Monitoramento de transformadores utilizando sensores à fibra óptica: técnicas e aplicação

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1 1 Monitoramento de transformadores utilizando sensores à fibra óptica: técnicas e aplicação R. A. Dias, P. B. Vilar, E. G. Costa, T. V. Ferreira. Resumo - Este artigo busca descrever as principais técnicas empregadas no monitoramento de transformadores utilizando sensores à fibra óptica, suas características e funcionalidades. O monitoramento dos transformadores em sistemas elétricos possibilita detectar falhas em estado iniciais e assim reduzir os custos de reparação e evitar interrupções no fornecimento de energia. O uso dos sensores à fibra óptica é indicado em situações em que a medição elétrica da grandeza é difícil ou inviável, devido às interferências eletromagnéticas. Palavras chaves Transformadores, fibra óptica, sensores, monitoramento, equipamentos elétricos. I. INTRODUÇÃO transformador é equipamento mais importante de uma Osubestação, ao lado das linhas de transmissão ou de distribuição, e da geração. São essenciais na configuração de um sistema elétrico, portanto o seu bom funcionamento é fundamental para manter o sistema em bom funcionamento. O grande desafio enfrentado pelas empresas do setor energético é manter os equipamentos operando ou em disponibilidade de operação. Equipamentos elétricos tendem a ter sua confiabilidade reduzida em fases definidas do seu tempo de operação: geralmente após a instalação e próximo ao final da vida útil. As falhas após a instalação podem ser atribuídas a defeitos de fabricação ou qualidade inadequada do produto, enquanto que as falhas ao final da vida útil devem-se ao desgaste natural do equipamento. Assim, o monitoramento contínuo pode minimizar os efeitos de falhas, em especial nestas fases de confiabilidade reduzida. Em um país em crescimento, a confiabilidade dos sistemas elétricos é um fator importante, e pode ser aumentada com o monitoramento dos transformadores. O monitoramento dos transformadores permite o acompanhamento das condições de operacionalidade como temperatura, tensão, vibração, corrente elétrica, nível de Ramon Araújo Dias é aluno de graduação do Departamento de Engenharia Elétrica (DEE) da Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), além de estagiário científico no Laboratório de Alta Tensão Pablo Bezerra Vilar é aluno do Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Campina Grande Edson Guedes da Costa é professor associado no Departamento de Engenharia Elétrica (DEE) da UFCG, av. Aprígio Veloso, 882, Campina Grande, Paraíba, Tarso Vilela Ferreira é professor adjunto no DEE/UFCG descargas parciais, gases dissolvidos, dentre outras. Como técnica de manutenção preditiva, o monitoramento destas condições permite tomar medidas oportunas e eficazes antes que as falhas ocorram. Muitos dos parâmetros de análise das condições de equipamentos elétricos se baseiam em sensores ópticos. O uso de fibra óptica para o monitoramento se torna conveniente por ela ser isolante, imune a interferências eletromagnéticas, ser de baixa invasividade, capacidade de medir várias grandezas físicas, dimensão e peso reduzidos [1], dentre outras. Desenvolvida nos anos 70, as fibras ópticas ocasionaram uma grande revolução, principalmente na área de telecomunicação, onde seu uso multiplicou em milhares de vezes a capacidade de transmissão de dados. No contexto de sensoriamento, o uso de fibra óptica revelou-se um dos melhores recursos quando se trata do monitoramento, principalmente, da temperatura nos enrolamentos dos transformadores. O monitoramento se faz adequando, pois a vida útil do transformador se baseia na vida útil do seu isolamento, o qual é diretamente dependente da temperatura. O presente artigo apresenta uma breve revisão das principais tecnologias em sensores à fibra óptica, bem como, suas características e funcionalidades na análise de transformadores, aumentando assim, a confiabilidade desses equipamentos. II. SENSORES A FIBRA ÓPTICA A fibra óptica é o meio de transmissão composto por um filamento de vidro ou de materiais poliméricos, com a capacidade de transmitir luz. De maneira geral, uma fibra óptica pode ser dividida em três regiões, apresentadas abaixo, e graficamente representadas na Fig. 1: i. Núcleo: filamento por onde passa a luz; ii. Casca, camada que reveste o núcleo; iii. Revestimento: camada que reveste a casca protegendoa contra choques mecânicos e excesso de curvatura. Fig. 1. Representação gráfica das partes constituintes de uma fibra óptica. A transmissão da luz pela fibra segue um mesmo princípio, independentemente do material usado ou da aplicação: é

2 2 lançado um feixe de luz em uma extremidade da fibra, através do núcleo, e devido a suas características ópticas o feixe a percorre através de consecutivas reflexões [2]. Os dispositivos que utilizam a fibra óptica como meio de conexão para a luz entre a grandeza mensurada e a região de leitura são chamados de sensores à fibra óptica e se dividem em duas categorias: os extrínsecos e os intrínsecos. III. SENSORES EXTRÍNSECOS Sensores extrínsecos, ou híbridos são caracterizados pelo fato do mensurando atuar numa região externa à fibra óptica, isto é, a fibra óptica é usada apenas como canal óptico de transporte da radiação ao local de monitoração [3]. Em transformadores, historicamente, sensores extrínsecos vem sendo usados principalmente na medição de temperatura nos enrolamento. Nesse tipo de medição um sinal luminoso é enviado através da fibra óptica até o enrolamento do transformador, onde está o sensor, e outro sinal é retornado. O sinal retornado é analisado e a partir dele é conhecida a temperatura na qual o sensor foi submetido [3],[4]. Três tecnologias destacam-se como sensores extrínsecos em pontos específicos de transformadores. Estas sondas ópticas detectam a temperatura em suas extremidades usando três técnicas diferentes: Decaimento de fluorescência (Flouroptic ), interferometria Fabry-Perot, ou absorção e deslocamento de margens de absorção de cristais semicondutores [4]. A. Decaimento de Fluorescência No sensor de temperatura óptico fluorescente (do inglês Fluorescent Optical Fiber Temperature Sensor, FOT), a tecnologia empregada é a patenteada Fluoroptic. Nele, um elemento fosforescente é depositado na extremidade de uma fibra óptica encapsulada com Teflon, como ilustrado na Fig. 2. Fig. 2. Estrutura do sensor óptico de temperatura do tipo FOT [4]. O funcionamento baseia-se no tempo de decaimento da florescência da luz emitida pelo material fosforescente, quando é exposto a um pulso de luz. O decaimento da luz é proporcional à temperatura submetida ao sensor. O valor da temperatura é mensurado através da constante de tempo de decaimento como ilustrada na Fig. 3. O sistema usado no decaimento de fluorescência não necessita calibrações periódicas, uma vez que as características físicas do sensor não se alteram com o tempo, pois esse material trabalha em temperatura muito inferior à usada para criá-lo. A operação não depende de variações do comprimento de onda e tampouco de diferenças físicas do cabo de fibra óptica [4]. Fig. 3. Relação entre a constante de tempo e a temperatura [4]. B. Interferometria de Fabry-Perot Interferometria de Fabry-Perot (IFP) consiste basicamente em duas superfícies reflexivas paralelas que formam uma cavidade. Esta tecnologia também é conhecida como interferometria de luz branca. O sensor utiliza uma peça de vidros que é expansível com a temperatura localizada entre as superfícies reflexivas, como ilustrado na Fig. 4. Dessa forma o comprimento da cavidade formada pelas superfícies reflexivas varia com a temperatura. Fig. 4. Sensor de temperatura baseado na IFP [4]. Ao incidir um feixe de luz branca, rica em comprimento de onda sobre a cavidade, uma parcela da luz é refletida na face da fibra óptica, e outra atravessa o vidro e é refletida quando atinge o espelho. A luz refletida provoca uma interferência sobre a primeira, cuja intensidade será proporcional ao comprimento da cavidade e à temperatura. C. Deslocamento de Margens de Absorção de Cristais Semicondutores A tecnologia empregada nos sensores de temperatura baseada no Deslocamento de Margens de Absorção de Cristais Semicondutores (DMACS) utiliza a característica típica de certos cristais semicondutores, como o Arseneto de Gálio (GaAs), na qual o limite de absorção/transmissão de luz varia com a temperatura. Basicamente o sensor consiste em uma vibra óptica com um cristal semicondutor (GaAs) e um espelho dielétrico montado em sua extremidade, um esquema do sensor que usa esta tecnologia é mostrado na Fig. 5. Fig. 5. Estrutura do sensor óptico tipo DMACS[5]. Um feixe de luz concentrada em um comprimento de onda

3 3 próximo da faixa do infravermelho é enviado através da fibra até atingir o cristal. Uma parcela da luz é absorvida pelo cristal e outra refletida. Com o aumento da temperatura do cristal, a parcela da luz que é refletida desloca-se para um comprimento de onda maior, como ilustrado na Fig. 6. Então a partir da localização do limite de absorção/transmissão podese obter valor da temperatura no elemento sensor. temperatura e deformação mecânica afetam tanto o índice de refração efetivo quanto o período de graduação, Λ, de uma RB, o que resulta em uma mudança no comprimento da onda refletida. Fig. 7. Estrutura e funcionamento de uma RB [7]. Fig. 6. Deslocamento do limite de absorção em função da temperatura [4]. IV. SENSORES INTRÍNSECOS Nesta categoria de sensores a grandeza a ser medida atua diretamente na fibra, alterando uma ou mais propriedades ópticas da radiação. Em outras palavras, o elemento sensor é a própria fibra [3]. Esta característica faz com que os sensores intrínsecos sejam mecanicamente mais vantajosos. Os sensores intrínsecos podem ser localizados de forma concentrada na fibra, ou distribuídos ao longo de uma parcela de seu comprimento. Em geral, além da medição da temperatura podem mensurar deformação mecânica. Uma das técnicas empregadas é inscrição de Redes de Bragg no núcleo da fibra óptica. A técnica é adequada para uso em sensores, já que, a informação está contida no espectro e não na intensidade da luz, o que é um problema comum na maioria dos sensores à fibra óptica. Além das RB, também se pode aplicar à medição de temperatura aos Sensores de Temperatura Distribuídos (do inglês Distributed Temperature Sensing, DTS). A. Sensores à fibra óptica com redes de Bragg Sensores à fibra óptica com redes de Bragg, ou grades de Bragg (RB), consistem em uma técnica na qual é gerada uma modulação periódica no índice de refração do núcleo da fibra. A modulação produzirá uma reflexão no sinal de luz introduzida na fibra, λ Bragg, que satisfaz a condição de Bragg, funcionando como um filtro óptico reflexivo com altíssima seletividade espectral: B. Sensores de Temperatura Distribuídos Nos sensores de temperatura distribuídos (DTS) a variável é mensurada utilizando-se de efeitos ópticos não lineares que são intrínsecos à fibra óptica. Os principais efeitos não lineares que visam o monitoramento da temperatura ao longo da fibra, utilizada como sensor são: o espalhamento Raman espontâneo (do inglês Spontaneos Raman Scattering, SRS), direcionado à monitoração distribuída de temperatura, e o espalhamento Brillouin estimulado (do inglês Stimulated Brillouin Scattering, SBS), que além da monitoração distribuída de temperatura também são direcionado à monitoração de deformação mecânica. Ambos os efeitos são caracterizados pela interação da luz com a matéria, em outras palavras, o campo óptico interage com a própria fibra e devido a essa interação algumas características deste campo são alteradas [8]. Para estes sensores, torna-se necessário determinar a localização da variação causada pela temperatura. A técnica mais implementada para realização dessa função é a chamada Refectometria Óptica no Domínio do Tempo (do inglês Optical Time Domain Reflectometry, OTDR). A técnica OTDR é análoga ao princípio de localização espacial utilizado por radares. Nela um sinal pulsado é transmitido em uma das extremidades da fibra e o sinal retro-espalhado ou refletido é monitorado na mesma extremidade, como apresentada na Fig. 8. O pulso refletido é medido e integrado em função do comprimento da fibra. Determinando assim, a localização da variação da temperatura [8], [9]. λ Bragg = 2nΛ, ( 1) em que, Λ é período espacial da modulação do índice e n o índice de refração da fibra [6]. Uma representação gráfica de uma fibra óptica com RB e a propagação de um sinal são ilustradas na Fig. 7. O funcionamento das RB segue o seguinte mecanismo: um sinal luminoso de banda larga é injetado na fibra, e tem uma parcela do seu espectro refletido pela RB. Alterações de Fig. 8. Esquema de um OTDR [8].

4 4 V. TEMPERATURA NOS ENROLAMENTOS DOS TRANSFORMADORES Um dos parâmetros necessário para determinar a capacidade de carga do transformador é o ponto de maior elevação de temperatura em uma carga nominal. Este não deve exceder os 80ºC, como especificado pelo IEEE Std. C No início do monitoramento térmico de transformadores, na técnica mais amplamente empregada, estimava-se a elevação do ponto quente de temperatura inferindo-a a partir de medidas de temperatura do óleo em pontos onde a medição direta era possível. O aumento médio da temperatura do enrolamento era calculado medindo-se a resistência durante o teste comercial, de acordo com o IEEE C Porém, os resultados dos testes relatados pelo IEEE e IEC que as técnicas em que a temperatura do óleo era empregada como dado de entrada para uma posterior simulação, a qual deveria estimar a temperatura nos enrolamentos, desviavam significativamente da temperatura do ponto quente real. Além disso, o método de avaliação que requer simulações após a medição da temperatura do óleo apresenta tempo de resposta lento, podendo variar de 3 a 5 horas, e seus erros aumentam quando o transformador opera em sobrecarga ou quando as temperaturas estão muito elevadas. Tais erros fazem com que temperaturas muito altas ocorram sem o conhecimento dos operadores, principalmente durante carregamentos transitórios [10]. Na Fig. 9, pode-se comparar a temperatura obtida na medição direta do ponto quente e a temperatura do óleo usada para deduzir a temperatura do ponto quente no método de medição empregando simulações. Ficam evidentes as vantagens do uso da fibra óptica para monitoramento de transformadores [11]. Capacidade de fornecer a real capacidade de carregamento dinâmico; Possibilidade de estabelecer-se, de modo preciso, uma linha base de temperatura durante a fabricação, a qual pode ser referida no futuro, medindo os mesmos locais durante a vida do transformador; Detecção do mau funcionamento do sistema de resfriamento; Acompanhamento das atividades de manutenção corretiva; Permite o controle de resfriamento diretamente do ponto quente do enrolamento [10]. VI. APLICAÇÃO DO SENSOR À FIBRA ÓPTICA NOS TRANSFORMADORES Na Fig. 10 é representado um esquema de medição de temperatura no enrolamento do transformador. A fibra óptica é posta junto aos enrolamentos medindo diretamente a sua temperatura. O método apresenta uma incerteza de 1,5ºC para uma faixa de operação de 0 a 150ºC. Fig. 10. Esquema de medição de temperatura usando fibra óptica [7]. Nos transformadores os sensores podem ser instalados de forma helicoidal e axial, tanto na bobina de baixa tensão como na bobina de alta tensão. Na instalação dos sensores na posição helicoidal deve-se alertar para o fato que, por serem sensíveis, os sensores à fibra óptica podem sofrer algum tipo de dano, o que comprometeria o sensoriamento. Dessa forma, aconselha-se a instalação das fibras por cima do encontro dos dois condutores da espira e a instalação dos sensores entre os condutores até uma profundidade limitada pelos espaçadores evitando o esmagamento da fibra e do sensor, como mostrado na Fig. 11 [12]. Fig. 9. Temperatura do ponto quente e do óleo no tempo [11]. O sensoriamento com fibra óptica pode medir a temperatura diretamente dos enrolamentos do transformador, o que leva a obter informações mais precisas e eficazes desde o processo de fabricação, a manutenção preditiva. Dados mais precisos na medição permitem avaliar o design (projeto) do transformador e a qualidade da produção, maximizar de modo seguro a carga sem danificar o isolamento nem reduzir a sua vida. Dentre os benefícios que podem advir com a aplicação de sensores ópticos de temperatura, estendendo assim a vida do transformador, destacam-se: Fig. 11. Instalação de sensores à fibra óptica nos enrolamentos do transformador de forma helicoidal [12].

5 5 Na forma axial a instalação se procede de forma mais simples. Os sensores são instalados entre as camadas dos enrolamentos como mostrado na Fig. 12. Após a instalação dos sensores a montagem do processo fabril do transformador segue normalmente, porém com mais cautela, pois a fibra pode se romper com qualquer movimento inesperado [12]. Fig. 12. Instalação de sensores à fibra óptica de forma axial [12]. VII. CONCLUSÕES Este artigo abordou as principais técnicas de monitoramento de temperatura de transformadores com base em sensores ópticos. A utilização da técnica possibilita o aumento da confiabilidade pela aplicação da manutenção preditiva. Dentre as técnicas apresentadas nos sensores extrínsecos a termometria óptica fluorescente apresenta duas vantagens às demais técnicas: confiabilidade da medição, dado que os componentes não se deterioram com o passar do tempo; e a estabilidade do sensor. Quanto às técnicas apresentadas nos sensores intrínsecos, apesar de ambas apresentarem um grau de precisão semelhante, os sensores de temperatura distribuídos, DTS, possui a vantagem de utilizar apenas as propriedades presentes na própria fibra óptica, enquanto que, nos sensores com rede de Bragg, RB, torna-se indispensável para seu funcionamento, a modulação periódica no índice de refração do núcleo da fibra. Os sensores à fibra óptica têm substituído as técnicas de detecção de pontos quente em transformadores, que utiliza o método por imagem térmica. As técnicas de detecção de pontos quente não produzem resultados tão precisos quanto os métodos que usam fibra óptica. Além disso, o uso de sensores nos transformadores dará base para uma tendência energética global, o smart grid ou rede inteligente, que em termos gerais é a aplicação de tecnologia da informação para o sistema elétrico de potência visando o aumento da sua eficiência. VIII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] O. Frazão, F. M. Araújo, I. Dias, L. A. Ferreira, J. L. Santos, Sensores de Bragg em Fibra Óptica, Jornadas de Engenharia de Telecomunicações e Computadores JETC99, Lisboa, Portugal, [2] Redes&Cia Fíbra Óptica, Redes&Cia Soluções em Engenharia e Telecomunicações. [3] J. R. F. A. da Cunha, "Modelo Teórico de Sensores Ópticos Baseados em Fibras com Grade de Bragg," Dissertação de Mestrado, Dept. Física, Univ. Federal do Pará, [4] E. C. Bortoni, R.V. Molina, M.A.C. Craveiro, R. Takahashi, Tecnologias de sensores ópticos para o monitoramento de pontos quentes em transformadores, Décimo segundo encontro Regional Ibero-americano do CIGRÈ, Foz do Iguaçu, Paraná, Brasil, Maio, [5] I. Alexandre, Fiber-optic temperature measurement. Sensors Magazine, Maio, Disponível em: [6] L. C. G. Valente, L. C. N. da Silva, A. S. Ribeiro, A. triques, R. D. Regazzi, A. M. B. Braga "Técnicas de leitura para sensores à fibra óptica baseados em redes de Bragg". 6ª conferencia sobre Tecnologia de Equipamentos, Bahia, Brasil, Agosto, [7] Licensing Fiber Bragg Gratings, disponível em: [8] J. F. Rossett., Sensor distribuído de temperatura e deformação mecânica utilizando o espalhamento Brillouin estimulado em fibra óptica, Dissertação de Mestrado, Dept. de Eletrônica e Microeletrônica, Univ. Estadual de Campinas, [9] optical time-domain reflectometer (OTDR), disponível em: [10] E. Lee. Fibra óptica permite gerenciar melhor a temperatura de transformadores, NEI Soluções, EUA. [11] Monitoramento de transformadores, LumaSense Technologies. [12] A. Picanço, C. Kato, H. Moreira, Termômetros dielétricos para transformadores, Relatório de instalação, Gavea Sensors, PUC-Rio. IX. BIOGRAFIAS Ramon Araújo Dias nasceu em Olinda, Pernambuco, Brasil, em junho de Graduando em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, desde Tem interesse, principalmente, nos seguintes temas: geração, transmissão e distribuição da energia elétrica, sensores à fibra óptica e fontes renováveis de energias. Pablo Bezerra Vilar nasceu em 1988 em Campina Grande, Paraíba, Brasil. Obteve o titulo de bacharel em Engenharia Elétrica em 2011 na Universidade Federal de Campina Grande. Atualmente é bolsista no programa de pós graduação da Universidade Federal de Campina Grande, atuando principalmente nos seguintes temas: Monitoramento de equipamentos, Isoladores poliméricos, Método dos elementos finitos, Descargas Parciais, Redes Neurais Artificiais, Simulações Computacionais de distribuição campos elétricos e aquecimento em isolamentos elétricos. Edson Guedes da Costa nasceu em 1954 em Ribeirão, Pernambuco, Brasil, e deu início a sua carreira acadêmica em Areia, Paraíba, Brasil. Obteve os títulos de bacharel, mestre e doutor em Engenharia Elétrica, respectivamente em 1978, 1981 e 1999 (Universidade Federal da Paraíba). Desde 1978 trabalha como professor na Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), Paraíba, Brasil. Seus interesses profissionais incluem equipamentos de alta tensão, mapeamento de campo elétrico, descargas parciais, método dos elementos finitos, pára-raios e sistemas de isolamento. O Dr. Guedes também é membro do IEEE, CIGRÈ, ABENGE e SBA. Tarso Vilela Ferreira nasceu em Aracaju, Sergipe, Brasil, em julho de Possui graduação (2005), mestrado (2007) e doutorado (2011) em Engenharia Elétrica, todos cursados na Universidade Federal de Campina Grande, onde atualmente é professor adjunto. Tem desenvolvido trabalhos que envolvem, dentre outros temas: monitoramento de equipamentos elétricos, inteligência artificial; simulações computacionais de campos eletromagnéticos.

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