COMISSÃO DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA REGIONAL
COMITÊ NACIONAL BRASILEIRO
V CIERTEC - SEMINÁRIO INTERNACIONAL SOBRE GESTÃO DE PERDAS,
EFICIENTIZAÇÃO ENERGÉTICA E PROTEÇÃO DA RECEITA NO SETOR ELÉTRICO
Área de Distribuição e Comercialização
Identificação do Trabalho: BR-54
Maceió, Brasil, Agosto de 2005
TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTOS ÓTICOS
Tema 1.1: Perdas Técnicas
Autor/es: LUIZ CARLOS DE OLIVEIRA
Empresa ou Entidade: CPFL – PIRATININGA
PALAVRAS-CHAVE:
Medição direta na média tensão
DADOS DO AUTOR RESPONSÁVEL
Nome: Luiz Carlos de Oliveira
Cargo: Engº de Medição Pleno
Endereço: Rod. Campinas – Mogi Mirim km
2,5 Campinas – S.P
Telefone: 19 3756 8076
Fax: 19 3756 8212
E-Mail: [email protected]
RESUMO DO TRABALHO
OBJETIVO:
Este trabalho tem como objetivo
demonstrar de forma clara e objetiva, a
aplicação dos Transformadores de
Instrumentos Óticos, bem como o seu
princípio de funcionamento.
Primeiramente uma breve introdução onde
fazemos uma breve análise da situação da
tecnologia até então empregada, e a nova
realidade que a tecnologia Ótica propicia.
Descreveremos sobre as aplicações dos
também chamados “não convencionais
transformadores de instrumentos” nas
áreas de medição, proteção e automação.
Posteriormente demonstraremos de forma
sucinta o principio de funcionamento do
sensor ótico de corrente e do sensor ótico
de tensão, que são a parte mais importante
dos
Transformadores de Instrumentos
Óticos, e suas equações fundamentais.
Introdução:
Durante décadas temos utilizamos
transformadores de instrumentos, com
núcleo de ferro silício, cujo princípio de
funcionamento fundamental é basicamente
o eletromagnetismo.
Tais equipamentos, principalmente os
Transformadores de Corrente, sempre
requerem cuidados específicos, em seu
manuseio. Quanto maior o nível de tensão
mais elevado se tornam os risco de
acidentes com esses TC’s.
Outro problema é que hoje em dia, temos
vários clientes que em determinadas
épocas absolvem, ou nos disponibilizam,
grandes quantidades de energia num
determinado sentido, e em outras épocas
absolvem, ou nos disponibilizam, pequenas
quantidades de energia no sentido
contrário.
Uma solução para os problemas acima
citados, seria a utilização de uma nova
tecnologia
de
transformadores
de
instrumentos óticos.
Esta nova tecnologia utiliza como
principio básico de funcionamento,
fenômenos óticos conjugados com
eletromagnetismo.
Aplicação
Os TI’s óticos são aplicáveis em Medição
e Proteção, com várias vantagens sobre os
TI’s convencionais, tais como:
•
Não há risco de explosão em
caso da abertura do secundário do TC;
•
Não há risco de explosão,
devido a vazamento de óleo;
•
Não
causam
problemas
ambientais;
•
Maior precisão nas medidas;
•
Possibilidade de instalação em
qualquer posição;
•
Construção de TI’s, mais leve;
•
Facilidade
de
construção
conjugada de TP e TC, em um único
equipamento.
Além dessas vantagens acima citadas,
temos a
sensibilidade com fator
preponderante.
Hoje em dia, temos vários clientes que em
determinadas épocas absolvem, ou, nos
disponibilizam grandes quantidades de
energia, e em outras épocas este fluxo é
revertido. Para TI’s óticos isto não é
problema, visto a larga faixa de atuação.
Nos TI’s óticos não temos o problema de
saturação do núcleo magnético, e também
temos a possibilidade de termos a
graduação de uma larga faixa de trabalho,
sem prejuízo dos valores mensurados,
tanto para Medição quanto para Proteção.
Sensor Ótico de Corrente
O sensor ótico de corrente tem seu
princípio de funcionamento baseado na
teoria de Faraday e da teoria de Ampere,
já descrito em muito artigos acadêmicos, e
este sensor já´foi desenvolvido em vários
laboratórios.
Efeito Faraday, ou efeito magnéticoótico, é o efeito que descreve a influência
do campo magnético sobre o caminho de
um feixe de luz monocromática dentro de
uma lente de vidro ou cristal. O campo
magnético altera a direção do feixe
luminoso no interior da lente. O feixe
luminoso no interior da lente, passa a
oriente-se na mesma direção do campo
magnético.
O teorema de Ampere demonstra como o
sensor torna-se sensível, a passagem da
corrente elétrica, através da integração do
campo magnético em um loop fechado, em
torno do condutor.
Para obtermos um sensor com uma alta
classe de precisão ( por ex: 0,2%, )
necessitamos de um design adequado, com
o qual consigamos compensar o efeito
parasitas, e também corrigir a variação
térmica devido ao efeito Faraday.
Uma das formas utilizadas para minimizar
o acima citado, é a utilização nos TC’s
óticos de uma placa de vidro ou cristal,
com um furo no meio, por onde o condutor
passa formando assim um “anel de vidro”.
A luz é internamente refletida em um loop
fechado ao redor do condutor.
A detecção Ótica consiste em transformar
o efeito Faraday em uma intensidade de
luz modulada e polarizada, com a adição
de um “sistema polarimétrico” que inclui
dois polarizadores instalados à 45º entre si.
Assim sendo o valor de intensidade
lunimosa pode ser facilmente convertido
em sinal elétrico através de foto-diodos.
Se “V” é a constante de Verdet especifica
para cada material, ( Po ) é a entrada do
fluxo luminoso, e ( Ps ) a saída então:
•
A Diferença de Potencial (DDP)
aplicada sobre duas faces de um
cristal, o que faz com haja uma
integração entre o campo elétrico e
o fluxo luminoso. A medição da
tensão se torna independente da
proximidade entre condutores os
condutores,
e
das
formas
geométricas dos elementos óticos.
O processo de detecção do sinal de Tensão
é obtido através de um “sistema
polarimétrico” constituído de 2 (dois)
polarizadores e um defasador de um quarto
de onda, onde após a passagem do fluxo
luminoso por este, onde é acrescentada
uma defasagem a este fluxo luminoso.
Pode-se demonstrar que a intensidade
luminosa de saída P(s) está relacionada
com a intensidade de entrada P(o), com o
nível de tensão aplicado U(t), expressa
pela equação:
Ps(t) = P0/2 * [1+ sin (2V * I(t))]
Sensor Ótico de Tensão
Para confecção do sensor ótico de tensão, é
necessário obedecer duas propriedades
fundamentais da física:
• O efeito “Pockels”, ou efeito óticoelétrico, o qual é uma característica
apresentada por alguns cristais, que
descreve a influência do campo
elétrico
sobre
um
cristal
transparente. Grupos de átomos,
são, ou transformam-se, em
pequenos dipolos que se orientam
seguindo as linhas do campo
elétrico. Variando a densidade do
campo faz com haja uma
birrefringência (dupla refração)
linear, alterando assim o estado de
polarização do fluxo de luz
monocromática.
Ps(t) = Po/2 * [1 + sin ( K * U(t) )]
Onde:
“K” é a constante de Pockels, que depende
da natureza do cristal e dos arranjos de
configurações.
A forma de coletar a intensidade
luminosa é exatamente igual a do sensor de
corrente.
Através do software de calibração
dos coeficientes, podemos graduar a
sensibilidade de detecção desse fenômeno.
Podemos ver pela formula, que pode
ocorrer erro se (K * U(t) ), for maior que
π/2. Para contornar esta dificuldade
utilizamos então um divisor resistivo.
Transformador Ótico de Corrente
Conclusão
Como podemos ver, tecnicamente os TI’s
óticos são uma evolução sobre os
convencionais.
A utilização de TI ótico, hoje em dia se
mostra economicamente viável nas tensões
superiores à 230 kV, porém em breve,
acreditamos que tensões bem menores,
inclusive
tensões
normalmente
padronizadas para distribuição, estaremos
tendo estes equipamentos economicamente
viável.
Transformador Ótico de Tensão