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Type: TESE DIGITAL
Title: Módulo sensor óptico com grades de Bragg em fibra óptica e cerâmicas piezoelétricas para medida de alta tensão com transformadores de potencial
Title Alternative: Optical sensing module with fiber Bragg grating and piezoelectric ceramics for high voltage measurement with voltage transformers
Author: Dante, Alex, 1979-
Advisor: Ferreira, Elnatan Chagas, 1955-
Abstract: Resumo: Transformadores de potencial ópticos (TPOs) baseados em grades de Bragg em fibra óptica (FBGs) para medida e monitoramento de linhas de alta tensão vêm sendo propostos como uma alternativa viável aos transformadores para instrumentos (TPs) indutivos e capacitivos convencionais, principalmente por serem mais leves, compactos, e por utilizarem fibras ópticas, que possuem grande isolação elétrica e imunidade à interferência eletromagnética. A literatura apresenta diversas topologias de implementação de TPOs baseados em FBG e transdutores piezoelétricos, que são utilizados para transferir à FBG deformações mecânicas resultantes da aplicação de uma tensão elétrica. O valor da tensão monitorada é obtido do sinal óptico através de um sistema de interrogação. Visto que sensores a FBG são sensíveis simultaneamente a variações de temperatura e deformação mecânica, o sistema de interrogação deve contemplar técnicas de detecção ou mitigação seletiva dos efeitos mecânico e térmico para a medida da variável física de interesse. Neste trabalho, foi construído e testado em laboratório um Módulo Sensor Óptico para medida de alta tensão CA com FBG e cerâmicas piezoelétricas com um divisor capacitivo para a medida de tensões superiores a 10 kV. O divisor capacitivo é constituído de atuadores piezoelétricos de cerâmica PZT, e tem dupla função no módulo: possibilitar a divisão e medida de altas tensões, e promover a transdução do campo elétrico aplicado em deformações mecânicas que atuam diretamente sobre a FBG sensora. Também foi construído e testado em laboratório um sistema de interrogação de baixo custo baseado na técnica de interrogação por FBGs gêmeas, em que a medida da potência óptica de convolução entre os perfis das FBGs sensora e sintonizável é utilizado para a medida da tensão CA. O nível médio do sinal de convolução é utilizado na realimentação de um sistema de controle que mantém o perfil de reflexão da FBG sintonizável seguindo o perfil de reflexão da FBG sensora sob variações térmicas, compensando automaticamente as variações de temperatura do sensor. Esse controle é realizado com resolução sub-picométrica na varredura do pico de reflexão da FBG sintonizável por um atuador piezoelétrico multicamadas, no qual ela é colada. Este sistema de interrogação aplicado ao Módulo Sensor Óptico desenvolvido, permite a realização das medidas em uma faixa que vai de -29 °C a +90 °C relativos à temperatura do sistema de interrogação. Além disso, com uma faixa dinâmica de 60 dB, o Módulo Sensor Óptico proposto torna-se passível de utilização para a medida de alta tensão na classe de acurácia de TPs de 0,2%, e pode ainda ser acoplado à coluna capacitiva de um TP comercial, eliminando a unidade eletromagnética e possibilitando a implementação de um TPO para a medida de extra altas tensões, com redução de peso e custo do equipamento

Abstract: Optical Voltage Transformers (OVT) based on fiber Bragg grating (FBG) sensors have been proposed as an alternative to the conventional inductive and capacitive Instrument Transformers (IT) for high voltage measurements and monitoring in transmission lines due to their excellent properties of being lightweight, compact, having high dielectric insulation and immunity to electromagnetic interference (EMI), intrinsic to optical fibers. Several schemes for OVTs based on FBG have been proposed, in which piezoelectric transducers are employed to transfer mechanically induced strain signals to the sensing FBG as a result of the high voltage applied. The voltage signal is obtained from the optical signal through an interrogation system. However, since FBG sensors are intrinsically sensitive to mechanical strain and temperature variations, such interrogation systems should implement techniques for discrimination of both variables in order to accomplish the measurements of the variable of interest. In this work, an Optical Sensing Module (OSM) based on FBGs and piezoelectric transducers, with a capacitive divider for measurement and monitoring of ac voltages higher than 10 kV, was built and tested in laboratory. The capacitive divider is composed of PZT ceramic transducers, and has two main functions in the OSM: to allow for the measurement of the high voltages in substations directly with the module, and to transfer to the sensing FBG the ac strain signals mechanically induced from high voltage applied to the capacitive divider. An interrogation system based on the low-cost twin grating interrogation technique, in which the optical power from the convolution between the reflection spectra from the tunable FBG and the sensing FBG is employed to retrieve the ac voltage signal, was also built and tested. The dc level of the convolution signal is employed in the feedback of a control system, which is responsible for maintaining the reflection spectrum of the tunable FBG tracking the reflection spectrum of the sensing FBG over temperature-induced wavelength shifts. The control is performed with subpicometric resolution by a multilayer piezoelectric transducer, which drives the tunable FBG through mechanical strain. The proposed interrogation system applied to the OSM allows the measurements to be made under a temperature variation from ¿29 °C to +90 °C between the sensor and the interrogation system. Furthermore, since a dynamic range of 60 dB was achieved, the proposed interrogation system also allows the OSM to be applied for the 0.2-class accuracy high voltage ITs. The OSM can also be coupled to the capacitive divider of conventional ITs in order to replace the electromagnetic unit, allowing for a cost-effective and lightweight OVT to be implemented for extra high voltage measurements
Subject: Energia elétrica - Distribuição - Alta tensão
Instrumentação
Grade de Bragg
Transformadores elétricos para instrumentos
Detectores de fibra ótica
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2016
Appears in Collections:FEEC - Dissertação e Tese

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