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SENSOR A FIBRA ÓPTICA LPG APLICADO Á LINHA DE TRANSMISSÃO DE ENERGIA
LEANDRO SOUZA, ÍTALO ALVARENGA, DANIEL D. SILVEIRA, THIAGO V. N. COELHO, ALEXANDRE S. BESSA
Laboratório de Fotônica e Optoeletrônica, Departamento de Circuitos Elétricos, Universidade Federal de Juiz
de Fora. Rua José Lourenço Kelmer, s/n Campus Universitário, Bairro São Pedro, CEP:36036-900, Juiz de
Fora-MG
E-mails: [email protected],
[email protected], [email protected],
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Abstract This work develops an optical sensor system with the purpose to accomplish an estimation of the electrical current at power transmission line systems. Initially an electrical current estimator based on a LPG optical sensor combined with an optical
sensor taper attached to the power line scale model was accomplished.
Keywords Electrical current, Long Period Grating, optical sensor.
Resumo Este trabalho desenvolve um sistema sensor óptico com o propósito de obter uma estimativa da corrente elétrica em
sistemas de linha de transmissão. Inicialmente um sensor elétrico de corrente baseado em um sensor óptico LPG combinado com
um sensor óptico em forma de taper colocado junto ao modelo em escala de linha de transmissão foi desenvolvido.
Palavras-chave Corrente elétrica, Grade de Período Longo, sensor óptico.
1 Introdução
Smart Grid é um termo geral associado a um
grupo de soluções capazes de prover inteligência as
linhas de transmissão em termos de análise,
monitoramento, controle e capacidade de
comunicação em sistemas de energia. Estas
capacidades são responsáveis por um novo paradigma
na estrutura do sistema de transmissão de energia
elétrica. Nesta nova abordagem, o desenvolvimento
de uma rede de sensores ópticos é crucial no
monitoramento dos parâmetros da linha de
transmissão. Estes sensores necessitam trabalhar em
ambientes com elevada irradiação eletromagnética o
que podem ocasionar alto nível de interferência em
sensores tradicionais. Posto isso, os sensores em fibra
óptica se apresentam como soluções naturais a este
tipo de cenário (Higueira, 2002 e Silva 2012), pois são
capazes de realizar medidas em tempo real sem
experimentar degradação da performance devido a
radiação eletromagnética das linhas de potência
(Vengsarkar, 1996 e Kher, 2011)
Os sensores em fibra óptica podem ser utilizados
no monitoramento de parâmetros físicos e ambientais
tais como: temperatura, corrente elétrica,
deslocamento mecânico, tensão elétrica, pressão,
entre outros. Os sensores ópticos de corrente elétrica
possuem um número considerável de vantagens em
relação a tecnologias mais convencionais como os
transformadores de corrente e sensores por efeito Hall.
A medida que as exigências sobre o desempenho dos
sensores de corrente elétrica crescem, a investigação
de novas soluções assume grande importância. Tendo
como ponto de partida as conhecidas vantagens dos
sensores em fibra óptica, tem sido realizado um
esforço considerável para a viabilização deste tipo de
sensores aplicados à medição de parâmetros elétricos.
Devido às características intrínsicas da fibra óptica, a
sua utilização como elemento sensor ou simplesmente
como meio de transmissão da informação do
mensurando, permite um isolamento elétrico e uma
imunidade a interferências eletromagnéticas. Desta
forma os sensores ópticos permitem a medição de
corrente em ambientes extremamente agressivos, com
campos magnéticos e tensões elétricas muito
elevados.
Os sensores a fibra óptica utilizados neste
trabalho para a medição da corrente elétrica fazem uso
do efeito magneto-óptico de Faraday (Yoshino, 2003
e Arikawa 2012). Este efeito é responsável pela
rotação da polarização de um feixe de luz linearmente
polarizado que percorre a fibra óptica, quando esta é
colocada sob a influência de campos magnéticos.
A detecção da alteração do estado de polarização
é feita por mecanismos polarimétricos ou
interferométricos (Dan-feng, 2013). De uma forma
geral, os sensores de corrente elétrica em fibra óptica
são formados por um enrolamento de fibra colocado
em torno do cabo condutor que transporta a corrente a
medir.
Devido ao efeito de Faraday, o campo magnético
criado pela passagem da corrente elétrica provoca a
rotação do plano de polarização da luz que percorre
esse enrolamento. Assim, a análise do plano de
polarização da luz à saída do enrolamento permite
calcular o valor da corrente elétrica. Nestes sensores,
o efeito simultâneo da birrefringência intrínseca e
extrínseca, que são caracterizadas pela não
uniformidade e tensões externas à fibra, diminui a
sensibilidade e dificulta a correta medição da corrente
elétrica.
Neste trabalho, um sensor em fibra óptica
aplicado na medição da corrente elétrica foi
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desenvolvido e fabricado no laboratório de
Optoeletrônica e Fotônica da UFJF, capaz de
minimizar os efeitos da birrefringência em relação a
orientação do plano de polarização do sinal e
consequentemente aumentar a sensibilidade da
medição da corrente elétrica. Esse sensor utiliza
também o efeito Faraday como princípio ativo, porém
uma nova montagem foi implementada, inserido
novos componentes e dispositivos. A grande
vantagem desta montagem é o aumento da sua
sensibilidade devido a presença de um par de imãs
combinado à fibra e estes colocados juntos a linha de
transmissão construída no laboratório. Outro
parâmetro analisado foi a deformação na linha de
transmissão onde os sensores a fibra óptica também
foram utilizados.
2 Metodologia
Primeiramente foi construído no laboratório um
modelo de linha de transmissão reduzido para os testes
com os sensores a fibra óptica para a medição da
corrente elétrica. Duas diferentes fibras ópticas foram
utilizadas como sensores: a própria fibra óptica
normal e uma fibra óptica marcada conhecida como
Grade de difração.
A ideia de utilizar as duas fibras como sensores é
verificar se ambas são sensíveis utilizando-as no novo
setup. Isto porque, utilizando a fibra marcada com a
grade de difração, conhecida como LPG (long period
grating), será possível com o mesmo sensor medir a
corrente elétrica e outro parâmetro na linha como sua
deformação mecânica. Neste caso, o sensor a fibra
LPG irá combinar os efeitos da polarização para a
medição da corrente elétrica e os efeitos de
deformação física da fibra para a medição de
parâmetros como a catenária na linha de transmissão.
Neste trabalho apresentamos também alguns
resultados envolvendo os sensores LPG para
deformação física na linha de transmissão, a fim de
comprovar sua eficácia para esta aplicação.
As grades de difração se baseiam na modulação
periódica do índice de refração no núcleo da fibra
através de processos de fotossensibilização
(Vengsarkar, 1996 e Coelho, 2013). Dois tipos de
grades de difração possuem grande destaque, são elas:
As grades de Bragg FBG (Fiber Bragg Gratings) e as
LPGs (Long Period Grating).
As LPGs são um tipo de grade de difração que
operam realizando o acoplamento de energia entre o
modo fundamental de núcleo e os n diferentes modos
evanescentes de casca. Estes dispositvos apresentam
algumas vantagens e desvantagens em relação as
FBGs.
Uma vantagem é que o custo de fabricação é
menor, devido as menores restrições mecânicas no
processo de fotossensibilização do núcleo, pois o
período de modulação do índice de refração das
mesmas é consideravelmente maior, da ordem de
centenas de micrometros até 1mm. Outra vantagem
significativa é que a condição de casamento com a n-
ésima ordem do modo de casca é função do índice de
refração efetivo do núcleo, da periodicidade da
modulação tal qual nas FBGs, mas também depende
do índice de refração efetivo do modo de casca que
por sua vez depende do índice de refração externo.
Assim as LPGs são bastante susceptíveis as mudanças
físicas ocorridas no meio que a rodeia.
A desvantagem deste tipo de sensor é que o
mesmo trabalha em transmissão, ao contrário da FBG
que trabalha em reflexão, sendo necessário analisar a
rejeição de potência no comprimento de onda de
casamento de fase o que pode levar a níveis de
potência baixos.
Neste trabalho foram desenvolvidos e fabricados
sensores em fibra óptica com intuito inicial de utilizá-
las na medição da corrente elétrica fibras normais
padrão e fibras escritas com LPGs (Long Period
Gratings - LPG).
Diversos sensores a fibra foram confeccionados e
testados no modelo reduzido de linha de transmissão
construído no laboratório. A medição da corrente
elétrica na linha de transmissão foi realizada
comparando e analisando a reposta destes diferentes
sensores ópticos. Foi colocado junto a linha de
transmissão, conforme indica a figura 1, um
dispositivo contendo um par de imãs, ligados ao
sensor a fibra através de um encapsulamento, no qual
o efeito do campo magnético dos imãs era alterado
pela magnitude da corrente circulante na linha de
transmissão. Foram testados os dois tipos de sensores,
fibra normal e LPG, no setup proposto e apresentado
na figura abaixo. Ressaltando que medições
envolvendo a deformação mecânica da linha de
transmissão construída no laboratório também foram
realizadas.
Figura 1. Setup utilizado na medição da corrente elétrica a partir do sensor a fibra encapsulado proposto.
Todas os sensores LPGs utilizados neste trabalho
foram fabricadas no laboratório através da técnica de
escrita ponto a ponto baseado em arco-elétrico, a
figura 2 mostra a máquina de inscrição e algumas
LPGs fabricadas. Um conjunto de grades com
diferentes espectros foram fabricados alternado-se
alguns parâmetros tais como número de marcações,
tempo e intensidade de arco, além do período de
modulação.
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Figura 2: maquina de confecção dos sensores e as fibras ópticas
com as marcações (LPG´s).
3 Resultados
Sobre os sensores LPGs, sabe-se que a condição
de casamento de fase entre o modo propagante de
núcleo e os m diferentes modos de casca é encontrado
através da resolução das equações de modos
acoplados (Vengsarkar, 1996) . Quando o peril de
modulação do índice de refração do núcleo é periódico
com perfil senoidal a relação do comprimento de onda
acoplado para o m-ésimo modo de casca é governado
pela seguinte relação:
𝜆 = (𝑛𝑐𝑜𝑟𝑒 − 𝑛𝑐𝑙𝑎𝑑𝑚 )Λ (1)
A sensibilidade de uma LPG em relação ao
esforço mecânico pode ser encontrado diferenciando
a equação (1), assim se encontra a seguinte relação:
𝑑𝜆
𝑑휀=
𝑑𝜆
𝑑(𝛿𝑛𝑐𝑜𝑟𝑒)(𝑑𝑛𝑐𝑜𝑟𝑒
𝑑휀−
𝑑𝑛𝑐𝑙𝑎𝑑𝑚
𝑑휀) + 𝛬
𝑑𝜆
𝑑𝛬 (2)
onde λ é o comprimento de onda,ε é a deformação
mecânica em microstrain, neff é o índice de refração
efetivo do núcleo, nclad é o índice de refração efetivo
da casca , δneff = (neff –ncl) e Λ é o periodo de
modulação do índice de refração do núcleo da LPG.
O gráfico da curvatura, apresentado na figura 3,
foi realizado posicionando a fibra óptica sobre dois
fixadores localizados nas extremidades da linha de
transmissão, deixando a rede no centro dos suportes e
sem torção. Quando uma curvatura é aplicada à rede,
as mudanças no comprimento de onda são causadas
pelo deslocamento vertical da linha (LV) como mostra
a figura 1, responsável por alterações no período da
rede.
Figura 3: Gráfico da curvatura aplicada a fibra LPG pela linha de
transmissão e sua consequente variação Vertical, catenária
O deslocamento vertical da fibra ocorre de sua
posição esticada (raio de curvatura infinito) até a
situação de curvatura em questão, sendo L0 o
comprimento efetivo da fibra onde ocorre a curvatura.
O raio de curvatura é obtido por 1/LV. Dois fixadores
foram posicionados nas extremidades do
comprimento efetivo da fibra.
No caso dos sensores ópticos aplicados na
medição da corrente elétrica, a tecnologia óptica está
em constante estágio de desenvolvimento. A natureza
dieléctrica dos sensores ópticos reduz a necessidade
de isolamento em alta tensão. A maioria das
configurações baseia-se no efeito de Faraday: uma
birrefringência circular induzida no meio pela
presença de um campo magnético H G, que se traduz,
para polarização linear, numa rotação do plano de
vibração por um ângulo θ dado por:
𝛳 = 𝑉 ∫ �⃗⃗� ∙ 𝑑𝑙⃗⃗ ⃗ (3)
onde V é a constante de Verdet e l o comprimento do
meio. Na figura 1, a configuração utilizada para a
medição da corrente elétrica que passa pelo modelo
em escala de linha de transmissão é mostrada. Na
montagem, uma fibra normal e uma fibra marcada
com LPG, juntamento com o par de imãs e o
encapsulamento, são utilizadas como sensores.
O campo magnético ao qual a fibra foi submetida
neste experimento, foi proposto a partir da
sobreposição de imãs ao modelo em escala da linha de
transmissão, assim, aumentando-se a sensibilidade do
sensor. Para a distância de 5 mm os gradientes de
campo gerados pelos ímãs cilíndrico e retangular são
semelhantes, tendo uma variação mais acentuada
quanto a distância aumenta. Assim a 20 mm de
distância o gradiente de campo gerado pelo ímã
cilíndrico é de 35 T/mm enquanto o gerado pela ímã
retangular é de 50 mT/mm. Note que estes gradientes
se dão entre valores de campos diferentes, ou seja, o
sensor vai estar num ponto de operação diferente.
Os resultados apresentados na figura 4 mostram o
quanto a sensibilidade foi aumentada com a utilização
do setup proposto, ou seja, com o sensor encapsulado.
Pode-se observar as variações em dB para os sensores
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a fibra sem e com a utilização do encapsulamento com
os imãs. Outra observação importante diz respeito aos
resultados obtidos com os sensores LPG agora
aplicados para a medição da corrente. Como
apresentado, os sensores encapsulados com a fibra
LPG apresentam sensibilidades muito próximas às
obtidas comos sensores encapsulados com a fibra
normal, assim, estes podem ser usados como
medidores de corrente combinado à outro parâmetro,
como deformação no cabo. Este estudo já está sendo
realizado e os resultados iniciais comprovam sua
eficácia.
Figura 4: Gráfico da potência óptica recebida versus a corrente
elétrica no modelo de linha de transmissão para as diferentes
montagens de sensores
4 Conclusão
Pode-se concluir que a sensibilidade do setup
proposto, sensor encapsulado, é bem superior aos
sensores convencionais a fibra. No exemplo
apresentado, onde as correntes elétricas analisadas
estavam próximas a 1 ampere, o sensor convencional
não era capaz de medir. Estes sensores convencionais
a fibra são utilizados para medição de correntes
elétricas de alta magnitude. Sendo assim, utilizando o
setup proposto, consegui-se medir valores de corrente
elétrica próximas a 1 ampere. Outra observação
importante diz respeito às curvas obtidas a partir do
sensor encapsulado com fibra normal e fibra LPG. As
sensibilidades de ambos os sensores encapsulados
estão muito próximas. Também foram realizados
estudos da catenária da linha de transmissão
empregando sensores LPG. A partir destes estudos e
através dos resultados obtidos neste trabalho, está
sendo desenvolvido um sensor encapsulado a fibra
LPG capaz de medir simultaneamente parâmetros
como a corrente elétrica e a deformação mecânica,
catenária, da linha de transmissão.
Agradecimentos
Agradecemos o apoio da Universidade Federal de Juiz
de Fora/PROPESQ e da FAPEMIG.
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