A resolução espacial do sistema de obtenção de imagens está limitada pelo diâmetro do feixe de raio x e pelo avanço do feixe durante o processo de varredura sobre a amostra. Desta forma, defeitos esféricos com diâmetros inferiores a 0,5 mm devem aparecer como um único ponto de imagem. Isto significa que não será possível definir as dimensões de defeitos abaixo de 0,5 mm, mas os mesmos poderão ser detectados desde que apresentem descargas parciais cujas amplitudes estejam compatíveis com a sensibilidade do analisador.
Com o objetivo de determinar o menor defeito esférico detectável pelo sistema, preparou-se uma amostra em epóxi, a qual foi identificada por E04, com diversos defeitos esféricos com diâmetros variados e distribuídos de forma aleatória. A amostra foi confeccionada com epóxi transparente a luz visível, com o objetivo de comparar a imagem óptica com a imagem gerada pelo sistema. As imagens ópticas obtidas com a utilização de uma lupa estereoscópica Wild M5A Heerbrug acoplada a uma câmera CCD Sony CCD IRIS modelo SSC-C350, são mostradas na Figura 73.
Figura 73 - Imagens dos vazios esféricos na amostra E04 obtidos com uma lupa estereoscópica com aumento de 12 vezes. A - Vista superior, lado do eletrodo de alta tensão. B - Vista inferior, lado do
eletrodo de baixa tensão.
Para que fosse possível visualizar os defeitos esféricos independente da profundidade, obteve-se uma imagem da parte inferior da amostra, vista do lado do eletrodo de baixa tensão (Figura 73A), e uma imagem da parte superior da amostra, vista do lado do eletrodo de alta tensão (Figura 73B). A imagem da parte superior foi invertida com a utilização de um software para tratamento de imagens, sendo possível comparar as duas imagens e identificar os defeitos comuns apresentados em cada imagem. Objetivando visualizar todos os defeitos na mesma imagem, as duas imagens anteriores foram convertidas para escala de cinza e somadas. A imagem resultante é apresentada na Figura 74.
Figura 74 - Imagem resultante da soma das imagens da vista superior e inferior dos vazios esféricos na amostra E04. Os vazios foram
classificados e numerados para determinação dos diâmetros.
Uma imagem auxiliar com uma escala milimétrica sobre a amostra foi gerada e, com a utilização do software de tratamento de imagens Image Toll versão 2.0, determinou-se a resolução da imagem e efetuou-se a calibração através da conversão do número de píxels por milímetro. Os diâmetros dos vazios esféricos na faixa de 0,3 mm a 1,0 mm foram determinados e classificados em ordem decrescente. O valor médio dos diâmetros são apresentados na Tabela 2.
IDENTIFICAÇÃO DOS VAZIOS ESFÉRICOS NA FIGURA 72
DIÂMETRO DO VAZIO ESFÉRICO (mm) (±0,1mm)
1 1,0 2 1,0 3 0,9 4 0,8 5 0,7 6 0,6 7 0,6 8 0,5 9 0,4 10 0,3 11 0,3 12 0,3 13 0,3 14 0,3
Tabela 2 - Identificação dos vazios esféricos na amostra de epóxi E04 em função dos seus diâmetros.
A imagem obtida por descarga parcial estimulada por raio x pulsado da mesma região da amostra E04, a qual foi gerada pelo software PSIPlot versão 5.02A, em superfícies tridimensionais, é mostrada na Figura 75. Esta imagem foi obtida com os seguintes parâmetros: tensão aplicada à amostra de 12 kV rms em 58Hz, feixe de raio x gerado com 35 kV - 2,0 mA, colimador de 0,5 mm de diâmetro.
Figura 75 - Representação em superfícies da imagem da amostra E04 com diversos vazios esféricos. Tubo de raio x 35 kV - 2,0 mA -
Colimador 0,5 mm de diâmetro.
Figura 76 - Imagens dos vazios esféricos na amostra E04. A - Obtida com uma lupa estereoscópica com aumento de 12 vezes. B - Obtida por descarga parcial estimulada por raio x pulsado de 35 kV - 2,0 mA
com tensão aplicada à amostra de 12 kVrms.
Os mesmos dados da imagem mostrada na Figura 75 foram utilizados para construir a imagem mostrada na Figura 76B, a qual foi representada em curvas de nível com 10 tons de cinza.
Para comparar a imagem gerada com a imagem óptica a imagem mostrada na Figura 74 foi reduzida e superposta à Figura 76A. Os vazios esféricos que aparecem na imagem por descarga parcial (Figura 76B) foram relacionados de acordo com a identificação apresentada na Figura 76A.
Foi observado que somente os vazios esféricos numerados de 1 a 9, os quais apresentam diâmetros entre 0,4 mm a 1,0 mm, foram detectados pelo sistema, sendo que os demais vazios numerados de 10 a 15, com diâmetros inferiores a 0,4 mm não foram detectados.
Para confirmar que os vazios esféricos cujos diâmetros estão abaixo de 0,4 mm não foram detectados pelo sistema por apresentarem descargas com amplitudes abaixo da sensibilidade do analisador, mediu-se os espectros de amplitudes das descargas em cada um dos vazios esféricos relacionados na Figura 76A.
Observou-se que a carga aparente transferida nas descargas é proporcional, de forma direta, ao diâmetro do vazio esférico. Na Figura 77 são mostrados os espectros de amplitudes para vazios com diferentes diâmetros esféricos e na Figura 78 é apresentado um gráfico mostrando a existência de correlação entre o diâmetro do vazio esférico e a carga média transferida nas descargas.
0 20 40 60 80 100 120 140
carga aparente (pC) 0 20 40 60 80 100 120 140
0
Figura 77 - Espectro de amplitudes das descargas parciais em vazios esféricos com diferentes diâmetros: - A - 1,0 mm, B - 0,9 mm, C - 0,6mm e 0,3 mm, D - 0,6mm, E - 0,5 mm, F - 0,4 mm, G - 0,3 mm e H -
0,3mm.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1
0 20 40 60 80 100 120 140
carga aparente (pC)
diâmetro (mm)
Figura 78 - Correlação entre o diâmetro dos vazios esféricos e a carga aparente transferida nas descargas parciais.
Pela extrapolação da reta ajustada nos pontos experimentais poderíamos concluir que o limite inferior de detecção do sistema seria para vazios esféricos de até 0,25 mm de diâmetro. Devido ao ruído ambiente no sinal de medida de descargas parciais a sensibilidade do analisador foi limitada em 5 pC, e como conseqüência, o limite de detecção real foi fixado em 0,27 mm de diâmetro.
Em condições especiais de blindagem de ruído em ambiente de laboratório, descargas parciais podem ser medidas com sensibilidade abaixo de 1,0 pC podendo chegar a 0,1 pC. S. Rizzetto et al. [6] mediram descargas com amplitudes próximas a 1,0 pC em vazios esféricos com 0,2 mm de diâmetro em amostras de epóxi .
Nestas condições, um fator limitador seria o campo elétrico aplicado a amostra. A Curva de Paschen mostrada na Figura 79 relaciona o campo elétrico local crítico em função do diâmetro dos vazios utilizando a pressão do ar no interior do vazio como parâmetro. Nas condições utilizadas nas medidas apresentadas na Figura 77, onde foi aplicado uma tensão de 12 kV rms na amostra E04 de espessura 2 mm, o campo elétrico médio é de 6 kV/mm. Para uma amostra de epóxi onde a permissividade relativa pode variar entre 3 e 4, dependendo da composição da resina, o campo elétrico local calculado pela equação (2) é aproximadamente 7,8 kV/mm. Considerando que o gás no interior do vazio esférico é ar e está a pressão de 1,0 atm, e analisando a Curva de Paschen , somente vazios cujos diâmetros são superiores a 90 µm apresentariam condição de ocorrência de descargas.
0,01 0,1 1
No espectro de amplitudes da Figura 77C aparecem dois picos de distribuição de ocorrência de descargas, o primeiro cuja moda está em 10 pC e o segundo em 65 pC. A ocorrência dos dois picos se deve a proximidade dos vazios esféricos 7,11 e 12 (ver Figura 74), desta forma, o feixe de raio x estimula as descargas nestes vazios ao mesmo tempo. Com o objetivo de separar os vazios em função do diâmetro, as contagens das descargas foram separadas em função das amplitudes em duas matrizes distintas. Na Figura 80 são apresentadas duas imagens construídas, sendo a da Figura 80A com a contagem dos pulsos cujas amplitudes são superiores a 90 pC e da Figura 80B inferiores a 90 pC.
Na imagem da Figura 80A aparecem somente os vazios esféricos 1,2,3 e 4.
Estes vazios possuem diâmetros superiores a 0,7 mm e apresentam distribuições de descargas maiores que 90 pC. Na imagem da Figura 80B aparecem os vazios esféricos cujos diâmetros são menores que 0,8 mm e apresentam descargas com amplitudes inferiores que 90 pC.
Com a utilização deste recurso, os vazios esféricos que não apareciam na imagem total (ver Figura 76B), podem agora ser visualizados. O vazio esférico número 10 estava muito próximo ao vazio número 1, sendo que o segundo estava sobreposto pela imagem do primeiro. O mesmo fato pode ser observado com os vazios de número 4 e 13.
Figura 80 - Imagens dos vazios esféricos na amostra E04 separados em função da amplitude das descargas parciais. A - descargas com
amplitudes superiores a 90 pC. B - descargas com amplitudes inferiores ou iguais a 90 pC.
6 CONCLUSÕES
- O estudo do comportamento das descargas parciais estimuladas por raio x pulsado além de possibilitar o desenvolvimento do sistema de aquisição de imagens de defeitos geradores de descargas parciais abre uma nova área para pesquisas na área de descargas parciais em vazios e inclusões.
- O sistema desenvolvido para aquisição de imagens de defeitos mostrou-se eficiente para determinar a localização, dimensões e atividade de vazios esféricos com diâmetros iguais ou superiores a 0,3 mm.
- A resolução espacial do sistema é limitada pelo diâmetro do feixe de raio x e pelo avanço do feixe sobre a amostra.
- O limite de detecção do sistema depende da sensibilidade do analisador de descargas parciais. Com o aumento da sensibilidade, vazios esféricos com diâmetros abaixo de 0,3 mm poderão ser detectados, mas ficarão abaixo da resolução espacial, aparecendo na imagem como um único ponto de imagem correspondente a dimensão do feixe de raio x.
- A técnica por nós desenvolvida poderá ser utilizada como uma nova ferramenta na análise da qualidade de materiais dielétricos aplicados em isolamentos de equipamentos elétricos e, também, poderá ser utilizada na pesquisa da evolução de defeitos em isolamentos durante o processo de envelhecimento desses materiais.
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Construir imagens com outras formas de defeitos ou vazios mais comuns encontrados em materiais dielétricos.
Aumentar o limite de detecção do analisador de descargas parciais e a resolução espacial do sistema com o objetivo de detectar vazios na ordem de dezenas de micrometros.
Desenvolver a técnica para determinação da profundidade dos defeitos na amostra através do ângulo de incidência do feixe de raio x.
Desenvolver sistemas dedicados a componentes elétricos específicos e desenvolver a metodologia para análise desses componentes.
ANEXO A - PROGRAMA FONTE EM LINGUAGEM C
/* PROGRAMA IMAGEM.C - Controla seqüência de varredura do feixe de raio x e realiza análise das distribuições estatísticas das descargas parciais. */
int gdriver=DETECT,gmode,errorcode;
int maxy, maxx, x, y, ampli_max, pico_max;
int zero_cross, sinal_max, ciclo, ciclos, ciclot, pega, ocorre_max, limiar, ciclofim;
int fase, pico, pega2, amplitude[151], ocorre_1d[205], sinal_at, sinal_ant;
int ref_at, ref_ant, ponto;
int valorx, valory, posx, posy, delta, direcao, dimensao;
long int i, j, k, totpico, periodo, amostras;
float fatoryo, fatorya;
char *ch_txt1, *ch_txt2, *ch_txt3, *ch_txt4, *sinal;
unsigned char sinal_dp[25001], sinal_ref[25001];
FILE *arquivo;
clrscr();
initgraph(&gdriver,&gmode," ");
errorcode=graphresult();
if(errorcode != grOk) {
printf("Erro de Funcao Grafica:%s\n", grapherrormsg(errorcode));
ch_txt2 = "ANALISADOR DE DESCARGAS PARCIAIS DPSW";
outtextxy(200,10,ch_txt2);
maxx=getmaxx();
maxy=getmaxy();
amostras = 25000;
ciclofim = 150;
/* ABRE ARQUIVO PARA SALVAR IMAGEM */
arquivo = fopen("imagem.dat", "w+");
/* POSICIONA O FEIXE NA POSICAO INICIAL DA AMOSTRA */
outportb(648,valory);
/* INICIALIZACAO DAS VARIAVEIS DA ANALISE */
ampli_max = 1;
totpico = 0;
ciclot = 0;
ocorre_max = 1;
/* INICIALIZACAO DAS MATRIZES DE DISTRIBUICOES ESTATISTICAS
*/
/* INICIA ANÁLISE DOS CICLOS NA POSIÇÃO DA AMOSTRA */
while(ciclot <= ciclofim) {
/* AGUARDA INICIO DO SEMICICLO POSITIVO */
sinal_ref[0] = inport(664);
/* LEITURA DO CONVERSOR ANALOGICO-DIGITAL */
for (i = 0; i <= amostras; i++) {
sinal_dp[i] = inport(660);
sinal_ref[i] = inport(664);
}
/* DETECAO DOS PICOS DE DESCARGA PARCIAL */
zero_cross = 0;
/* IDENTIFICA O PERIODO DA SENOIDE E O NUMERO DE CICLOS POR
/* INICIA ANÁLISE DOS PULSOS DE DESCARGA PARCIAL */
for (i = 1; i <= amostras; i++)
/* VERIFICA INICIO DO SEMI-CICLO POSITIVO E FINAL DA ANÁLISE */
/* PROCURA O PICO DE DESCARGA */
/* GERA DISTRIBUICOES DE AMPLITUDES E ANGULO DE FASE */
ocorre_1d[fase]++;
amplitude[pico]++;
if (ocorre_1d[fase] > ocorre_max) ocorre_max
= ocorre_1d[fase];
/* GRAVA DADOS DO PONTA NO ARQUIVO DE IMAGEM */
fprintf(arquivo,"%3d %3d %4d",posx, posy, totpico);
fprintf(arquivo,"%4d %4d \n",ampli_max-1,ocorre_max-1);
/* DEFINE DIRECAO DA VARREDURA DO FEIXE DE RAIO X */
/* ATUALISA A TELA GRAFICA RELATIVA AO ULTIMO PONTO ANALISADO NA AMOSTRA */
cleardevice();
ch_txt2 = "ANALISADOR DE DESCARGAS PARCIAIS DPSW";
outtextxy(200,10,ch_txt2);
ch_txt2 = "Ciclos Analisados =";
outtextxy(10,30,ch_txt2);
outtextxy(200,30,itoa(ciclot,*ch_txt1,10));
ch_txt2 = "Picos Detectados =";
outtextxy(10,40,ch_txt2);
outtextxy(200,40,itoa(totpico,*ch_txt1,10));
ch_txt2 = "Maxima Ocor. Pico =";
outtextxy(10,50,ch_txt2);
outtextxy(200,50,itoa(ampli_max-1,*ch_txt1,10));
ch_txt2 = "Maxima Ocor. Fase =";
outtextxy(10,60,ch_txt2);
outtextxy(200,60,itoa(ocorre_max-1,*ch_txt1,10));
ch_txt2 = "Posicao do Raio X =";
outtextxy(10,70,ch_txt2);
outtextxy(200,70,itoa(posx,*ch_txt1,10));
outtextxy(250,70,itoa(posy,*ch_txt1,10));
setcolor(3);
rectangle(50,(maxy/2)-100,250,(maxy/2)+1);
rectangle(300,(maxy/2)-100,500,(maxy/2)+1);
rectangle(250,(maxy/2)+50,350,(maxy/2)+150);
fatorya = 100/(ampli_max);
/* FECHA ARQUIVO DE IMAGEM E FINALIZA */
fclose(arquivo);
getch();
closegraph();
clrscr();
}
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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