BRPI0704094B1 - Dispositivo magneto-óptico para medição de corrente elétrica e método medição de corrente elétrica - Google Patents

Abstract

dispositivo magneto-óptico para medição de corrente elétrica e metódo medição de corrente elétrica. a presente invenção proporciona um dispositivo magneto-óptico para medida de corrente elétrica do tipo contínua ou variável no tempo ou em forma de impulsos, o referido dispositivo proporcionando a medição de corrente elétrica a efeito faraday em fibra óptica para medir correntes com amplitudes elevadas, periódicas e/ou aperiódicas.

Description

Relatório Descritivo de Patente de Invenção

Dispositivo Magneto-Óptico para Medição de Corrente Elétrica e Metódo Medição de Corrente Elétrica

Campo da invenção

A presente invenção pertence ao campo dos dispositivos magnetoópticos para medida de corrente elétrica do tipo contínua ou variável no tempo ou em forma de impulsos. Mais especificamente, a um dispositivo magnetoóptico para medição de corrente elétrica a efeito Faraday em fibra óptica para 10 medir correntes com amplitudes elevadas, periódicas e/ou aperiódicas.

Antecedentes da Invenção

Na década de 1980, com o início das atividades de pesquisa na área de sensores a fibra óptica, diversos trabalhos foram voltados para aplicações de 15 sensoriamento de grandezas elétricas.

Medidores de corrente elétrica que utilizam fibra óptica para sistemas de alta potência têm sido investigados por apresentarem importantes vantagens. Essas vantagens são resumidas a seguir:

- A possibilidade de utilizar componentes eletronicamente passivos;

- O equipamento não é danificado por sobrecorrente;

- Não sofre efeitos de saturação;

- A fibra óptica age tanto como elemento transdutor quanto elemento de transmissão isolante;

- Dispositivos de medição a fibra óptica são facilmente e 25 convenientemente monitorados a longas distâncias;

- Banda de medida pode ser larga, por volta de 100MHz ou superior, dependendo da configuração da bobina;

- Facilidade de leitura de correntes contínuas, de ondas periódicas e/ou aperiódicas;

- O custo é baixo;

- Pode chegar a proporções pequenas e ser leve.

Sabe-se que para aplicações especificas em linhas de transmissão obstáculos devem ser vencidos como condições ambientais agressivas

2/22 (intensos campos elétricos e magnéticos, radiação UV, variação de temperatura, umidade, poluição, vandalismo) e acesso difícil, o que impõe restrições para fontes de energia externas, armazenagem dos dados e envio de dados em tempo real.

A maioria dos sensores de corrente a fibra óptica é desenvolvida baseando-se no Efeito Faraday e os primeiros resultados comercializados começam a surgir, como Kumagai T., Ohnuki W., Yamamoto S., Hongo A., Sone I., Optical Fiber Sensors Applications at Hitachi Cable, pp.35-38, 15th Optical Fiber Sensors Conference Technical Digest, USA, Maio 2002; Sanders G.A., Blake J.N., Rose A.H, Rahmatian F., Herdman C., Commercialization of Fiber-Optic Current and Voltage Sensors at NxtPhase, pp.31-34, 15th Optical Fiber Sensors Conference Technical Digest, USA, Maio 2002; Bohnert K., Gabus P., Brãndle H., Guggenbach P., Fiber-optic dc current sensor for the electro-winning industry, pp.210-213, 17th International Conference on Optical Fiber Sensors, Belgium, Maio 2005.

Este efeito foi observado por Michael Faraday em 1845 e consiste na alteração da polarização da luz que se propaga em um meio devido a um campo magnético orientado na direção de propagação da luz. A variação do estado de polarização da luz pode ser medido e associado à corrente elétrica responsável pelo campo magnético em questão. Existem dois métodos básicos para a detecção desse efeito: interferométrico e polarimétrico. E os sensores podem ser classificados de duas formas: intrínsecos e extrínsecos. Os sensores considerados intrínsecos usam a própria fibra como elemento magneto-óptico. Sensores extrínsecos são constituídos de materiais que são mais sensíveis ao efeito Faraday do que as fibras comuns.

Dentre as referências recentes sobre o assunto vide aquelas apresentadas no 17th e 16th International Conference on Optical Fiber Sensors, realizado em maio de 2005 em Bruges, Bélgica, e outubro de 2003 em Nara, Japão:

Bohnert K., Gabus P., Brãndle H., Guggenbach P., Fiber-optic dc current sensor for the electro-winning industry, pp.210-213, 17th International Conference on Optical Fiber Sensors, Belgium, Maio 2005; Lee, W.Y., et al., Novel Interrogation Scheme of a Fiber-Optic Current Sensor using a Long-

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Period Fiber Grating Inscribed on a Polarization-Maintaining Fiber, pp 304-307, 16th International Conference on Optical Fiber Sensors, Japão, outubro 2003; Willsch, M., et al., Fiber Optical Current Sensor Design for the Accurate Measurement of DC Currents, pp308-311, 16th International Conference on Optical Fiber Sensors, Japão, outubro de 2003; Alasia, D. e Thévenaz, L., A Novel All-Fiber Configuration for a Flexible Polarimetric Current Sensor, pp312315, 16th International Conference on Optical Fiber Sensors, Japão, outubro 2003; Kurosawa, K., et al., Field Tests of a Fault Section Location System for Power Transmission Cable Lines Using Optical Fiber Current Sensors, pp316319, 16th International Conference on Optical Fiber Sensors, Japão, outubro 2003; Kurosawa K., et al., Differential Current Measurement System with Optical Intensity Modulation Using Flint Glass Fiber Type optical Current Transducers, pp320-323, 16th International Conference on Optical Fiber Sensors, Japão, outubro 2003; Kurosawa K., et al., Development of Optical Transducer Using Flint Glass Fiber for Digital Substation System, pp324-327, 16th International Conference on Optical Fiber Sensors, Japão, outubro 2003; Bohnert K., et al., Fiber-Optic Current and Voltage Sensors for High-Voltage Substations, pp752-755, 16th International Conference on Optical Fiber Sensors, Japão, outubro 2003; e Takahashi M., et al., Sagnac Interferometertype fiber-optic current sensor using single-mode fiber down leads, pp756-759, 16th International Conference on Optical Fiber Sensors, Japão, outubro 2003.

O efeito Faraday também é conhecido por efeito magneto-óptico. Michael Faraday observou que se um dielétrico isotrópico é colocado em um campo magnético e um feixe de luz linearmente polarizado percorre esse dielétrico na direção do campo, há uma rotação do plano de polarização da luz que está entrando. Em outras palavras a presença do campo magnético torna o dielétrico opticamente ativo. Esse fenômeno foi observado em vários sólidos, líquidos e gases. Esse ângulo Θ de rotação do plano de polarização da luz pode ser escrito pela equação (1) a seguir onde

V = constante de Verdet (rad/A)

H = Intensidade do campo magnético (A/m);

(1)

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/= caminho percorrido pela luz (m);

Pela Lei de Ampère, quando o caminho óptico envolve o condutor podese dizer que:

N$H.dl =NI (2) onde N é o número de voltas que envolvem o condutor e / é a corrente em Ampère. Com isso o ângulo de rotação Θ do plano de polarização será dado pela expressão (3) a seguir = VNI (3) desde que V e N sejam basicamente constantes, Θ será diretamente modulado pela corrente no condutor. Observa-se que as voltas podem ter qualquer formato desde que tenham um caminho óptico fechado.

A expressão (3) mostra que é possível ajustar a sensibilidade aumentando o N, mas o tempo de resposta é limitado pelo número e o diâmetro das voltas que envolvem o condutor, por exemplo, se o perímetro de 15 cada volta for igual a 0,5m e o sensor tiver 10 voltas, a resposta é de 25ns e se dobrar o número de voltas esse tempo também dobra.

Outra forma de aumentar a sensibilidade é aumentar a constante de Verdet que depende do comprimento de onda e do meio óptico que envolve o condutor, por exemplo, para a fibra óptica padrão de sílica, também utilizada 20 em telecomunicações, o valor desta constante para o comprimento de onda de 1300nm é 1.05 prad/Ae para 1550nm a constante equivale a 0.75 prad/A.

É importante entender que um feixe de luz linearmente polarizada pode ser considerado como dois feixes circularmente polarizados, mas com direções opostas, e o plano de polarização linear resultante é dado pela defasagem 25 entre os feixes de polarização circular. Então ao passar pelo meio sob o efeito do campo magnético, o feixe com polarização circular à direita anda com velocidade diferente do feixe com polarização circular à esquerda, mudando o ângulo do plano de polarização linear em relação ao inicial, por isso este efeito também é conhecido como birrefringência circular induzido por campo 30 magnético.

Os trabalhos atuais em sensores de corrente a fibra intrínsecos concentram-se na sensibilidade. Contudo, a fibra óptica tem uma birrefringência linear inerente causada por irregularidades na sua fabricação ou

5/22 estresse interno, o que causa uma susceptibilidade a variações de temperatura e vibrações. Para diminuir essa dependência várias opções foram pesquisadas como o recozimento da fibra ou fibras de baixa birrefringência, fibras de alta birrefringência, fibras trançadas e fibras torcidas. Fazer um sensor de corrente fundamentado no efeito Faraday na própria fibra óptica permite, de forma simples, estabelecer uma relação entre o campo magnético medido e a corrente e, para o caso de altas correntes a baixa constante de Verdet da fibra não é um problema. Apesar desta constante ser sensivelmente mais baixa na sílica, a sensibilidade pode ser elevada aumentando o número de voltas na bobinada, o que neste caso não será significativo.

Para sensores intrínsecos, além da birrefringência linear inerente na fibra existem: a birrefringência linear causada por curvaturas e a birrefringência circular induzida por torções que podem definir a sensibilidade e, em última análise, a exatidão quando associadas às perturbações ambientais. Como a variação da birrefringência linear e a birrefringência circular induzida por torções exibem características recíprocas (se cancelam no percurso de ida e volta da luz em um mesmo trecho de fibra), nas configurações onde os sensores de corrente utilizam uma configuração recíproca (bidirecional) a rotação do ângulo ocasionada por essas variações será anulada quando a luz se propagar ao longo do caminho de volta depois de ser refletida.

Por outro lado, o efeito Faraday não é recíproco, a rotação de Faraday se soma ao percorrer o caminho de volta, dobrando o efeito. Sendo assim, circuitos ópticos que usam reflexão na extremidade têm a vantagem de minimizar os problemas induzidos por perturbações externas e, ao mesmo tempo aumentar a sensibilidade do sensor.

Sensores extrínsecos: com o propósito de aumentar a sensibilidade e diminuir a influência da birrefringência linear nas medidas de corrente por efeito Faraday, muitos autores optaram por utilizar materiais cuja constante de Verdet é maior que a da sílica de fibras comuns. Estes materiais em geral apresentam uma dependência da constante de Verdet com a temperatura maior do que a sílica que compõe a fibra óptica padrão.

Para o sensoriamento do efeito Faraday são utilizados dois métodos, o interferométrico e o polarimétrico.

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O interferômetro utilizado para detectar o efeito Faraday é o mesmo utilizado nos giroscópios a fibra, ou seja, o interferômetro de Sagnac. O efeito de Sagnac é a mudança relativa de fase entre dois feixes de luz que viajam por um caminho idêntico em direção oposta num mesmo eixo. Uma característica importante é a compensação de temperatura e insensibilidade a vibrações, pois mudanças na polarização ao longo do caminho que não sejam causadas pelo campo magnético serão sofridas pelos dois feixes igualmente, o que não altera a fase.

O método polarimétrico é um método mais direto de medir o efeito Faraday. Assim, pode-se aferir a polarização da luz por meio de polarímetro (medir o estado completo de polarização da luz) e comparar com a polarização da entrada, ou através da modulação da intensidade da luz por meio de polarizadores.

A análise da variação da polarização através da modulação da intensidade é obtida, na maioria das vezes, utilizando uma luz linearmente polarizada no sensor, seja intrínseco ou extrínseco, e medindo a variação da intensidade depois que passa por um polarizador e chega a um fotodetector. Como conseqüência, a resposta do sistema será dada pela equação (4) a seguir:

D = kP_ocos²(0_í,+y) (4) onde D é a resposta de saída do sensor, k é a responsividade do fotodetector, 0_F é a rotação causada pelo campo magnético dada pela equação (3), γ é a fase e P_o é a intensidade da luz emitida pelo sistema com ausência da rotação de Faraday. A fase γ pode ser considerada um “off-set” angular entre a polarização da luz e a direção de polarização do polarizador na ausência da rotação de Faraday. Portanto, na equação (4), caso o polarizador de referência esteja orientado na mesma direção do plano de polarização do feixe de entrada, ou seja γ =0, a intensidade máxima será dada para a condição em que a luz não sofre rotação e a mínima quando houver uma rotação de 90°.

Fazer um sistema de detecção com γ = 0 não é o ideal, pois a resposta não seria linear, não fornecería uma boa resolução para correntes de baixa intensidade, já que a freqüência de medição seria dobrada e a amplitude da

7/22 corrente apresentaria uma ambigüidade. Ao adicionar uma fase de 45° pode-se considerar uma região linear, por exemplo, entre os ângulos de -14° e 14° obtendo-se um erro menor que 1%.

Para o caso particular de γ = 45° a equação (4) também pode ser escrita como:

D = -_íen(20,,)) (5)

Para o método de modulação de intensidade por meio de polarizador, a diferença da orientação da polarização da luz que entra na bobina e a orientação do polarizador de referência é que vai definir o valor de γ. Dispositivos como rotatores e espelhos de Faraday, atualmente comercializados, também podem ser utilizados para alterar o valor de γ.

A literatura de patentes apresenta vários documentos sobre dispositivos magneto-ópticos que utilizam o efeito Faraday para a medição de corrente em torres de transmissão.

A patente PI 9302035-0 descreve um transformador óptico de corrente e medidor incorporando o mesmo, o transformador sendo baseado no efeito Faraday aplicado à fibra óptica monomodo, que utiliza apenas componentes de fibra óptica. Sua configuração requer duas extremidades de conexão e pelo menos dois polarizadores, o que o distingue da presente invenção.

A patente US 5,136,235 descreve um sensor a fibra óptica que inclui uma bobina sensora, operada no modo de reflexão, com uma fibra sensora (5) para detectar uma corrente com auxílio do efeito Faraday. Uma fonte de luz (1) acopla luz a uma primeira fibra HB, com alta birrefringência (2a). Na extremidade da primeira fibra HB (2a) é colocado um polarizador a fibra óptica (4) o qual assegura uma direção de polarização em paralelo com um dado eixo de birrefringência da primeira fibra HB (2a). Um acoplador (divisor de feixes) (3) em Y acopla, por um lado, a luz fornecida da primeira fibra HB (2a) na fibra sensora (5) e, por outro lado, a luz que vem da fibra sensora (5) em uma segunda fibra HB (2b). A segunda fibra HB (2b) é feita girar com seus eixos de birrefringência de 45° em relação aos eixos de birrefringência da primeira fibra HB (2a). Contrariamente à patente US 5,136,235, o dispositivo objeto da presente invenção dispensa o uso de fibra com alta birrefringência.

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A patente US 5,834,933 descreve métodos simples para a medida magneto-óptica de corrente e são especificados dispositivos magneto-ópticos para a medida de corrente, independentes de influências de temperatura sobre o resultado da medida e não requerem dispositivo de compensação para a intensidade de luz das fontes de luz (LD1, LD2) empregadas. Esta patente norte-americana utiliza duas fontes de luz, o que a distingue da presente invenção.

A patente US 6,563,589 descreve um sensor de corrente a fibra óptica (fíber optic current sensor - FOCS) com configuração mínima reduzida que inclui uma bobina sensora ou uma região sensora, uma fonte de luz e um caminho óptico estabelecido entre a saída de luz da fonte de luz e a bobina/região sensora a fibra óptica. Pelo menos uma lâmina de quarto de onda é colocada entre o trajeto óptico e a bobina/região sensora para converter raios de luz com polarização linear em raios de luz com polarização circular através da bobina/região sensora.

A patente US 5,063,290 descreve um sistema sensor e método a fibra óptica utilizando o efeito Faraday para a detecção de uma corrente elétrica. O sistema sensor inclui uma fonte para prover um raio de luz com polarização linear na entrada modulada em freqüência e um modulador de polarização para converter o raio de luz de entrada em raio de luz com polarização modulada em freqüência. Um sensor de corrente com rotação de Faraday passa a luz com polarização modulada através de um campo magnético gerado por uma corrente elétrica a ser medida. As linhas de força do campo magnético são geralmente paralelas à direção de propagação da luz com polarização modulada. Um detector e processador de sinais é usado para derivar um sinal carreador elétrico heteródino que é modulado em fase pela corrente elétrica. A detecção da fase deste carreador e usada para determinar a magnitude da corrente elétrica.

A publicação JP4221775 trata de um sensor de corrente com base no efeito Faraday dotado de estrutura simples e capaz de detectar uma corrente suficientemente elevada. O sensor compreende um polarizador, uma espiral de fibra reativa a um campo magnético, um dispositivo de conexão que conecta de modo óptico o terminal de saída do polarizador ao terminal de entrada de uma

9/22 fibra óptica com resposta a campo magnético e um dispositivo de conexão que conecta de modo óptico o terminal de saida da fibra óptica reativa a um campo magnético a um aparelho de medida de luz polarizada. A configuração de montagem desta invenção não é reflexiva, o que difere do dispositivo objeto da invenção.

A patente US 6,891,622 descreve um método e dispositivo para medir a corrente em um condutor (38) utilizando o efeito Faraday em raios de luz polarizada que se propagam em sentidos opostos em uma bobina de fibra óptica (37). Os raios de luz são transformados em polarização circular por um transformador de polarização (40) compreendido de uma fibra birrefringente com uma torção através de um ângulo apropriado a uma distância apropriada de uma extremidade. Esta patente norte-americana utiliza um modulador de fase em uma das extremidades da bobina sensora que retorna ao acoplador (36), não sendo uma bobina aberta, o que é uma das propostas da presente invenção.

A patente DE 3.115.433 diz respeito a um dispositivo magneto-óptico para medir correntes por meio de uma fibra óptica monomodo torcida ao longo do seu eixo longitudinal e guiada com voltas paralelas em torno do condutor a ser medido, e um feixe de luz linearmente polarizado radiado na fibra. A luz radiada na fibra (3) é refletida no final para a fibra (3) e detectada na fibra de começo e a torção da fibra é tal que a luz que emerge no final da fibra é aproximadamente linearmente polarizada quando não há corrente fluindo no condutor. A principal diferença entre esta patente e a presente invenção é que a invenção utiliza uma fonte de luz despolarizada e um polarizador depois do acoplador, de modo diverso daquele especificado na patente DE 3.115.433.

A presente invenção difere do estado da técnica, entre outros motivos, pelo fato de apresentar um dispositivo magneto-óptico baseado no efeito Faraday que tenha mais facilidade de instalação e menor custo para a medição de corrente elétrica contínua, periódica, aperiódica e/ou com freqüência alta e um método para medir esses tipos de corrente elétrica em condutores com auxílio do dito dispositivo, este incluindo uma fonte de luz despolarizada; pelo menos um fotodetector; um acoplador 2x2; um polarizador; um espelho de Faraday com 45°; e bobina de fibra como sensor.

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Objeto da Invenção

É um dos objetos da invenção fornecer um dispositivo magneto-óptico para medição de corrente elétrica, em especial corrente com amplitude elevada compreendendo:

a) uma fonte de luz despolarizada;

b) um fotodetector;

c) um dispositivo para acoplamento da luz;

d) um polarizador;

e) um espelho de Faraday; e

f) uma bobina de fibra ótica.

Em um aspecto preferencial, a fonte de luz utilizada neste dispositivo deve ser capaz de gerar um feixe de luz com baixo grau de polarização. Em um aspecto preferencial, outras fontes como LED, SLED, ELED e até mesmo LASERS podem ser utilizados.

Em um aspecto preferencial, o fotodetector pode ser seguido de um circuito amplificador e um equipamento de aferição do seu sinal.

Em aspecto preferencial a bobina sensora tem um formato espiralado fica fácil efetuar este procedimento com a vantagem de não ter que desconectar o cabo condutor.

É um adicional objeto da presente invenção um dispositivo magnetoóptico para medição de corrente elétrica que pode ser contínua, periodicamente variável no tempo e/ou em forma de impulsos como, por exemplo, medir correntes de curto-circuito com freqüência industrial e corrente surto atmosférico em linhas de transmissão que costumam ter frente de onda 25 curto.

É um adicional objeto da presente invenção um dispositivo magnetoóptico para medição de corrente elétrica em condutores em forma espiral ada que permite a fácil instalação sem desconectar o condutor onde será medida a corrente.

É um adicional objeto da presente invenção proporcionar um método de medição de corrente elétrica utilizando o referido dispositivo magneto-óptico para medição de corrente, o referido método compreendendo as etapas de:

a) gerar um feixe de luz de baixa polarização;

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b) polarizar o feixe gerado por meto de um polarizador;

c) enviar o feixe polarizado a uma bobina de fibra ótica contendo um espelho de Faraday em sua extremidade;

d) refletir o feixe por meio do Espelho de Faraday através da bobina de fibra ótica até o polarizador;

e) polarizar o feixe refletido; e

f) enviar o feixe polarizado a um fotodetector, onde esse envio é feito por meio de um acoplador.

Descrição das Figuras

A Figura 1 mostra esquematicamente o dispositivo magneto-óptico da invenção no plano ZY.

A Figura 2 mostra esquematicamente a bobina sensora da invenção no plano ZX.

A Figura 3 mostra a curva de resposta no fotodetector devida à variação do campo magnético no trecho de 0^o a 90° e duas situações das possíveis faixas de projeção das variações do campo magnético devidas à variação da corrente elétrica.

A Figura 4 mostra um gráfico típico de comparação entre as saídas do sensor magnéto-óptico e o de referência, para medida de corrente de curtocircuito em freqüência industrial com duração menor que 0,25 segundos e amplitude 12kA.

A Figura 5 mostra um gráfico típico de comparação entre as saídas do sensor magneto-óptico e o de referência, para medida de corrente elétrica que simula um surto atmosférico com 5kA de amplitude, onde o eixo vertical da esquerda refere-se ao valor fornecido pelo dispositivo e método magneto-óptico e o eixo vertical da direita equivale à amplitude medida pelo sensor convencional.

As Figuras 6A1 e 6A2, 6B1 e 6B2, e 6C1 e 6C2 mostram o procedimento para a instalação da bobina sensora em duas vistas (ZX e ZY).

Descrição Detalhada da Invenção

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Os exemplos aqui mostrados têm o objetivo apenas de exemplificar uma das possíveis realizações da invenção, sem, contudo limitá-la, de forma que realizações similares estão dentro do escopo da invenção.

A presente invenção se refere a um dispositivo magneto-óptico para medição de corrente a efeito Faraday em fibra óptica para medir correntes com amplitudes elevadas_± com larga faixa de freqüência, tal dispositivo magnetoóptico para medida de corrente permitindo a fácil instalação sem desconectar o condutor onde será medida a corrente.

O dispositivo e o método associado proposto se aplicam para medições 10 de corrente elétrica de curto-circuito nas descidas à terra de torres de transmissão e/ou corrente elétrica de surto atmosférico nos cabos pára-raios próximos às torres e/ou corrente elétrica com características semelhantes.

Considerando que a presente invenção refere-se a um sensor para a medição de correntes elevadas (0,1 a 40kA ou maiores) capaz de detectar 15 formas de onda periódicas e/ou aperiódicas com larga faixa de freqüência como surtos de correntes atmosférica com respostas rápidas (<5 ps) e correntes de curto-circuito ou qualquer corrente elétrica elevada, além da capacidade de instalação do sistema sem desconexão do cabo condutor, as pesquisas das Requerentes que levaram ao presente pedido indicaram que a 20 configuração mais viável e simples do sistema de detecção do efeito Faraday é a utilização de sensores intrínsecos e o método polarimétrico. Os sensores intrínsecos por serem de fácil acesso comercial e de simples manuseio, no caso da fibra óptica padrão. O método polarimétrico por ser de fácil implementação e, em princípio, mais robusto já que exige menos componentes. 25 Para efeitos dessa invenção, dentro do conceito de sensores a fibra óptica deve-se incluir todos os sistemas de medidas que contenham fibra óptica, esses sistemas sendo compostos por, pelo menos, uma fonte de luz e sofram uma modificação do sinal óptico produzida pela magnitude a ser medida, a qual pode ser detectada e quantificada.

No caso particular de sensores aplicados ao setor elétrico cabe destacar, devido a riscos de acidentes materiais e humanos, a importância de se fornecer equipamentos adequados aos complexos ambientes de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Para aplicações em linhas de

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transmissão algumas limitações devem ser vencidas como o difícil acesso ao longo das linhas e condições ambientais. Consequentemente os sistemas de monitoração têm como restrição: fonte de energia externa, aquisição e transmissão de dados em tempo real, susceptibilidade a intensos campos elétricos e magnéticos, radiação UV, variação de temperatura, umidade, entre outros. Uma vantagem dos sensores a fibra óptica que deve ser destacada é a natureza dielétrica das fibras e, conseqüentemente, a possibilidade de simplificar substancialmente o isolamento dos sensores propriamente ditos em relação à terra.

O dispositivo sensor de corrente descrito nesta invenção compreende uma fonte de luz despolarizada; pelo menos um fotodetector; um acoplador 2x2; um polarizador; um espelho de Faraday com 45°; e uma bobina de fibra como elemento sensor.

Fonte de Luz Despolarizada

A fonte de luz utilizada neste dispositivo deve ser capaz de gerar um feixe de luz com baixo grau de polarização. Idealmente isto significa a utilização de um dispositivo como a ASE (Amplified Spontaneous Emission) que emite feixes de luz despolarizados.

Quanto maior o grau de polarização da fonte de luz mais ruidosa será a medida. Uma fonte de luz adequada, como a ASE, deve ter grau de polarização menor ou igual a 5%, sendo então considerada despolarizada.

Outras fontes de luz com algum grau de polarização também podem ser utilizadas como LED, SLED, ELED e até mesmo LASERS desde que sejam seguidos por um dispositivo que diminua o seu grau de polarização, como os despolarizadores. Esta fonte de luz pode ser utilizada modulando a sua intensidade ou com luz contínua de acordo com o interesse do usuário.

Fotodetector

O fotodetector é um dispositivo eletrônico semicondutor que detecta a luz sobre ele incidente e a converte em uma grandeza elétrica passível de medição. Este pode ser seguido de um circuito amplificador e um equipamento

14/22 de aferição do seu sinal, como uma placa de aquisição, um osciloscópio ou multímetro.

Dispositivo para acoplamento da luz

O dispositivo para acoplar a luz pode ser escolhido dentre acopladores e circuladores ópticos.

Acoplador é um dispositivo óptico que permite a divisão de feixes de luz de forma proporcional entre suas extremidades. A principal configuração é 2x2 com proporções de 50%. Esta configuração consiste em um acoplador com duas fibras em ambas as extremidades que mantêm simetria nas proporções de divisão do feixe de luz. Também são encontrados acopladores do tipo Y (1x2), que consiste em um acoplador 2x2, mas com uma fibra em uma das extremidades com um dispositivo utilizado para anular a reflexão, o dispositivo sendo composto por material do mesmo índice de refração da fibra; muitas vezes esse dispositivo não é percebido, pois é embutido no invólucro do próprio acoplador.

O dispositivo pode ser um circulador de 3 portas. Assim como o acoplador, o circulador óptico é um dispositivo passivo muito utilizado para separar feixes de luz que se propagam em sentidos opostos. Podem ser encontrados com configurações de n portas, porém as configurações mais encontradas são as de 3 e 4 portas. Para a aplicação aqui apresentada um circulador de 3 portas é suficiente, pois a luz que incide na porta 1 passa para a porta 2 e a luz que incide na porta 2 passa para a porta 3. A vantagem deste dispositivo em relação ao acoplador é que proporciona menos perda ao sistema. A desvantagem é o custo, o circulador costuma ser mais caro que o acoplador.

Polarizador

Polarizador é um dispositivo óptico com a finalidade de transmitir somente um estado de polarização da luz que incide sobre ele. Esse dispositivo é capaz de garantir que a luz que sai é polarizada linearmente com grau de polarização aproximadamente 100%. Caso o estado de polarização do feixe de luz incidente e o estado de polarização do polarizador não sejam os

15/22 mesmos, só passará a componente do vetor que condiz com o estado de polarização do polarizador.

Espelho de Faraday

Espelho de Faraday é um dispositivo óptico onde a luz refletida pelo espelho tem o seu plano de polarização rotacionado de acordo com o ângulo especificado pelo fabricante. Na presente invenção o ângulo preferencialmente estipulado é 45° no total, ou seja, a luz linearmente polarizada que incidir no espelho de Faraday será refletida também com polarização linear, mas com uma rotação de 45° no seu plano de polarização.

A faixa de ângulos depende da resposta requerida para o sistema, quanto mais distante dos 45° menor será a faixa linear de operação. Para o caso de 45° sabe-se que numa faixa de -14° a +14° o erro na resposta, considerando ela linear, será <1%.

Bobina de Fibra

A bobina de fibra descrita nesta invenção é constituída preferencialmente por fibra óptica padrão, torcida e enrolada de acordo com o seu projeto que depende da sensibilidade desejada. A fibra óptica padrão é a mesma utilizada em telecomunicações e pode ser substituída por fibras ou guias que tenham maior sensibilidade ao campo magnético, como uma constante de Verdet maior.

Para o dimensionamento desta bobina devem-se levar em conta os valores da birrefringência linear inerente na fibra, birrefringência linear devida a curvaturas e birrefringência circular induzida por torções propositais a fim de diminuir a influência das perturbações ambientais, tais como vibrações e variação de temperatura. Para isso a resultante da birrefringência linear na fibra deve ser mantida muito abaixo da birrefringência circular. A birrefringência linear inerente é causada por irregularidades originadas na fabricação e uma pequena elipsidade no núcleo.

A birrefringência linear por curvaturas pode ser caracterizada pela seguinte equação (6):

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Δβ = — EC^y rad/m λ R (6)

onde E é o modulo de Young do material da fibra, C é o coeficiente de estresse óptico, ré o raio da fibra, R é o raio de curvatura em questão e λ é o comprimento de onda da luz se propagando na fibra. E para introduzir uma birrefringência circular na fibra basta torcê-la em torno do seu próprio eixo.

Assim, como exemplo, uma bobina de fibra dimensionada para medir correntes de 100A a 20kA e considerando o comprimento de onda óptico de operação 1300nm, onde a constante de Verdet é 1.05 grad/A, e procurando colocar a operação do sistema dentro da faixa considerada aproximadamente linear como mostrado na Figura 3, 22b, no exemplo onde a fase é 45°, o ângulo máximo de alteração do plano de polarização da luz deverá ser de 14°, ou 0,244rad, com isso, a partir da equação (3), o número de voltas que a bobina deve ter será expresso pela equação (7) a seguir:

0.244

1.05x10^’ x20x!0³ = 12 voltas (7)

Note-se que esse número de voltas é para uma bobina unidirecional e como a configuração do dispositivo proposto é bidirecional, o número de voltas da bobina deverá ser 6.

No presente dispositivo, a sensibilidade e a faixa linear de operação da bobina sensora são ajustadas pelo número de voltas.

Deve-se definir também o raio da curvatura para que a birrefringência linear possa ser minimizada e compensada pela birrefringência circular causada por torções sem ultrapassar o número máximo de torções por metro a que uma fibra padrão pode resistir.

Considerando as constantes

E = 73xlO⁹Pa

C = 3.17xlO-^,2Pa~^l@1300wm r = 125 x 10“⁶ m (Raio da fibra) e a equação (2), a birrefringência linear por comprimento de fibra será dada pela equação (8) a seguir:

Δβ = (125 x1o^-6)² 8.74xl0~³

R² ~ R² [rad/m] (8)

--------5-73x10’x3.17xl0~'²

1300x10“’

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A birrefringência circular pode ser descrita como /¾ = ga, onde σ é o número de torções por comprimento em rad/m e g é a taxa entre rotação da polarização da luz e a torção que a fibra é submetida sendo essa taxa de 14%. Segundo dados experimentais σ máximo sem que a fibra arrebente é de 5 40 π rad/m. Com isso a máxima birrefringência circular que a fibra pode ter é

17.6 rad/m. Considerando que p_c »β, para que a birrefringência linear seja desprezada, tem-se R»2.22 cm. Trabalhar no limite máximo de torções é crítico, por isso foi escolhido um valor de σ = 30π rad/m para o dimensionamento do sensor que equivale a 15 torções de 360° por metro, 10 tendo assim β_ΰ =13.2 rad/m e R» 2.6 cm. Para R = 7.5 cm, o que equivale a ^=8.5^ , o perímetro da volta será de aproximadamente 47 cm e o comprimento final de fibra para a bobina será de no máximo 2,82 m, que equivale a um tempo de resposta para este sistema de 28,2ns.

O número de voltas será definido pela equação (3) e, como exemplo, a 15 equação (7), onde depende da constante de Verdet (1.05 prad/A @ 1300nm para fibra padrão), da corrente máxima a ser lida e do ângulo máximo de rotação com a sensibilidade e erro especificados para o projeto. Mas o número mínimo para as voltas é 1.

O diâmetro da bobina e o número de torções devem ser tais que a birrefringência circular seja muito maior (> 7 vezes) que a birrefringência linear.

Exemplo 1 - Estrutura do dispositivo

Na Figura 1 está ilustrado esquematicamente o dispositivo magnetoóptico da invenção, geralmente designado pelo numeral 50. O dispositivo 50 é 25 orientado no plano (YZ). Uma fonte de luz despolarizada 1 emite um feixe de luz despolarizada na fibra 2a, cuja trajetória é representada pela seta tracejada 15, que incide na fibra óptica 2a. A fibra óptica 2a está conectada a um acoplador óptico 3 que por sua vez está conectado às fibras ópticas 2b, 2e e 2f. O feixe de luz se divide e parte segue pela fibra óptica 2f que está 30 conectada a um dispositivo 9 que pode ser um dispositivo que elimina a reflexão da luz na fibra ou um outro fotodetector para monitorar a potência de

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luz emitida pela fonte de luz despolarizada 1. A outra parte do feixe segue a trajetória 15 pela fibra óptica 2b que é interligada a um polarizador óptico 4 que polariza o feixe de luz emitido pela fonte de luz despolarizada 1. O feixe polarizado 16a sai do polarizador 4 através do acesso 2c e percorre a bobina 5 de fibra óptica sensora 6, seguindo a trajetória 15, onde sofre rotações de seu plano de polarização devido à presença do campo magnético gerado pela corrente elétrica passante no cabo condutor 5 de acordo com o efeito Faraday e equação (1).

Ao percorrer toda a bobina sensora 6, o feixe de luz da trajetória 15 IO chega ao acesso 2d com rotação de 0 em seu plano de polarização 16b de acordo com a intensidade do campo magnético devido à corrente no condutor 5. Este feixe de luz 16b se depara com o espelho de Faraday 7, cujo ângulo de rotação é de φ (45° de preferência) representado por 16c (vide Figura 2), e é refletido com o seu plano de polarização rotacionado em mais tp 16d e retorna 15 pelo acesso 2d para a bobina sensora 6. O feixe de luz 16d refletido segue a trajetória pontilhada 17 e ao passar pela bobina sensora 6 sofre nova rotação de seu plano de polarização devido à presença do campo magnético gerado pela corrente elétrica passante no cabo condutor 5, dita nova rotação sendo somada à primeira rotação sofrida pelo feixe de luz incidente 16e. Ao sair da 20 bobina sensora 6, este feixe de luz 16e passa pelo acesso 2c onde incide no polarizador 4 pelo caminho oposto, o qual transmite somente a componente de polarização correspondente ao seu eixo 16f.

Conseqüentemente o feixe de luz 16f que passa pelo polarizador 4 na volta tem sua amplitude modulada devido à rotação do plano de polarização 25 causada pelo campo magnético, estando a variação de sua amplitude situada em uma região linear se φ for próximo de 45° de acordo com a equação (4) ou (5). Assim, o feixe de luz 16f continua a trajetória pontilhada 17 percorrendo a fibra óptica 2b, e retorna ao acoplador 3. Neste percurso pela fibra óptica 2b, representado pela trajetória pontilhada 17 não mais importa a polarização da 30 luz, mas sim a sua potência total. Na outra extremidade do acoplador 3, o feixe de luz 16f se divide e uma parte sai pela fibra óptica 2e. A fibra óptica 2e está conectada a um fotodetector 8, que converte a potência de luz recebida em unidades elétricas, que podem ser aferidas por meio de placas de aquisição,

19/22 osciloscópio ou multímetros, e através de tratamento matemático de equações é possível compensar a variação de luz através dos valores AC e DC do sinal detectado.

A Figura 2 apresenta uma parte do dispositivo 50 o qual engloba a fibra 2b, e os acessos 2c e 2d, a bobina sensora 6, o polarizador 4 e o espelho de Faraday 7, cuja rotação do plano de polarização está representado por 16c, apenas com um plano de visualização diferente (XZ) de forma a facilitar a visualização das voltas existentes na bobina sensora 6, o número de voltas sendo dependente do projeto da mesma.

A Figura 3 apresenta em um gráfico de D vs 6F onde D é a resposta de saída do sensor e Θρ é a rotação causada pelo campo magnético a faixa de 0^o a 90° da curva de resposta 20 referente à resposta do fotodetector 8, esta resposta sendo regida pela equação (4) acima.

Na Figura 3, H representa o campo magnético gerado pela corrente passante no condutor 5. Supondo uma variação do campo magnético 21a oriundo de uma corrente elétrica alternada e um ângulo de 0^o no espelho de Faraday 7, o dispositivo 50 apresenta como resposta no fotodetector 8 o sinal 21b. Devido ao fato de se tratar do ponto máximo da curva de resposta 20, a freqüência de saída no fotodetector 8 se encontra dobrada devido ao efeito de duplicidade de informação perante o perfil da onda. Pelo mesmo motivo a amplitude de saída do sinal 21b se encontra distorcida e reduzida pela metade em relação à amplitude da variação do campo magnético 21a.

Já para o caso da variação do campo magnético 22a, quando o espelho de Faraday 7 apresenta um ângulo de 45°, o dispositivo 50 apresenta como resposta no fotodetector 8 o comportamento 22b e, diferente do item 21b, apresenta uma linearidade em sua amplitude e mantém a freqüência inalterada. Essas características ocorrem devido à faixa de operação que pode ser considerada linear como nos limites dos ângulos 31° e 59° onde o erro será menor que 1%. Dessa forma comprova-se que o valor ideal para o ângulo do espelho de Faraday 7, seja 45° por ser exatamente o ponto mediano da curva de resposta 20 e da região linear. Outros valores para o ângulo de rotação do espelho de Faraday podem ser utilizados, porém a faixa a ser considerada

20/22 linear seria diferente e com erros distintos, mas nada impede que isso seja compensado por software.

A Figura 4 representa um gráfico de comparação entre as saídas do dispositivo magneto-óptico proposto e um sensor de referência para um exemplo de medida de corrente de curto-circuito na freqüência industrial de 60Hz com período de 0,25 segundo e amplitude de 12kA. Assim, verifica-se que o sensor da invenção é capaz de medir uma corrente de curto-circuito no período e amplitude escolhidos de modo similar a um sensor de referência comercial.

A Figura 5 representa um gráfico de comparação entre as saídas do dispositivo magneto-óptico proposto e um sensor de referência para um exemplo de medida de surtos eletromagnéticos com amplitude de 5kA, onde o perfil da onda (4/8ps, 4 ps de subida e 8 ps de descida) corresponde a valores comumente utilizados para testes deste tipo. Com isso prova-se que o sistema é capaz de medir correntes com frente de onda curta respondendo a freqüências altas. E juntamente com a Figura 4, é possível demonstrar que o sistema da invenção se mostra capaz de detectar correntes periódicas, aperiódicas e com uma banda larga de resposta em freqüência e com um mesmo circuito de fotodetecção.

Uma das vantagens do dispositivo da invenção está ligada ao fato de que a bobina sensora 6 pode ser instalada sem necessidade de abertura do condutor 5.

Exemplo 2 - Método de detecção de corrente

Método magneto-óptico de detecção de corrente compreendendo as seguintes etapas:

a) com auxílio de uma fonte de luz despolarizada 1, gerar um feixe de luz despolarizada ou fracamente polarizada;

b) dirigir o dito raio para uma fibra óptica 2a acoplada a um acoplador óptico 3 que por sua vez está conectado às fibras ópticas 2b, 2e e 2f, dito feixe de luz se dividindo, com parte seguindo pela fibra óptica 2f conectada a um dispositivo 9 enquanto outra parte do feixe segue a trajetória 15 pela fibra /22 óptica 2b que é interligada a um polarizador óptico 4 que polariza o feixe de luz 16a emitido pela fonte de luz despolarizada 1;

c) encaminhar o feixe polarizado 16a pelo polarizador 4 através do acesso 2c, dito feixe 16a percorrendo a bobina de fibra óptica sensora 6, que está em volta do condutor 5, o plano de polarização do dito feixe 16a sendo rotacionado devido à presença do campo magnético gerado pela corrente elétrica passante no cabo condutor 5;

d) ao término do percurso, representado pela trajetória 15, da bobina sensora 6, fazer chegar o feixe de luz, agora representado por 16b, ao acesso

2d, já com uma rotação de 0 em seu plano de polarização, e fazer o feixe 16b atingir o espelho de Faraday 7, pelo que dito feixe é refletido com o seu plano de polarização rotacionado de φ 16c e retorna pelo acesso 2d para a bobina sensora 6, o trajeto de retorno sendo representado pela linha pontilhada 17;

e) ao passar pela bobina sensora 6 o plano de polarização do feixe de 15 luz já refletido 16e é novamente rotacionado em 0 de acordo com o campo magnético gerado pela corrente passante no condutor 5;

f) ao sair da bobina sensora 6, o feixe de luz rotacionado 16e passa pelo acesso 2c onde incide no polarizador 4 pelo caminho oposto e sofre novamente uma polarização, pelo que o feixe de luz 16f que passa pelo polarizador 4 na volta tem uma amplitude modulada devida à rotação do plano de polarização causada pelo campo magnético, a variação dessa amplitude estando situada em uma região linear se φ for próximo de 45°;

g) retornar o feixe de luz 16f ao acoplador 3 após percorrer a fibra óptica 2b pela trajetória 17, onde a informação de polarização do feixe de luz não se faz mais necessária;

h) na outra extremidade do acoplador 3, dividir o feixe de luz de modo que uma parte do mesmo saia pela fibra óptica 2e, conectada a um fotodetector 8, que converte a potência de luz recebida em unidade elétrica, aferida através de placas de aquisição, osciloscópios ou multímetros, e

i) por meio de tratamentos matemáticos, efetuar a compensação da variação de luz através dos valores AC e DC do sinal detectado.

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No referido método, o dispositivo 9 pode ser um dispositivo que elimina a reflexão da luz na fibra ou um outro fotodetector para monitorar a potência de luz emitida pela fonte de luz despolarizada 1.

Claims (16)

1. Dispositivo magneto-óptico (50) para ser utilizado na medição de corrente elétrica compreendendo:

uma fonte de luz despolarizada (1) conectada a um dispositivo para acoplamento da luz (3) através de uma primeira fibra óptica (2a), o dispositivo para acoplamento de luz (3) conectado a um polarizador (4) através de uma segunda fibra óptica (2b), o polarizador (4) conectado a um primeiro acesso (2c) em uma primeira extremidade de uma bobina de fibra óptica sensora (6) que envolve um condutor (5) percorrido pela corrente elétrica a ser medida e em cuja segunda extremidade encontra-se um segundo acesso (2d) onde é conectado um espelho de Faraday (7);

um fotodetector (8) conectado ao dispositivo para acoplamento de luz (3) através de uma terceira fibra óptica (2e);

caracterizado pelo fato de que um feixe de luz emitido pela fonte de luz despolarizada (1) segue uma trajetória (15) que passa pelo dispositivo de acoplamento de luz (3), pelo polarizador (4), pela bobina de fibra óptica sensora (6) até incidir no espelho de Faraday (7) que rotaciona o plano de polarização do feixe refletido em 45°, retornando o feixe refletido por uma trajetória (17) em sentido contrário que passa pela bobina de fibra óptica sensora (6), pelo polarizador (4), pelo dispositivo de acoplamento de luz (3) até chegar ao fotodetector (8).

2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela corrente elétrica ser escolhida dentre corrente contínua, periódica e/ou aperiódica.

3. Dispositivo, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pela corrente elétrica possuir amplitude elevada.

4. Dispositivo, de acordo com as reivindicações 2 e 3, caracterizado pela corrente a ser medida ser uma corrente de curto-circuito com freqüência industrial e/ou corrente surto atmosférico em linhas de transmissão.

5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela fonte de luz despolarizada (1) possuir grau de polarização £5%.

Petição 870180159946, de 07/12/2018, pág. 15/17

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6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pela luz ser ASE, LED, SLED, ELED e/ou LASERS.

7. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fotodetector (8) compreender adicionalmente um circuito amplificador.

8. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dispositivo para acoplamento da luz (3) ser escolhido do grupo que compreende um acoplador e/ou um circulador óptico.

9. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo acoplador ser do tipo 1 x2 ou 2x2.

10. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo circulador óptico compreender até 4 portas.

11. Método de medição de corrente elétrica por um dispositivo magneto-óptico compreendendo:

a) gerar um feixe de luz de baixa polarização através de uma fonte de luz despolarizada (1) e enviar a um polarizador (4) por meio de um acoplador (3);

b) polarizar o feixe gerado por meio do polarizador (4);

c) enviar o feixe polarizado (16a) a uma bobina de fibra optica (6) que envolve um condutor (5) percorrido pela corrente elétrica a ser medida e que contém um espelho de Faraday (7) em sua extremidade;

d) refletir o feixe (16b) que percorreu a bobina por meio do espelho de Faraday (7), que rotaciona o plano de polarização do feixe refletido em 45° (16c), e enviar o feixe refletido (16d) através da bobina de fibra óptica (6) até o polarizador (4);

caracterizado por

e) polarizar o feixe refletido (16e) por meio do referido polarizador (4); e

f) enviar o feixe refletido polarizado (16f) a um fotodetector (8), onde este envio é feito por meio do acoplador (3).

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pela corrente elétrica ser escolhida dentre corrente contínua, periódica e/ou aperiódica.

13. Método, de acordo com as reivindicações 11 e 12, caracterizado pela corrente elétrica possuir amplitude elevada.

Petição 870180159946, de 07/12/2018, pág. 16/17

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14. Método, de acordo com as reivindicações 12 e 13, caracterizado pela corrente a ser medida ser uma corrente de curto-circuito com freqüência industrial e/ou corrente surto atmosférico em linhas de transmissão.

15. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo acoplador (3) ser do tipo 1x2 ou 2x2

16. Método, de acordo com as reivindicações 11 a 15, caracterizado pelo condutor (5) permanecer conectado durante a medição.