WO2023023833A2

WO2023023833A2 - Sistema de monitoramento de rede de energia elétrica

Info

Publication number: WO2023023833A2
Application number: PCT/BR2022/050334
Authority: WO
Inventors: Cláudia Maria COIMBRA; Marcelo DE MORAES; Victor Baiochi RIBOLDI; Fabio Renato BASSAN; João Batista ROSOLEM; Rivael Strobel PENZE; Claudio Floridia; Artur de Araujo SILVA; Rodrigo PERES; Eduardo Ferreira DA COSTA; João Paulo Vicentini FRACAROLLI; Bruno Nogueira AIRES; Ronaldo Antonio Roncolatto; João Roberto NOGUEIRA JÚNIOR
Original assignee: Companhia Paulista De Força E Luz - Cpfl; Companhia Piratininga De Força E Luz; Companhia Jaguari De Energia; Rge Sul Distribuidora De Energia S.A.; Fundação Cpqd – Centro De Pesquisa E Desenvolvimento Em Telecomunicações
Priority date: 2021-08-27
Filing date: 2022-08-26
Publication date: 2023-03-02
Also published as: BR102021017033A2; WO2023023833A3

Abstract

A presente invenção se refere a sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, o qual compreender uma pluralidade de sensores de fibra óptica de rede de Bragg, FBG (005; 007; 011; 019; 021), dispostos em locais de interesse na rede de energia elétrica para monitorar parâmetros de interesse da rede elétrica, um interrogador (001) para enviar um sinal de luz para os sensores de fibra óptica FBG (005; 007; 011; 019; 021) e coletar uma luz de retorno. Nessa configuração, as variações no comprimento de onda da luz de retorno de cada um dos sensores de fibra óptica FBG (005; 007; 011; 019; 021) determinam variações nos parâmetros de interesse da rede de energia elétrica. O sistema proposto compreende ainda pelo menos um cabo de fibra óptica primário (003) para transportar o sinal de luz do interrogador (001), e um divisor de fibra óptica (029) conectado ao cabo de fibra óptica primário (003) para dividir o sinal de luz proveniente do interrogador (001) para uma pluralidade de cabos de fibra óptica secundários (028). Os cabos de fibra óptica secundários (028) são conectados, cada um, a um da pluralidade de sensores de fibra óptica FBG (005; 007; 011; 019; 021) para transportar o sinal de luz do interrogador (001) para a pluralidade de sensores de fibra óptica FBG (005; 007; 011; 019; 021).

Description

SISTEMA DE MONITORAMENTO DE REDE DE ENERGIA ELÉTRICA CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se refere ao monitoramento de parâmetros em uma rede de energia elétrica. Mais especificamente, a presente invenção se refere a um sistema de monitoramento de rede de energia elétrica para determinar diversos parâmetros de interesse da rede, de forma integrada, e a partir de sensores de rede de Bragg - FBG Fiber Bragg Grating).

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] As redes de energia elétrica subterrâneas são formas muito confiáveis de distribuição de energia elétrica, ainda que apresentem custo de instalação bem superior aos cabos aéreos. Um dos elementos mais importantes das redes de energia elétrica subterrâneas são os cabos condutores que devem ser capazes de operar por mais de trinta anos de maneira confiável. [003] Se por um lado, a temperatura suportada pelo material isolante e pelo próprio cabo são fatores que limitam a corrente e potência de carga, por outro lado os condutores subterrâneos de sistemas de potência estão expostos a estresses de origem elétrica, mecânica e térmica durante a operação, os quais podem reduzir a vida útil ou mesmo danificar o isolamento do cabo. Danos sofridos pelo cabo podem resultar na degradação do isolamento, ocorrência de descargas parciais e, por fim, na ruptura do isolamento.

[004] Outro importante elemento das redes de energia elétrica subterrâneas são os transformadores alojados em câmeras subterrâneas ou em invólucros sobre o solo. As caixas subterrâneas estão ainda sujeitas a invasão e alagamento, o que pode danificar o transformador em operação.

[005] O uso de monitoração na operação das redes de energia elétrica subterrâneas permite que as mesmas tenham sua operação segura, com capacidade otimizada e operando dentro dos limites elétricos, térmicos e mecânicos tolerados. Ao fazê-lo, as concessionárias de energia podem reduzir a frequência de manutenção preventiva em suas redes subterrâneas, aumentando a disponibilidade e reduzindo os custos de operação. Para alcançar esses objetivos, é necessário implementar o monitoramento de componentes críticos do sistema de distribuição subterrâneo, tais como o cabo, as conexões dos cabos, as caixas subterrâneas e os transformadores.

[006] Para que a monitoração dos sistemas de distribuição seja efetivo a tecnologia de sensoriamento adotada tem que ser compatível com as redes de energia elétrica subterrâneas.

[007] Neste contexto os sensores de fibra óptica se apresentam como mais vantajosos em relação a outras tecnologias.

[008] As vantagens dos sensores ópticos que usam a tecnologia de rede de Bragg - FBG (Fiber Bragg Grating) são: imunidade das fibras ópticas frente às interferências eletromagnéticas, capacidade de transmissão de sinais de elevada frequência e largura de banda, capacidade de multiplexação de sinais de vários sensores em uma única fibra, compactação, uso de espaços reduzidos e possibilidades de medições não invasivas, além de não precisarem de alimentação AC, baterias e painéis solares e não serem sensíveis a danos por descargas atmosféricas.

ESTADO DE TÉCNICA

[009] Alguns documentos de patente propõem sensores, métodos e aparatos de monitoramento aplicados a redes de energia, sendo os principais documentos discutidos a seguir.

[0010] No documento de patente JP3469726B2 POWER CABLE LINE WITH CURRENT DETECTOR USING GIANT MAGNETOSTRICTIVE ALLOY AND GIANT MAGNETOSTRICTIVE ALLOY SENSOR) é descrito um cabo de alimentação equipado com um detector de corrente usando um sensor magneto-restritivo. Em particular, a presente invenção refere-se à detecção de uma corrente que flui através de um cabo de energia ou de vários dispositivos de energia. A presente invenção refere-se a um detector de corrente adequado a uma linha de cabo de energia capaz de detectar um ponto de falta em um cabo de energia de ultra-alta tensão. O sensor de liga magneto restritiva gigante, é curvado em forma de arco e possui uma FBG conectada à parte superior do arco, e um corpo de restrição para restringir as duas extremidades do sensor de liga magneto restritiva gigante. O sensor de liga magneto restritiva-gigante quando é exposto a um campo magnético gerado por uma corrente elétrica tem suas extremidades movimentadas, este movimento é transferido a FBG alterando o comprimento de onda refletido pela FBG, possibilitando a medição de corrente elétrica.

[0011] No documento de patente RU195214U1 POWER CABLE WITH ELEMENTS OF CONTROL OF OWN PHYSICAL PARAMETERS IN REAL TIME) é apresentado um cabo elétrico que contem sensores FBGs localizados dentro do cabo condutor para a medição de parâmetros físicos do cabo de energia.

[0012] No documento de patente CN102331312A OPTICAL FIBER BRAGG TEMPERATURE MONITORING DEVICE FOR HIGH-VOLTAGE POWER CABLE INTERMEDIATE JOINT) é descrito um sensor de temperatura baseado em FBG que pode ser usado para a medição de temperatura de uma junta de cabos de alta tensão. Este sensor é composto por uma disposição de tubos capilares de cobre e FBGs revestidos por um invólucro também de cobre. Este aparato é usado para a monitoração de temperatura em pontos comuns de falhas (junção de cabos de alimentação). Uma grande quantidade de calor gerado pela junção do cabo, devido à alta resistência de contato, corrente de carga excessiva, descarga locais internas e similares, é transferida para o sensor e é convertida na modulação do valor de pico do comprimento de onda da FBG possibilitando a medição da temperatura no ponto de monitoramento.

[0013] No documento de patente CN202372276U {FIBER BRAGG GRATING TEMPERATURE MONITORING DEVICE OF HIGH-VOLTAGE POWER CABLE CENTRAL JOINT é descrito um dispositivo de monitoramento de temperatura baseado em FBG aplicado a uma junta central de cabo de alimentação de alta tensão. Este sensor, assim como o descrito no documento CN 102331312A é composto por uma disposição de tubos capilares de cobre e FBGs revestidos por um invólucro também de cobre.

[0014] No documento de patente CN103076108A NOVEL POWER CABLE CONDUCTOR TEMPERATURE MEASURING SENSOR BASED ON FBG (FIBER BRAGG GRATING)) é descrito um sensor de medição de temperatura do cabo elétrico baseado em FBG. O sensor de medição de temperatura do condutor é composto por uma grade de fibra óptica de Bragg, um corpo de base de cerâmica, uma sonda de tubo de aço inoxidável e uma fibra óptica. Tal aparato é caracterizado por uma FBG pré-esticada, curada, empacotada e fixada em uma ranhura do corpo de base cerâmica, utilizando uma cola resistente a altas temperaturas. Depois de embalado, o corpo da base de cerâmica que contém a FBG é fixado na extremidade frontal da sonda de tubo de aço inoxidável através de cola condutora de calor, a extremidade traseira da sonda de tubo de aço inoxidável é conectada à fibra óptica com terminação tipo FC.

[0015] No documento de patente GB2561821A (MULTI-PHASE SENSOR MODULE, SYSTEMS AND METHODS) é descrito um sistema que permite a medição de tensão fase-a-fase, fase-terra ou fase-neutro em um cabo de alimentação multifásico, um cabo de alimentação submarino ou subterrâneo. A invenção compreende um espaçador que mantém dois condutores de um cabo multifásico separado e um sensor de tensão disposto no espaçador para ser localizado entre os condutores. O sensor compreende uma fibra óptica com grade de Bragg em contato com um elemento piezoelétrico, que se expande e se contrai em resposta à tensão entre os dois condutores, resultando em sinais ópticos refletidos pela FBG dependentes da tensão fase-fase. O elemento piezoelétrico pode ser conectado eletricamente aos condutores por meio de eletrodos. A invenção não requer uma fonte de alimentação no local de medição e pode fornecer detecção de fibra óptica de tensões fase-fase ao longo do comprimento do cabo de alimentação. A invenção pode ser incorporada em uma emenda de reparo para fins de recondicionamento e também pode incorporar sensores de corrente baseados em FBG para medir simultaneamente a corrente nos condutores.

[0016] No documento de patente GB2575251A METHODS AND APPARATUS FOR MAKING A TIME- SYNCHRONISED PHASOR MEASUREMENT) é descrito um aparato utilizado para a medição de fasores sincronizados no tempo. Tais medições são feitas por um interrogador e sensores de tensão ou corrente através de uma fibra óptica que pode estar compreendida em um cabo de alimentação. Podem ser empregados sensores de tensão e corrente elétrica baseados em FBG em conjunto com um elemento piezoelétrico que se expande e contrai em resposta à tensão ou corrente, que pode ser detectada a partir de uma posição espectral de um comprimento de onda de pico de reflexão da grade de Bragg. São utilizados sensores de temperatura ao longo do comprimento da fibra óptica para fins de calibração do sistema, uma vez que o tempo de propagação da luz na fibra óptica é afetado de acordo com a temperatura em que a fibra óptica se encontra.

[0017] No documento de patente RU195214U1 (POWER CABLE WITH ELEMENTS OF CONTROL OF OWN PHYSICAL PARAMETERS IN REAL TIME) é descrito um cabo de alimentação para redes de corrente contínua com controle em tempo real de seus próprios parâmetros físicos. A confiabilidade do cabo é aumentada devido ao fato de o cabo conter elementos para monitorar seus próprios parâmetros físicos em tempo real, os elementos que realizam este monitoramento são sensores FBG dispostas em um tubo feito de um material resistente ao calor e a pressão e localizadas dentro do cabo condutor.

[0018] O documento CN103487162 se refere a um sistema de monitoramento on-line de temperatura de contato de equipamento de alta tensão baseado em uma rede de fibra óptica. O sistema compreende principalmente uma sala de controle de subestação de transformador, um host de monitoramento, uma fibra óptica monofibra, um instrumento de demodulação de sinal de rede de fibra óptica, um analisador de rede de sensor de rede de fibra óptica, uma caixa de terminação de fibra óptica e semelhantes. O sistema de monitoramento online de temperatura de contato de equipamento de alta tensão baseado na rede de fibra óptica é desenvolvido para as características de alta tensão e forte interferência eletromagnética de um sistema de energia elétrica, sendo adequado para monitoramento online de temperaturas de pontos de monitoramento, como um gerador elétrico, um gabinete elétrico de alta tensão e uma unidade principal em anel de um sistema de geração e fornecimento de energia em tempo real.

[0019] O documento CN102606211B apresenta um sistema de monitoramento de segurança de tipo distribuído de grade de fibra para um poço de cabo, que compreende um sensor de abertura e fechamento de tampa de poço de grade de fibra, um sensor de nível de água de grade de fibra, um processador de sinal de grade de fibra, um computador e um cabo óptico. O sensor de abertura e fechamento da tampa do poço da grade de fibra e o sensor de nível de água da grade de fibra são instalados em um local de monitoramento, estão em conexão em série com o cabo óptico e realizam a transmissão para o processador de sinal da grade de fibra localizado em uma câmara de monitoramento e a grade de fibra o processador de sinal transmite os resultados processados, o estado de abertura e fechamento da tampa do poço, informações de nível de água subterrânea e informações de localização correspondentes para o computador superior.

[0020] O documento CN109872498A revela um sistema de monitoramento inteligente de galeria de tubos e um sistema de alerta baseado em monitoramento totalmente de fibra óptica. Vários sensores de fibra óptica, hosts de controle óptico inteligente, correspondentemente conectados com os sensores de fibra óptica, e uma sala de centro de controle para receber sinais sujeitos à conversão fotoelétrica pelos hosts de controle óptico inteligente e realizar leitura, armazenamento, análise de dados, processamento de aviso prévio antecipado e estado exibição são organizados; e o hall do centro de controle se comunica com os subcentros de big data da cidade e um big data center da cidade por meio da Internet.

[0021] Apesar dos documentos encontrados no estado da técnica, descreverem sensores FBG para uso ou não em redes elétricas subterrâneas, conforme supracitados, os mesmos usam técnicas limitadas a somente um ou dois parâmetros, medidos separadamente. Para o monitoramento adequado de uma rede de energia elétrica, em que diversos parâmetros diferentes devem ser acompanhados, os dados dos sensores de FBG conhecidos do estado da técnica precisam ser analisados em conjunto com dados de outros sensores, utilizando diferentes equipamentos, o que aumenta os custos do sistema e complexidade de sua manipulação.

[0022] Portanto, surge a necessidade de um sistema de monitoramento de rede de energia elétrica subterrânea de média e alta tensão capaz de medir diversos parâmetros de interesse da rede elétrica, de forma integrada, prática e simples.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

[0023] O sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, objeto da presente invenção, tem por objetivo prover um sistema que permita monitoração integrada, em tempo real, usando uma única tecnologia de fibras ópticas, diversos parâmetros de interesse da rede elétrica, de forma integrada, prática e simples

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0024] A presente invenção se refere a sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, o qual compreender uma pluralidade de sensores de fibra óptica de rede de Bragg, FBG, dispostos em locais de interesse na rede de energia elétrica para monitorar parâmetros de interesse da rede elétrica, um interrogador para enviar um sinal de luz para os sensores de fibra óptica FBG e coletar uma luz de retomo. Nessa configuração, as variações no comprimento de onda da luz de retorno de cada um dos sensores de fibra óptica FBG determinam variações nos parâmetros de interesse da rede de energia elétrica. O sistema proposto compreende ainda pelo menos um cabo de fibra óptica primário para transportar o sinal de luz do interrogador, e um divisor de fibra óptica conectado ao cabo de fibra óptica primário para dividir o sinal de luz proveniente do interrogador para uma pluralidade de cabos de fibra óptica secundários. Os cabos de fibra óptica secundários são conectados, cada um, a um da pluralidade de sensores de fibra óptica FBG para transportar o sinal de luz do interrogador para a pluralidade de sensores de fibra óptica FBG.

[0025] A partir da pluralidade de sensores de fibra óptica FBG, o sistema de monitoração é capaz de monitorar a temperatura distribuída dos cabos de energia subterrâneos, tensão e corrente elétrica, descargas parciais além de intrusão e nível de líquido nas câmeras subterrâneas formando um sistema integrado de monitoração usando uma única tecnologia de sensoriamento.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0026] A invenção será mais bem compreendida a partir da descrição detalhada e das figuras que a ela se referem, das quais:

[0027] A Figura 1 mostra uma concepção genérica do sistema de monitoramento de rede de energia elétrica implementado em uma rede de energia elétrica subterrânea, de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção.

[0028] A Figura 2 mostra uma forma de conexão de fibra óptica entre o interrogador e sensores FBG do sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, de acordo com uma primeira concretização da presente invenção.

[0029] A Figura 3 mostra uma forma de conexão de fibra óptica entre o interrogador e sensores FBG do sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, de acordo com uma segunda concretização da presente invenção.

[0030] A Figura 4 mostra uma forma de instalação do sensor FBG de nível de líquido do sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, em uma concretização onde o sistema possui esta funcionalidade.

[0031] A Figura 5 mostra uma forma de instalação do sensor FBG de intrusão do sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, em uma concretização onde o sistema possui esta funcionalidade.

[0032] A Figura 6 mostra uma forma de instalação do sensor FBG de corrente do sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, em uma concretização onde o sistema possui esta funcionalidade.

[0033] A Figura 7 mostra uma forma de instalação do sensor FBG de temperatura pontual do sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, em uma concretização onde o sistema possui esta funcionalidade.

[0034] A Figura 8 mostra uma forma instalação do sensor FBG de temperatura e descargas parciais, na forma de um cabo FBG semi-distribuído, do sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, em uma concretização onde o sistema possui esta funcionalidade.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0035] A descrição que se segue partirá de uma concretização preferencial da invenção, aplicada no monitoramento de uma rede de energia elétrica subterrânea. Entretanto, como ficará evidente para qualquer técnico no assunto, a invenção não está limitada a essa concretização particular, podendo ser também utilizada em redes prediais, em condomínio e demais ambientes controlados.

[0036] A presente invenção se refere a sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, o qual compreender uma pluralidade de sensores de fibra óptica de rede de Bragg, FBG, dispostos em locais de interesse na rede de energia elétrica para monitorar parâmetros de interesse da rede elétrica, um interrogador para enviar um sinal de luz para os sensores de fibra óptica FBG e coletar uma luz de retomo. Nessa configuração, as variações no comprimento de onda da luz de retorno de cada um dos sensores de fibra óptica FBG determina variações nos parâmetros de interesse da rede de energia elétrica. O sistema proposto compreende ainda pelo menos um cabo de fibra óptica primário para transportar o sinal de luz do interrogador, e um divisor de fibra óptica conectado ao cabo de fibra óptica primário para dividir o sinal de luz proveniente do interrogador para uma pluralidade de cabos de fibra óptica secundários. Os cabos de fibra óptica secundários são conectados, cada um, a um da pluralidade de sensores de fibra óptica FBG para transportar o sinal de luz do interrogador para a pluralidade de sensores de fibra óptica FBG.

[0037] A Figura 1 ilustra uma concretização preferencial do sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, aplicado em uma rede de energia elétrica subterrânea. O sistema é composto por um de interrogador 001, responsável por enviar um sinal de luz para os sensores FBG e, coletar a luz de retomo contendo os dados dos sensores FBG. Preferencialmente, o interrogador 001 é do tipo de laser por varredura temporal e comprimento de onda, e sensores baseados na tecnologia FBG a serem posteriormente descritos, ditos sensores que são conectados entre si através de fibras ópticas 003.

[0038] Os elementos físicos de uma rede de energia subterrânea a serem monitorados pelo sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, também são mostrados na Figura 1, sendo os mesmos: câmara subterrânea 009, cabo condutor subterrâneo 015 e armário do transformador 023. A linha pontilhada 025 representa o limite entre a parte subterrânea e a parte acima da superfície do sistema de monitoramento de rede de energia elétrica.

[0039] De acordo com a concretização preferencial da presente invenção, ilustrada na Figura 1, os sensores de tecnologia FBG constituintes do sistema de monitoramento de rede de energia elétrica compreendem: um sensor FBG de intrusão 005, dito sensor que pode ser empregado tanto no monitoramento de intrusão da câmara subterrânea 009 quanto na intrusão do armário do transformador 023. Outro sensor presente na Figura 1 é um sensor FBG de nível de líquido 007 que tem a função de monitorar o nível de líquido no interior de uma câmara subterrânea 009.

[0040] Ainda com relação à Figura 1, o sistema compreende um sensor FBG de temperatura e descargas parciais 011, também conhecido por FBG array, doravante denominado sensor FBG de semi-distribuído, constituído por um cabo de fibras ópticas especiais que é composto por vários sensores FBG de temperatura pontual 013 em série que formam o dito cabo FBG semi-distribuído 011. A detecção das descargas parciais se dá preferencialmente pela detecção da onda de ultrassom emitida pela descarga parcial pela FBG mais próxima do dito cabo FBG semi-distribuído, de modo similar a qualquer sensor comercial FBG de descargas parciais, preferencialmente por detecção de ultrassom.

[0041] O sensor FBG semi-distribuído 011 é acomodado ao longo dos eletrodutos ou valas 027 por onde os cabos condutores 015 são instalados em redes de distribuição elétrica subterrânea. O sistema compreende ainda um sensor FBG de corrente 019, responsável pelo monitoramento da corrente elétrica do transformador 024, dito sensor que pode ser utilizado para monitorar a corrente tanto nos condutores do primário quanto a corrente dos condutores do secundário do transformador, sendo usado um sensor por condutor. Sensores FBG de corrente são conhecidos do estado da técnica, tal como por exemplo o sensor revelado no documento CN111308155 A. [0042] Pode-se observar ainda na Figura 1 a presença de um sensor FBG de temperatura pontual 021 é aplicado na monitoração da temperatura em pontos de interesse no transformador 024.

[0043] A Figura 2 apresenta uma primeira forma de realização da conexão entre os sensores FBG 005, 007, 011, 013, 019 e 021 e o interrogador 001. Na Figura 2 foram omitidos os componentes físicos da rede de energia subterrânea para um melhor entendimento das conexões dos sensores.

[0044] O sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, permite, sem restringir, que as conexões entre interrogador 001 e sensores FBG 005, 007, 011, 013, 019 e 021 sejam feitas através da conexão por emendas de fibras ópticas ou cabos de fibra óptica secundários 028 nas portas de saída de um elemento divisor de fibra ópticos 029. Preferencialmente, o divisor de fibra ópticos 029 é um divisor balanceado, dividindo igualmente o sinal de luz entre os sensores FBG.

[0045] Nesta forma de realização o divisor de sinais ópticos 029 tem sua porta de entrada conectada a saída do interrogador 001 através de um cabo fibra óptica primário 003. Cabos de fibra óptica secundários 028 são conectados, cada um, a um da pluralidade de sensores de fibra óptica FBG 005, 007, 011, 019, 021 para transportar o sinal de luz do interrogador 001 para a pluralidade de sensores de fibra óptica FBG 005, 007, 011, 019, 021.

[0046] A resposta de cada um dos sensores é dada por seu comprimento de onda específico que guarda relação direta com a grandeza mensurada. O valor da grandeza é, portanto, recuperado por meio do comprimento de onda recebido e não a sua intensidade. Assim, por exemplo, a corrente elétrica em amperes é determinada pela leitura do comprimento de onda por meio de uma curva de calibração. Deste modo o dito sistema permite a criação de alertas por meio do valor da grandeza (no caso da corrente, em amperes) e assim sucessivamente. [0047] A Figura 3 apresenta uma segunda forma de realização da conexão entre os sensores FBG 005, 007, 011, 019, 021 e o interrogador 001. Na Figura 3 foram omitidos os componentes físicos de uma rede de energia subterrânea para um melhor entendimento das conexões. O sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, permite, sem restringir, que seja usado mais de um cabo fibra óptica primário 003 para a conexão entre interrogador 001 e sensores FBG 005, 007, 011, 019 e 021, usando para tanto uma segunda porta de saída do interrogador 001. Dessa forma, haveria um cabo de fibra óptica conectando o interrogador 001 diretamente com um dos sensores FBG, não passando pelo divisor de fibra óptica 029. Tal concretização pode ser importante quando se deseja monitorar individualmente uma grandeza da rede, ou quando duas grandezas possuem valores de comprimento de onda muito semelhantes, o que poderia dificultar sua discriminação em um único cabo de fibra óptica.

[0048] A Figura 4 apresenta uma concretização alternativa do sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, o qual compreende um sensor FBG de nível de líquido 007. O sensor FBG de nível de líquido 007 é instalado no interior de um tubo 101 com várias perfurações. O dito tudo 101 tem a função oferecer suporte ao dito sensor de nível de líquido 007 e deve permitir a passagem do líquido para sua parte interior, para que o sistema de monitoramento de rede de energia elétrica possa verificar o nível de líquido presente no interior da câmara subterrânea 009 através do sensor 007. O tubo 101 pode ser constituído preferencialmente de material policloreto de vinila (PVC) e pode ser fixado na parede da câmara subterrânea 009 usando um aparato de fixação de tubo 103.

[0049] A Figura 5 apresenta uma concretização alternativa do sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, o qual compreende um sensor FBG de intrusão 005. O sensor FBG de intrusão 005 é fixado na parede da câmara subterrânea 009, próximo a tampa da caixa subterrânea 201, usando um aparato de fixação de parede 203. O sensor FBG de intrusão 005 compreende um pistão de mola 010 que é comprimido quando a tampa da caixa subterrânea 201 está fechada.

[0050] Quando do movimento de abertura da tampa da caixa subterrânea 201, a tampa libera o pistão de mola 010, o qual tenciona o sensor de intrusão 005. A tensão no sensor FBG altera o comprimento de onda da luz emitida pelo interrogador 001, e a partir do comprimento de onda da luz refletida, o sistema de monitoramento de rede de energia elétrica pode detectar a abertura da tampa da caixa subterrânea 201. O sensor FBG de intrusão 005 pode ser também instalado para detectar a intrusão em um armário do transformador 023, ou ainda em qualquer outro ambiente onde se deseja controlar o acesso.

[0051] A Figura 6 apresenta uma concretização alternativa do sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, o qual compreende um sensor FBG de corrente 019. Preferencialmente, o sensor FBG de corrente 019 é composto de material magnetostritivo, tal como Terfenol, funcionando como transdutor de variação de corrente elétrica em variação de comprimento de onda, e um concentrador de campo magnético como ferrite ou similar. O dito sensor de corrente (019) pode ser feito de forma bipartida para facilitar a montagem nos cabos condutores.

[0052] O dito sensor FBG de corrente 019 pode ser fixado de forma a envolver um ou mais cabos condutores 303, onde se deseja medir a corrente elétrica. A deformação do material magnetostritivo deforma o sensor FBG de corrente 019, mudando o comprimento de onda da luz refletida pelo sensor FBG de corrente 019.

[0053] A Figura 7 apresenta uma concretização alternativa do sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, o qual compreende um sensor FBG de temperatura pontual 021. O dito sensor de temperatura pode ser feito de material condutor de calor e que funcione como transdutor de variação de temperatura em variação de comprimento de onda.

[0054] O dito sensor de temperatura pontual 021 pode ser fixado na parede externa do transformador 024, utilizando material apropriado, onde se deseja medir a temperatura. Dessa forma, uma mudança de temperatura deforma o sensor FBG de temperatura pontual 021, alterando o comprimento de onda da luz refletida pelo sensor FBG de temperatura pontual 021.

[0055] A Figura 8 apresenta uma concretização alternativa do sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, o qual compreende um sensor FBG de descargas parciais 011, na forma de um cabo FBG semi-distribuído 011. O sensor FBG semi-distribuído 011 é responsável pela medição de temperatura e descargas parciais semi-distribuída ao longo do cabo condutor 015. Nesta montagem, o sensor FBG semi-distribuído 011 é instalado ao longo do cabo condutor 015 dentro de um duto subterrâneo 027. O sensor FBG semi-distribuído 011 compreende uma pluralidade de elementos sensores de temperatura pontual 013, em que a quantidade de elementos sensores 013 pode ser escolhida previamente adequando-se ao comprimento do cabo condutor a ser monitorado.

[0056] Uma porção 031 deste cabo dentro de um duto subterrâneo 027 é mostrada em maior detalhe na Figura 8, ilustrando as ondas de calor ou ondas de ultrassom 033 provenientes do cabo condutor subterrâneo 015 e detectados pelo sensor FBG mais próximo. A detecção das descargas parciais se dá preferencialmente pela detecção da onda de ultrassom 033 emitida pela descarga parcial pela FBG mais próxima do dito cabo 015, de modo similar a qualquer sensor comercial FBG de descargas parciais preferencialmente por detecção de ultrassom.

VANTAGENS

[0057] O sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, objeto desta invenção, proporciona uma solução para monitoramento de rede integrada, em tempo real, usando uma única tecnologia de fibras ópticas dos seguintes parâmetros: temperatura e descargas parciais semi-distribuídas do cabo subterrâneo, descargas parciais, temperatura, corrente, presença de liquido e medição de intrusão no armário do transformador e/ou câmera subterrânea usando sensores pontuais.

[0058] Dentre as vantagens, pode-se citar: o fato de ser uma solução na qual uma substancial parte do sistema de distribuição de energia subterrâneo é monitorada usando uma única tecnologia de sensoriamento de forma integrada; o fato de o uso da mesma tecnologia de sensores unifica a rede, o sistema de sensoriamento, os procedimentos de instalação, os procedimentos de calibração e os procedimentos de operação, trazendo redução dos custos da operação e aumentando sua segurança.

[0059] Além disso, existem as vantagens intrínsecas da tecnologia FBG adotada que são: imunidade das fibras ópticas frente às interferências eletromagnéticas, capacidade de transmissão de sinais de elevada frequência e largura de banda, capacidade de multiplexação de sinais de vários sensores em uma única fibra, compactação, uso em espaços reduzidos e possibilidades de medições não invasivas, além de não precisarem de alimentação local, baterias e painéis solares e não serem sensíveis a danos por descargas atmosféricas.

[0060] Inúmeras variações incidindo no escopo de proteção da presente invenção são permitidas. Apesar do presente relatório apresentar exemplos de componentes específicos, indicando materiais e configurações preferenciais, deve-se enfatizar que a invenção proposta não se restringe aos valores ou tipos de componentes descrito nas concretizações. Um técnico no assunto será plenamente capaz de compreender que o sistema proposto é escalável para dimensões diferentes, bem como sensores que podem ser substituídos por equivalentes conhecidos do mercado.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, caracterizado por compreender: uma pluralidade de sensores de fibra óptica de rede de Bragg, FBG (005; 007; 011; 019; 021), dispostos em locais de interesse na rede de energia elétrica para monitorar parâmetros de interesse da rede elétrica; um interrogador (001) para enviar um sinal de luz para os sensores de fibra óptica FBG (005; 007; 011; 019; 021) e coletar uma luz de retorno, em que as variações no comprimento de onda da luz de retomo de cada um dos sensores de fibra óptica FBG (005; 007; 011; 019; 021) determinam variações nos parâmetros de interesse da rede de energia elétrica; pelo menos um cabo de fibra óptica primário (003) para transportar o sinal de luz do interrogador (001); um divisor de fibra óptica (029) conectado ao cabo de fibra óptica primário (003) para dividir o sinal de luz proveniente do interrogador (001) para uma pluralidade de cabos de fibra óptica secundários (028), em que os cabos de fibra óptica secundários (028) são conectados, cada um, a um da pluralidade de sensores de fibra óptica FBG (005; 007; 011; 019; 021) para transportar o sinal de luz do interrogador (001) para a pluralidade de sensores de fibra óptica FBG (005; 007; 011; 019; 021).

2. Sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o interrogador (001) possui uma saída adicional e o sistema compreende um cabo de fibra óptica primário (003) adicional para transportar o sinal de luz do interrogador (001) diretamente a um dos sensores de fibra óptica FBG (005; 007; 011; 019; 021).

3. Sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o divisor de fibra óptica (029) é um divisor balanceado.

4. Sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de sensores de fibra óptica FBG (005; 007; 011; 019; 021) compreende um sensor de nível de líquido (007) posicionado em uma câmara subterrânea para verificar o nível de líquido presente no interior da câmara subterrânea (009); em que o sensor de nível de líquido (007) é instalado no interior de um tubo (101) com várias perfurações; o dito tudo (101) configurado parra oferecer suporte ao dito sensor de nível de líquido (007) e permitir a passagem do líquido para sua parte interior.

5. Sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o tubo (101) é constituído de material policloreto de vinila (PVC) e é fixado na parede da câmara subterrânea (009) usando um aparato de fixação de tubo (103).

6. Sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de sensores de fibra óptica FBG (005; 007; 011; 019; 021) compreende um sensor de intrusão (005) fixado em uma parede de uma câmara subterrânea (009) ou em um armário do transformador (023), para detectar acesso à câmara subterrânea (009) ou ao armário do transformador (023).

7. Sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o sensor de intrusão (005) é fixado na parede da câmara subterrânea (009) próximo a tampa da caixa subterrânea (201) usando um aparato de fixação de parede (203); 19 o sensor de intrusão (005) compreendendo um pistão de mola (010) que é comprimido quando a tampa da caixa subterrânea (201) está fechada; em que o movimento de abertura da tampa da caixa subterrânea (201) libera o pistão de mola (010), o qual tenciona o sensor de intrusão (005), mudando o comprimento de onda da luz refletida pelo sensor e intrusão (005).

8. Sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de sensores de fibra óptica FBG (005; 007; 011; 019; 021) compreende um sensor de corrente (019) fixado de forma a envolver um ou mais cabos condutores (303) para medir a corrente elétrica.

9. Sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o dito sensor de corrente (019) possui forma bipartida e compreende um material magnetostritivo, preferencialmente Terfenol, que se deforma em vista do campo magnético gerado pela corrente nos um ou mais cabos condutores (303), e um concentrador de campo magnético, preferencialmente de ferrite; em que a deformação do material magnetostritivo deforma o sensor FBG de corrente (019), mudando o comprimento de onda da luz refletida pelo sensor FBG de corrente (019).

10. Sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de sensores de fibra óptica FBG (005; 007; 011; 019; 021) compreende um sensor de temperatura pontual (021) fixado em uma parede externa de um transformador (024) para medir a temperatura do 20 transformador (024).

11. Sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o dito sensor de temperatura é feito de material condutor de calor para operar como um transdutor de variação de temperatura em variação de comprimento de onda, em que uma mudança de temperatura deforma o sensor FBG de temperatura pontual (021), alterando o comprimento de onda da luz refletida pelo sensor FBG de temperatura pontual (021).

12. Sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de sensores de fibra óptica FBG (005; 007; 011; 019; 021) compreende um sensor FBG semi-distribuído (011) instalado ao longo de um cabo condutor subterrâneo (015) dentro de um duto subterrâneo (027).

13. Sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o sensor FBG semi-distribuído (011) compreende uma pluralidade de elementos sensores (013) que detectam ondas de calor ou ondas de ultrassom (033) provenientes do cabo condutor subterrâneo (015), em que uma onda de calor ou onda de ultrassom deforma o sensor FBG semi- distribuído (011), alterando o comprimento de onda da luz refletida pelo sensor FBG de temperatura pontual (013).

14. Sistema de monitoramento de rede de energia elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que o interrogador (001) é do tipo de laser por varredura temporal e comprimento de onda.