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monografia de termografia
Tipologia: Notas de estudo
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Não perca as partes importantes!
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Ao Senhor Deus, criador do universo. Aquele que nos apresenta pessoas e situações, que muitas vezes parecem estar em direção oposta ao objetivo tão desejado, mas que no tempo adequado se revelam como elementos essenciais para alcançá-lo.
À Minha mãe e ao meu já falecido pai, que se estivesse vivo teria o maior orgulho de seu filho.
À Minha esposa e aos meus filhos que renunciaram às poucas oportunidades de lazer que ainda têm, para serem meus maiores incentivadores e parceiros nesse trabalho.
À FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A., empresa que acolheu meu pai, meus tios, meus irmãos e me acolhe desde 1982.
Ao Eng. Ricardo Medeiros, gerente da Superintendência de Engenharia de Manutenção – EM.O por possibilitar o desenvolvimento desse trabalho.
Ao Eng. Luiz Antônio Gouvêa de Albuquerque, gerente do Centro Técnico de Ensaios e Medições – CTE.O. Administrador que vê na educação e no conhecimento diferenciais de um trabalho confiável e de qualidade. Meus agradecimentos por acreditar e apoiar esse trabalho, do início até a sua conclusão.
Ao Eng. Juarez Neves Cardoso, gerente do Laboratório de Medidas Elétricas e Eletrônicas - LAME.O pelo apoio e confiança nos resultados desse trabalho.
Ao Professor Doutor Edson da Costa Bortoni, meu orientador, que acreditou na proposta desse trabalho mesmo antes do mestrado ter se iniciado.
Ao meu irmão Donizeti e ao meu amigo José Geraldo, companheiros de mestrado e, principalmente, de incentivo mútuo para enfrentar os 600 km de estrada e 16 horas de aulas toda semana.
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Aos meus amigos de Furnas, envolvidos com a termografia, com quem estou sempre aprendendo e descobrindo as novas possibilidades de aplicação desta técnica.
Aos amigos e companheiros de trabalho do Centro Técnico de Ensaios e Medições – CTE.O que me incentivaram durante o desenvolvimento dessa dissertação.
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Figura 22 – Esquema simplificado de umo Termovisor com sistema fixo de detecção (FPA).....................................................................................................
Figura 23 – Resposta espectral de alguns detectores de infravermelho. .................
Figura 24 – Seccionadora com os contatos acima de 500° C, tornando visível parte da radiação emitida...............................................................................
Figura 25 – Espectro eletromagnético e as faixas espectrais utilizadas na fabricação de Termovisores comerciais. ................................................................
Figura 26 – Energia disponível nas faixas de 3 a 5 μm e de 8 a 14 μm para um objeto a uma temperatura de 300 K (26,8° C). .....................................
Figura 27 – Representação do Campo de Visão (FOV) e do Campo de Visão Instântaneo (IFOV) de um Termovisor..................................................
Figura 29 - Grampo que fixa o cabo pára-raio na estrutura da torre. .......................
Figura 30 – Imagem visível e térmica da superfície de um ferro de passar roupa com diferentes emissividades.......................................................................
Figura 31 – Conexão com alta temperatura e baixa emissividade ...........................
Figura 32 – Percentagem de componentes defeituosos encontrados pela inspeção termográfica na CHESF. .......................................................................
Figura 33 - Percentagem de componentes defeituosos encontrados pela inspeção termográfica em FURNAS.....................................................................
Figura 34 – Equipamentos e conexões apresentando maior emissividade nas áreas de cavidades. ........................................................................................
Figura 35 – Conexão apresentando maior emissividade nas áreas oxidadas..........
Figura 36 – Emissividade em função do ângulo de visão.........................................
Figura 37 – O termografista deve buscar a visão mais perpendicular possível com a superfície do componente sob inspeção...............................................
Figura 38 – Gráfico da corrente circulante pela seccionadora no período de 24 hs.
Figura 39 – Termogramas mostrando o efeito da corrente sobre a temperatura de uma seccionadora com alta resistência de contato e sobre a temperatura de uma seccioandora normal............................................
Figura 40 – Esquema do ensaio para determinar a variação da temperatura em uma conexão em função da corrente............................................................
Figura 41 – Foto do experimento Temperatura x Corrente. .....................................
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Figura 41 – Gráfico da variação de Temperatura em função da Corrente em uma conexão defeituosa. ..............................................................................
Figura 43 – Transmissão da atmosfera para uma distância de 1,8 km ao nível do mar com 17 mm de precipitação de chuva. ..........................................
Figura 44 – Transmitância atmosférica para uma distância de 10 m. ......................
Figura 45 – Transmitância atmosférica para uma distância de 50 m. ......................
Figura 46 – Esquema do ensaio para a determinação da atenuação atmosférica. ..
Figura 47 – Foto do ensaio para a determinação da atenuação atmosférica...........
FIgura 48 – Gráfico da temperatura em função da distância - Referência (Corpo Negro) em 50° C. ..................................................................................
FIgura 49 – Gráfico da temperatura em função da distância - Referência (Corpo Negro) em 100° C. ................................................................................
Figura 51 – Esquema do ensaio para a monitoração das temperaturas das conexões (normal e defeituosa) e da influência de fatores climáticos...................
Figura 52 – Foto do ensaio para monitoração das temperaturas das conexões (normal e defeituosa) e da influência de fatores climáticos...................
Figura 53 – Termogramas de uma conexão defeituosa e uma conexão normal - (a) Sem carregamento solar (22:51 h).. - (b) Com carregamento solar (17: h)...........................................................................................................
Figura 54 – Energia do Sol tipicamente vista através da atmosfera da Terra. .........
Figura 55 – Variação da temperatura das conexões durante períodos com e sem a incidência de radiação solar..................................................................
Figura 56 – Termogramas de um Transformador de Corrente, sob o Sol, obtidos de três posições distintas...........................................................................
Figura 57 – Esquema do ensaio realizado para demonstrar o efeito do reflexo solar ..............................................................................................................
Figura 58 – Reflexo solar provocando um falso ponto com alta temperatura em uma conexão de um Transformador de Corrente - TC .................................
Figura 59 – Saturação da água no ar em função da temperatura (ao nível do mar).
Figura 60 – Efeito da chuva sobre a temperatura das conexões do ensaio da Figura
Figura 61 – Efeito da chuva sobre a temperatura das conexões do ensaio da Figura
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Tabela 1 – Diferentes divisões propostas na literatura para a região de radiação infravermelha..........................................................................................
Tabela 2 – Divisão baseada em limites espectrais de detectores de infravermelho.
Tabela 3 – Divisão da radiação infravermelha adotada pela ABNT..........................
Tabela 4 – Energia disponível nas faixas de comprimento de onda dos Termovisores ...............................................................................................................
Tabela 5 – Absorbância solar e emitância infravermelha para diferentes superfícies a uma temperatura próxima de 300 K (26,85° C) ......................................
Tabela 6 – Resultados da variação da Temperatura em função da Corrente...........
Tabela 7 – Aplicação da Equação 23 nos resultados da Tabela 6. ..........................
Tabela 8 – Gases que formam a atmosfera..............................................................
Tabela 9 – Fator de correção para uma placa vertical............................................
Tabela 10 – Comparativo de critérios de severidade de algumas Normas internacionais. ......................................................................................
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Resumo
A Termografia Infravermelha, se corretamente utilizada, é uma excelente ferramenta de manutenção preditiva em subestações de alta tensão, detectando defeitos em seus estágios iniciais e evitando paradas não programadas, aumentando a segurança nas inspeções e aumentando o tempo entre as paradas para manutenção e conseqüentemente, aumentando a confiabilidade do Sistema Elétrico e reduzindo custos. Contudo, possui limitações, principalmente quando realizada em ambientes abertos, onde os resultados obtidos podem ser alterados consideravelmente por influências ambientais, dificultando a análise e o correto diagnóstico dos equipamentos inspecionados.
Essa dissertação de Mestrado tem como objetivo definir as principais limitações e influências sobre uma inspeção termográfica em subestações de alta tensão desabrigadas. Analisar, desde a influência de quem executa a inspeção (termografista), as limitações do equipamento utilizado para se fazer a inspeção (termovisor), as condições do equipamento sob inspeção, até as influências de fatores ambientais sobre a medição e a análise das anomalias térmicas encontradas. Apresentar de modo prático, através de ensaios em laboratório ou em campo, a implicação dessas influências e discutir meios de reduzi-las ou evitá-las. A partir daí, desenvolver uma metodologia de inspeção capaz de obter resultados mais confiáveis, possibilitando uma análise mais consistente dos defeitos encontrados.
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O Sistema elétrico nacional compreendendo a geração, transmissão e distribuição de energia elétrica é parte fundamental na infra-estrutura brasileira. Segundo dados da Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, o mercado de energia elétrica experimenta um crescimento da ordem de 4,5% ao ano, devendo ultrapassar a casa dos 100 mil MW em 2008, (ANEEL, 2006). Portanto, torna evidente a importância de se investir na expansão do Sistema Elétrico. Mas tão importante quanto a expansão, é a eficaz manutenção do Sistema instalado, proporcionando disponibilidade de energia com qualidade, continuidade e baixo custo, fatores vitais para o bom desempenho da economia brasileira. Sob esse ponto de vista, se faz necessário buscar a melhor estratégia para manter os equipamentos em operação e reduzir as falhas no Sistema Elétrico. Entre essas estratégias está a Manutenção Preventiva , que determina intervenções programadas e periódicas para a substituição ou reparo de componentes específicos em função de parâmetros como vida útil nominal e experiência anterior, além de dados históricos e estudos estatísticos, mas não a real condição de funcionamento dos equipamentos. Embora para o Sistema Elétrico possa ser melhor que uma Manutenção Reativa , na qual o componente só é substituído ou reparado quando ocorre a falha, a Manutenção Preventiva freqüentemente deixa sem manutenção componentes que deveriam ser reparados ou substituídos, ou são reparados ou substituídos componentes em bom estado de operação, (Abende, 2006). Outra abordagem para manter os equipamentos é a Manutenção Preditiva , que ao invés de realizar a manutenção em um intervalo regular, ela só é efetuada se a condição do equipamento requerer esta atividade. Na Manutenção Preditiva , falhas podem ser encontradas e corrigidas em seus estágios iniciais, antes que se tornem falhas potenciais capazes de provocar a interrupção no fornecimento da energia elétrica. Com ela é possível reduzir custos e o tempo de intervenção através do conhecimento prévio dos defeitos a serem corrigidos, aumentar a disponibilidade dos equipamentos para o fornecimento de energia, minimizando os riscos de acidentes e interrupções inesperadas.
Na manutenção preditiva, certos parâmetros dos componentes devem ser monitorados para identificar o início da falha e corrigi-la, (Okrasa et alii, 1997). Em
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sistemas elétricos as falhas freqüentemente são precedidas de uma anormalidade térmica do componente elétrico, fato que faz da medição de temperatura um dos principais parâmetros de análise e diagnóstico, (Newport, 2002).
A medição de temperatura pode ser realizada por dois métodos:
Em sistemas elétricos, fatores como segurança, distância do objeto a ser medido, agilidade na obtenção da medida e o caráter não destrutivo do método, fazem da medição sem contato uma opção bastante atraente e, em certos casos, a única opção. Dentre as alternativas de medição sem contato, a termografia infravermelha possui a grande vantagem de ser um método visual e capaz de examinar grandes superfícies em pouco tempo (alto rendimento), ideal para locais com grande quantidade de equipamentos a ser inspecionada como é o caso de subestações de alta tensão, (Santos et alii, 2005).
A aplicação da Termografia Infravermelha em subestações de alta tensão possui limitações, principalmente quando realizada em ambientes abertos, onde os resultados obtidos podem ser alterados consideravelmente por influências ambientais, dificultando a análise e o correto diagnóstico dos equipamentos inspecionados. Contudo, se corretamente utilizada é uma excelente ferramenta de manutenção preditiva em subestações de alta tensão, detectando defeitos em seus estágios iniciais e evitando paradas não programadas, aumentando a segurança nas inspeções e aumentando o tempo entre as paradas para manutenção e, conseqüentemente, aumentando a confiabilidade do Sistema Elétrico e reduzindo custos.
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A Termografia Infravermelha, tal como é conhecida hoje, com Termovisores portáteis capazes de detectar e converter, em tempo real, a radiação infravermelha em imagens visíveis e com a possibilidade de medição de temperatura, só foi possível devido a diversos estudos e descobertas, das quais algumas das mais importantes, a partir da descoberta da radiação infravermelha, são descritas abaixo.
Em 1800, o alemão Friedrich Wilhelm Herschel, mais conhecido por Sir William Herschel, astrônomo do rei inglês, George III, e descobridor do planeta Urano, (Maldague & Moore, 2001), procurava um meio de proteger seus olhos quando observava o Sol através de telescópios e, ao testar amostras de vidros coloridos, observou que algumas deixavam passar mais calor que outras. Na tentativa de descobrir um único material, que pudesse atenuar o calor e proteger seus olhos do brilho do sol, repetiu a experiência que Marsilio Landriani havia realizado em 1777, (Rogalski & Chrzanowski, 2002). Com o auxílio de um prisma e três termômetros de mercúrio com os bulbos pintados de preto, Hershel mediu a temperatura das várias componentes de cor da luz do sol refratados através do prisma e incididos em um anteparo. Notou um aumento de temperatura da cor violeta para a cor vermelha, como havia sido observado anteriormente por Landriani, entretanto, observou também que o maior pico de temperatura ocorria na região escura, além do vermelho. Com isso concluiu que existia, naquela região, luz invisível aquecendo os termômetros. À região deu o nome de Espectro Termométrico e à radiação o nome de Calor Negro. Décadas mais tarde essa região do espectro eletromagnético passou a ser chamada de Região Infravermelha e a radiação, de Radiação Infravermelha , (Richards, 2001). Herschel publicou os resultados dos seus experimentos em um artigo para a Philosophical Transactions of Royal Society , (AGA, 1969).
Em 1829, Leopoldo Nobili inventou o primeiro termopar, sensor de contato formado pela junção de dois metais distintos e baseado no efeito termoelétrico descoberto em 1821 por Thomas Seebeck, (Rogalski & Chrzanowski, 2002).
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Em 1830, Macedônio Melloni descobriu que o cloreto de sódio (NaCl) é transparente ao infravermelho, (Veratti, 1984). Esse foi o principal material óptico para infravermelhos até a década de 30, época em que os cristais sintéticos começaram a ser criados, (Flir Systems, 2003).
Em 1833, o mesmo Melloni foi responsável pela construção da primeira termopilha, (Maldague & Moore, 2001). Conectando vários termopares em série e focando a radiação sobre um lado das junções, conseguia detectar o calor liberado pelo corpo de uma pessoa a uma distância de aproximadamente 10 metros.
John Frederick William Hershel, filho de Sir William Hershel, publicou em 1840 um artigo no qual descrevia um arranjo usado para gravar imagens infravermelhas do espectro solar. Esse arranjo consistia de um prisma que projetava a luz do sol sobre um papel preto, muito fino, imerso em uma solução de tintura a álcool colorido. As ondas de luz absorvidas pelo papel produziam diferentes taxas de evaporação da solução de tintura, o que resultava em uma rudimentar imagem térmica estampada no papel, (Richards, 2001). Foi a primeira imagem de infravermelho registrada. Esta técnica foi aprimorada em 1929 por Marianus Czerny que inventou o Evaporograph , (Holst, 2000). O Evaporography era um sistema de processamento de imagens infravermelhas que utilizava uma fina película de óleo volátil aplicado a uma fina membrana absorvente e se baseava na evaporação diferencial do óleo, (Richards, 2001).
Em 1880 o bolômetro foi inventado por Samuel Pierpont Langley e aperfeiçoado por Charles Greeley Abbot. Um bolômetro é um detector térmico que consiste de uma ponte de Wheatstone , na qual é conectada a um dos seus braços uma fina tira de platina escurecida, cuja condutividade elétrica varia quando aquecida por uma radiação incidente, (Gaussorgues, 1994). Com esse bolômetro era possível detectar o calor emitido por uma vaca a uma distância de aproximadamente 400 metros, (Flir Systems, 2003).
No ano de 1892, Sir James Dewar introduziu o uso de gases liquefeitos como agentes de refrigeração e inventou um recipiente isolado a vácuo, conhecido como frasco Dewar , no qual era possível armazenar gases liquefeitos por dias inteiros.
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