BR102021011076A2 - Transformador de potencial óptico - Google Patents

Abstract

A invenção se refere a um Transformador de Potencial Óptico (TPO), constituido de um sistema com uma Unidade Optoeletrônica de Processamento de Sinais e uma Unidade Óptica de Medição de Alta Tensão com elemento sensor totalmente óptico e passivo, que possui o funcionamento com base na variação de certas características ópticas de materiais eletro-ópticos na presença de campos elétricos externos, tais como 0 índice de refração, dentre outras, comunicado a fibras ópticas e que pode ser conectado diretamente a altas tensões e realizar medições com elevada exatidão.

Description

TRANSFORMADOR DE POTENCIAL ÓPTICO CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção diz respeito a um transformador de potencial óptico.

ESTADO DA TÉCNICA

[002] Ao contrário dos transformadores de potencial (TP) convencionais, os TP puramente ópticos não possuem um núcleo ferromagnético. Eles são baseados nos efeitos dos campos elétricos sobre feixes de luz polarizados. Os efeitos Pockels e Kerr são os mais popularmente empregados na fabricação de TP ópticos (TPO), mas outros também podem ser utilizados.

[003] Grandes fabricantes oferecem seus modelos de TPO no mercado, sendo que todos empregam fibras ópticas para comunicar os sinais entre o sensor primário (conectado ao ponto do sistema de alta tensão a ser monitorado) e o conversor secundário (conectado aos equipamentos de medição ou proteção).

[004] Os sensores ópticos de tensão constituem uma tecnologia investigada desde a década de 1970 (MARTINS, 2006; LIMA; McClelland, 2009), contudo, somente a partir da década de 90, tomaram-se viáveis comercialmente. Apesar de proporcionarem exatidão adequada, no passado esses dispositivos apresentavam inconveniências pela baixa capacidade de fornecer potência em seus secundários para alimentar a instmmentação analógica, à base de bobinas de corrente e de tensão. No entanto, devido á instalação em massa dos relés e medidores microprocessados no sistema elétrico atual, os quais são capazes de operar com sinais de baixo nível de potência, o TPO tomou-se uma tecnologia atrativa, viável e competitiva (ABB, 2012).

[005] No TPO, ao invés de medir-se a tensão elétrica propriamente dita, são medidas variações provocadas pelo campo elétrico associado a essa tensão nas características da luz que se propaga através de certos materiais.

[006] A tecnologia utilizada na constmção de TPOs está bem consolidada e, na literatura especializada, existem diversos estudos relatados sobre o assunto, como os de Ulmer (1990), Maffetone e McClelland (1991), Santos (1993), IEEE (1994), Christensen (1995) e Silveira e Guimarães (1997).

[007] Em 1983, Kyuma et al, implementaram um sensor eletro-óptico de tensão em óptica volumétrica com cristal de Germanato de Bismuto (BGO). Este cristal, com simetria cúbica, exibe excelentes propriedades ópticas e baixa sensibilidade a variações de temperatura ambiente.

[008] Martins (2006) relata que Imai et al. (1987) implementaram um sistema interferométrico no qual o elemento sensor era um trecho de fibra óptica revestido com Fluoreto de Polivinilideno (PVDF), um polímero piezelétrico que deforma a fibra óptica na presença de campo elétrico, proporcionando modulação de fase óptica.

[009] Destaca-se ο levantamento feito por Santos, em 1993, sobre experiências de aplicação de sensores ópticos de tensão e corrente em sistemas elétricos de potência (SEP) (SANTOS, 1993).

[010] Também em 1993, Fabiny et al. descreveram um sensor de potencial em fibra óptica baseado no efeito eletroestrictivo. Este era constituído de uma bobina de fibra óptica enrolada sobre um cilindro de cerâmica eletroestrictiva, atuando como elemento sensor em um dos braços de um interferômetro de Mach-Zehnder. A cerâmica vibra mecanicamente, deformando a fibra e causando modulação de fase óptica, a qual é detectada e relacionada à tensão sob medição.

[011] Ainda nesse mesmo ano, Lee et al. divulgaram os resultados de um sensor de alta tensão em óptica integrada. Implementado em Niobato de Lítio (LiNbO3), este sensor foi fabricado através de tecnologia de microeletrônica para estabelecer eletrodos e guias de ondas ópticas, cujo modo de propagação sofre modulação pelo campo elétrico externo, via efeito eletro-óptico.

[012] Em 1995, Christensen apresentou um TPO à base de BGO, para medir tensões na faixa de 150 kV sem a necessidade de divisores capacitivos.

[013] Em 2000, Santos et al., descreveram um TPO baseado numa célula Pockels construída a partir de um cristal de BGO, capaz de operar em potenciais de até 400 kV (SANTOS, 2000). Esta célula foi preenchida com gás SF6, a fim de aumentar a suportabilidade dielétrica entre os eletrodos.

[014] León et al. (2001) relataram um sensor em configuração interferométrica em fibra óptica, onde o elemento sensor é uma bobina de fibra enrolada em cilindro de Titanato Zirconato de Chumbo (PZT). Neste caso, 0 sinal de saída foi codificado em frequência e a tensão relacionada à largura de banda do espectro de frequências.

[015] Cristais de LiNbO3 foram usados por Li & Yoshino, em 2002, quando propuseram uma configuração denominada multiplicador eletro-óptico, usada para medir tensões DC e AC.

[016] Em 2004, Niewczas et al., descreveram um sensor de tensão em fibra óptica, usando redes de Bragg (Fiber Bragg Gratings) coladas sobre substratos piezoelétricos, capaz de operar até 5 kV.

[017] Carvalho et al., 2007, afirmaram que os TPO já eram comercializados desde o ano de 2000. Atualmente, esses equipamentos são fabricados e comercializados em vários países, por empresas como ABB, Siemens, GE, entre outras.

[018] Um TPO pode ser implementado explorando-se diferentes princípios físicos, que alteram as propriedades ópticas de diversos materiais sensíveis ao campo elétrico, e seguindo diversas configurações para atender diferentes características de operação.

[019] Também encontram-se na atualidade transformadores de potencial ópticos construídos mediante arranjos opto-mecânicos, nos quais elementos mecanicamente sensíveis ao campo elétrico, como por exemplo materiais piezelétricos cujas dimensões variam em função de campos elétricos extemamente aplicados, são usados para alterar comprimentos de caminhos ópticos ou para deformar fibras ópticas nas quais elementos sensíveis à deformação foram inscritos, como por exemplo redes de Bragg (FBG - acrônimo do inglês Fiber Bragg Grattings).

[020] Atualmente, os transformadores de potencial puramente ópticos, em sua maioria, empregam a configuração volumétrica, usando cristais eletro-ópticos como elementos sensores em um arranjo polarimétrico para modulação de intensidade óptica.

[021] Entretanto, as técnicas de modulação de intensidade óptica não apresentam bom desempenho em termos de estabilidade das medições.

[022] Por outro lado, para atingir elevada exatidão nas medições é necessário que a sensibilidade do sensor óptico de potencial, que é a parte de um TPO que traduz o potencial medido em sinal óptico, seja adequada, de forma que a tensão a ser medida cause uma modulação significativa do sinal óptico.

[023] Também é importante que as influências do meio externo sobre o enlace de comunicação a fibras ópticas sejam eliminadas para que não afetem a exatidão das medições dos TPO.

[024] Vários exemplos de TPO propostos e patenteados recentemente, diferentemente do presente pedido, não apresentam características que lhes permitam atender os requisitos de performance citados.

[025] O documento BR 10 2012 004343-2 descreve um transformador de potencial eletrônico, que não mede diretamente a tensão monitorada, mas utilizando sensores de campos elétricos ativos ao invés dos sensores ópticos passivos utilizados em um TP puramente óptico, diferenciando-se assim do presente pedido. Ainda, o documento BR 10 2012 004343-2 descreve a utilização de 3 sensores de campos elétricos ativos distribuídos, ao invés de 1 sensor óptico passivo contínuo como o usado no presente pedido.

[026] Há diversos exemplos de inventos propostos em que a medição de uma tensão elevada é feita por meio de uma divisão capacitiva. Tais são os caso descritos nos documentos US5128608, BR 10 2015 001259-4, PI 1104420-9, PI 1104421-7. Nesses exemplos, em que o elemento sensor mede apenas uma fração da tensão total, pode existir o problema da instabilidade da medição devido a variações das características do divisor capacitivo por modificações de componentes internos ou por influências externas, o que compromete a exatidão dos equipamentos.

[027] Existem alguns exemplos de soluções no estado da técnicas que se aproximam da proposta do presente pedido sem, no entanto, se assemelharem em termos de funcionalidade ou construção.

[028] O documento US6122415 apresenta um sensor de tensão eletro-óptico “in-line” cuja estrutura é superficialmente descrita, citando genericamente que o mesmo utiliza alguns dos elementos, mas não todos, contidos na solução do presente pedido, tais como uma fonte de luz de baixa coerência, um polarizador, um modulador de birrefringência, um sensor eletro-óptico, etc. No entanto, o documento não descreve a maneira de implementar o sensor eletro-óptico para que ele possa efetivamente realizar a medição direta de altas tensões, nem da forma como a sensibilidade desse sensor poderia ser ajustada à necessidade de medições com elevada exatidão, diferentemente do presente pedido que revela tais características e informações. Além disso, a técnica descrita no documento conduz a uma limitação do invento apresentado relacionada ao comprimento do enlace de fibra óptica empregado entre o sensor eletro-óptico e o sistema de processamento de sinais ópticos e eletrônicos, de forma que uma vez escolhido o comprimento da fibra a frequência de operação do modulador de birrefringência fica fixada e não pode ser alterada para melhorar a performance do sistema em função da aplicação das medições. Devido às diferenças em termos de topologia e de componentes empregados, tal limitação não existe na solução apresentada no presente pedido.

[029] O documento BR 10 2015 012892-4 descreve um equipamento para medição de tensão óptica que também utiliza sensor puramente óptico. Entretanto, ele se difere do presente pedido pela não utilização de um rotator Faraday na unidade de detecção, por utilizar um rotator Faraday na unidade de sensor para compensação de temperatura, finalidade esta completamente diferente daquela para a qual o mesmo componente é empregado no invento do presente pedido, e pelo funcionamento do "aparelho de medição de tensão" descrito no documento possuir funcionamento que exige, a exemplo do documento anterior, que sua frequência de modulação seja fixa e pré-determinada, sendo substancialmente diferente do TPO do presente pedido, que permite o uso de qualquer frequência de modulação, podendo ser escolhida a que for mais conveniente para a aplicação desejada. Além disso, a construção da "unidade de sensor" descrita no documento não pode ser submetida diretamente a elevadas tensões e não prevê meios para ajustar sua sensibilidade, sendo completamente diferente da Unidade de Medição de Alta Tensão (UOMAT) proposta no presente pedido, que pode ser submetida diretamente a altas tensões e apresenta recursos para ter sua sensibilidade ajustada para medir com elevada exatidão qualquer tensão aplicada.

[030] Desta forma, o transformador de potencial óptico da presente invenção visa resolver os problemas do estado da técnica relacionados: ao ajuste da sensibilidade do elemento sensor óptico ao nível de tensão a ser medido; à eliminação da sensibilidade do enlace de fibras ópticas às influências ambientais; e às características de estabilidade e exatidão das medições efetuadas, permitindo que o TPO apresentado possa ser aplicado tanto nos serviços de medição e proteção quanto na atividade de calibração de TPs convencionais.

RESUMO

[031] A presente invenção descreve um transformador de potencial óptico (TPO) compreendendo uma unidade óptica de medição de alta tensão (UOMAT) (200) e uma unidade optoeletrônica de Processamento de sinais (UOPS) (100).

[032] A unidade optoeletrônica de processamento de sinais (UOPS) (100) é composta por uma Unidade de geração de sinal luminoso (110), uma unidade de processamento óptico (UPO) (120) e uma unidade de processamento eletrônico (UPE) (130).

[033] A unidade óptica de medição de alta tensão (UOMAT) (200) é composta por um invólucro isolador de alta tensão (201) e uma célula sensora de alta tensão (210).

[034] Desta forma, os campos elétricos são gerados sobre o elemento sensível pela aplicação da tensão elevada, a qual se deseja medir de forma segura e precisa, a um conjunto de célula sensora de alta tensão (210).

DESENHO

[035] A figura 1 é uma representação esquemática de um TPO exemplar.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[036] O transformador de potencial óptico (TPO) tem seu funcionamento com base na variação de certas características, tais como mas não limitadas a, índice de refração, de materiais eletro ópticos na presença de campos elétricos externos. Os campos elétricos são gerados sobre o elemento sensível pela aplicação da tensão elevada, que se deseja medir de forma segura e precisa, a um conjunto chamado célula sensora de alta tensão (210). Para a leitura das variações de características ópticas do elemento eletro-óptico sensível (213), este deve ser percorrido por um sinal luminoso de referência, que sofre alterações em função da tensão elétrica aplicada à Unidade de Medição de Alta Tensão (UMAT) (200) do TPO. O sinal luminoso alterado deve ser processado opticamente, transformado em sinal elétrico e então ser processado eletronicamente para gerar uma medida. Desta forma, o TPO é constituído de um sistema, que pode ser dividido em duas partes básicas, conforme representado na figura 1. Uma parte é a chamada Unidade Óptica de Medição de Alta Tensão (UOMAT) (200), a qual é submetida à alta tensão a ser medida, e a outra parte é a Unidade Optoeletrônica de Processamento de Sinais (UOPS) (100), que permanece seguramente isolada da alta tensão a ser medida, uma vez que as duas unidades são conectadas apenas por um enlace de fibra óptica do tipo Polarização Mantida (PM) (103). Cada uma das partes é descrita detalhadamente a seguir.

[037] Unidade Optoeletrônica de Processamento de Sinais (UOPS) am

[038] A Unidade Optoeletrônica de Processamento de Sinais (UOPS) (100) é composta basicamente por 3 partes:

• i) a Unidade de Geração do Sinal Luminoso (UGSL) (110),
• ii) a Unidade de Processamento Óptico (UPO) (120) e
• iii) a Unidade de Processamento Eletrônico (UPE) (130).

[039] i) Unidade de Geração do Sinal Luminoso (UGSL) (110)

[040] O sistema do TPO necessita de um elemento que forneça o sinal luminoso de referência que será modificado pela ação da alta tensão sobre o elemento eletro-óptico sensivel. Esta é a função do conjunto de componentes chamado Unidade de Geração do Sinal Luminoso (UGSL) (110), que está incluída no esquema do sistema do TPO, na figura 1 acima. Seus componentes são os seguintes:

[041] Fonte de alimentação. Este componente consiste em uma fonte controlada de corrente contínua (C.C.) e um circuito eletrônico controlador de temperatura, os quais estão conectados aos terminais do componente gerador de luz de baixa coerência espectral (112), como por exemplo, mas não limitando a, um Super Luminescent Diode (SLD). Esta fonte de alimentação está sendo alimentada por outra fonte de tensão controlada em corrente contínua que alimenta todos elementos ativos do TPO. A fonte não está representada nem descrita no presente pedido.

[042] Gerador de luz de baixa coerência espectral (112). Este componente é responsável por fornecer o feixe de luz de referência com as características necessárias para o correto funcionamento do TPO. As principais características exigidas são: baixa coerência espectral, elevada potência óptica, elevada estabilidade do comprimento de onda central e elevada estabilidade do padrão de polarização da luz gerada. Há vários tipos de componentes optoeletrônicos adequados para esta aplicação, como por exemplo o componente indicado na figura 1, que é um Super Luminescent Diode (SLD) acoplado a uma fibra óptica do tipo polarização mantida (PM), a qual transmite a luz gerada ao ponto onde deve ser aplicada sem alterar seu estado de polarização.

[043] Emenda de fibras ópticas. Esta emenda deve ser realizada entre as fibras ópticas PM de saída do SLD (112) e de entrada do componente ramificador de luz empregado, como, por exemplo, o circulador óptico (114) indicado na figura 1. Tal emenda deve ser feita tomando o cuidado de manter alinhados os eixos ópticos das fibras PM.

[044] Componente ramificador de luz. Há vários tipos de componentes ópticos capazes de realizar esta função, como, por exemplo, o circulador óptico de 3 portas, com fíibras ópticas tipo PM em seus 3 acessos, representado na figura 1. Este componente tem a finalidade de transmitir a luz gerada pelo SLD (112) à Unidade de Processamento Óptico de sinais (UPO) (120), 0 que é feito através de um componente do tipo conector de fibras ópticas (116) que permite a conexão da fibra de acesso da segunda porta do componente a um cabo de fibra óptica do tipo PM (101), sendo que a outra terminação deste cabo se conecta ao conector de entrada da UPO (121). O ramificador de luz também tem a função de direcionar a luz oriunda da UPO á Unidade de Processamento Eletrônico de sinais (UPE) (130). Isto é feito através do conector (114) colocado no terminal da fibra de acesso da porta 3 do ramificador, o qual permite a conexão deste acesso ao cabo de fibra óptica (102) que transmite a luz oriunda da UPO ao conector (131) de entrada da Unidade de Processamento Eletrônico (UPE) (130).

[045] ii) Unidade de Processamento Óptico (UPO) (120)

[046] O sistema do TPO necessita de um elemento que prepare o sinal luminoso de referência para que ele possa ser modificado convenientemente pela ação da alta tensão sobre o elemento eletro-óptico sensível (213). Como a célula sensora de alta tensão (210) possui um elemento refletor (211) em uma de suas extremidades, o sinal luminoso é refletido e retorna pelo elemento sensível (sendo novamente modificado) e retoma pelo mesmo caminho de onde veio até a UPO. É portanto também função da UPO retrabalhar este sinal de retomo e prepara-lo para ser enviado à UPE, onde será convertido em sinal elétrico e processado eletronicamente. A Unidade de Processamento Óptico (UPO) (120) está incluída no esquema do sistema do TPO, na figura 1. Seus componentes são os seguintes:

[047] Polarizador. Este componente é um tipo de filtro óptico que só permite a transmissão de luz linearmente polarizada numa direção previamente determinada. Ele pode ser realizado por meio de diversas técnicas e ter tipos de constmção variados, podendo ser constmído totalmente em fibra óptica, ser montado a partir de cristais volumétricos, ser fabricado por meio de óptica integrada, etc. Qualquer que seja sua construção 0 polarizador pode ser dotado de duas fibras ópticas de acesso, por meio das quais pode-se fazer com que a luz o atravesse num sentido ou no sentido contrário. Na UPO este componente é dotado de duas fibras ópticas do tipo PM. Uma delas recebe a luz proveniente da UGSL por meio da emenda (122) com a fibra PM ligada ao conector (121). Tal emenda é feita de forma a alinhar os eixos de polarização das duas fibras. O polarizador (123) é alinhado com um dos eixos das fibras PM de acesso, por exemplo o eixo x. Desta forma, apenas a parcela da luz proveniente da UGSL que tiver polarização alinhada com o eixo x passará através do polarizador. Da mesma forma, da luz que ingressar no polarizador pelo acesso contrário, vinda do modulador eletro-óptico de birrefringência (125), também só será transmitida a parcela que tiver polarização paralela ao eixo x, qual será enviada para o conector (121) e daí para a UGSL via cabo óptico (101).

[048] Modulador Eletro-óptico de Birrefringência. Este componente tem a finalidade de introduzir uma modulação tipo diferença de fase entre duas componentes de polarização ortogonais da luz que o atravessa. Este tipo de diferença de fase sempre é observado quando duas componentes de luz ortogonalmente polarizadas passam através de um material birrefringente, sendo por isso chamado de modulador de birrefringência. Para obter a modulação da birrefringência podem-se utilizar várias técnicas e materiais. No caso do TPO descrito sugere-se a utilização de um material eletro-óptico, 0 qual tem sua propriedade de birrefringência alterada pela aplicação de um campo elétrico produzido por uma tensão elétrica extemamente aplicada ao componente. Por isso o componente é chamado de modulador eletro-óptico de birrefringência. Como a luz do feixe luminoso de referência proveniente da UGSL foi previamente polarizada pelo elemento polarizador (123), para que existam duas componentes de polarização ortogonais ingressando no modulador pode-se, por exemplo, "torcer" a fibra PM proveniente do polarizador de forma a inclinar seu eixo óptico x para um ângulo de 45° em relação ao eixo x do cristal eletro-óptico do modulador, emendando esta fibra com a de acesso do modulador, que não é PM, e posteriormente garantindo que a torção imposta antes da emenda não mais se alterará. Isso é realizado por meio da emenda de fibras especial (124). O modulador eletro-óptico de birrefringência deve ser, idealmente, livre de birrefringência natural, ou seja, apresentar birrefringência nula quando a tensão elétrica aplicada externamente for nula. Caso exista alguma birrefringência natural no modulador esta deverá ser compensada extemamente por outro componente a ser inserido em série com ele, como por exemplo a lâmina de atraso (ou retardo) de fase apropriada (126) indicada na figura 1. A tensão de modulação que controla o modulador eletro-óptico de birrefringência é fornecida pela Unidade de Processamento Eletrônico (130).

[049] Emenda de Fibras Ópticas Especial. Esta emenda é inserida entre a fibra de acesso do modulador, que não é PM, e a fíbra de acesso do Rotator Faraday (que neste caso também não é PM) com o cuidado de inserir-se uma torsão entre elas, de forma a impor que as direções de polarização das componentes de luz que deixam o modulador, após passarem pelo Rotator, estejam alinhadas com as direções de polarização da fibra PM que realiza a comunicação entre a UPO e a UOMAT, uma vez que este alinhamento é essencial para garantir a conservação do padrão de polarização da luz ao longo da transmissão pela fibra.

[050] Rotator Faraday. Este componente promove uma rotação das orientações das direções de polarização das componentes de luz que o atravessam. No caso do TPO este rotator impõe rotações de 45°, que se acumulam quando a luz o atravessa tanto num sentido de propagação quanto no outro. Assim, as componentes da luz que retoma da UOMAT têm suas direções de polarização trocadas, ou seja, a componente polarizada em x que deixou 0 modulador indo na direção da UOMAT ao passar pelo rotator Faraday na volta da UOMAT retoma ao modulador na direção y, e vice-versa. A inclusão deste componente é feita para compensar uma outra inversão de direções de polarização que é feita na célula sensora de alta tensão (210), por motivos que serão explicados posteriormente. Portanto, de fato, após as duas inversões, as componentes da luz polarizadas nas direções x e y que atravessam o modulador indo para a UOMAT retornam ao modulador nas mesmas orientações, permitindo que sua modulação de birrefringência se acumule nos dois sentidos de propagação.

[051] Conector. O Rotator Faraday tem uma fibra de acesso não PM na porta que recebe a luz proveniente do modulador e uma fibra de acesso tipo PM na porta ligada ao conector (129) que permite a conexão com o cabo de fibra tipo PM responsável pela comunicação entre a UPO e a UOMAT.

[052] iii) Unidade de Processamento Eletrônico (UPE) (130)

[053] Esta unidade tem por objetivo receber o sinal de luz proveniente da UPO por meio da terceira porta do componente de ramificação de luz (114), converte-lo para um sinal elétrico e depois processa-lo eletronicamente para obter a medida da alta tensão aplicada à UOMAT. Tem ainda a função de gerar um sinal de modulação elétrico a ser aplicado ao modulador de birrefringência eletro-óptico (125), o qual é responsável pela modulação do sinal óptico a fim de permitir sua demodulação eletrônica de forma síncrona, empregando uma técnica conveniente, por exemplo a técnica de vales-e-picos sugerida no presente TPO.

[054] A partir da figura 1 observa-se que o sinal de natureza óptica ingressa na UOPS (120) pelo conector de entrada óptica (129) e, após passar pela mesma, é direcionado à UPE (130), na qual ingressa pelo conector de entrada de sinal óptico (131) da Unidade de Entrada de Sinal Óptico (UESO) (133), da qual o único componente destacado na figura é o fotodetector (131).

[055] Fotodetector (131). Este componente é responsável por converter em sinal de corrente elétrica a potência óptica do sinal luminoso recebido da UPO através da porta 3 do componente de ramificação de luz (114). Há vários tipos de componentes optoeletrônicos disponíveis comercialmente para realizar esta função, como por exemplo fotodiodos tipo PIN, fotodiodos tipo APD, fototransistores, etc. Contudo, em geral, o tipo de componente mais utilizado é o fotodiodo tipo PIN. Tal componente apresenta uma relação de proporcionalidade na conversão da potência óptica aplicada para a fotocorrente gerada numa ampla faixa de potências. Ainda na UESO, o sinal de fotocorrente gerado é entregue a um circuito amplificador, que em geral o converte para um sinal em tensão elétrica, sendo, neste caso, denominado de amplificador de transimpedância. Dependendo das características deste amplificador, pode ser obtida uma ampla faixa de resposta em frequência do sinal medido, favorecendo a performance do sistema do TPO.

[056] O sinal elétrico de tensão adequadamente acondicionado pela UESO é processado pela UPE para obtenção das informações contidas na fase óptica da onda luminosa, através de parâmetros que irão permitir o cálculo do valor primário de tensão aplicada ao TPO. Estas informações são digitalizadas e processadas digitalmente. Para tanto a UPE conta com recursos computacionais para efetuar o controle e os cálculos necessários ao correto funcionamento do TPO, consistindo em pelo menos, mas não limitados a, um microcontrolador e um circuito de síntese digital FPGA, além de outros componentes necessários para seu completo funcionamento. Variações indesejadas no sinal óptico (provenientes de derivas térmicas e de outras naturezas) são detectadas pela UPE e sinais de compensação são gerados, acrescentados ao sinal de modulação e enviados ao modulador eletro-óptico (125) da UPO (120) através da saída de sinal de modulação, via conexão (125a).

[057] A UPE é também responsável pela interconectividade do TPO com meio externo, entregando um sinal de saída que informa o valor instantâneo da tensão medida. Esta saída pode ser fornecida no formato digital, através de uma porta de comunicação digital, ou no formato analógico.

[058] Unidade Óptica de Medição de alta tensão (UOMAT)

[059] A UOMAT (200) é um conjunto de componentes e elementos que pode ser submetido diretamente à alta tensão que deseja-se medir, de forma segura e precisa, e fornecendo em uma saída composta por uma única fibra óptica, um sinal luminoso que contém a informação necessária para que uma outra unidade do TPO, a UOPS, realize a modulação, demodulação, e recuperação da informação, produzindo em sua saída um sinal elétrico, na forma analógica ou preferencialmente digital, que fornece uma medida da alta tensão aplicada. Os elementos e componentes da UOMAT conforme aparecem na figura 1, são os seguintes:

[060] O conjunto da UOMAT (200) é composto fimdamentalmente por dois elementos: a) um invólucro isolador de alta tensão (201) e b) uma célula sensora de alta tensão (210). As características destes dois elementos (dimensões, materiais, geometrias, etc.) definem em conjunto a máxima tensão que pode ser aplicada à UOMAT. O projeto adequado destes elementos pode permitir que a UOMAT efetue a medição direta de qualquer nível de tensão, seja em média tensão de distribuição (até 36 kV), em alta tensão de transmissão (até 230 kV), em extra-alta tensão de transmissão (até 750 kV) ou até em ultra-alta tensão (acima de 750 kV). Segue uma descrição de seus elementos e componentes. O ajuste da sensibilidade da célula sensora (210) pode ser obtido de várias formas, como por exemplo através da escolha do material eletro-óptico do qual é feito o elemento sensor (213). As constantes eletro-ópticas desse material afetam diretamente a sensibilidade do elemento sensor. Outra forma de realizar o ajuste da sensibilidade da célula sensora (210) é fazendo com que o elemento sensor (213) seja composto de duas partes do mesmo material, entre as quais é posicionado o elemento refletor (212). A escolha da posição do elemento refletor (212) influi também diretamente na sensibilidade do elemento sensor (213). A escolha da orientação relativa entre as direções do campo elétrico aplicado e dos eixos cristalinos do material de que é feito o elemento sensor (213) também pode ser usada para ajustar a sensibilidade do elemento sensor (213) e, portanto, da célula sensora (210).

[061] a) Invólucro Isolador de Alta Tensão (201).

[062] Este componente é responsável por acondicionar a célula sensora de alta tensão (210) e os demais componentes da UOMAT. É vedado, garantindo proteção mecânica e contra fatores ambientais adversos (como presença de poeiras, gases ou outros contaminantes). É fabricado com materiais isolantes (cerâmicos, vítreos, poliméricos, etc.) adequados para resistirem ao nível máximo de tensão que se deseja medir. Possui desenho externo adequado para o tipo de exposição ambiental em que se deseje utilizar a UOMAT (liso para uso interno ou com "saias" para uso externo). Apresenta espaço interno livre, suficiente para serem acomodados e fixados os componentes e a célula sensora, que pode ser preenchido com meio isolante gasoso, liquido ou sólido, conforme a necessidade. Suas dimensões, materiais e formas são definidas de acordo com o nível de tensão que deseja-se medir.

[063] Conector de fibras ópticas (202). Este componente permite a conexão do cabo de fibra óptica tipo PM (103), responsável pela comunicação entre a UOMAT e a UPO, com a fibra óptica tipo PM de acesso ao componente colimador (216), através da emenda de fibras (203), na qual deve-se tomar o cuidado de manter o alinhamento relativo entre os eixos de polarização de ambas as fibras.

[064] Colimador (203). Este componente tem a finalidade de receber a luz proveniente da UPO através da fibra óptica PM (103), expandi-la e colima-la para que o feixe óptico assim produzido possa atravessar (propagando-se de forma livre e não guiada, como acontece no interior de fibras ópticas) os componentes ópticos que formam a célula sensora de alta tensão (210). Como o último componente óptico da célula é um refletor (212), 0 feixe de luz ao atingi-lo é refletido, retomando pelo mesmo caminho pelo qual veio até passar novamente pelo colimador (216). Assim sendo, é também função do colimador receber esta luz refletida, que atravessou o elemento sensor (213) e o rotator Faraday (215), e focaliza-la acoplando-a à fibra óptica PM de acesso, para que ela passe pela emenda (203) e pelo conector (202) e seja dirigida de volta à UPO pela fibra PM (103).

[065] b) Célula Sensora de Alta Tensão (210).

[066] Este conjunto de componentes é o principal elemento do TPO, pois é ele que é submetido ao elevado potencial a ser medido, presente no sistema elétrico de potência, e o traduz em um sinal de luz modulado em padrão de polarização via efeito eletro-óptico de primeira ordem, o chamado efeito Pockels. Há dois tipos de componentes neste conjunto, os ópticos e os elétricos (além dos estruturais não detalhados nesta descrição). Os principais componentes elétricos são os eletrodos superior (211) e inferior (214). Estes dois eletrodos têm suas dimensões e geometrias definidos de acordo com valor máximo da tensão a ser aplicada ao conjunto e são responsáveis por criar um campo elétrico aproximadamente uniforme entre eles que é proporcional à tensão aplicada. Tal campo é o que será aplicado sobre o elemento sensível (213), o qual constitui-se por uma peça de material eletro-óptico (normalmente um cristal, como por exemplo o Germanato de Bismuto - BGO ou 0 Titanato de Bário - BTO, ente outros). O tipo de geometria empregado no TPO é chamado de modulação longitudinal, na qual os feixes de luz atravessam o elemento sensível numa direção paralela à do campo elétrico aplicado. Em uma célula fabricada da maneira descrita na figura 1 o material eletro-óptico exibe variações de seus indices de refração por efeito Pockels que são proporcionais ao campo e, portanto, à tensão aplicada à célula. Desta forma, se o elemento sensível for percorrido por duas componentes de luz ortogonalmente polarizadas com orientações paralelas aos eixos do material eletro-óptico perturbado pelo campo elétrico, será produzida uma diferença de fases entre estes feixes proporcional à tensão aplicada. Tal diferença de fase é a grandeza óptica que é usada para transmitir até a UOPS a informação relativa ao valor da tensão aplicada à UOMAT. Já os componentes ópticos da célula sensora de alta tensão são quatro: o colimador (216), o rotator Faraday (217), ο elemento sensor (213) e o refletor (212). A principal inovação introduzida nesta estrutura em relação à de uma célula sensora eletro-óptica por efeito Pockels convencional consiste na inclusão do componente rotator Faraday (216). Tal componente, aliado ao enlace de fibra óptica especial (103), tipo polarização mantida (PM), realiza duas conversões de modulação: uma de padrão de polarização para padrão espectral quando a luz viaja da UPO para a UOMAT, e outra conversão de patrão espectral para padrão de polarização quando a luz viaja da UOMAT para a UPO. Como a fonte de luz empregada na configuração desenvolvida (112) é de banda espectral larga, no caso um Diodo Super Luminescente (SLD), pode-se dizer que o TPO emprega a técnica de Interferometria de Luz Branca (White Ligth Interferometry - WLI) e pode ser classificado como um Interferômetro de Baixa Coerência a Fibra Óptica (Fiber Optic Low Coherence Interferometer - FOLCI) com dupla modulação. Ο princípio de funcionamento do sistema do TPO, baseado na técnica W/LI, consiste na construção de um interferômetro que opera com dois (ou mais) feixes de luz de baixa coerência espectral. Na alternativa adotada no TPO descrito, os dois feixes em questão são as duas componentes de luz ortogonalmente polarizadas que viajam nos dois sentidos do enlace de fibras ópticas que conecta em série todos os componentes ópticos do TPO entre o polarizador (123) e 0 elemento refletor (212). Para que seja observada a interferência entre os dois feixes na saída do interferômetro é preciso que a diferença de fase entre eles não exceda um valor limite associado a uma parâmetro denominado comprimento de coerência, definido em função do comprimento de onda central (λc) e da largura de espectro (Δλ) da fonte de luz SLD (112). Para que o TPO descrito funcione adequadamente é necessário que as duas componentes de luz ortogonalmente polarizadas provenientes do modulador (125) viajem paralelamente aos eixos da fibra PM (103) responsável pela comunicação entre a UPO e a UOMAT, pois assim elas não se acoplam e evita-se o efeito de perda de visibilidade da interferência, conhecido como desvanecimento por deriva de polarização. No entanto, como cada eixo de uma fibra PM exibe um índice de refração diferente do outro (sendo um chamado de eixo rápido e outro chamado de eixo lento), à medida que os feixes propagam-se ao longo da fibra PM é introduzida uma diferença de fase crescente. Esta diferença de fase supera em muito o limite imposto pelo comprimento de coerência, fazendo com que a informação de diferença de fase passe do padrão de polarização para o padrão espectral. Para compensar a diferença de fase imposta na propagação da luz num sentido da fibra PM pode-se promover a inversão das direções de polarização das componentes de luz quando elas estiverem se propagando no sentido contrário da fibra. Com isso a diferença de fase imposta na ida é retirada na volta, fazendo com que a informação de diferença de fase passe do padrão espectral para o padrão de polarização. Para obter tal inversão utiliza-se o rotator Faraday (215) com ângulo de rotação de 45° inserido entre 0 elemento colimador (216) e o elemento sensor (213). Na configuração da célula sensora (210) as duas componentes com polarizações ortogonais do feixe de luz recebido da UPO via fibra PM (103) são expandidas e colimadas pelo colimador (216) e passam pelo rotator Faraday (215) sofrendo um giro em suas orientações de polarização de 45°. A orientação entre o rotator Faraday (215) e o cristal eletro-óptico do elemento sensível (213) é ajustada para que as direções de polarização das duas componentes de luz do feixe que deixa o rotator Faraday (215) coincidam com as orientações dos eixos principais de índices de refração do cristal (213). As duas componentes propagam-se através do elemento sensível (213) desde o rotator Faraday (215) até 0 refletor (212), acumulando diferença de fase proporcional à tensão aplicada, e são por ele refletidos, retomando através do elemento sensível sem que haja alteração nas direções de polarização. Com isso a diferença de fase imposta às componentes na ida será também imposta na volta, dobrando o efeito da sensibilidade do elemento sensível (213) à tensão aplicada. Ao deixar elemento sensível (213) as duas componentes com polarizações ortogonais da luz refletida passam novamente pelo rotator Faraday (215), sofrendo nova rotação de direções de polarização de mais 45°, concordante com a rotação sofrida na primeira passagem. Com isso, a componente que viaja na direção paralela ao eixo x da fibra (103) na vinda da UPO, passa a viajar na direção paralela ao eixo y da fibra (103) na volta à UPO. Ο mesmo ocorre com a componente que viaja na direção y da fibra (103) na vinda da UPO, que passa a viajar na direção paralela ao eixo x da fibra (103) na volta à UPO.

[067] Algumas características da presente invenção foram apresentadas, entretanto, a invenção não é limitada pelos exemplos aqui mostrados. Deve ser entendido que omissões, substituições, mudanças na forma e detalhes do sistema e método podem ser feitos por uma pessoa versada na técnica, sem sair do espírito e escopo da invenção.

Claims (6)

1. Transformador de potencial óptico (TPO), caracterizado por compreender uma unidade óptica de medição de alta tensão (UMAT) (200) e uma unidade optoeletrônica de processamento de sinais (UOPS) (100).
2. Transformador de potencial óptico (TPO), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a unidade optoeletrônica de processamento de sinais (UOPS) (100) compreender uma unidade de geração do sinal luminoso (UGSL) (110), uma unidade de processamento óptico (UPO) (120) e uma unidade de processamento eletrônico (UPE) (130) que pode operar em qualquer frequência de modulação conveniente.
3. Transformador de potencial óptico (TPO), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por a unidade de geração de sinal luminoso (UGSL) (110) compreender uma fonte de alimentação, um gerador de luz de baixa coerência espectral, emenda de fibras ópticas e componente ramificador de luz.
4. Transformador de potencial óptico (TPO), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por a unidade de processamento óptico (UPO) (120) compreender um polarizador, um modulador eletro-óptico de birrefringência, emenda de fibras ópticas especial, lâmina de atraso para compensação de birrefringência, rotator Faraday e conector.
5. Transformador de Potencial Óptico (TPO), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por a unidade de processamento eletrônico (UPE) compreender pelo menos, mas não limitado a, uma Unidade de Entrada de Sinal Óptico contendo pelo menos um fotodetector, uma Unidade de Modulação/Demodulação Óptica, uma Unidade de Conversão Analógico/Digital, uma Unidade de Processamento Central e uma Unidade Interface de Comunicação.
6. Transformador de Potencial Óptico (TPO), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a unidade óptica de medição de alta tensão (UOMAT) (200) compreender um invólucro isolador de alta tensão (201), um conector de fibras ópticas (202), um colimador (203), um rotator Faraday (215) e uma célula sensora de alta tensão (210), que pode ser conectada diretamente a elevadas tensões e cuja sensibilidade pode ser ajustada para obter elevada exatidão nas medições dessas tensões elevadas.

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