Monitoramento de subestações e linhas de transmissão

fev, 2014

Edição 96 – Janeiro de 2014
Aula prática: Sistemas de controle
Por Carlos Alexandre Nascimento, Altair de Melo, Giovani Souza, Caio Andrade, João Batista Rosolem, Fabio Bassan, Fernando Pereira, Rivael Penze, Claudio Floridia, Ariovaldo Leonardi, Glauco Simões, Danilo Dini e Claudio Hortêncio*

Sistemas de monitoramento e diagnóstico online para apoio à operação em subestações e linhas de transmissão por meio do uso de tecnologia puramente ótica como elemento sensor e transmissor das informações

Um sistema de energia em alta tensão, composto por subestações e linhas aéreas de transmissão, deve ser trabalhado como um ambiente eletromagnético extremamente complexo por sua própria natureza. Devido à complexidade eletromagnética do ambiente das subestações e das linhas aéreas, os elementos de sensoriamento, controle e seu meio de transmissão devem oferecer imunidade à alta tensão, à radiointerferência, a campos magnéticos, a descargas atmosféricas e a pulsos eletromagnéticos, bem como não causar riscos de explosão. Fato é que não é trivial ficar imune a essas interferências quando a tecnologia tradicional por meio de sistemas eletroeletrônicos é utilizada.

Devido à sua intrínseca imunidade a todos os fatores adversos citados, a fibra ótica
apresenta-se como a melhor opção para a função de sensoriamento em sistemas de alta tensão. Além de se consistir em um meio de transmissão imune a interferências eletromagnéticas, com alta largura de banda e baixa perda de transmissão, a fibra ótica pode também transmitir energia na forma ótica após conversão para energia elétrica, na alimentação de sensores ou circuitos de telecomando com tecnologia tradicional. Por este motivo, nos projetos descritos a seguir, a Companhia Energética de Minas Gerais (Cemig) e o Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações (CPqD) adotaram essa tecnologia nos projetos de sensoriamento e foram financiados pelo programa de P&D da Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel).

Sistema de Monitoramento de Chaves Seccionadoras (SOMCS)

O SOMCS tem dois objetivos: (i) determinar o estado operacional e (ii) a qualidade do contato elétrico da chave. Foram utilizadas duas técnicas óticas: alimentação por fibra (FP) e ótica de espaço livre (FSO). A técnica FP utiliza sensores eletrônicos alimentados oticamente por uma fibra ótica e que também é usada para transportar os sinais digitais dos sensores. Por meio da técnica FP é possível utilizar, por exemplo, câmeras de vídeo ou outros circuitos complexos conectados a microprocessadores, eliminando-se, portanto, o uso de baterias que são elementos que apresentam problemas de vida útil, principalmente em ambientes agressivos. Além disso, o meio de comunicação é feito exclusivamente pelas próprias fibras óticas. Por outro lado, a técnica FSO permite a transmissão de um sinal ótico pelo ar por meio do uso de dois elementos terminais, isolados fisicamente, que colimam o feixe de luz chamado de colimadores. Por meio dessa técnica é possível a leitura de sinais óticos de sensores, por exemplo, com isolação infinita, que é um dos obstáculos a serem vencidos para a expansão de uso da tecnologia de sensoriamento ótico na alta tensão.

Sistema Ótico de Monitoramento de Linhas Aéreas por Câmeras Alimentadas por Fibra Ótica (Somlac)

O objetivo desse sistema é demonstrar o uso de uma câmera de vídeo remota para monitoração de invasões de áreas de segurança de linhas de transmissão. A câmera é fixada em uma torre da linha de transmissão (LT) e a transmissão do sinal de vídeo é feita por uma fibra ótica pertencente a um condutor OPGW (Optical Ground Wire) que faz parte desta LT.

Para aumentar a confiabilidade e a praticidade do uso desta câmera, instalada em um local de difícil acesso, ela é exclusivamente alimentada oticamente pela fibra usada para a transmissão de vídeo, isto é, similiar ao descrito para o sistema SOMCS.

Sistema de Monitoramento de Temperatura Distribuída (SMTD)

Com o objetivo de melhorar a segurança e o desempenho das linhas de transmissão, as empresas deste setor têm investido em sistemas que permitam monitorar o carregamento e a integridade de condutores em tempo real. As técnicas convencionais de monitoração são baseadas em sensores eletrônicos que monitoram alguns pontos da linha. É sabido que são requeridas medições ao longo de grandes extensões de linhas provenientes de pontos distantes daquele em que os sensores convencionais estão posicionados. No entanto, somente por meio dos sensores convencionais é inviável economicamente atender tal requisito. Nesse contexto, a técnica do efeito não linear Raman em fibras óticas foi desenvolvida. Esta técnica viabiliza a medição de variações térmicas ao longo de grandes extensões de condutores na ordem de quilômetros.

Sistema de Monitoramento de Deformação Distribuída (SMDD)

Esta técnica baseia-se no efeito não linear Brillouin e pode ser utilizada na monitoração ótica de deformação mecânica de condutores de linhas de transmissão aéreas ou grandes estruturas físicas, tais como barragens e pontes que contenham no seu interior fibras óticas incorporadas ou implantadas ao longo de seu exterior.

Descrição dos sistemas de sensoriamento

Sistema Ótico de Monitoramento de Chaves Seccionadoras (SOMCS)

Um dos grandes desafios dos sistemas de transmissão e distribuição de energia elétrica é garantir o correto funcionamento dos dispositivos para a adequada utilização da infraestrutura dedicada à transmissão e à distribuição, bem como para aqueles responsáveis pela segurança do serviço de fornecimento de energia e de seus operadores. Dentre estes dispositivos encontram-se as chaves seccionadoras, responsáveis por isolar partes da planta elétrica, principalmente em casos de manutenção.

É conhecido da literatura que a resistência do contato de chaves seccionadoras depende da força mecânica aplicada para manter os contatos. Uma menor força aplicada ou uma irregularidade da conexão da chave provoca aumento da resistência elétrica do contato e, consequentemente, aumento da temperatura nos contatos, o que prejudica a transmissão de energia e a perda da vida útil dos próprios co

ntatos.

Algumas propostas de sistemas de sensoriamento de chaves seccionadoras usando técnicas óticas foram propostas (ver referências), porém, em nenhuma delas a qualidade do contato elétrico da conexão é monitorada. O sistema de sensoriamento de chaves seccionadoras de acionamento vertical desenvolvido neste projeto tem dois objetivos: determinar o estado operacional e a qualidade do contato elétrico da chave. Este sistema é de caráter inovador e resultou em pedido de patente BR 10 2012 0307577, depositado no INPI.

Para atingir estes objetivos estão sendo utilizadas as duas técnicas óticas previamente comentadas, ou seja, Free Space Optics e Fiber Powering. A Figura 1 (a) mostra a concepção de uma unidade DMChS (Dispositivo de Monitoração de Chaves Secionadoras) que é responsável pela monitoração da chave. Na primeira técnica, um feixe de luz com comprimento de onda apropriado é direcionado para o braço da chave por meio de um colimador ótico, fixo na unidade remota. Um espelho fixado na superfície inferior do braço da chave reflete o feixe de luz na direção de uma matriz de sensores optoeletrônicos posicionada na unidade remota. Como a matriz com os sensores optoeletrônicos apresenta dezenas de elementos, cada elemento se correlaciona com um ângulo do braço da chave em relação a uma posição horizontal de referência. Esta referência é uma posição de encaixe perfeito dos contatos.  Desta forma, o parâmetro qualidade do contato depende desse ângulo ou da distância D, mostrada na Figura 1 (a) e (b), entre a posição do contato elétrico do braço da chave e a posição ideal deste contato.

De uma forma indireta, o sistema também aponta para a situação específica da chave quando ela estiver totalmente desconectada. A utilização da microcâmera de vídeo como uma segunda técnica para observação da imagem da conexão da chave amplia suas informações por permitir uma avaliação visual, em tempo real e de forma remota. Com a finalidade de aumentar o grau de qualidade da avaliação, é possível utilizar-se de outros sensores no lugar da câmera vídeo, tais como, câmeras térmicas ou termômetros de infravermelho ou em conjunto com esta para aumentar o grau da qualidade da avaliação. Na unidade remota, DMChS, os dados dos diversos elementos da matriz de sensores optoeletrônicos e de vídeo são levados a um microprocessador que converte este sinal e que possibilita uma melhor qualidade na transmissão do sinal de vídeo e uma boa imunidade a ruídos de amplitude. A transmissão do sinal ótico Psg (sinal composto de vídeo analógico mais dados digitais) é feita de forma sequencial por meio de um diodo laser (LD) no circuito de transmissão de fibra ótica (Tx).

Na parte do circuito de recepção (Rx) da unidade remota, um conversor fotovoltaico (PV) de GaAs (Arseneto de Gálio) apropriado para uso com fibras óticas recebe o sinal ótico de alimentação e, durante alguns milissegundos, o mesmo sinal pode, a critério do operador do sistema, transmitir um sinal de controle para a DMChS. Isto é feito por meio da transmissão de pulsos rápidos a partir da unidade de controle com códigos de comando previamente definidos. O uso da técnica de alimentação pela fibra ótica permite uma isolação elétrica e galvânica total do DMChS imune a ruídos externos, por meio da alimentação elétrica de chaves seccionadoras sem requerer alimentação elétrica comercial.


Figura 1 – (a) Concepção da unidade remota de sensoriamento responsável pela monitoração da chave seccionadora vertical e (b) Ilustração de possíveis contatos elétricos de má qualidade e da melhor posição da chave seccionadora vertical.

A Figura 2 ilustra o sistema completo de monitoração da chave seccionadora. Uma unidade remota DMChS é requerida para cada fase. Estas unidades são posicionadas na parte inferior de cada unidade da chave seccionadora que se deseja monitorar. A alimentação e o comando de cada DMChS são feitos por meio de uma fonte de luz de alta potência incorporada na unidade de controle do sistema que fica instalada na sala controle da subestação. Um divisor de potência (splitter) conectado por meio de fibras óticas de 105 microns de núcleo e 125 microns de casca à fonte de alta potência divide a potência da fonte que é da ordem de
4 W em partes iguais para cada uma das unidades DMChS. A informação do contato da chave obtida pelo DMChS, que pode ser tanto o sinal de imagem quanto um sinal de dados, é transmitida por cada unidade DMChS e levada por uma fibra idêntica à primeira até um segundo splitter que junta as informações a serem detectadas de cada DMChS em um receptor ótico na unidade de controle. No entanto, essa topologia permite a coleta de dados de apenas um sensor de cada vez, pois o caminho ótico após o splitter é único e não pode haver sobreposição de dados.

O sinal de imagem enviado por cada unidade remota, ao chegar ao receptor da unidade base, é convertido de frequência modulada para o padrão NTSC e em seguida é encapsulado em pacotes no padrão Ethernet. O sinal de dados é também encapsulado por um microprocessador em pacotes no padrão Ethernet. A escolha da imagem de DMChS a ser visualizada é feita na central de monitoração da CEMIG por opção do operador.


Figura 2 – Sistema completo de monitoração das três fases de uma chave seccionadora.

A transmissão dos dados de cada DMChS escolhido é realizada em um intervalo de poucos milissegundos por meio da interrupção do sinal de vídeo. Todas as informações monitoradas das chaves seccionadoras obtidas pelos DMChS são levadas até a central de monitoração da Cemig por meio da rede de dados. Trabalhos futuros de desenvolvimento deverão possibilitar o sistema de sensoriamento também controlar a operação de chaves secionadoras remotamente. A Figura 3(a) mostra detalhes do DMChS e a Figura 3(b) mostra uma visão simulada do DMChS posicionado abaixo do braço da chave seccionadora.


Figura 3(a) Concepção do DMChS e (b) Ilustração do posicionamento do DMChS abaixo do braço da chave seccionadora.

Sistema Ótico de Monitoramento de Linhas Aérea

s por Câmeras Alimentadas por Fibra Ótica (SOMLAC)

A motivação principal do desenvolvimento do SOMLAC é devido à preocupação das concessionárias de energia elétrica com as constantes invasões em faixas de segurança de linhas de transmissão. Estas invasões ocorrem com o objetivo de construção de moradias em geral de baixo custo ao longo da faixa de segurança das linhas de transmissão. A Figura 4 ilustra a concepção do SOMLAC.


Figura 4 – Concepção do SOMLAC.

O objetivo desta proposta é demonstrar o uso de uma câmera de vídeo remota para monitoração de invasões de áreas de segurança de linhas de transmissão. A câmera é fixada em uma torre da LT e a transmissão do sinal de vídeo é feita por uma fibra ótica pertencente a um condutor OPGW (Optical Ground Wire) que faz parte desta LT. Para aumentar a confiabilidade e praticidade do uso desta câmera instalada em um local de difícil acesso, ela é alimentada oticamente pela fibra usada para a transmissão de vídeo, não sendo necessário o uso de painel solar, baterias e links de rádio suscetíveis ao vandalismo por meio da tecnologia convencional.

A fonte ótica deste sinal de alimentação fica instalada em uma subestação mais próxima da mesma forma que o descrito para o sistema SOMCS. Na parte do circuito de recepção (Rx) da unidade remota diferente do sistema SOMCS utiliza-se um conversor fotovoltaico (PV) de InP (Fosfeto de Índio) apropriado para uso com fibras óticas monomodo que recebe o sinal ótico de alimentação Pal no comprimento de onda de 1470 nm. Este sistema permite a transmissão por até 10 km de enlace ótico. A Figura 5 mostra um diagrama da câmera remota do SOMLAC.


Figura 5 – Concepção da câmera remota do SOMLAC.

A transmissão de vídeo da microcâmera do SOMLAC é feita aplicando modulação do tipo FM no sinal de vídeo. Com isso, obtêm-se uma margem de potência de 12 dB (cerca de 50 km de fibra ótica) de variação de potência ótica de transmissão sem prejuízo na qualidade da imagem. Dessa forma, o sensor poderia ser instalado em locais com diferentes distâncias sem necessidade de ajuste da intensidade do sinal recebido, devido ao fato de a modulação FM retirar o sinal de vídeo NTSC como subportadora transmitida pelo laser. Em relação ao consumo de corrente, os circuitos eletrônicos do SOMLAC apresentaram consumo inferior a 0,5 W de potência ótica para sua operação completa, de forma a possibilitar o uso da técnica de alimentação pela fibra ótica.

Sistema de Monitoramento de Temperatura Distribuída (SMTD) e Sistema de Monitoramento de Deformação Distribuída (SMDD)

As técnicas convencionais de monitoração são baseadas em sensores eletrônicos que monitoram poucos pontos ao longo de uma linha de transmissão. É sabido que, em diversos casos, as ocorrências medidas são provenientes de pontos distantes daqueles em que os sensores estão posicionados, no entanto, com sensores convencionais não é possível precisar o local em que determinado evento ocorreu. A técnica SMTD baseia-se na monitoração ótica de efeitos não lineares que são sensíveis a variações de temperatura e da deformação mecânica que ocorrem no interior de fibras óticas incorporadas ao condutor ou implantadas ao longo de seu exterior.

Devido às diversas aplicações possíveis dos sensores distribuídos à fibra ótica, dois tipos de sistemas de sensoriamento têm sido constantemente abordados, são eles: sensor distribuído de temperatura e o sensor distribuído de temperatura e deformação mecânica. Por serem imunes às interferências eletromagnéticas e fornecerem medições confiáveis às fibras óticas, constituem em um meio ideal para uso em ambientes de alta tensão.

Para que sejam detectados os diferentes parâmetros medidos, utiliza-se de efeitos provenientes da interação da luz com as moléculas que constituem a fibra ótica. Dessa interação são gerados novos comprimentos de onda, os quais são sensíveis às variações de temperatura e estresse mecânico ocorridos no interior da fibra ótica.

Utilizando-se de equipamento adequado gera-se espalhamento Raman, por exemplo, que é sensível às variações da temperatura do meio da seguinte forma. O aumento de temperatura do meio ocasiona um acréscimo de intensidade nos comprimentos de onda gerados, proporcional ao aumento da temperatura.

Assim, o sensoriamento é realizado por meio do monitoramento da intensidade Raman ao longo da fibra ótica. Por outro lado, a detecção de deformação mecânica é realizada por meio da geração de espalhamento Brillouin, cujo comprimento de onda gerado é sensível às variações de deformação mecânica no meio. Dessa forma, para realizar as medições de deformação, monitora-se o comprimento de onda em que o espalhamento Brillouin é gerado e sua intensidade. A Figura 6(a) mostra os espectros dos comprimentos de onda gerados pelos efeitos Raman e Brillouin a partir de um sinal de bombeio. É mostrado também o espectro do espalhamento Rayleigh que coincide com o comprimento de onda de bombeio. Um dos grandes diferenciais dos sensores distribuídos baseados em fibras óticas é a sua capacidade de informar a posição em que o evento de temperatura ou de deformação ocorreu. Para essa finalidade, é utilizada a técnica denominada reflectometria ótica no domínio do tempo, mas conhecida pela sigla a partir do nome em inglês OTDR. Um sistema OTDR opera de modo semelhante a um radar ótico, ou seja, um pulso de luz com tempo de duração conhecido é lançado em uma fibra ótica com extensão previamente estabelecida. À medida que o pulso de luz percorre a fibra ele sofre espalhamento que atinge o detector posicionado junto ao sistema que lançou o pulso ótico. Com o auxílio de um osciloscópio é possível medir o tempo transcorrido entre o envio de um pulso e a detecção da sua reflexão, este tempo está diretamente relacionado com espaço percorrido pelo pulso de luz, provendo assim a localização do evento.

Nas técnicas de sensoriamento distribuído, o interrogador, ou seja, o equipamento que envia e detecta sinais dos sensores desempenha papel-chave para a obtenção da informaçã

o desejada. Por essa razão, este sistema deve ser desenvolvido de modo dedicado para cada um dos eventos que se deseja medir. O interrogador do SMTD é composto basicamente pelos blocos: fonte elétrica, temporizador, osciloscópio e fonte de pulsos óticos e sistema de filtragem ótica, placa de aquisição de dados (osciloscópio) e interface de transmissão de dados, conforme representados esquematicamente na Figura 6(b)


Figura 6(a) Os espectros dos comprimentos de onda gerados pelos efeitos Raman e Brillouin e (b) Diagrama do interrogador do SMTD.

A Figura 7(a) mostra uma foto do equipamento interrogador do SMTD aberto e a Figura 7(b) traz um gráfico da medição de temperatura distribuída feita pelo SMTD. Para a realização desta medição um trecho de 10 km de fibra multimodo foi utilizado e no comprimento de aproximadamente 6 km foi inserido um trecho de 500 m de fibra que foi aquecido e também resfriado. Na Figura 7(b), as variações no sinal já parametrizado para temperatura podem ser observadas mostrando a temperatura distribuída ao longo da fibra. É parte integrante do interrogador o sistema de aquisição remota de dados por meio da comunicação Ethernet.


Figura 7(a) Interrogador do SMTD e (b) Gráfico de temperatura distribuída obtida pelo SMTD.

O interrogador SMDD foi obtido a partir da técnica conhecida como BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analysis). Esse interrogador é mais complexo do que aquele desenvolvido para o sensor de temperatura. É composto basicamente por uma fonte elétrica, sistema de dois lasers circulador ótico e receptor, conforme a Figura 8. A técnica BOTDA se diferencia pelo uso de dois lasers distintos que são inseridos cada um em uma das pontas de um lance de fibra ótica.


Figura 8 – Diagrama esquemático do interrogador do SMDD.

O sistema de lasers é composto por um gerador de pulsos óticos de alta potência, um laser de prova de emissão contínua e de baixa potência e um dispositivo utilizado para medir a diferença de comprimento de onda entre esses dois lasers e informá-la ao receptor, conforme representado na Figura 8. As medições SMDD fornecem dados de intensidade do efeito Brillouin em diversos comprimentos de fibra, para cada frequência de batimento promovida entre o laser de sintonia e a banda Stokes do espalhamento. Dessa forma, os dados obtidos dão origem a uma figura tridimensional que contempla essas três informações. A Figura 9(a) e a Figura 9(b) apresentam os resultado obtidos a partir das formas de onda medidas para duas situações distintas: (a) quando não há deformação aplicada e (b) quando há deformação aplicada de 0,17 e.


Figura 9(a) Sem deformação aplicada e (b) Deformação aplicada de 0,17 e.

Os mapas de intensidade devem ser analisados levando-se em conta a intensidade medida, a posição e valor da frequência associada. Na Figura 9(a), verificou-se um valor de intensidade elevado, ao longo de toda a extensão do lance de fibra para diferença de frequência de 10,88 GHz que corresponde à frequência ordinária do espalhamento Brillouin, o que leva a concluir que, nesse caso, não há tração aplicada no condutor.

Por outro lado, na Figura 9(b) verifica-se uma pequena região que apresenta um aumento súbito de intensidade quando a frequência de sintonia está entre 10,95 GHz e 11,00 GHz, demonstrando que esta região espacial do condutor está sujeita à tração mecânica. A frequência em que o espalhamento Brillouin apresenta seu máximo de intensidade se relaciona com a deformação mecânica aplicada e pode ser calibrada por meio de métodos próprios.

Conclusão

As pesquisas e desenvolvimentos realizados deram origem aos protótipos que se encontram em fase de teste de campo na Cemig. Todas as tecnologias foram validadas nos laboratórios do CPqD. Uma vez validados em campo, estes sistemas deverão passar para a fase de transformação em produtos por meio da participação da indústria nacional. As patentes foram solicitadas no INPI relativo a estes sistemas e dispositivos associados. Com os resultados obtidos até o presente momento, a tecnologia ótica mostra grandes vantagens técnicas para o monitoramento da alta tensão quando comparada às tecnologias convencionais.

Referências

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*Carlos Alexandre M do Nascimento é engenheiro, com doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Minhas Gerais em 2009. Atualmente é engenheiro de tecnologia e normalização da Cemig Distribuição S.A.

 

Altair Leôncio de Melo concluiu curso técnico em eletrotécnica. Atualmente é técnico industrial da Cemig Distribuição S.A.

Giovani Cezar Luiz Souza é graduado em Engenharia Elétrica pela Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais. Atualmente é técnico industrial da Cemig Distribuição S.A.

Caio Cesar Souza Andrade concluiu curso Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações pela PUC-MG. Atualmente presta serviço de Engenheiro de Telecomunicações para a Cemig.

João Batista Rosolem concluiu o doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade de São Paulo. Atualmente é pesquisador da Fundação Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações (CPqD).

Fabio Renato Bassan concluiu a graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Salesiana de São Paulo. Atualmente é engenheiro na Fundação Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações (CPqD).

Fernando Rocha Pereira é graduado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas. Atualmente é engenheiro na Fundação Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações (CPqD).

Rivael Strobel Penze é engenheiro, com mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas. É engenheiro de telecomunicações na Fundação Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações.

Ariovaldo Antonio Leonardi é formado como tecnólogo em eletrônica industrial pela Universidade Salesiano e trabalha na Fundação CPqD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento Telecomunicações.

Claudio Floridia concluiu o doutorado em Física pela Universidade Federal de Pernambuco em 2003. Atualmente é pesquisador da Fundação Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações (CPqD).

Glauco Cesar Crystal Pereira Simões é mestre em Engenharia Elétrica pela  Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), em 2011. Atualmente é pesquisador da Fundação Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações (CPqD).

Danilo César Dini é engenheiro, com mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) (1988).   Atualmente é pesquisador da Fundação Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações (CPqD).

Claudio Antonio Hortêncio é graduado em Tecnologia em eletrônica Industrial pela Universidade Salesiano (2001). Atualmente é pesquisador da Fundação Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações (CPqD).

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