Sensor de Alta Tensão à Fibra Óptica. Bandeirante Energia S.A.

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1 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. Pesq. Telecom. João Batista M. Ayres Neto Pesq. Telecom. Flávio Borin Pesq. Telecom. Rogério Lara Leite Pesq. Telecom. Danilo César Dini Pesq. Telecom. Cláudio Antonio Hortencio 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. 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, 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 1/9

2 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 intrínsecos 1 que vêm sendo utilizados e implementados para quantificar os mais diversos parâmetros, tais como: deslocamento, temperatura 2, pressão 3, tensão mecânica 4, corrente elétrica, campo elétrico 5, 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 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. Intensidade Reflexão λ λ Luz refletida Luz Incidente Grade Bragg = periodicidade Λ localizada do índice de refração do núcleo Luz Transmitida Intensidade λ Figura 2 Grade de Bragg atuando sobre os componentes espectrais transmitidos na fibra 2/9

3 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 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. FBG Unidade Sensora Fonte de Luz LASER 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 3/9

4 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. Potência refletida (λ) 1 λ ~ 0,5 nm λ 0 λ λ g ~ 1550 nm Figura 5 Espectro de reflexão de uma FBG sem estar tensionada ou pressionada Λc Λe > Λc Potência refletida (λ) 1 Nível de modulação obtido com o laser λ sintonizado em λ = λq 0 Freq. modulação = 60 Hz λq λg 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 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. Sinal medido com sensor óptico [mv] Tensão CA [kv] Figura 7 Sinal medido com a unidade sensora em função da tensão aplicada 4/9

5 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, 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 5/9

6 3.2. Instalação do protótipo O protótipo do sensor foi instalado em um poste da rede elétrica de média tensão no. 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. 6/9

7 Figura 11 Medição da forma de onda da rede de média tensão do campo de testes do 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. 7/9

8 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 BHATIA; et al. Wavelength-tracked white light interferometry for highly sensitive strain and temperature measurements. Electr Lett 32, n.3, pp , Feb ABEYSINGHE, DASGUPTA, et al. A novel MEMS pressure sensor fabricated on an optical fiber. IEEE Photonics Tech Lett 13, n.9, pp , Sep XIAO; DENG; PICKRELL; MAY; WANG. Single-Crystal Saphire Fiber-Based Strain Sensor for High-Temperature Applications. Journ. Light Tech 21, n.10, pp , Oct <www.llnl.gov/sensor_technology/str14.html>. Remote Electric Field Sensor. Acesso em 08/jan/ /9

9 6 <www.iris.stuttgart.de/facilities/diag/d_fpi.html>. Fabry-Perot-Interferometerie. Acesso em: 09/jan/ HILL, FUIJI, JOHNSON, KAWASAKI. Photosensitivity in optical fiber waveguides: applications to reflection filter fabrication. Appl. Phys. Lett. 32, p. 647, MELTZ; MOREY; GLENN. Formation of Bragg gratings in optical fibers by transverse holographic method. Opt. Lett. 14, p. 832, ASKINS, Putmnam et al. Fibre strength unaffected by on-line writing of single-pulse Bragg gratings. Electronics Letters 33, n.15, Jul EGGLETON et al. Novel waveguide structures for enhanced fiber grating devices. IEEE Journ., on Select. Topics in Quantum. Electr. 7, n.3, pp , May/Jun SZKOPEK et al. Novel multimode fiber for narrow-band Bragg Gratings. IEEE Journ., on Select. Topics in Quantum Electr. 7, n.3, pp , May/Jun FILIPPOV et al. Fiber-optic voltage sensor based on a Bi12TiO20 crystal. Appl. Optics 39, n.9, pp , 20 Mar MUROOKA et al. Modified Pockels sensor for electric-field measurements. IEE Proc. Sci. Measur. Technol. 141, n.6, pp , Nov SUMIYOSHITANI. Study on Kerr electro-optic field measurement method for nonuniform three-dimensional electric field. IEE Proc. Scien. Measur. Technol. 141, n.5, pp , Sep SANTOS, TAPLAMACIOGLU, HIDAKA. Pockels high-voltage measurement system. IEEE trans. on power delivery 15, n.1, pp 8-13, jan 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 , Mar KINGSLEY, SRIRAM. Parallel-plate integrated optic high-voltage sensor. Electr. Lett. 31, n.13, pp , Jun RAHMATIAN et al. 230 kv optical voltage transducers using multiple electric field sensors. IEEE Transac on Power Deliv. 17, n.2, pp , Apr DONATI et al. A novel magnetic field fiberoptic sensor. 7th International Symposium on High Voltage Engineering Technische Universität Dresden, pp , Aug / 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 /9

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