Testes e Resultados Experimentais

Neste item estão resumidos os principais testes realizados desde a concepção do dispositivo até os testes realizados no momento da instalação do equipamento em campo.

• Primeira etapa de testes – Avaliação do comportamento do sinal induzido na antena devido à injeção de corrente impulsiva em um canal vertical próximo à antena

O trabalho [Naime, 2001] apresenta detalhadamente testes preliminares efetuados na antena proposta a fim de obter informações pertinentes que viessem a auxiliar no processo de construção do sistema de medição. O circuito de teste compreendeu o gerador de impulso do laboratório de alta tensão – LEAT (UFMG), uma cordoalha para simular o canal de descarga atmosférica e uma chapa metálica sobre o solo para simular o solo condutor perfeito. A figura 8.6 ilustra a disposição dos elementos envolvidos.

1

SRAM (Static Random Access Memory) – Memória estática de acesso aleatório. É um tipo de RAM que mantém armazenada a informação apenas quando é mantida a sua alimentação.

2

FPGA (Field Programmable Gate Array) – Conjunto de portas programáveis. É um tipo de circuito integrado programável.

3

Memória Flash – É uma memória não-volátil (que mantém os dados mesmo sem estar alimentada). Ela é caracterizada por permitir acesso rápido, baixo consumo de energia e apresentar pequenas dimensões.

Fig. 8.6 – Vista de cima dos elementos envolvidos nos testes preliminares da antena. Figura adaptada da referência [Naime, 2001].

Estes testes foram realizados a fim de se avaliar as seguintes relações:

(a) a relação inversa entre a tensão induzida e a distância horizontal entre o canal e a antena;

(b) a relação direta entre o pico da corrente injetada no canal e o pico da tensão induzida na antena;

(c) a relação esperada entre o valor de pico da tensão induzida e o ângulo ϕ (ângulo formado entre o plano da d-antena e a reta que une o canal ao ponto de observação) .

Nos resultados alcançados [Naime, 2001], verificou-se que a diferença média entre os valores da intensidade de corrente reconstituída a partir do sinal medido na antena e da corrente medida diretamente no canal de descarga foi próxima de 9%.

• Segunda etapa de testes – Comparação dos resultados obtidos com o protótipo do

dispositivo em aplicações em escala reduzida

Esta segunda etapa refere-se a testes realizados no protótipo, que incluiu além da antena o circuito analógico.

Testes preliminares foram realizados em laboratório para a medição de correntes impulsivas. Um modelo em escala reduzida foi utilizado a fim de se obter a mesma amplitude do sinal esperado em casos de incidências reais. Tal modelo considera baixa

amplitude de corrente e distâncias envolvidas menores. Nos experimentos, a corrente foi gerada por descarga do gerador de impulso, o canal de descarga foi representado por um condutor vertical longo e o solo condutor perfeito por uma placa de alumínio.

A figura 8.7 mostra a onda de corrente medida diretamente no canal experimental e a correspondente onda obtida diretamente do sinal analógico do dispositivo. A distância de observação foi de 0,5 m, enquanto em casos reais são esperadas distâncias de 15 a 30 m.

Tensão Induzida Corrente medida no canal Sinal de saída do circuito analógico 0 50 100 Tempo (µs) b 400 200 0 -200 -400 80 60 40 20 0 - 20 Cu rr en te ( A ) Te n são ( m V ) 0 100 Tempo (µs) a 0.6 0.4 0 - 0.2 Te n são ( V ) 0 100 Tempo (µs) c

Fig. 8.7 (a) Onda de Corrente medida no canal experimental, (b) Tensão Induzida na d-antena; (c) Onda de corrente reconstituída. Figura obtida da referência [Silvino et al, 2003].

A onda apresenta um tempo de frente de aproximadamente 5 µs (usualmente ela pode variar de 0,5 a 10 µs em correntes de descargas atmosféricas reais). Os resultados obtidos indicam que informações de frente de onda, valor de pico e tempo de cauda podem ser extraídas do sinal reconstituído com precisão satisfatória para fins de comparação aos valores indicados pelo LLS.

• Terceira etapa de testes – Comparação dos resultados obtidos com o dispositivo na sua

versão atual em aplicações em escala reduzida

Com base nas análises dos resultados de testes efetuados no equipamento, diversas implementações e melhorias foram sendo efetuadas, conferindo assim maior robustez ao funcionamento do equipamento. Antes de uma unidade ser instalada em campo, a mesma é submetida a uma rotina de testes de medição de correntes impulsivas, novamente em aplicações em escala reduzida, utilizando o Laboratório de Alta Tensão (LEAT).

Neste ciclo, são efetuados testes onde se observa a resposta do dispositivo para diferentes níveis de amplitude de correntes injetadas no canal e diferentes distâncias de observação.

A seguir é mostrado um exemplo de resultado do teste efetuado no equipamento. O esquema do circuito para a injeção de corrente impulsiva está apresentada na figura 8.8. A medição direta foi realizada através da queda de tensão sobre um shunt de valor 0,05 ohms.

Fig. 8.8 Circuito utilizado para a injeção de corrente impulsiva. Medição realizada através de um resistor shunt de valor 0,05 ohms.

A figura 8.9 mostra a onda de corrente medida diretamente no canal de descarga e o sinal medido pelo dispositivo, que no caso específico estava posicionado a uma distância de 30 cm do canal experimental.

O sinal do dispositivo passou por um filtro não-causal de sexta ordem, com o objetivo de limpar a onda eliminando o excesso de oscilações presentes no sinal original. Este tipo de filtro considera os instantes anteriores e posteriores para a obtenção de um valor dado pela média simples ou pela média ponderada dos valores relativos aos instantes considerados, sem causar defasamento da onda. No caso específico de tratamento desse sinal, foram considerados seis instantes anteriores e posteriores (intervalo entre as amostras é de 0,1 µs, totalizando 1,2 µs) e utilizou-se a média simples dos correspondentes valores de tensão.

(a)

Corrente impulsiva medida no canal

-100 0 100 200 300 400 500 600 700 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 tem po (µs) C o rr e n te (A) (b)

Sinal medido pelo dispositivo

-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 tem po (µs) Si n a l ( m V )

Fig. 8.9 (a) Onda de corrente medida no canal de descarga (condutor vertical), (b) Sinal medido pelo dispositivo.

É importante denotar que a utilização deste filtro não é aplicável em casos onde o tempo de frente da onda de corrente é pequeno, por exemplo, 1,2 µs. No caso em análise, o intervalo de tempo compreendido entre o instante em que a onda inicia a sua subida e o instante de valor máximo é de 7,5 µs.

• Quarta etapa de testes – Testes complementares para ajustes finos e verificação da operação do dispositivo.

1) O Ajuste de sensibilidade da q-antena para identificar a aproximação de tempestade é realizado através da atuação em um potenciômetro específico do circuito analógico. O ajuste adequado foi verificado inclusive em campo quando, ao se visualizar tempestade nas proximidades do local de teste, observou-se o acionamento do equipamento, ficando assim preparado para registrar eventuais correntes incidentes no alvo monitorado.

2) A verificação da sincronia do receptor GPS é efetuada em campo aberto, local onde se espera que a recepção do sinal dos satélites não seja “blindada”. Neste teste são gerados campos magnéticos variantes no tempo na área da d-antena (por exemplo, gerado a partir da descarga de um capacitor). Em seguida, são verificados as datas e horários dos registros das correntes associadas. Em alguns casos, verificou-se diferença no tempo necessário para que o receptor entrasse em sincronia após o acionamento do equipamento. Porém, acredita-se que tais tempos sejam mais que suficiente para o correto registro da data e hora dos eventos que venham a ocorrer no objeto monitorado. Pode haver perda de registro nos eventuais casos em que a tempestade se forme diretamente no local e a incidência da primeira descarga ocorra diretamente sobre o objeto monitorado. Nesses casos, o circuito não estaria pronto para efetuar a medição.

3) O ajuste da seletividade do ângulo de direcionamento da d-antena para

validação de sinais medidos é também realizado através da atuação em um

potenciômetro específico do circuito analógico. O teste consiste em submeter o equipamento a uma seqüência de disparos, na qual se varia o ângulo ϕ e verifica- se iterativamente a validação ou não daquele sinal medido. É definida uma faixa aceitável para o ângulo ϕ, como, por exemplo, ϕ = 0o

+/-10o . Se o equipamento registrar sinais provenientes de direções cujo ângulo supera a faixa aceitável, são realizados ajustes no potenciômetro até que o sinal “indesejado” não seja mais registrado pelo equipamento. Em outras palavras, o equipamento está ajustado para somente registrar sinais provenientes da faixa de direção aceitável.

Não é desejável restringir muito a faixa aceitável, pois em casos reais pode haver componentes horizontais do canal de descarga que podem contribuir para o aumento do sinal na q-antena. Assim, o sinal induzido na d-antena pode não ser validado e, conseqüentemente, não ser registrado. Ao mesmo tempo, a faixa deve ser tal que se possa assegurar a filtragem de eventos que não incidam no objeto monitorado.

Alguns comentários finais acerca do atual estágio de desenvolvimento do dispositivo se fazem necessários. Como foi verificado na figura 8.9, o valor de pico e o tempo de frente da onda de corrente registrada podem ser recuperados com boa precisão. Entretanto, a forma

de onda apresenta distorção superior às expectativas do projeto. Os trabalhos para aprimoramento do dispositivo encontram-se em curso para melhorar também o registro da onda.