BR102019010122A2 - Sistema de sensoriamento óptico para monitoramento de deslocamentos mecânicos - Google Patents

Abstract

sistema de sensoriamento óptico para monitoramento de deslocamentos mecânicos associados a elementos compreendendo peças, dispositivos, alavancas, válvulas, hastes, em dispositivos ou estruturas civis, mecânicas ou elétricas, compreendendo um sensor a fibra óptica (17) instalado junto a cada dito elemento, onde dito deslocamento mecânico é convertido na diferença (¿1¿) entre dois comprimentos de onda dentro do espectro de sinais ópticos por meio de um primeiro (1a) e de um segundo (1b) sensores bragg (fbg), os quais são submetidos a esforços com sinais opostos mediante um dispositivo de acoplamento mecânico entre dito elemento e ditos sensores bragg. tais deslocamentos, que podem estar associados à abertura e ao fechamento dos elementos elasticamente deformáveis de contato elétrico de uma chave seccionadora de alta tensão, produzem a deformação de uma lâmina flexível (15) que tem colados, em suas faces opostas, um primeiro sensor bragg (1a) e um segundo sensor bragg (1b), os quais fazem parte da mesma fibra óptica. ao ser injetado nessa fibra um sinal óptico de amplo espectro (6), ditos sensores refletem dois picos espectrais de banda estreita (¿a, ¿a,t1, ¿b, ¿b,t1) correspondentes às respectivas frequências de ressonância. ao ocorrer a flexão da lâmina, ditos sensores são submetidos a esforços opostos, de compressão e de extensão, o que produz deslocamentos opostos desses picos espectrais, onde a magnitude da diferença entre os mesmos (¿1¿) é proporcional a dita flexão, permitindo confirmar o efetivo fechamento do contato.

Description

SISTEMA DE SENSORIAMENTO ÓPTICO PARA MONITORAMENTO DE DESLOCAMENTOS MECÂNICOS CAMPO DA INVENÇÃO

[001] Refere-se a presente invenção ao campo do sensoriamento óptico, mais especificamente ao sensoriamento óptico de deslocamentos mecânicos em dispositivos ou estruturas de engenharia civil, mecânica ou elétrica, especialmente aplicável em instalações de alta tensão ou em ambientes classificados e, mais particularmente, a um sistema de sensoriamento para monitoramento de abertura e fechamento de chaves seccionadoras para alta tensão.

ESTADO DA TÉCNICA

[002] As chaves seccionadoras, apesar de não estarem entre os componentes mais caros de uma subestação, são de grande responsabilidade para o sistema elétrico, e podem dar origem a defeitos de grandes dimensões quando acionadas indevidamente ou energizadas em condições falsas de aparente fechamento.

[003] As chaves seccionadoras disponibilizam indicadores de fechamento através de sensores eletromecânicos como cames e micro-chaves no seu eixo. Estes sensores, porém, não são confiáveis, pois o contato elétrico numa chave se dá no final do seu curso e os sensores eletromecânicos não têm resolução para indicarem os poucos graus de rotação do braço da chave seccionadora que faltam para que o contato elétrico se dê efetivamente. Assim, mesmo indicando um fechamento, o contato elétrico pode não ter ocorrido devidamente, o que causaria um problema. Se a resistência do contato aumentar devido a um fechamento elétrico indevido, o aquecimento resultante pode danificar os contatos ou até mesmo derretê-los em casos extremos. Desta forma, em casos de manobras importantes os técnicos somente confiam na inspeção visual das chaves seccionadoras.

[004] A instalação de sensores mecânicos ou elétricos junto aos contatos fixos ou móvel da chave seccionadora é de difícil implementação, visto que os mesmos estão no potencial do sistema, em alta-tensão, e exigiriam uma isolação elétrica de custo elevado, o que os tornariam economicamente inviáveis.

[005] A chave seccionadora é um equipamento de manobra, ou seja, é um componente do sistema elétrico de potência, normalmente presente em qualquer subestação de energia elétrica, que tem não somente a função de estabelecer a ligação elétrica entre geradores, transformadores, consumidores e linhas de transmissão, como também isolá-los eletricamente. As chaves seccionadoras são utilizadas em sistemas trifásicos de corrente alternada ou sistemas de corrente contínua, desde média tensão (13,8 kV) até extra-alta tensão (1.200 kV). No caso trifásico, a chave contém três contatos; no caso de corrente contínua, a chave contém dois contatos.

[006] A chave seccionadora pode ser mais bem entendida através da Figura 1, que mostra uma vista lateral de uma chave (10). Este desenho mostra apenas uma das fases da chave seccionadora; cada fase possui um mecanismo idêntico e todas elas são operadas sincronicamente por um único motor. Segundo ilustrado, a chave seccionadora (10) interliga dois condutores (21) e (20) de alta corrente em alta tensão, fixados respectivamente no topo dos isoladores (25) e (26). Uma barra condutora (12) é utilizada para efetuar a ligação entre os condutores (21) e (22). Essa barra (12) é operada por um motor localizado dentro do armário de comando local (22), que através de um eixo (23), gira o isolador (24), que através de um acoplamento mecânico, faz a barra (12) subir ou descer, dependendo da direção de rotação do motor. Quando a barra (12) está na posição (A) os condutores (21) e (20) estão eletricamente separados. Ligando-se o motor dentro da caixa (22), o eixo (23) gira o isolador (24) que faz a barra (12) descer, passando pela posição (B) e parando na posição (C), quando o contato elétrico se fecha, interligando os condutores (21) e (20). No topo do isolador (26) existe a cabeça de contacto (18), com lâminas de cobre revestidas de prata que propiciam o contacto elétrico adequado entre a ponta da barra (12) e a cabeça de contacto (18) e, consequentemente, do condutor (20).

[007] A Figura 2 é um desenho esquemático que mostra a chave seccionadora vista de uma posição frontal. Nesta vista, a ponta da barra de contacto (12) aparece como um círculo e a cabeça de contato (18) aparece como uma calha. Na Figura 2(A) a barra (12) está numa posição intermediária, correspondente à posição (B) da Fig. 1, e está descendo na direção mostrada pela seta (19). A extremidade distal da barra (12) está provida de dois contatos móveis (14) revestidos de prata, que devem tocar e pressionar os contatos fixos (11), localizados dentro da cabeça de contato (18), também revestidos de prata, para estabelecer o contacto elétrico desejado. No fundo da cabeça de contato (18) existe um batente polimérico (27) de delimita o final do curso vertical da barra de contacto (12). Na Figura 2(B) a barra de contato (12) chegou ao final de seu curso, ou seja, está na posição C (Fig. 1). No entanto, o contacto elétrico não se estabeleceu ainda, pois os contatos móveis (14) ainda não tocaram nos contatos fixos (11). Para tal acontecer, o mecanismo acionador da chave inicia uma rotação da barra de contato (12) na direção da seta (13). Na Figura 2(C), após uma rotação de 45° da barra de contato (12), os contacto móveis (14) giraram e pressionaram os contatos fixos (11), estabelecendo finalmente o contacto elétrico desejado. Esse movimento de rotação (13) pressionando os contatos móveis (14) contra os contatos fixos (11) efetuou em cada um deles um deslocamento (d) numa distância entre 3 mm a 5 mm.

[008] As chaves seccionadoras na posição aberta (posição A, Fig. 1) asseguram uma distância de isolamento com interrupção total da corrente e tensão e, na posição fechada (posição (C), Figura 1), mantêm a continuidade do circuito elétrico, nas condições especificadas. A chave seccionadora somente pode ser operada, tanto para abrir quanto para fechar, quando uma corrente desprezível estiver passando por ela e quando não houver variações significativas ou bruscas de tensão entre seus terminais. É também capaz de conduzir correntes sob condições normais do circuito e, durante os tempos especificados, correntes sob condições anormais, tais como curto-circuito.

[009] Um defeito comum é a existência de uma resistência elétrica entre os contatos de uma chave seccionadora acima do valor nominal, ou uma resistência crescente, devido a um mau contato, podendo gerar um aquecimento que pode danificar os contatos elétricos ou até derretê-los em casos extremos.

[010] A técnica de monitoramento do fechamento ou abertura de chave seccionadora atualmente em uso são as micro-chaves eletromecânicas, que indicam quando o eixo de comando (23) na Figura 1 começa a se movimentar e quando o eixo de comando atinge sua rotação máxima. Assim, o ponto inicial da rotação (posição A, Fig. 1) e o ponto final da rotação (posição C, Fig. 1) indicam a total abertura e o total fechamento, respectivamente, da chave seccionadora. No entanto, é consenso geral entre os técnicos e operadores não confiarem nesse método, pois mesmo a chave não se fechando completamente os indicadores podem indicar fechamento total, caso haja um escorregamento entre o eixo do motor e a haste de comando. Da mesma forma ocorre quando os indicadores podem mostrar uma abertura total, mas a chave pode não estar completamente aberta, ou seja, estacionar na posição B, Fig. 1, por exemplo. Tendo em vista tal problema, todos os técnicos concordam que o melhor método é a inspeção visual. Entretanto, o deslocamento de um técnico para junto da chave durante sua operação, para verificar se a chave abriu ou fechou completamente, gera um custo adicional envolvendo tempo e operadores.

[011] Na patente US 4,451,910 - ULTRASONIC POSITION MONITOR FOR HV DISCONNECT SWITCH, o sistema compreende dois transmissores associados com os contatos móveis e fixos para transmitir pelo menos um sinal ultrassônico, indicando a posição do contato móvel em relação ao contato fixo da chave seccionadora. Um conjunto receptor recebe o sinal ultrassônico transmitido pelos transmissores e gera um sinal de saída representativo da posição dos contatos móveis e fixos. As ditas fontes necessitam de alimentação elétrica, caracterizando-as como elementos ativos, sujeitos a falhas e interrupções por falta de energia local ou emissões eletromagnéticas. A partir da informação processada pelo receptor, é possível definir somente se a chave se encontra aberta ou fechada, mas não se o contato elétrico se estabeleceu. Além disso, a invenção descrita no documento envolve equipamentos elétricos em campo, ao contrário da invenção ora proposta.

[012] Na patente US 4,806,925 - A INFRARED SIGNALLING SYSTEM FOR DETECTING A PREDETERMINED STATE OF A HIGH VOLTAGE DEVICE, um indicador para uso em um sistema de detecção para um dispositivo de alta tensão é utilizado para sinalizar um estado predeterminado do dispositivo. O indicador compreende um alojamento que suporta um elemento refletor. A caixa tem uma abertura e o refletor tem uma superfície refletora em alinhamento com a abertura. A caixa é montada em estreita proximidade com o dispositivo. Um dispositivo remoto gera continuamente sinais infravermelhos na direção da abertura e detecta sinais refletivos da superfície refletora. As ditas fontes necessitam de alimentação elétrica, caracterizando-as como elementos ativos, sujeitos a falhas e interrupções por falta de energia local ou emissões eletromagnéticas. A partir da informação processada pelo receptor, é possível definir somente se a chave se encontra aberta ou fechada, mas não se o contato elétrico se estabeleceu. Além disso, envolve equipamentos elétricos em campo, ao contrário da invenção ora proposta.

[013] No pedido de patente brasileiro PI 0605540 - MÉTODO E APARATO PARA O MONITORAMENTO SITUACIONAL DE CHAVES SECCIONADORAS, um gás especial contido dentro de um invólucro é pressionado pela mola do contato da chave. Se houver o contato, o gás será comprimido e apresenta a cor cinza. Para o caso em que a mola não está comprimida, o gás apresentará cor amarela. Uma fibra óptica transmite a cor do gás para um leitor remoto, que efetua a interpretação. A invenção descrita neste documento brasileiro, exige uma calibração periódica e, ao mesmo tempo, apresenta variações de amplitude dos sinais ópticos, que ocorrem por diversas causas, notadamente a temperatura ambiente. Utilizando-se óptica aberta em ambientes de alta poluição sempre se está sujeito a poeira e outros poluentes nas lentes e aberturas ópticas. O sistema então necessita de paradas regulares para manutenção. Além disso, a invenção descrita exige um sistema interrogador para cada elemento de cada chave seccionadora, tornando-se de custo elevado, não somente o custo inicial para a instalação, como também para a manutenções periódicas. Um outro ponto negativo é o fato de que devido às baixas amplitudes dos sinais ópticos, a distância entre cada chave seccionadora e seu respectivo sistema de interrogação é limitada a poucos metros, ao contrário da invenção ora proposta.

[014] No pedido de patente US 2008/0285194 intitulado HIGH VOLTAGE DISCONNECTING SWITCH CONTROL, a invenção descrita propõe uma solução de controle de acionamento de chave seccionadora com um ou mais braços, utilizando um sensor óptico para determinar a posição do braço da chave e um módulo de controle do motor de atuação. O módulo de controle ajusta a velocidade do motor de acionamento em função da posição da haste da chave. Convém ressaltar que tal solução não monitora a qualidade do fechamento da chave nem a efetiva realização do contato elétrico, de modo que o principal requisito de monitoração de chaves não é atendido. O sistema exige um controle de acionamento do motor que tem uma potência relativamente elevada, assim sendo, exige uma eletrônica cara e sujeita a defeitos, necessitando assim de manutenção periódica.

[015] No artigo SENSORIAMENTO DE FECHAMENTO DE CHAVES SECCIONADORAS UTILIZANDO SENSORES ÓPTICOS, tendo como autores Edson Moschim, Paulo R. Fernandes, Reginaldo Silva, Aldário C. Bordonalli, apresentado no Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica, 14 a 17 de outubro de 2007, Rio de Janeiro, RJ, é descrito um sistema de controle baseado na medição da posição do elemento de contato da chave seccionadora utilizando uma bobina de fibra óptica, como elemento sensor. Conforme a bobina se comprime a potência óptica retornando ao fotodetector diminui. Os autores alegam que o sistema permite monitorar o fechamento perfeito da chave por este meio. A invenção descrita nesse artigo necessita muito de calibração e ao mesmo tempo sofre de variações de amplitude dos sinais ópticos, que ocorrem por várias razões, sendo a temperatura o mais importante deles. Há que se considerar também o envelhecimento das fibras, dos LEDs, do laser e conectores ópticos associados. Além disso, necessita-se de um sistema interrogador para cada elemento de cada chave seccionadora, tornando o sistema de alto custo, não somente o custo inicial para a instalação, como também para a manutenção periódica. Outro ponto crítico é que devido ao fato desse método estar baseado em sinais de amplitude modulada, o sistema de interrogação exige uma calibração independente para cada fase de cada CS. Além disso o sistema limita a distância entre o sistema interrogador e o ponto de medida a poucos metros, ao contrário da invenção aqui apresentada.

[016] No pedido de patente brasileiro BR 10 2013 016812 2 - SISTEMA INTEGRADO DE MONITORAMENTO OPERATIVO DAS CHAVES SECCIONADORAS POR MÓDULO DE VÍDEO MONITORAMENTO DOS ESTADOS INICIAL E FINAL DA MANOBRA EM ASSOCIAÇÃO COM MÓDULO DE SENSORIAMENTO DA CORRENTE ELÉTRICA DE MOTORES DE ACIONAMENTO, um sistema é representado por um módulo de vídeo-monitoramento em associação com um módulo de sensoriamento que permite uma análise gráfica da corrente elétrica do motor de acionamento da chave seccionadora. Esta invenção exige um sistema interrogador, incluindo vídeo, para cada fase da chave seccionadora, bem como três sistemas interrogadores para cada chave, tornando o sistema de alto custo, não somente o custo inicial para a instalação, como também para a manutenção periódica. Além disso, exige uma eletrônica local para cada chave, fugindo da proposta da invenção em voga que é eliminar toda a eletrônica e necessidade de energia elétrica em campo, no ponto de monitoramento. Sabe-se também que a análise da assinatura da corrente do motor indica um possível travamento ou se está havendo dificuldade de se mover devido a algum defeito mecânico do maquinismo da CS. Entretanto, essa técnica não permite a verificação se o contato elétrico de fato foi efetuado.

[017] No pedido de patente brasileiro BR 10 2012 030753 7 A2 - APARATO E SISTEMA DE MONITORAÇÃO DE CHAVES SECCIONADORAS, a invenção se refere a um aparato e sistema de monitoração de chaves seccionadoras baseado no uso de técnicas de óptica de espaço livre, alimentação e transmissão do sinal por fibra óptica e uso de câmera de vídeo, para controle da posição e do grau de qualidade do contato elétrico de chaves seccionadoras em redes elétricas. A potência óptica de uma fibra óptica é inserida em um colimador óptico e transmitida pelo ar até um espelho óptico fixado na parte inferior do braço da chave seccionadora. O dito espelho óptico reflete o sinal de volta ao aparato, onde é detectado por meio de uma matriz de fotodiodos. O sinal elétrico proveniente da matriz de fotodiodos é levado a um processador que interpreta a posição da haste principal da chave seccionadora. Esta invenção utiliza um sistema interrogador, incluindo lentes e óptica aberta, bem como espelhos, o que exige manutenção periódica bem como limpeza das partes ópticas que ficam à mercê das condições meteorológicas, como chuva, neve, poeira e poluição. Exige também um sistema completo de óptica aberta composta por lentes e espelhos para cada fase da chave seccionadora, bem como três sistemas interrogadores para cada chave, tornando o sistema de alto custo, não somente o custo inicial para a instalação, como também para a manutenção periódica. Além disso, exige uma eletrônica local para cada chave, fugindo da proposta da invenção em voga que é eliminar toda a eletrônica e necessidade de energia elétrica em campo. Importante ressaltar que a técnica aplicada não permite uma conclusão quanto ao fechamento final do contato elétrico da chave.

[018] No pedido de patente brasileiro BR 10 2012 006706 4 - APARATO EMÉTODO PARA MONITORAMENTO DE CONTATO ELÉTRICO, a invenção descrita refere-se a sistemas de monitoramento óptico de chaves seccionadoras que, de acordo com as suas características gerais, possui como princípio básico propiciar: suporte as condições de operação (tensão nominal, vibração, temperatura, oxidação, umidade etc); indicação remota do fechamento e abertura efetiva da chave seccionadora; garantia do isolamento apropriado entre a parte sensora em potencial da chave seccionadora e a parte de monitoramento em potencial terra; custo compatível com o da chave seccionadora; capacidade de ser instalado em chaves seccionadoras antigas e possibilidade de ser fabricado junto com chaves seccionadoras novas; a não interferência no funcionamento, nem o prejuízo do isolamento elétrico da chave seccionadora; imunidade à interferências eletromagnéticas e ruídos elétricos ou mecânicos, bem como vibrações de qualquer tipo. A invenção permite a verificação do real fechamento do contato elétrico das chaves seccionadoras, porém apresenta vários aspectos negativos. A invenção descrita neste documento do estado da técnica necessita fortemente de calibração e ao mesmo tempo seus componentes e sinais ópticos são susceptíveis a variações de amplitude devido a diversos fatores, principalmente a temperatura ambiente. Além disso, a invenção exige, ainda, um sistema interrogador para cada elemento de cada chave seccionadora, tornando o sistema de alto custo, não somente o custo inicial para a instalação, como também para a manutenção periódica. Um outro ponto negativo é o fato de que devido às baixas amplitudes dos sinais ópticos, a distância entre cada chave seccionadora e seu respectivo sistema de interrogação é limitada a poucos metros. Devido ao fato do seu princípio de funcionamento ser de amplitude modulada, não se permitem grandes distâncias a percorrer entre o sistema interrogador e o ponto de medição, exigindo que a eletrônica de medição seja instalada em campo. Além disso, cada ponto de medida exige seu próprio sistema de interrogação.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[0019] Em vista do exposto, tem a presente invenção o objetivo de prover um sistema desenvolvido de forma a suportar as condições de operação as chaves seccionadoras (tensão nominal, vibração, temperatura, oxidação, umidade, interferência eletromagnética, etc.) presentes nas subestações de geração e distribuição de energia elétrica.

[0020] Outro objetivo é o de possibilitar a indicação remota de fechamento e abertura efetiva da chave a vários quilômetros de distância, sendo assim também adequado para subestações desassistidas.

[0021] Mais outro objetivo é o de prover um sistema que assegure o isolamento apropriado entre a parte sensora em potencial nominal da chave e a parte de monitoramento em potencial terra.

[0022] Outro objetivo é prover um sistema que não necessite de energia elétrica de qualquer tipo no local de medida.

[0023] Outro objetivo é prover um sistema que possa ser instalado em chaves já em uso e/ou ser incorporado em novas chaves seccionadoras durante seu processo de fabricação.

[0024] Mais outro objetivo é prover um sistema que não interfira no funcionamento e nem prejudique o isolamento elétrico da chave seccionadora.

[0025] Ainda outro objetivo da invenção é possibilitar que um único sistema efetue o monitoramento de todas as CSs de toda a subestação.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

[0026] Trata a presente invenção de um sistema de sensoriamento a fibra óptica baseado na tecnologia de redes de Bragg (Fiber Bragg Grating - FBG) instalado junto ao contato elétrico da chave seccionadora, desenvolvido de forma a suportar as condições de operação (tensão nominal, vibração, temperatura, oxidação, umidade, interferência eletromagnética etc); possibilitar a indicação remota de fechamento e abertura efetiva da chave a vários quilômetros de distância, sendo assim também adequado para subestações desassistidas; garantir o isolamento apropriado entre a parte sensora em potencial nominal da chave e a parte de monitoramento em potencial terra; ter um custo compatível com o da chave seccionadora; poder ser instalado em chaves já em uso e/ou ser incorporado em novas chaves seccionadoras durante seu processo de fabricação; não interferir no funcionamento e nem prejudicar o isolamento elétrico da chave seccionadora; não necessitar de energia elétrica de qualquer tipo no local de medida; necessitar de apenas um equipamento optoeletrônico instalado em uma sala de comando para monitorar todas as chaves seccionadoras de uma subestação; garantir a calibração permanente, sendo isento de envelhecimento ou perdas na fibra óptica, já que o parâmetro de medida é o comprimento de onda dos sinais das FBGs e, portanto, não variam em função de nenhum outro parâmetro, exceto a temperatura; e ser um sistema imune a variações térmicas permitindo uma calibração permanente a despeito das condições atmosféricas do local.

[0027] Da mesma forma que se aplica a chaves seccionadoras, a presente invenção se presta também para monitorar qualquer movimento mecânico de pequenas variações de uma maneira eletricamente isolada, ou seja, sem a necessidade de energia elétrica de qualquer tipo no local de medida. Assim sendo, ambientes em alta tensão ou em áreas classificadas, como por exemplo, de alta radioatividade ou de explosividade, onde pode haver acúmulo de gases ou em locais com presença de líquidos inflamáveis, podem ser monitorados com a aplicação da presente invenção, sem perigo de causar centelhas de qualquer natureza.

[0028] Sem a necessidade de verificação in loco por meio de um funcionário, a presente invenção permite a indicação, dentro da sala de comando, da real situação da chave seccionadora, sem possibilidade de erros, se ela está fechada ou aberta, sem que haja margem de dúvidas, melhorando com isso a agilidade na sua manipulação e garantindo a estabilidade da rede.

[0029] Em um mundo em que o tempo e a mão de obra bem localizada são essenciais para o desenvolvimento das empresas, a presente invenção busca economizar tempo e assegurar que a chave seccionadora esteja funcionando de forma adequada, sem a necessidade de deslocamento de seus funcionários para o local de manipulação a fim de averiguar sua correta operação.

[0030] Pelo que foi exposto, o sistema de monitoramento óptico de chaves seccionadoras objeto da presente invenção será bem recebido pelas concessionárias e empresas de energia elétrica em geral, pois o sistema de monitoramento óptico de chaves seccionadoras ora proposto apresenta inúmeras vantagens, tais como grande segurança, confiabilidade e agilidade, elevado conforto, comodidade e segurança aos usuários; perfeita e direta adaptação aos mais diversos tipos de chaves seccionadoras e elevadíssima precisão operacional, quando comparado com o estado da técnica. Todos estes atributos permitem classificar o sistema de monitoramento óptico de chaves seccionadoras objeto da presente invenção, como um meio totalmente versátil em se tratando de diferentes tipos e modelos de chaves seccionadoras, eficiente, prático e seguro, sem desperdício de tempo e com segurança no seu acionamento, manipulação e monitoramento.

[0031] O sistema objeto da presente invenção é composto de sensores a fibra óptica instalados junto aos contatos elétricos da chave seccionadora, em potencial da linha, capaz de monitorar o seu fechamento e abertura durante as operações de rotina. O sistema utiliza-se do pequeno movimento do contato elétrico (11), Figura 2, da chave seccionadora durante seu fechamento para acionar o sensor óptico, cuja descrição terá como base, as figuras de 1 a 8 do presente pedido.

[0032] Na Figura 3, o princípio de funcionamento do sensor óptico que compõe o sistema da presente invenção é demonstrado. O referido sensor óptico é baseado em sensores de Bragg em fibras ópticas (FBG). Um sensor FBG (Fiber Bragg Grating) é uma microestrutura ressonante com o comprimento típico de alguns milímetros inserida no núcleo de uma fibra padrão de telecomunicações. Como uma estrutura ressonante, o sensor FBG irá atuar como um espelho seletivo de comprimento de onda (wavelength selective mirror); é um filtro de banda estreita. Isso significa que, se a luz de uma fonte de banda larga for injetada na fibra ótica, apenas a luz dentro de uma região espectral muito estreita, centrada no comprimento de onda de Bragg (Bragg wavelength), irá ser refletida. A luz remanescente irá continuar seu caminho através da fibra ótica sem nenhuma perda.

[0033] De acordo com o exemplificado na Fig. 3, uma fonte de luz (3) introduz numa fibra óptica monomodo (2) um sinal de espectro amplo (6). Esse sinal atravessa o divisor de feixe (5) e incide num FBG (1), o qual reflete um sinal de banda estreita (8) com comprimento de onda de Bragg λB, o qual atravessa o divisor de feixe no sentido oposto ao anterior, sendo desviado para a fibra óptica (7) para o analisador de espectro óptico (4), também conhecido como OSA (Optical Spectrum Analyzer).

[0034] Um sensor FBG pode ser usado para medir deformação: quando a fibra é esticada ou comprimida, tal deformação produz uma variação da constante foto-elástica da fibra e uma mudança no período da microestrutura, o que resulta numa variação do comprimento de onda de Bragg λB.

[0035] Os sensores FBG também são sensíveis às variações de temperatura. Neste caso, o principal contribuinte para uma mudança no comprimento de onda de Bragg λB é a variação do índice de refração da sílica, induzido pelo efeito termo-óptico.

[0036] Considerando que em muitos casos as chaves seccionadoras estão localizadas ao ar livre, torna-se necessário prover meios de compensar a influência das variações de temperatura ambiente, a fim de evitar que o efeito termo-óptico inerente aos FBG’s possa viciar o resultado das medições. Na presente invenção, tal compensação é provida pelo uso de um sensor óptico de um primeiro e um segundo FBG’s dispostos de tal modo que o deslocamento mecânico do contato elétrico ao ocorrer o fechamento de chave introduza deformações em sentidos opostos nos ditos FBG’s, as quais se traduzem por mudanças em sentidos igualmente opostos dos respectivos λB’s.

[0037] De acordo com outra característica da invenção, tanto o primeiro como o segundo FBG’s são afetados da mesma forma pelas variações de temperatura, de modo que a medição da amplitude de dito deslocamento é função exclusiva da diferença entre os λB’s correspondentes ao primeiro e ao segundo FBG’s.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0038] As demais características e vantagens da invenção ficarão mais evidentes a partir da descrição de uma concretização da mesma, dada como exemplo e não num sentido de limitação, e das figuras que a ela se referem, nas quais:

[0039] A figura 1 é uma vista lateral simplificada de uma chave seccionadora.

[0040] A figura 2 é um desenho esquemático que mostra um dos contatos de uma chave seccionadora visto de uma posição frontal, em três posições durante seu acionamento.

[0041] A figura 3 mostra o princípio de funcionamento de um sensor óptico

[0042] As figuras 4 e 5 ilustram o princípio de funcionamento de um transdutor óptico no monitoramento óptico da operação de uma chave seccionadora, de acordo com a presente invenção.

[0043] As figuras 6A, 6B e 6C exemplificam a compensação de temperatura no monitoramento óptico de deslocamentos mecânicos.

[0044] A figura 7 mostra o setup óptico juntamente com o diagrama de blocos do sistema completo

[0045] A figura 8 mostra o monitoramento de uma pluralidade de chaves seccionadoras de uma subestação por um único interrogador, situado num centro de monitoramento.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0046] A aplicação das propriedades dos FBG’s no monitoramento óptico das chaves seccionadoras encontra-se exemplificado nas figuras 4 e 5. A Fig. 4 esquematiza a disposição dos principais elementos de um transdutor óptico (17). Segundo ilustrado, duas FBG’s (1A, 1B) são coladas de cada lado de uma lâmina flexível (15) que tem uma de suas extremidades rigidamente fixada à estrutura do transdutor. A extremidade oposta é provida de um came (16) que faz contato deslizante com um elemento cônico (28) solidário com uma haste (9) que se desloca horizontalmente segundo indicado pela seta (34). Um laser, não mostrado na figura, fornece um espectro óptico de banda larga centrado na Banda C de telecomunicações, através da fibra (1). O laser ilumina as FBG’s (1A, 1B) que refletem de volta dois picos espectrais, indicados como λA e λB na Fig. 6A. A extremidade da haste (9) é ajustada para tocar na lâmina de contato (11) por uma rosca localizada no exterior do invólucro do sensor (não mostrada na figura).

[0047] Conforme mostrado na Fig. 5 e também detalhado no texto correspondente à Fig. 2-C, quando a chave seccionadora é rotacionada para fechar, posição (12’), os elementos de contato móveis (14’) da chave tocam e comprimem as lâminas de contato fixas (11’) por uma distância “d”, que por sua vez, deslocam pelo mesmo valor “d” a haste do sensor para a posição (9’). O elemento cônico solidário com dita haste acompanha esse movimento, deslocando-se para a posição (28’) empurrando para cima o came (16’) e fletindo para cima a lâmina (15’).

[0048] A flexão da lâmina (15’) produz a compressão da FBG (1A) e uma extensão na FBG (1B), o que resulta na mudança de suas respectivas frequências de ressonância e, portanto, nos comprimentos de onda refletidos pelos sensores FBG. Devido ao fato das forças de deformação aplicadas às referidas FBG’s terem sentidos diferentes, o pico espectral refletido pelo sensor FBG(1A) desloca-se para a posição λA.T1 e o pico espectral refletido pelo sensor FBG(1B) se desloca no sentido oposto, para a posição λβ.T1 e, consequentemente, a diferença entre os dois picos espectrais passa de Δ0λ para Δ1λ, como ilustrado na Fig. 6B.

[0049] Esses sinais são retornados pela fibra (1) no sentido oposto ao anterior e encaminhados, através de um divisor de feixe, para um analisador de espectro óptico OSA (não representados nas figuras 4 e 5). A análise da magnitude da diferença Δ1λ entre os dois picos espectrais refletidos permite determinar o valor do deslocamento d e o efetivo fechamento dos contatos da chave.

[0050] A utilização de duas FBG’s (1) permite compensar os efeitos das variações de temperatura, como ilustrado nas figuras 6B e 6C. Com efeito, considerando que ambos os FBG’s se encontram instalados no sensor (17), uma variação de temperatura de T1 para T2 irá afetá-los de igual modo, ou seja, ambos irão se dilatar ou contrair ao mesmo tempo e na mesma direção. O efeito dessa variação encontra-se exemplificado na Fig. 6C, onde a variação de temperatura de T1 para T2 fará com que todo o espectro dos sinais refletidos sofra um deslocamento ΔT, sem afetar, todavia, a diferença Δ1λ entre os dois picos λ^2 e λB,T2. Assim, o sistema considera sempre a diferença entre os dois picos, conforme representado nas figuras 6B e 6C7 e esta diferença permanece a mesma independentemente de qualquer variação térmica ocorrida nas FBGs, seja por aumento ou diminuição de temperatura.

[0051] Na Fig. 7 o setup óptico juntamente com o diagrama de blocos do sistema completo é demonstrado. O transdutor óptico (6) que contém as FBGs descritas nas figuras 4 e 5 se interconecta com o resto do sistema através de uma fibra óptica que percorre todo o pátio da subestação até a sala de controle, onde se encontra o interrrogador (30). A parte do sistema localizada em alta tensão é isolada da parte em baixa tensão através de um isolador óptico (26) por dentro do qual a fibra óptica passa.

[0052] O interrogador (30) compreende uma fonte de luz (3), uma CPU (31) que controla todo o sistema e um OSA (4). Os pulsos refletidos pelo transdutor (17) retornam pela fibra ao sistema interrogador em sentido oposto (35), sendo desviados pelo divisor de feixe (5) que os injeta no OSA (4). O OSA (4), por sua vez, detecta os picos do sinal refletido (Figs. 6B, 6C) que são lidos pela CPU (31) que se comunica com o computador externo (32) enviando esses valores.

[0053] O computador externo, que contem uma tabela de calibração, determina o deslocamento dos picos Δ1λ relacionando-os com o movimento da haste (9), que por sua vez, indica o deslocamento “d” (Fig. 5) da lâmina de contato (11), informando um deslocamento seguro das lâminas (11), garantindo finalmente, que a chave seccionadora (12) fechou efetivamente. Um sinal de saída (33) é então produzido pelo computador (32) que pode ser utilizado pelo sistema surpervisório da subestação para controle e monitoramento da operação.

[0054] O referido sistema de monitoramento do deslocamento das lâminas (11) é repetido nas três fases da chave seccionadora de um sistema de transmissão trifásico (ou nos dois polos de um sistema de transmissão de corrente contínua). O sistema produz um sinal verde para cada sensor localizado em cada contato de cada fase de cada chave seccionadora informando que aquela fase fechou efetivamente.

[0055] Considerando o custo de um dispositivo interrogador de FBG (30) não ser compatível com o custo de uma chave seccionadora, a presente invenção engloba um sistema capaz de monitorar todas as chaves seccionadoras de uma subestação com apenas um interrogador (30).

[0056] Em termos de valores médios, cada subestação possui cerca de 6 a 8 chaves seccionadoras críticas que devem ser monitoradas. A Fig. 8 esquematiza um esquema onde o interrogador de FBG está localizado na sala de controle do centro de monitoramento. Cada um dos sensores localizados em cada uma das fases de cada chave seccionadora (10a, 10b,....10n) são ligados por uma fibra óptica que percorre o pátio da subestação até a sala de controle onde se conecta a uma chave óptica, não havendo nenhuma conexão via cabo ou condutor elétrico. Assim, a chave óptica recebe uma fibra óptica de cada chave seccionadora da subestação. A Fig. 8 mostra n chaves seccionadoras monitoradas ao mesmo tempo por um único interrogador. Em uma operação em que seja necessário abrir ou fechar uma chave seccionadora, o sistema supervisório envia um comando ao microprocessador indicando qual chave seccionadora o operador deseja monitorar. O microprocessador então comanda a chave óptica para interligar o interrogador de FBG com aquela chave seccionadora solicitada e o sistema passa então a monitorar os contatos daquela chave seccionadora. Como normalmente em uma subestação, cada chave é operada separadamente, o sistema pode, em uma operação em que envolvam diversas chaves, monitorar todas as chaves seccionadoras praticamente ao mesmo tempo, bastando para isso selecionar cada chave no momento de sua operação.

[0057] Na Fig. 8 o centro de monitoramento é mostrado ao lado ou dentro da subestação. Todavia, tendo em vista as reduzidas as perdas de sinal nas fibras ópticas, e ao fato de a única ligação entre os sensores e dito centro de monitoramento ser feita por fibra ótica, poderá o mesmo estar afastado de até alguns quilômetros da subestação. Assim, graças ao sensoriamento remoto de alta confiabilidade provido pela invenção, é possível operar com segurança subestações não atendidas e situadas a alguma distância do centro de monitoramento. Evidentemente, tal monitoramento remoto pode ser vantajosamente aplicado à supervisão de uma grande variedade de instalações, onde seja necessário monitorar remotamente deslocamentos mecânicos, tais como ocorrem, por exemplo, nas chaves de linhas férreas, acionamento de válvulas em refinarias, etc.

[0058] Se bem que a invenção tenha sido detalhada através da descrição de uma concretização específica, fica entendido que outras formas de realização são possíveis, sendo a invenção definida e delimitada pelo conjunto de reivindicações que se segue.

Claims (9)

1. SISTEMA DE SENSORIAMENTO ÓPTICO PARA MONITORAMENTO DE DESLOCAMENTOS MECÂNICOS, ditos deslocamentos sendo associados a elementos compreendendo peças, dispositivos, alavancas, válvulas, hastes, em dispositivos ou estruturas civis, mecânicas ou elétricas, caracterizado por compreender um sensor a fibra óptica (17) instalado junto a cada dito elemento, onde dito deslocamento mecânico é convertido na diferença (Δ1λ) entre dois comprimentos de onda dentro do espectro de sinais ópticos por meio de um primeiro (1A) e de um segundo (1B) sensores Bragg (FBG), os quais são submetidos a esforços com sinais opostos mediante um dispositivo de acoplamento mecânico entre dito elemento e ditos sensores Bragg.
2. SISTEMA de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ditos deslocamentos serem associados à abertura e ao fechamento dos elementos elasticamente deformáveis de contato elétrico de chaves seccionadoras em instalações de alta tensão.
3. SISTEMA de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de o dispositivo de acoplamento mecânico compreender uma lâmina flexível (15) com uma de suas extremidades fixa e a extremidade oposta deslocável em função da deformação mecânica de dito contato (11), tendo vinculada a uma de suas faces um primeiro sensor Bragg (1A) e à face oposta um segundo sensor Bragg (1B).
4. SISTEMA de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ditos primeiro e segundo sensores Bragg fazerem parte da mesma fibra (1) e receberem um sinal óptico incidente de amplo espectro (6) através de dita mesma fibra óptico, a qual é conectada através de um divisor de feixe (5) a uma fonte (3) de sinal óptico de amplo espectro.
5. SISTEMA de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de os picos espectrais de banda estreita (λA, λA,Τ1, λΒ, λB,T1) correspondentes às frequências de ressonância, refletidos pelos ditos primeiro e segundo sensores Bragg (1A, 1B) transitarem em sentido oposto a dito sinal incidente (6) e serem encaminhados a um analisador de espectro óptico (OSA) (4) através de dito divisor de feixe (5).
6. SISTEMA de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de a distância (Δ1λ) entre os picos espectrais do primeiro e do segundo sensores Bragg ser proporcional ao grau de flexão de dita lâmina flexível (15’), sendo dito grau de flexão proporcional à deformação mecânica (d) do contato (11) da chave seccionadora.
7. SISTEMA de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de o dispositivo de acoplamento mecânico compreender uma haste deslizante (9) com a sua extremidade justaposta ao contato da chave seccionadora, um elemento cônico (28) solidário com a referida haste e um came (16) solidário com a extremidade deslocável de dita lâmina flexível (9), onde a movimentação de dita haste deslizante empurra o dito came produzindo a flexão de dita lâmina flexível e consequente compressão de dito primeiro sensor Bragg (1A’) e a extensão de dito segundo sensor Bragg (1B’).
8. SISTEMA de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de compreender uma pluralidade de transdutores (17) cada um do quais associado a um contato elétrico (11) da chave seccionadora (10, 10a, 10b,....10n) onde a interligação entre ditos transdutores e o centro de monitoramento se dá exclusivamente por meio de fibras ópticas.
9. SISTEMA de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de compreender um interrogador (30) provido de uma fonte de luz (3) de amplo espectro (6) enviando um sinal óptico a uma primeira fibra óptica (2), um analisador de espectro óptico (OSA) (4) recebendo o sinal de retorno através de uma segunda fibra óptica (7), um divisor de feixe (5) conectado de um lado às extremidades distais de ditas primeira e segunda fibra ópticas e do lado oposto à fibra óptica (1) ligada aos ditos sensores Bragg (1A, 1B), uma CPU (31) recebendo as informações do dito analisador de espectro óptico (OSA) tendo sua saída ligada a um computador externo (32) que determina o grau de fechamento do contato da chave seccionadora em função da distância (Δ1λ) entre os picos espectrais de banda estreita do sinal retornado ao OSA pela segunda fibra óptica.

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