Campo de Aplicação

[001] A presente invenção se insere no campo dos dispositivos para medida de alta tensão em centrais geradoras, subestações de transmissão de energia elétriea ou outro meio em que se deseja fazer esse tipo de medida, uma vez que se refere a um ^módulo sensor óptico e sistema de interrogação", com sintonia e compensação de temperatura automáticas para medida e monitoramento de altas tensões.

Estado da Técnica

[002] A crescente demanda po energia elétriea leva à crescente busca pela sua utilização mais racional, consciente e eficiente. Nesse contexto, é fundamental o monitoramento da transmissão da energia nos sistemas elétricos de potência. Assim, a medição de tensões e correntes de regime, bem como de falhas, surtos é transientes nas linhas de alta tensão é de suma importância na manutenção da qualidade da energia elétriea, desde a sua geração até a sua nti1i zação .

[0.0-3] A medição de tensões e correntes elêtricas nas linhas de alta tensão é realizada nas subestações de distribuição de energia elétriea utilizando Transformadores para Instrumentos (Tis}, dispositivos de precisão responsáveis peio abaixamento das altas tensões e correntes para níveis com os quais é possível realizar a medida com segurança. Os transformadores para instrumentos (Tis) são divididos em Transformadores de _: Potencial (TPs) e Transformadores de Corrente (TCs) . Existem várias tecnologias utilizadas na fabricação dos TPs e TCs, que dependera dos níveis de tensão e/ou corrente a serem 'monitoradas, além da classe de exatidâo da medida qu devem ^, fornecer-. Em sua maioria, os TPs e TCs são construídos era ferro, aço, cobre e cerâmica, e -são, portanto, equipamentos pesados e volumosos, além de caros.

[004] A fim d contornar esses problemas, tecnologias alternativas têm sido propostas e empregadas na medição de altas tensões e correntes, em substituição aos convencionais TPs e TCs indutivos e capac.itivos . Ê o caso, por exemplo, dos Transformadores de Potencial ópticos (TPO) e Transformadores de Corrente ópticos (TCO) - Dentro dessa classe, os transformadores ópticos com redes de Bragg em fibra óptica (FBG ^: , do inglês Fiber Bragg Gratings} constituem uma alternativa promissora, devido às características intrínsecas às fibras ópticas, das quais podemos citar: imunidade à interferência eletromagnética alta isolação elétríea e po sibilidade de multíplexaçãc de vários sensores .

[005] Nesse contexto insere-se a presente invenção, que revela um Módulo sensor óptico, cujo sensor de média/alta tensão é constituído de uma FBG (Fiber Bragg Gratings) fixada sobre uma pilha de atuadores piezoelétrícos conectados em série, que constituem um divisor capacitivo para divisão da tensão aplicada a ser medida. Como a FBG é vim sensor passivo, um sistema de interrogação, também revelado nesta invenção, é responsável pelo envio e recepção de sinais ópticos. Esse sistema possui sintonia e compensação de temperatura automáticas- e será descrito em detalhes adiante.

[006] 0 documento CN101556861 refere-se a um transformador de potenciai com fatias em série de cerâmicas piezoelétricas e sensor cie deslocamento de fibra óptica reflexiva. No entanto, o espaçamento do sensor em relação à cerâmica piezoelétrica, cerca de 2mm garantido mecanicamente, é critico. O sinal de saída depende fortemente deste posicionamento e dilatações térmicas do material podem afetar essa distância, interferindo diretainente nas medidas. Diferentemente, a presente invenção, utiliza uma grade de Bragg fixada aos elementos piezoelé.tricos, garantindo uma maior robustez mecânica e maior estabilidade na medida realizada .

[007] 0 documento CNlí 98532 refere-se a um transformador que utiliza um divisor capacitivo para separar a alta tensão da baixa tensão e utiliza um conversor em série de analógico para digitai para converter em sinal digital. Uma fibra óptica alimenta o sinal digital em uma câmara de controle. No entanto,- a tecnologia revelada no documento CN1198532 não mede o sinal AC cie alta tensão e sim um sinal DC proporcionai a este, o que não permite medir transitórios. Diferentemente, a presente invenção mede o sinal AC de alta tensão d forrri instantânea e transitórios. Além disso, a presente invenção, mantém, as características de alta precisão e imunidade à interferência eletromagnética .

[008] C documento BR.2Q1104421 refere-se a um dispositivo sensor óptico contendo uma única rede de Bragg e ura sistema de interrogação para rnonitora ento d tensão elétrica em linhas de transmissão e redes de distribuição de energia elétrica. Entretanto, entre as características negativas de sua descrição, pode-se ressaltar a fonte de laser quê precisa ser ajustada por temperatura; a medida de campos elétricos ^e não tensões, acarretando perda de imunidade eletrotnagnética; rator de escala insatisfatório, pois caso a fonte de luz varie sua intensidade, o sinal de saída é alterado e insatisfatória resposta a transitórios.

[009] Tendo em vista as deficiências do estado da técnica, a presente revelação busca solucionar os problemas encontrados no campo da invenção, propondo um Módulo sensor óptico e sistema de interrogação que têm co o principal diferencial a não necessidade de utilização de um transformador indutivo na sa da de seu divisor capacitivo. Além disso, pode-se ainda mencionar que o divisor capacitivo da presente invenção, tem duas funções especiais: i baixar a tensão aplicada externamente em seus eletrodos através da divisão capacitiva; e ií) aplicar a tensão á dividida a um material piezoelétrico que tem uma FBG fixada a ele. Essa FBG, que atua co o sensor de deformação mecânica, é a responsável pela recepção e envio da informação da tensão medida na forma de sinal óptico modulado pela deformação mecânica do material piezoelétrico ao qual ela é fixada.

Breve Descrição da Invenção

[010] A present invenção refere-se a um Módulo sensor óptico (.100} e sistema de interrogação (200) em qu-e:

[011] O Módulo sensor óptico (100) compreende:

- um divisor capacitivo (7) que compreende uma FBG (5a) at.uador.es piezoelétrícos (6); e

f 012] O sistema de interrogação (200) compreende:

- uma fonte de luz SLE (1);

fibras ópticas monomodo (2) para interligação do circuito óptico, em que:

- fibra óptica monomodo (2a) guia o feixe de luz até o amplificador de transimpedáncia (17a); ~ fibra óptica monomodo (2b) guia o feixe de luz até o amplificador de ans impedância (17b) ;

- ura circulador óptico (3) ;

- um. acoplador óptico (9)

- uma FBG (5b);

- um. atuador piezoelétrico multic^madas monolítico (12) ;

- dois amplificadores de t ans mpedância (17a e 17b);

- um xnicrocontrolador (18);

- um conversor digitai-anaíógico (19);

- um amplificador buffer (20);

- um amplificador DC (21) .

Breve Descrição das Figuras

[013] A figura la é um diagrama esquemático do funcionamento do Módulo sensor óptico (100) e sistema de interrogação (200) da presente invenção.

[014] A figura 1b é uma vista em corte do divisor capacitivo (7 ) .

^' [015] A figura 2 é uma representação em corte do divisor capacitivo (7) do Módulo sensor óptico (100) da presente invenção, ressaltando a direção de polarização dos atuadores piezoelétrí cos (6) que o compõem.

[016] A figura 3 é uma representação esquemática em corte de uma fibra óptica monomodo (2) com uma FBG gravada em seu núcleo .

[017] A frgura 4 é uma representação gráfica do perfil de reflexão típico de uma FBG.

Descrição Detalhada da Invenção

[018] A presente invenção refere-se a ura Módulo sensor óptico (10 ^Q ) e sistema de interrogação (200), em que:

[019] 0 Módulo sensor óptico (100) compreende : - um divisor capacit o · (7) que compreende uma FBG (5a) e atuadores piezoelétricos (6); e

[020] O sistema de interrogação (200) compreende:

- uma fonte de luz SLED (1) ;

- fibras ópticas monomodo (2) para interligação do circuito óptico, em que:

- fibra óptica monomodo (2a) guia o feixe de luz até o amplificador de transimpedância (17a);

- fibra óptica monomodo (2b) guia o feixe de luz até o amplif.ica.dor de transimpedância (17b) ;

- um. circulado óptico (3) ;

- um acoplador óptico (53);

- uma FBG (5b) ;

- um atuador piezoelétrieo muiticamadas monolítico (12) ;

- dois amplificadores de transimpedância (17a e 17b) ; mic ©controlador (18) ;

- um conversor digital-anaiógico (19) ;

~ um amplificador buffer (20) ;

- um amplificador DC (21) .

[021] Ά forma como os elementos componentes desta invenção funcionam em conjunto poderá ser mais bem entendida observando a figura 1, que é um diagrama esquemático do funcionamento do Módulo sensor óptico (100) e sistema de interrogação (200) .

[022] A fonte de luz (SLED) (1), do Inglês Super1wtxne&cent Líght Emitting Diode, emite um feixe de luz que è guiado através de uma fibra óptica monomodo (2) até o circulador óptico (3), onde entra no sistema através da porta 1 do mesmo circulador óptico (3) .

1023] O .feixe de luz emitido a partir da fonte de Luz (SLED) (1) é, então, transmitido pela porta 2 do circuiador óptico (3) e é guiado através da fibra óptica monomodo (2) até atingir a FBG (5a) , que se encontra inscrita no núcleo da fibra óptica monomodo (2) . Especificamente neste ponto, a fibra óptica monomodo (2) é fixada na parte interna do divisor capacitivo (7) do Módulo sensor óptico (100) .

[024] O divisor capacitivo (?) , por sua vez, é constituído por atuadores piezoelétrices (6) com eletrodos nas faces, preferencialinente em forma de anel ligados em série de forma que o comprimento total do empilhamento seja igual ou superior ao comprimento físico da FBG (5a) .

[025] Na presente. invenção esses atuadores piezoelétricos (6) possuem formato anelar, mas é necessário frisar que a geometria desses elementos não está restrita a esse tipo de formato, É importante que esses elementos possuam a mesma geometria e mesmo material de construção, para que a divisão da tensão seja a mais equilibrada possível e para garantir que variações de temperatura influenciem igu ^' aIntente na capacitâncía de cada elemento, já que o coeficiente térmico d capacitâncía dos elementos é o mesmo neste caso.

[026] Além disso, a FBG (5a) é fixada longitudinalmente na direção de polarização do material piezoelét rico dos atuadores piezoelétricos (6), isto é, na direção do coeficiente piesoeiétrico d;3, conforme ilustrado detalhadamente na Figura 2. Os atuadores piezoelétricos (6) são confeccionados a partir de uma liga de titanato zirconato de chumbo (PZT) .

[027] A deformação mecânica provocada nos atuadores piezoelétricos (€), devido ao campo elétríco externo aplicado, é dada equação 1:

ε-ά ₃₃ eq, (1)

onde ε é a deformação mecânica, que é definido como ε ^~ Ah/ do material (onde L (Figura 2) é a espessura de cada atuador piezoelétrico (6) que compõe o divisor capacitivo (7) ; ds3 é o coeficiente piezoelétrico na direção de polarização do material, e E é a amplitude do campo elétrico a licado .

[028] A amplitude do campo elétrico aplicado a ura material piezoelétrico deve ser menor que o cam o de despolarização, que varia de acordo com a composição do material, e depende da sua direção de polarização.

[029] Na Figura 2 é mostrada a direção de polarização dos atuadores piezoelétricos (6) utilizados. Para a maioria das cerâmicas PZT, o campo elétrico não deve ultrapassar 2 kV/mm na direção de polarização, e 400 V/mm no sentido contrário à direção de polarização. Para a aplicação de campos alternados, portanto, fica- se limitado ao menor valor .

[030] Na presente invenção, o divisor capacitivo (7) é composto de dez ou mais atuadores piezoelétricos (6) com 5,0 .mm de espessura, o que possibilita a aplicação de até 2 kV de pico em cada elemento, e 2Q kV de pico no total, o que mostra que a invenção está apta a medir tensões de pelo menos 13, 8 kVrms , sem a necessidade, de acoplamento com um divisor capacitivo de um transformador de potencial (IP) capacitivo convenciona1.

[031] Na presente invenção, o nível de tensão máximo que pode ser medido fica limitado ao campo elétrico máximo que pode ser aplicado ao material piezoelétrico que constitui os atuadores piezoelétricos (6), e à espessura total do divisor capacitivo (7) . 0 divisor capacitivo (7) deve ter uma espessura total igual ao comprimento f ísico da FBG (5a) . Por questões técnicas intrínsecas às cerâmicas piezoelétricas, recomenda-se a aplicação de ura campo elétrico máximo de 400 rms inm a este tipo de material. Portanto, um divisor capacitivo (7) constituído de 10 atuadores piezoelét icos (6) com espessura, de 5,0 mm caca, por exemplo, resulta numa espessura total de 50, 0 mm, c que possibilita a medida direta de 14,1 kV _rm3 . Mas é importante enfatizar que a invenção proposta não se restringe a esse nível de tensão, pois o empilhamento de 100 atuadores piezoelétricos (6) com espessura de 8,0 mm cada, por exemplo, possibilita a medida direta de 320 k _r - _s , e assim por diante.

£0323 O fato de a FBG (5a) estar fixada exatamente na direção de polarização do material, significa que ela está sujeita à .mesma deformação do material quando este estiver sob a ação de um campo elétríco aplicado.

[0333 Quando o feixe de lu2 transmitido pela fibra óptica monomodo (2) chega até a FBG (5a), uma parte cia luz é refletida e outra é transmitida, conforme ilustrado esquematicamen e na Figura 3.

[034] O feixe de luz refletido possuí características espectrais bem definidas, das quais as principais são As, comprimento de onda de Bragg, e perfil de reflexão, conforme ilustrado na. Figura 4.

[035] O λ _Β de uma FBG é sensível a variações de. temper tura e estresse mecânico impostas a ela. A equação que descreve esse comportamento é : onde k « 0,78: é chamado fatcr tensão-óptico e depende do _. material de que é fabricada a fibra óptica; £ _m é a deformação imposta à FBG; <¾ é o coeficiente de expansão térmica do substrato ao qual a FBG está fixada; α.δ ^' - <¾ + «Λ, onde _n e <Xn são os coeficientes de expansão térmica da fibra óptica e o coeficiente termo-óptico, respectivamente, coro:

«. - 8,6 x 10"- K ^*1 , e Ολ - 0,55 * 10 ^{~ 6} Κ~'- , e ΔΤ é a variação de temperatura absoluta.

[0361 O feixe de luz refletido pela FBG (5a) é então guiado de volta pela fibra óptica monomodo (2) até o circulado óptico (3) , onde entra através da port 2 e é retransmitida peia porta 3 através da continuação da fibra óptica monomodo (2) para a porta 1 do acoplador óptico (95 -

[037] O acoplador óptico (9) possui 4 portas, é bidirecional, e possui razão de divisão 50/50. Embora o sistema de interrogação possa se adaptado para qualquer razão de divisão. Dessa forma, o sinal que entra pela port 1 é enviado com metade de sua potência para cada urna das portas 2 e 4. Apesar disso, o sistema de interrogação (200) proposto é adaptável a qualquer razão de divisão deste component .

[038] O feixe de luz que sai peia porta 2 do acoplador óptico (9) é enviado através da fibra óptica monomodo (2) para a FBG (5b} _: que se encontra inscrita no núcleo da fibra óptica. Na região onde se encontra a FBG (5b), a fibra óptica é fixada sobre a superfície do atuador piezoelét rico •multicaroadas monolítico (12) . É necessário que as FBGs (5a ^• e 5b) utilizadas possuam aproximadamente o mesmo Xe, dentro da tolerância especificada pelo fabricante e dentro da faixa de operação da fonte de luz SLED (1), para que o funcionamento se dê adequadamente .

[039] O feixe de luz que chega até a FBG (5b) corresponde: ao feix de luz refretido pela ^" FBG (5a), cora metade de sua po ência .

[040] Já o feixe de luz refletido peia FBG (5b) e guiado através da fibra óptica monomodo (2), por sua vez, corresponde à convolução dos perfis de reflexão de arribas FBGs (5a e 5b) . Esse feixe de luz retorna para o acoplador •óptico (9) , entrando pela porta 2 e sendo transmitido, com metade de sua potência óptica, pela porta 3. Esse feixe é então guiado através da fibra óptica monomodo (2a) até o interrogador (15) . De forma análoga, o feixe de luz proveniente da fibra óptica (2) que entra pela porta 1 do acoplador óptico (9) é também transmitido, com metade da. sua potência óptica original, pela porta 4 através da fibra óptica monomodo (2b) para o interrogador (15) .

[0413 Quando o divisor capacitivo (7) da presente invenção está ligado a uma fonte de alta tensão AC com amplitude e frequência bem definidas, os atuador s piezoelé ricos (6) estão sob um campo elétrico senoidal, o que provoca alterações dimensionais em sua geometria, devido à ação do efeito piezoe tétrico inverso. Como a FBG (5a) está rigidamente fixada no corpo: dos atuadores piezoelétricos (6), ela também está sujeita às mesmas variações dimensionais, o que faz com que seu Às seja deslocado proporcionalmente à variação da tensão elétrica aplicada.

[042] No caso da aplicação de uma tensão senoidal no divisor capacitivo (7), há uma variação senoidal no λ% da FBG (5a): e, como consequência, uma variação senoidal é verificada na convolução, na mesma frequência da tensão a licada .

{043] Dessa forma, quando o Módulo sensor óptico (100 ⁾ e sistema de interrogação (200) está monitorando uma fonte de alta tensão AC, o sinal óptico de convolução entre a as FBGs (5a e 5b) possui uma componente DC e outra AC.

(044] A componente DC corresponde ao nível médio de convolução, entre os perfis de reflexão de ambas FBGs {5a e 5b) .

[0 5 ] A componente AC corresponde à oscilação do nível de convolução devido à excursão do Ae da FBG (5a) pela ação do campo elétrico nos atuadores píezoelét ricos (6) .

[046] No interrogador (15), o sinal óptico que chega através da fibra óptica monomodc (2a) é convertido em sinal elétrico por um fotodiodo e amplificado peio amplificador de transimpedância (17a) . Da mesma forma, o sinal óptico que chega através de uma segunda fibra óptica monomodc (2b) é convertido em sinal elétrico por outro fotodiodo e amplificado por um segundo amplificador de transímpedânçia (17b) . Esses: sinais são enviados na forma de níveis de tensão para o microcont rolador (18) que possuí um conversor analógico-digitai interno, onde um programa verifica continuamente as entradas deste conversor.

[047J As com onentes AC e DC do sinal de convolução proveniente da fibra óptica monomodo (2a) , são separadas com a implementação de um filtro digital notch, que atenua quase completamente os sinais na frequência da rede elétrica, que permite a total separação da componente AC do nível médio de convolução. Esse filtro é implementado e executado pelo programa instalado no microcontrolador (18) .

[048 J Os sinais que chegam através dos dois amplificadores de trans impedância (17a e 17b) são verificados- continuamente dentro de uma rotina de controle, cu a função é manter o nível médio de convolução num ponto de trabalho constante, 0 controle é efetuado através da cadeia: Microcontrolador S) -→ Conversor Digita -Analógico

(19) - Amplificador Buffer (20) - amplificador DC (21) → Atuador Piezoelétrico Multicamadas Monolítico (12) , como ilustrado no diagrama da Figura 1.

[049] O controle acima mencionado é realizado da seguinte forma: a média do nível de tensão proveniente do amplificador de trans impedância (17a) é comparada pelo programa era execução no microcontrolador (18) com um determinado valor constante. Se o valor médio de convolução estiver acima ou abaixo desse valor, o controle deve atuar para a sua correçao. Para isso, o. programa envia comandos para o conversor digital-analógico (19), que converte os níveis digitais de tensão informados pelo microcontrolador

(18) para níveis analógicos de tensão. Ma sequência., esses níveis de tensão passam pelo amplificador buffer (20) para a sua adequação para as entradas do amplificador DC (21), que é responsável pela alimentação do atuador piezoelétrico multicamadas monolítico (12) .

[050] O atuador piezoelétrico multicamadas monolítico

(12) é responsável pela apli ação de deformação mecânica na FBG (5b) através da cola. A, FBG (5.b) sofre deformação longitudinalmente e a direção da deformação (estiramento ou compressão) depende de o sinal da tensão elétrica aplicada no atuador piezoelé rico ser positivo ou negativo. Ao sofrer uma deformação mecânica, a FBG (5b) tem seu espectro de reflexão ^: deslocado em relação ao espectro de reflexão da FBG (5a) , fazendo com que o nível de convolução entre ambos seja alterado .

[051] Era seguida, o programa volta a fazer a aquisição dos sinais de tensão provenientes do amplificador de transimpedância (17a) nas entradas do conversor anaiógico- digítal interno do microcontrolador (18), em seguida a comparação com o valor de referência é novamente feita e assim a malha de controle é realintentada continuamente, garantindo que o nível de convolução entre as FEGs (5a e 5b) seja mantido constante.

[052J Os sinais ópticos guiados através da fibra óptica onomodo (2b) são utilizados pelo programa em execução no microcontrolador ^' (18) para verificação da potência óptica que chega até a FBG (5b) . Com isso, o interrogador (15) avalia se uma determinada variação na potência óptica é devida a uma alteração na tensão medida no Módulo sensor óptico (100), ou se é devida a uma flutuação na potência óptica da fonte de luz SLED (1), o que poderia interferir na qualidade da medida fornecida.

[053] Quando o sistema é ligado, o programa em execução no microcontrolador (IS) dá início à varredura da FBG (5b) através da aplicação de níveis DC de. tensão no atuaclor píezoelétrico multicamadas monolítico (12) . Isso faz co que o perfil de reflexão dessa FBG (Sb) seja deslocado em relação ao ponto médio do perfil de reflexão da FBG (5a) , que se encontra sob efeito de deformação mecânica senoidal aplicada peio anel píezoelétrico dentre os atuadores piezoelétricos ( 6 ) -

[054] A faixa de varredura da FBG (5b) depende da máxima tensão DC aplicável ao atuador píezoelétrico multicamadas •monolítico ( _. 12) e deve ser tal que possibilite a varredura completa do perfil de reflexão da FBG (5b) em relação ao da FBG (5a) , obtendo assim a curva completa de convolução entre elas .

[055] Em seguida, o perfil de reflexão da FBG (5b) é levado, através da aplicação de tensão DC no atuador piezoeiétrico muiticamadas monolítico (12), até um ponto em. que o nível de convolução é óti o, baseado em critérios de mínima distorção harmónica e máxima linearidade de resposta do Módulo sensor óptico (100) e sistema de interrogação (200) da present invenção.

X 056] Na sequência, entra em operação uma rotina de controle cuja função é manter o nível de convolução nesse ponto. Na prática, isso significa que, quando o Módulo sensor óptico (100) estiver em. ambientes com grande amplitude térmica, a FBG (5a) estará sujeita também às variações correspondentes em seu λ;? médio. Para que a medida de alta tensão não sofra qualquer influência nesse caso, o sistema de interrogação (200) faz com que a FBG (5b) siga a FBG (5a), de forma a compensar automaticamente as variações de temperatura a que o Módulo sensor óptico (100) estiver .sujeito .

[057] Finalmente, o interrogador (15) exibe, através de urna interface nomem-máquín , as principais características da medida realizada, co o valor RMS de tensão e distorção harmónica, do sinal.

[058] Outra importante característica do Módulo sensor óptico (100) e sistema de interrogação (2Ό0) da presente invenção é que ele pode ser usado ambém na medida de altas tensões DC, visto que o interrogador (15) é naturalmente capaz de interrogar níveis DC e AC cie convolução entre as FBG-5 (5a e 5b) ^: , e a configuração atual da presente invenção já permite esse tipo de medida.