DESENVOLVIMENTO DE HARDWARE OPTOELETRONICO E

SOFTWARE PARA APLICACAO EM SISTEMA DE

MONITORAMENTO DE CHAVES SECCIONADORAS.

Guilherme Avelino Freire

Projeto de Graduacao apresentado ao Curso

de Engenharia Eletronica e de Computacao

da Escola Politecnica, Universidade Federal

do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos

necessarios a obtencao do tıtulo de Enge-

nheiro.

Orientador: Marcelo Martins Werneck

Co-orientador: Cesar Cosenza de Carvalho

Rio de Janeiro

Dezembro de 2014

DESENVOLVIMENTO DE HARDWARE OPTOELETRONICO E

SOFTWARE PARA APLICACAO EM SISTEMA DE

MONITORAMENTO DE CHAVES SECCIONADORAS.

Guilherme Avelino Freire

PROJETO DE GRADUACAO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO

DE ENGENHARIA ELETRONICA E DE COMPUTACAO DA ESCOLA PO-

LITECNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO

PARTE DOS REQUISITOS NECESSARIOS PARA A OBTENCAO DO GRAU

DE ENGENHEIRO ELETRONICO E DE COMPUTACAO

Autor:

Guilherme Avelino Freire

Orientador:

Prof. Marcelo Martins Werneck, Ph.D.

Co-orientador:

Cesar Cosenza de Carvalho, D.Sc.

Examinador:

Prof. Jose Gabriel Rodriguez Carneiro Gomes, Ph.D.

Examinador:

Daniel Moreira dos Santos, B.Sc.

Rio de Janeiro

Dezembro de 2014

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Escola Politecnica - Departamento de Eletronica e de Computacao

Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universitaria

Rio de Janeiro - RJ CEP 21949-900

Este exemplar e de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que

podera incluı-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar

qualquer forma de arquivamento.

E permitida a mencao, reproducao parcial ou integral e a transmissao entre bibli-

otecas deste trabalho, sem modificacao de seu texto, em qualquer meio que esteja ou

venha a ser fixado, para pesquisa academica, comentarios e citacoes, desde que sem

finalidade comercial e que seja feita a referencia bibliografica completa. Os conceitos

expressos neste trabalho sao de responsabilidade do(s) autor(es).

iii

AGRADECIMENTO

Dedico este trabalho ao povo brasileiro que contribuiu de forma significativa

para minha formacao e estada nesta Universidade. Este projeto e uma pequena

forma de retribuir o investimento e confianca em mim depositados.

iv

RESUMO

O processo de fechamento de uma chave seccionadora, apesar de ocorrer

com pouca frequencia em uma subestacao de energia, pode causar serios danos

caso nao seja realizado corretamente. A operacao da chave em condicoes de falso

fechamento pode danificar os contatos eletricos, o que leva a necessidade de troca

de equipamentos e de interrupcao do funcionamento de parte da subestacao para

a realizacao dos reparos. Atualmente, os tecnicos fiam-se a inspecao visual para

certificarem-se do efetivo fechamento da chave.

A fim de suprir a falta de um sistema de monitoramento do fechamento de

chaves seccionadoras, a concesionaria brasileira de energia eletrica encomendou ao

Laboratorio de Instrumentacao e Fotonica/UFRJ o projeto e desenvolvimento de um

sistema que realizasse tal funcao, o que levou ao prototipo composto pelo hardware

optoeletronico e pelo software co-desenvolvido pelo autor apresentado no presente

trabalho.

Palavras-Chave: Chave seccionadora, monitoramento, fibra optica.

v

ABSTRACT

The closure of a disconnect switch in an electrical substation, despite its low fre-

quency, may result in major harms if not correctly performed. The operation of

the disconnect switch under false closing may damage the electric contacts, which

implies in the necessity of changing hardware, leading to interruption of the functio-

ning of part of the substation for the realization of repairs. Currently the technicians

use visual inspection to make sure the closure happened correctly.

Due to the lack of systems to monitor the closure of disconnectors, the brazi-

lian electrical company ordered to the Laboratorio de Instrumentacao e Fotonica/UFRJ

the project and development of a system that filled this void, which led to the pro-

totype composed of the optoelectronical hardware and software co-developed by the

author presented in this work.

Key-words: Disconnect switch, monitoring, optical fiber.

vi

SIGLAS

UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro

SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition

HMI - Human Machine Interface

RTU - Remote Terminal Unit

UCD - Unidade de Controle de Dados

SAGE - Sistema Aberto de Gerenciamento de Energia

vii

Sumario

1 Introducao 1

1.1 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Fundamentos teoricos 4

2.1 Fibra optica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1.1 Tipos de fibras opticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 Splitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3 Fotodetectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.4 Switch optico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.5 Chave seccionadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3 Estado da arte 14

4 Metodologia 17

4.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.1.1 Hardware eletronico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.1.2 Hardware optomecanico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.3 Teste & Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5 Conclusao 32

5.1 Desenvolvimentos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Bibliografia 33

A Materiais utilizados 35

viii

Lista de Figuras

1.1 Diagrama de blocos do sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.1 A fibra optica, extraıdo de [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 Fibra optica multimodo, extraıdo de [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.3 Fibra optica multimodo e monomodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.4 Esquema de um splitter, extraıdo de [4]. . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.5 Juncao PN e camada de deplecao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.6 Switch com prisma, extraıdo de [5]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.7 Switch com motor de passo, extraıdo de [5]. . . . . . . . . . . . . . . 9

2.8 Polo de uma chave seccionadora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1 Diagrama em blocos do sistema completo do sensor optico de posicao

absoluta dos contatos de um seccionador de alta-tensao, extraıdo de

[7]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.2 Esquema da arquitetura proposta para o monitoramento do fecha-

mento da chave seccionadora, extraıdo de [8]. . . . . . . . . . . . . . . 16

4.1 Diagrama de blocos do prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.2 Diagrama de pinos do LPS-830-FC da Thorlabs, onde o fotodiodo

corresponde ao PD. Extraıdo de [13]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.3 Esquematico dos conversores DC-DC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.4 Esquematico do acionamento do laser e do condicionamento do sinal

da referencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.5 Esquema do driver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.6 Amplificador inversor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.7 Esquematico do condicionamento do sinal proveniente do sensor op-

toeletronico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

ix

4.8 Esquematico dos capacitores nas alimentacoes e dos conectores. . . . 23

4.9 Layout da placa LIF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.10 Placa LIF montada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.11 Sensor optomecanico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.12 Refletividade de diferentes materiais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.13 Amortecedor de curso com parafuso de ajuste de curso. . . . . . . . . 26

4.14 Esboco da versao final do sensor optomecanico. . . . . . . . . . . . . 26

4.15 Desenho em corte do sensor optomecanico. . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.16 Interface com o usuario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.17 Diagrama em blocos do funcionamento do acionamento sequencial. . . 28

4.18 Trecho do arquivo de log no acionamento sequencial. . . . . . . . . . 29

4.19 Interface com o usuario: acionamento assıncrono. . . . . . . . . . . . 29

4.20 Integracao do sistema para a realizacao do teste. . . . . . . . . . . . . 30

4.21 Curvas de abertura e fechamento do sensor optomecanico. . . . . . . 30

4.22 Sensor optomecanico fixada a chave seccionadora. . . . . . . . . . . . 31

4.23 Curva de fechamento do sensor optomecanico, com intervalo de con-

fianca de 5%. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

A.1 Laser Thorlabs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

A.2 ProtoMat S42 LPKF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

A.3 Dispositivo de aquisicao de sinais NI-6008. . . . . . . . . . . . . . . . 36

A.4 Switch 1x8-MM-A-D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

A.5 Sensor mecanico LIF/Coppe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

x

Lista de Tabelas

2.1 Principais parametros de fibras opticas comerciais, extraıdo de [3]. . . 7

4.1 Modos de operacao de um transistor BJT, adaptado de [14]. . . . . . 21

xi

Capıtulo 1

Introducao

Sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) sao utilizados

para monitorar e controlar plantas e equipamentos em industrias e sistemas de distri-

buicao de energia. Um sistema central dotado de HMI’s (Human Machine Interface)

coleta os dados fornecidos pelos diversos RTU’s (Remote Terminal Unit), a partir

dos quais baseia seu processo de tomada de decisao. O controle central pode en-

viar comandos para os RTU’s que suportam esse tipo de operacao, ou simplesmente

receber dados provenientes destes.

As chaves seccionadoras, que sao dispositivos mecanicos de manobra, sao am-

plamente utilizadas em subestacoes de energia, realizando o chaveamento de circui-

tos. Na posicao aberta asseguram uma distancia de isolamento,“abrindo” o circuito,

e na posicao fechada asseguram a continuidade do caminho eletrico.

Este trabalho corresponde ao estudo e desenvolvimento de um prototipo de

um sistema optoeletronico a ser utilizado em um sistema SCADA de uma subestacao

de energia, para monitoramento do fechamento de chaves seccionadoras. Esse sis-

tema apenas enviara dados para o sistema central.

O sistema do qual sera construıdo o prototipo esta representado na figura 1.1.

Um switch optico, com oito canais de saıda, realizara o monitoramento de duas

chaves seccionadoras, compostas, cada, por tres fases e um sensor de abertura (este

nao e discutido neste trabalho). A cada fase sera acoplado um sensor optomecanico,

representado na figura por Sn.

Para a realizacao do monitoramento sera utilizado um sinal optico, obtido

por meio de um laser. Em uma mesma placa de circuito impresso sera feito o

1

Switch

optico

S1

S2

...

S8

Laserdo sinal

Tratamento

CS11

CS12

CS24

Conversor

UCD

SAGE

MMS

Controlador

Patio da subestacao

IEC 61850/GOOSE

Figura 1.1: Diagrama de blocos do sistema.

acionamento deste e a recepcao e tratamento dos sinais provenientes dos sensores

optomecanicos e de abertura.

Os sinais tratados serao enviados a um controlador, que maneja a multi-

plexacao do switch, e depois serao enviados a um conversor. Este devera transmitir

os dados no protocolo IEC 61850/GOOSE para uma UCD (Unidade de Controle

de Dados), que corresponde a uma RTU citada anteriormente. A UCD, por sua

vez, recebe sinais de origens diversas e os repassa no protocolo MMS(Manufacturing

Messaging Service) para o SAGE, sistema de controle central onde encontram-se as

HMI’s.

1.1 Justificativa

As chaves seccionadoras, que operam na faixa de 230 kV, apesar de nao

estarem entre os componentes de maior custo de uma subestacao, sao de grande

responsabilidade e podem dar origem a defeitos de grandes dimensoes em situacoes

operacionais, isto e, quando acionadas indevidamente ou energizadas em condicoes

2

de falso fechamento.

Quando o fechamento nao e realizado corretamente, ocorre um incremento

da resistencia no contato eletrico. Dada a ordem de grandeza da corrente que tipica-

mente circula por um chave seccionadora (∼ 3000 A), o aumento da energia termica

dissipada pode danificar os contatos ou ate mesmo derrete-los em casos extremos.

1.2 Objetivos

Esse projeto visa o desenvolvimento do prototipo de um sistema optoe-

letronico e hardware. para monitorar o fechamento de uma chave seccionadora,

com as seguintes caracterısticas:

• Suportar as condicoes de operacao agressivas (tensao, vibracao, temperatura,

oxidacao, umidade etc) caracterısticas do ambiente de uma subestacao de ener-

gia;

• Indicacao remota de fechamento efetivo da chave;

• Garantir isolamento apropriado entre a parte sensora em potencial nominal da

chave e a parte de monitoramento em potencial terra;

• Custo compatıvel, ou seja, o custo desta tecnologia nao deveria ultrapassar

aproximadamente 5% do valor de uma chave seccionadora.

• Capaz de ser instalado em modulos antigos de chaves, e possibilidade de ser

fabricado junto com chaves novas;

• Nao interferir no funcionamento nem agregar risco eletrico a chave secciona-

dora.

3

Capıtulo 2

Fundamentos teoricos

Neste capıtulo serao discutidos os equipamentos e conceitos necessarios a

compreensao do sistema de monitoramento de chaves seccionadoras que sera apre-

sentado.

2.1 Fibra optica

A fibra optica guia um sinal optico (luz) de um ponto para outro por meio de

um caminho nao necessariamente reto, sendo composta por dois materiais cristalinos

e homogeneos, conforme mostrado na Figura 2.1: o material ocupando o centro e

denominado nucleo (core) e o que o envolve e denominado casca (cladding). O sinal

e confinado dentro da fibra por meio da reflexao total interna na interface entre a

casca e o nucleo da fibra, fenomeno possibilitado pelo fato do ındice de refracao

da casca ser menor que o do nucleo. O sinal optico percorre a fibra por meio de

sucessivas reflexoes internas. O revestimento primario e um revestimento plastico

de metacrilato de metila, que fornece protecao mecanica.

As fibras opticas podem ser de plastico ou sılica, com os materiais que

compoem a casca e o nucleo podendo ser distintos. Entretanto, ambos apresentam

baixa susceptibilidade eletromagnetica, ou seja, sofrem baixa interferencia mesmo

submetidos a intensos campos eletromagneticos. Dessa forma, fibras opticas po-

dem ser utilizadas em ambientes agressivos com altas tensoes e correntes, como

subestacoes de energia, sem que os sinais que transmitem sofram interferencia ele-

tromagnetica significativa.

4

Figura 2.1: A fibra optica, extraıdo de [1].

2.1.1 Tipos de fibras opticas

Descreveremos as classificacoes mais usuais utilizadas para fibras opticas.

2.1.1.1 Fibras opticas multimodo e monomodo

Fibras opticas multimodo apresentam varios modos de propagacao, ou seja, a

fibra conduz os sinais que possua inclinacao dentro do cone de aceitacao (acceptance

cone), conforme mostrado na Figura 2.2.

Figura 2.2: Fibra optica multimodo, extraıdo de [2].

A medida que diminuımos o diametro do nucleo e o angulo do cone de

aceitacao, restringimos o numero de modos de propagacao aceitos pela fibra optica.

No limite, quando houver apenas um modo de propagacao, tem-se uma fibra mono-

modo, conforme mostrado na Figura 2.3.

5

Figura 2.3: Fibra optica multimodo e monomodo.

As fibras multimodo tem diametro de nucleo na faixa de 8 µm, enquanto

fibras monomodo tem diametro na faixa de 8 µm. Comparativamente, fibras mono-

modo permitem uma maior taxa de transmissao e oferecem uma largura de banda

superior as fibras multimodo, por apresentar menor dispersao do sinal. Estas sao uti-

lizadas para aplicacoes a menores distancias. Entretanto, fibras monomodo exigem

conectores mais precisos e o seu manejo e mais complexo.

2.1.1.2 Fibras opticas plasticas e de sılica

As fibras opticas plasticas tem menor atenuacao no espectro visıvel da luz, de

400 nm a 780 nm, enquanto as de sılica tem menor atenuacao no infravermelho. As

fibras plasticas apresentam menor custo de producao, o que possibilita aplicacoes de

baixo custo, entretanto, sua atenuacao no infravermelho chega a 200 dB/Km e sua

temperatura maxima de operacao nao ultrapassa 100 C, enquanto fbras de silıcio

podem atingir temperaturas ate 1000C.

As principais grandezas associadas as fibras opticas sao mostradas na Ta-

bela 2.1.

2.2 Splitter

Um dos equipamentos utilizados para tratar sinais em fibras opticas e o split-

ter, mostrado na Figura 2.4. Este divide o sinal proveniente em dois, com uma dada

6

Parametro Monomodo Multimodo Plastica

Diametro do nucleo [µm] 8 35-100 500

Diametro da casca [µm] 125 125-140 1000

Largura de faixa maxima [Gb·Kms

] 100 2,5 0,2

Atenuacao mınima [ dBKm

] 0,25 0,5 50

Tabela 2.1: Principais parametros de fibras opticas comerciais, extraıdo de [3].

razao de potencia (90%-10%, 50%-50% etc).

Pode ser utilizado, por exemplo, caso o sinal utilizado seja proveniente de um

laser e seja necessario monitorar o nıvel de potencia no qual esta operando. Assim,

parte do sinal por este gerado (canal 3, por exemplo), seria destinado unicamente a

avaliacao do seu nıvel de potencia.

Figura 2.4: Esquema de um splitter, extraıdo de [4].

2.3 Fotodetectores

Em sistemas que utilizam fibra optica, os fotodiodos sao os componentes

mais apropriados e economicos para atuarem como fotodetectores, ou seja, para

detectarem o sinal optico da fibra.

Se uma juncao PN polarizada reversamente (camada N com tensao superior

a camada P) e iluminada (Vide Figura 2.5), ou seja, e exposta a um sinal optico,

os fotons quebram ligacoes covalentes, gerando pares eletron-lacuna na regiao de

deplecao. O campo eletrico deste, entao, leva os eletrons para a regiao N e as

lacunas para a regiao P, gerando uma corrente reversa na juncao. Logo, converte

luz em sinal eletrico.

Fotodiodos sao usualmente fabricados utilizando compostos de semiconduto-

7

Figura 2.5: Juncao PN e camada de deplecao.

res, tais como o arsenieto de galio (GaAs). Enquanto semicondutores elementares,

tais como o silıcio, sao compostos por elementos da coluna IV da tabela periodica,

compostos semicondutores sao formados pela combinacao de elementos das colunas

III e V, ou II e VI.

2.4 Switch optico

Os switch opticos sao equipamentos utilizados para realizar a multiplexacao

de uma sinal optico, ou seja, oriundo de uma fibra optica. Existem dois mecanismos

principais de funcionamento desse tipo de equipamento:

• Switch optico com prisma: a multiplexacao e realizada colocando-se mecanica-

mente um prisma no caminho optico, que desviara o sinal para o canal seguinte.

A multiplexacao para os demais canais e realizado acoplando-se prismas em

serie.

Figura 2.6: Switch com prisma, extraıdo de [5].

• Switch optico com motor de passo: utiliza um motor de passo de precisao para

realizar a multiplexacao, alinhando o canal de entrada com o canal de saıda

selecionado.

8

Figura 2.7: Switch com motor de passo, extraıdo de [5].

Neste trabalho utiliza-se um switch optico com motor de passo, modelo 1x8-

MM-A-D ZG Technology, conforme mostrado no Apendice A.

2.5 Chave seccionadora

Esse equipamento de manobra conhecido durante decadas como chave seccio-

nadora (CS), teve sua designacao normalizada pela ABNT atraves da NBR 7571/85

e da NBR 6935/85, hoje substituıda pela NBR IEC 62271-102:2006 e foi renomeado

como seccionador (ou secionador). Entretanto o nome chave seccionadora sera aqui

utilizado, pois este e o nome como e popularmente conhecido. Em ingles o nome

tecnico e disconnect switchs.

A CS e um equipamento de manobra, ou seja, e um componente do sistema

eletrico de potencia que tem a funcao de estabelecer a uniao entre geradores, trans-

formadores, consumidores e linhas de transmissao e separa-los ou secciona-los de

acordo com as exigencias desse servico. Na posicao aberta asseguram uma distancia

de isolamento e na posicao fechada mantem a continuidade do circuito eletrico. A

CS somente pode ser operada quando uma corrente desprezıvel estiver passando por

ela e quando nao houver variacoes significativas ou bruscas de tensao entre seus

terminais.

A expressao “corrente de intensidade desprezıvel” significa corrente tal como

corrente capacitiva de buchas, barramentos, conexoes, cabos muito curtos, correntes

de impedancias equalizadoras permanentemente ligadas ao disjuntor e correntes de

transformadores de potencial e divisores de tensao. Para tensoes nominais iguais

ou menores que 460 kV, uma corrente nao superior a 0,5 A e considerada como

intensidade desprezıvel.

9

2.5.0.3 Principais constituintes da chave seccionadora

Serao descritas a seguir as partes que compoem uma chave seccionadora,

considerando os detalhes construtivos das tripolares, por constituırem a maioria.

Esta e constituıda por:

• Tres polos (circuito principal, terminais, contato, etc. Na Figura 2.8, vemos

um polo de um seccionador);

• Mecanismo de operacao;

• Elemento de interligacao dos polos e do mecanismo de operacao;

• Acessorios.

Polo E a parte da chave seccionadora, incluindo o circuito principal, isoladores e

a base, associada exclusivamente a um caminho condutor eletricamente sepa-

rado, excluindo todos os elementos que permitem a operacao simultanea.

Figura 2.8: Polo de uma chave seccionadora.

Base E construıda em aco laminado, galvanizado a quente, com perfis U, I, U

dupla, trelica ou tubos de aco de parede reforcada. Uma outra solucao ainda

nao utilizada no Brasil e a de se empregar perfis em liga de alumınio, que

dispensam qualquer protecao contra atmosferas agressivas.

Mancal Apesar dos seccionadores nao serem operados frequentemente e sua ve-

locidade e angulo de giro serem pequenos, se forem analisadas as condicoes

10

normais de servico, instalacao ao tempo, impossibilidade de desmontagem

periodica para manutencao, verifica-se que o mancal e um componente de

extrema importancia para o bom desempenho do seccionador.

Sub-bases Destinam-se a elevar a altura da coluna isolante, equiparando-se com

as outras. Alem disso, tem a funcao de afastar o pedestal do ultimo isolador

de base para que nao diminua a distancia de arco da coluna isolante.

Coluna isolante Parte fundamental na funcao isolante do seccionador, mantem

a isolacao entre a parte viva e a base do seccionador. Em um projeto do

seccionador, o correto dimensionamento do isolador e fator preponderante na

qualidade do produto final, devendo suportar os esforcos dieletricos, os esforcos

mecanicos e nao produzir nıveis elevados de ruıdo.

Lamina principal E uma peca movel, feita de tubo ou barra de material altamente

condutor (cobre ou alumınio), que na posicao fechada do seccionador conduz

a corrente eletrica de um terminal a outro e na posicao aberta assegura uma

distancia de isolamento. E a parte mais crıtica da chave, pois alem de reunir

alta condutividade e boa rigidez mecanica, deve ser leve para permitir operacao

sem esforco demasiado.

Contatos E o conjunto de duas ou mais pecas condutoras de um seccionador des-

tinadas a assegurar a continuidade do circuito quando se tocam, fechando ou

abrindo esse circuito devido ao seu movimento relativo durante a operacao

da lamina. E comum chamar-se de contato fixo a parte do contato que fica

imovel e rigidamente fixa aos terminais, e de contato movel a parte que fica

comumente nas extremidades da lamina movel.

O contato fixo e normalmente feito por pecas de cobre eletrolıtico, chamados

dedos de contato e sobre as quais sao soldadas pastilhas de prata ou liga

de prata. Os dedos dos contatos podem tambem ser prateados. O contato

propriamente dito e entao feito atraves das superfıcies de prata ou sua liga.

Existem tambem os contatos prata-cobre e cobre-cobre, este ultimo em chaves

de menor capacidade de conducao de corrente.

A pressao nos contatos e dada por molas de aco inox, bronze fosforoso ou cobre-

11

berılio. A utilizacao de um mesmo material nos contatos movel e fixo pode

ocasionar o fenomeno de soldagem de materiais similares submetidos a pressao

(galling). E por isso que se costuma usar, por exemplo, liga Ag-Cd num dos

contatos e liga Ag-Cu no outro contato (fixo e movel) respectivamente.

Mecanismo da lamina E o conjunto que, recebendo o comando atraves da coluna

isolante rotativa, opera a lamina.

Lamina de terra Serve para aterrar a parte do circuito seccionado e desenergi-

zado. A lamina de terra possui um comando independente ao comando do

seccionador, porem ambas devem estar intertravadas mecanicamente para evi-

tar que esta seja fechada quando o seccionador estiver fechado e vice-versa.

Terminal Parte condutora da chave seccionadora, destina a sua ligacao eletrica a

um circuito externo.

Acessorios Sao pecas ou conjuntos de pecas que nao fazem parte integrante do

seccionador, mas que podem ser necessarios em algumas condicoes especıficas.

Contatos de arco (chifres) convencionais: sao utilizados para interromper pe-

quenas correntes como, por exemplo, a corrente de magnetizacao do transfor-

mador. Sao duas hastes metalicas, uma fixa ao contato fixo e a outra a ponta

da lamina movel, e sao instaladas de tal modo que quando a lamina comeca a

sair do contato fixo, o caminho da corrente fica estabelecido entre os chifres,

evitando que o arco venha a queimar os contatos da chave.

Conectores terminais: sao os acessorios que interligam os barramentos ou cabos

com os terminais do seccionador.

Resistor de insercao: sao diversos resistores montados dentro de uma bucha

de porcelana hermeticamente fechada, onde a extremidade de cada resistor e

ligada a um anel ou a uma pequena esfera. O conjunto e montado junto ao

contato fixo de tal modo que quando a lamina comeca a abrir, os resistores

vao gradativamente se inserindo no circuito, de modo que quando todos os

resistores estiverem no circuito, a corrente estara limitada a um valor mınimo,

podendo assim ser facilmente interrompida.

12

Intertravamento mecanico: e utilizado somente em seccionadores com lamina

de terra. Ele impede mecanicamente a operacao da lamina de terra quando o

seccionador estiver fechado e vice-versa.

Tubo de transmissao: tubo que esta acoplado ao tubo de torque e que permite

o movimento do motor para os tubos de acoplamento.

Tubos de acoplamento: tubos que transmitem os movimentos de giro de uma

fase para as demais.

Caixa de engrenagens: estas caixas tem por funcao transmitir ou reduzir mo-

vimentos e fazer acoplamentos de eixos.

13

Capıtulo 3

Estado da arte

Uma das abordagens que podem ser adotadas na tentativa de resolver o

problema do fechamento das chaves seccionadoras, ou seja, dar certeza necessaria

ao operador sobre o perfeito fechamento da chave, foca na analise espectral das

correntes de acionamento dos motores que fecham e abrem as seccionadoras. Como

a corrente de um motor e proporcional ao seu torque, analisando a corrente pode-se

acompanhar o torque durante o fechamento. O torque deve ser maior no final do

curso, pois e onde ocorre o contacto eletrico, quando os dois polos se encontram e

deve ocorrer a conexao mecanica. Entretanto, analisando-se o tamanho do motor

de acionamento, pequeno em relacao ao braco da chave (ate dois metros), conclui-

se que para se obter o torque necessario para efetuar a conexao mecanica dos dois

polos de uma chave deve-se usar uma grande relacao de engrenagens entre o motor

e o eixo da haste da chave. Assim, pequenas variacoes de torque no momento

do fechamento serao igualmente divididas pela grande relacao de engrenagens e

consequentemente facilmente mascaradas dentro do ruıdo do sinal de corrente. Ou

seja, a relacao sinal/ruıdo mascara variacoes de torque que poderiam indicar um

mal funcionamento da seccionadora.

Uma pesquisa que analisa correntes dos motores foi efetuada pela Univer-

sidade Federal de Santa Catarina em cooperacao com a concessionaria Eletrobras,

gerando uma dissertacao de mestrado [6]. O trabalho trata de analisar as corren-

tes dos motores de acionamento para prever manutencoes preventivas nas chaves

seccionadoras utilizando uma tecnica que o autor chama de analise da assinatura

do valor eficaz. A conclusao da dissertacao foi que o sistema desenvolvido poderia

14

ser usado nas manutencoes de chaves seccionadoras das subestacoes, pois mostra

uma simplicidade muito grande na analise e que muitas vezes foi possıvel observar

defeitos a distancia, que com certeza demorariam a serem evidenciados a partir dos

procedimentos convencionais usados atualmente. Por outro lado, a pesquisa nao

menciona a capacidade de deteccao de problemas de mal fechamento eletrico, ja que

este defeito nao foi observado ou simulado.

Figura 3.1: Diagrama em blocos do sistema completo do sensor optico de posicao

absoluta dos contatos de um seccionador de alta-tensao, extraıdo de [7].

Outra tentativa de monitoracao do fechamento e a de utilizacao de uma

“barreira optica” que detecta a passagem da haste da chave seccionadora por uma

determinada posicao no espaco e descrita em [7]. A tecnologia utilizada consiste de

um sensor optico remoto por propagacao de luz em espaco livre, que teria como van-

tagens seu baixo custo, facilidade de instalacao (tanto nas chaves novas quanto nas

ja em operacao) e potencial rapidez no desenvolvimento. O sensor optico seria capaz

de detectar a distancia, sem contato fısico, o estado (aberto ou fechado) da chave

seccionadora atraves do uso de luz laser retro-refletida, conforme esquematizado na

Figura 3.1. O projeto e ambicioso, pois pretendia detectar a posicao relativa entre os

contatos fixo e movel da chave seccionadora, na posicao fechada, a uma distancia de

pelo menos 4 (quatro) metros, com precisao de 5 (cinco) mm, ainda que o conjunto

se desloque lentamente em torno de sua posicao de repouso, em qualquer direcao,

numa faixa de aproximadamente 10 cm. O sistema e composto de laser emissores

de luz, espelhos fixos nas hastes moveis e nas hastes fixas, bem como detectores de

luz localizado nos contatos eletricos. A literatura e a experiencia nos indica que

15

espelhos e outros componentes opticos, tais como, lentes, lasers e fotodetectores nao

devem ficar em ambiente aberto, sujeitos a chuvas, poeira, vento, vibracao e todo

tipo de condicoes adversas. O sistema, ainda que funcionando em laboratorio, teria

pouca eficiencia de operar no ambiente agressivo de uma subestacao.

O trabalho designado em [8] utiliza como parametro para verificar o fecha-

mento da chave seccionadora uma medida indireta da resistencia eletrica do contato

fısico da chave seccionadora, obtida por meio do monitoramento da chave com senso-

res a fibra optica. Utiliza-se um sensor optico (bobinas atenuadoras de fibras opticas)

dentro do contato fixo da chave, contato este seccionado em duas partes, conforme

esquematizado na Figura 3.2. A pressao exercida nas duas partes do contato fixo

pelo braco movel deforma a bobina atenuadora, de modo que se verifica uma perda

de potencia optica no terminal receptor do sistema de sensoriamento. A partir desse

valor estima-se a resistencia do contato eletrico, e por fim, estima-se a qualidade do

fechamento da chave seccionadora. Os autores apontam que os resultados obtidos

em campo mostram que este sistema possui potencial para ser utilizado em larga

escala.

Figura 3.2: Esquema da arquitetura proposta para o monitoramento do fechamento

da chave seccionadora, extraıdo de [8].

O trabalho designado em [9] utiliza um sistema de visao computacional que

utiliza redes neurais do tipo SOM para verificar o fechamento das chaves seccio-

nadoras. Os resultados dos testes de campo apresentaram uma eficiencia de 100%

do sistema na identificacao dos estados aberto e fechado, apresentando reducao no

desempenho apenas na transicao de estados, ou seja, em situacoes dinamicas que

nao sao relevantes para o estagio do prototipo apresentado.

16

Capıtulo 4

Metodologia

Esse trabalho descreve o desenvolvimento de um prototipo de bancada, que

integra um dispositivo de aquisicao de sinais conectado a um computador, um switch

optico, uma placa de acionamento de laser e de recepcao e tratamento de sinal co-

desenvolvido pelo autor no Laboratorio de Instrumentacao e Fotonica/Coppe, e o

sensor mecanico responsavel pela interacao com a chave seccionadora, dotado de

superfıcie refletora que desliza a medida que a chave abre ou fecha. A simulacao da

abertura e fechamento da chave seccionadora foi feita por meio da fixacao do sensor

mecanico e de um micrometro juntos a uma mesa optica, sendo aberto ou fechado

com passo de 0,1 mm.

Uma vez o prototipo montado e integrado, foram realizados testes para se

determinar os pontos de abertura e fechamento da chave seccionadora, para a iden-

tificacao da necessidade de possıveis modificacoes visando a melhora na precisao

da determinacao desses pontos, guiando alteracoes no circuito de acionamento, re-

cepcao e tratamento, no software de controle do dispostivo de aquisicao de sinais e

no projeto do sensor optomecanico.

Na figura 4.1, pode-se observar que sera utilizado um sinal optico para realizar

o monitoramento do fechamento do sensor optomecanico, operado por meio de um

micrometro fixado a uma mesa optica, obtido por meio de um laser.

O laser utilizado no prototipo, o LPS-830-FC - 830 nm Thorlabs (vide

Apendice A), possui um fotodiodo embutido (Vide Figura 4.2), que permite o con-

trole da referencia do laser, ou seja, permite identificar se este esta operando com a

potencia adequada. No prototipo este sinal e capturado como uma sinal de tensao

17

Computador

Software NI USB-6008Cabo USB

Switch

opticoBits de enderecamento

Erro

Reset

Fonteexterna

GND

DB-15

Condicionamentodo sinal

Placa LIF

GND

Acionamento

Dadoanalogico

Fibra

opticaFibra

optica

GND

GND

LASER

RECEPTOR(Sensor)

Condicionamentodo sinal

Dadoanalogico(Referencia)

Splitter

50%

50%

1

8

Naoutilizado

. . .∼ 300m

...

Ready

GND

127Vrms

SO

Mancal

12V

12V

12V

SO: Sensor Optomecanico

Figura 4.1: Diagrama de blocos do prototipo.

e exposto na interface com o usuario, de modo que este pode verificar a ocorrencia

de alguma defeito por meio da variacao da tensao exposta.

O sinal destinado ao sensor optomecanico, por sua vez, e enviado ao switch,

passando por um splitter, sofre reflexao no espelho deslizante do sensor optomecanico,

e retorna para um receptor. Este produz um sinal de corrente, que e em seguida

transformado em sinal de tensao e amplificado. Os circuitos de acionamento do

laser, tratamento da referencia e recepcao e condicionamento do sinal do sensor

estao dispostos em uma placa de circuito impresso desenvolvida e manufaturada no

laboratorio.

Os sinais capturados e tratados sao enviados para uma placa de aquisicao de

18

Figura 4.2: Diagrama de pinos do LPS-830-FC da Thorlabs, onde o fotodiodo cor-

responde ao PD. Extraıdo de [13].

sinais (NI USB-6008), que os exibe na interface com o usuario no computador. Essa

placa e tambem responsavel pelo controle da multiplexacao dos canais no switch e

tratamento dos sinais de “READY”, “ERROR” e “RESET” deste.

Como este sistema se baseia em uma tecnica de transducao que muda a inten-

sidade do sinal optico (superfıcie refletora deslizante do sensor optomecanico), pode

ser classificado como um sensor de amplitude. Para uma descricao mais detalhada

sobre essa classe de sensores sugere-se a consulta a referencia [10].

O sistema e alimentado por uma fonte externa de 12 V, ligada a rede de

energia, convertidas na placa LIF para 5 V e -5 V. Apesar da placa de aquisicao de

sinais disponibilizar saıda de 5 V, nao e capaz de alimentar todo o sistema, pois so

o switch necessita de 500 mA de alimentacao, enquanto a placa e capaz de fornecer

200 mA.

4.1 Hardware

Nesta secao sera descrito o desenvolvimento do hardware, dividido em hard-

ware eletronico (Placa LIF) e hardware optomecanico (Sensor optomecanico).

4.1.1 Hardware eletronico

A placa LIF, conforme esquematizada na Figura 4.1, aciona o laser, e realiza

a recepcao e tratamento da referencia do laser e do sinal proveniente do sensor

optomecanico.

O esquematico foi desenvolvido no software Eagle. O amplificador operacio-

nal escolhido para ser utilizado foi o OPA227, devido ao seu baixo ruıdo. Entretanto,

19

sua alimentacao e simetrica, com valores +5V e -5V. Como havia disponıvel no labo-

ratorio apenas uma fonte de +12V, foram implementados dois conversores DC-DC.

Na geracao do -5 V foi utilizado o CI 063EC SDI e a montagem especificada em

[11], e na geracao do +5 V foi utilizado o LM7805 e a montagem especificada em

[12], conforme mostra a Figura 4.3.

Figura 4.3: Esquematico dos conversores DC-DC.

O acionamento do laser requer um driver para o controle do seu ponto de

operacao, conforme mostrado na Figura 4.4. O transistor e polarizado na regiao

ativa, modo de operacao no qual a tensao base - emissor vBE e aproximadamente

0,7 V. Assim, o buffer e regulado de modo a garantir uma tensao de 2,62 V no base

do transistor, que garante uma tensao em torno de 1,92 V no emissor. Conforme

especificado em [13], este e o ponto de operacao tıpico do laser, associado a uma

corrente de 42,7 mA.

Figura 4.4: Esquematico do acionamento do laser e do condicionamento do sinal da

referencia.

20

Modo de operacao Juncao Base-Emissor Juncao Base-Coletor

Corte Reversa Reversa

Ativo Direta Reversa

Saturacao Direta Direta

Tabela 4.1: Modos de operacao de um transistor BJT, adaptado de [14].

Figura 4.5: Esquema do driver.

Conforme mostrado na Tabela 4.1, no modo ativo a juncao Base - Coletor

deve ser reversa, ou seja, a tensao no coletor deve ser superior a tensao na base.

Entretanto, para que o transistor efetivamente passe para o modo de saturacao, a

tensao na base deve superar a do coletor por pelo menos 0,4 V (a tensao na base

mantem-se constante em 2,62 V). Como a medida que a corrente do coletor sobe, a

tensao no coletor diminui, temos uma limitacao na corrente que pode ser fornecida

ao laser. Assim, a corrente maxima que o driver fornecer ao laser e dada por

12V − (2, 62− 0, 4)V

39Ω= 250mA (4.1)

Como a corrente tıpica exigida pelo laser e de 42,7 mA, esse configuracao do

driver e capaz de alimenta-lo com grande folga.

O laser utilizado (Thorlabs LPS-830, vide Apendice A) possui um fotodi-

21

odo embutido, circulado em vermelho na representcao esquematica do laser na Fi-

gura 4.4. A corrente de 42, 7mA gera um sinal de tensao de −22Ω · 42, 7mA =

−0, 94V na entrada do amplificador inversor.

Este esquema de amplificador possui ganho dado por

Figura 4.6: Amplificador inversor.

VinR1

= −VoutR2

⇒ VoutVin

= −R2

R1

(4.2)

O amplificador nao - inversor apresenta, entao, ganho de −33kΩ10kΩ

= −3, 3.

Assim, o sinal no conector “referencia laser”, representado na Figura 4.8, e de

−3, 3 · −0, 94 = 3, 1V . Este sinal e levado a placa de aquisicao de sinais e tem

seu valor exposto na interface com o usuario, permitindo identificar se o laser esta

operando no nıvel correto.

O sinal proveniente do sensor optomecanico, por sua vez, passa por uma

amplificador de transcondutancia, a fim de converter o sinal de corrente em sinal de

tensao, e em seguida passa por um amplificador nao - inversor, conforme exposto na

Figura 4.7. O sinal e levado a placa de aquisicao de sinais e tem seu valor exposto

na interface com o usuario.

22

Figura 4.7: Esquematico do condicionamento do sinal proveniente do sensor optoe-

letronico.

Quando o sensor optomecanico esta fechado, ou seja, o sinal de retorno tem a

sua maior intensidade, a corrente no receptor e de aproximadamente 48mA. Assim,

a tensao na entrada do amplificador e -22Ω · 48mA = −1, 05V . Assim, o sinal no

conector “sinal sensor”, representado na Figura 4.8, apos passar pelo amplificador

nao - inversor, e de −3, 3 · −1, 05V = 3, 5V .

Por fim, conforme a Figura 4.8, foi utilizado um capacitor em cada ali-

mentacao dos amplificadores operacionais, a fim de diminuir o ripple, e foram coloca-

dos dois conectores, que permitem a alimentacao da placa com +12V e o referencial

terra e a saıda dos sinais da referencia do laser e da saıda do sensor para o dispositivo

de aquisicao de sinais.

Figura 4.8: Esquematico dos capacitores nas alimentacoes e dos conectores.

Uma vez finalizado o esquematico, foi projetado o layout da placa LIF, ainda

23

no software Eagle, apresentado na Figura 4.9. Os trechos em vermelho representam

ligacoes feitas utilizando fios jumper, dada a impossibilidade de tracar todas as

trilhas em uma mesma face da placa de cobre. Como sao poucas ligacoes preferiu-se

esta opcao a uma placa dupla face.

Figura 4.9: Layout da placa LIF.

Uma vez o layout concluıdo, a placa foi produzida utilizando-se a prototi-

padora ProtoMat S42 LPKF (vide Apendice A), disponıvel no laboratorio e, por

fim, os componentes foram soldados manualmente, resultando na placa mostrada na

Figura 4.10.

Figura 4.10: Placa LIF montada.

24

4.1.2 Hardware optomecanico

O sensor optomecanico e formado por um espelho movel que reflete a luz

infravermelha proveniente da fibra optica. O transdutor optico e o conjunto de

pecas que contem o sensor e que tem como saıda um cabo de fibra optica.

Figura 4.11: Sensor optomecanico.

Na Figura 4.12 tem-se um grafico onde se apresenta o percentual de reflexao

de diferentes materiais. Note que para um comprimento de onda λ = 0, 827µm

(comprimento de onda do laser Thorlabs LPS-830-FC, vide Apendice A), o ouro, a

prata e o cobre refletem proximo de 100% do sinal incidente. Testou-se, entretanto,

tres configuracoes em laboratorio: aco inox polido com deposicao de ouro, aco inox

polido com deposicao de prata e apenas aco inox polido, e esta ultima opcao foi a

que apresentou melhor refletividade, sendo assim, a opcao adotada.

Figura 4.12: Refletividade de diferentes materiais.

Com a reflexao efetuada por contato frontal, deve-se controlar o curso maximo

do espelho, a fim de nao danifica-lo. Assim, quando o espelho e a fibra se tocarem,

a mola comeca a comprimir, impedindo uma forca muito grande entre ambos. A

Figura 4.13 mostra o amortecedor como um cilindro e pistao fixado em serie com

25

Figura 4.13: Amortecedor de curso com parafuso de ajuste de curso.

o sensor. Como o curso do contato da chave e de apenas 4 mm, nada pode ser

desperdicado. Assim, utiliza-se um parafuso de contato para aproximar o eixo do

sensor no contato da chave seccionadora, eliminando qualquer folga, de modo que

quando a chave estiver fechada, o espelho esteja junto a fibra optica.

Figura 4.14: Esboco da versao final do sensor optomecanico.

O esboco da versao final do sensor optomecanico e mostrado na Figura 4.14.

Note as duas molas, uma dentro do amortecedor e outra em volta do sensor. Esta

e mais fraca que a outra, de modo que e a primeira a ser comprimida. Quando o

espelho toca a ponta da fibra, a mola dentro do amortecedor comeca a comprimir

ate o fim do curso do contato da chave seccionadora. Essa abordagem evita que

um movimento do contato da chave seccionadora maior do que o curso do sensor

26

produza esforco adicional no espelho.

Figura 4.15: Desenho em corte do sensor optomecanico.

4.2 Software

O codigo foi desenvolvido utilizando o software LabWindows/CVI 2010, que

e um ambiente de desenvolvimento integrado para a linguagem C que permite a

concepcao de aplicacoes de instrumentacao virtual. Seu objetivo e controlar o switch

optico e receber os sinais provenientes da placa LIF por meio do dispositivo de

aquisicao de sinais, realizar o logging dos sinais recebidos e construir uma interface

com o usuario que os expoe.

Figura 4.16: Interface com o usuario.

Na Figura 4.16, percebe-se que o sistema final fara o monitoramento de duas

chaves seccionadoras, cada uma composta por tres fases(chave A, chave B e chave C)

e um sensor de abertura(nao apresentado nesse trabalho). Cada uma desses campos

corresponde a uma das oito saıdas do switch optico 1x8-MM-A-D ZG.

27

No acionamento sequencial, o codigo executa iterativamente 4 passos, para

cada uma das saıdas do switch, como pode-se observar na Figura 4.17. Ao final

da execucao desses quatro passos para uma das saıdas, uma nova saıda do switch e

selecionada. O comando para a finalizacao da execucao e dado de maneira assıncrona

pelo usuario, pressionando o botao PARAR, que substitui o botao INICIAR apos o

inıcio da varredura.

Figura 4.17: Diagrama em blocos do funcionamento do acionamento sequencial.

Existem tres sinais especıficos para o funcionamento do switch que sao tra-

tados pelo programa:

Sinal ‘READY’ Ao ser acionado, o switch indica que a multiplexacao foi reali-

zada corretamente por meio do sinal ‘READY’. Esse sinal foi incorporado ao

programa, e conforme podemos observar na Figura 4.17, a leitura da tensao

nao e realizada ate que ‘TRUE’ seja retornado.

Sinal ‘ERROR’ Quando ha algum erro na operacao do switch, este emite um

sinal de erro. Ao recebe-lo, o software interrompe imediatamente a execucao,

indicando a interrupcao por meio de um LED na interface com o usuario.

Ainda nao foi introduzido um tratamento do erro, de modo que o programa

deve ser reiniciado para que volte a funcionar.

Sinal ‘RESET’ Ao acionarmos o reset do switch, este nao envia o sinal para ne-

28

nhuma das suas oito saıdas. Foi incorporada a possibilidade do usuario realizar

o reset por meio do acionamento assıncrono.

O logging dos valores de tensao medidos e realizado por meio de um arquivo .csv,

conforme explicitado na Figura 4.18.

Figura 4.18: Trecho do arquivo de log no acionamento sequencial.

Figura 4.19: Interface com o usuario: acionamento assıncrono.

A versao final do sistema preve apenas o acionamento sequencial. Entretanto,

a fim de facilitar o teste do prototipo, foi incluıda a opcao de acionamento assıncrono,

no qual o usuario determina qual saıda do switch deve permanecer ativada, conforme

a Figura 4.19, alem de possibilitar o acionamento do ’RESET‘. Nao e realizado

logging nesse modo de acionamento.

4.3 Teste & Resultados

O sistema foi montado segundo a representacao da Figura 4.1. Foi utilizada

apenas uma das saıdas do switch optico, dado que o objetivo do teste e o levanta-

29

mento das curvas de abertura e fechamento do sensor mecanico.

Figura 4.20: Integracao do sistema para a realizacao do teste.

O teste consiste de seis aberturas e fechamentos sucessivos do sensor, com

passo de 0,1 mm, variando a distancia de 0 a 2 mm. Para cada posicao foi capturado

o valor de tensao medido, exibido pela interface com o usuario. Ao final, tracou-se

o grafico da media das medidas obtidas nas aberturas e fechamentos, mostrado na

Figura 4.21.

Figura 4.21: Curvas de abertura e fechamento do sensor optomecanico.

Na instalacao do sensor optomecanico em campo, a chave seccionadora estara

inicialmente fechada. Assim, ao se fixar o sensor na chave, conforme mostra a

Figura 4.22, o parafuso de contato, descrito na secao 2.1.2, sera regulado ate que a

tensao medida atinja 3,6 V, que corresponde a reta tracada no grafico da Figura 4.23,

30

que correspondera a posicao fechada do sensor. Ou seja, o sensor optomecanico sera

regulado para que, quando a chave feche totalmente, onde o sensor encontrar-se-a

ao final do seu curso, este encontre-se na posicao indicada na Figura 4.23.

Figura 4.22: Sensor optomecanico fixada a chave seccionadora.

Qualquer variacao no curso do sensor, em direcao a esse ponto, resulta em

uma grande variacao na tensao, conforme observado na Figura 4.23, onde a tensao

sai do nıvel mais baixo (1,2 V a 0,75 mm aproximadamente) para a posicao fechada

(3,6 V a 0,25 mm aproximadamente), em 0,5 mm.

Figura 4.23: Curva de fechamento do sensor optomecanico, com intervalo de con-

fianca de 5%.

Alem disso, a histerese que se observa na curva de abertura na Figura 4.21 nao

representa um problema dado o atual objetivo do sistema, que e apenas indentificar

se a chave esta fechada.

31

Capıtulo 5

Conclusao

O prototipo atendeu as expectativas, indicando que e estavel e precisøo sufi-

ciente para ser empregado na deteccao do fechamento de uma chave seccionadora.

Apresenta-se, dessa forma, como uma solucao viavel para este problema.

5.1 Desenvolvimentos futuros

Conforme descrito na secao 1.1, o sistema devera transmitir a uma UCD

no protocolo IEC61850/GOOSE. A implementacao desse protocolo encontra-se em

andamento no laboratorio.

Observa-se na Figura 4.21, que a curva de abertura apresenta uma oscilacao,

que deve-se a problemas no sensor optomecanico, que provavelmente esta inclinando

o espelho em relacao a fibra optica, pertubando a potencia do sinal captado. Esse

problema indica a necessidade de aprimorar o projeto do sensor optomecanico.

Logo, de maneira geral, busca-se no momento a finalizacao da fabricacao do

cabeca de serie, a fim de que se possa proceder a instalacao e aos testes em campo.

32

Referencias Bibliograficas

[1] Cianet. Disponıvel em: http://www.cianet.ind.br/pt/produtos/tecnologias/tecnologia-

fibra-optica/. Acesso em: 04 de novembro de 2014, 14:15:00.

[2] Grupo de Teleinformatica e automacao, UFRJ.

Disponıvel em:http://www.gta.ufrj.br/grad/08 1/wdm1/Fibraspticas-Conceitos

eComposio.html. Acessado em: 04/12/2014, 01:10:00.

[3] M. M. Weneck, Transdutores e interfaces. 1 ed. Rio de Janeiro, Livros tecnicos

e cientıficos editora, 1996.

[4] Thorlabs. Disponıvel em: http://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?object

group id=1718. Acesso em: 04 de novembro de 2014, 14:43:00.

[5] Dicon Fiber Optics. Disponıvel em: http://www.diconfiberoptics.com/products/

prdswitches.php. Acesso em: 04 de novembro de 2014, 13:34:00.

[6] Souza, A. F., Sistema para Monitoracao da Operacao de Chaves Seccionadoras

de Alta Tensao Baseado na Analise das Corrents de Acionamento, Dissertacao

de Mestrado Profissional, Departamento de Engenharia Eletrica, Programa de

Pos-Graduacao em Engenharia Eletrica, Universidade Federal de Santa Catarina,

Florianopolis, dezembro de 2002.

[7] Garcia, D. A. A. , Silva, H. A. P. Santos, J. C. e Bacega, W. R., Sistema

de monitoramento de seccionadores semipantograficos-345 kV de subestacoes de

transmissao com sensor optico de posicao absoluta dos contatos. Projeto de P&D

da Companhia de Transmissao de Energia Eletrica Paulista (CTEEP) com o

Instituto de Eletrotecnica e Energia da Universidade de Sao Paulo (IEE\USP)

e a Escola Politecnica da Universidade de Sao Paulo(EPUSP), finalizado no ano

2000.

33

[8] E. Moschim, R. Silva , A. C. Bordonalli, P. R. Fernan-

des, Supervisor de contato de seccionadora. Disponıvel em:

http://www.aneel.gov.br/biblioteca/citenel2007/pdf/ptr29.pdf. Acesso em:

03 de dezembro de 2014, 14:48:00.

[9] D. F. Colaco, A. R. de Alexandria, P. C. Cortez, J. B. B. Frota, J. N.

de Lima, A. E. A. L. Calazans, F. A. Facanha, Sistema de monitoramento

de chaves seccionadoras por visao computacional e redes neurais artificiais

para suporte ao sistema de controle supervisorio da CHESF. Disponıvel em:

http://www.aneel.gov.br/biblioteca/citenel2007/pdf/it57.pdf. Acesso em: 03 de

dezembro de 2014, 15:20:00.

[10] Thomas G. Giallorenzi, Joseph A. Bucaro, Anthony Dandridge, G. H. Sigel,

JR,, James H. Cole, Scott C. Rashleigh, Richard G. Priest, Optical Fiber Sensor

Technology. IEEE Trasactions on microwave theory and techniques, Vol. MTT-30,

NO. 4, abril 1982.

[11] STMicroelectronics; MC34063AB, MC34063AC, MC34063EB,

MC34063EC: DC-DC converter control circuits. Disponıvel em:

www.st.com/web/en/resource/technical/document/datasheet/CD00001232.pdf.

Acesso em: 20 de outubro de 2014, 14:30:00.

[12] Texas Instruments; µA7800 SERIES POSITIVE-VOLTAGE REGULATORS.

Disponıvel em:https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/LM7805.pdf.

Acesso em: 20 de outubro de 2014, 16:15:00.

[13] Thorlabs; Pigtailed Laser Diode, SMF. Disponıvel em:

http://www.thorlabs.com/thorcat/5100/LPS-830-FC-SpecSheet.pdf. Acesso

em: 20 de outubro de 2014, 16:21:00.

[14] Sedra, Adel S., Smith, Kenneth C., Microelectronic Circuits. International 6ed.

New York, Oxford University Press, 2011.

[15] NBR 6935, Seccionador, chaves de terra e aterramento rapido, publicada em

01 de janeiro de 1985, Cancelada em 04 de dezembro de 2006 e substituıda por

NBR IEC 2271-102.

34

Apendice A

Materiais utilizados

• Laser LPS-830-FC - 830 nm Thorlabs;

Figura A.1: Laser Thorlabs.

• Estacao de soldagem;

• Prototipadora ProtoMat S42 LPKF;

Figura A.2: ProtoMat S42 LPKF.

• Dispositivo de aquisicao de sinais NI USB-6008;

35

Figura A.3: Dispositivo de aquisicao de sinais NI-6008.

Figura A.4: Switch 1x8-MM-A-D.

• Switch de fibra optica 1x8-MM-A-D ZG Technology;

• Sensor mecanico para fechamento da chaves seccionadoras LIF/Coppe.

Figura A.5: Sensor mecanico LIF/Coppe.

• Software Eagle de projeto de PCB

• Fibra optica conectorizada;

• Laptop Toshiba Intel Core 2 Duo;

36

• Software LabWindows/CVI 2010(Licenca disponıvel);

37