DESENVOLVIMENTO DE HARDWARE OPTOELETRÔNICO E MONITORAMENTO DE CHAVES SECCIONADORAS. Guilherme Avelino Freire

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1 DESENVOLVIMENTO DE HARDWARE OPTOELETRÔNICO E SOFTWARE PARA APLICAÇÃO EM SISTEMA DE MONITORAMENTO DE CHAVES SECCIONADORAS. Guilherme Avelino Freire Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Eletrônica e de Computação da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientador: Marcelo Martins Werneck Co-orientador: Cesar Cosenza de Carvalho Rio de Janeiro Dezembro de 2014

2 DESENVOLVIMENTO DE HARDWARE OPTOELETRÔNICO E SOFTWARE PARA APLICAÇÃO EM SISTEMA DE MONITORAMENTO DE CHAVES SECCIONADORAS. Guilherme Avelino Freire PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA ELETRÔNICA E DE COMPUTAÇÃO DA ESCOLA PO- LITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRÔNICO E DE COMPUTAÇÃO Autor: Orientador: Guilherme Avelino Freire Co-orientador: Prof. Marcelo Martins Werneck, Ph.D. Examinador: Cesar Cosenza de Carvalho, D.Sc. Examinador: Prof. José Gabriel Rodriguez Carneiro Gomes, Ph.D. Daniel Moreira dos Santos, B.Sc. Rio de Janeiro Dezembro de 2014 ii

3 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Escola Politécnica - Departamento de Eletrônica e de Computação Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universitária Rio de Janeiro - RJ CEP Este exemplar é de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer forma de arquivamento. É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa. Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es). iii

4 AGRADECIMENTO Dedico este trabalho ao povo brasileiro que contribuiu de forma significativa para minha formação e estada nesta Universidade. Este projeto é uma pequena forma de retribuir o investimento e confiança em mim depositados. iv

5 RESUMO O processo de fechamento de uma chave seccionadora, apesar de ocorrer com pouca frequência em uma subestação de energia, pode causar sérios danos caso não seja realizado corretamente. A operação da chave em condições de falso fechamento pode danificar os contatos elétricos, o que leva à necessidade de troca de equipamentos e de interrupção do funcionamento de parte da subestação para a realização dos reparos. Atualmente, os técnicos fiam-se à inspeção visual para certificarem-se do efetivo fechamento da chave. A fim de suprir a falta de um sistema de monitoramento do fechamento de chaves seccionadoras, a concesionária brasileira de energia elétrica encomendou ao Laboratório de Instrumentação e Fotônica/UFRJ o projeto e desenvolvimento de um sistema que realizasse tal função, o que levou ao protótipo composto pelo hardware optoeletrônico e pelo software co-desenvolvido pelo autor apresentado no presente trabalho. Palavras-Chave: Chave seccionadora, monitoramento, fibra óptica. v

6 ABSTRACT The closure of a disconnect switch in an electrical substation, despite its low frequency, may result in major harms if not correctly performed. The operation of the disconnect switch under false closing may damage the electric contacts, which implies in the necessity of changing hardware, leading to interruption of the functioning of part of the substation for the realization of repairs. Currently the technicians use visual inspection to make sure the closure happened correctly. Due to the lack of systems to monitor the closure of disconnectors, the brazilian electrical company ordered to the Laboratório de Instrumentação e Fotônica/UFRJ the project and development of a system that filled this void, which led to the prototype composed of the optoelectronical hardware and software co-developed by the author presented in this work. Key-words: Disconnect switch, monitoring, optical fiber. vi

7 SIGLAS UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition HMI - Human Machine Interface RTU - Remote Terminal Unit UCD - Unidade de Controle de Dados SAGE - Sistema Aberto de Gerenciamento de Energia vii

8 Sumário 1 Introdução Justificativa Objetivos Fundamentos teóricos Fibra óptica Tipos de fibras ópticas Splitter Fotodetectores Switch óptico Chave seccionadora Estado da arte 14 4 Metodologia Hardware Hardware eletrônico Hardware optomecânico Software Teste & Resultados Conclusão Desenvolvimentos futuros Bibliografia 33 A Materiais utilizados 35 viii

9 Lista de Figuras 1.1 Diagrama de blocos do sistema A fibra óptica, extraído de [1] Fibra óptica multimodo, extraído de [2] Fibra óptica multimodo e monomodo Esquema de um splitter, extraído de [4] Junção PN e camada de depleção Switch com prisma, extraído de [5] Switch com motor de passo, extraído de [5] Polo de uma chave seccionadora Diagrama em blocos do sistema completo do sensor óptico de posição absoluta dos contatos de um seccionador de alta-tensão, extraído de [7] Esquema da arquitetura proposta para o monitoramento do fechamento da chave seccionadora, extraído de [8] Diagrama de blocos do protótipo Diagrama de pinos do LPS-830-FC da Thorlabs, onde o fotodiodo corresponde ao PD. Extraído de [13] Esquemático dos conversores DC-DC Esquemático do acionamento do laser e do condicionamento do sinal da referência Esquema do driver Amplificador inversor Esquemático do condicionamento do sinal proveniente do sensor optoeletrônico ix

10 4.8 Esquemático dos capacitores nas alimentações e dos conectores Layout da placa LIF Placa LIF montada Sensor optomecânico Refletividade de diferentes materiais Amortecedor de curso com parafuso de ajuste de curso Esboço da versão final do sensor optomecânico Desenho em corte do sensor optomecânico Interface com o usuário Diagrama em blocos do funcionamento do acionamento sequencial Trecho do arquivo de log no acionamento sequencial Interface com o usuário: acionamento assíncrono Integração do sistema para a realização do teste Curvas de abertura e fechamento do sensor optomecânico Sensor optomecânico fixada à chave seccionadora Curva de fechamento do sensor optomecânico, com intervalo de confiança de 5% A.1 Laser Thorlabs A.2 ProtoMat S42 LPKF A.3 Dispositivo de aquisição de sinais NI A.4 Switch 1x8-MM-A-D A.5 Sensor mecânico LIF/Coppe x

11 Lista de Tabelas 2.1 Principais parâmetros de fibras ópticas comerciais, extraído de [3] Modos de operação de um transistor BJT, adaptado de [14] xi

12 Capítulo 1 Introdução Sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) são utilizados para monitorar e controlar plantas e equipamentos em indústrias e sistemas de distribuição de energia. Um sistema central dotado de HMI s (Human Machine Interface) coleta os dados fornecidos pelos diversos RTU s (Remote Terminal Unit), a partir dos quais baseia seu processo de tomada de decisão. O controle central pode enviar comandos para os RTU s que suportam esse tipo de operação, ou simplesmente receber dados provenientes destes. As chaves seccionadoras, que são dispositivos mecânicos de manobra, são amplamente utilizadas em subestações de energia, realizando o chaveamento de circuitos. Na posição aberta asseguram uma distância de isolamento, abrindo o circuito, e na posição fechada asseguram a continuidade do caminho elétrico. Este trabalho corresponde ao estudo e desenvolvimento de um protótipo de um sistema optoeletrônico a ser utilizado em um sistema SCADA de uma subestação de energia, para monitoramento do fechamento de chaves seccionadoras. Esse sistema apenas enviará dados para o sistema central. O sistema do qual será construído o protótipo está representado na figura 1.1. Um switch óptico, com oito canais de saída, realizará o monitoramento de duas chaves seccionadoras, compostas, cada, por três fases e um sensor de abertura (este não é discutido neste trabalho). A cada fase será acoplado um sensor optomecânico, representado na figura por S n. Para a realização do monitoramento será utilizado um sinal óptico, obtido por meio de um laser. Em uma mesma placa de circuito impresso será feito o 1

13 Pátio da subestação SAGE CS 11 MMS S 1 IEC 61850/GOOSE UCD Switch óptico CS 12 S 2 Conversor... CS 24 Controlador S 8 Tratamento do sinal Laser Figura 1.1: Diagrama de blocos do sistema. acionamento deste e a recepção e tratamento dos sinais provenientes dos sensores optomecânicos e de abertura. Os sinais tratados serão enviados a um controlador, que maneja a multiplexação do switch, e depois serão enviados a um conversor. Este deverá transmitir os dados no protocolo IEC 61850/GOOSE para uma UCD (Unidade de Controle de Dados), que corresponde a uma RTU citada anteriormente. A UCD, por sua vez, recebe sinais de origens diversas e os repassa no protocolo MMS(Manufacturing Messaging Service) para o SAGE, sistema de controle central onde encontram-se as HMI s. 1.1 Justificativa As chaves seccionadoras, que operam na faixa de 230 kv, apesar de não estarem entre os componentes de maior custo de uma subestação, são de grande responsabilidade e podem dar origem a defeitos de grandes dimensões em situações operacionais, isto é, quando acionadas indevidamente ou energizadas em condições 2

14 de falso fechamento. Quando o fechamento não é realizado corretamente, ocorre um incremento da resistência no contato elétrico. Dada a ordem de grandeza da corrente que tipicamente circula por um chave seccionadora ( 3000 A), o aumento da energia térmica dissipada pode danificar os contatos ou até mesmo derretê-los em casos extremos. 1.2 Objetivos Esse projeto visa o desenvolvimento do protótipo de um sistema optoeletrônico e hardware. para monitorar o fechamento de uma chave seccionadora, com as seguintes características: Suportar as condições de operação agressivas (tensão, vibração, temperatura, oxidação, umidade etc) características do ambiente de uma subestação de energia; Indicação remota de fechamento efetivo da chave; Garantir isolamento apropriado entre a parte sensora em potencial nominal da chave e a parte de monitoramento em potencial terra; Custo compatível, ou seja, o custo desta tecnologia não deveria ultrapassar aproximadamente 5% do valor de uma chave seccionadora. Capaz de ser instalado em módulos antigos de chaves, e possibilidade de ser fabricado junto com chaves novas; Não interferir no funcionamento nem agregar risco elétrico à chave seccionadora. 3

15 Capítulo 2 Fundamentos teóricos Neste capítulo serão discutidos os equipamentos e conceitos necessários à compreensão do sistema de monitoramento de chaves seccionadoras que será apresentado. 2.1 Fibra óptica A fibra óptica guia um sinal óptico (luz) de um ponto para outro por meio de um caminho não necessariamente reto, sendo composta por dois materiais cristalinos e homogêneos, conforme mostrado na Figura 2.1: o material ocupando o centro é denominado núcleo (core) e o que o envolve é denominado casca (cladding). O sinal é confinado dentro da fibra por meio da reflexão total interna na interface entre a casca e o núcleo da fibra, fenômeno possibilitado pelo fato do índice de refração da casca ser menor que o do núcleo. O sinal óptico percorre a fibra por meio de sucessivas reflexões internas. O revestimento primário é um revestimento plástico de metacrilato de metila, que fornece proteção mecânica. As fibras ópticas podem ser de plástico ou sílica, com os materiais que compõem a casca e o núcleo podendo ser distintos. Entretanto, ambos apresentam baixa susceptibilidade eletromagnética, ou seja, sofrem baixa interferência mesmo submetidos a intensos campos eletromagnéticos. Dessa forma, fibras ópticas podem ser utilizadas em ambientes agressivos com altas tensões e correntes, como subestações de energia, sem que os sinais que transmitem sofram interferência eletromagnética significativa. 4

16 Figura 2.1: A fibra óptica, extraído de [1] Tipos de fibras ópticas Descreveremos as classificações mais usuais utilizadas para fibras ópticas Fibras ópticas multimodo e monomodo Fibras ópticas multimodo apresentam vários modos de propagação, ou seja, a fibra conduz os sinais que possua inclinação dentro do cone de aceitação (acceptance cone), conforme mostrado na Figura 2.2. Figura 2.2: Fibra óptica multimodo, extraído de [2]. À medida que diminuímos o diâmetro do núcleo e o ângulo do cone de aceitação, restringimos o número de modos de propagação aceitos pela fibra óptica. No limite, quando houver apenas um modo de propagação, tem-se uma fibra monomodo, conforme mostrado na Figura

17 Figura 2.3: Fibra óptica multimodo e monomodo. As fibras multimodo têm diâmetro de núcleo na faixa de 8 µm, enquanto fibras monomodo têm diâmetro na faixa de 8 µm. Comparativamente, fibras monomodo permitem uma maior taxa de transmissão e oferecem uma largura de banda superior às fibras multimodo, por apresentar menor dispersão do sinal. Estas são utilizadas para aplicações a menores distâncias. Entretanto, fibras monomodo exigem conectores mais precisos e o seu manejo é mais complexo Fibras ópticas plásticas e de sílica As fibras ópticas plásticas tem menor atenuação no espectro visível da luz, de 400 nm a 780 nm, enquanto as de sílica tem menor atenuação no infravermelho. As fibras plásticas apresentam menor custo de produção, o que possibilita aplicações de baixo custo, entretanto, sua atenuação no infravermelho chega a 200 db/km e sua temperatura máxima de operação não ultrapassa 100 C, enquanto fbras de silício podem atingir temperaturas até 1000 C. As principais grandezas associadas às fibras ópticas são mostradas na Tabela Splitter Um dos equipamentos utilizados para tratar sinais em fibras ópticas é o splitter, mostrado na Figura 2.4. Este divide o sinal proveniente em dois, com uma dada 6

18 Parâmetro Monomodo Multimodo Plástica Diâmetro do núcleo [µm] Diâmetro da casca [µm] Largura de faixa máxima [Gb Km ] 100 2,5 0,2 s Atenuação mínima [ db ] 0,25 0,5 50 Km Tabela 2.1: Principais parâmetros de fibras ópticas comerciais, extraído de [3]. razão de potência (90%-10%, 50%-50% etc). Pode ser utilizado, por exemplo, caso o sinal utilizado seja proveniente de um laser e seja necessário monitorar o nível de potência no qual está operando. Assim, parte do sinal por este gerado (canal 3, por exemplo), seria destinado unicamente à avaliação do seu nível de potência. Figura 2.4: Esquema de um splitter, extraído de [4]. 2.3 Fotodetectores Em sistemas que utilizam fibra óptica, os fotodiodos são os componentes mais apropriados e econômicos para atuarem como fotodetectores, ou seja, para detectarem o sinal óptico da fibra. Se uma junção PN polarizada reversamente (camada N com tensão superior à camada P) é iluminada (Vide Figura 2.5), ou seja, é exposta a um sinal óptico, os fótons quebram ligações covalentes, gerando pares elétron-lacuna na região de depleção. O campo elétrico deste, então, leva os elétrons para a região N e as lacunas para a região P, gerando uma corrente reversa na junção. Logo, converte luz em sinal elétrico. Fotodiodos são usualmente fabricados utilizando compostos de semiconduto- 7

19 Figura 2.5: Junção PN e camada de depleção. res, tais como o arsenieto de gálio (GaAs). Enquanto semicondutores elementares, tais como o silício, são compostos por elementos da coluna IV da tabela periódica, compostos semicondutores são formados pela combinação de elementos das colunas III e V, ou II e VI. 2.4 Switch óptico Os switch ópticos são equipamentos utilizados para realizar a multiplexação de uma sinal óptico, ou seja, oriundo de uma fibra óptica. Existem dois mecanismos principais de funcionamento desse tipo de equipamento: Switch óptico com prisma: a multiplexação é realizada colocando-se mecanicamente um prisma no caminho óptico, que desviará o sinal para o canal seguinte. A multiplexação para os demais canais é realizado acoplando-se prismas em série. Figura 2.6: Switch com prisma, extraído de [5]. Switch óptico com motor de passo: utiliza um motor de passo de precisão para realizar a multiplexação, alinhando o canal de entrada com o canal de saída selecionado. 8

20 Figura 2.7: Switch com motor de passo, extraído de [5]. Neste trabalho utiliza-se um switch óptico com motor de passo, modelo 1x8- MM-A-D ZG Technology, conforme mostrado no Apêndice A. 2.5 Chave seccionadora Esse equipamento de manobra conhecido durante décadas como chave seccionadora (CS), teve sua designação normalizada pela ABNT através da NBR 7571/85 e da NBR 6935/85, hoje substituída pela NBR IEC :2006 e foi renomeado como seccionador (ou secionador). Entretanto o nome chave seccionadora será aqui utilizado, pois este é o nome como é popularmente conhecido. Em inglês o nome técnico é disconnect switchs. A CS é um equipamento de manobra, ou seja, é um componente do sistema elétrico de potência que tem a função de estabelecer a união entre geradores, transformadores, consumidores e linhas de transmissão e separá-los ou seccioná-los de acordo com as exigências desse serviço. Na posição aberta asseguram uma distância de isolamento e na posição fechada mantêm a continuidade do circuito elétrico. A CS somente pode ser operada quando uma corrente desprezível estiver passando por ela e quando não houver variações significativas ou bruscas de tensão entre seus terminais. A expressão corrente de intensidade desprezível significa corrente tal como corrente capacitiva de buchas, barramentos, conexões, cabos muito curtos, correntes de impedâncias equalizadoras permanentemente ligadas ao disjuntor e correntes de transformadores de potencial e divisores de tensão. Para tensões nominais iguais ou menores que 460 kv, uma corrente não superior a 0,5 A é considerada como intensidade desprezível. 9

21 Principais constituintes da chave seccionadora Serão descritas a seguir as partes que compõem uma chave seccionadora, considerando os detalhes construtivos das tripolares, por constituírem a maioria. Esta é constituída por: Três polos (circuito principal, terminais, contato, etc. Na Figura 2.8, vemos um polo de um seccionador); Mecanismo de operação; Elemento de interligação dos polos e do mecanismo de operação; Acessórios. Polo É a parte da chave seccionadora, incluindo o circuito principal, isoladores e a base, associada exclusivamente a um caminho condutor eletricamente separado, excluindo todos os elementos que permitem a operação simultânea. Figura 2.8: Polo de uma chave seccionadora. Base É construída em aço laminado, galvanizado a quente, com perfis U, I, U dupla, treliça ou tubos de aço de parede reforçada. Uma outra solução ainda não utilizada no Brasil é a de se empregar perfis em liga de alumínio, que dispensam qualquer proteção contra atmosferas agressivas. Mancal Apesar dos seccionadores não serem operados frequentemente e sua velocidade e ângulo de giro serem pequenos, se forem analisadas as condições 10

22 normais de serviço, instalação ao tempo, impossibilidade de desmontagem periódica para manutenção, verifica-se que o mancal é um componente de extrema importância para o bom desempenho do seccionador. Sub-bases Destinam-se a elevar a altura da coluna isolante, equiparando-se com as outras. Além disso, tem a função de afastar o pedestal do último isolador de base para que não diminua a distância de arco da coluna isolante. Coluna isolante Parte fundamental na função isolante do seccionador, mantém a isolação entre a parte viva e a base do seccionador. Em um projeto do seccionador, o correto dimensionamento do isolador é fator preponderante na qualidade do produto final, devendo suportar os esforços dielétricos, os esforços mecânicos e não produzir níveis elevados de ruído. Lâmina principal É uma peça móvel, feita de tubo ou barra de material altamente condutor (cobre ou alumínio), que na posição fechada do seccionador conduz a corrente elétrica de um terminal a outro e na posição aberta assegura uma distância de isolamento. É a parte mais crítica da chave, pois além de reunir alta condutividade e boa rigidez mecânica, deve ser leve para permitir operação sem esforço demasiado. Contatos É o conjunto de duas ou mais peças condutoras de um seccionador destinadas a assegurar a continuidade do circuito quando se tocam, fechando ou abrindo esse circuito devido ao seu movimento relativo durante a operação da lâmina. É comum chamar-se de contato fixo a parte do contato que fica imóvel e rigidamente fixa aos terminais, e de contato móvel a parte que fica comumente nas extremidades da lâmina móvel. O contato fixo é normalmente feito por peças de cobre eletrolítico, chamados dedos de contato e sobre as quais são soldadas pastilhas de prata ou liga de prata. Os dedos dos contatos podem também ser prateados. O contato propriamente dito é então feito através das superfícies de prata ou sua liga. Existem também os contatos prata-cobre e cobre-cobre, este último em chaves de menor capacidade de condução de corrente. A pressão nos contatos é dada por molas de aço inox, bronze fosforoso ou cobre- 11

23 berílio. A utilização de um mesmo material nos contatos móvel e fixo pode ocasionar o fenômeno de soldagem de materiais similares submetidos à pressão (galling). É por isso que se costuma usar, por exemplo, liga Ag-Cd num dos contatos e liga Ag-Cu no outro contato (fixo e móvel) respectivamente. Mecanismo da lâmina É o conjunto que, recebendo o comando através da coluna isolante rotativa, opera a lâmina. Lâmina de terra Serve para aterrar a parte do circuito seccionado e desenergizado. A lâmina de terra possui um comando independente ao comando do seccionador, porém ambas devem estar intertravadas mecanicamente para evitar que esta seja fechada quando o seccionador estiver fechado e vice-versa. Terminal Parte condutora da chave seccionadora, destina a sua ligação elétrica a um circuito externo. Acessórios São peças ou conjuntos de peças que não fazem parte integrante do seccionador, mas que podem ser necessários em algumas condições específicas. Contatos de arco (chifres) convencionais: são utilizados para interromper pequenas correntes como, por exemplo, a corrente de magnetização do transformador. São duas hastes metálicas, uma fixa ao contato fixo e a outra à ponta da lâmina móvel, e são instaladas de tal modo que quando a lâmina começa a sair do contato fixo, o caminho da corrente fica estabelecido entre os chifres, evitando que o arco venha a queimar os contatos da chave. Conectores terminais: são os acessórios que interligam os barramentos ou cabos com os terminais do seccionador. Resistor de inserção: são diversos resistores montados dentro de uma bucha de porcelana hermeticamente fechada, onde a extremidade de cada resistor é ligada a um anel ou a uma pequena esfera. O conjunto é montado junto ao contato fixo de tal modo que quando a lâmina começa a abrir, os resistores vão gradativamente se inserindo no circuito, de modo que quando todos os resistores estiverem no circuito, a corrente estará limitada a um valor mínimo, podendo assim ser facilmente interrompida. 12

24 Intertravamento mecânico: é utilizado somente em seccionadores com lâmina de terra. Ele impede mecanicamente a operação da lâmina de terra quando o seccionador estiver fechado e vice-versa. Tubo de transmissão: tubo que está acoplado ao tubo de torque e que permite o movimento do motor para os tubos de acoplamento. Tubos de acoplamento: tubos que transmitem os movimentos de giro de uma fase para as demais. Caixa de engrenagens: estas caixas têm por função transmitir ou reduzir movimentos e fazer acoplamentos de eixos. 13

25 Capítulo 3 Estado da arte Uma das abordagens que podem ser adotadas na tentativa de resolver o problema do fechamento das chaves seccionadoras, ou seja, dar certeza necessária ao operador sobre o perfeito fechamento da chave, foca na análise espectral das correntes de acionamento dos motores que fecham e abrem as seccionadoras. Como a corrente de um motor é proporcional ao seu torque, analisando a corrente pode-se acompanhar o torque durante o fechamento. O torque deve ser maior no final do curso, pois é onde ocorre o contacto elétrico, quando os dois pólos se encontram e deve ocorrer a conexão mecânica. Entretanto, analisando-se o tamanho do motor de acionamento, pequeno em relação ao braço da chave (até dois metros), concluise que para se obter o torque necessário para efetuar a conexão mecânica dos dois pólos de uma chave deve-se usar uma grande relação de engrenagens entre o motor e o eixo da haste da chave. Assim, pequenas variações de torque no momento do fechamento serão igualmente divididas pela grande relação de engrenagens e consequentemente facilmente mascaradas dentro do ruído do sinal de corrente. Ou seja, a relação sinal/ruído mascara variações de torque que poderiam indicar um mal funcionamento da seccionadora. Uma pesquisa que analisa correntes dos motores foi efetuada pela Universidade Federal de Santa Catarina em cooperação com a concessionária Eletrobrás, gerando uma dissertação de mestrado [6]. O trabalho trata de analisar as correntes dos motores de acionamento para prever manutenções preventivas nas chaves seccionadoras utilizando uma técnica que o autor chama de análise da assinatura do valor eficaz. A conclusão da dissertação foi que o sistema desenvolvido poderia 14

26 ser usado nas manutenções de chaves seccionadoras das subestações, pois mostra uma simplicidade muito grande na análise e que muitas vezes foi possível observar defeitos à distância, que com certeza demorariam a serem evidenciados a partir dos procedimentos convencionais usados atualmente. Por outro lado, a pesquisa não menciona a capacidade de detecção de problemas de mal fechamento elétrico, já que este defeito não foi observado ou simulado. Figura 3.1: Diagrama em blocos do sistema completo do sensor óptico de posição absoluta dos contatos de um seccionador de alta-tensão, extraído de [7]. Outra tentativa de monitoração do fechamento é a de utilização de uma barreira óptica que detecta a passagem da haste da chave seccionadora por uma determinada posição no espaço é descrita em [7]. A tecnologia utilizada consiste de um sensor óptico remoto por propagação de luz em espaço livre, que teria como vantagens seu baixo custo, facilidade de instalação (tanto nas chaves novas quanto nas já em operação) e potencial rapidez no desenvolvimento. O sensor óptico seria capaz de detectar à distância, sem contato físico, o estado (aberto ou fechado) da chave seccionadora através do uso de luz laser retro-refletida, conforme esquematizado na Figura 3.1. O projeto é ambicioso, pois pretendia detectar a posição relativa entre os contatos fixo e móvel da chave seccionadora, na posição fechada, a uma distância de pelo menos 4 (quatro) metros, com precisão de 5 (cinco) mm, ainda que o conjunto se desloque lentamente em torno de sua posição de repouso, em qualquer direção, numa faixa de aproximadamente 10 cm. O sistema é composto de laser emissores de luz, espelhos fixos nas hastes móveis e nas hastes fixas, bem como detectores de luz localizado nos contatos elétricos. A literatura e a experiência nos indica que 15

27 espelhos e outros componentes ópticos, tais como, lentes, lasers e fotodetectores não devem ficar em ambiente aberto, sujeitos a chuvas, poeira, vento, vibração e todo tipo de condições adversas. O sistema, ainda que funcionando em laboratório, teria pouca eficiência de operar no ambiente agressivo de uma subestação. O trabalho designado em [8] utiliza como parâmetro para verificar o fechamento da chave seccionadora uma medida indireta da resistência elétrica do contato físico da chave seccionadora, obtida por meio do monitoramento da chave com sensores à fibra óptica. Utiliza-se um sensor óptico (bobinas atenuadoras de fibras ópticas) dentro do contato fixo da chave, contato este seccionado em duas partes, conforme esquematizado na Figura 3.2. A pressão exercida nas duas partes do contato fixo pelo braço móvel deforma a bobina atenuadora, de modo que se verifica uma perda de potência óptica no terminal receptor do sistema de sensoriamento. A partir desse valor estima-se a resistência do contato elétrico, e por fim, estima-se a qualidade do fechamento da chave seccionadora. Os autores apontam que os resultados obtidos em campo mostram que este sistema possui potencial para ser utilizado em larga escala. Figura 3.2: Esquema da arquitetura proposta para o monitoramento do fechamento da chave seccionadora, extraído de [8]. O trabalho designado em [9] utiliza um sistema de visão computacional que utiliza redes neurais do tipo SOM para verificar o fechamento das chaves seccionadoras. Os resultados dos testes de campo apresentaram uma eficiência de 100% do sistema na identificação dos estados aberto e fechado, apresentando redução no desempenho apenas na transição de estados, ou seja, em situações dinâmicas que não são relevantes para o estágio do protótipo apresentado. 16

28 Capítulo 4 Metodologia Esse trabalho descreve o desenvolvimento de um protótipo de bancada, que integra um dispositivo de aquisição de sinais conectado a um computador, um switch óptico, uma placa de acionamento de laser e de recepção e tratamento de sinal codesenvolvido pelo autor no Laboratório de Instrumentação e Fotônica/Coppe, e o sensor mecânico responsável pela interação com a chave seccionadora, dotado de superfície refletora que desliza à medida que a chave abre ou fecha. A simulação da abertura e fechamento da chave seccionadora foi feita por meio da fixação do sensor mecânico e de um micrômetro juntos à uma mesa óptica, sendo aberto ou fechado com passo de 0,1 mm. Uma vez o protótipo montado e integrado, foram realizados testes para se determinar os pontos de abertura e fechamento da chave seccionadora, para a identificação da necessidade de possíveis modificações visando à melhora na precisão da determinação desses pontos, guiando alterações no circuito de acionamento, recepção e tratamento, no software de controle do dispostivo de aquisição de sinais e no projeto do sensor optomecânico. Na figura 4.1, pode-se observar que será utilizado um sinal óptico para realizar o monitoramento do fechamento do sensor optomecânico, operado por meio de um micrômetro fixado a uma mesa óptica, obtido por meio de um laser. O laser utilizado no protótipo, o LPS-830-FC nm Thorlabs (vide Apêndice A), possui um fotodiodo embutido (Vide Figura 4.2), que permite o controle da referência do laser, ou seja, permite identificar se este está operando com a potência adequada. No protótipo este sinal é capturado como uma sinal de tensão 17

29 SO: Sensor Optomecânico Mancal SO Computador Ready Reset 1 300m... Software Cabo USB NI USB-6008 Bits de endereçamento Erro Switch óptico... 12V GND 8 Dado analógico (Referência) DB-15 Fibra óptica Splitter 50% 12V GND 50% Não utilizado 127V rms Fonte externa 12V GND Acionamento GND Fibra óptica Condicionamento do sinal LASER Dado analógico (Sensor) Condicionamento do sinal GND RECEPTOR Placa LIF Figura 4.1: Diagrama de blocos do protótipo. e exposto na interface com o usuário, de modo que este pode verificar a ocorrência de alguma defeito por meio da variação da tensão exposta. O sinal destinado ao sensor optomecânico, por sua vez, é enviado ao switch, passando por um splitter, sofre reflexão no espelho deslizante do sensor optomecânico, e retorna para um receptor. Este produz um sinal de corrente, que é em seguida transformado em sinal de tensão e amplificado. Os circuitos de acionamento do laser, tratamento da referência e recepção e condicionamento do sinal do sensor estão dispostos em uma placa de circuito impresso desenvolvida e manufaturada no laboratório. Os sinais capturados e tratados são enviados para uma placa de aquisição de 18

30 Figura 4.2: Diagrama de pinos do LPS-830-FC da Thorlabs, onde o fotodiodo corresponde ao PD. Extraído de [13]. sinais (NI USB-6008), que os exibe na interface com o usuário no computador. Essa placa é também responsável pelo controle da multiplexação dos canais no switch e tratamento dos sinais de READY, ERROR e RESET deste. Como este sistema se baseia em uma técnica de transdução que muda a intensidade do sinal óptico (superfície refletora deslizante do sensor optomecânico), pode ser classificado como um sensor de amplitude. Para uma descrição mais detalhada sobre essa classe de sensores sugere-se a consulta à referência [10]. O sistema é alimentado por uma fonte externa de 12 V, ligada à rede de energia, convertidas na placa LIF para 5 V e -5 V. Apesar da placa de aquisição de sinais disponibilizar saída de 5 V, não é capaz de alimentar todo o sistema, pois só o switch necessita de 500 ma de alimentação, enquanto a placa é capaz de fornecer 200 ma. 4.1 Hardware Nesta seção será descrito o desenvolvimento do hardware, dividido em hardware eletrônico (Placa LIF) e hardware optomecânico (Sensor optomecânico) Hardware eletrônico A placa LIF, conforme esquematizada na Figura 4.1, aciona o laser, e realiza a recepção e tratamento da referência do laser e do sinal proveniente do sensor optomecânico. O esquemático foi desenvolvido no software Eagle. O amplificador operacional escolhido para ser utilizado foi o OPA227, devido ao seu baixo ruído. Entretanto, 19

31 sua alimentação é simétrica, com valores +5V e -5V. Como havia disponível no laboratório apenas uma fonte de +12V, foram implementados dois conversores DC-DC. Na geração do -5 V foi utilizado o CI 063EC SDI e a montagem especificada em [11], e na geração do +5 V foi utilizado o LM7805 e a montagem especificada em [12], conforme mostra a Figura 4.3. Figura 4.3: Esquemático dos conversores DC-DC. O acionamento do laser requer um driver para o controle do seu ponto de operação, conforme mostrado na Figura 4.4. O transistor é polarizado na região ativa, modo de operação no qual a tensão base - emissor v BE é aproximadamente 0,7 V. Assim, o buffer é regulado de modo a garantir uma tensão de 2,62 V no base do transistor, que garante uma tensão em torno de 1,92 V no emissor. Conforme especificado em [13], este é o ponto de operação típico do laser, associado a uma corrente de 42,7 ma. Figura 4.4: Esquemático do acionamento do laser e do condicionamento do sinal da referência. 20

32 Modo de operação Junção Base-Emissor Junção Base-Coletor Corte Reversa Reversa Ativo Direta Reversa Saturação Direta Direta Tabela 4.1: Modos de operação de um transistor BJT, adaptado de [14]. Figura 4.5: Esquema do driver. Conforme mostrado na Tabela 4.1, no modo ativo a junção Base - Coletor deve ser reversa, ou seja, a tensão no coletor deve ser superior à tensão na base. Entretanto, para que o transistor efetivamente passe para o modo de saturação, a tensão na base deve superar a do coletor por pelo menos 0,4 V (a tensão na base mantém-se constante em 2,62 V). Como à medida que a corrente do coletor sobe, a tensão no coletor diminui, temos uma limitação na corrente que pode ser fornecida ao laser. Assim, a corrente máxima que o driver fornecer ao laser é dada por 12V (2, 62 0, 4)V 39Ω = 250mA (4.1) Como a corrente típica exigida pelo laser é de 42,7 ma, esse configuração do driver é capaz de alimentá-lo com grande folga. O laser utilizado (Thorlabs LPS-830, vide Apêndice A) possui um fotodi- 21

33 odo embutido, circulado em vermelho na representção esquemática do laser na Figura 4.4. A corrente de 42, 7mA gera um sinal de tensão de 22Ω 42, 7mA = 0, 94V na entrada do amplificador inversor. Este esquema de amplificador possui ganho dado por Figura 4.6: Amplificador inversor. V in R 1 = V out R 2 V out V in = R 2 R 1 (4.2) O amplificador não - inversor apresenta, então, ganho de 33kΩ 10kΩ = 3, 3. Assim, o sinal no conector referência laser, representado na Figura 4.8, é de 3, 3 0, 94 = 3, 1V. Este sinal é levado à placa de aquisição de sinais e tem seu valor exposto na interface com o usuário, permitindo identificar se o laser está operando no nível correto. O sinal proveniente do sensor optomecânico, por sua vez, passa por uma amplificador de transcondutância, a fim de converter o sinal de corrente em sinal de tensão, e em seguida passa por um amplificador não - inversor, conforme exposto na Figura 4.7. O sinal é levado à placa de aquisição de sinais e tem seu valor exposto na interface com o usuário. 22

34 Figura 4.7: Esquemático do condicionamento do sinal proveniente do sensor optoeletrônico. Quando o sensor optomecânico está fechado, ou seja, o sinal de retorno tem a sua maior intensidade, a corrente no receptor é de aproximadamente 48mA. Assim, a tensão na entrada do amplificador é -22Ω 48mA = 1, 05V. Assim, o sinal no conector sinal sensor, representado na Figura 4.8, após passar pelo amplificador não - inversor, é de 3, 3 1, 05V = 3, 5V. Por fim, conforme a Figura 4.8, foi utilizado um capacitor em cada alimentação dos amplificadores operacionais, a fim de diminuir o ripple, e foram colocados dois conectores, que permitem a alimentação da placa com +12V e o referencial terra e a saída dos sinais da referência do laser e da saída do sensor para o dispositivo de aquisição de sinais. Figura 4.8: Esquemático dos capacitores nas alimentações e dos conectores. Uma vez finalizado o esquemático, foi projetado o layout da placa LIF, ainda 23

35 no software Eagle, apresentado na Figura 4.9. Os trechos em vermelho representam ligac o es feitas utilizando fios jumper, dada a impossibilidade de trac ar todas as trilhas em uma mesma face da placa de cobre. Como sa o poucas ligac o es preferiu-se esta opc a o a uma placa dupla face. Figura 4.9: Layout da placa LIF. Uma vez o layout concluı do, a placa foi produzida utilizando-se a prototipadora ProtoMat S42 LPKF (vide Ape ndice A), disponı vel no laborato rio e, por fim, os componentes foram soldados manualmente, resultando na placa mostrada na Figura Figura 4.10: Placa LIF montada. 24

36 4.1.2 Hardware optomecânico O sensor optomecânico é formado por um espelho móvel que reflete a luz infravermelha proveniente da fibra óptica. O transdutor óptico é o conjunto de peças que contém o sensor e que tem como saída um cabo de fibra óptica. Figura 4.11: Sensor optomecânico. Na Figura 4.12 tem-se um gráfico onde se apresenta o percentual de reflexão de diferentes materiais. Note que para um comprimento de onda λ = 0, 827µm (comprimento de onda do laser Thorlabs LPS-830-FC, vide Apêndice A), o ouro, a prata e o cobre refletem próximo de 100% do sinal incidente. Testou-se, entretanto, três configurações em laboratório: aço inox polido com deposição de ouro, aço inox polido com deposição de prata e apenas aço inox polido, e esta última opção foi a que apresentou melhor refletividade, sendo assim, a opção adotada. Figura 4.12: Refletividade de diferentes materiais. Com a reflexão efetuada por contato frontal, deve-se controlar o curso máximo do espelho, a fim de não danificá-lo. Assim, quando o espelho e a fibra se tocarem, a mola começa a comprimir, impedindo uma força muito grande entre ambos. A Figura 4.13 mostra o amortecedor como um cilindro e pistão fixado em série com 25

37 Figura 4.13: Amortecedor de curso com parafuso de ajuste de curso. o sensor. Como o curso do contato da chave é de apenas 4 mm, nada pode ser desperdiçado. Assim, utiliza-se um parafuso de contato para aproximar o eixo do sensor no contato da chave seccionadora, eliminando qualquer folga, de modo que quando a chave estiver fechada, o espelho esteja junto à fibra óptica. Figura 4.14: Esboço da versão final do sensor optomecânico. O esboço da versão final do sensor optomecânico é mostrado na Figura Note as duas molas, uma dentro do amortecedor e outra em volta do sensor. Esta é mais fraca que a outra, de modo que é a primeira a ser comprimida. Quando o espelho toca a ponta da fibra, a mola dentro do amortecedor começa a comprimir até o fim do curso do contato da chave seccionadora. Essa abordagem evita que um movimento do contato da chave seccionadora maior do que o curso do sensor 26

38 produza esforço adicional no espelho. Figura 4.15: Desenho em corte do sensor optomecânico. 4.2 Software O código foi desenvolvido utilizando o software LabWindows/CVI 2010, que é um ambiente de desenvolvimento integrado para a linguagem C que permite a concepção de aplicações de instrumentação virtual. Seu objetivo é controlar o switch óptico e receber os sinais provenientes da placa LIF por meio do dispositivo de aquisição de sinais, realizar o logging dos sinais recebidos e construir uma interface com o usuário que os expõe. Figura 4.16: Interface com o usuário. Na Figura 4.16, percebe-se que o sistema final fará o monitoramento de duas chaves seccionadoras, cada uma composta por três fases(chave A, chave B e chave C) e um sensor de abertura(não apresentado nesse trabalho). Cada uma desses campos corresponde a uma das oito saídas do switch óptico 1x8-MM-A-D ZG. 27

39 No acionamento sequencial, o código executa iterativamente 4 passos, para cada uma das saídas do switch, como pode-se observar na Figura Ao final da execução desses quatro passos para uma das saídas, uma nova saída do switch é selecionada. O comando para a finalização da execução é dado de maneira assíncrona pelo usuário, pressionando o botão PARAR, que substitui o botão INICIAR após o início da varredura. Figura 4.17: Diagrama em blocos do funcionamento do acionamento sequencial. Existem três sinais específicos para o funcionamento do switch que são tratados pelo programa: Sinal READY Ao ser acionado, o switch indica que a multiplexação foi realizada corretamente por meio do sinal READY. Esse sinal foi incorporado ao programa, e conforme podemos observar na Figura 4.17, a leitura da tensão não é realizada até que TRUE seja retornado. Sinal ERROR Quando há algum erro na operação do switch, este emite um sinal de erro. Ao recebê-lo, o software interrompe imediatamente a execução, indicando a interrupção por meio de um LED na interface com o usuário. Ainda não foi introduzido um tratamento do erro, de modo que o programa deve ser reiniciado para que volte a funcionar. Sinal RESET Ao acionarmos o reset do switch, este não envia o sinal para ne- 28