XXII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétri SENDI 2016 - 07 a 10 de novembro Curitiba - PR - Brasil
Do Nascimento, C.A.M.
Companhia Energética de Minas Gerais
Libório, M.P.
[email protected] [email protected]
Pinto, A.V.P.
Companhia Energética de Minas Gerais
[email protected]
Neves, G.A.
Companhia Energética de Minas Gerais
[email protected]
Silva, W.R.
CEMIG Distribuição S.A.
[email protected]
Rosolem, J.B.
Fundação CPQD - Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicação
[email protected]
Hortencio, C. A.
Fundação CPQD - Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicação
[email protected]
Eduardo Ferreira da Costa Fundação CPQD - Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicação
[email protected]
Penze, R. S.
Fundação CPQD - Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicação
[email protected]
Fracarolli, J. P. V.
Fundação CPQD - Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicação
[email protected]
Sistema óptico para transmissão de dados em banda larga concomitante ao monitoramento da integridade física de condutores de linhas aéreas de alta tensão
Palavras-chave
LINHAS DE TRANSMISSÃO ROMPIMENTOS DE CONDUTORES SISTEMA ÓPTICO SMARTGRID
Resumo O rompimento de condutores aéreos, na média e alta tensão, pode ter consequências fatais, se ocorrer em áreas com algum tipo de ocupação humana irregular. Para reduzir os riscos de acidentes esse projeto desenvolveu uma solução inovadora que utiliza a tecnologia óptica CWDM para monitorar a integridade física dos condutores em conjunto com a característica primordial da transmissão de dados em banda larga por fibras ópticas. O objetivo do projeto foi transmitir energia elétrica e banda larga por meio do mesmo condutor, desligar e evitar o religamento automático dos circuitos elétricos de alta tensão, nos casos de rompimento do condutor.
1/10
Esse sistema óptico de monitoramento oferece um diagnóstico confiável e mais veloz do que o tempo de atuação da proteção elétrica tradicional das linhas aéreas. Da física sabemos que a velocidade da luz é elevada, e esse fator é a maior vantagem do sistema concebido em tecnologia óptica, que permite o compartilhamento da fibra óptica, com sistemas de comunicações, especialmente para transmissão de dados, imagens e internet em banda larga. O projeto em escala real e industrial foi implantado com sucesso na UniverCemig, localizada em Sete Lagoas (MG), em Março/2016.
1. Introdução Este artigo descreve o projeto da carteira de projetos de Pesquisa e Desenvolvimento da Aneel codificado por “P&DD520”, com financiamento da Cemig Distribuição, Transmissão Centroeste, Cemig Telecom e CPqD, e ainda contou com apoio industrial da Furukawa do Brasil, que forneceu a primeira geração de condutores de energia com fibras ópticas integradas, e da Balestro Isoladores elétricos, que forneceu os primeiros isoladores elétricos/ópticos para isolar as fibras ópticas da alta tensão. As faixas de segurança de linhas aéreas (LT's) são locais que possuem restrições quanto a sua utilização. Estas restrições se dão por motivos de segurança e para garantir o acesso das equipes de manutenção às torres que sustentam os cabos da LT [1]. A ocupação irregular e invasão das faixas de segurança é um problema que a CEMIG tem enfrentado nos últimos anos cabendo inclusive processos judiciais para demolição de obras edificadas na faixa de segurança. Até o momento, são raros os eventos de rompimento de cabos nessas faixas irregularmente invadidas de 138 kV da Cemig. Entretanto, a possibilidade disto aumentar preocupa fortemente a CEMIG, pois uma queda de cabo condutor de uma LT numa área ocupada por construções de casas pode causar acidentes graves. O sistema de proteção tem o religamento automático nessas regiões de linhas invadidas, que gera um enorme transtorno operacional e econômico para a Cemig. Tendo em vista os problemas recorrentes da invasão constante das faixas de segurança, a CEMIG desenvolveu um protótipo de um sistema de monitoramento de rompimento de condutores para LT denominado Televão, na década de 90. Esse sistema utilizava uma cápsula de mercúrio para monitorar o deslocamento da cadeia isoladora, que por sua vez, deveria indicar o rompimento do condutor devido à perda da força mecânica do condutor no trecho da linha aérea com o problema. Este sistema apresentou diversos problemas operacionais, tais como: alarmes falsos, pequena sensibilidade de detecção e elevado tempo para detecção do rompimento, e que resultou na perda de credibilidade do projeto junto às equipes de operação e manutenção da Cemig. Dessa forma, a utilização do sistema de monitoramento da integridade física de condutores de linhas aéreas que permita um diagnóstico, confiável e rápido, de uma ruptura do condutor foi proposta por meio da tecnologia puramente óptica. O problema de detecção do rompimento ou não do condutor é um dos maiores desafios enfrentados pelas equipes que operam, em tempo real, as linhas aéreas de alta tensão. Quando ocorre um desligamento da linha, e no caso da mesma ter ocupação irregular das suas faixas de segurança, é fundamental garantir que não ocorra o religamento dessa instalação, quando o problema do desligamento for condutor rompido. Se o religamento ocorrer nessa condição, riscos de acidentes são elevados. Neste caso o restabelecimento da operação da linha poderá demorar horas, causando elevadas perdas financeiras para os clientes e penalizando os indicadores da concessionária de energia elétrica, bem como, processos judiciais caso ocorra alguma fatalidade com a população. Para uma solução plausível do problema em referencia, esse sistema óptico proposto irá possibilitar uma tomada de decisão muito mais assertiva das equipes de operação do sistema elétrico, pois será possível saber se ocorreu uma ruptura do condutor de fato ou não, antes mesmo, da proteção elétrica da linha ser atuada. Neste projeto o objetivo central foi o desenvolvimento de um sistema óptico de monitoramento da integridade dos cabos
2/10
condutores baseado na implantação de um cabo óptico junto ao condutor convencional de energia elétrica da LT, isto é, um cabo condutor metálico já com fibras ópticas integradas do tipo OPPC (OPtical Phase Conductor) [2],[3]. Neste caso, um rompimento do condutor seria identificado pelo rompimento da fibra óptica. De acordo com as especificações deste projeto as premissas para o sistema para monitoramento óptico da integridade física de cabos de linhas aéreas foram: (i) evitar o religamento do sistema em caso de rompimento de condutor da linha aérea, principalmente em áreas de invasão irregular por população humana; (ii) o sistema deve ser rápido o suficiente para atuar antes do relé de proteção evitando o religamento da LT. O tempo de resposta deve ser de no máximo 500 ms; (iii) uma fibra óptica sensora deverá ser conectada diretamente à subestação por meio de uma fibra óptica de transmissão e (iv) deverá ser previsto o compartilhamento entre uma fibra utilizada no sistema de comunicações de dados em banda larga e o sistema de monitoramento proposto. Para o sistema de detecção foi utilizada a tecnologia CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) que é largamente utilizada em telecomunicações para atender de uma forma inovadora todas as premissas previamente citadas [4]. Deve-se ressaltar que o sistema pode ser adaptado para a realização do monitoramento da integridade física de condutores de linhas aéreas e para a transmissão de sinais de comunicação em banda larga.
2. Desenvolvimento A metodologia de desenvolvimento do projeto foi baseada em uma arquitetura do sistema de monitoramento composta por três partes: (i) a fibra sensora, (ii) dispositivos de interligação (isolador) juntamente com a fibra de transmissão dos sinais, e (iii) a unidade óptica de detecção (interrogador) conforme esquema simplificado mostrado na Figura 1.
Figura 1. Elementos que fazem parte do sistema de monitoramento. O princípio de funcionamento do sistema baseia-se no fato de que dispositivos reflexivos colocados ao longo da linha aérea interrompam a reflexão de luz caso algum dano ocorra ao longo da linha, em particular na seção do cabo condutor com a fibra sensora, que deve ser instalado nos vãos críticos. Para que o sistema proposto tenha alta confiabilidade e um tempo de resposta muito rápido, a fibra óptica sensora deve ser conectada diretamente à subestação por meio de uma fibra óptica de transmissão em banda larga. Em relação aos isoladores elétricos foram utilizadas duas soluções: (i) conectar o sinal óptico da baixa tensão para a alta tensão por meio da técnica de passar a fibra óptica no núcleo do bastão de fibra de vidro dos isoladores poliméricos e (ii) conectar o sinal óptico da baixa tensão para a alta tensão por meio da técnica de acopladores ópticos na parte externa e lateral dos isoladores poliméricos (Free Space Optics-FSO) [5]. Nas duas propostas foi necessária adequação dos terminais
3/10
metálicos dos isoladores para permitir o acoplamento com o cabo de fibra óptica. Outra possibilidade é a utilização de dispositivo com a técnica de acoplamento óptico FSO. Para o sistema de detecção foi utilizada a tecnologia CWDM. Esta técnica é uma das tecnologias WDM (Wavelength Division Multiplexing) disponíveis em larga escala no mercado de telecom, como mostra a Figura 2. Nesta técnica diversos sinais ópticos em comprimentos de onda diferentes são conectados em uma única fibra usando dispositivos conhecidos como multiplexadores (mux). Ao longo de um enlace óptico alguns destes sinais podem ser removidos ou inseridos novamente no enlace por meio de uso de dispositivos conhecidos como add-drops ópticos. Os transmissores são os responsáveis pelas interfaces de transmissão do sistema óptico, tanto para transmitir os sinais de forma apropriada em comprimentos de onda específicos, mas com taxas de transmissão adequadas. Os receptores são os responsáveis pela detecção do sinal de forma adequada.
Figura 2. Ilustração de funcionamento da tecnologia WDM e distribuição espectral do CWDM Atualmente transmissores e receptores são integrados em um formato mecânico padronizado que permite uma grande redução do espaço ocupado em estações. Um destes formatos é o transceptor conectável de formato reduzido ( Small Form Pluggeable - SFP) [6]. O espaçamento espectral CWDM utilizado para o projeto está mostrado na Figura 2 e foi padronizado pela ITU-T G.694.2 [7]. Basicamente 18 canais separados por 20 nm são distribuídos entre 1270 a 1610 nm, que é a faixa de transmissão com baixa atenuação na fibra óptica. Uma das grandes vantagens do CWDM é que o mesmo tem custo reduzido em relação a outros sistemas WDM. Para usar a monitoração da LT e simultaneamente permitir o uso de comunicação em banda larga concomitante, entre subestações na mesma fibra, utilizou a arquitetura de rede mostrada na Figura 3, que é uma topologia CWDM em barramento. Neste caso são utilizados dois elementos de transmissão/recepção denominados de transponders CWDM em cada subestação, sendo um para cada direção de transmissão (na Figura 3 é mostrada apenas uma direção). O sinal vindo de qualquer equipamento de transmissão com saída óptica genérica é conectado na entrada (Rx) de um dado transceiver SFP do transponder. O transceiver providencia a adaptação deste sinal no comprimento de onda correto para transmissão no transponder CWDM. Outro transponder situado na estação oposta providencia a entrega deste sinal ao equipamento de transmissão associado.
4/10
Figura 3. Topologia de sistema óptico CWDM para monitoração de integridade de condutor de LTs e transmissão de dados de telecom. A unidade Transponder de transmissão tem por função converter os sinais ópticos de até 16 clientes recebidos em suas entradas em até 16 sinais CWDM padronizados na sua saída. A conversão é realizada por unidades transceivers SFP “plugáveis”. Os sinais de entrada chegam ao Transponder de transmissão por meio de cordões ópticos com conectores LC/PC provenientes de equipamentos de transmissão genéricos. A unidade Transponder de transmissão é composta de uma placa principal de controle na qual são acopladas duas placas de fonte de alimentação uma placa de supervisão e 16 transceivers SFP CWDM com os seguintes comprimentos de onda 1310, 1330, 1350, 1370, 1390, 1410, 1430, 1450, 1470, 1490, 1510, 1530, 1550, 1570, 1590 e 1610 nm. As interfaces elétricas de entrada e saída de cada transceiver do tipo SFP são internamente e eletricamente conectadas na forma de um Transponder tipo 2R (amplificação e reformatação, mas não de regeneração do sinal). Trilhas de circuito levam informações dos Transponder até a placa de supervisão. Alarmes de falha de transmissão e ausência de sinal de recepção e comandos para desabilitar o funcionamento do laser que são do tipo “0” e “1” TTL. A placa de supervisão exterioriza estes dados via Ethernet 10/100 Base-T/TX. I.Arranjos de Elementos Reflexivos para monitoração da Integridade Física do Condutor Existem várias formas e arranjos de dispositivos reflexivos para monitorar um trecho de vão crítico de linha aérea de transmissão considerando as três fases. Mostramos na Figura 4, de forma simplificada, alguns destes arranjos. Por exemplo, na Figura 4(a) os sinais (l2 a ln) multiplexados em comprimentos de onda pelo Transponder CWDM ao chegarem ao vão crítico são enviados para as três fases condutoras (A, B e C) a partir de add-drops posicionados no enlace óptico. Neste caso cada comprimento de onda refletido no final de cada cabo condutor, de cada fase, retorna pelo mesmo caminho até o Transponder CWDM. A ausência de um destes sinais vincula o rompimento da fibra sensora pelo rompimento do condutor. Um sinal (l1) é refletido antes da fibra sensora para sinalizar que a fibra transmissora antes da fibra sensora encontra-se funcionando normalmente. Outros comprimentos de onda (ln) destinados à comunicação passam integralmente pelos add-drops e são recebidos na estação oposta independentemente se ocorrer o rompimento do cabo condutor. Outras formas e arranjos de dispositivos reflexivos para monitorar a linha de transmissão considerando as três fases são possíveis, adicionando inclusive outros dispositivos reflexivos.
5/10
Figura 4. Formas e arranjos de dispositivos reflexivos para monitorar as três fases de um vão crítico. II.Fibra Sensora Os cabos ópticos utilizados como sensores devem ter características um pouco diferentes que as fibras dos cabos ópticos utilizados em sistemas ópticos. Isto ocorre porque os cabos utilizados nos sistemas ópticos são projetados de forma que as fibras ópticas não sofram esforços significativos durante toda a vida útil do cabo, garantindo assim o desempenho óptico desejado e a minimização da degradação mecânica destas fibras. Por outro lado, os cabos sensores devem ser projetados de forma que protejam as fibras ópticas, mas ao mesmo tempo permitam que estas sintam os efeitos das alterações dos parâmetros a serem monitorados. No caso do rompimento de condutores podem ser utilizados como sensores cabos ópticos similares aos utilizados nos sistemas ópticos, mas com o dimensionamento adequado para aumentar a sensibilidade de suas fibras ópticas. Os cabos ópticos padronizados para a instalação em sistemas energizados são: (i) o OPPC, utilizado nesse projeto, (ii) o Lashed optical cable e o (iii) Wrap optical cable. III.OPPC Os cabos OPPC possuem projeto semelhante ao dos cabos OPGW, só que são projetados de forma a atenderem as características mecânicas e elétricas dos cabos tradicionais das fases energizadas. Entre estas características se encontra um excesso de fibras ópticas a maior, sem deformação, nem aumento de atenuação, nas fibras ópticas até 70% da RTS (Rated Tensile Strengt). Normalmente possuem suas fibras ópticas protegidas por tubos de aço inoxidável colocados na parte central do cabo ou reunidas em espiral entre os fios metálicos de uma de suas coroas. Ao contrário dos cabos OPGW, que são aterrados, os cabos OPPC são energizados, exigindo emendas e isoladores especiais de acordo com a tensão da linha na qual são instalados. Assim, as fibras ópticas são integradas ao condutor de fase e, portanto, têm que ser separadas da área energizada por unidades especiais de terminação OPPC em ambas as extremidades da linha. Para a continuidade do cabo OPPC são utilizados conjuntos de emenda lineares instalados e fixados às torres por meio de isoladores. Os sistemas de ancoragem e de suspensão dos cabos OPPC são os mesmos utilizados para os cabos OPGW, apenas dimensionadas para suportarem os esforços mecânicos específicos para atender aos requisitos de projeto da linha área: vãos, flechas, ventos, temperaturas etc. Para suas fixações às torres são utilizados isoladores dimensionados de acordo com a tensão da linha. IV.Isolador Óptico Um aspecto comum para a utilização dos cabos ópticos sejam eles OPPC ou espinados, é a necessidade da utilização de elementos isoladores para realizar a transição física dos cabos ópticos (fibras) que estão agregados ao cabo
6/10
condutor energizados da LT, ou seja, em níveis de tensões elétricas elevados. Qualquer que seja a classe de tensão é necessária à utilização de sistemas isoladores para garantir a isolação elétrica entre o potencial e as estruturas aterradas. Apesar das características dielétricas das fibras ópticas, além de serem imunes aos campos elétricos e magnéticos, se forem diretamente ligadas entre o potencial e a estrutura aterrada, dependendo da classe de tensão e das condições ambientais, em um curto intervalo de tempo podem conduzir. Como as fibras ópticas necessitam de proteção para garantir a sua integridade física e estrutural (cabo), mesmo que as proteções sejam totalmente dielétricas, o aumento do diâmetro favorecerá ainda mais a propensão à formação do caminho condutivo entre o potencial e a estrutura aterrada. Comercialmente, é possível encontrar dispositivos mecânicos como caixas de emendas e isoladores com fibras ópticas internas ao núcleo que permitem realizar a interligação óptica entre o cabo sensor e o cabo que segue até a unidade de aquisição, porém estes dispositivos mecânicos são todos importados e têm um custo muito elevado. Então foi desenvolvido um sistema de interligação do cabo óptico sensor, que é ilustrado na Figura 5, é basicamente constituído por um isolador polimérico do tipo “Line Post” para 138 kV com um canal no núcleo para a passagem das fibras ópticas, caixa de emenda óptica para terminação do cabo sensor (no potencial), e uma caixa de emenda para conexão com o cabo de interligação com a unidade óptica de detecção e fixação na estrutura. Para monitorar a integridade da LT, este sistema de interligação possibilita utilizar tanto um cabo sensor OPPC quanto um cabo espinado no condutor.
Figura 5. Sistema de interligação entre o cabo óptico sensor e o cabo óptico de interligação por meio de fibraspassantes pelo interior do núcleo do isolador. Outra opção para realizar o acoplamento óptico entre o cabo sensor e o cabo de interligação, é utilizar a tecnologia de transmissão da luz pelo ar, o FSO. Este acoplamento utiliza dois colimadores, mostrado na Figura 6, que são fixados na estrutura do isolador, assim os colimadores se mantêm solidário a estrutura garantindo o alinhamento. Este dispositivo de alinhamento que foi objeto de desenvolvimento em outro projeto de P&D da CEMIG [5] está agora sendo melhorado para sua efetiva utilização. A vantagem deste método é que o mesmo se constitui em um “kit” de alinhamento que necessita para sua utilização somente de um isolador Line Post de baixo custo que é facilmente encontrado no mercado.
7/10
Figura 6. Sistema de interligação entre o cabo óptico sensor e o cabo óptico de interligação por meio do acoplamento óptico (FSO). V.Avaliação da infraestrutura da UniverCemig No período de 28 a 31 de março de 2016 foi realizada a instalação física do projeto na UniverCemig, localizada em Sete Lagoas (MG). A universidade corporativa da Cemig que tem como finalidade integrar empregados e esforços em torno do provimento e compartilhamento de conhecimento. Possui uma área apropriada para P&D, onde situações e cenários são experimentados. Nessa infraestrutura encontramos cenários que representam a rede de alta, média e baixa tensão que é ideal para construção e realização de testes no P&D. Para avaliação da infraestrutura existente podemos observar na Figura 7 um mosaico da instalação do sistema óptico implantado na UniverCemig.
Figura 7. Mosaico da instalação projeto D520 Neste mosaico temos: a. Sinal de OTDR identificado os pontos de instalação do sistema de monitoramento; b. Equipe da Cemig instalando célula de carga óptica para monitoramento do esforço de tração do cabo; c. Visão do cabo condutor com fibras ópticas integradas. (OPPC - OPtical Phase Conductor) instalado na LT na UniverCemig; d. Visão do sistema de monitoramento de integridade física da LT; e. Ementas das fibras ópticas da cadeia de isolado óptica e do cabo OPPC para ser instalado na torre;
8/10
f. Instalação da cadeia de isolador na torre; g. Rack com do sistema de monitoramento de integridade física da LT. No projeto foi instalada uma linha aérea onde é possível compartilhar as funções de monitoramento e transmissão de energia. Na Figura 8 podemos verificar um esquemático da rede montada para o monitoramento da integridade física do condutor da LT.
Figura 8. Esquemático com a visão das torres de ancoragem e suspensão. VI. Avaliação de taxa de erro na rede instalada Paralelamente a avaliação da infraestrutura de rede da UniverCemig, e aproveitando a infraestrutura da rede do projeto D520, uma analise do comportamento da rede instalada foi efetivada por meio da transmissão de vídeo e dados em conjunto com o sistema de monitoramento de vãos críticos e a transmissão de energia. Para tal foi utilizado o analisador da AnaCise - Analisador de Serviço Convergente (Convergente Service Analyzer-CSA) que gerou um trafego de dados juntamente com o vídeo passando pela rede de monitoramento (uma única fibra óptica). Dessa forma, o sistema funcionou plenamente de forma independente e sem interferências. Os tráfegos gerados em ambos os sentido downstream e upstream foram 100%, 95%, 93%, e 90% respectivamente. Nos testes executados verificou que cada sistema (sistema de monitoração e o de transmissão de dados em banda larga) funcionou de forma independente, demonstrando assim a viabilidade técnica de implantação do projeto na Cemig.
3. Conclusões Neste trabalho apresentou-se o desenvolvimento de um sistema óptico de monitoramento da integridade dos cabos condutores e o mesmo é baseado na implantação de um cabo óptico ao cabo condutor convencional da LT ou no trecho crítico a ser monitorado, por meio de um cabo condutor com fibras ópticas integradas - OPPC. O sistema óptico foi adaptado para realizar o monitoramento da integridade física de condutores de linhas aéreas bem como para a transmissão de sinais de comunicação, em banda larga, simultaneamente. O sistema foi implantado com sucesso em uma linha aérea da CEMIG na UniverCemig, onde foi simulado o teste de campo em escala real. Com a utilização deste sistema de monitoramento, da integridade física de condutores de linhas aéreas, a CEMIG terá um diagnóstico confiável e rápido de uma falha permanente ou não da linha. Isso possibilitará uma tomada de decisão conveniente, pois será possível saber se ocorreu uma ruptura de condutor de fato, e consequentemente, a sua localização precisa a partir da central de controle do sistema, que irá diminuir drasticamente as penalidades em função
9/10
das perdas de receita em função da indisponibilidade dos ativos e, além disso, reduzir os riscos de acidentes com terceiros.
4. Referências bibliográficas 1. EPTE - Engenharia e Planejamento em Transmissão de Energia, "Linhas de Transmissão de Energia" link:http://www.epte.com.br/faixa.html (acessado em maio/2016). 2. Reinhard Girbig, Hans-Werner Korporal. "Advanced OPPC Accessories for the Use on Power Lines up to 36 kV". International Wire & Cable Symposium - Proceedings of the 56th IWCS. 3. Reinhard Girbig, Philippe Bernon, Christophe Chaussecourte, Renaud Le Gac. "OPPC Solutions for 63 kV, 90 kV and 225 kV Power Lines". International Wire & Cable Symposium - Proceedings of the 54th IWCS/Focus. 4. J. B. Rosolem; Relatório Técnico "Descrição do produto: Sistema CWDM de 16 Canais em 2,5 Gb/s com proteção para rede metropolitana; PD.30.12.15A.0018A/PD-01-AA, GIGA-Fase1. CPqD, 2007. 5. P&D CEMIG 446, "D446 DE - Desenvolvimento de sistema óptico de monitoramento, transmissão e recepção de dados para comando, controle e supervisão de equipamentos na alta tensão imune às interferências eletromagnéticas", 2011. 6. SFF Committee, “INF-8074i Specification for SFP (Small Form factor Pluggable) Transceiver”, Rev 1.0, Maio, 2001. 7. ITU-T, “G.694.2: Spectral grids for WDM applications: CWDM wavelength grid”, dez-2003.
_________________________________________
10/10
