BR102014011129A2 - sistema óptico de monitoramento de temperatura de cabos condutores subterrâneos - Google Patents

Abstract

sistema óptico de monitoramento de temperatura de cabos condutores subterrâneos. a presente invenção refere-se a um sistema para realizar medição da temperatura em cabos condutores subterrâneos, com sensores pontualmente distribuídos estrategicamente ao longo da linha para monitorar a condição térmica de cada fase e do meio físico. mais especificamente, o referido sistema compreende um conjunto de controle e aquisição de dados (1), um equipamento interrogador de sensores fbg (2), múltiplos divisores ópticos (3) em combinação com múltiplos sensores ópticos fbg (4) para medição da temperatura dos cabos e pelo menos um sensor óptico fbg (5) para medição da temperatura do meio físico (solo) em que se encontra o cabo condutor, ditos sensores fbg (4, 5) localizados próximos às seções de monitoramento. as ditas medidas de temperatura são então utilizadas por um software específico do conjunto de controle e aquisição de dados (1) para o cálculo de ampacidade do cabo condutor subterrâneo.

Description

SISTEMA ÓPTICO DE MONITORAMENTO DE TEMPERATURA DE CABOS CONDUTORES SUBTERRÂNEOS

Campo de Aplicação: A presente invenção refere-se a um Sistema para realizar medição da temperatura em cabos condutores subterrâneos, com sensores pontualmente distribuídos estrategicamente ao longo da linha para monitorar a condição térmica de cada fase e do meio físico (preferencialmente o solo). Mais especificamente, trata-se de um Sistema de monitoramento de temperatura baseado na utilização de sensores ópticos FBG (Fiber Bragg Grating) para cálculo da ampacidade de cabos condutores subterrâneos.

Descrição do Estado da Técnica: A crescente demanda pelo serviço de energia elétrica gera a necessidade recorrente de construção e reforços no sistema de distribuição, seja pelo lado de redes de distribuição de média e baixa tensão (MT/BT), sejam pelas linhas de subtransmissão e subestações em tensões de 69 e 138kV. A solução convencional com utilização de redes e linhas aéreas tem impacto sintético negativo e maior interferência com árvores e instalação de terceiros, o que as torna mais sujeitas a falhas. Em relação às linhas aéreas nas tensões de 69kV ou 138kV, existem restrições ainda maiores dada a necessidade de implantação de faixa de passagem.

Uma alterativa às redes aéreas, principalmente nos grandes centros urbanos, é a utilização de cabos subterrâneos de energia. Os sistemas subterrâneos são praticamente invisíveis à sociedade, de modo que se tornam mais atrativos no que diz respeito à estética e à segurança. Apesar de apresentarem maior custo de implantação, em média 10 vezes mais que uma rede aérea, as redes subterrâneas apresentam menor suscetibilidade às interferências externas, menor frequência de manutenções, aumento da segurança da população e dos equipamentos da rede, maior confiabilidade e disponibilidade para o fornecimento de energia elétrica.

Cabos condutores empregados em sistemas subterrâneos de energia devem ser capazes de operar por 30 anos de forma confiável. Contudo, condutores subterrâneos de sistemas de potência estão expostos a estresses de origem elétrica, mecânica e térmica durante a operação, os quais podem reduzir ou mesmo danificar o isolamento do cabo. Qualquer dano sofrido pelo cabo resulta na degradação na qualidade do isolamento, ocorrência de descargas parciais e, por fim, na ruptura do isolamento.

Com relação ao limite térmico, a temperatura suportada pelo material isolante e pelo cabo são fatores limitantes para a temperatura máxima de operação e, por conseguinte, do limite de corrente e potência permissíveis. O isolamento do cabo pode suportar diferentes temperaturas dependendo da duração e da intensidade de corrente circulante nos condutores. Sistemas subterrâneos operando em temperaturas acima dos limites tolerados provocam a redução da vida útil dos cabos. A falta de sistemas de monitoramento da temperatura de operação dos cabos faz com que o sistema de energia elétrica tenha, em alguns casos, a sua capacidade subutilizada, uma vez que a temperatura de operação pode estar muito abaixo dos limites tolerados.

Em relação a sistemas de monitoramento/sensoriamento de temperatura em cabos subterrâneos, já são conhecidos alguns ensinamentos e soluções presentes no estado da técnica, a saber: O documento US6547435 (Device for Monitoring Temperature Distribution on the Basis of Distributed Fiber-Optic Sensing and use of the same) refere-se a um dispositivo e método de medição por meio de técnicas de espalhamento Brilloin e Raman e é destinado à medição da distribuição de temperatura ao longo de dutos. O documento US20040091015 (DTS Measurement de HV Cable Temperature Profile) utiliza técnica de espalhamento Raman para identificação de temperatura. Entretanto, diferentemente da proposta da presente invenção, a solução de US20040091015 refere-se a um sensor de temperatura distribuída (e não a um sensor de grade de Bragg) e, além disso, o dispositivo transdutor/sensor é um cabo que é encaminhado ao longo do cabo condutor, sem acoplar-se a nenhum elemento. O documento US20050089081 (System for Monitoring a Temperature Condition) apresenta um sistema para monitorar as condições de temperatura em uma determinada região. Porém, diferentemente da proposta da presente invenção, a solução de US20050089081 refere-se a um sensor de espalhamento Rayleigh (e não sensor por grade de Bragg), e objetiva detectar superaquecimento e incêndios (e não a temperatura ao longo de um cabo condutor). O documento US20080084913 (Method and Apparatus for Locating a Localized Temperature Change in a Workspace) também apresenta um dispositivo e um método para detectar mudanças climáticas em uma determinada região. Entretanto, diferentemente da proposta que será revelada na presente invenção, a solução de US20080084913 refere-se a um sensor óptico distribuído (e não a um sensor por grade de Bragg) e monitora a temperatura ambiente (e não a temperatura de um cabo condutor). Há também algumas soluções para medir outras grandezas físicas (e não a temperatura) em cabos subterrâneos. Por exemplo, o documento W02008070766 (Method and Fiber Optic Fault Detection System for Undergrounded Power Lines) refere-se a um sistema para identificar falhas elétricas na rede de alta tensão (e não a temperatura do cabo), proporcionando a leitura de um campo elétrico do cabo e enviando os dados através de fibras ópticas (entretanto não apresenta encapsulamento mecânico fixo no cabo subterrâneo e nem utiliza sensor a grade de Bragg como elemento de medição). Um outro exemplo é a solução proposta no documento US6617859 (Method for Diagnosing Insulation Degradation in underground Cable), que se refere a um método de medição para corrigir problemas relacionados à absorção de água em cabos e problemas relacionados a corrosão (e não propriamente à medição de temperatura).

Voltando aos sistemas de monitoramento da temperatura de cabos condutores subterrâneos, estes são utilizados de acordo com o tipo de instalação que deverá ser monitorada. Em instalações de cabos condutores subterrâneos, em que toda extensão do cabo é acessível como em galerias, é possível fixar a fibra óptica no seu revestimento externo ao longo de toda sua extensão. Para este tipo de instalação, tem sido empregado o uso de sistema de monitoramento distribuído de temperatura (Distributed Temperature Sensing - DTS). O sistema de DTS mede a temperatura no revestimento externo do cabo subterrâneo através da variação da componente anti-Stokes do espalhamento Raman na fibra óptica decorrente da interação entre o feixe de luz incidente e as impurezas presentes na fibra. O sistema DTS também é aplicado em linhas subterrâneas novas, sendo que o próprio cabo condutor já contém uma fibra óptica integrada.

Para o legado das redes subterrâneas, ou seja, aquelas já construídas e com acesso restrito aos cabos condutores, uma opção é o monitoramento discreto. Neste tipo de monitoramento são identificados alguns pontos críticos para instalação ao longo do cabo.

Objetivos da Invenção: Em vista do acima exposto, é objetivo principal da presente invenção propor um sistema óptico para monitorar em tempo real a temperatura dos cabos condutores de sistemas subterrâneos de energia elétrica, para então efetuar o cálculo da ampacidade. A ampacidade é a capacidade que um cabo condutor tem em conduzir corrente elétrica, determinada a partir da capacidade de dissipação de calor do cabo condutor para o ambiente externo.

Desse modo, o sistema da presente invenção permite evitar o superaquecimento dos cabos condutores, além de possibilitar uma utilização mais plena da sua capacidade dentro dos limites de segurança, mantendo a vida útil estimada na fase de projeto da linha e prevendo a ocorrência de falhas. O sistema da presente invenção é perfeitamente aplicável às linhas subterrâneas em operação que não possuem fibras ópticas próximas ou integradas aos cabos. Outra vantagem desse sistema é o baixo custo frente às outras tecnologias, como o DTS.

Descrição Simplificada da Invenção: O sistema descrito na presente invenção é composto basicamente por: um interrogador óptico, uma rede de sensores ópticos de temperatura, um sistema de controle e aquisição de dados e um sistema computacional (software). Os sensores de temperatura, estrategicamente distribuídos ao longo do cabo condutor subterrâneo, coletam dados que serão analisados e correlacionados para a determinação da condição do carregamento elétrico da instalação (isto é, a ampacidade do cabo) em tempo real.

Uma solução viável e de baixo custo para o sensoriamento da temperatura nos cabos subterrâneos é a utilização dos sensores de grade de Bragg em fibra óptica (Fiber Bragg Grating - FBG), que são utilizados na realização preferencial da presente invenção (e os ditos sensores utilizam um encapsulamento que permite acoplá-los em cabos de diferentes diâmetros). Técnicas para cálculo da ampacidade existem há tanto tempo quanto os próprios cabos condutores. Algumas soluções analíticas e aproximações numéricas podem ser empregadas para calcular a ampacidade dos cabos condutores. As duas principais associações internacionais de padrões técnicos de engenharia (a IEEE e a IEC) adotaram os métodos analíticos como base para seus padrões. As aproximações numéricas são principalmente baseadas em técnicas de elementos finitos, que são mais adequadas para o cálculo da ampacidade devido à geometria dos cabos (conforme F. León; “Calculation of Underground Cable Ampacity”; CYME International T&D, St. Bruno, Canada, 2005).

Descrição da Figura: A Figura 1 ilustra um diagrama esquemático do sistema da presente invenção.

Descrição Detalhada de uma Modalidade Preferencial da Invenção: A presente invenção refere-se a um Sistema para realizar medição da temperatura em cabos condutores subterrâneos, com sensores distribuídos estrategicamente ao longo da linha para monitorar a condição térmica de cada fase e do meio físico em que se encontra o cabo condutor. A partir dos dados coletados pelos sensores FBG, o sistema realiza o cálculo da ampacidade dos cabos condutores monitorados pelos sensores, tendo como objetivo permitir a otimização o uso da linha de transmissão, a partir da análise da temperatura medida/sensoriada nos condutores (em todas as fases λ1, λ2 e λ3) e no meio físico, em seções/regiões adequadamente definidas.

Conforme a Figura 1, o sistema óptico de sensoriamento para medição de temperatura proposto compreende um conjunto de controle e aquisição de dados (1), um equipamento interrogador de sensores FBG (2), múltiplos divisores ópticos (3) em combinação com múltiplos sensores ópticos FBG (4) para medição da temperatura dos cabos e múltiplos sensores ópticos FBG (5) para medição da temperatura do meio físico na região próxima à seção de monitoramento. O conjunto de controle e aquisição de dados (1), que pode ser um computador localizado remotamente em uma central de operações, aciona o interrogador de sensores FBG (2), que por sua vez emite uma luz de espectro largo, a qual é dividida em múltiplas partes pelo divisor óptico (3) e cada parte da luz dividida é encaminhada para uma seção de monitoramento aos respectivos sensores FBG (4) para medição de temperatura dos cabos e ao sensor FBG (5) para medição da temperatura do meio físico.

Cada um dos sensores FBG (4, 5) emite um sinal com resposta espectral relacionada à temperatura em seu ponto de medição de volta para o dito interrogador de sensores FBG (2), que por sua vez retransmite os respectivos sinais de todos os sensores FBG (4, 5) para o conjunto de controle e aquisição de dados (1). O conjunto de controle e aquisição de dados (1) recebe esses sinais de todos os sensores FBG (4, 5) e processa-os através de um software específico, capaz de apresentar visualmente os valores das medições da temperatura dos sensores FBG (4) dos cabos e do sensor FBG (5) de temperatura do meio físico, para cada uma das seções de monitoramento. As temperaturas medidas em cada seção de monitoramento, incluindo as medidas da temperatura dos cabos condutores de cada fase à1 , λ2 e λ3 (sensores 4) e da temperatura do meio físico (sensores 5), são utilizadas pelo software para o cálculo da ampacidade dos condutores subterrâneos.

REIVINDICAÇÕES

SISTEMA ÓPTICO DE MONITORAMENTO DE TEMPERATURA DE CABOS CONDUTORES SUBTERRÂNEOS

Claims (6)

1. Sistema óptico de monitoramento de temperatura de cabos condutores subterrâneos, caracterizado por compreender um conjunto de controle e aquisição de dados (1), um equipamento interrogador de sensores FBG (2), divisores ópticos (3) em combinação com múltiplos sensores ópticos FBG (4) para medição da temperatura dos cabos e pelo menos um sensor óptico FBG (5) para medição da temperatura do meio físico (solo) em que se encontra o cabo condutor, ditos sensores FBG (4, 5) localizados próximos às seções de monitoramento.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito conjunto de controle e aquisição de dados (1) acionar o interrogador de sensores FBG (2), que por sua vez emite uma luz de espectro largo para as seções de monitoramento.

3. Sistema, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pela luz de espectro largo ser dividida através do divisor óptico (3), e encaminhadas para os sensores FBG (4) para medição de temperatura dos cabos e para o sensor FBG (5) para medição da temperatura do meio físico (solo).

4. Sensor, de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que cada um dos ditos sensores FBG (4, 5) emite um sinal com resposta espectral relacionada à temperatura em seu ponto de medição para o dito interrogador de sensores FBG (2), que por sua vez retransmite os respectivos sinais de todos os sensores FBG (4, 5) para o conjunto de controle e aquisição de dados (1).

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1 a 4, caracterizado pelo dito conjunto de controle e aquisição de dados (1) receber, registrar e processar as medições provenientes dos sensores FBG através de um software específico, que também apresenta visualmente os valores das medições da temperatura dos sensores FBG (4) dos cabos e do sensor FBG (5) de temperatura do meio físico (solo), para cada uma das seções de medição da linha de transmissão.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por medir temperaturas em seções de monitoramento, incluindo as medidas de temperaturas dos cabos condutores de cada fase e do meio físico (solo), ditas medidas que são utilizadas por um software específico para o cálculo de ampacidade do cabo condutor subterrâneo.