Universidade Federal do Paran Setor de Tecnologia Departamento

Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Departamento de Engenharia Elétrica Medidas Elétricas SEMINÁRIO TRANSDUTOR ÓPTICO DE TENSÃO Transdutor Óptico de Tensão

- TRANSDUTOR ÓPTICO DE TENSÃO - ESQUEMA FUNCIONAMENTO - APLICAÇÃO/RELAÇÃO COM FORMA DE MEDIÇÃO ATUAL EM ALTAS TENSÕES Transdutor Óptico de Tensão 2

O QUE É TRANSDUTOR Todo dispositivo ou equipamento que transforma uma forma de energia em outra forma de energia, correlata com a grandeza de entrada. Ou ainda, em instrumentação elétrica, todo dispositivo ou equipamento que converte qualquer grandeza física não elétrica num sinal elétrico. Transdutor Óptico de Tensão 3

EXEMPLOS DE TRANSDUTORES -Transdutor resistivo (potenciômetro) -Transdutor de medida temperatura(termopares); -Transdutor de medida deslocamento -Transdutor piezo-elétrico Transdutor Óptico de Tensão 4

CLASSIFICAÇÃO Em relação ao tipo de alimentação, podem ser classificados em duas categorias principais: -Sistemas Passivos, os quais não necessitam de alimentação de potência ao nível de alta tensão. -Sistemas Ativos (optoeletrônicos) nos quais, por diversos métodos, a alimentação é fornecida aos equipamentos eletrônicos no nível de alta tensão. Transdutor Óptico de Tensão 5

TRANSDUTOR ÓPTICO DE TENSÃO - Transdutor que através da modulação de luz, utilizando efeitos eletro-óticos (Efeito Pockels, efeito Kerr), converte luz monocromática em um sinal elétrico. - Preferencialmente, o Transdutor Óptico baseado no efeito Pockels é mais utilizado devido a sua boa relação de linearidade entre a variação do campo elétrico aplicado e a variação da birrefringência apresentados na saída. Transdutor Óptico de Tensão 6

EFEITOS ELETRO-ÓPTICOS Fenômenos que surgem na interação da luz com a matéria, com a presença de campo elétricos e magnéticos externos: Dois tipos de efeitos eletro-ópticos - Efeito Pockels - efeito eletro-óptico de 1ª ordem - Efeito Kerr - efeito eletro-óptico de 2ª ordem A presença de campos elétricos e magnéticos externos produzem modificação no índice de refração dos materiais, tornando-os anisotrópicos (substâncias cristalizadas que possuem a capacidade de reagir diferentemente segundo a direção de propagação da luz). Transdutor Óptico de Tensão 7

Diagrama Transdutor Óptico de Tensão Alta Tensão Fonte Luminosa Polarizador Elemento Sensor Analisador Fotodetetor Diagrama básico típico para medidas eletro-ópticas de tensão. A luz incidente sobre o elemento sensor é linearmente polarizada, e emerge deste elipticamente polarizada, a qual é analisada pelo óptico “analisador”. Transdutor Óptico de Tensão 8

Efeito Pockels - Em 1893, F. Pockels publicou a Teoria Geral; - Comum em cristais ADP (NH 4 H 2 PO 4), quando aplicamos um campo elétrico uniforme na direção oz. A birrefringência linear induzida segundo as direções ox’y’ (eixos eletro-ópticos induzidos) é dada pela expressão: Ny’ – Nx’ = N 3 O R 6 3 EZ Ny’ – Nx’ = N 3 O R 6 3 V/d Onde: NO é índice de refração, R 63 é um elemento do tensor eletro-óptico do cristal (constante de Pockels) e EZ o campo elétrico externo. Transdutor Óptico de Tensão 9

Efeito Pockels Transdutor Óptico de Tensão 10

Materiais que exibem Efeito Pockels São também conhecidos como células de Pockels. Podem ser classificadas em: -longitudinais: campo élétrico externo aplicado na direção do eixo óptico. - transversais: campo elétrico externo perpendicular à direção de propagação. Transdutor Óptico de Tensão 11

Materiais que exibem Efeito Pockels Para a luz monocromática e linearmente polarizada na direção do eixo óptico(longitudinal) P = 2 (Nx’ – Ny’ ) L = 2 N 3 O R 63 V V é a tensão aplicada ao cristal (KDP) Para P = a tensão de meia onda vale: V( /2) = __ ____ 2 N 3 O R 63 Transdutor Óptico de Tensão 12

Materiais que exibem Efeito Pockels Transdutor Óptico de Tensão 13

Esquema Funcionamento Transdutor Óptico Tensão Transdutor Óptico de Tensão 14

Divisor Capacitivo Tensão Linha de Alta Tensão V C 1 C 2 V = V C 1/ (C 1 + C 2) Transdutor Óptico de Tensão 15

Situação Atual Medição Alta Tensão A medição atual é feita por TP’s e TC’s. Desvantagens: - Problemas de falha de isolação; - contaminação superficial, - fenômenos de saturação e pobreza de resposta em frequência; - isolantes possuem tamanhos colossais para tensões acima de 100 k. V o que torna o transformador muito grande; - Infidelidade na relação de transformação. Por estes e outros motivos, os recentes avanços tecnológicos buscam: -Desenvolver dispositivos de medida e proteção com desempenho técnico superior aos clássicos transformadores de corrente (TC) e potencial (TP). -Oferecer uma redução no custo e uma fácil extensão do nível de (AT) para o de (EAT). Transdutor Óptico de Tensão 16

Situação Atual Medição Alta Tensão Fonte Externa Tensão Medidor Tensão LT AT P Transformador S V Diagrama simplificado da medição de alta tensão feita por TP’s. Transdutor Óptico de Tensão 17

Medição por Trandutores Ópticos de Tensão Algumas das vantagens desse sistemas de medida óptica são: - O isolamento elétrico requerido é conseguido facilmente pois são galvanicamente desacoplados; - A eliminação total ou parcial de ruídos. - Rapidez e fiabilidade na transferência de informações; - Os métodos de modulação digital são facilmente acoplados à atual tecnologia de computadores; - Redução das dimensões e custo do sistema de medida; -. Aumento da precisão das medidas, independente do nível de tensão ( AT, EAT, UAT); - Não há perdas por efeito joule e o efeito das capacitâncias parasitas é zero; - Possibilidade de realizar a medição remotamente Transdutor Óptico de Tensão 18

Medição por Trandutores Ópticos de Tensão Por outro lado, certas desvantagens podem ser destacadas: . Maior complexidade que os sistemas convencionais; . Necessidade de uma amostra relativamente grande do cristal; . Dificuldade na manutenção das partes dos sistemas ativos (baterias, componentes eletrônicos, etc. ) no nível de alta tensão; . Necessitam de fonte de alimentação, seja em nível de alta tensão e terra (sistema ativos), ou em nível de terra ( sistemas passivos); . Confiabilidade e vida média insuficiente dos atuais componentes eletrônicos; . Necessidade de alinhamento de lentes e polarizadores; Transdutor Óptico de Tensão 19