BR102016021267A2 - Transformador óptico de corrente com medição redundante e circuito híbrido de compensação de temperatura - Google Patents

Abstract

a presente invenção refere-se a um equipamento que realiza a medição óptica de um valor de corrente alternada em um circuito de alta tensão, normalmente associado a uma linha de transmissão de energia elétrica em alta tensão, composto de uma torre de medição isolada que é conectada ao ponto de medição de corrente e também de um módulo de controle (mc61850) e um módulo de alimentação óptica (mo 1000) que ficam instalados dentro de um painel na sala de controle ou casa de comando da instalação monitorada e consiste em um transformador de corrente puramente óptico que mede a corrente monitorada por meio de uma bobina de fibras ópticas especiais (fibras com alta birrefringência) que operam segundo o efeito faraday e o circuito óptico utilizado opera segundo uma configuração polarimétrica.

Description

(54) Título: TRANSFORMADOR ÓPTICO DE CORRENTE COM MEDIÇÃO REDUNDANTE E CIRCUITO HÍBRIDO DE COMPENSAÇÃO DE TEMPERATURA (51) Int. Cl.: G01R 15/24; H01F 38/34; H02B 1/24 (73) Titular(es): ENGIE BRASIL ENERGIA S.A., POWEROPTICKS TECNOLOGIA LTDA (72) Inventor(es): POLICARPO BATISTA ULIANA; MOACIR WENDHAUSEN; LUCIANO MENDES DE FREITAS (74) Procurador(es): EDEMAR SOARES ANTONINI (57) Resumo: A presente invenção refere-se a um equipamento que realiza a medição óptica de um valor de corrente alternada em um circuito de alta tensão, normalmente associado a uma linha de transmissão de energia elétrica em alta tensão, composto de uma torre de medição isolada que é conectada ao ponto de medição de corrente e também de um módulo de controle (MC61850) e um módulo de alimentação óptica (MO 1000) que ficam instalados dentro de um painel na sala de controle ou casa de comando da instalação monitorada e consiste em um transformador de corrente puramente óptico que mede a corrente monitorada por meio de uma bobina de fibras ópticas especiais (fibras com alta birrefringência) que operam segundo o efeito Faraday e o circuito óptico utilizado opera segundo uma configuração polarimétrica.

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TRANSFORMADOR ÓPTICO DE CORRENTE COM MEDIÇÃO

REDUNDANTE E CIRCUITO HÍBRIDO DE COMPENSAÇÃO DE

TEMPERATURA” [001] Campo de utilização [002] A presente invenção refere-se a um equipamento que realiza a medição óptica de um valor de corrente alternada em um circuito de alta tensão, normalmente associado a uma linha de transmissão de energia elétrica em alta tensão, composto de uma torre de medição isolada que é conectada ao ponto de medição de corrente e também de um módulo de controle (MC61850) e um módulo de alimentação óptica (MO 1000) que ficam instalados dentro de um painel na sala de controle ou casa de comando da instalação monitorada.

[003] Estado da técnica [004] Linhas de transmissão de energia elétrica normalmente operam em altos níveis de tensão. Nestas linhas a medição de corrente é normalmente realizada por meio de Transformadores de Corrente convencionais (TC convencionais) que operam segundo o princípio de conversão eletromagnética e possuem isolação galvânica. Estes equipamentos apresentam uma série de problemas de operação, incluindo baixa resposta em frequência, elevados erros de medição, risco de falha de isolação e também risco de explosão.

[005] Além dos TC convencionais existem no mercado tecnologias ópticas de medição de corrente, baseadas em sensores ópticos que operam segundo o Efeito Faraday e também tecnologias hibridas que se baseiam em circuitos de monitoração eletrônicos instalados no mesmo potencial da linha, que são alimentados por luz e transmitem informações por meio de canais ópticos de

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2/9 alta velocidade. Nos medidores ópticos um sensor óptico passivo (normalmente uma bobina de fibra óptica especial) altera o ângulo de polarização de um feixe de luz que o atravessa, em função da presença de campos magnéticos (efeito

Faraday).

[006] A corrente desejada pode então ser calculada com base nos valores de campo magnético medidos. Esta configuração irá compor um TC óptico (também denominado TC puramente óptico) que resolve os principais problemas observados nos TC convencionais. Em um TC puramente óptico toda a medição e realizada por meio de tecnologia óptica, sem necessidade levar qual quer tipo de alimentação elétrica aos transdutores. Exemplos destes tipos de equipamentos são os TC ópticos do fabricante ABB, ALSTON/GE e ARTHECH. Uma segunda opção para medição de corrente em linhas de transmissão é a utilização de tecnologias eletro-ópticas, compondo um Transformador de Corrente Eletrônico (TCE). Este tipo de medidor utilizada uma placa eletrônica de aquisição de dados conectada a um elemento sensor de corrente que opera por meio de princípio elétrico.

[007] A placa de aquisição normalmente está ligada ao mesmo potencial da linha monitorada e mede a informação de corrente por meio de um sensor resistivo ou uma bobina de Rogowisk, gerando uma informação digital que é enviada a uma unidade de controle por meio de um cabo de fibra óptica. Num TCE a placa de medição deve receber uma alimentação elétrica, o que pode ser realizado com base em circuitos que captam energia da própria linha, ou alternativamente por um sistema de alimentação óptica que converte potência luminosa em potência elétrica.

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3/9 [008] Desta forma para um TCE os cabos de fibra óptica podem ter dupla função: servir como canal de comunicação isolado e alimentar os circuitos de medição através de um feixe de LASER de média potência.

[009] Um exemplo deste tipo de equipamento é o equipamento DOIT do fabricante ABB. Tais equipamentos podem ser apreciados em documentos de patentes como: US4894608, US5136235 e EP001018650A1.

[010] Descrição da Invenção [011] A presente invenção consiste em um transformador de corrente puramente óptico que mede a corrente monitorada por meio de uma bobina de fibras ópticas especiais (fibras com alta birrefringência) que operam segundo o efeito Faraday. O circuito óptico utilizado opera segundo uma configuração polarimétrica que pode ser observada em literatura que descreve o efeito Faraday mas não é utilizada em equipamentos comerciais, que empregam uma configuração óptica interferométrica. A configuração óptica polarimetrica não é utilizada na pratica pois apresenta normalmente problemas de vibração (no sensor e nos cabos óticos de conexão) e principalmente problemas de variação de temperatura que são de difícil compensação, o que se torna mais crítico quando se deseja usar o TC óptico em processos de medição de energia visando faturamento onde este tipo de equipamento deve ter a vantagem de ser muito mais preciso do que o TC convencional. A configuração óptica interferométrica é mais complexa e tem custo bem maior, mas permite minimizar problemas de vibração e variação com temperatura. Um TC usado em medição deve ter baixa incerteza de medição, mas são admissíveis períodos de indisponibilidade. Um TC usado na proteção dos sistemas elétricos pode ser menos preciso, mas deve

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4/9 estar sempre disponível. Refere-se a transformador óptico de corrente com medição redundante e circuito híbrido de compensação de temperatura para o uso em medição óptica de um valor de corrente alternada em um circuito de alta tensão, normalmente associado a uma linha de transmissão de energia elétrica em alta tensão. Compreende uma torre de medição isolada que é conectada ao ponto de medição de corrente e também de um módulo de controle (MC61850) e um módulo de alimentação óptica (MO 1000) que ficam instalados dentro de um painel na sala de controle ou casa de comando da instalação monitorada.

[012] A torre de medição isolada possui em seu interior dois sensores ópticos de corrente independentes e um circuito hibrido (eletro-óptico) de medição de temperatura. Estes elementos são conectados por meio de cabos de fibra óptica a um de alimentação óptica (MO 1000), contendo fontes laser e a um módulo de controle (MC 61850) que tem circuitos eletrônicos e interfaces de comunicação e processamento. O MC61850 calcula em tempo real o valor da corrente monitorada e disponibiliza esta informação em uma saída de comunicação óptica segundo o padrão SV (Sampled Value) definido na norma IEC61850.

[013] O objeto do presente pedido de patente fica mais evidente na descrição detalhada que se segue e nos desenhos anexos, nos quais:

[014] A figura 1 apresenta uma apresenta um esquema básico do Transformador, onde se deseja medir a corrente elétrica em uma das fases de uma linha de transmissão(1) que opera em alta tensão. A fase monitorada deve ser interrompida e conectada a um link de corrente(2) que é fixado no cabeçote(3). O cabeçote por sua vez é ligado a Isolador(5) polimérico ou

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5/9 cerâmico com furo passante que é fixado em uma base metálica(8) com tampa hermeticamente vedada, que é aterrada, compondo assim a estrutura física do medidor.

[015] A figura 2 apresenta a fonte laser ou SLED(25) que é conectado a um despolarizador(22) óptico de forma a obter um sinal luminoso sem polarização que pode transitar por um cabo(12) óptico sem problemas associados a manutenção de um ângulo de polarização específico e minimizando problemas de vibração sobre o cabo.

[016] A figura 3 apresenta o sistema de compensação de temperatura desenvolvido para o transformador que é necessário devido ao fato da bobina(4) de Faraday variar sua resposta em amplitude para a corrente monitorada no Link de corrente(2) em função da sua temperatura de operação.

[017] Descrição detalhada [018] O 'Transformador Óptico de corrente com medição redundante e circuito híbrido de compensação de temperatura utiliza como elemento sensor de corrente uma bobina(4) Faraday que consiste basicamente de uma fibra óptica especial (com valor de Constante de Verdet elevado) que é enrolada em uma bobina que envolve um link de corrente(2) composto por cobre ou alumínio que é ligado a uma das fases da linha de transmissão(1) monitorada. Apesar do efeito Faraday não apresentar problemas de saturação e apresentar grande linearidade, o valor da Constante de Verdet varia com a temperatura o que gera erros de medição em função da temperatura na qual a Bobina Faraday opera. Para compensar estes erros o TECO-MR-CHCT utiliza um sistema de medição e compensação de temperatura que será descrito a seguir em maiores detalhes.

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6/9 [019] Conforme apresentado na Figura 1, o cabeçote do TECO-MRCHCT contêm duas bobinas(4) de Faraday que estão enroladas em volta do link de corrente(2), mas sem ter contato físico com o mesmo a fim de minimizar problemas de vibração. Cada bobina é conectada por meio de cabo de fibras ópticas(6) envolvidas por material isolante que passam dentro do Isolador(5), sendo conectado em um DG óptico interno(9) que fica abrigado dentro da base metálica(8). Cada bobina Faraday forma um circuito de medição exclusivo e independente gerando assim um esquema redundante que basicamente funciona como se fossem dois medidores separados integrados dentro de uma mesma estrutura mecânica. Conforme apresentado na Figura 1, TECO-MRCHCT contem basicamente dois módulos eletrônicos: O Módulo de fontes laser(14) que contem 03 Fonte laser ou SLED(25) que geram a luz que chega a até três bobinas(4) de Faraday realizando a medição de três correntes, possibilitando que um sistema trifásico seja monitorado. Os Módulos fonte laser(14) e medição(15) são duplicados para possibilitar a medição redundante, operando como dois sistemas independentes. Os Módulos de medição(15) se conectam a uma Rede de processo(16) gerando pacotes de dados no protocolo SV conforme definido pela norma IEC61850. Opcionalmente os Módulos de medição(15) podem gerar sinais analógicos proporcionais a corrente monitorada. Os Módulos fonte laser(14) e medição(15) são instalados em um painel(17) localizado na Casa de reles ou de controle(18). Dentro do painel um DG(13) óptico de painel recebe as fibras ópticas ligadas nos Módulos fonte laser(14) e medição(15) e se conecta por meio de dois cabos(12) ópticos a um DG óptico de pátio(11) situado próximo da linha de transmissão(1) monitorada.

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O DG óptico de pátio(11) é ligado por meio de cordões ópticos(10) ao DG óptico interno(9).

[020] Na Figura 2, a Fonte laser ou SLED(25) é conectado a um despolarizador(22) óptico de forma a obter um sinal luminoso sem polarização que pode transitar por um cabo(12) óptico sem problemas associados a manutenção de um ângulo de polarização específico e minimizando problemas de vibração sobre o cabo.

[021] O conjunto formado pela fonte laser ou SLED(25) que é conectado a um despolarizador(22) óptico é alojado dentro do módulo de fontes laser(14) sendo conectado por um cordão óptico(10) ligado ao DG(13) óptico de painel que se conecta ao DG óptico de pátio(11) por meio de um cabo(12) óptico. Do DG óptico de pátio(11) o sinal de luz passa por um novo cordão óptico(10) sendo ligado ao DG interno(9) localizado dentro da base metálica(8). Do DG interno(9) parte um cabo de fibras ópticas(6) inserido em material isolante que passa por dentro de um furo passante no isolador(5), mantendo a isolação para a tensão de operação desejada. Saindo do material isolante, o cabo de fibras ópticas(6) passa por um polarizador(23) óptico que gera a luz polarizada necessária ao funcionamento da bobina(4) de Faraday. O Controlador de ângulo de polarização(24) é inserido antes da bobina(4) a fim de ajustar um ângulo ótimo de polarização, próximo de 45 graus. A bobina(4) fica imersa no campo magnético gerado pela corrente monitorada e modifica o ângulo da luz polarizada em função desta corrente. Esta variação é observada com uso do divisor(21) de feixe polarizado ligado na saída da bobina(4). Na saída o divisor(21) a luz é separada em duas componentes (X e Y) que são conduzidas por meio de dois

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8/9 circuitos ópticos. Estes circuitos retornam ao DG(13) óptico de painel após passar pelo DG interno(9) e DG óptico de pátio(11). As componentes X e Y são medidas por meio de fotodetectores(26) que geram sinais elétricos proporcionais a intensidade luminosa. Os fotodetectores são montados na Placa de aquisição analógica(27) que contém circuitos de condicionamento de sinal e conversores analógico/digital. A informação digitalizada é utilizada para calcular a corrente monitorada e esta informação é repassada para a Merging Unit(28) dedicada que gera pacotes de dados SV, definidos na norma IEC61850, que são transmitidos para a rede de processo(16). A placa de aquisição analógica(27) e a Mergin Unit(28) formam o Modulo de medição(15). As conexões entre cabos e componente ópticos são realizados por meio de conector óptico ou emenda(20) óptica. Opcionalmente os módulos fonte laser(14) e medição(15) podem ser acondicionados em uma mesma caixa compondo um único módulo de medição(15) com fontes laser(14) integradas. O circuito(7) de compensação é implementado por meio do circuito(7) eletrônico de compensação de temperatura que mede a temperatura da bobina(4) por meio do sensor de temperatura que pode ser implementado com uso de um termo resistor ou circuito integrado dedicado a medição de temperatura. O circuito(7) é ligado ao mesmo potencial de tensão da linha monitorada e recebe alimentação por luz gerada em uma fonte laser(14) que implementa o sistema POF(30) (Power Over Fiber) que basicamente converte a potencia luminosa gerada na fonte laser(14) em potencia elétrica. O sinal POF(30) é conduzido por meio de fibras multi mode(29) até o circuito(7) que possui um transdutor fotovoltaico que converte luz em energia elétrica. O circuito(7) possui conversores AD (analógico digital) e um

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9/9 circuito de processamento que transmite informações por meio de um canal serial de alta velocidade que é implementado por meio de fibra multi mode(29) até o modulo de medição(15). A fonte lesar POF(30) é alojada dentro do Módulo de fontes laser(14) juntamente com a fonte laser(14) ou SLED(25) que é conectada a bobina(4). Na saída da bobina(4) o divisor(21) de feixe polarizado gera dois sinais ópticos (X e Y) que são levados por meio de fibras ópticas PM ou SM(19) até o modulo de medição(15). Como o módulo de medição(15) recebe as informações de corrente da bobina(4) e de temperatura desta bobina medidas pelo sensor(31) ele é capaz de realizar o processo de compensação de temperatura com base em curvas típicas da bobina(4) ajustadas por meio de parâmetros específicos de calibração que variam conforme a bobina(4) utilizada. O Módulo de medição(15) é configurado por meio de uma porta de comunicação USB com os parâmetros de até 3 bobinas(4) ligadas as 3 fases monitoradas.

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Claims (8)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. TRANSFORMADOR ÓPTICO DE CORRENTE COM MEDIÇÃO REDUNDANTE E CIRCUITO HÍBRIDO DE COMPENSAÇÃO DE TEMPERATURA para a medição óptica de um valor de corrente alternada em um circuito de alta tensão caracterizada por conter duas bobinas(4) de Faraday enroladas em volta do Link de corrente(2) cada bobina é conectada por meio de um cabo de fibras ópticas(6) envolvido por material isolante que passam dentro do Isolador(5), sendo conectado em um DG óptico interno(9) que fica abrigado dentro da base metálica(8), e possuir Módulos de medição(15) que se conectam a uma Rede de processo(16) e geram pacotes de dados no protocolo SV e possuir painel(17), contendo um DG(13) óptico de painel que recebe as fibras ópticas ligadas nos Módulos fonte laser(14) e medição(15), e o dentro do painel, um DG(13) óptico do painel recebe as fibras ópticas ligadas nos Módulos fonte laser(14) e medição(15), e o DG(13) óptico de painel se conectar por meio de dois cabos(12) ópticos a um DG óptico de pátio(11) situado próximo da linha transmissão(1) monitorada, e o DG óptico de pátio(11) estar ligado por meio de cordões ópticos(10) ao DG óptico interno(9), e a fonte laser ou SLED(25) estar conectada a um despolarizador(22) óptico por um cabo(12) óptico, e pelo conjunto formado pela fonte laser ou SLED(25) e o despolarizador(22) óptico estar conectado por um cordão óptico(10) ligado ao DG(13) óptico de painel, e o funcionamento das bobinas(4) de Faraday ser por luz polarizada por um polarizador(23) ótico, conectado ao cabo de fibras ópticas(6) inserido em material isolante.

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   2. TRANSFORMADOR ÓPTICO DE CORRENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por cada bobina(4) Faraday formar um circuito de medição exclusivo e independente.
3. 3. TRANSFORMADOR ÓPTICO DE CORRENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo Módulos de medição(15) gerar sinais analógicos proporcionais a corrente monitorada.
4. 4. TRANSFORMADOR ÓPTICO DE CORRENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos Módulos fonte laser(14) e medição(15) serem instalados em um painel(17) localizado na Casa de reles ou de controle(18).
5. 5. TRANSFORMADOR ÓPTICO DE CORRENTE, de acordo com a reivindicação 1, que monitora um sistema trifásico, caracterizado pelo módulo de fontes laser(14) conter 03 Fonte laser ou SLED(25) e a luz gerada chegar até três bobinas(4) de Faraday e fazer a medição de três correntes.
6. 6. TRANSFORMADOR ÓPTICO DE CORRENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos Módulos fonte laser(14) e medição(15) serem duplicados.
7. 7. TRANSFORMADOR ÓPTICO DE CORRENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um DG(13) óptico de painel estar dentro de painel(17).
8. 8. TRANSFORMADOR ÓPTICO DE CORRENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo conjunto formado pela fonte laser ou SLED(25) e o despolarizador(22) óptico estar alojado dentro do módulo de fontes laser(14).

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