(*) Rua Real Grandeza, 219 / Sala 308-B Rio de Janeiro (RJ)

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1 STL/ a 26 de Outubro de 2001 Campinas - São Paulo - Brasil STE IV TELECOMUNICAÇÕES EM SISTEMAS DE POTÊNCIA VALIDAÇÃO DA METODOLOGIA DE CÁLCULO DO DIMENSIONAMENTO DE UM ENLACE ÓPTICO ATRAVÉS DE MEDIDAS REALIZADAS NAS FIBRAS Vladimir Rojas Corrêa (*) FURNAS Silvana Di Iulio Moreira FURNAS RESUMO O objetivo deste trabalho é avaliar a metodologia de cálculo utilizada para o dimensionamento dos enlaces ópticos através de um estudo das medidas realizadas nas fibras do cabo OPGW instalado nas linhas de transmissão de FURNAS da Interligação NORTE-SUL em 500kV com a ELETRONORTE. PALAVRAS-CHAVE: Medidas ópticas, via óptica, cabo OPGW, fibra monomodo. 1.0 INTRODUÇÃO A Interligação NORTE-SUL possui cerca de 1000 km de extensão, dos quais 765 km pertencentes a linhas de transmissão 500kV de FURNAS. O cabo OPGW instalado possui 36 fibras tipo monomodo standard com dispersão cromática de 18 ps/nm.km e atenuação especificada variando de 0,21 a 0,23 db/km na janela de 1550 nm. O sistema de FURNAS é composto de 3 enlaces ópticos interligando as Subestações de Samambaia, Serra da Mesa, Gurupi e, sendo que cada enlace possui uma estação repetidora óptica intermediária. São apresentados os resultados obtidos nas medidas de atenuação óptica e nos testes de potência óptica em cada uma das 36 fibras do cabo OPGW instalado. Medidas com OTDR foram feitas nas bobinas armazenadas nos canteiros de obras e após concluídas as emendas de uma torre. No comissionamento final das vias ópticas de todos os trechos compreendidos entre 2 estações (terminal e repetidora) foram utilizados Fonte de Luz e Power Meter Óptico. Somente esta etapa totalizou 432 medidas (6 trechos x 36 fibras x 2 sentidos). São descritos a metodologia e os critérios adotados para aceitação das emendas das fibras no campo e analisados os fatores intrínsecos e extrínsecos que alteram os valores de perdas na emenda óptica. Foi verificado, por exemplo, que as condições do tempo têm bastante influência na qualidade da emendas. Os valores utilizados na metodologia de cálculo do dimensionamento tais como, perda por emenda e margens utilizadas, são avaliados em função das medidas realizadas. 2.0 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA Inicialmente, já estavam determinadas a janela (1550 nm) e a taxa de transmissão na via óptica (155 Mbps) e eram conhecidas as distâncias físicas entre as Subestações, porém faltava estabelecer a localização das estações repetidoras ópticas. As distâncias envolvidas aproximadas eram as seguintes: Serra da Mesa: 250 km; Serra da Mesa : 257 km; : 255 km. A definição das estações repetidoras foi feita em função de dois fatores: Facilidade de acesso nas proximidades da linha de transmissão; Alimentação comercial AC próxima. (*) Rua Real Grandeza, 219 / Sala 308-B Rio de Janeiro (RJ)

2 Com isto, a localização das repetidoras ficou conforme Tabela 1 a seguir. TABELA 1: Localização das Estações Repetidoras Linha de Transmissão Estação Distância a b Repetidora Até a Até b Samambaia S.Mesa 100 ± ± 1 S.Mesa Gurupi 90 ± ± 1 Gurupi 127,5 ± 1 127,5 ± 1 Para uma melhor visualização da região onde se situam as estações, apresentamos abaixo, na Figura 1, um mapa dos Estados de Goiás e Tocantins, destacando-se as linhas de transmissão de FURNAS pertencentes à Interligação NORTE-SUL. Atenuação média da emenda óptica: 0,1 db; Comprimento médio das bobinas: 4 km; Distância entre emendas adicionais futuras: 30 km; Penalidade por dispersão cromática: 0,5 db; Margem do cabo por km devido ao envelhecimento e variação de temperatura da fibra: 0,025 db (limitado em 2 db); Variação da atenuação da fibra devido à variação do comprimento de onda emissão do laser em relação a 1550 nm: 0,01 db/km; Número de conectores ópticos: 2; Atenuação do conector óptico: 0,5 db; Margem do equipamento devido a envelhecimento: 2 db; Potência óptica de saída (Po): 3 dbm; Sensibilidade do receptor (Pr), para uma taxa de erro de bit menor ou igual a : 36 dbm; A Tabela 2 a seguir mostra os resultados obtidos no dimensionamento deste sistema óptico. TABELA 2: Determinação dos valores máximos de atenuação das fibras por km, em 1550 nm, e dos amplificadores ópticos. Distância Atenuação Po Pr Amplificador (db/km) Óptico 107 0, ,5 0,23 48,3 16 dbm 96,5 0,22 30,4-177,4 0,22 51,3 19 dbm 135,9 0, dbm 135,9 0, dbm FIGURA 1: Interligação NORTE-SUL - Localização das linhas de transmissão de FURNAS No dimensionamento do sistema óptico, FURNAS adota como critério calcular o comprimento da via óptica acrescendo-se 5% às distâncias entre as estações (comprimento do cabo OPGW) e mais 1000 metros por estação, referentes aos cabos dielétricos. Outros parâmetros considerados no Dimensionamento do Sistema são os seguintes: Com os valores típicos de equipamento considerados, o range dinâmico (Po Pr) a ser atendido é de 33 db, sem amplificador óptico. Para os trechos em que os valores de ranges dinâmicos foram superiores, foi necessário utilizar amplificadores ópticos. Estes amplificadores foram incorporados ao equipamento multiplex SDH do Sistema Óptico adquirido por FURNAS. 3.0 FORNECIMENTO Em função da tecnologia do processo de fabricação das fibras ópticas existente na época do dimensionamento do sistema (novembro de 1997), fibras com atenuação de 0,21 db/km não eram tão comuns no mercado

3 quanto às de 0,22 ou 0,23 db/km. No entanto, na época do fornecimento (dezembro de 1998) os lotes de bobinas recebidos já apresentavam um percentual grande de fibras com atenuação de 0,20 e 0,21 db/km. O cabo OPGW fornecido (vide Figura 2) possui um comprimento de fibra 2% maior que o seu comprimento, devido às características de projeto. Tento Alumínio-Liga Tento Alumínio-aço FIGURA 2: Seção do cabo OPGW fornecido A Tabela 3 a seguir apresenta os comprimentos totais de cabo OPGW fornecido para cada trecho. TABELA 3: Fornecimento de cabo OPGW Cabo OPGW Cabo Dielétrico Total de Comprimento Comprimento Bobinas Total (m) Total (m) As bobinas foram fabricadas com sobras de aproximadamente 100 metros, de acordo com informações do fornecedor. 4.0 MEDIDAS REALIZADAS Tubo de Aço Inoxidável Foram feitas medições de atenuação e de potência óptica em cada uma das 36 fibras em todos os trechos da Interligação NORTE-SUL. As medidas realizadas também serviram para verificação do comprimento exato da via óptica instalada. 4.1 Comprimento das Vias Ópticas Apresentamos na Tabela 4 a seguir os comprimentos medidos, comparando-se com o comprimento estimado no dimensionamento. TABELA 4: Comprimentos Medidos Com Dielétrico Sem Dielétrico Estimado Medido Estimado Medido , ,5 159,5 158,2 157,5 156,4 96,5 97,2 94,5 95,5 177,4 174,2 175,4 173,2 135,9 132,9 133,9 131,9 135,9 135,6 133,9 134,5 Os comprimentos medidos foram obtidos com o auxílio de um OTDR, calibrado para um índice de refração nominal de 1,465 na janela de 1550 nm. Comparando-se com os comprimentos estimados, o maior erro observado foi de 2,2%, com dielétrico, e 1,5%, sem dielétrico, no trecho. Verifica-se ainda que, para os trechos Serra da Mesa e, os comprimentos medidos sem dielétrico foram maiores que os teóricos, o que se justifica pelo fato de que na época do dimensionamento não eram conhecidos os locais exatos das estações repetidoras. Caso seja considerado o comprimento efetivo de cada linha de transmissão, verifica-se, pela Tabela 5 a seguir, que o erro entre as medidas fica em torno de 0,5%. TABELA 5: Comprimentos das Vias Ópticas Sem Dielétrico Linhas de Transmissão Estimada Erro Medida (%) 262,5 260,9 0,6% 269,9 268,7 0,4% Gurupi 267,8 266,4 0,5% 4.2 Medidas de Potência Óptica Todas as medidas de potência óptica apresentadas na Tabela 6 a seguir foram obtidas com o auxílio de uma Fonte de Luz e um Power Meter Óptico e

4 correspondem às atenuações totais de cada trecho, incluindo-se cabos dielétricos. Foram realizadas medidas nos dois sentidos de transmissão. TABELA 6: Atenuações Totais das Vias Ópticas Limiar de aceite Menor Maior 26,2 (fibra 21) 40,9 26,1 22,0 (fibra 13) 41,4 36,9 (fibra 21) (fibra 36) 24,8 20,9 22,0 (fibras 07 (fibras 31, e 09) 35 e 36) 44,2 37,5 (fibras 20 e 27) 38,9 (fibra 36) 35,5 28,1 30,0 (fibra 11) (fibra 21) 35,5 29,6 31,0 (fibra 06) (fibra 01) Valor Médio de 24,56 38,84 21,44 37,98 28,87 30,24 O valor de limiar de aceite de cada via óptica foi calculado somando-se, para cada trecho, as parcelas referentes ao número de emendas existentes, a atenuação especificada da fibra óptica por km (vide Tabela 2) e a perda de 1 db relativa aos conectores ópticos. Assim, toda a via óptica da Interligação NORTE-SUL foi comissionada considerando estes valores. Observa-se que nos trechos Samambaia- e - Serra da Mesa as medidas de maior e menor perda apresentam uma variação de 4,0 db que é maior que as dos outros trechos em que a variação foi menor que 2,o db. No entanto, todas as atenuações máximas encontradas ficaram dentro dos limites estabelecidos, com exceção da fibra 21 do trecho. Por ter sido um caso único considerando-se toda a Interligação NORTE-SUL, bem como por ter ocorrido em apenas um sentido (na prática, a atenuação média desta fibra, medida em ambos os sentidos, foi de 25,3 db), este fato isolado foi ignorado inicialmente. 5.0 EMENDAS ÓPTICAS Uma das questões mais polêmicas envolvendo o aceite das vias ópticas foi relativa aos critérios para definição dos limites máximos aceitáveis de perda nas emendas. Inicialmente, havia uma idéia equivocada de que uma emenda óptica não poderia ser aceita caso sua atenuação óptica ultrapassasse 0,1 db em quaisquer dos dois sentidos. Em seu processo de fabricação, as fibras ópticas são produzidas dentro de limites aceitáveis. Assim, cada parâmetro da fibra óptica possui uma tolerância, sendo que a fibra óptica utilizada obedeceu aos seguintes limites: Diâmetro do Campo Modal: 8,86 9,72 µm; Valor Médio do Campo Modal: 9,29 µm; Erro de concentricidade do campo modal < 0,5 µm; Não-circularidade do núcleo < 1% Comprimento de onda de corte máximo: 1320 nm. As variações nesses parâmetros, implícitas ao processo de fabricação, poderão gerar perdas superiores a 0,1 db nas emendas ópticas. São os chamados fatores intrínsecos associados à fibra óptica. Em algumas situações, as perdas nas emendas ópticas irão atingir um determinado valor (num caso extremo, as fibras emendadas vão inserir perdas superiores a 0,16 db), que não poderá ser diminuído, devido a características dimensionais inerentes à fibra fabricada. Fatores extrínsecos, tais como qualidade da clivagem, regulagem da máquina de fusão e sujeira na fibra a ser emendada, podem levar a valores muito maiores de perda em emendas ópticas. Ficou definido o valor de 0,4 db como um limite máximo aceitável para perda numa emenda óptica num dos sentidos de transmissão. Em todos os trechos analisados somente uma torre de emendas apresentou valores maiores que o estabelecido, tendo o fato ocorrido em 4 fibras. Em consulta à equipe que trabalhou nesta torre, foi confirmado que no dia da execução das emendas houve uma chuva muito intensa que dificultou severamente o trabalho. Refeitas as emendas em condições mais favoráveis, os valores altos de perda nas emendas foram reduzidos a valores próximos de 0,1 db. Isto caracteriza que, inicialmente, os chamados fatores extrínsecos associados à fibra óptica tiveram grande influência nos resultados. Foi feito um estudo estatístico com uma amostragem de aproximadamente 7500 medidas de perda em emendas. Nesta análise estatística foram desprezadas emendas cujos valores de perda foram negativos em ambos os sentidos, o que caracteriza uma inconsistência de resultados, ocasionado pela utilização do instrumento de medida (OTDR) no limite de sua faixa de operação, cujo alcance máximo é de aproximadamente 100 km. Das 7454 emendas analisadas, 529 apresentaram perda superior a 0,16 db, indicando que os fatores extrínsecos tiveram influência significativa em pelo menos 7% das emendas.

5 Os gráficos de freqüência relativa e probabilidade acumulada obtidos são mostrados na figura 2. FIGURA 2: Interligação NORTE-SUL Estatística de em Emendas O valor médio de perda em emendas calculado foi de 0,06 db. A partir do número de bobinas por trecho (dado de fornecimento, já apresentado na Tabela 3), chega-se ao número de emendas por trecho, que é igual ao número de bobinas acrescido de 3, considerando-se as emendas nos distribuidores ópticos das estações. Multiplicando-se o número total de emendas pelo valor médio de perda em emendas, obtém-se a perda média em emendas de cada trecho. A perda total média em cada trecho foi calculada a partir dos valores médios de perda (vide Tabela 6), diminuindo-se a perda inserida pelos conectores ópticos (1 db). Verificou-se, então, qual seria a atenuação média por km das fibras em cada trecho a partir das perdas totais médias calculadas, diminuindo-se a perda total média em emendas. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela 7 a seguir. TABELA 7: Valores Médios das Medidas Práticas Distância Total Medida Média em emendas Total Média Atenuação Média da fibra (db/km) 105,5 1,48 23,56 0,21 158,2 2,11 37,84 0,23 97,2 1,48 20,44 0,20 174,2 2,40 36,98 0,20 132,9 1,83 27,87 0,20 135,6 1,83 29,24 0,20 O trecho Serra da Mesa apresentou um valor de atenuação de fibra médio de 0,23 db/km, muito discrepante dos demais valores. Visando esclarecer este fato, foram verificadas as medidas das emendas ópticas deste trecho e observou-se que 36% das medidas tinham valores acima de 0,06 db, o que está coerente com o estudo estatístico realizado. Além disso, as medidas realizadas em fábrica de todas as bobinas deste trecho resultaram num valor médio de atenuação de 0,21 db/km, considerando-se a pior fibra de cada bobina. Entretanto, a variação das medidas de potência realizadas neste trecho chegou a 4 db enquanto que nos outros trechos foi menor que 2 db. Desta forma, desconfia-se que houve um erro de medida de potência óptica neste trecho ou uma perda maior nas emendas dos distribuidores ópticos das estações, que não pôde ser detectada pelo OTDR. Como este enlace admitia um valor de atenuação da fibra de 0,23 db/km (valor especificado), a discrepância encontrada ficou mascarada, já que o valor médio da atenuação total deste trecho (38,84 db) estava abaixo do limiar de aceite (41,4 db). 6.0 EQUIPAMENTOS ÓPTICOS Os equipamentos instalados possuem potência de transmissão mínima (Po) de 2,5 dbm e sensibilidade do receptor (Pr) de 37 dbm, o que leva a um range dinâmico (Po Pr) máximo de 34,5 db, sem uso de amplificadores ópticos. Em 4 dos 6 trechos o range dinâmico mínimo requerido, considerando as margens de fim de vida útil, é maior que 34,5 db, implicando no uso de amplificadores ópticos.

6 Na Tabela 8 a seguir, são mostrados os amplificadores ópticos utilizados e os ranges dinâmicos reais e, em função das atenuações máximas medidas são obtidas as margens efetivas de cada trecho das vias ópticas. TABELA 8: Margem Efetiva da Maior Amplif. Range Margem Óptico Dinâmico Efetiva (dbm) Real 26,2-34,5 8,3 40, ,0 9,1 22,0-34,5 12,5 38, ,0 11,1 30, ,0 17,0 31, ,0 16,0 A Tabela 9 abaixo apresenta um resumo das margens do sistema óptico. A margem do dimensionamento é a margem considerada para o fim de vida útil do sistema e inclui todos os fatores e penalizações apresentados no Item 2.0. TABELA 9: Margens do Sistema Óptico Margem Efetiva Margem do Dimensionamento Margem Adicional 8,3 5,9 2,4 9,1 6,6 2,5 12,5 5,8 6,7 11,1 6,9 4,2 17,0 6,3 10,7 16,0 6,3 9,7 Observa-se que o sistema possui uma margem de segurança adicional em relação às premissas assumidas no dimensionamento do sistema. Os amplificadores ópticos garantiram os ranges dinâmicos necessários, aumentando a margem de operação do equipamento. Por não existirem amplificadores ópticos com potência de saída menor que 10 dbm, os enlaces ópticos dos trechos e, apresentaram uma margem adicional bem maior que os demais. 7.0 CONCLUSÕES (i) Ficou comprovado que o modelo utilizado para estimativa de distâncias dos enlaces é válido, uma vez que o erro máximo observado foi de 2,2%, para o trecho, assim mesmo porque há uma tolerância de 1 km na localização exata da estação repetidora. Caso se considere as 3 linhas de transmissão, o maior erro será de 1,5% na LT 500kV. Considerando-se apenas o cabo OPGW, sem incluir as metragens dos cabos dielétricos, o maior erro será de 0,6% na LT Serra da Mesa 500kV. (ii) No comissionamento de uma via óptica, o limiar de aceite deve incluir somente a atenuação máxima especificada da fibra por km, o número de emendas do enlace e suas perdas e a perda inserida pelos conectores. Os demais parâmetros apresentados no Item 2.0 correspondem a margens necessárias para o dimensionamento do sistema levando-se em conta a vida útil da fibra, dos equipamentos e dispositivos ópticos. (iii) A contribuição de um valor mais elevado de perda numa emenda pode não ter uma influência tão significativa na atenuação total de uma via óptica, já que poderão existir ao longo do enlace perdas muito menores que 0,1 db que irão diluir o efeito de um valor maior de perda numa emenda. (iv) A diferença entre a média da perda em emendas medidas de 0,06 db e o valor utilizado no dimensionamento (0,1 db) leva a um adicional na margem do dimensionamento do sistema que varia de 1 a 1,6 db, dependendo do número de emendas do enlace. Isto representa uma margem de segurança a mais no fim da vida útil do sistema. 8.0 BIBLIOGRAFIA (1) LOUREIRO, C. T., Telecomunicações para o Sistema de Transmissão Norte Sul, FURNAS, Brasil; (2) ITU - T, Characteristics of a Single-Mode Optical Fibre Cable, Recommendation G.652; (3) PALERMO, C. R. e RODRIGUES, E. A., Recomendações para a Realização de Emendas por Fusão de Fibras Ópticas Monomodo, CPqD, Brasil