SEMINÁRIO TRANSDUTOR ÓPTICO DE TENSÃO

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

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

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

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

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

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

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

Alta Tensão Fonte Luminosa Polarizador Elemento Sensor Analisador Fotodetetor Diagrama Transdutor Óptico de Tensão 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

Efeito Pockels - Em 1893, F. Pockels publicou a Teoria Geral; - Comum em cristais ADP (NH4H2PO4), 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’ = N3O R6 3 EZ Ny’ – Nx’ = N3O R6 3 V/d Onde: NO é índice de refração, R63é um elemento do tensor eletro-óptico do cristal (constante de Pockels) e EZ o campo elétrico externo. Transdutor Óptico de Tensão

Efeito Pockels Transdutor Óptico de Tensão

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

Materiais que exibem Efeito Pockels • Para a luz monocromática e linearmente polarizada na direção do eixo óptico(longitudinal) • P = 2 (Nx’ – Ny’ ) L = 2N3O R 63 V •  • V é a tensão aplicada ao cristal (KDP) • Para P =  a tensão de meia onda vale: • V(/2) = __ ____ • 2 N3O R63 Transdutor Óptico de Tensão

Materiais que exibem Efeito Pockels Transdutor Óptico de Tensão

Esquema Funcionamento Transdutor Óptico Tensão Transdutor Óptico de Tensão

Linha de Alta Tensão C1 V C2 V = V C1/ (C1 + C2) Divisor Capacitivo Tensão Transdutor Óptico de Tensão

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 • kV 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

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

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

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

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