XXII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica SENDI

XXII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétri
SENDI 2016 - 07 a 10 de novembro
Curitiba - PR - Brasil
Hugo Nazareno de Souza Cardoso Centrais Elétricas do Pará S/A
[email protected]
Guilherme Matias de Medeiros
Centrais Elétricas do Pará S/A
[email protected]
Lucas Pinheiro de Moura
Centrais Elétricas do Pará S/A
[email protected]
Glendo de Freitas Guimaraes
Centrais Elétricas do Pará S/A
[email protected]
João Isaac Silva Miranda
Centrais Elétricas do Pará S/A
[email protected]
Waleska Feitoza de Oliveira
Centrais Elétricas do Pará S/A
[email protected]
Paulo Victor Ferreira Pinto
Centrais Elétricas do Pará S/A [email protected]
Protótipo de equipamento óptico para medição da corrente elétrica de uma linha de distribuição in loco
utilizando Efeito Faraday.
Palavras-chave
Corrente Elétrica
Efeito Faraday
Linhas de Distribuição
Sensores Ópticos e Optoeletrônicos
Resumo
O acompanhamento dos valores de corrente elétrica em linhas de distribuição por parte das
concessionárias de energia elétrica é indispensável para manter a qualidade do serviço, a prevenção de perdas
e a eficiência energética em tais companhias. Dessa maneira, com a crescente demanda por eficiência
energética e a imposição de diversas leis por parte dos governos, as empresas do setor elétrico tem procurado
equipamentos que auxiliem na obtenção dos parâmetros necessários para melhor gestão das redes de
distribuição e um sensor que monitore a corrente elétrica de uma linha in loco é de grande interesse. Esse
trabalho apresenta um medidor de corrente elétrica para linhas de 13,8 KV que opera de maneira fixa e envia as
informações à companhia elétrica via rede GPRS.
1. Introdução
Monitorar a corrente e a voltagem em sistemas elétricos, tais como, subestações, linhas de transmissão e
distribuição, linhas de potência é tarefa importante por razões de tarifação, controle de consumo e proteção da rede
elétrica (Reilly, J. Willshire, Fusiek, Niewczas, & R. McDonald, 2006), (M. Silva, et al., 2012) e (Werneck & Souza
Abrantes, 2004) e, devido aos altos valores de corrente e tensão (até 2KA e 69KV), é necessário que esse
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monitoramento seja realizado à uma distância segura ou por um equipamento fixo à linha.
Nas últimas duas décadas, sensores baseados em transdutores ópticos tem despertado interesse em uma grande
variedade de setores, tais como, setor elétrico, militar, biomédico, mecânico, e impulsionado a pesquisa científica nessas
áreas de interesse (W. Domanski, 1997) e (Jr., Malewski, & Cassidy, 1977). Sensores ópticos possuem uma série de
vantagens sobre técnicas convencionais de sensoriamento (M. Silva, et al., 2012), o que os tem tornado especialmente
importantes em ambientes adversos, como sistemas elétricos de potência (Werneck & Souza Abrantes, 2004). Devido
às características de alta classe de isolação, alta durabilidade e segurança nas medidas, sensores ópticos são
interessantes para o setor elétrico, pois trata-se de um ambiente adverso e os equipamentos a operar nesse ambiente
devem possuir robustez e durabilidade. Além de sensores ópticos, várias técnicas de medição de corrente já são
amplamente utilizadas. Dentre elas é possível citar os sensores transformadores de corrente (CTS) e os alicates
amperímetros. Sensores CTS possuem a desvantagem de apresentar a necessidade de desligamento da linha para sua
instalação (Galliana & Capra, 2012). Já os alicates amperímetros não devem ser utilizados em ambientes de alta tensão,
pois possuem baixa classe de isolação (Galliana & Capra, 2012).
O presente trabalho descreve um sensor de corrente baseado em um transdutor totalmente óptico para aplicação
em linhas de distribuição utilizando o cristal magnetoóptico Terbium Gallium Garnet (TGG) como elemento sensível ao
campo magnético gerado pela corrente passante no fio.
2. Desenvolvimento
2.1. Transdutor Óptico
O transdutor óptico apresentado na figura 1 é baseado em um cristal de Efeito Faraday, fenômeno eletro-óptico
que altera a direção de polarização da luz de acordo com o campo magnético quando um dado material é submetido a
esse campo. Dessa forma, é possível fazer uma relação entre o campo magnético gerado pela corrente passando no fio
da linha de distribuição e a rotação da luz imposta pelo cristal. Um arranjo de polarizadores ópticos, fonte de luz e
receptor óptico (fotodiodo) foi concebido para fazer a análise da rotação sofrida pela luz passante no cristal. Na figura 1
abaixo podemos observar como foi feito esse arranjo.
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Figura 1 – Arranjo óptico e estruturação do transdutor.
O transdutor acima detalhado é conectado à uma placa microcontrolada que faz recepção, tratamento e envio dos
dados para um servidor. A placa é composta de circuito de filtragem e condicionamento do sinal, circuito de amplificação
de sinal, conversor analógico-digital, microcontrolador para recepção e tratamento de dados e módulo GPRS para envio
do sinal.
A configuração transdutor/placa é fixada em uma caixa que faz o suporte do sensor no fio. Além do transdutor e
da placa, uma bateria de 12 V é armazenada no interior da caixa do protótipo, para a alimentação. À caixa é fixada um
painel fotovoltaico para a alimentação da bateria, o que permitirá que o protótipo do sensor possa ser instalado em
localidades remotas. Na figura 2, abaixo, podemos observar o desenho da caixa e como os componentes supracitados
são acomodados no protótipo.
2.2. Protótipo do Sensor.
Figura 2- Visão geral detalhada do protótipo.
A figura acima apresenta em detalhes como é a disposição dos elementos que compõe o protótipo do sensor
remoto de corrente. Na figura 3, abaixo, é possível observar o sensor instalado em um fio com painel fotovoltaico
acoplado.
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Figura 3 – Protótipo do sensor instalado em um fio.
Figura 4 – Instalação do protótipo em uma linha de distribuição da CELPA.
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Figura 5 – Sensor de corrente instalado da linha de distribuição.
2.2. Diagrama de blocos do sistema
Na figura 6 abaixo, pode-se observar o diagrama de blocos do arranjo sistema que compõe o protótipo
apresentado nesse trabalho. A primeira etapa é de entrada do sinal advindo do transdutor, após essa etapa o sinal é
condicionado por um filtro passa-baixa e um amplificador de baixo ruído, a seguir é convertido de analógico para digital
para ser processado pelo microcontrolador. Após os dados serem processados, são enviados através de rede GPRS
para um servidor que exibe as medidas de corrente calibradas em uma página url.
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Figura 6 – Diagrama de blocos do sistema.
3. Resultados
A figura 7 abaixo exibe a curva de resposta do sensor para uma variação de corrente de 0 a 500 A, onde pode-se
observar que o sensor possui resposta linear para essa variação. O sinal observado na figura abaixo é resultado do
circuito condicionador de sinal da placa embarcada no sensor, em relação ao diagrama apresentado na figura 6, é um
sinal coletado entre o circuito amplificador e o conversor A/D.
Figura 7 – Curva de resposta do sensor para uma variação de 0 a 500 A.
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A partir dos dados obtidos pelo circuito condicionador de sinal, é feita uma curva de calibração tendo como base
um sensor de corrente TRUE RMS de alta precisão, onde, a partir da curva de digressão, obtém-se a equação que irá
determinar a corrente em relação à tensão de entrada no microcontrolador.
3. Conclusões
Esse trabalho expõe a implementação de um sensor óptico de corrente elétrica para linhas de distribuição de
energia. Utilizou-se de um transdutor totalmente óptico de alta classe de isolação elétrica em conjunto com um sistema
embarcado que recebe o sinal, trata e transmite para um servidor web localizado na concessionária de energia elétrica,
onde os dados são armazenados e exibidos para o usuário. Tais funcionalidades permitem o acompanhamento em
tempo real do comportamento da corrente elétrica de uma linha de média tensão, possibilitando, assim, uma melhor
gerência do sistema de distribuição de energia por parte das empresas. Em posse desses dados, é possível, também,
fazer controle de perdas, tanto por furto de energia quanto por má qualidade da rede.
4. Referências bibliográficas
de Nazaré, F. V., & Werneck, M. M. (2015). Compact Optomagnetic Bragg-Grating-Based Current Sensor for
Transmission Lines. IEEE Sensors Journal, pp. 100-109. doi:10.1109/JSEN.2014.2337518
Galliana, F., & Capra, P. P. (2012, September). Traceable Technique to Calibrate Clamp Meters in AC Current From 100
to 1500 A. IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, pp. 2512-2518.
doi:10.1109/TIM.2012.2188660
Jr., R. E., Malewski, R. A., & Cassidy, E. C. (1977, 11). Optical Methods of Electrical Measurement at High Voltage
levels. Proceedings Of The IEEE, pp. 1524-1548.
M. Silva, R., Martins, H., Nascimento, I., M. Baptista, J., Lobo Ribeiro, A., L. Santos, J., . . . Frazão, O. (2012). Optical
Current Sensors for High Power Systems: A Review. Applied Sciences, 602-628.
Reilly, D., J. Willshire, A., Fusiek, G., Niewczas, P., & R. McDonald, J. (2006). A Fiber-Bragg-Grating-Based Sensor for
Simultaneous AC Current and Temperature Measurement. IEEE SENSORS JOURNAL, 6, 1539-1542.
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