Em alguns equipamentos elétricos, a forma geométrica irregular ou o tamanho de suas partes condutoras de corrente elétrica não permitem a utilização de medidores convencionais, tais como amperímetros alicates. Implementou-se no GRUCAD/EEL/UFSC um sensor de corrente baseado no princípio da bobina de Rogowski, que tem a importante propriedade de medir a corrente líquida independentemente da geometria do condutor. Uma bobina de Rogowski é um toróide constituído de um enrolamento uniformemente distribuído em um núcleo de material não magnético. Seu princípio de funcionamento está fundamentado na Lei de Ampère, e na Lei da Indução de Faraday-Lenz. Esta bobina fornece um sinal de saída em tensão. Devido ao sinal ter uma amplitude relativamente baixa concomitante com a presença de ruídos elétricos sobrepostos ao sinal mensurado, este deve ser tratado eletronicamente e amplificado. O sinal tratado sofre um processo de amostragem através de hardware de aquisição de dados da companhia National Instruments e feito em plataforma LabVIEW, instalados em um computador pessoal. Esta plataforma possibilita a criação de instrumentos de medição virtuais (softwares de interface com o usuário), o que permite, de maneira prática e eficiente, que o operador obtenha um maior número de informações do sinal adquirido. O sistema desenvolvido constitui-se em um medidor de corrente elétrica bastante versátil e eficaz, permitindo medições em situações onde a maneira convencional é inviável de ser executada.

Quando a bobina de Rogowski envolve um condutor por onde passa uma determinada corrente elétrica alternada, o campo magnético produzido por esta induz na bobina uma diferença de potencial entre seus terminais, dada por Vo(t) = –M.(di(t)/dt), onde di(t)/dt é a derivada da corrente que passa pelo condutor, e M é a indutância mútua entre a bobina e o condutor. A indutância mútua é expressa por M = u0.n.S, sendo u0 a permissividade elétrica no vácuo; n o número de espiras do toróide; S a área da seção transversal da bobina. A tensão induzida nos terminais da bobina é a imagem da taxa de variação da corrente (como mostra a expressão anterior), e é de relativa baixa amplitude quando o valor da corrente elétrica é menor do que a dezena de Ampère. Desta forma, faz-se necessário o uso de dois circuitos eletrônicos para tratar o sinal convenientemente, a saber: um amplificador de instrumentação, que amplifica e faz uma pré-filtragem do baixo sinal fornecido pela bobina; e um integrador eletrônico, para obter a imagem da corrente propriamente dita. O sinal, após ser tratado eletronicamente, é discretizado através do hardware associado ao ambiente LabVIEW. Os dados obtidos pela discretização do sinal são armazenados em vetores. Os Instrumentos Virtuais (VIs), através de tratamento numérico dos dados, fornecem a forma de onda do sinal de corrente que se está medindo. Os VIs também fornecem informações relevantes do sinal em estudo, como valor eficaz e espectro harmônico, por exemplo.

Foram confeccionadas bobinas com seções transversais e comprimentos diversos a fim de avaliar o melhor desempenho possível para diferentes faixas de amplitudes de corrente e freqüência. Notou-se que, quanto maior o raio da seção transversal da bobina, menor é sua susceptibilidade a ruídos. Também se verificou que o enrolamento do toróide deve ser o mais uniforme possível, pois do contrário a bobina torna-se vulnerável a oscilações magnéticas externas, como por exemplo, os campos gerados por correntes dos condutores próximos. Ensaios de validação feitos em laboratório, tomando como referência uma sonda de corrente por Efeito Hall da marca Tektronix, demonstraram uma grande conformidade dos valores obtidos entre esta sonda e o sensor desenvolvido com a bobina de Rogowski. Os testes contemplaram ampla faixa de valores de corrente (de mili Ampères a centenas de Ampères), e evidenciaram um desvio inferior a 1% em relação aos valores medidos com a sonda de referência. Em uma aplicação, o sistema (um conjunto de cinco bobinas, seus circuitos eletrônicos associados, e VIs) foi utilizado para uma avaliação em campo de correntes de fuga da carcaça de um transformador de potência de uma usina hidrelétrica. Com o sistema de medição utilizado, foi possível constatar as correntes conduzidas através das rodas e dos dutos de blindagem dos cabos de alimentação do enrolamento primário do transformador elevador, permitindo um diagnóstico preciso sobre os pontos de fuga de corrente no equipamento.

Através de vários experimentos feitos em laboratório e em campo, constatou-se que medições de corrente elétrica em equipamentos que não permitem ou dificultam o uso de medidores convencionais podem ser realizadas com o sensor desenvolvido. As principais características deste tipo de sensor, que o tornam atraente para diversas aplicações, são: linearidade com ampla faixa de resposta em amplitude e freqüência, independência com relação geometria do condutor a ser envolvido, desacoplamento elétrico com o sistema em teste, fácil instalação. Os VIs possibilitam versatilidade com interface amigável na exploração dos sinais. Entre outras situações, este tipo de sensor pode ser aplicado em medida de correntes alternadas de fuga em carcaças de dispositivos, medida de correntes de partida de motores elétricos, monitoramento de corrente em cabos de alta tensão e medição de transientes elétricos diversos.

Instituição de fomento: CNPq e Tractebel Energia S.A.

Trabalho de Iniciação Científica