Método de detecção de fase óptica aplicado a calibração de sensor de tensão polarimétrico

Abstract

Atualmente, a técnica óptica de maior sucesso desenvolvida para medição de altas tensões em linhas elétricas de potência com frequências de 50/60 Hz, utiliza célula Pockels de niobato de lítio volumétrica, constituindo o chamado OVS - sensor óptico de tensão (do inglês: Optical Voltage Sensor). Mas, ao contrário da área de vibrometria onde existem padrões ISO baseados em métodos interferométricos simples e confiáveis para calibração de sensores, ainda não há procedimento padronizado para medição de Vπ (tensão de meia onda) da célula Pockels ou para calibração de OVSs. Como os OVSs baseados em células Pockels podem ser considerados como interferômetros polarimétricos, e inspirados pela norma ISO 16063-41 (para calibração de transdutores de vibração e choque), especificamente a técnica chamada SCM - método do sinal coincidente (do inglês: Signal Coincidence Method), este trabalho apresenta um novo método para detecção de fase óptica digital e processado em tempo real sob medida para medição de Vπ em OVSs. A fim de demonstrar a eficácia da nova técnica, medições foram executadas aplicando-se um sinal de tensão ao OVS, composto pela superposição de uma tensão senoidal de 60 Hz, com amplitude igual ao valor de referência de Vπ (4,07 kV neste caso) e uma tensão DC alta o suficiente para fornecer um retardo de fase bias estática de 90◦ , como especificado pelo SCM, comprovando que o método pode recuperar o valor de Vπ de acordo com o valor estimado. Entretanto, é sabido que o ajuste da fase bias em um interferômetro polarimétrico pode sofrer variações indesejadas de tempos em tempos, devido a desvios na temperatura ambiente e outros distúrbios externos, levando o OVS a um ponto fora do ponto de operação ideal e não atendendo ao padrão ISO. Como uma vantagem, experimentos demonstraram que o novo método é tolerante a variações na fase bias estática de 90◦ (variando de 60◦ a 120◦ ), bem como a variações na amplitude de tensão aplicada ao OVS, variando de ±25% em relação a tensão de referência 4,07 kV. Valores de Vπ foram detectados com precisão, com erro percentual máximo de 0,15% e, portanto, satisfazendo a especificação do padrão ISO 16063.

Nowadays, the most successful optical technique developed for measuring high voltages in 50/60 Hz electric power lines utilizes the bulk lithium niobate Pockels cell, constituting the so-called OVS - Optical Voltage Sensor. But, unlike the area of vibrometry where there are ISO standards based on reliable and simple interferometric methods for calibrating the sensors, there is still no standardized procedure for measuring Vπ (half-wave voltage) of Pockels cells or for calibrating OVSs. As the Pockels cell-based OVSs can be considered as a polarimetric iterferometer, and inspired by the ISO 16063-41 standard (for the calibration of vibration and shock transducers), specifically the technique called SCM – Signal Coincidence Method, this work presents a new digital and real-time method for optical phase detection tailored for the measurement ofVπ in OVSs. Measurements were made in order to demonstrate the effectiveness of the new technique by applying a voltage signal to the OVS, composed by the superposition of a 60 Hz sinusoidal voltage, with amplitude equal to the reference value of Vπ (4.07 kV in this case) and a DC voltage high enough to provide a 90◦ bias static phase shift, as specified by SCM, proving that the method can recover the value of Vπ in accordance with the estimated value. However, it is well known that the adjustment of the bias phase in a polarimetric interferometer can undergo undesired variations from time to time, due to drifts in ambient temperature and other external disturbances, taking the OVS out of its optimal operating point and not attending the ISO standard. As an advantage, experiments have shown that the new method is tolerant to variations in the 90◦ bias static phase (ranging from 60◦ to 120◦ ), as well as to variations in the amplitude of the voltage applied to the OVS, varying ±25% in relation to the 4.07 kV reference voltage. The Vπ values were accurately detected, with a maximum percentage error of 0.15% and, therefore, satisfying the specification of the ISO 16063 standard.