Termografia Monografia

Termografia Monografia

(Parte 1 de 4)

Universidade Federal de Itajubá Programa de Pós-Graduação em Engenharia da Energia em Subestações de Alta Tensão Desabrigadas

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia da Energia da Universidade Federal de Itajubá como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia da Energia.

Orientador: Prof. Dr. Edson da Costa Bortoni

Itajubá 2006

i i i i

À minha esposa Luzia e aos meus filhos

Marco Túlio, Larissa,

Paulo, Patrícia e Simone.

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.

iv

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.

AGRADECIMENTOSIV
ÍNDICEVI
ÍNDICE DE FIGURASIX
ÍNDICE DE TABELASXIII
RESUMOXIV
ABSTRACTXV
1. INTRODUÇÃO16
2. REVISÃO DA LITERATURA19
2.1. HISTÓRICO19
2.2. REVISÃO DA LITERATURA ESPECÍFICA2
2.3. TEORIAS ENVOLVIDAS29
2.3.1. Calor29
2.3.2. Temperatura30
2.3.3. Modos de Transferência de Calor30
2.3.3.1. Condução30
2.3.3.2. Convecção3
2.3.3.3. Radiação34
2.3.3.3.1. Radiação Infravermelha35
2.3.4. Teoria da Radiação37
2.3.4.1. Leis da Radiação para o Corpo Negro40
2.3.4.1.1. Lei de Planck40
2.3.4.1.2. Lei do deslocamento de Wien43
2.3.4.1.3. Lei de Stefan-Boltzmann45
2.3.4.2. Leis da Radiação para emissores reais46
2.3.4.2.1. Efeito Cavidade49
3. LIMITAÇÕES DA TERMOGRAFIA51
3.1. INSPETOR53
3.2. TERMOVISOR54

ÍNDICE vi

3.2.2. Faixa de temperatura57
3.2.3. Faixa espectral58
3.2.4. Resolução espacial60
3.2.5. Resolução de medida62
3.2.6. Sensibilidade térmica65
3.2.7. Taxa de repetição de quadro (Frame Rate)65
3.2.8. Termovisor recomendado para inspeções em subestações de alta tensão6
3.3. EQUIPAMENTO / COMPONENTE SOB INSPEÇÃO67
3.3.1. Emissividade67
3.3.1.1. Ângulo de visão72
3.3.2. Corrente de carga74
3.4. CONDIÇÕES AMBIENTAIS82
3.4.1. Transmitância atmosférica82
3.4.1.1.Absorção83
3.4.1.2. Dispersão83
3.4.1.3. Emissão83
3.4.1.4. Turbulência83
3.4.2. Atmosfera terrestre84
3.4.2.1. Ensaio para verificação da atenuação atmosférica86
3.4.3. Fatores Climáticos90
3.4.3.1. Radiação solar92
3.4.3.1.1. Carregamento solar92
3.4.3.1.2. Reflexo Solar95
3.4.3.2. Chuva e umidade98
3..4.3.2.1. Resfriamento9
3.4.3.2.2. Atenuação100
3.4.3.3. Vento101
3.4.3.4. Temperatura ambiente105
4. PROCEDIMENTO DE INSPEÇÃO107
4.1. ESCOPO107
4.2. OBJETIVOS107
4.4. RESPONSABILIDADES110
4.5. INSPEÇÃO TERMOGRÁFICA1
4.6. SEGURANÇA NAS INSPEÇÕES114
4.8. MODELO DE RELATÓRIO DE INSPEÇÃO TERMOGRÁFICA121
5. CONCLUSÃO122
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS124

4.3. DEFINIÇÕES................................................................................................................ 108 4.7. AVALIAÇÃO DA SEVERIDADE DAS ANOMALIAS TÉRMICAS ENCONTRADAS..115 viii

Figura 1 – Evolução dos Termovisores2
Figura 2 – Chapa plana indicando a direção do fluxo de calor31
Figura 3 - Variação da condutividade térmica com a temperatura32
Figura 4 – Transferência de calor por condução em uma seccionadora3
Figura 5 – Termograma de um TP e a visualização do nível de óleo34
Figura 6 – Espectro eletromagnético35
Figura 7 – Onda eletromagnética38
calculadas pela Lei de Wien e Lei de Rayleigh-Jeans39
Figura 9 – Exitância radiante espectral de um Corpo Negro41

Figura 8 – Discrepância entre a distribuição espectral do Corpo Negro e as

Corpo Negro (Mλ b) para diferentes comprimentos de onda (λ)42
Figura 1 – Curvas de Planck em escala semi-log4

Figura 10 – Relação entre a temperatura (T) e a exitância radiante espectral de um

do Corpo Negro (Mbmáx) em uma dada temperatura (T)4

Figura 12 – Comprimento de onda (λmáx) em que ocorre a máxima exitância radiante

(T)45

Figura 13 – Exitância radiante total do Corpo Negro (Mb) em uma dada temperatura

radiação absorvida (αλ), refletida (ρλ) e transmitida (τλ)47
Figura 15 – Exitância radiante espectral dos três tipos de fontes de radiação48
Figura 16 – Emissividade espectral dos três tipos de fontes de radiação48
Figura 17 – Radiação incidindo em uma superfície de baixa emissividade50
Figura 18 – Inspeção termográfica em um equipamento de subestação51

Figura 14 – Radiação incidente em um objeto real e as possíveis frações de

possíveis influências52
Figura 20 – Diagrama simplificado de um Termovisor genérico54

Figura 19 – Inspeção termográfica em um equipamento de subestação com as

varredura5

Figura 21 - Esquema simplificado de um Termovisor com sistema de detecção por ix

(FPA)56
Figura 23 – Resposta espectral de alguns detectores de infravermelho57

Figura 2 – Esquema simplificado de umo Termovisor com sistema fixo de detecção

da radiação emitida58

Figura 24 – Seccionadora com os contatos acima de 500° C, tornando visível parte

de Termovisores comerciais58

Figura 25 – Espectro eletromagnético e as faixas espectrais utilizadas na fabricação

objeto a uma temperatura de 300 K (26,8° C)59

Figura 26 – Energia disponível nas faixas de 3 a 5 µm e de 8 a 14 µm para um

Instântaneo (IFOV) de um Termovisor60
Figura 29 - Grampo que fixa o cabo pára-raio na estrutura da torre64

Figura 27 – Representação do Campo de Visão (FOV) e do Campo de Visão

diferentes emissividades68
Figura 31 – Conexão com alta temperatura e baixa emissividade69

Figura 30 – Imagem visível e térmica da superfície de um ferro de passar roupa com

termográfica na CHESF70

Figura 32 – Percentagem de componentes defeituosos encontrados pela inspeção

termográfica em FURNAS70

Figura 3 - Percentagem de componentes defeituosos encontrados pela inspeção

de cavidades72
Figura 35 – Conexão apresentando maior emissividade nas áreas oxidadas72
Figura 36 – Emissividade em função do ângulo de visão73

Figura 34 – Equipamentos e conexões apresentando maior emissividade nas áreas

superfície do componente sob inspeção73

Figura 37 – O termografista deve buscar a visão mais perpendicular possível com a

Figura 38 – Gráfico da corrente circulante pela seccionadora no período de 24 hs.75

temperatura de uma seccioandora normal76

Figura 39 – Termogramas mostrando o efeito da corrente sobre a temperatura de uma seccionadora com alta resistência de contato e sobre a

conexão em função da corrente78
Figura 41 – Foto do experimento Temperatura x Corrente79

Figura 40 – Esquema do ensaio para determinar a variação da temperatura em uma x

conexão defeituosa80

Figura 41 – Gráfico da variação de Temperatura em função da Corrente em uma

mar com 17 m de precipitação de chuva85
Figura 4 – Transmitância atmosférica para uma distância de 10 m86
Figura 45 – Transmitância atmosférica para uma distância de 50 m86
Figura 47 – Foto do ensaio para a determinação da atenuação atmosférica8

Figura 43 – Transmissão da atmosfera para uma distância de 1,8 km ao nível do Figura 46 – Esquema do ensaio para a determinação da atenuação atmosférica...87

Negro) em 50° C89

FIgura 48 – Gráfico da temperatura em função da distância - Referência (Corpo

Negro) em 100° C89

FIgura 49 – Gráfico da temperatura em função da distância - Referência (Corpo

(normal e defeituosa) e da influência de fatores climáticos91

Figura 51 – Esquema do ensaio para a monitoração das temperaturas das conexões

(normal e defeituosa) e da influência de fatores climáticos91

Figura 52 – Foto do ensaio para monitoração das temperaturas das conexões

Figura 53 – Termogramas de uma conexão defeituosa e uma conexão normal - (a)

h)93
Figura 54 – Energia do Sol tipicamente vista através da atmosfera da Terra93

Sem carregamento solar (2:51 h)..- (b) Com carregamento solar (17:26

incidência de radiação solar94

Figura 5 – Variação da temperatura das conexões durante períodos com e sem a

três posições distintas95

Figura 56 – Termogramas de um Transformador de Corrente, sob o Sol, obtidos de

96

Figura 57 – Esquema do ensaio realizado para demonstrar o efeito do reflexo solar

conexão de um Transformador de Corrente - TC97

Figura 58 – Reflexo solar provocando um falso ponto com alta temperatura em uma

Figura 59 – Saturação da água no ar em função da temperatura (ao nível do mar).98

519

Figura 60 – Efeito da chuva sobre a temperatura das conexões do ensaio da Figura

519

Figura 61 – Efeito da chuva sobre a temperatura das conexões do ensaio da Figura xi

intensidades de neblina (nevoeiro) e para uma distância de 1 Km100
Figura 63 – Efeito do vento sobre a temperatura de um disjuntor a óleo101

Figura 62 – Dispersão em função do comprimento de onda para diferentes

vento102

Figura 64 – Redução da temperatura do componente em função da velocidade do

de 24 horas, em uma subestação de alta tensão desabrigada103

Figura 65 – Variação da velocidade e direção do vento, monitorados por um período

normal104

Figura 6 – Efeito do vento sobre a temperatura de uma conexão defeituosa e uma

normal104

Figura 67 – Efeito do vento sobre a temperatura de uma conexão defeituosa e uma

horas105

Figura 68 – Variação da temperatura de uma conexão defeituosa e outra normal e da temperatura ambiente durante um período de aproximadamente 70 xii

infravermelha36

Tabela 1 – Diferentes divisões propostas na literatura para a região de radiação

Tabela 3 – Divisão da radiação infravermelha adotada pela ABNT37

Tabela 2 – Divisão baseada em limites espectrais de detectores de infravermelho.37

59

Tabela 4 – Energia disponível nas faixas de comprimento de onda dos Termovisores

uma temperatura próxima de 300 K (26,85° C)71
Tabela 6 – Resultados da variação da Temperatura em função da Corrente79
Tabela 7 – Aplicação da Equação 23 nos resultados da Tabela 680
Tabela 8 – Gases que formam a atmosfera84
Tabela 9 – Fator de correção para uma placa vertical103

Tabela 5 – Absorbância solar e emitância infravermelha para diferentes superfícies a

internacionais117

Tabela 10 – Comparativo de critérios de severidade de algumas Normas xiii

Resumo 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.

xiv

Abstract ABSTRACT

The Infrared Thermography, when correctly applied, is an excellent predictive maintenance tool for high voltage substations. Its utilization allows the detection of failures in their initial phases avoiding, therefore, undesired not programmed maintenances. Consequently there is an increasing in the inspections safety, time between maintenances and power system reliability, reducing costs. However, there are limitations in its applications, mainly when it is carried out in outdoor environments. In these conditions, the obtained results can be considerably influenced by environmental quantities, turning the analysis more difficult and diagnosis of inspected equipments less reliable.

The aim of this dissertation is at to define the main limitations and influences on a thermographic inspection on uncovered high voltage substations. It analyzes the influence from who executes the inspection (the thermographer), the limitations of equipment employed in the inspection (thermal camera) and the conditions of equipment under inspection. The influences of environmental factors over the measuring and the analysis of thermal anomalies identified are also considered. It presents the implications of these influences, through tests in laboratory and in field, proposing procedures to reduce or to avoid them. After that, the development of an inspection methodology in order to get more reliable results is made, enabling a more consistent analysis of the found failures.

xv

1. INTRODUÇÃO

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 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:

• Medição por contato, na qual termômetros de líquido em vidro, termômetros de resistência e termopares são utilizados.

• Medição sem contato, na qual termômetros de infravermelho (radiômetros), pirômetros ópticos e Termovisores podem ser empregados, (Holst, 2000).

A escolha, de um ou de outro método, vai depender basicamente da aplicação.

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.

A termografia infravermelha aplicada à área elétrica tem sido tema de estudo de muitas publicações internacionais e objeto para a elaboração de algumas normas. No entanto, grande parte destes trabalhos, apesar de dar conhecimento das várias influências envolvidas no processo de inspeção, não os leva em consideração na análise dos dados obtidos.

Essa Dissertação tem como objetivo investigar as limitações e influências envolvidas na aplicação da termografia infravermelha na inspeção de subestações de alta tensão desabrigadas. Considerando essas limitações e influências, apresentar uma metodologia de inspeção capaz de ponderá-las, possibilitando uma análise mais consistente dos dados obtidos, com um conseqüente aumento da confiabilidade nos resultados da aplicação da termografia e favorecimento de uma contínua operacionalidade de subestações e do Sistema Elétrico como um todo.

Essa dissertação está dividida em cinco capítulos, sendo este o primeiro, introdutório. O capítulo 2 faz uma revisão da literatura, descrevendo fatos históricos importantes para o desenvolvimento da termografia infravermelha, desde a descoberta da radiação infravermelha até os dias atuais. Apresenta ainda, uma revisão da literatura particularmente direcionada às influências e limitações da termografia e se encerra apresentando os conceitos básicos das teorias envolvidas. No capítulo 3 são discutidas as limitações da termografia quando aplicada em inspeções de subestações de alta tensão desabrigadas. No capítulo 4 é descrito um procedimento de inspeção, elaborado a partir das melhores práticas de empresas do setor de energia e das limitações discutidas no capítulo 3. Finalmente, o capítulo 5 apresenta a conclusão desse trabalho, que serviu como estímulo inicial de trabalhos mais específicos, aprovados pela ANEEL e já em andamento.

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