Cálculo de Desempenho Teleproteção Oplat

7/21/2019 Clculo de Desempenho Teleproteo Oplat

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UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO

ESCOLA POLITCNICA DE PERNAMBUCO

PROJETO DE FINAL DE CURSO

CLCULO DE DESEMPENHO DOENLACE DE ONDA PORTADORA EM

SISTEMAS DE TELEPROTEOOPLAT

por

KARINNE KARLA SILVESTRE

Recife, Novembro de 2010


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UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO

ESCOLA POLITCNICA DE PERNAMBUCO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA

CLCULO DE DESEMPENHO DO ENLACE DE ONDAPORTADORA EM SISTEMAS DE TELEPROTEO OPLAT

por


Monografia apresentada ao curso de

Engenharia Eltrica modalidade Eletrnica da

Universidade de Pernambuco, como parte dos

requisitos necessrios obteno do grau de

Engenheira Eletrnica.

ORIENTADOR: REGINALDO PEREIRA LEAL, M.Sc.

Recife, Novembro de 2010.

Karinne Karla Silvestre, 2010.


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Resumo da Monografia apresentada ao curso de Engenharia Eltrica da

Escola Politcnica de Pernambuco.

CLCULO DE DESEMPENHO DO ENLACE DE ONDAPORTADORA EM SISTEMAS DE TELEPROTEO OPLAT


11 / 2010

Orientador: Reginaldo Pereira Leal, Me.

rea de Concentrao: Sistema de Onda Portadora.

Palavras-chave: Portadora, Teleproteo, OPLAT.

Nmero de Pginas: 59.

O presente trabalho apresenta uma breve descrio do sistema de

comunicao de Ondas Portadoras em Linhas de Alta Tenso (OPLAT), bem como

as caractersticas principais dos equipamentos bsicos e os parmetros utilizadospara o clculo do desempenho de um sistema OPLAT. Destaca-se as principais

caractersticas dessa soluo, as vantagens e desvantagens e as consideraes

que devem ser consideradas durante o clculo de desempenho dos enlaces, tais

como a atenuao da linha e as condies do tempo. Sero apresentados os

procedimentos que devem ser seguidos para o clculo da potncia de recepo e da

relao sinal-rudo na recepo do sistema de ondas portadoras em linhas de alta

tenso. Finalizando o trabalho, ser realizada uma comparao entre os resultadosobtidos atravs dos clculos matemticos para as condies climticas favorveis,

como baixa umidade, e para condies de tempo adversas, tais como geada, chuva

ou alta umidade. Os resultados mostraram que a utilizao de ondas portadoras em

linhas de alta tenso para a transmisso de sinais de teleproteo entre

subestaes uma soluo eficiente. Visto que o sistema OPLAT apresenta

resultados satisfatrios no que se refere ao desempenho, garantindo a confiabilidade

que o sistema eltrico de potncia necessita.


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LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1: Diagrama dos principais componentes de um canal de comunicaoOPLAT. __________________________________________________________ 14

Figura 2.2: TPC - Transformador de Potencial Capacitivo. ___________________ 17

Figura 2.3: Combinao do capacitor de acoplamento com a bobina de drenagem. 17

Figura 2.4: Circuito LC srie. __________________________________________ 19

Figura 2.5: Curva caracterstica do filtro LC srie. __________________________ 20

Figura 2.6: Bobina de bloqueio e Capacitor de acoplamento. _________________ 21

Figura 2.7: Circuito LC paralelo. ________________________________________ 22Figura 2.8: Curva caracterstica do filtro LC paralelo. _______________________ 23

Figura 2.9: Elementos do sistema de comunicao. ________________________ 24

Figura 2.10: (a) Sinal modulante (informao) (b) Forma de onda da portadora (c)

Sinal modulado em DSB-SC. __________________________________________ 28

Figura 2.11: Curvas de atenuao tpicas para linhas areas operando em condies

de tempo bom. _____________________________________________________ 31

Figura 2.12: Nveis mdios de rudo tpicos para linhas de 230kV. _____________ 34

Figura 2.13: Transmisso do sinal de alta tenso e do sinal de comunicao da

teleproteo. _______________________________________________________ 39

Figura 2.14: Esquema do acoplamento fase-terra. _________________________ 41

Figura 2.15: Esquema do acoplamento fase-fase. __________________________ 42

Figura 2.16: Esquema do acoplamento trifsico. ___________________________ 43

Figura 3.1: Diagrama dos principais componentes de um canal de comunicao

OPLAT. __________________________________________________________ 48

Figura 3.2: Curvas de atenuao tpicas para linhas areas operando em condies

de tempo bom. _____________________________________________________ 49

Figura 3.3: Nveis mdios de rudo tpicos para linhas de 230kV. ______________ 51

Figura 4.1: Nvel de recepo do enlace OPLAT para tempo ruim. _____________ 56

Figura 4.2: Relao sinal-rudo do enlace OPLAT para tempo ruim. ____________ 57


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LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1: Valores tpicos de perda em cabo coaxial de 50

. ________________ 16Tabela 2.2: Fatores de correo de atenuao em funo dos arranjos de

acoplamento. ______________________________________________________ 32

Tabela 2.3: Fatores de correo de atenuao em funo do nmero de

transposies. _____________________________________________________ 32

Tabela 2.4: Fatores de correo do rudo para diferentes nveis de tenso. ______ 35

Tabela 2.5: Valores tpicos de impedncia caracterstica de linhas de transmisso

areas. ___________________________________________________________ 37


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LISTA DE ABREVIATURAS / SIGLAS

Termo Descrio

AM Amplitude Modulation Modulao em Amplitude

cw Continuous Wave Onda contnua

DSB-SC Double SideBand with Supressed

Carrier

Banda lateral dupla com portadora

suprimida

LT Linha de Transmisso

OPLAT Ondas Portadoras em Linhas deAlta Tenso

PAM Pulse Amplitude Modulation Modulao por amplitude de pulso

PLC Power Line Communications Comunicao em linha de potncia

PPM Pulse Position Modulation Modulao por posio de pulso

PWM Pulse Width Modulation Modulao por largura de pulso

SNR Signal to noise ratio Relao Sinal-Rudo

TPC Transformador de Potencial

Capacitivo


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LISTA DE SMBOLOS

Simbologia Descrio

Atenuao do sinal antes da sua chegada ao receptor em tempobom

Atenuao do sinal antes da sua chegada ao receptor em temporuim

Atenuao do sistema Largura de banda Capacitncia Correo de acoplamento Distncia entre condutores

Condutncia

Corrente eltrica

Nmero imaginrio

Indutncia Perda por acoplamento da bobina de bloqueio no receptor Perda por acoplamento da bobina de bloqueio no transmissor Perda por acoplamento da caixa de sintonia no receptor Perda por acoplamento da caixa de sintonia no transmissor Perda por acoplamento do transformador de potencial capacitivono receptor

Perda por acoplamento do transformador de potencial capacitivono transmissor

Perda na linha de transmisso Perda na linha de transmisso para tempo ruim Potncia de recepo Nvel do sinal antes da sua chegada ao receptor para tempo bom

Nvel do sinal antes da sua chegada ao receptor para tempo ruim

Perda por transposio


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Potncia de transmisso Raio do condutor

Resistncia do condutor

Nvel de rudo para tempo bom Nvel de rudo para tempo ruim Receptor Relao sinal-rudo para tempo bom

Relao sinal-rudo para tempo ruim Tempo

Transmissor

Tenso

Frequncia angular da portadora Frequncia ressonante Impedncia caracterstica da linha de transmisso Reatncia capacitiva Reatncia indutiva

Impedncia equivalente

Sinal modulado em DSB-SC


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SUMRIO

CAPTULO 1.INTRODUO _________________________________________ 11

1.1. OBJETIVOS DO TRABALHO ................................................................... 11

1.2. METODOLOGIA UTILIZADA ................................................................... 12

1.3. ORGANIZAO DO TRABALHO ............................................................ 12

CAPTULO 2.REFERNCIAL TERICO ________________________________ 13

2.1. COMPONENTES DE UM SISTEMA DE COMUNICAO OPLAT ......... 13

2.1.1. Equipamentos terminais de transmisso e recepo ..................... 15

2.1.2. Cabo coaxial .................................................................................. 15

2.1.3. Capacitor de acoplamento ............................................................. 16

2.1.4. Unidade de sintonia ....................................................................... 18

2.1.5. Bobina de bloqueio ........................................................................ 21

2.2. SISTEMA DE COMUNICAO ................................................................ 23

2.2.1. Elementos de um sistema de comunicao ................................... 24

2.2.2. Modos de operao de um canal de transmisso .......................... 25

2.3. MODULAO .......................................................................................... 26

2.3.1. Modulao DSB-SC ....................................................................... 26

2.3.2. Demodulao DSB-SC .................................................................. 29

2.4. CARACTERSTICAS DAS LINHAS DE TRANSMISSO ......................... 29

2.4.1. Atenuao ...................................................................................... 30

2.4.2. Distoro ........................................................................................ 32

2.4.3. Interferncia ................................................................................... 33

2.4.4. Rudo ............................................................................................. 33

2.4.5. Impedncia caracterstica .............................................................. 35


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2.5. SISTEMA DE TELEPROTEO ATRAVS DE ONDAS PORTADORAS

EM LINHAS DE ALTA TENSO ......................................................................... 37

2.5.1. Esquemas de proteo .................................................................. 39

2.5.2. Configuraes de acoplamento ..................................................... 40

CAPTULO 3.CLCULO DO DESEMPENHO DOS SINAIS DE UM SISTEMA DE

TELEPROTEO OPLAT ____________________________________________ 45

3.1. DADOS TCNICOS COMERCIAIS DOS EQUIPAMENTOS ................... 45

3.2. CLCULO DO NVEL DE RECEPO .................................................... 47

3.3. RESULTADO DOS CLCULOS DO NVEL DE RECEPO .................. 50

3.4. CLCULO DO RUDO E DA RELAO SINAL-RUDO .......................... 51

3.5. RESULTADO DO CLCULO DA RELAO SINAL-RUDO ................... 52

CAPTULO 4.ANLISE DOS RESULTADOS _____________________________ 54

4.1. ANLISE DOS RESULTADOS PARA CONDIO DE TEMPO BOM ..... 54

4.2. ANLISE DOS RESULTADOS PARA CONDIO DE TEMPO RUIM .... 54

CAPTULO 5.CONCLUSO __________________________________________ 58REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS _____________________________________ 59


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CAPTULO 1. INTRODUO

A utilizao de ondas portadoras em linhas de transmisso teve inicio nadcada de 1920 [1]. As linhas de alta tenso, alm da transmisso da energia

eltrica, transmitem vrios tipos de sinais comunicao, como voz, dados e sinais de

teleproteo, de controle e de medio. Esses sinais de comunicao so

transmitidos juntamente com a energia eltrica, sem que haja interferncia mtua,

para prover as necessidades de comunicaes internas das concessionrias de

gerao, transmisso e distribuio de energia eltrica. Diante dessa situao,

empresas de telecomunicaes buscam fazer parcerias com concessionrias deenergia eltrica com o objetivo de tambm utilizar as linhas de alta tenso para

transmisso de seus sinais [1].

Os sinais de comunicao de Ondas Portadoras em Linhas de Alta Tenso

(OPLAT) permitem o monitoramento constante e, consequentemente, um melhor

controle da prpria linha de transmisso. Essa soluo tambm permite que as

subestaes estejam interligadas entre si, formando uma grande rede de

comunicao, viabilizando a operao do sistema de forma remota [1].

1.1. OBJETIVOS DO TRABALHO

O trabalho tem por objetivo analisar o nvel de recepo do sistema de ondas

portadoras em linhas de alta tenso, atravs do clculo da potncia de recepo e

da relao sinal-rudo e realizar uma comparao entre os resultados encontrados

para a condio de tempo ruim e de tempo bom.

Ser realizada uma reviso bibliogrfica com o objetivo de aplicar os

conceitos e teorias adquiridas durante o curso, bem como familiarizar-se com o

Sistema de Teleproteo OPLAT frequentemente utilizado por concessionrias de

gerao, transmisso e distribuio de energia eltrica.


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1.2. METODOLOGIA UTILIZADA

Para o desenvolvimento do trabalho foi realizada uma ampla pesquisabibliogrfica sobre os itens pertencentes ao assunto em apostilas, livros, normas,

projetos e artigos, a fim de reunir informaes relevantes ao tema. Depois de

selecionado os contedos relevantes, foram apresentadas as descries das

principais caractersticas de um sistema de ondas portadoras em linhas de alta

tenso, bem como das principais caractersticas das linhas de transmisso que

atuam sobre o desempenho dos sinais de teleproteo.

Aps a descrio do sistema procurou-se mostrar as equaes necessrias

para realizao do clculo do desempenho dos sinais de onda portadora e os fatores

que interferem nas perdas desses sinais em linhas de transmisso. Em seguida foi

apresentado um exemplo de clculo de desempenho com o objetivo de comparar os

resultados numricos encontrados para duas condies de tempo. Os dados

necessrios para o clculo foram obtidos a partir de um projeto para implantao de

um sistema OPLAT associado linha de transmisso Ibicoara Brumado.

1.3. ORGANIZAO DO TRABALHO

Este trabalho est organizado em cinco captulos. No captulo 2 esto

reunidos todos os conceitos necessrios ao entendimento do trabalho, apresentando

informaes sobre o Sistema de Teleproteo OPLAT e seus principais

componentes e sobre as caractersticas das linhas de transmisso que influenciam

no desempenho do sistema. Ainda no mesmo captulo so apresentados osconceitos bsicos de um sistema de comunicao assim como das tcnicas de

modulao e de demodulao.

O captulo 3 descreve o roteiro para o clculo da potncia de recepo e da

relao sinal-rudo de um sistema de onda portadora, mostrando as equaes e

consideraes que devem ser feitas para o projeto. J no captulo 4, os resultados

para tempo bom e tempo ruim, obtidos atravs dos clculos, so analisados e

comparados. No captulo 5 apresentada a concluso do trabalho.


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CAPTULO 2. REFERNCIAL TERICO

Neste captulo esto reunidos todos os conceitos necessrios aoentendimento do trabalho, apresentando, primeiramente, informaes sobre o

Sistema de Comunicao OPLAT e seus principais componentes. Em seguida so

apresentados os conceitos bsicos de um sistema de comunicao assim como das

tcnicas de modulao e de demodulao. Ser feita uma descrio das principais

caractersticas das linhas de transmisso que influenciam no desempenho do

sistema em questo. E, por fim, ser feita uma breve descrio do sistema de

Teleproteo OPLAT.

2.1. COMPONENTES DE UM SISTEMA DE COMUNICAO

OPLAT

Os fatores mais importantes, do ponto de vista da segurana, a seremconsiderados quando se deseja conectar equipamentos de comunicao a uma rede

de energia eltrica devem ser: isolao, proteo contra descargas atmosfricas e

efeitos de fenmenos transitrios. Pois, os equipamentos destinados comunicao

esto sujeitos a arcos eltricos, to comum de ocorrer em altas voltagens, a

faiscamentos e a outros fenmenos que podem provocar efeitos danosos.

Do ponto de vista do desempenho, o caminho construdo para a transmisso

do sinal de comunicao deve ser suficientemente eficiente para garantir aqualidade de servio. Deve haver um percurso adequado propagao da

frequncia portadora, evitando perdas indevidas nos sinais de alta frequncia, e ao

mesmo tempo, reduzir as influncias causadas pelos equipamentos existentes na

subestao. Torna-se necessrio, portanto, a utilizao de alguns equipamentos

destinados a permitir o acoplamento dos transceptores e isolao de alta tenso,

alm de garantir o casamento de impedncia.

Nesse contexto, so utilizados para a conexo linha de alta tenso, alm do

prprio equipamento de onda portadora (normalmente denominado de Carrier),


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outros trs dispositivos: capacitor de acoplamento, caixa de sintonia e bobina de

bloqueio. Esses equipamentos tm, entre outras funes, a finalidade de manter o

sinal de onda portadora passando atravs da linha de transmisso, impedindo que o

sinal de teleproteo chegue aos equipamentos da subestao. Ao mesmo tempo,

esses dispositivos impedem que a energia proveniente da subestao alcance o

equipamento Carrier.

O esquema da figura 2.1 mostra os elementos bsicos de um canal de

comunicao por onda portadora em linha de transmisso.

Figura 2.1: Diagrama dos principais componentes de um canal de comunicao OPLAT [1].

O sinal de onda portadora, gerado pelo Equipamento de Onda Portadora em

uma subestao, passa pela Caixa de Sintonia e pelo Capacitor de Acoplamento e

percorre toda a Linha de Transmisso at atingir a outra subestao, onde passa

novamente pelo Capacitor de Acoplamento e pela Caixa de Sintonia at atingir o

Equipamento Carrier.

As funes e particularidades dos componentes presentes na figura 2.1 so

apresentadas a seguir.


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2.1.1. Equipamentos terminais de transmisso e recepo

Os transmissores e receptores de onda portadora so normalmente montadosem um bastidor na sala de controle da subestao. Esses equipamentos devem ser

ligados as unidades de sintonia que ficam localizadas no ptio da subestao, junto

aos capacitores de acoplamento, portanto, h uma longa distancia a ser vencida.

Isso obriga que a conexo entre transmissores/receptores e unidades de sintonia

seja feita por meio de cabos coaxiais providos de blindagem. Esses minimizam a

interferncia sobre o sinal da portadora causada por rudos eletromagnticos, tais

como o efeito corona, presentes no ambiente da subestao.

O sistema a ser analisado nas prximas sees utiliza um equipamento de

fabricao Siemens, modelo PowerLink para a transmisso de sinais de

Teleproteo em conjunto com sinais de voz e dados. O equipamento PowerLink

fornece um canal bidirecional (transmisso/recepo) de dados de teleproteo, com

modulao em amplitude, utilizando a tcnica DSB-SC, descrita na prxima seo.

2.1.2. Cabo coaxial

Cabos coaxiais so usados para conectar os equipamentos Carrier,

localizados na sala de controle da subestao, s unidades de sintonia, instaladas

no ptio da subestao. So tambm utilizados para, quando necessrio, realizar

a interconexo entre unidades de sintonia separadas por longas distncias, para

garantir conexes de baixa impedncia, para conseguir uma baixa perda na

conexo.A malha de cobre deve ser aterrada apenas no terminal de

transmisso/recepo, ou em apenas uma terminao de uma conexo entre

unidades de sintonia. Isto feito para evitar transferncias de potencial perigosas

durante eventos de falhas [3].

A atenuao do cabo coaxial depende do comprimento do mesmo e da

frequncia utilizada. A seguir apresentada a tabela 2.1, tpica de perda (dB/Km)

em um cabo coaxial de 50 Ohms, de acordo com a frequncia de operao.


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Tabela 2.1: Valores tpicos de perda em cabo coaxial de 50[3].

Frequncia [KHZ] Perdas [dB/Km]

30 1,25

50 1,44

100 1,80

150 2,17

200 2,53

300 2,95

2.1.3. Capacitor de acoplamento

O capacitor de acoplamento apresenta uma baixa impedncia frequncia da

portadora e bloqueia a corrente frequncia de 60Hz oferecendo a ela um caminhode alta impedncia. Ele usado como parte do circuito de sintonia, em conjunto com

a unidade de sintonia, estando ligado diretamente linha de transmisso, evitando

influncias da frequncia da rede de energia nos equipamentos Carrier.

Embora sejam fabricados capacitores de acoplamento dedicados

exclusivamente a este objetivo, normalmente utilizado o Transformador de

Potencial Capacitivo (TPC). O TPC tambm tem com funo fornecer a alimentao

para a fonte de tenso dos sistemas auxiliares da subestao (125Vcc/250Vcc),para operar rels de proteo, lmpadas indicadoras de alarmes, etc. [3]. Valores

caractersticos da capacitncia nominal do TPC encontram-se entre 2000pF e

20000pF [1].

O TPC formado por um invlucro de porcelana no interior do qual se alojam

vrios capacitores conectados em srie, com uma extremidade na parte superior e

outra na base. O topo conectado a LT e a base Terra, na base esta contida a

conexo para ondas portadoras, sistemas de medio e proteo [3]. A figura 2.2 um TPC tpico.


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Figura 2.2: TPC - Transformador de Potencial Capacitivo.

Porm, o capacitor de acoplamento s pode desempenhar bem a sua funo

de oferecer um caminho de baixa impedncia frequncia da portadora quando

utilizado em conjunto com a bobina de drenagem, como mostra a figura 2.3.

Figura 2.3: Combinao do capacitor de acoplamento com a bobina de drenagem [3].


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Para que o potencial no ponto X seja baixo, necessrio que haja um

caminho para a terra. Porm, para que o sinal de onda portadora no circule terra

ligada a base do capacitor de acoplamento uma bobina de drenagem, projetada

para ter uma indutncia que exibir uma baixa impedncia frequncia industrial e

uma alta impedncia a frequncia da portadora.

Para evitar que eventuais sobretenses, durante transitrios da linha de

transmisso, danifiquem os equipamentos existes conectado em paralelo com a

bobina de drenagem uma unidade protetora. Tal unidade deve consistir de uma

chave de aterramento e de um gap de proteo, cujo objetivo evitar que grandes

quantidades de energia em altas frequncias atinjam a caixa de sintonia, j que a

bobina de drenagem oferece alta impedncia a essas frequncias. A chave deaterramento usada para proteo de pessoal durante testes e manuteno.

O condutor conhecido como lead-in usado para conectar a unidade de

sintonia ao capacitor de acoplamento, de acordo com a figura 2.3. Deve-se utilizar,

para este fim, um cabo condutor simples isolado. Como este cabo une dois pontos

de alta impedncia que formam o circuito LC ressonante em srie, o seu efeito de

capacitncia terra e a corrente de fuga por condutncia afetaria o desempenho

global de circuito j que o cabo passaria a comportar-se como um capacitor,originando a perda do sinal para a terra. Assim, recomenda-se que seja utilizado um

cabo com tenso de isolao alta o suficiente para manter alguma rigidez.

2.1.4. Unidade de sintonia

A unidade de sintonia, ou caixa de sintonia, tem por finalidade evitarinterferncias e rudos, alm de proteger o terminal de Carrierdas sobretenses e

sobrecorrentes provenientes de alta tenso. Tambm tem como funo permitir a

realizao do casamento de impedncia entre o Carrier e a linha de alta tenso,

resultando assim em uma melhor eficincia na transmisso do sinal.

Os equipamentos terminais de Ondas Portadoras so fabricados de forma

que entre os terminais de sada ou de entrada, linha de transmisso (LT),

apresentam uma impedncia de 50 ou de 75. Por isso a necessidade docasamento de impedncia com a LT atravs do sintonizador de linha (unidade de


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sintonia) para linhas de transmisso de 500kV e 230kV, 250 e 400,

respectivamente.

A combinao da caixa de sintonia com o capacitor de acoplamento fornece

um caminho de baixa impedncia para o sinal da portadora pela formao de um

circuito ressonante srie, sintonizado na frequncia da portadora. O indutor da caixa

de sintonia ajusta-se de tal forma, que a sua reatncia indutiva igual reatncia capacitiva para a frequncia central da faixa de passagem daportadora. Desta forma, se obtm um circuito LC ressonante em srie, apresentado

na figura 2.4, de uma impedncia alta para a frequncia de 60Hz.

Figura 2.4: Circuito LC srie.

O circuito LC srie estar em ressonncia quando = , matematicamentetemos:

= (2.1) = 1 (2.2)

Onde:L = valor da indutncia

C = valor da capacitncia

A impedncia equivalente :

= + (2.3)

LC


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= + 1 (2.4)

Analisando a equao 2.4 podemos concluir que:

0 = (2.5) = (2.6)

Quando 0 a impedncia equivalente muito alta, o circuitopraticamente comporta-se como um circuito aberto. Quando = a frequnciaressonante dada pela equao 2.7, nesse caso o circuito apresenta uma baixa

impedncia para a frequncia ressonante, como mostrado na figura 2.5.

= 1 (2.7)

Figura 2.5: Curva caracterstica do filtro LC srie.


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2.1.5. Bobina de bloqueio

As bobinas de bloqueio tm a finalidade de confinar o sinal de onda portadorano interior da linha de transmisso, impedindo que o sinal de teleproteo chegue

aos equipamentos da subestao. Elas so localizadas nos terminais da linha a ser

protegida, possuindo uma baixa impedncia para a frequncia industrial e alta

impedncia para a frequncia da onda portadora. A bobina de bloqueio conectada

em srie com a linha de transmisso. A figura 2.6 mostra uma bobina de bloqueio

ligada ao TPC.

Figura 2.6: Bobina de bloqueio e Capacitor de acoplamento.

Outra importante funo da bobina de bloqueio insensibilizar o sinal da

portadora a mudanas na impedncia do barramento da subestao, tornando-o

mais independente das condies de chaveamento que modificam as configuraes

operativas do sistema.

O arranjo bsico de uma bobina de bloqueio constitudo por um circuito LC

paralelo, conforme figura 2.7, que apresenta uma alta impedncia ao sinal da

portadora. Por isso o circuito instalado em srie com a linha de transmisso, entre

a sada do barramento da subestao e o capacitor de acoplamento, forando o

sinal da portadora a se propagar na direo do terminal remoto da linha.


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Figura 2.7: Circuito LC paralelo.

Quando numa frequncia determinada as reatncias indutiva e capacitiva so

iguais = diz-se que o circuito est em ressonncia ou sintonizado nestafrequncia chamada frequncia ressonante.

A impedncia equivalente //: = // = . + (2.8)

Substituindo definidos pelas equaes 2.1 e 2.2, respectivamente,encontramos:

= . 1 + 1 (2.9)

=

+ 1

(2.10)

Analisando a equao 2.10, teremos:

0 = 0 (2.11)

= 0 (2.12)

L

C


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Quando 0 a impedncia equivalente nula. Quando = a frequncia ressonante dada pela equao 2.13, nesse caso o circuito apresenta

uma alta impedncia para a frequncia ressonante. Enquanto que para frequncias

baixas ou altas praticamente no apresenta nenhuma impedncia, como mostrado

na figura 2.8.

= 1 (2.13)

Figura 2.8: Curva caracterstica do filtro LC paralelo.

A bobina de bloqueio (LC em paralelo) e o capacitor de acoplamento junto

com caixa de sintonia (LC srie) esto sintonizados na faixa de frequncia que se

deseja transmitir a onda portadora na linha de alta tenso.

Valores tpicos da indutncia de uma bobina de bloqueio encontram-se na

faixa entre 0.1mH a 2mH, com correntes nominais entre 400A a 4000A [3].

2.2. SISTEMA DE COMUNICAO

Comunicao o processo mediante o qual uma mensagem enviada por

um emissor, passa por meio de um determinado canal, e entendida por umreceptor. O sistema de comunicao a rede por meio da qual fluem informaes.


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Para que a informa

necessrio que ela sej

determinada de acordo

canal de comunicao

sinal analgico.

2.2.1. Ele

Definimos comu

transferida de um pontoH trs partes essenciai

canal de transmisso e

funo caracterstica.

TRANSMISSOR

A principal fun

comunicao desejadoalgumas operaes de

e importante destas ope

adiante.

CANAL DE TRA

Fonte Trans

o seja transferida atravs do meio

representada na forma de um sinal.

om o canal de comunicao a ser utiliz

nalgico a informao ser representa

entos de um sistema de comu

icao como o processo pelo qual

, denominado fonte, para outro pontos em um sistema de comunicao eltri

o receptor, conforme figura 2.9. Cada u

Figura 2.9: Elementos do sistema de comunica

do transmissor adequar o sinal de

u disponvel [6]. Para fins de transmissrocessamento do sinal devem ser efetu

raes a modulao, que ser descrit

SMISSO

issor Canal de

transmisso Receptor

24

de comunicao

A forma do sinal

do. No caso de um

da na forma de um

icao

uma informao

enominado destino.ca: o transmissor, o

desempenha uma

o.

ntrada ao canal de

o efetiva e eficiente,das. A mais comum

com detalhes mais

Destino


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O meio ou canal de transmisso a ligao entre o transmissor e o receptor,

cobrindo a distncia desde a fonte at o destino. O meio pode corresponder a um

par de fios, um cabo coaxial, uma linha de alta tenso, uma onda de rdio ou at

mesmo um enlace de fibra ptica. Porm independente do tipo, todos os canais de

comunicao envolvem perdas ou atenuao do sinal e contaminao por rudo.

Alm disso, o sinal de comunicao est sujeito a interfernciasque, por sua vez,

provocam mudanas na forma do sinal transmitido.

RECEPTOR

A funo do receptor extrair o sinal desejado do canal e fornec-lo ao

transdutor de sada. Visto que os sinais recebidos so, quase sempre, muito

pequenos, como resultados da atenuao sofrida no meio de transmisso, o

receptor dever possuir vrios estgios de amplificao.

Entretanto, a funo principal desempenhada pelo receptor a demodulao

(ou deteco), o inverso do processo de modulao do transmissor, que restaura o

sinal a uma forma semelhante ao original transmitido.

2.2.2. Modos de operao de um canal de transmisso

Um sistema de comunicao, quanto ao modo de transmisso das

informaes, pode ser classificado em:

Simplex o sistema possui apenas um sentido de transmisso, do

transmissor para o receptor, no sendo possvel o trfego na direo oposta(unidirecional);

Half-duplex - o sistema permite a transmisso do sinal em ambos os sentidos,

do transmissor para o receptor e do receptor para o transmissor, porm, uma

transmisso de cada vez; e

Full-duplex - o sistema permite a transmisso em ambos os sentidos

simultaneamente (bidirecional).


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26

2.3. MODULAO

Modulao o tratamento dado ao sinal que se quer transmitir, para melhor

adequ-lo ao canal desejado ou disponvel, atravs do uso de uma onda portadora.

Basicamente, a modulao um processo no qual algumas caractersticas de uma

forma de onda chamada de portadora so alteradas de acordo com as

caractersticas de outra forma de onda, denominado moduladora, que possui o sinal

a ser transmitido.

possvel identificar dois tipos bsicos de modulao de acordo com o tipo

de Onda Portadora:

Quando a portadora uma senide, diz-se que a modulao cw(do ingls:

Continuous Wave). A amplitude, fase ou frequncia da portadora varia

continuamente em funo da informao a ser transmitida. Ex.: AM, PM, FM

[4].

Quando a portadora um trem de pulsos diz-se que a modulao pulsada.

A amplitude, largura ou posio de um pulso da portadora varia em funo

das amostras da informao a ser transmitida. Ex.: PAM, PWM, PPM [4].

Tendo em vista que o objetivo principal deste trabalho no curso completo

sobre sinais e modulao, iremos apenas exemplificar um tipo de modulao em

amplitude, frequentemente utilizada em sistemas OPLAT, fazendo uma breve

descrio da Modulao em Amplitude com Portadora Suprimida, designada por

DSB-SC.

2.3.1. Modulao DSB-SC

A modulao designada em amplitude (AM, do ingls Amplitude Modulation)

quando a amplitude da portadora varia proporcional o sinal modulador (a

mensagem) [6].


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27

A tcnica da modulao DSB-SC consiste em multiplicar a mensagem a ser

transmitida pela portadora senoidal de frequncia angular igual a frequnciadesejada, dessa maneira, a forma do sinal modulante inalterada.

Seja o sinal modulante e c = c a portadora, definimos o sinalmodulado em DSB-SC como:

= .c (2.14)As formas de onda do sinal modulador, da portadora e do sinal modulado

(DSB-SC) so apresentadas na figura 2.10.


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28

(a)

(b)

(c)

Figura 2.10: (a) Sinal modulante (informao) (b) Forma de onda da portadora (c) Sinalmodulado em DSB-SC [4].


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Independente do tipo de portadora, onda contnua ou pulsada, a modulao

deve ser um processo reversvel, de modo que a mensagem possa ser recuperada

no receptor pela operao complementar chamada demodulao.

2.3.2. Demodulao DSB-SC

O processo de demodulao DSB-SC bastante complexo devido ausncia

da portadora, que deve ser restaurado no demodulador. A recuperao o sinal apartir do sinal modulado

, no receptor, requer a sua multiplicao por uma

senide de frequncia e fase exatamente iguais a da portadora.

No receptor temos:

.c= .c .c (2.15).c= . 1

2+ 1

2.c2 (2.16)

.c =12 + 12 .c2 (2.17)

Para restaurar o sinal original , a partir da equao 2.17, basta submetero sinal obtido a um filtro Passa-Baixas de largura de banda < < 2 [4],onde a frequncia do sinal original .

Os sistemas com portadora suprimida (DSB-SC) exigem a gerao da

portadora local no receptor com frequncia e fase corretas para a deteco

sncrona. Isto torna o circuito receptor complexo e caro [4].

2.4. CARACTERSTICAS DAS LINHAS DE TRANSMISSO

Na maioria dos casos as linhas de transmisso que ligam as usinas degerao com subestaes de transformao so areas. As tenses industriais das


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linhas so normalmente compreendidas entre 13.8kV e 500kV, embora existam

tambm linhas de transmisso operando valores mais elevados (750kV).

Ao longo da transmisso de um sinal ocorrem alguns efeitosindesejveis. Um deles a atenuao, que reduz a intensidade dosinal. Mais relevantes, entretanto, so a distoro, a interferncia e orudo, que aparecem como alteraes na forma do sinal original.Embora estas combinaes sejam introduzidas atravs de todo osistema, prtica comum e conveniente consider-las entrandoapenas no canal, tratando o transmissor e receptor como ideais [3].

Os parmetros usados para determinao das caractersticas da linha so

atenuao, distoro, interferncia, rudo e impedncia caracterstica. Tais

parmetros sero descrito nas sees seguintes.

2.4.1. Atenuao

A atenuao definida como a reduo da intensidade da energia ou da

potncia do sinal. Vrios fatores contribuem para as perdas de potncia dos sinais

de ondas portadoras em linhas de transmisso. As perdas crescem com o aumentoda frequncia pelo fato de serem basicamente causadas pela capacitncia paralela,

cuja impedncia torna-se menor para frequncias mais altas. A figura 2.11 apresenta

perdas tpicas para linhas de transmisso areas em condies de tempo bom, ou

seja, condies de tempo favorveis, baixa umidade.


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Figura 2.11: Curvas de atenuao tpicas para linhas areas operando em condies detempo bom [3].

As condies climticas adversas sempre aumentam a atenuao. Quando

gelo espesso se forma sobre o condutor de fase o efeito pelicular fora a corrente a

tentar se propagar pelo gelo. A presena de contaminantes sobre os isoladores

tambm aumenta a atenuao, principalmente quando associada umidade, sendoa pior situao quando se d sob chuva leve.

Para condies climticas adversas, quando a linha de transmisso est

submetida a geada, a chuva forte ou fraca ou, simplesmente, a alta umidade, os

valores apresentados na figura 2.11 devem ser acrescidos de 25% para linhas

operando em tenses iguais ou maiores que 230kV e de 50% para tenses abaixo

de 230kV [3]. A tabela 2.2 apresenta os fatores de correo em funo dos arranjos

de acoplamento mais comuns. A tabela 2.3 apresenta um mtodo para aplicarcorrees aos valores dados na figura 2.11 em funo do nmero de transposies

da linha.

Como a atenuao aumenta com a frequncia prefervel usar as

frequncias mais baixas nos enlaces destinados a interligar as maiores distncias

(250 km ou mais), e particularmente para os casos onde as linhas de transmisso

apresentem uma grande quantidade de transposies. Empregar as frequncias

mais baixas em linhas que iro operar em tenso mais elevadas, para melhorar arelao sinal-rudo (SNR).


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Tabela 2.2: Fatores de correo de atenuao em funo dos arranjos de acoplamento [3].

Tipos de acoplamento Comprimento > 80 km [dB]

Modo 3 0

Fase-Fase 2

Fase-Terra

Cabo guarda de Al ou Cu 3

Cabo guarda de ao 6

Inter-circuitos 5

Tabela 2.3: Fatores de correo de atenuao em funo do nmero de transposies [3].

Nmero de transposies Comprimento 160 km

[dB]

1 0 6

2 4 0 8

5 ou mais 0 10

2.4.2. Distoro

Tambm considerada como atenuao varivel no tempo, a distoro uma

alterao (modificao da forma original) do sinal, devido a uma resposta imperfeita

do sistema ao prprio sinal. Projetos de circuitos ou sistemas convenientes, ou redes

de compensao podem reduzir a distoro (equalizadores). Teoricamente,

possvel sua compensao perfeita. Na prtica, deve ser aceita alguma distoro,


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embora dependendo da utilizao do sistema de comunicao (voz, dados, imagem,

etc.), a distoro dever ter seus limites de aceitao.

A distoro inerente ao sinal de informao, s desaparecendo

completamente quando este anulado, diferente do rudo e da interferncia, como

ser apresentado nas sees seguintes.

2.4.3. Interferncia

A interferncia contaminao do sinal por outros sinais estranhos

(originados de outra fonte) normalmente sintetizados, de forma similar ao sinaldesejado. O problema muito comum em transmisses comerciais, onde dois ou

mais sinais podem ser captados ao mesmo tempo pelo receptor.

A soluo para o problema da interferncia eliminar o sinal interferente ou

sua fonte (extino do sinal). Novamente a soluo perfeita possvel na teoria, mas

nem sempre possvel na prtica.

2.4.4. Rudo

Por rudo, consideramos os sinais eltricos aleatrios ou imprevisveis que

no tm nenhum contedo de informao ou sinal til, provenientes de causas

naturais, tanto externos quanto internos ao sistema. Quando estas variaes

aleatrias so adicionadas a um sinal que contm informao, esta informao pode

ser parcialmente mascarada ou totalmente eliminada, dependendo do fator relao

sinal-rudo (SNR). A relao sinal-rudo expressa o quanto o nvel do sinal superior

ao nvel do rudo, por isso quanto maior a SNR maior a imunidade do sinal com

relao ao rudo.

H dois tipos bsicos de rudos em linhas de transmisso: os contnuos, que

esto presentes o tempo todo, e os impulsivos, que aparecem em perodos curtos

de tempo. O rudo impulsivo composto de impulsos de grande amplitude e curta

durao, originado pela operao de disjuntores, seccionadores de linha e

descargas atmosfricas [3]. Apesar de ser temporrio, tem maior importncia, porque os picos dos impulsos ficam muito acima do nvel de rudo corona.


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O rudo errtico ou corona, presente durante todo o tempo, o resultado de

uma grande quantidade de descargas ao longo dos condutores da linha devido ao

acumulo de poeiras e fissuras nos isoladores. Aumentam quando as condies

dieltricas em torno dos condutores diminuem devido chuva, umidade, etc. [3].

O rudo um dos fatores que limita a distncia mxima de um enlace por

OPLAT, uma vez que o sinal da portadora diminui ( atenuado) com o aumento da

distncia do enlace, o rudo cresce em relao ao sinal. O sinal da portadora

recebido deve ser maior que o rudo, pois o efeito de uma SNR ruim pode provocar

uma atuao indevida do sistema de proteo, j que o receptor pode entender um

rudo como um comando da prpria proteo.

As condies climticas adversas alteram severamente o rudo nas linhasareas. O nvel de rudo em clima ruim pode ficar at 30dB acima do rudo

observado em tempo bom. A figura 2.12 mostra nveis mdios de rudo tpicos em

condies de clima bom e ruim para linhas de 230kV e uma faixa de frequncia de

30 a 300 kHz.

Figura 2.12: Nveis mdios de rudo tpicos para linhas de 230kV [3].

Podem-se utilizar fatores de correo, de acordo com a tabela 2.4, a fim de

determinar os nveis de rudo em outros nveis de tenso. No clculo da SNR

importante levar em conta a largura de banda do canal.


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A frmula geral para o fator de correo do rudo, em funo da largura de

banda do canal, dada pela equao 2.18 [3].

= 10g 3000 (2.18)Onde BW a largura de banda do canal em Hz.

Tabela 2.4: Fatores de correo do rudo para diferentes nveis de tenso [3].

Tenso [KV] Fator de Correo [dB]

66 - 115 - 8

138 161 - 4

230 0

345 + 2

500 + 5

765 + 12

2.4.5. Impedncia caracterstica

Um dado bastante empregado para especificar um cabo de transmisso de

sinais a sua impedncia caracterstica. A falta de simetria e homogeneidade daslinhas de transmisso, no permite a determinao precisa dos valores de

impedncia caracterstica. Os valores de impedncia que apresentam uma linha em

um determinado ponto variam em funo da frequncia do sinal. Enquanto que os

valores de impedncia que apresentam uma linha em vrios de seus pontos a uma

frequncia determinada, variam em funo da distncia [3].

Nos tratados de linhas de transmisso uniforme de comprimento infinito, em

que no h ondas refletidas, a relao entre a tenso e a corrente em qualquer

ponto da linha uma constante [3], chamada impedncia caracterstica, a qualdepende de certos parmetros conforme equao 2.19.


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=

= +

+ (2.19)

Onde: V: tenso

I: corrente

R: resistncia

G: condutncia

L: indutncia

C: capacitncia

Como na prtica as reatncias so muito maiores que a resistncia e a

condutncia, a equao 2.19 pode ser aproximada por:

= (2.20)

H uma pequena variao da impedncia caracterstica com linhas

empregadas para diferentes voltagens. Porque tanto o raio do condutor, r, quanto a

distancia entre condutores, D, cresce com o aumento da tenso de operao da

linha, matematicamente, esta variao proporcional ao logaritmo da relao do

espaamento entre condutores e o raio dos mesmos, de acordo com a equao 2.21

[3]. De maneira genrica, ambas as variveis (D e r) so elevadas para linha com

alta tenso, nesse caso podero ser obtidos valores menores para

.

= 276g (2.21)

O valor da impedncia, segundo a qual os terminais e o equipamento de

acoplamento devero ser conectados deve atender a um mnimo casamento. Para

maximizar a transferncia de potencia, a unidade de sintonia deve casar a

impedncia do equipamento de transmisso com a impedncia caracterstica da

linha.


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As linhas de transmisso comerciais so comumente designadas por valores

definidos de impedncia caracterstica. A tabela 2.5 apresenta o intervalo de valores

que podero ser esperados para diversas espcies de linhas de transmisso.

Tabela 2.5: Valores tpicos de impedncia caracterstica de linhas de transmisso areas [3].

Condutor de linhas detransmisso (cada fase)

Impednciacaracterstica []

Fase-terra Fase-fase

Simples 350-500 650-800

Dois fios 250-400 500-600

Quatro fios 200-350 420-500

Normalmente, as linhas de 230KV e de 500KV tm respectivamente para

efeito de clculo 400 e 250 [3]. As linhas de transmisso para voltagens

menores, isto , 13,8KV, 69KV, etc., apresentam, ordinariamente, condutores de

menor dimetro, o que se estabelecem resistncias mais elevadas e maiores valoresde atenuao por unidade de comprimento; j as linhas de transmisso destinadas

ao intervalo de 300KV 750KV usualmente empregam condutores mltiplos por

fase, ou dimetros de maior valor, ocorrendo resistncias menores para frequncias

portadoras.

2.5. SISTEMA DE TELEPROTEO ATRAVS DE ONDASPORTADORAS EM LINHAS DE ALTA TENSO

Os sistemas de comunicao que utilizam como meio fsico as linhas de

transmisso de energia, injetando nelas sinais senoidais de frequncias muito

superiores a industrial so chamados usualmente de PLC, abreviatura da expresso

Power Line Carrier (do ingls, Portadora em Linha de Potncia), no so novidade.

Eles vm sendo utilizados a mais de 100 anos em diversas aplicaes.


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Figura 2.13: Transmisso do sinal de alta tenso e do sinal de comunicao da teleproteo [1].

2.5.1. Esquemas de proteo

A determinao e localizao rpida de um defeito em uma linha de

transmisso permite realizar a abertura instantnea e simultnea de todos os

disjuntores da alimentao da linha danificada. Desta forma consegue-se que a

deteriorao produzida no ponto da falha seja mnima, permitindo o religamento

automtico dos disjuntores [3]. So utilizados dois tipos bsicos de esquemas de

proteo com canais de comunicao OPLAT. Ambos tm uma caracterstica

comum no referente a forma de atuao, pois a presena ou ausncia de umsinal de teleproteo transmitido atravs do canal de comunicao que define a

operao do sistema de proteo.

Se a abertura dos disjuntores bloqueada pela transmisso do sinal de

teleproteo, o esquema se denomina Esquema de bloqueio. Quando a presena

do sinal de teleproteo o que determina abertura dos disjuntores, o esquema

denominado Esquema de disparo ou trip.

Como o sinal que definir o bloqueio ou a abertura dos disjuntores se propagapela prpria linha de transmisso que se pretende proteger, no existe a completa

segurana de que o sinal gerado num terminal alcanar o oposto quando o defeito

se apresente na seo de linha a ser percorrida pelo sinal. Por este motivo, a

utilizao de ondas portadoras em linhas de alta tenso recomendada para ser

usada, preferencialmente, em esquema de bloqueio, pois, nesta condio a linha

est intacta para a transmisso de sinal de teleproteo.


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O acoplamento dos equipamentos terminais linha de transmisso pode ser

feito a uma, a duas ou a trs fases. A escolha entre um tipo ou outro depende de

caractersticas tcnicas e econmicas, conforme discriminadas a seguir.

2.5.2. Configuraes de acoplamento

O emprego dos equipamentos destinados ao acoplamento do Carrier

linha de potncia possibilita diversos arranjos, tendo em vista que a linha de

transmisso um sistema trifsico (A,B,C). Alm do que entre duas

subestaes poder existir mais de uma LT interligando-as. Existem quatro

configuraes bsicas de acoplamento que so acoplamento fase-terra, fase-

fase, inter-circuitos e trifsico. As caractersticas desses tipos de acoplamento

so descritas a seguir.

ACOPLAMENTO FASE-TERRA

Nesse arranjo os equipamentos terminais so conectados entre uma fase da

linha de transmisso e a terra da subestao, conforme figura 2.14. Esse tipo de

acoplamento necessita apenas de uma bobina de bloqueio, um capacitor de

acoplamento e um grupo de sintonia em cada extremo da linha de transmisso,

fazendo com que esse esquema tenha um baixo custo de implantao. No entanto,

apresenta altos valores de atenuao e baixa segurana, considerando a

probabilidade de ocorrer um curto-circuito para a terra na fase de acoplamento.Principalmente devido s vantagens econmicas, os acoplamentos fase terra podem

ser empregados nos locais onde a confiabilidade, na presena das faltas de linha,

no requisito essencial.


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Figura 2.14: Esquema do acoplamento fase-terra [3].

A experincia demonstra que as perdas so menores se o acoplamento

feito no condutor central da linha de transmisso no lugar das laterais, devido ao

balanceamento em relao aos outros dois condutores [3].

ACOPLAMENTO FASE-FASE

No acoplamento fase-fase o equipamento terminal conectado entre dois

condutores da linha de transmisso da forma representada na figura 2.15. Neste

caso so necessrias duas bobinas de bloqueio, dois capacitores de acoplamento e

dois grupos de sintonia, o que praticamente duplica o custo quando comparado aoacoplamento fase-terra. Porm, este tipo de acoplamento proporciona vantagens

importantes, incluindo menores atenuaes, maior segurana contra perdas de

comunicao no sistema OPLAT e menores interferncias.


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Figu

Seu uso justifi

quando um dos conduto

ACOPLAMENTO

Quando duas lin

estruturas de suporte,

mesmas subestaes,

realizar o equivalente a

circuito de modo a reali

apresenta a maior condi

Se um deles

automaticamente conve

pode aterrar uma das li

comunicao. No enta

vezes, em torno de 12d

ra 2.15: Esquema do acoplamento fase-fase [3].

cado quando se requer segurana n

es est em curto-circuito.

INTER-CIRCUITOS

as de transmisso so paralelas e pe

u quando no esto na mesma estru

possvel utilizar uma fase de cada

um acoplamento fase-fase, ou ainda

ar o acoplamento duplo fase-fase, send

o de segurana e o maior custo.

curto-circuitado ou aberto, o

rtido em fase-terra. Isto apresenta a v

has ou mesmo retir-la de servio sem

to, ocorre um aumento da atenua

[3].

42

operao mesmo

correm as mesmas

tura interligando as

circuito de modo a

uas fases de cada

o este ltimo, o que

acoplamento fica

ntagem de que se

perder o enlace de

, chegando muitas


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ACOPLAMENTO MODO 3 (trifsico)

Neste tipo de acoplamento, o equipamento terminal conectado s trs fases

da linha de transmisso de acordo com a figura 2.8. O acoplamento em modo 3 o

que produz menor atenuao e reduz interferncias [3]. Devido ao alto custo de

implantao, j que necessita de trs conjuntos acoplamento, s utilizado em

enlaces crticos ou em linhas extremamente longas de tenso 750kV. Usando este

acoplamento muito improvvel que um defeito seja capaz de cancelar totalmente o

sinal se apresente simultaneamente nas trs fases de uma linha de transmisso.

Como as trs fases so utilizadas para transmitir o sinal, existe redundncia ese obtm um desempenho melhor que nas configuraes anteriores. O rompimento

ou a ocorrncia de um curto-circuito em um dos cabos coaxiais no ocasionar

perda do sinal. Nesse caso, o sistema fica automaticamente transformado em

acoplamento fase-fase, dessa forma a atenuao aumenta.

Figura 2.16: Esquema do acoplamento trifsico [3].


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O captulo a seguir descreve o roteiro para o clculo da potncia de recepo

e da relao sinal-rudo de um sistema de onda portadora, mostrando as equaes e

consideraes que devem ser feitas para o clculo do desempenho do sistema.


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CAPTULO 3. CLCULO DO DESEMPENHO DOS SINAIS

DE UM SISTEMA DE TELEPROTEO OPLAT

Vrios fatores afetam o desempenho de um canal de comunicao OPLAT.

Para uma operao confivel do canal necessrio obter duas condies: que o

nvel de sinal no terminal remoto seja superior sensibilidade do receptor e que a

relao sinal rudo (SNR) esteja, consideravelmente, acima do mnimo aceitvel para

a aplicao [3]. Dessa forma o receptor poder fazer uma descriminao correta da

informao transmitida.

Nesse captulo ser analisado o nvel de recepo e a relao sinal-rudo do

sistema de ondas portadoras da linha de transmisso Ibicoara Brumado de 230kV.

A anlise ser feita atravs do clculo matemtico da potncia de recepo e da

relao sinal-rudo considerando os principais fatores que interferem no

desempenho dos sinais de onda portadora em linhas de transmisso.

Em seguida ser realizada uma comparao entre os resultados obtidos para

a condio de tempo ruim e de tempo bom. Se ambos os requisitos citados forem

atingidos, pode-se dizer que o canal de comunicao confivel.

3.1. DADOS TCNICOS COMERCIAIS DOS EQUIPAMENTOS

Nesta seo so apresentados os dados tcnicos comerciais dos

equipamentos utilizados para conectar equipamentos de comunicao a uma rede eenergia eltrica. So apresentadas, a seguir, as informaes relevantes ao clculo

do desempenho do canal de comunicao OPLAT. Os dados apresentados foram

obtidos a partir de um projeto para implantao de um sistema OPLAT associado

linha de transmisso Ibicoara Brumado.


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EQUIPAMENTO OPLAT

Fabricante: Siemens

Modelo: PowerLinkPotncia de transmisso: 29,8 dBm

Impedncia: 75

O Equipamento OPLAT possui uma sensibilidade de -32,0dBm na recepo

[2]. Isso significa que o nvel mnimo de potncia do sinal de onda portadora que o

receptor poder constatar de -32,0dBm, um sinal com o nvel de potncia menor o

receptor no ir detectar.

BOBINA DE BLOQUEIO

Fabricante: Alstom

Indutncia nominal: 0,2 mH

Corrente nominal: 1250 A

Perda de insero mxima: 2,5 dB 10%

CAPACITOR DE ACOPLAMENTO

Transformador de potencial capacitivo 230 kV

Capacitncia total: 4500 pF

Tenso nominal primria: 230/3kVTenso nominal secundria: 66,4 kV e 110,66 kVPerda de insero mxima: 0,5 dB 10%

CAIXA DE SINTONIA

Impedncia nominal primria: 240 a 320

Impedncia nominal secundria: 75 a 125

Capacitncia de acoplamento: 1,5 nF a 20 nF

Faixa de passagem: 40 kHz a 500 kHz

Perda de insero mxima: 2 dB 10%


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A perda de insero mxima a perda mxima no acoplamento do

equipamento a linha de transmisso. Para o clculo do desempenho utiliza-se esse

valor crtico, pois nesses casos sempre se considera o pior caso.

3.2. CLCULO DO NVEL DE RECEPO

Nesta seo so apresentados os clculos da potncia de recepo de um

sistema de onda portadora. Os clculos so realizados para as condies de tempobom (clima seco) e ruim (clima mido, com chuva ou sem chuva). Os parmetros

utilizados foram obtidos com base em especificaes tcnicas de um projeto para

implantao de um sistema OPLAT associado linha de transmisso Ibicoara

Brumado.

Seja o diagrama de uma linha de transmisso conforme figura 3.1. Para

efetuar os clculos os seguintes dados da linha de alta tenso so necessrios:

Tenso nominal: 230 kV;

Distncia entre as subestaes: 95 km;

Dimetro do condutor 27 mm;

Nmero de condutores por fase: 1;

Nmero de transposies: 0;

Frequncia da portadora: 144 kHz;

Configurao do acoplamento: Fase-fase.


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Figura 3.1: Diagrama dos principais componentes de um canal de comunicao OPLAT [1].

De posse destes dados, a potncia de recepo pode ser calculada da forma

mostrada na equao 3.1.

= (3.1)Onde a potncia de recepo, a potncia de transmisso e a

atenuao do sistema. Esta ltima uma composio das perdas presentes no

sistema, de acordo com a equao 3.2.

= + + + + + + + + (3.2)Onde a perda na linha de transmisso, a perda por

transposio, a correo de acoplamento, a perda por acoplamento dabobina de bloqueio,

a perda por acoplamento da caixa de sintonia e

a perda por acoplamento do transformador de potencial capacitivo. Como osdispositivos de acoplamento so conectados nos dois extremos da linha de


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transmisso, as perdas por acoplamento existem tanto no Transmissor () quantono Receptor (.

As perdas na linha de transmisso podem ser obtidas analisando as curvas

de atenuao tpicas, de acordo com a figura 3.2. Ao se observar a curva de 230kV

para a frequncia de 144kHz, obtm-se um valor de atenuao de 0,09dB/milhas

correspondendo a 0,056dB/km. Para uma linha de 95 km, tem-se uma atenuao de

5,34dB.

Figura 3.2: Curvas de atenuao tpicas para linhas areas operando em condies de tempobom [3].

Nesse caso, as perdas por transposio no sero consideradas, pois o

enlace no possui transposies. J a correo de acoplamento pode ser definida

atravs da tabela 2.2, apresentada na seo 2.4, onde verificamos que a correopara o acoplamento do tipo Fase-Fase de 2dB.

Os valores das perdas por acoplamento utilizados no clculo esto de acordo

com as especificaes tcnicas dos equipamentos de acoplamento apresentadas na

seo 3.1. A utilizao do valor mximo justificada porque sempre so

considerados os valores crticos para os clculos de desempenho de canais de

comunicao.

Considerando a influncia das condies climticas no desempenho dossinais de onda portadora nas linhas de transmisso, o valor da atenuao para uma


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linha de 230kV para tempo ruim deve ser corrigido acrescentando 25% ao valor da

atenuao encontrado para tempo bom. Portanto, utilizando o fator de correo de

1,25, a atenuao da linha de transmisso para tempo ruim assume o valor

aproximado de 6,67dB.

3.3. RESULTADO DOS CLCULOS DO NVEL DE RECEPO

De acordo com a equao 3.2, tem-se o seguinte resultado para atenuao

do sistema para a condio de tempo bom:

= 5,34 + 0 + 2 + 2,5 + 2 + 0,5 + 2,5 + 2 + 0,5 = 17,34 (3.3)Assim, a potncia de recepo obtida de acordo com a expresso 3.1.

= 29,8 17,34 = 12,46 (3.4)

De forma anloga, para a situao de tempo ruim, tem-se o seguinte

resultado para atenuao do sistema:

= 6,67 + 0 + 2 + 2,5 + 2 + 0,5 + 2,5 + 2 + 0,5 = 18,67 (3.5)Consequentemente, a potncia de recepo ter o seguinte nvel:

= 29,8 18,67 = 11,13 (3.6)O segundo critrio que interfere no desempenho do sistema OPLAT a

relao sinal-rudo a ser definida a seguir.


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3.4. CLCULO DO RUDO E DA RELAO SINAL-RUDO

Os nveis de rudo para tempo bom e tempo ruim podem ser obtidos atravsda figura 2.11, apresentada na seo 2.4. Os nveis de rudo extrados a partir da

figura 3.3 para as duas situaes so:

= 35 (3.7) = 19 (3.8)

Figura 3.3: Nveis mdios de rudo tpicos para linhas de 230kV [3].

O valor da atenuao do sinal da portadora antes da sua chegada no ponto

de recepo pode ser determinado de acordo com a equao 3.9 e os valores para

os nveis de recepo para tempo bom so obtidos atravs da equao 3.10.

= + + + + + (3.9)

= (3.10)


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onde a atenuao do sinal antes da sua chegada ao receptor e o nvel do sinal antes da sua chegada ao receptor ambos paratempo bom.

Analogamente, o valor da atenuao e a intensidade do nvel de recepo

para tempo ruim obtido atravs das equaes 3.11 e 3.12, respectivamente.

= + + + + + (3.11) = (3.12)

onde a atenuao do sinal antes da sua chegada ao receptor, a perda na linha de transmisso para tempo ruim e onvel do sinal antes da sua chegada ao receptor para tempo ruim.

Os valores de relao sinal-rudo (SNR) so obtidos para as condies de

tempo bom e ruim, respectivamente, de acordo com as equaes 3.13 e 3.14.

= (3.13) = (3.14)

3.5. RESULTADO DO CLCULO DA RELAO SINAL-RUDO

Calculando o valor da atenuao do sinal da portadora antes da sua chegada

ao ponto de recepo de acordo com a equao 3.9, encontramos:

= 5,34 + 0 + 2 + 2,5 + 2 + 0,5 = 12,34 (3.15)O valor para o nvel do sinal antes da sua chegada ao receptor para tempo

bom obtido atravs da equao 3.10.


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= 29,8 12,34 = 17,46 (3.16)O valor da atenuao e do nvel do sinal antes da sua chegada ao receptor

para tempo ruim obtido atravs das equaes 3.11 e 3.12, respectivamente, foi:

= 6,67 + 0 + 2 + 2,5 + 2 + 0,5 = 13,67 (3.17) = 29,8 13,67 = 16,13 (3.18)

Por fim, os valores da relao sinal-rudo (SNR) para tempo bom e para

tempo ruim, calculados de acordo com as equaes 3.9 e 3.10, utilizando os valores

definidos nas equaes 3.3 e 3.4, so apresentados a seguir:

= 17,46 35 = 52,46 = 16,13 19= 35,13


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CAPTULO 4. ANLISE DOS RESULTADOS

4.1. ANLISE DOS RESULTADOS PARA CONDIO DE

TEMPO BOM

O valor do nvel de recepo da portadora do sistema OPLAT calculado para

condies de tempo bom foi de 12,46dBm, para uma potncia de transmisso de

29,8dBm. Nestes clculos sempre so consideradas as piores condies. A

atenuao da linha para condies de tempo bom foi considerada de 5,34dB, parauma linha de transmisso de 95 km.

A perda por acoplamento da caixa de sintonia, do capacitor de acoplamento e

da bobina de bloqueio nos clculos foi considerada 5dB no transmissor e 5dB no

receptor, totalizando 10dB. possvel notar que a perda por acoplamento tem o

maior peso no clculo da atenuao do sinal da portadora.

O nvel de rudo, para a condio de tempo bom em uma linha de 230kV

obtido atravs da figura 3.3 foi de -35dBm. Portanto, a relao sinal-rudo paratempo bom encontrada foi 52,46dB.

Como, a nvel de projeto, a anlise do desempenho do sistema sempre feita

considerando as piores situaes, faremos uma anlise mais detalhada dos

resultados obtidos para condies climticas adversa comparando com os

resultados encontrados para clima bom.

4.2. ANLISE DOS RESULTADOS PARA CONDIO DE

TEMPO RUIM

Os valores calculados para condio de tempo bom e de tempo ruim

apresentaram resultados prximos no que se refere atenuao da potncia do

sinal da onda portadora. O valor do nvel de recepo da portadora do sistema

OPLAT calculado para condies de tempo rum foi de 11,13dBm, para uma potncia

de transmisso de 29,8dBm. Esses valores demonstram a existncia de uma grande


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margem de potncia disponvel para o sinal da portadora. Isso ocorre porque o

sistema OPLAT superdimensionado, para garantir a segurana do sistema eltrico

de potncia.

A atenuao da linha de transmisso para condies de tempo ruim assume o

valor aproximado de 6,67dB. possvel observar que a diferena entre o valor da

atenuao para tempo bom e o valor para tempo ruim de, aproximadamente,

1,3dB.

As perdas por acoplamento mantm o mesmo valor do considerado para

tempo bom, j que foi considerada, a critrio de clculo matemtico, a perda mxima

apresentada nas especificaes tcnicas dos equipamentos de acoplamento.

Finalmente cabe mencionar a relao sinal-rudo um fator de extremaimportncia a ser considerado ao implantar um sistema OPLAT. O resultado dos

clculos mostrou que o nvel de rudo aumenta bastante em condies de tempo

adversas. O nvel de rudo, para a condio de tempo ruim em uma linha de 230kV

obtido atravs da figura 3.3 foi de -19dBm. Portanto, a relao sinal-rudo para

tempo ruim encontrada foi 35,13dB menor que o valor encontrado para tempo bom,

como esperado. Isso significa que a razo entre a potncia do sinal no receptor e o

nvel do rudo, nas condies adversas, menor do que na condio de tempo bom. considervel como aceitvel, para critrio de projeto, uma relao sinal-

rudo da ordem de 15dB para sinais de teleproteo [2], portanto verifica-se a

existncia de margem disponvel para o enlace de onda portadora.

A figura 4.1 apresenta um grfico do desempenho do sistema de ondas

portadoras com relao ao nvel de recepo do sinal da portadora em condies de

tempo adversas. Desta forma possvel visualizar a existncia de margem de

potncia disponvel para o enlace OPLAT.Na figura 4.2 apresentado o grfico do desempenho do sistema OPLAT com

o resultado da relao sinal-rudo do enlace na condio de tempo ruim. De acordo

com o grfico tambm possvel visualizar a existncia de margem de potncia

disponvel para o enlace OPLAT.


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Figura 4.1: Nvel de recepo do enlace OPLAT para tempo ruim.


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Figura 4.2: Relao sinal-rudo do enlace OPLAT para tempo ruim.

Diante da grande margem de potncia disponvel para o enlace de

teleproteo podemos concluir que o sistema OPLAT superdimensionado.

importante salientar que esse que esse superdimensionamento no aumenta o custo

de implantao do sistema. O fato que o sistema OPLAT uma soluo para a

comunicao entre localidades muito distantes, sendo essa uma das principais

vantagens desta tcnica quando comparada, por exemplo, aos sistemas de

comunicao digital.

Os novos sistemas digitais permitem fazer uma utilizao mais eficiente da

largura de banda, enquanto que os sistemas tradicionais de PLC analgicos tm

vantagens quando as condies de transmisso no so as ideais, principalmente

quando a relao sinal-rudo baixa.


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CAPTULO 5. CONCLUSO

Onda portadora uma soluo bastante econmica para fornecer um nmeropequeno de canais de comunicao para longas distncias. Exemplos prticos j

implementados com essas solues confirmam suas vantagens prticas, tcnicas e

econmicas [5]. Tendo em vista que a distncia sobre a qual o sistema precisa

operar, praticamente, no interfere nos custos de instalao. Apenas a potncia do

transmissor deve ser determinada de acordo com a distncia de transmisso, por

isso o uso da palavra praticamente. Porm, onda portadora suscetvel aos rudos

da linha de transmisso e tem que operar numa faixa limitada do espectro defrequncia.

Diante dos resultados obtidos atravs do clculo matemtico do nvel de

recepo do sinal e da relao sinal-rudo possvel concluir que o desempenho do

sistema considerado satisfatrio. A existncia de uma grande margem do nvel de

potncia e da relao sinal-rudo disponvel garante o correto funcionamento do

sistema de teleproteo, possibilitando o correto gerenciamento dos centros de

gerao e transmisso de energia.Desta forma conclui-se que a utilizao ondas portadoras em linhas de alta

tenso para a transmisso de sinais de teleproteo entre subestaes uma

soluo eficiente. Porm, essencial levar em considerao a distncia do sistema,

as perdas por atenuao e por acoplamento, a frequncia de operao e os nveis

de rudo para tempo ruim no momento de definir a potencia do transmissor.

Apesar de existir uma tendncia de que redes digitais de comunicao de

dados via fibras pticas venham a substituir os tradicionais sistemas OPLAT, esses

sistemas permanecem em uso e continuaro sendo uma alternativa de comunicao

para diversas aplicaes, principalmente quelas aplicaes de longas distncias,

em que a utilizao de cabos de fibra ptica seja, tcnica ou economicamente,

invivel.


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REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] ADAMI, J. F.; SILVEIRA, P. M.; PARENTONI, M. F. C.; DALLBELLO, A. C.

Modelagem e Simulao de um Sistema de Ondas Portadoras atravs do

Simulink/Matlab. Universidade Federal de Itajub UNIFEI. Centrais Eltricas

Matogrossenses S.A. CEMAT.

[2] CHESF. Sistema de Teleproteo OPLAT 230kV Projeto Executivo. Recife,

2009.

[3] CORDEIRO, L. Curo bsico de ondas portadoras. Recife, 1985.

[4] LAMAR, M. V. Captulo 2 Modulao em Amplitude. Paran: Universidade

Federal do Paran, Dep. de Engenharia Eltrica. Apostila.[5] MURATA, M. M.; FERREIRA, A. E. Vantagens dos Servios Convergentes

sobre Linhas de Alta Tenso. Inc: XIII ERIAC Dcimo Terceiro Encontro

Regional Iberoamericano do Cigr, 2009, Puerto Iguaz.

[6] SAKANE, F. T. Princpios de Telecomunicaes I - ELE-31 Notas de aula.

So Jos dos Campos, SP: Instituto Tecnolgico de Aeronutica ITA, 1997.

Apostila.

Documents

Cálculo de Desempenho Teleproteção Oplat