses mecanismos, é possível determinar se
está ocorrendo deterioração do isolamento e se
ele apresenta risco de falha. Testes de
descargas parciais também auxiliam a equipe de
manutenção a determinar, previamente, qual o
tipo de reparo necessário.
De uma maneira geral, esse envelhecimento
acelerado dos materiais isolantes, com a
ocorrência subsequente de descargas parciais, é
um ponto crítico na maioria dos grandes
equipamentos elétricos. Os hidrogeradores não
constituem exceção e têm, no isolamento de
suas barras estatóricas, um de seus elos mais
fracos. Vibração nas barras, vazios no
isolamento, contaminação do isolamento e
deterioração das cabeças das bobinas são falhas
existentes no estator e passíveis de serem
detectadas, por meio da monitoração de
descargas parciais. Estas caracterizam-se por
um processo de ionização em ambiente gasoso
no interior dos materiais dielétricos, causado por
um campo elétrico intenso e localizado. A partir
desse processo, diversas grandezas físicas são
22
geradas
no
local,
tais
como
pulsos:
eletromagnéticos conduzidos e irradiados,
luminosidade, ruído acústico, acréscimo de
temperatura e reações químicas localizadas.
O sistema de sensoriamento óptico de descargas
parciais para o estator desenvolvido baseia-se na
captação dos pulsos eletromagnéticos irradiados
pelas descargas parciais. O sistema consiste,
basicamente, no uso de uma antena dipolo (ou
de qualquer outro tipo) acoplada diretamente às
portas (anodo e catodo) de um laser
semicondutor de baixa corrente de limiar. Para
que o sensor laser possa transmitir a forma de
onda completa, é necessário polarizá-lo com
uma corrente contínua acima do limiar. Isso pode
ser feito facilmente em aplicações gerais, por
meio de um circuito eletrônico adequado e de
uma fonte de tensão ou bateria.
No entanto, foi requisito desse projeto que
nenhuma alimentação elétrica fosse instalada
junto ao sensor, de modo a não causar quaisquer
problemas ao hidrogerador. Para solucionar esse
problema e polarizar o laser com corrente
contínua sem a necessidade de uso de uma
fonte de alimentação local, adotou-se a técnica
de alimentação óptica (BARTNIKAS, 2002;
LANDRY;
RUPERT;
MITTAS,
1991;
ROSOLEM et al., 2009). Assim, uma fibra óptica,
diferente da fibra do laser, conduz uma potência
óptica em comprimento de onda específico e em
nível adequado para alimentar uma célula
fotovoltaica instalada junto ao laser. A célula
fotovoltaica tem a função de transformar a
potência óptica detectada em tensão e corrente
para alimentação do laser.
A Figura 1(a) ilustra o diagrama do sensor de
descargas parciais que utiliza um laser
semicondutor, conjugado a uma antena de
radiofrequência, e a técnica de alimentação
óptica, que denominamos sensor ativo.
A célula fotovoltaica utilizada nesse projeto é um
dispositivo já adequado para alimentação de
sensores. No entanto, sua capacidade de
fornecimento de potência é limitada. Estão
disponíveis comercialmente células fotovoltaicas
para uso com fibras multimodo nas janelas de
810 nm, e fibras monomodo para a faixa de
1.000 a 1.600 nm. Tipicamente, para uma
potência óptica de 100 mW em uma carga de
100 Ohms, o valor de tensão é da ordem de
1,0 V para uma corrente de 6 mA.
A Figura 1(b) mostra uma caracterização do
sensor laser com a célula fotovoltaica
incorporada. Foi utilizada, nesse caso, uma fonte
de alimentação óptica de alta potência no
comprimento de onda de 1.480 nm. Observamos
que a corrente do laser é linear, em função da
potência óptica no conversor. Já a tensão
mínima de operação do laser é de 0,9 V.
Outra consideração sobre o sensor é relativa ao
tipo de antena a ser empregada. A antena
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Tecnologias de monitoração de hidrogeradores utilizando sensores ópticos
escolhida deve atender aos seguintes requisitos:
a) ter frequência de ressonância dentro da
faixa de interesse das medições de
descargas parciais;
b) possuir a maior largura de banda possível;
c) ter resistência de radiação adequada para
casamento de impedância com o laser
semicondutor;
d) ter boa direcionalidade e dimensões
adequadas para instalação nas cabeças
das barras do estator do hidrogerador.
Diversos tipos de antenas estão disponíveis para
esse desenvolvimento. Entre esses tipos,
podemos citar: a antena monopolo, a dipolo e a
loop.
A antena escolhida para o desenvolvimento foi a
do tipo dipolo, por sua simplicidade e por
possibilitar maiores ganho e largura de banda –
além da resistência de radiação mais adequada
para casamento de impedância com o laser
semicondutor.
A vantagem da antena loop é a possibilidade de
se obter um comprimento de onda menor –
correspondente à metade – do que aquele da
antena dipolo simples, para o mesmo
comprimento de onda de ressonância. No
entanto, a antena loop apresenta diversos
Fonte luz
fibra óptica
conversor
laser
choque RF
Correntedo laser (mA)
resistor
18
1.2
16
1.0
14
12
0.8
10
0.6
8
6
0.4
4
Corrente
Tens ão
2
0.2
0
meander
Tensão no laser(V)
fibra óptica
Receptor
óptico
parâmetros desvantajosos, tais como: baixa
resistência de radiação da antena, baixo ganho
da antena em relação ao dipolo e baixa banda
passante.
As antenas dipolo de meia onda são as mais
utilizadas em sistemas de radiocomunicação, e
são assim chamadas porque seu comprimento é
igual à metade do comprimento de onda para a
faixa de frequência em que irá operar. Em outras
palavras, em cada parte da antena, o sistema
irradiante (comprimento) terá um quarto (1/4) do
comprimento de onda para a faixa de operação.
Assim, escolhemos um tipo de antena dipolo
linear que é utilizada em espaços restritos, como
é o caso dos hidrogeradores. O tipo de antena
dipolo escolhido foi a antena meander
(FREESCALE
SEMICONDUCTOR,
2006;
RASHED; TAI, 1991). Na antena meander1, os
braços lineares da antena dipolo são
confeccionados conforme uma estratégia de ida
e volta no eixo perpendicular ao eixo normal da
antena dipolo, até completar seu tamanho
estimado. A antena meander é confeccionada
em circuito impresso, o que lhe garante bastante
robustez.
A
Figura
2(a)
mostra
um
primeiro
empacotamento utilizado para o sensor. A Figura
2(b) mostra uma caracterização do sensor,
0.0
0
50
100
150
200
250
Pot ência no conversor (mW )
300
(a)
(b)
Figura 1(a) Diagrama esquemático do sistema de sensoriamento de descargas parciais baseado no laser
semicondutor na forma ativa e (b) caracterização do sensor laser com a célula fotovoltaica incorporada
(a)
(b)
Figura 2(a) Sensor confeccionado conforme os dados de simulação e (b) curva de potência óptica gerada
pelo sensor laser em função da potência óptica de alimentação da célula fotovoltaica
______________________________________
1
Ver Figura 1(a).
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23
Tecnologias de monitoração de hidrogeradores utilizando sensores ópticos
através da curva de potência óptica contínua do
laser de sinal pela potência óptica de
alimentação na célula fotovoltaica. Algumas
curvas temporais das descargas são mostradas,
também, para três níveis de potência óptica de
alimentação.
Para testar o sensor desenvolvido em condições
mais próximas da sua operação real, ou seja,
para monitorar descargas parciais provenientes
do estator, foram realizados testes em um
laboratório especializado em medição de
descargas parciais. Utilizou-se uma barra de um
estator proveniente de um hidrogerador para
gerar as descargas parciais. A barra em questão
foi escolhida por já apresentar alto índice de
ocorrência de descargas parciais.
Nos testes realizados, os dados das descargas
foram obtidos tanto pela utilização do sensor
desenvolvido como pelo sistema de monitoraçãopadrão baseado em acoplamento capacitivo.
O próximo passo, nesse desenvolvimento, foi
testar o sensor no estator de um hidrogerador
real. Para tanto, outros fatores, tais como a
temperatura de operação e o acondicionamento
do sensor acima das barras do estator, foram
analisados antes de sua instalação. A elevada
temperatura na proximidade das barras das
bobinas do estator (aproximadamente de 70 a
80ºC no ar e 90ºC no metal da barra) poderia
comprometer o desempenho do sensor. Porém,
o sistema desenvolvido possui um mecanismo
de realimentação automático que possibilita o
controle da condição operacional do laser. O
sistema foi testado em laboratório e mostrou
excelente estabilidade até a temperatura de
100ºC.
O sistema de sensoriamento óptico de descargas
parciais foi instalado, para testes de campo, em
um hidrogerador de uma usina hidroelétrica
instalada no interior do Amapá, junto a um
sistema convencional de medição de descargas
parciais. Desde sua instalação, o sistema de
medição
tem
apresentado
excelente
desempenho.
Apesar de descrevermos, neste artigo, o sensor
de descargas parciais com a antena do tipo
meander, outros tipos de antena estão sendo
pesquisados e desenvolvidos, como, por
exemplo, uma linha de transmissão diretamente
acoplada e colada na barra do estator, sendo
conectada ao laser por um cabo coaxial. É
interessante, também, mencionar que essa
tecnologia pode ser utilizada, em outras
situações, para medições de campo elétrico
gerado ou não por descargas elétricas.
Outros exemplos de aplicação em sistemas
elétricos são as medições de descargas de
transformadores, subestações blindadas isoladas
a gás SF6, cabos de transmissão, entre outros.
24
2
Sistema de monitoração do
balanceamento do eixo do hidrogerador
por sensor óptico de proximidade
Em hidrogeradores é importante que o eixo da
turbina não sofra nenhum desbalanceamento,
de forma a evitar desgastes nos mancais e no
desempenho da máquina. Para tanto, deve-se
monitorar continuamente a órbita da máquina.
Isto é realizado por meio de sensores de
proximidade que medem a variação de distância
entre o eixo e dois sensores posicionados de
modo a formar um ângulo de 90º entre si.
A tecnologia do sensor óptico de proximidade
desenvolvido baseia-se na deformação de uma
fibra de Bragg (Fiber Bragg Grating – FBG)
(KERSEY et al., 1997), provocada pela força
magnética de um ímã preso a essa fibra (MORA
et al., 2000).
O esquema do sistema de sensoriamento óptico
de proximidade é apresentado na Figura 3(a).
Esse sistema permite monitoração com
independência de temperatura pelo uso de duas
FBGs com comprimentos de onda ligeiramente
sobrepostos. Na Figura 3(a), o sinal óptico de
banda larga (SOA ou LED, por exemplo) passa
por um circulador óptico e é refletido pela
primeira FBG. O sinal refletido passa, então, pelo
segundo circulador óptico e é, novamente,
refletido pela segunda FBG. Como resultado,
apenas a sobreposição do espectro de reflexão
de cada uma das FBGs será detectada na
recepção óptica. A Figura 3(b) mostra o
encapsulamento do sensor.
Nessa configuração, apenas uma das FBGs
(FBG2) sofre a ação de deformação, devido à
atração magnética do eixo do rotor. A FBG1
deverá ficar próxima o suficiente da grade FBG2
para permanecer na mesma temperatura
ambiente (CHIANG et al., 2002; XU et al., 1994).
Entre os requisitos que esse sensor deve
apresentar, estão: resposta linear em um
intervalo de até 2,0 mm, com precisão de 15 m;
independência de fatores externos, como a
temperatura; e velocidade de aquisição da ordem
de 1.000 Hz.
Foram realizadas medidas de tensão em função
da
distância
de
um
alvo
metálico,
aproximando-se e afastando-se dele o sensor.
As curvas obtidas são mostradas na Figura 4(a).
Para a calibração dos protótipos dos sensores
ópticos de proximidade, foi utilizada uma
montagem experimental, na qual os sensores
variavam a distância em relação a um bloco de
aço ABNT 1045 com dimensões de 152 mm
(largura) x 152 mm (altura) x 100 mm
(profundidade), para simular o material da árvore
da turbina hidroelétrica, constituída de aço
forjado ASTM 668 CL e aço ABNT 1045. As
potências ópticas da reflexão das grades de
Bragg foram medidas utilizando um medidor de
potência óptica, em função do deslocamento do
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Tecnologias de monitoração de hidrogeradores utilizando sensores ópticos
sensor montado na base do trilho óptico.
O próximo passo foi a realização do teste de
campo em uma usina hidroelétrica instalada no
interior de Rondônia, para o qual foram
desenvolvidos dois conjuntos de sensores
ópticos de proximidade. A Figura 4(b) ilustra a
montagem dos sensores ópticos de proximidade
no interior do poço da unidade geradora, bem
como todos os componentes utilizados no teste
de campo.
Um sinal do sensor de proximidade, posicionado
a 3 mm do eixo, é mostrado no gráfico inserido
na Figura 4(b). Observa-se a existência de
desbalanceamento, evidenciada pela variação do
sinal capturado em função do tempo.
3
Sistema de sensoriamento óptico de
temperatura e deformação do rotor
Intensidade
A estabilidade mecânica e a temperatura de
operação dos rotores de hidrogeradores são
parâmetros dinâmicos que devem estar sempre
dentro de margens preestabelecidas (DOUGLAS,
1988). A monitoração da evolução e o controle
desses parâmetros impedem a operação fora
dessas margens e, também, evitam graves
consequências para o equipamento e para o
sistema elétrico.
Instabilidades no sistema rotor podem gerar
campos magnéticos localmente intensos, que
induzem correntes espúrias, o que ocasiona
Fibras
Fibras ópticas
ópticas
Circulador

Intensidade
Intensidade

Recep ção
óptica
FBG
Alvo met á lico

Sinal
detectado
Magneto
FBG1
Intensidade
SOA ou
LED
sobrecargas, deformações nas formas de onda e
aumentos de temperatura. A partir desse
processo de deterioração, diversas grandezas
físicas são geradas no local, como pulsos
eletromagnéticos conduzidos e irradiados,
elevação de temperatura e vibrações não
harmônicas. Vibração nas barras, vazios no
isolamento, contaminação do isolamento,
descargas elétricas nas cabeças das bobinas,
descargas elétricas nas ranhuras e deterioração
das cabeças das bobinas são falhas que podem
ocorrer no rotor ou no estator, causando efeitos
indesejáveis no funcionamento do hidrogerador.
Um agravante do processo é o envelhecimento
acelerado dos mancais de sustentação, bem
como dos materiais isolantes, com a ocorrência,
inclusive, de fugas e descargas parciais, além do
fato de se ter um sistema dinâmico em
movimento com forças variáveis. Em função de
curto-circuitos entre espiras do rotor, ocorre um
aumento da corrente de magnetização, o que
ocasiona o aparecimento de pontos quentes em
outros setores do rotor e a diminuição do
rendimento do gerador.
Outro problema relacionado aos rotores são as
deformações mecânicas ocorridas em função da
não homogeneidade do material do rotor e
variação da temperatura ambiente. Essa
deformação pode levar à distorção do campo
magnético gerado, ocasionando perdas na
máquina.
FBG2
Magneto

(a)
(b)
Figura 3(a) Esquema do sistema de sensoriamento óptico de proximidade e (b) desenho do sensor óptico
de proximidade usando FB
-20
Potência Óptica (dBm)
Proximidade 10,9 mm 5,9 mm 4,4 mm 3,9 mm 3,4 mm
-30
-40
-50
-60
-70
1549
1550
1551
1552
1553
1554
Comprimento de onda (nm)
(a)
(b)
Figura 4(a) Potências ópticas da reflexão das grades de Bragg obtidas na recepção em função da
proximidade do rotor e (b) sensores instalados na unidade geradora número 3 da usina hidroelétrica Samuel
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Tecnologias de monitoração de hidrogeradores utilizando sensores ópticos
Por esses motivos, deve-se medir a temperatura
em alguns pontos do rotor e realizar a
transmissão dessa informação para fora do rotor.
Algumas técnicas têm sido propostas para
monitoração on-line de alguns parâmetros do
rotor do hidrogerador (JOVANOVIC, 2000; SÁ;
SILVA, 1995; WILLSCH et al., 2008) e são
baseadas na transmissão das informações dos
dados de dentro do rotor, por meio de óptica
espacial (LEDs alinhados com fotodetectores) ou
por transmissão de rádio. Em todo o caso, essas
técnicas exigem uma alimentação elétrica
permanente para a unidade de sensoriamento, o
que limita a aplicação no rotor a um tempo
limitado. O sistema desenvolvido é de
sensoriamento
passivo,
ou
seja,
sem
alimentação que colete dados no rotor e
transmita esses dados para o sistema de
monitoração instalado na parte fixa e externa da
máquina.
O sistema de sensoriamento óptico de
temperatura e deformação do rotor idealizado é
ilustrado na Figura 5. Na parte móvel (rotor)
ficam componentes ópticos totalmente passivos:
os sensores do tipo FBG e o colimador móvel.
Cada FBG corresponde a um ponto de
monitoração de temperatura e/ou deformação.
Na parte fixa ficam o interrogador – composto de
fonte de luz, analisador de canais ópticos (Optical
Channel Analyzer – OCA) e circulador óptico – e
o colimador fixo.
O sistema funciona do seguinte modo: a fonte de
luz de banda larga emite luz pela fibra óptica até
o colimador fixo. Este transmite luz ao colimador
móvel, quando ocorre alinhamento (a cada volta
do rotor). Essa luz, então, é refletida em
Fonte de luz de
banda larga
comprimentos de onda específicos dados pelas
FBGs, que são os elementos sensores. A luz
refletida passa pelo colimador móvel e é captada
pelo analisador de canais ópticos, que mede o
comprimento de onda de cada um dos elementos
sensores. Com o aumento ou a diminuição de
temperatura
local
(ou
deformação),
os
comprimentos
de
onda
observados
no
interrogador são alterados. Os colimadores têm a
função de alargar o feixe de luz para dimensões
finitas, facilitando o alinhamento óptico.
Os sensores de temperatura e deformação
utilizados são baseados na tecnologia FBG e são
dispositivos de grau industrial destinados a
ambientes hostis, encontrados em aplicações
nos ramos da energia, da construção civil, do
transporte e da indústria aeroespacial. Esses
sensores podem ser usados isoladamente ou
como parte de uma rede de sensores por FBGs.
Podem, também, ser facilmente montados
diretamente sobre a maioria dos materiais com
epóxi, parafusos ou ponto de solda.
Os colimadores utilizados não têm nenhuma
peça móvel, são compactos e não suscetíveis a
desalinhamento. A lente possui um revestimento
antirreflexivo, que minimiza as reflexões na sua
superfície.
O interrogador é o equipamento que permite a
visualização do espectro óptico, com a presença
dos sinais de retorno das fibras com grade. Esse
equipamento foi desenvolvido, inicialmente, para
uso em telecomunicações e posteriormente foi
adaptado para uso em sensoriamento, com a
inclusão de uma fonte de luz de banda larga.
O equipamento desenvolvido baseia-se no uso
de
tecnologias
modulares
comerciais.
Fibra óptica
Eixo do rotor
ASE
Circulador
óptico
MCO
Colimador
óptico
Analisador de
canais ópticos
Colimador
Rotor
Interrogador
FBG
Sensor FBG
Figura 5 Sistema de sensoriamento óptico de temperatura e deformação do rotor
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Tecnologias de monitoração de hidrogeradores utilizando sensores ópticos
pôde ser ajustada de 0 a 800 rpm. O objetivo foi
simular rotores de hidrogeradores de diversas
velocidades de rotação.
Na Figura 6(a), observamos o intervalo entre
duas medidas consecutivas (capturas de
espectro consecutivas, que equivalem a medidas
de temperatura sobre o rotor) ao longo do tempo
de ensaio (1 hora). Por exemplo, notamos que, a
63 rpm, a maioria dos espectros foram captados
em menos de 10 segundos e, em média, a cada
8,7 s. O tempo máximo entre uma captura e
outra foi de 35 s. Já para 630 rpm (valor mais
próximo do rotor do hidrogerador da Pequena
Central Hidroelétrica Luiz Dias), a maioria dos
espectros foi capturada em menos de 1,5 s, com
valor médio de 1 s e tempo máximo de 3,3 s.
A calibração dos sensores FBG foi realizada por
meio da comparação entre um sensor eletrônico
LM35 e um sensor óptico com fibra com grade
de Bragg comercial, em um ciclo de aquecimento
e resfriamento da temperatura ambiente em até
65°C. O teste foi realizado aquecendo-se ambos
os sensores e registrando os valores de
temperatura fornecidos pelo LM35 e o
comprimento de onda refletido pela FBG ao
longo do tempo. Um gráfico com a curva de
calibração do sensor FBG, obtido pela
comparação entre dados de comprimento de
onda em função da temperatura registrada pelo
sensor eletrônico LM35, e seu ajuste linear é
mostrado na Figura 6(b). Como pode ser
observado nessa curva, o sistema de
sensoriamento óptico de temperatura é muito
linear.
Foi realizado um teste de aquecimento e
resfriamento sobre a parte girante de um torno
mecânico, para simular situação análoga à que
seria encontrada em uma máquina real. Uma
bateria induziu o aquecimento de um resistor
(situação análoga ao curto das espiras do rotor).
O rotor foi posto em movimento e os dados
foram registrados durante 30 minutos (tempo
necessário para o resistor aquecer e esfriar).
Dois dos três sensores foram colocados sobre a
resistência e o terceiro foi mantido termicamente
isolado.
1532.0
40
Comprimento de onda nm)
(
Intervalo entre medições (s)
A estratégia adotada é a integração dos
seguintes módulos:
a) analisador de canais ópticos (OCA);
b) placa de processamento de dados;
c) placa de comunicação Ethernet;
d) chave óptica, para a leitura de diversas
entradas ópticas (sistemas com múltiplas
fibras com grade);
e) circulador para rotear a luz enviada para
os sensores e que retorna para o OCA; e
f) fonte de luz ASE (Amplified Spontaneous
Emission), para gerar luz em banda larga
para os sensores a fibra com grade
(FBGs).
O módulo OCA comercial utiliza a tecnologia de
fibra de Bragg (Blazed FBG) e matriz de
fotodetectores para ler o espectro óptico da
banda C (1.528 a 1.568 nm). A precisão do
equipamento na leitura de comprimento de onda
é de 0,05 nm e a precisão de potência lida é de
0,5 dB. A faixa de medição da razão óptica
sinal-ruído é de 10 a 28 dB. O tempo de leitura
de toda a banda espectral da banda C é inferior a
100 ms. O módulo de chaveamento óptico utiliza
tecnologia MEMS (Micro Electro-Mechanical
Systems) e pode, de acordo com a aplicação,
possuir até 16 portas ópticas de entrada para
cada uma de saída. O módulo de processamento
de dados possui microprocessador de 32 bits,
operando em 50 MHz de frequência de relógio e
8 MB de memória flash. Esse módulo possui,
embutido, o sistema operacional Linux, que
realiza algumas operações com os dados
enviados pelo módulo OCA antes de exteriorizálos. O módulo OCA, já integrado a todos esses
outros módulos, exterioriza os dados via interface
Ethernet 10BaseT ou via interface serial. O
interrogador possui, embutido, um módulo de
fonte óptica de luz ASE, que cobre a faixa de
funcionamento das fibras – que vai de 1.528 a
1.564 nm. No detalhe da Figura 5, mostra-se
uma foto do interrogador desenvolvido.
Os testes do sistema de sensoriamento óptico de
temperatura e deformação do rotor foram
realizados em um torno mecânico, cuja rotação
Max
Media
Min
35
30
25
20
15
10
5
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
[nm] = 1530.379 + 0.033184 (T[ °C]- 24.10)
1531.5
1531.0
1530.5
1530.0
20
30
40
50
Rotação (rpm)
Temperatura ( °C)
(a)
(b)
60
70
Figura 6(a) Intervalos de tempo máximo, médio e mínimo de detecção de espectros consecutivos em
função da velocidade de rotação do torno mecânico e (b) curva de calibração do sensor FBG
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Tecnologias de monitoração de hidrogeradores utilizando sensores ópticos
Na Figura 7(a), observamos o deslocamento do
comprimento de onda dos sensores de FBG.
Notamos que o sensor termicamente isolado não
teve alteração no comprimento de onda. Esses
resultados foram obtidos com o rotor em
movimento com uma rotação de 500 rpm. A
Figura 7(b) mostra as temperaturas obtidas a
partir das variações de comprimento de onda
registradas (usando a calibração indicada no
inset da Figura 6(b)). Observa-se que a
temperatura dos sensores, em contato com o
resistor, atingiu o pico de 75ºC. Após atingir essa
temperatura, a bateria descarregou e a
temperatura decaiu lentamente, até o valor do
ambiente circunstante.
Os resultados obtidos em laboratório com esse
sistema são muito promissores. Pretende-se, em
breve, realizar um teste de campo em uma
hidroelétrica para comprovar os resultados em
uma situação real de funcionamento.
tecnologia de fibra óptica.
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Conclusão
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1434-2000: Trial-use guide to the measurement
of partial discharges in rotating machinery. 2000.
1558
Sensor 1
80
1556
Sensor 2
Sensor 3
70
1554
1552
1550
1548
1546
00:00:00
Temperatura (°C)
Comprimento de onda (m)
Neste trabalho apresentamos os resultados do
desenvolvimento de três tipos de sistemas de
sensoriamento – baseados em tecnologia de
fibra óptica – a serem utilizados na monitoração
de
parâmetros
do
hidrogerador.
As
características da fibra óptica conferem uma
série de vantagens em relação aos sistemas de
sensoriamento,
como:
imunidade
eletromagnética, isolamento elétrico, baixo peso,
flexibilidade, resistência, entre outras. Os
sistemas de sensoriamento foram desenvolvidos
para monitorar descargas parciais de estatores,
proximidade do rotor/estator e temperatura e
deformação do rotor.
Os sistemas de sensoriamento desenvolvidos
foram testados com êxito e suas características
comprovam os benefícios obtidos com o uso da
Sensor 1
Sensor 2
Sensor 3
60
50
40
30
20
10
00:10:00
00:20:00
00:30:00
0
00:00:00
00:10:00
00:20:00
Tempo (horas)
Tempo (horas)
(a)
(b)
00:30:00
Figura 7(a) Variação do comprimento de onda de três sensores sobre o rotor do torno mecânico durante o
teste de simulação de aquecimento e resfriamento e (b) temperaturas correspondentes obtidas2
____________________________________________________
2
Note que um dos sensores foi mantido termicamente isolado.
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Abstract
Since hydroelectric energy are the main energy source of the national electric system, the development of
protection and predictive methods and monitoring systems for hydrogenerator has become essential to
prevent harmful impacts and consequent lengthy stoppages. Hydrogenerators monitoring systems need
to attend to severe reliability criteria and the capability of sensing hundreds of sensors, since typically
there are several points and parameters to monitors in hydrogenerators. Fiber optic sensing is a new,
viable and reliable technology to be used in hydrogenerators. This paper presents the results of the
development of three types of sensing systems based on optical fiber technology for use in
hydrogenerator monitoring. The sensing systems have been developed to monitor partial discharge,
proximity to the rotor/stator and rotor temperature and deformation.
Key words: Hydrogenerator. Rotor. Estator. Smart grid. Optical sensor.
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 6, n. 1, p. 21-30, jan./jun. 2010
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