Proposta de dispositivo ótico-sensor para o monitoramento de vibrações em condutores de linhas de transmissão de energia elétrica

Abstract

As linhas de transmissão de energia elétrica enfrentam desafios significativos relacionados aos danos causados pelo movimento dos condutores induzido pelo vento, especialmente as vibrações eólicas. Essas vibrações, geradas por vórtices alternados no condutor, podem levar à fadiga dos fios condutores e dos componentes de proteção. A vibração eólica ocorre em velocidades de vento entre 1 e 7 m/s, com frequências variando de 3 a 150 Hz, sendo um fenômeno comum e responsável por falhas mecânicas em sistemas de transmissão. O monitoramento contínuo das vibrações é crucial para mitigar esses efeitos, mas os dispositivos atuais enfrentam limitações, como autonomia, taxa de amostragem e interferência eletromagnética. Uma abordagem para prever os níveis de vibração é o Princípio de Balanço de Energia (PBE), que, embora amplamente utilizado, apresenta limitações devido às simplificações feitas na construção dos modelos analíticos usados. O projeto TECCON propõe soluções inovadoras com sensores de fibra ótica integrados em componentes passivos, como isoladores, para monitorar variáveis mecânicas e térmicas, e avalia a possibilidade de acrescentar o monitoramento das vibrações, com base nos avanços do próprio projeto. Dentro dos sensores de fibra ótica, destacam-se os sensores baseados em redes de Bragg, os Fiber Bragg Gratings (FBG), que se sobressaem por sua leveza, imunidade à interferência eletromagnética e bom desempenho em condições adversas. Dado esse contexto, este trabalho propõe um protótipo de sensor para ampliar o monitoramento do sistema TECCON, utilizando a tecnologia FBG para medir vibrações através da variação da tensão de flexão numa viga cantiléver fixada ao condutor, correlacionando a deformação com a amplitude da vibração induzida pelo vento.

Abstract: Electric power transmission lines face significant challenges related to damage caused by conductor movement induced by wind, especially wind-induced vibrations. These vibrations, generated by alternating vortices on the conductor, can lead to fatigue of the conductor wires and protection components. Wind-induced vibrations occur at wind speeds between 1 and 7 m/s, with frequencies ranging from 3 to 150 Hz, being a common phenomenon responsible for mechanical failures in transmission systems. Continuous vibration monitoring is crucial to mitigate these effects, but current devices face limitations, such as autonomy, sampling rate, and electromagnetic interference. One approach to predicting vibration levels is the Energy Balance Principle (EBP), which, although widely used, has limitations due to the simplifications made in the construction of the analytical models used. The TECCON project proposes innovative solutions with optical fiber sensors integrated into passive components, such as insulators, to monitor mechanical and thermal variables, and explores the possibility of adding vibration monitoring based on the advances of the project itself. Among the optical fiber sensors, those based on Bragg gratings, Fiber Bragg Gratings (FBG), stand out for their lightness, immunity to electromagnetic interference, and good performance in adverse conditions. Given this context, this work proposes a sensor prototype to enhance the TECCON monitoring system, using FBG technology to measure vibrations through the variation in bending stress on a cantilever beam fixed to the conductor, correlating the deformation with the vibration amplitude induced by the wind.