UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ÉDERSON POSSOBOM PEREIRA
TERMOGRAFIA INFRAVERMELHA EM SUBESTAÇÃO DE ALTA TENSÃO
Ijuí 2016
ÉDERSON POSSOBOM PEREIRA
TERMOGRAFIA INFRAVERMELHA EM SUBESTAÇÃO DE ALTA TENSÃO
Trabalho de conclusão de curso apresentado como requisito para obtenção de diploma de engenheiro eletricista pela Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
Orientador: Professor Me Mário Noronha Agert
Ijuí 2016
AGRADECIMENTOS
À minha esposa e companheira Denise. Pelo apoio, cuidado e dedicação durante estes árduos seis anos de estudo. Meus filhos Filipe e Júlia por ter sentido e compreendido minha ausência nas noites deste período. Meus pais Nélio e Lenir por ter ensinado o caminho correto a seguir. Meu colega e amigo Leoni dos Santos ao disponibilizar alguns materiais de pesquisa para realizar este relatório. Ao professor Mário Agert pela orientação.
RESUMO
A termografia infravermelha é uma poderosa técnica de manutenção preditiva sendo muito empregada nas concessionarias de energia elétrica. Com a utilização do termovisor é possível a detecção de defeitos em equipamentos no seu estagio inicial e assim evitar a interrupção no fornecimento de energia, reduzindo custos em manutenção e aumentando a confiabilidade do sistema elétrico.
Este trabalho de conclusão de curso mostra algumas imagens infravermelhas reais coletadas por uma equipe de manutenção de subestação. Estas imagens são de algumas conexões elétricas de equipamentos do sistema elétrico de potência. Trata de que forma estas imagens são avaliadas para posteriormente um acompanhamento da evolução e correção de um possível defeito nas conexões elétricas dos equipamentos em questão.
ABSTRACT
The infrared thermography is a powerful predictive maintenance technique being much employed in electric power utilities. With the use of the thermal imager is possible the detection of defects in equipment in its initial stage and avoid the disruption in the energy supply, reducing maintenance costs and increasing the reliability of the electric system.
This final project shows some infrared images real collected by a team of maintenance of substation. These pictures are of some electrical connections of electric power system equipment. This is how these images are evaluated for later monitoring the evolution and correction of a possible defect in the electrical connections of the equipment in question.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Transferência de calor unidimensional por condução ... 12
Figura 2 - Processo de transferência de calor por convecção. (a) convecção forçada; (b) convecção natural ... 13
Figura 3 - Resfriamento por radiação de um sólido quente ... 15
Figura 4 - Espectro eletromagnético ... 16
Figura 5 - Divisão do espectro magnético com exemplos de emissores de radiação ... 17
Figura 6 - Emitância radiante vs comprimento de onda ... 19
Figura 7 - Curvas de Planck ... 21
Figura 8- Distâncias no ar que delimitam as zonas de risco, controlada e livre 36 Figura 9- Distâncias no ar que delimitam radialmente as zonas de risco, controlada e livre. Com interposição de superfície de separação física adequada ... 36
Figura 10 - Inspeção qualitativa ... 38
Figura 11 – Método por comparação da diferença de temperatura medida Δtm39 Figura 12 - Detectores de plano focal ... 44
Figura 13 - Configurações do sistema de escaneamento ... 45
Figura 14 - Ponte bolômetro ... 48
Figura 15 - Detector piroelétrico ... 49
Figura 16 – Termopilha ... 50
Figura 17 - Câmera termográfica Flir série P ... 51
Figura 18 - SE Guarita Disj 24-1 ... 54
Figura 19 - Bucha 23 kV TR-3 SAG-2 ... 59
Figura 20 - Bobina debloqueio 230 kV SE GRT ... 64
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Valores típicos para coeficientes de transferência de calor por convecção
... 14
Tabela 2-Emissividade de alguns materiais ... 23
Tabela 3 - Divisão da radiação infravermelha segundo a CIE e adotada pela ABNT ... 25
Tabela 4 - Algumas aplicações dos sistemas infravermelhos ... 30
Tabela 5- Raios de delimitação de zonas de risco, controlada e livre ... 35
Tabela 6- Tabela de providências em relação a conexões e contatos ... 41
Tabela 7- Tabela de providências em relação a para-raios ... 42
LISTA DE ABREVIATURAS
SUMÁRIO
RESUMO ...4
INTRODUÇÃO ...9
1 PROCESSOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR ... 11
1.1 TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONDUÇÃO ...11
Figura 1 - Transferência de calor unidimensional por condução ... 12
1.2 TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO ...12
Figura 2 - Processo de transferência de calor por convecção. (a) convecção forçada; (b) convecção natural ... 13
1.3 TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR RADIAÇÃO ...14
Figura 3 - Resfriamento por radiação de um sólido quente ... 15
2 TEORIAS DA RADIÇÃO ... 18
2.1 LEI DE PLANCK ...18
2.2 LEI DO DESLOCAMENTO DE WIEN ...19
2.3 LEI DE STEFAN-BOLTZMANN ...21
2.4 EMISSIVIDADE ...22
3 RADIAÇÃO INFRAVERMELHA ... 24
3.1 HISTÓRICO DA RADIAÇÃO INFRAVERMELHA ... 25
4 CONCEITO DE TERMOGRAFIA INFRAVERMELHA ... 31
4.1 TERMOGRAFIA NO SISTEMA ELETRICO ...32
4.3 LIMITAÇÕES DA TERMOGRAFIA ...33
4.4 RECOMENDAÇÕES ...34
4.5 MÉTODOS DE INSPEÇÃO TERMOGRÁFICA ...37
4.6 CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DAS ANOMALIAS TÉRMICAS ...40
4.6.1 Anomalias térmicas em conexões e contatos... 40
4.6.2 Anomalias térmicas em para-raios ... 41
4.6.3 Anomalias térmicas em equipamentos ... 42
5 TERMOVISORES ... 43
5.1 TECNOLOGIAS DE DETECÇÃO ...43
5.1.1 Matriz de plano focal (focal plane array- fpa) ... 44
5.1.2 Scanners ... 45
5.2 FAIXA DE TEMPERATURA...46
5.3 RESOLUÇÃO ESPACIAL ...47
5.4 TIPOS DE DETECTORES ...47
5.5 TERMOVISOR FLIR P620 ...50
6 TERMOGRAFIA INFRAVERMELHA EM SUBESTAÇÃO DE ALTA TENSÃO ... 54
CONCLUSÃO ... 74
INTRODUÇÃO
O ser humano tornou-se totalmente dependente da eletricidade. Nos dias atuais é praticamente impossível a sobrevivência sem o seu uso. Considerada um bem de primeira necessidade para a população.
A eletricidade está presente desde a iluminação a partir da lâmpada incandescente, a mais primitiva de todas, até a carga da bateria de um celular ou laptop.
Os consumidores estão mais exigentes e conhecedores de seus direitos em relação à qualidade e continuidade da eletricidade que recebem em suas casas. Seguindo no mesmo sentido os órgãos fiscalizadores cada vez mais cobrando responsabilidades das concessionárias.
As concessionárias detentoras do direito à exploração de energia sejam geradoras, transmissoras ou distribuidoras precisam investir grandes quantidades de recursos financeiros para propiciar uma eletricidade com qualidade e de forma contínua para o consumidor final. Um recurso deve ser destinado à expansão e outro investido em uma eficiente manutenção do sistema elétrico. Mantendo os equipamentos em operação normal e evitando falhas é possível disponibilizar uma energia elétrica com qualidade, continuidade e baixo custo.
Para garantir uma boa operação e evitar falhas, devem-se adotar algumas medidas de manutenção. Dentre as quais podemos destacar a manutenção preventiva. Consta em determinar através da orientação de fabricantes de que intervenções nos equipamentos sejam programadas e periódicas com a finalidade de substituir ou reparar componentes específicos dos equipamentos. Outra medida é a manutenção preditiva, que só é realizada se a condição do equipamento requerer. Diferentemente da manutenção preventiva, a manutenção preditiva não necessita ser realizada em um intervalo regular podendo ser quando a condição do equipamento a requerer. Este tipo de manutenção pode encontrar falhas em seus estágios iniciais antes de tornarem-se com um grande potencial de interrupção no fornecimento de energia elétrica.
A grande maioria das falhas ocasionadas no sistema elétrico de potencia é devida a anormalidade térmica em componente elétrico. Isto faz com que a medição
da temperatura do componente seja constantemente monitorada através de análises e diagnósticos através de uso do instrumento denominado termovisor.
Este trabalho tem como objetivo apresentar algumas medidas de temperaturas realizadas conexões elétricas de alguns equipamentos elétricos de subestação e também os procedimentos adotados para determinar se estas temperaturas podem ser caracterizadas como anomalias térmicas ou uma condição normal de operação. As medidas que tratam este trabalho foram coletadas por uma equipe qualificada de manutenção de subestação pertencente à empresa transmissora de energia elétrica CEEE-GT. Utilizado como instrumento medidor de temperatura um termovisor de marca Flir do modelo P620.
Este trabalho está dividido em seis capítulos distribuídos na disposição a seguir. O capitulo um apresenta uma teoria inicial aos processos de transferência de calor como a condução, convecção e radiação. Já em seguida no capitulo dois o conceito de corpo negro é abordado com apresentação de algumas leis que regem o principio de estudo da radiação. O capítulo três é dedicado à radiação infravermelha. Apresenta um embasamento teórico a localização dentro do espectro infravermelho e um registro histórico desde o descobrimento até seus primeiros usos. A termografia infravermelha é estudada no capitulo quatro. Limitações da técnica são apresentadas quando o uso é no sistema elétrico. E também alguns métodos de inspeção termográfica. O capitulo cinco é dedicado ao termovisor. Instrumento responsável pela coleta das informações necessárias para a realização deste trabalho. E finalizando no capitulo seis, as medições de temperaturas realizadas pela equipe de manutenção e os procedimentos adotados logo após a leitura.
1 PROCESSOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
A ciência da transferência de calor está relacionada com a razão da troca de calor entre corpos quentes e frios chamados fonte e receptor. Existem três maneiras diferentes em que o calor pode se mover a partir da fonte para o receptor, mesmo quando muitas aplicações de engenharia são combinações de dois ou três processos. Há transferência de calor através da condução, convecção e radiação. Esta ultima será a de maior abordagem deste trabalho.
1.1 TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONDUÇÃO
A condução é a transferência de calor a partir de uma parte de um corpo a uma temperatura mais elevada para outra parte do mesmo corpo a uma temperatura inferior, ou a partir de um corpo a uma temperatura superior a outro corpo em contato físico com ele, a uma temperatura inferior.
O processo de condução ocorre a nível molecular e envolve a transferência de energia a partir das moléculas mais energéticas para aquelas com um nível energético mais baixo. Isto pode ser facilmente visualizado nos gases, onde se nota que a energia cinética média das moléculas nas regiões de alta temperatura é maior do que a dos nas regiões de baixa temperatura. As moléculas mais energéticas, que estão em movimento constante e aleatório, colidem periodicamente com moléculas de um nível mais baixo de energia e trocam energia e momento.
Quando as moléculas estão constantemente colidindo, uma transferência de energia das moléculas mais enérgicas para as moléculas menos energéticas deve ocorrer. Na presença de uma gradiente de temperatura, a transferência de energia por condução deve, então, ocorrer no sentido da diminuição da temperatura.
Nos líquidos, as moléculas são mais espaçadas do que nos gases, mas o processo de troca de energia molecular é semelhante ao dos gases.
Nos sólidos não condutores de eletricidade, ou dielétricos, o calor é conduzido por ondas de treliça causadas pelo movimento atômico. Enquanto nos sólidos condutores de eletricidade, o calor é conduzido também devido ao movimento de translação dos elétrons livres.
Os processos de transferência de calor podem ser quantificados em termos de equações apropriadas. Estas equações podem ser usadas para calcular a quantidade de energia a ser transferida por unidade de tempo.
Para o processo de condução, a equação é conhecida como Lei de Fourier. Para a parede unidimensional plana mostrada na Figura 1, que tem uma distribuição de temperatura ( ), a equação é expressa como:
= (equação 1)
Figura 1 - Transferência de calor unidimensional por condução
Fonte: (BERGMAN, LAVINE, et al., 2011)
O fluxo de calor ( / ), é a taxa de transferência de calor na direção por unidade de área perpendicular à direção de transferência, e é proporcional ao gradiente de temperatura, / , neste sentido. O parâmetro é uma propriedade de transporte conhecido como a condutividade térmica / e é uma característica da parede do material. O sinal menos é uma consequência do fato de que o calor é transferido no sentido diminuir a temperatura.
1.2 TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO
A transferência de calor por convecção é devido ao movimento de um fluido. O fluido frio adjacente a superfícies quentes recebe calor que logo se transfere ao resto do fluido misturando-se com ele.
A transferência de calor por convecção pode ser classificada de acordo com a natureza do fluxo. Falamos de convecção forçada quando o fluxo é causado por meios externos, tais como por um ventilador, uma bomba, ou ventos atmosféricos.
Como um exemplo, considere a utilização de um ventilador para fornecer ar de arrefecimento por convecção forçada de componentes elétricos quentes em uma pilha de placas de circuito impresso Figura 2a.
Em contraste, por convecção livre ou natural, o fluxo é induzido pelas forças de flutuação, que são devidos às diferenças de densidade causadas por variações de temperatura no fluido. Um exemplo é a transferência de calor por convecção livre, que ocorre a partir de componentes quentes em uma matriz vertical de placas de circuito em ar Figura 2b. O ar que entra em contato com os componentes, experimenta um aumento na temperatura e, por conseguinte, uma redução na densidade. Uma vez que agora é mais leve do que o ar circundante, forças de flutuação induzem um movimento vertical ascendente para os quais o ar quente das placas é substituído por uma entrada de ar ambiente mais frio.
Figura 2 - Processo de transferência de calor por convecção. (a) convecção forçada; (b) convecção natural
Fonte: (BERGMAN, LAVINE, et al., 2011)
Independentemente da natureza do processo de transferência de calor por convecção, a equação adequada é da forma:
"= ( ) (equação 2)
Onde ", o fluxo de calor por convecção ( / ), é proporcional para a diferença entre as temperaturas da superfície e dos fluidos, e , respectivamente. Esta expressão é conhecida como lei de Newton da refrigeração, e o parâmetro ( / ) é denominado de coeficiente de transferência de calor por convecção. Os valores para o coeficiente de transferência de calor por convecção para os gases e líquidos está demonstrado na Tabela 1.
Tabela 1 - Valores típicos para coeficientes de transferência de calor por convecção
Processo
Coeficiente de transferência de calor por convecção ( / ) Convecção natural Gases 2-25 Líquidos 50-1000 Convecção forçada Gases 25-250 Líquidos 100-20000
Fonte: (BERGMAN, LAVINE, et al., 2011)
Este coeficiente depende das condições na camada limite, que são influenciadas pela superfície geométrica, a natureza do movimento do fluido, e uma variedade de propriedades de termodinâmica e transporte dos fluidos.
1.3 TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR RADIAÇÃO
Considere um sólido que está inicialmente em uma temperatura superior à do seu entorno , mas que em torno existe um vácuo (Figura 3). A presença do vácuo impede a perda de energia a partir da superfície do sólido por condução ou convecção. No entanto, a nossa intuição nos diz que o sólido vai esfriar e, eventualmente, atingir o equilíbrio térmico com o seu entorno. Este arrefecimento é associado com uma redução na energia interna armazenada pelo sólido e é uma consequência direta da emissão de radiação térmica a partir da superfície.
Por sua vez, a superfície irá interceptar e absorver a radiação proveniente do meio envolvente.
No entanto, se > a taxa de transferência de calor por radiação líquida , é a partir da superfície, e a superfície vai esfriar até atingir .
Figura 3 - Resfriamento por radiação de um sólido quente
Fonte: (BERGMAN, LAVINE, et al., 2011)
Nós associamos radiação térmica com a taxa na qual a energia é emitida pela matéria como um resultado da sua temperatura finita. Neste momento radiação térmica está sendo emitida por toda a matéria que nos rodeia: pelos móveis e paredes da sala, se você estiver dentro de casa, ou pelo solo, edifício, a atmosfera e o sol se você estiver ao ar livre.
O mecanismo de emissão está relacionado à energia liberada como resultado de oscilações ou transições dos muitos elétrons que constituem a matéria. Estas oscilações são, por sua vez, sustentadas pela energia interna, e, por conseguinte, a temperatura da matéria.
Então nós sabemos que a radiação se origina devido à emissão pela matéria e que seu subsequente transporte não exige a presença de qualquer matéria. Mas qual é a natureza desse transporte? Uma teoria vê a radiação como a propagação de uma coleção de partículas denominadas fótons ou quanta. Alternativamente, a radiação pode ser vista como a propagação de ondas eletromagnéticas.
O número de ondas que passam por um dado ponto na unidade de tempo, é a frequência da radiação, e o produto da frequência pelo comprimento de onda é a velocidade da onda. Para o vácuo, a velocidade de propagação da radiação é próxima de 300 mil quilômetros por hora. Sendo o vácuo o melhor meio para sua propagação. Para um meio particular, as propriedades estão relacionadas como
O espectro magnético visto na Figura 4, é dividido em várias regiões, que são distinguidas pelos métodos usados para emissão e absorção de radiação. Estas regiões são as ondas de rádio, as micro-ondas, infravermelho, visível, ultravioleta, raios-x e raios gama.
Figura 4 - Espectro eletromagnético
Fonte: (BERGMAN, LAVINE, et al., 2011)
As ondas de raios gama, raios-x e radiação ultravioleta são de interesse principalmente para a física de alta energia e engenharia nuclear. Enquanto as micro-ondas e as ondas de rádio são de interesse da engenharia elétrica.
Já a região intermediária do espectro que se estende de aproximadamente 0,1 µm a 1000 µm e inclui uma porção das ultravioletas e toda região visível e infravermelha, esta é denominada radiação térmica porque afeta o estado térmico e temperatura da matéria.
Uma imagem mais detalhada do espectro eletromagnético pode ser observada na Figura 5 onde vemos as diferentes divisões do espectro. A frequência emitida por cada objeto do nosso cotidiano e também um comparativo do comprimento da onda de uma dada frequência com algum objeto.
Figura 5 - Divisão do espectro magnético com exemplos de emissores de radiação
Fonte: (Why are People Concerned About Electromagnetic Radiation (EMF)?)
Na região de alta frequência do espectro (ultravioleta e além), a unidade de comprimento de onda utilizado é a unidade de angstroms (Å), onde 1 Å = 10-10 m.
Na região de luz visível do espectro, tanto angstrom como o micro são utilizados como unidades de comprimento de onda.
Na região de baixa-frequência (micro-ondas e ondas de rádio), as unidades de comprimento de onda utilizadas são o milímetro (mm), o centímetro (cm), e o metro (m).
2 TEORIAS DA RADIÇÃO
Neste capitulo do trabalho será abordado o conceito de corpo negro e algumas leis que envolvem seu estudo.
Um corpo negro é, por definição, qualquer objeto que absorve completamente toda radiação incidente sobre ele. Por outro lado, a radiação emitida por um corpo negro em qualquer temperatura é o máximo possível. Um corpo negro é, portanto, um ideal ou perfeito absorvedor e radiador de radiação, em todas as temperaturas e para todos os comprimentos de onda. No trabalho de infravermelho o corpo negro é utilizado como um padrão. A sua eficiencia na absorção e irradiaçao, chamado fator de emissividade, é dita para ser igual à unidade. Qualquer objeto, corpo negro ou de outra forma, cuja temperatura é acima do zero absoluto irradia energia em todo o espectro IR. A quantidade e características espectrais da energia irradiada IR dependem da temperatura absoluta do objeto e também sobre sua natureza e acabamento da superfície. Uma superfície altamente polida como um espelho de prata ou aluminio é um absorvedor e irradiador de energia extremamente pobre, seu fator de emissividade está perto de zero. A superfície preta, áspera, como fuligem é um absorvedor e radiador de energia altamente eficiente; seu fator de emissividade é próximo da unidade. Objetos com fatores de emissividade menor que a unidade são denominados corpos cinzentos, e a grande maioria dos objetos encontrados na prática se enquadram nesta categoria. Uma cavidade enegrecida no interior aborda o corpo negro perfeito.
A temperatura absoluta do objeto radiante, o pico do comprimento de onda da radiação emitida, a forma da curva de intensidade de radiação versus comprimento de onda, e o total de energia irradiada estão relacionados pelas seguintes leis fundamentais da física. Estas leis aplicam-se a corpos negros.
Eles podem ser alterados de modo a aplicar-se a corpos cinzentos.
2.1 LEI DE PLANCK
A emissão de radiação por um corpo negro é descrita pela lei de Planck que emprega os conceitos de termodinâmica e tem a forma
=
( ⁄ ) (equação 3)
= emitância radiante do corpo negro, isto é, a força emitida por unidade de área por comprimento de onda. [ ]
= temperatura absoluta do corpo negro [°K] =comprimento de onda da radiação emitida
= 6,6256 × 10 [ ] é a constante de Planck
= 1,38054 × 10 [ ] é a constante de Boltzmann = 2,998 × 10 [ ]
A Figura 6 mostra a emitância radiante para corpos negros a várias temperaturas absolutas. A unidade do comprimento de onda para estas curvas está em micrometro. Será visto que, como a temperatura do corpo negro aumenta, a intensidade de energia radiante emitida aumenta rapidamente. Observamos que a energia irradiada é zero para comprimentos de onda próximos de zero, aumentando a um valor máximo e aproximando-se de zero para comprimentos de onda mais longos.
Figura 6 - Emitância radiante vs comprimento de onda
Fonte: (HACKFORTH, 1960)
Derivando a equação de Planck em relação ao comprimento de onda ( ) e a resolvendo para o valor máximo, obtemos ( ), o comprimento de onda em que é máximo.
= (equação 4)
Onde
= 2897 ° é uma constante
[ ] : comprimento de onda em que ocorre a máxima emitância radiante do corpo negro em uma determinada temperatura .
[° ] : temperatura absoluta do corpo negro
Esta é a lei do deslocamento de Wien. Isto afirma que o pico do comprimento de onda da radiação multiplicado pela temperatura absoluta do corpo negro é igual a uma constante. À medida que a temperatura de um corpo negro aumenta, o pico do valor da radiação tende a comprimentos de onda mais curtos.
A abaixo ilustra as curvas de Planck. A linha pontilhada representa o lugar geométrico da emitância radiante máxima ( ).
Figura 7 - Curvas de Planck
Fonte: (GAUSSORGUES, 1994)
2.3 LEI DE STEFAN-BOLTZMANN
A emitância radiante total de um corpo negro a uma temperatura absoluta pode ser obtida integrando em relação ao comprimento de onda ( ) entre = 0 até = ∞ obtem-se
= ∫ = (equação 5)
Onde,
[ ⁄ ] : emitância radiante total do corpo negro da superfície radiante; [ ] : temperatura absoluta
Graficamente a emitância radiante total ( ) representa a área abaixo da curva de Planck para uma dada temperatura específica.
2.4 EMISSIVIDADE
As leis acima foram derivadas de um corpo negro com uma emissividade de 1,0. No entanto, a maioria dos corpos encontrados na prática não é perfeita corpos negros. Eles são corpos cinzentos que irradiam ou absorvem menos do que um corpo negro à mesma temperatura. Sua emissividade é sempre menos do que a unidade. O fator de emissividade de um objeto é uma medida de sua radiação (e de absorção) eficiência. É definida como
= (equação 6)
Onde
= emitância radiante total de um corpo cinza;
= emitância radiante total de um corpo negro a uma mesma temperatura absoluta.
Isto então é referido como a emissividade total, que é a razão da energia irradiada pelo material à temperatura e a energia irradiada por um corpo negro à mesma temperatura.
Corpos cinza não obedecem às leis que regem um corpo negro. Essas leis devem ser alteradas por multiplicação do fator de emissividade. Assim, a lei de Stefan-Boltzmann, aplicada a um corpo cinzento torna-se.
= (equação 7)
Onde,
= fator de emissividade de um corpo cinza [ ]= temperatura absoluta
[ ] = 5,673 × 10 constante de Stefan-Boltzmann.
Esta é uma função do comprimento de onda, a direção de observação relativa para a superfície e a temperatura da superfície.
Em geral, a emissividade espectral varia lentamente com comprimento de onda no caso de objetos sólidos, mas oscila rapidamente no caso de gases e
líquidos. Além disso, a emissividade de uma superfície na faixa visível muitas vezes não tem nenhuma relação com sua emissividade do infravermelho. Por exemplo, a neve tem emissividade visível muito baixa, mas é um excelente corpo negro no infravermelho. Esta propriedade permite um retorno bastante lento para o estado líquido, mesmo sobre exposição ao sol. Na verdade, a maior parte da radiação solar visível é difusa e refletida; a maior emissividade infravermelha permite a re-emissão de energia infravermelha absorvida.
Os metais têm uma emissividade relativamente alta que aumenta rapidamente com a temperatura. Até um óxido é formado na superfície do metal quente. Outros materiais têm altas emissividades que tendem a diminuir com a temperatura. Em todos os casos, a emissividade depende da superfície do material.
Na Tabela 2 abaixo é apresentado o valor da emissividade para alguns tipos de materiais.
Tabela 2-Emissividade de alguns materiais
Material Temperatura °C Emissividade normal total (ε) Alumínio polido 0 0,03 Alumínio polido 100 0,05 Alumínio anodizado 100 0,55 Ouro polido 100 0,02 Ferro polido 40 0,21 Ferro oxidado 100 0,64 Aço polido 100 0,07 Aço oxidado 100 0,79 Lâmpada negra 20 0,95 Papel branco 20 0,93 Madeira 20 0,9 Vidro polido 20 0,94 Pele humana 32 0,98 Água 1 0,92 Neve 0 0,8 Fonte: (GAUSSORGUES, 1994)
3 RADIAÇÃO INFRAVERMELHA
A Radiação infravermelha é uma radiação eletromagnética. Ela é gerada pela vibração e rotação dos átomos e moléculas dentro de qualquer material cuja temperatura está acima do zero absoluto (0° K ou -273° C). Radiação infravermelha viaja em linha reta para fora da fonte. Ela é propagada no vácuo, bem como em meio físico, tal como ar, gases, líquidos ou sólidos. Ao contrário das "ondas de calor," a radiação infravermelha não é transferida por convecção térmica ou condução em meio físico. Muitas vezes a radiação infravermelha é referida como "ondas de calor". Este termo é um termo impróprio. Ele surgiu do fato de que a radiação infravermelha gera calor em qualquer objeto absorvente metido em seu caminho desde que provoque vibrações ou rotações dentro da estrutura atômica do objeto; mas assim como qualquer outra forma de radiação eletromagnética.
Objetos colocados no ponto focal de uma lente em um feixe de alta intensidade de luz visível, ou perto da fonte de um feixe de radar de alta intensidade, também se tornam aquecidos por um processo semelhante. Os perigos da excessiva exposição corporal ao intenso raio-x ou feixes de radar são bem conhecidos.
A banda de frequências de radiação infravermelha varia de aproximadamente 1 milhão para 500 milhões de megaciclos. Esta se situa entre a região de maior frequência da luz visível e a região de menor frequência de micro-ondas. Consequentemente, radiação infravermelha apresenta algumas das características de luz visível e de radar e ondas de rádio. Pode ser opticamente focado e dirigido por lentes ou espelhos ou dispersas por prismas. Ao mesmo tempo pode ser transmitido como ondas de rádio ou radar através dos materiais que são opacos à luz visível.
A radiação infravermelha está localizada entre 0,78 µm e 1000 µm do espectro eletromagnético, de outra forma, a partir do limite da região vermelha visível em 0,78 µm até o início das micro-ondas em 1000 µm.
Com o resultado do desenvolvimento de novos dispositivos detectores de infravermelho e materiais óticos, houve a necessidade de dividir a região infravermelha. Mas até hoje não existe uma padronização dos limites e outras subdivisões. Uma dezena ou mais propostas sobre a divisão da faixa do infravermelho têm sido publicados na literatura. Uma divisão precisa da radiação
infravermelha é particularmente importante para qualquer livro sobre os termovisores. Neste estudo será utilizada a divisão da radiação infravermelha da International Lightining Vocabulary publicada pela International Lightining Commission- CIE e adotada pela Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT, demonstrada na figura abaixo:
Tabela 3 - Divisão da radiação infravermelha segundo a CIE e adotada pela ABNT
Região Comprimento da onda
IR-A 0,78 µm – 1,4 µm
IR-B 1,4 µm – 3 µm
IR-C 3 µm – 1000 µm
Fonte: (CHRZANOWSKI, 2010)
Aproximadamente metade da energia no espectro solar recai sobre a radiação infravermelha e é exagero dizer que é a fonte de vida na terra, bem como uma fonte de catástrofes globais. Não é por acaso que a radiação infravermelha também é chamada de térmico. Sem ela, a nossa Terra seria como uma bola de neve sem vida. Por outro lado, a absorção de excesso de radiação solar na região do infravermelho em diferentes períodos geológicos da Terra, levou ao superaquecimento e dessecação do planeta e causou a máxima extinção de todos os viventes.
3.1 HISTÓRICO DA RADIAÇÃO INFRAVERMELHA
Após a descoberta por Sir Isaac Newton em 1666 que a luz branca passada através de um prisma era dividida nas cores do espectro visível, a existência de radiação para além do vermelho do espectro era conhecida. A emissão de infravermelho a partir de uma chama de sódio foi observada por Thomas Melville em 1752.
Radiação infravermelha foi descoberta por acidente pelo astrônomo real do Rei George III, o britânico William Herschel em seu estudo sobre o Sol em 1800. NO princípio o objetivo era proteger os olhos dos raios solares ao observar o Sol.
Utilizando um prisma para separar as cores da luz solar, de azul para vermelho, ele mediu a temperatura de cada cor usando termômetros de mercúrio muito sensíveis com os bulbos pintados de preto. Para sua surpresa, observou que a elevação máxima de temperatura ocorreu para além da faixa vermelha onde nenhuma radiação era visível. Acabou concluindo que existia naquela região, uma luz invisível aquecendo os termômetros. Para esta região deu o nome de espectro termométrico e a radiação o nome de Calor Negro. Esta é a região do espectro eletromagnético referido como infravermelho e reconhecida como a radiação eletromagnética.
Vinte anos depois, Seebeck descobriu o efeito termoelétrico, que rapidamente levou a invenção do termopar por Leopoldo Nobili em 1829. Este simples dispositivo de contato é baseado na premissa de que existe uma força eletromotriz ou tensão, que ocorre quando dois metais diferentes entram em contato, e que isto altera a resposta de um modo previsível com uma alteração na temperatura. Melloni logo refinou o termopar em uma termopilha (uma disposição em série de termopares) e focou radiação térmica sobre ele de tal maneira que ele pudesse detectar uma pessoa a 9 metros afastada. Um dispositivo similar, chamado de bolômetro, foi inventado 40 anos depois. Em vez de uma medição de diferença de potencial, um bolômetro mede a mudança na resistência elétrica relacionada com a temperatura. Em 1880, Longley e Abbot usaram um bolômetro para detectar uma vaca a 300 metros de distância.
Em 1814 Fraunhofer tinha observado mais de 700 linhas de absorção escuras no espectro infravermelho. Em 1835 Talbot, com sua declaração "Luz atravessando um meio transparente é capaz de excitar movimento entre suas partículas", tinha expressado, embora incorretamente, o princípio fundamental da absorção ressonância.
Em 1905, Coblentz publicou detalhes de novas técnicas espectroscópicas e do espectro de prisma de um grande número de sólido, líquido, e materiais gasosos.
Em 1840, John Herschel, filho do Sr. William Herschel, publicou um artigo no qual descrevia um arranjo usado para gravar imagens infravermelhas do espectro solar. Consistia de um prisma que projetava a luz do Sol sobre um papel fino preto, imerso em uma solução de tinta com álcool. As ondas de luz absorvidas pelo papel produziam diferentes taxas de evaporação da solução de tinta, e resultava em uma rudimentar imagem estampada no papel. Produziu então a primeira imagem infravermelha. Isto foi aprimorado por Marianus Czerny em 1929 criando assim o
dispositivo denominado evaporograph. Este consistia de um sistema para processamento de imagem infravermelha causada por uma diferença de evaporação de uma película de óleo. A imagem foi vista por reflexão da luz fora da película de óleo.
Em 1900, muitas técnicas para a dispersão e detecção da radiação infravermelha tinham sido concebidas. A radiação termopar e suas múltiplas versões, a termopilha e o bolômetro constituíam os meios disponíveis de detecção no momento.
Como a compreensão para as características do infravermelho e as técnicas para detectar e medir a radiação tornou-se disponíveis, as aplicações começaram a aparecer. No início, técnicas infravermelhas foram usadas somente em laboratório nas investigações experimentais sobre a própria radiação. Mais tarde, astrônomos começaram a usar detectores infravermelhos com seus telescópios para obter estimativas da temperatura das estrelas e superfícies planetárias pela medição da radiação infravermelhas a partir delas.
As primeiras aplicações de técnicas espectroscópicas de infravermelho para a indústria química ocorreu na década de 1920. Por volta de 1935 o valor da espectroscopia infravermelha como uma ferramenta analítica nos laboratórios de química e nas indústrias petrolíferas foi plenamente realizado. No entanto, antes do inicio da Segunda Guerra Mundial, os poucos espectroscópios infravermelhos eram principalmente construídos a mão e usados em laboratórios, e os interesses nas técnicas infravermelhas eram principalmente acadêmico.
A poderosa ferramenta de espectroscopia infravermelha para análises químicas tem sido utilizada por muitos anos. O método tornou-se uma ciência altamente desenvolvida, com uma variedade de instrumentos para a análise de gases e líquidos por seus espectros de absorção de infravermelhos. Os sistemas designados para os instrumentos de espectrografia de infravermelhos, como o espectrógrafo, espectrofotômetro, e monocromador foram, a ainda são, evoluções diretas dos laboratórios de física.
A indústria petrolífera depende muito do espectrômetro infravermelho para a análise qualitativa e quantitativa de hidrocarbonetos por meio do infravermelho dos diversos constituintes das misturas complexas.
Com o advento dos infravermelhos em aplicações militares, requisitos adicionais foram trazidos para suportar, o que estava relacionado com o tamanho,
peso, o consumo de energia, e a manutenção dos dispositivos de campo. Em geral, os dispositivos militares foram necessários para operar a velocidades muito maiores do que as exigidas dos instrumentos de laboratório. Novos problemas de detecção foram encontrados por causa das condições não ideais que prevalecem nas situações militares.
Com a disponibilidade de detectores mais sensíveis e eficazes de radiação infravermelha no início da guerra, a evolução começou lentamente a aparecer. Os equipamentos infravermelhos mais avançados, que atingiram status operacional durante a guerra, foram os sistemas Sniperscope e Snooperscope. Estes dispositivos utilizavam tubos de imagem foto emissivas, para observar a reflexão infravermelha a partir de cenas iluminadas por holofotes filtrados para cortar a luz visível.
Sniperscopes foram utilizadas com sucesso como parte da mira de fuzis para tiros à noite. Snooperscopes foram úteis para a condução de veículos com faróis apagados durante a noite.
Na Alemanha, as potenciais aplicações de infravermelho foram plenamente reconhecidas, e uma grande quantidade de investigação fundamental nas áreas básicas de emissões, atenuação atmosférica, e radiação de fundo, bem como no desenvolvimento de novos detectores de infravermelhos, materiais ópticos, sistemas de varrimento foram realizadas em 1930.
Com o início da guerra em 1939, a intensidade de investigação em infravermelho pela Alemanha foi muito acelerada. Principalmente em aplicações militares. O mais elevado ponto deste trabalho foi o desenvolvimento de sistemas de comunicação infravermelha para uso em terra e mar, faróis de aviões, e vários detectores infravermelhos e sistemas de rastreamento para uso contra alvos terrestres, navios e aeronaves.
Entre os dispositivos americanos podemos citar uma bomba guiada por infravermelho que usava um bolômetro como sensor, diversas variedades de dispositivos de comunicação, sistemas de varredura para detecção de alvos de irradiação de calor, como tanques ou navios, e um dispositivo de mapeamento térmico. A operação destes equipamentos deixou muito a desejar nesta época, devido principalmente às limitações dos componentes e das técnicas disponíveis.
Na Tabela 4 há uma lista dos mais variados tipos de dispositivos infravermelho relacionando alguns dos seus usos nas mais importantes áreas da ciência e na indústria.
Tabela 4 - Algumas aplicações dos sistemas infravermelhos
Sistema infravermelho Aplicações
Radiômetro infravermelho e pirômetro infravermelho
Termografia infravermelha, fotografia infravermelha; medida remota de temperatura; determinação da
temperatura das estrelas; controle de processos industriais e operações de linha de montagem
automática.
Câmera infravermelha
Análise de imagem térmica; medidas de emissividade; detecção de pontos quentes em circuitos elétricos,
reatores, etc; controle de qualidade; detecção de diferença de minuto de temperatura; medidas de radiação de fundo; gradientes térmicos em reações
químicas; fotografia térmica militar.
Monocromador infravermelho
Comprimento de onda único e investigações de banda estreita com espectrômetro infravermelho,
microscópio, telescópio.
Espectrômetro infravermelho
Estudo da estrutura molecular; investigação de reações químicas; investigação de compostos complexos; análise química qualitativa e quantitativa;
estudos do estado sólido.
Microscópio infravermelho
Medicina; bioquímica; pesquisa biológica; análise de amostras de minuto e drogas substâncias raras - perfumes, tecidos, células, sangue, fibras musculares.
Telescópio infravermelho
Usado na detecção de alvos e rastreamento de dispositivos; investigação do espectro solar; fotografia
e estudo dos corpos celestiais; investigação de satélites artificiais.
Pesquisa infravermelha e sistemas de rastreamento
Aplicação para controle de incêndio, navios, veículos, aviões, foguetes, detecção de satélite; condução
noturna e aplicação para reconhecimento.
4 CONCEITO DE TERMOGRAFIA INFRAVERMELHA
A termografia pode ser definida como uma técnica para retratar um objeto utilizando a energia térmica radiante gerada a partir da superfície deste objeto. O sistema utilizado para esta finalidade deve ser capaz de transformar uma imagem infravermelha em uma imagem visível. A sua função é, portanto, criar uma imagem visível com uma distribuição de brilho que é proporcional à radiação infravermelha gerada pelo objeto. A instrumentação é constituída por uma câmara de infravermelhos onde um sinal codificado de vídeo é gerado. E sinal pode ser gravado em um dispositivo de armazenamento ou apresentado por meio de uma imagem em um processo de descodificação em um ou mais monitores. A principal diferença entre o circuito fechado de televisão (CCTV) e termografia é que a câmera termográfica varre uma área para a radiação infravermelha invisível e não para a luz visível. Baseia-se na radiação infravermelha, uma forma de radiação eletromagnética com comprimentos de onda mais longos do que aqueles da luz visível e realiza a aquisição e o processamento de informações térmicas a partir de dispositivos de medição sem contato.
Termografia infravermelha foi desenvolvida como uma ferramenta para medição da temperatura de vários tipos de superfícies. Aplicações notáveis incluem detecção térmica de doenças como câncer e problemas circulatórios de seres humanos, o mapeamento de superfícies quentes para detectar poluição térmica e formações geológicas, e escaneamento remoto de edifícios para detectar perdas de calor. Também utilizada detectar defeitos em alta corrente de conexões elétricas, transformadores, e fornos de processamento de aço em ambientes industriais.
Os princípios fundamentais que tornam as imagens térmicas infravermelhas possíveis estão na observação de que todos os objetos emitem uma distribuição de radiação eletromagnética que está exclusivamente relacionada com a temperatura do objeto. A temperatura é uma medida da energia interna dentro de um objeto, uma média macroscópica da energia cinética (a energia de movimento) de átomos ou moléculas do qual o objeto é composto.
4.1 TERMOGRAFIA NO SISTEMA ELETRICO
Nos sistemas elétricos os processos de liga e desliga provocam nas conexões de metais mecanicamente conectadas, ciclos de aquecimento e resfriamento, dilatação e contração, gerando folgas e maus contatos.
A passagem da corrente elétrica por zonas de mau contato produz um aquecimento nas emendas ou conexões devido ao centelhamento ou perdas por efeito Joule. Este aquecimento pode chegar a uma intensidade tal que faça fundir ou romper as conexões ou emendas.
Desequilíbrios de cargas podem facilmente causar desequilíbrios de correntes em sistemas polifásicos, o que fatalmente causa um desequilíbrio térmico entre as fases. Uma fase sobrecarregada é facilmente detectada pela termografia infravermelha.
A termografia é uma técnica que está sendo utilizada há pouco tempo no setor elétrico. No Brasil não há norma que a regule em equipamentos de subestação. Ficando cada empresa transmissora de energia responsável por um método de análise termográfica. Neste trabalho será abordado o método utilizado pela empresa CEEE-GT em seus próprios equipamentos.
4.2 TERMOGRAFISTA
Profissional responsável por realizar a inspeção termográfica. Este é o elemento decisivo em uma inspeção de qualidade. Deve possuir formação adequada com treinamento específico. Conhecer a operação e as características do termovisor utilizado, como também o funcionamento dos equipamentos que serão inspecionados. Ter conhecimento sobre a teoria básica que envolve a radiação infravermelha e os processos de transferência de calor. Das influências do vento, chuva e umidade e como elas afetam a distribuição térmica dos objetos em ambientes abertos.
Em resumo o profissional deve estar motivado e ser qualificado, possuir um alto treinamento e conhecimento para que possa ser capaz de detectar todas as falhas possíveis e saber distinguir entre um real ou falso defeito.
4.3 LIMITAÇÕES DA TERMOGRAFIA
Os defeitos mais comuns em uma subestação de energia elétrica como de alta resistência elétrica, curto-circuitos, desbalanceamento de carga, sobrecarga e equipamentos instalados incorretamente podem ser detectados através da técnica da termografia.
De posse do termovisor, não podemos sair realizando as medições sem conhecer as influências e as limitações de que há nesta atividade. Estas influências e limitações podem induzir a diagnósticos errados ou incapacidade em detectar algum defeito. A baixa emissividade dos equipamentos sob análise, a variação da corrente de carga, componentes de pequena dimensão a grandes distancias são fatores que dificultam a inspeção. Já em ambientes abertos, além das mencionadas, há as influencias ambientais como o vento, a temperatura ambiente, a chuva e umidade podem interferir no resultado final das medidas.
Deve-se evitar a inspeção em dias chuvosos devido ao resfriamento do objeto e a atenuação da radiação infravermelha incidente no detector do termovisor.
Em dias ventosos com velocidade do vento superior a 25 ⁄ ou 7 ⁄ as medições ficam pouco confiáveis devido ao resfriamento provocado pelo vento podendo mascarar pequenas anomalias térmicas principalmente no corpo isolante de equipamentos.
Quando houver dúvida de que um ponto quente possa ser um reflexo, deve-se mudar o ângulo de inspeção. Resistências de aquecimento, dentro de painéis, geram reflexos e também aquecem a fiação e conexões próximas a ela, e devem ser desligadas com antecedência mínima de 30 minutos, caso ocorra alguma dúvida durante a inspeção.
Na ausência de emissividade informada pelo fabricante do equipamento a ser inspecionado, deve-se utilizar de um modo geral o índice de = 0,75 para inspeção e relatórios.
A distância deve ser a menor possível. Sempre observando a área de segurança para equipamentos energizados. A menor distância traz como vantagem a maior intensidade de radiação infravermelha incidente no detector do termovisor e maior quantidade de pixels de medição incidindo no objeto focado.
Deve ser levada em conta a temperatura ambiente nas inspeções em ambiente aberto especialmente no extremo verão e inverno. Um aumento ou uma
diminuição da temperatura resulta em uma variação da temperatura do objeto em analise. Uma falha pode ter maior probabilidade de ocorrer em dias quentes. Ao contrário, em dias frios uma falha que apresentaria um aumento de temperatura, em dias frios pode não ser detectada.
A umidade relativa do ar quanto menor a umidade do ar, menor será a perda de radiação infravermelha. Uma percentagem para a umidade favorável é abaixo de 75%.
Para as análises realizadas em ambientes abertos, o vento também exerce um papel importante no resultado final da inspeção. Vento com uma velocidade considerada baixa pode afetar a temperatura do objeto em análise. Defeitos graves podem ter a temperatura reduzida e aparentar em uma imagem térmica um problema de pouca gravidade. Do contrário, se defeitos em estagio inicial apresentar pequenos aumentos de temperatura podem não ser detectados na inspeção.
4.4 RECOMENDAÇÕES
Algumas recomendações devem ser seguidas para melhor aproveitamento da inspeção termográfica.
O objetivo deste trabalho é apresentar alguns conhecimentos sobre a técnica de termografia com vista à inspeção em subestação de alta tensão. E necessariamente o profissional executor da inspeção deverá entrar na área energizada da subestação. Alguns cuidados em relação à distância de segurança devem ser observados. Por ser a termografia uma técnica sem contato físico com o objeto alvo, recomenda-se trabalhar na zona livre, em caso de necessidade, o termografista poderá acessar a zona controlada.
Abaixo na Tabela 5 está ilustrado os raios de delimitação das zonas de risco, controlada e livre com a sua respectiva faixa de tensão nominal da instalação de energia elétrica. Junto com umas figuras ilustrando a distância de segurança que delimitam radialmente as zonas de risco, controlada e livre.
Tabela 5- Raios de delimitação de zonas de risco, controlada e livre Faixa de tensão nominal da instalação elétrica em kV Rr - raio de delimitação entre zona de risco e controlada em metros Rc - raio de delimitação entre zona controlada e livre em metros <1 0,2 0,7 ≥1 e <3 0,22 1,22 ≥3 e <6 0,25 1,25 ≥6 e <10 0,35 1,35 ≥10 e <15 0,38 1,38 ≥15 e <20 0,4 1,4 ≥20 e <30 0,56 1,56 ≥30 e <36 0,58 1,58 ≥36 e <45 0,63 1,63 ≥45 e <60 0,83 1,83 ≥60 e <70 0,9 1,9 ≥70 e <110 1 2 ≥110 e <132 1,1 3,1 ≥132 e <150 1,2 3,2 ≥150 e <220 1,6 3,6 ≥220 e <275 1,8 3,8 ≥275 e <380 2,5 4,5 ≥380 e <480 3,2 5,2 ≥480 e <700 5,2 7,2 Fonte: (CEEE-GT, 2015)
Figura 8- Distâncias no ar que delimitam as zonas de risco, controlada e livre
Fonte: (CEEE-GT, 2015)
Figura 9- Distâncias no ar que delimitam radialmente as zonas de risco, controlada e livre. Com interposição de superfície de separação física adequada
Onde:
ZL= zona livre;
ZR = zona de risco, restrita a trabalhadores autorizados e com a adoção de técnicas, instrumentos e equipamentos apropriados para o trabalho;
PE = ponto da instalação energizado;
SI = superfície isolante construída com material resistente e adotada de todos os dispositivos de segurança.
Deve ser realizada no horário de pico do sistema (carga máxima), independente do horário. Podendo ser realiza em horário noturno.
Para acompanhar serviços de linha viva, retirada de pontos quentes, na instalação de jumper provisório, energização e energização de equipamentos.
Acompanhar desligamentos ou manobras que venham a acrescentar carga a outros equipamentos (módulos de disjuntor e seccionadora de transferência).
Na energização de novas instalações ou equipamentos. Sendo o ideal no momento da energização, uma hora, 24 horas e uma semana após.
No mínimo uma inspeção noturna por ano deve ser realizada para investigar o corpo isolante de equipamentos. A inspeção deve ser em noite amena e sem vento.
Realizar a inspeção trimestralmente.
4.5 MÉTODOS DE INSPEÇÃO TERMOGRÁFICA
Existem basicamente dois métodos de inspeção termográfica conhecidos. O método qualitativo e o método quantitativo. Sendo o quantitativo o mais comum dentre eles.
O método qualitativo é bastante eficaz quando se pretende analisar o perfil termográfico, sem em princípio considerar os valores de temperatura apresentados. Neste caso, a atenção do termografista está detida basicamente à forma gráfica de como a temperatura está distribuída sobre o corpo ou objeto inspecionado.
Figura 10 - Inspeção qualitativa
Fonte: CEEE-GT
Para a Figura 10 apresentada acima, é exibida uma imagem térmica de um transformador de força. Onde a inspeção qualitativa está em uma análise geral do equipamento na busca de diferenças de temperatura entre os diversos pontos do equipamento.
Já o método quantitativo é dividido em dois sub métodos, que é o método comparativo por diferença de temperatura medida e o método comparativo por diferença de temperatura corrigida.
Para primeiro sub método é utilizada uma diferença de temperatura medida (Δtm) como uma referência em um corpo ou um objeto que esteja em análise com outro corpo ou objeto em perfeito funcionamento e realizar a comparação sob as mesmas condições operacionais. Neste caso o que interessa é a diferença de temperatura entre eles.
Como exemplo do método da diferença de temperatura medida podemos observar na Figura 11 uma inspeção realizada em uma seccionadora de distribuição onde é possível observar um ponto quente em um contato do polo da fase B. Sendo assim é feita a comparação da temperatura encontrada neste polo da chave com a temperatura dos demais polos da chave seccionadora.
Figura 11 – Método por comparação da diferença de temperatura medida Δtm
Fonte: CEEE-GT
No método seguinte de comparação por diferença de temperatura corrigida, a análise é feita levando em consideração a carga do sistema e a comparação da diferença de temperatura medida entre dois corpos ou objetos. As medições não devem ser realizadas quando a carga do sistema for inferior a 50% da nominal ou da máxima nos últimos três meses, sendo observados os módulos que contenham aumento de carga devido à sazonalidade. Tendo em vista a grande influência da corrente elétrica no aumento da temperatura na anomalia térmica, recomenda-se que a termografia seja realizada com carga maior que 50% da máxima. Para a correção da temperatura em função do aumento da corrente, utiliza-se o seguinte critério.
= , [° ] (equação 8) Sendo:
= temperatura corrigida [°C];
=diferença de temperatura medida entre dois pontos iguais em carga, localização, tipo e aparência externa [°C];
= corrente no instante da medição.
4.6 CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DAS ANOMALIAS TÉRMICAS
Inicialmente é importante enfatizar que o termografista é um profissional treinado, capacitado e habilitado para realizar a inspeção termográfica. Sendo capaz de realizar toda e qualquer modificação nas providências apresentadas a seguir. E caso julgue necessário, a intervenção no equipamento em falha deve ser realizada com um tempo inferior aos apresentados nas tabelas a seguir. Devendo esta análise ser respeitada e discutida em casos mais graves.
Este critério de avaliação foi elaborado através da empresa CEEE-GT sendo tomado como referência para a avalição comparativa por diferença de temperatura corrigida em seus equipamentos. Sendo o resultado encontrado comparado com tabelas determinando o tipo de prioridade a ser tomada para cada situação de anormalidade.
4.6.1 Anomalias térmicas em conexões e contatos
Durante a realização da inspeção termográfica, deve ser observada a diferença de temperatura (Δtm) da conexão ou contato adjacente.
Nas prioridades 0, 1 e 2, deve-se avaliar a possibilidade de instalação de by-pass na conexão ou contato em falha.
Tabela 6- Tabela de providências em relação a conexões e contatos Prioridade de intervenção Temperatura corrigida Δtc Providências 3 (oportunidade) entre 30°C e 60°C Correção quando houver oportunidade. Programar para o próximo desligamento 2 (desejável) entre 60°C e 80°C Executar correção no prazo máximo de um ano 1 (necessária) entre 80°C e 120°C Executar correção ou nova inspeção no prazo máximo de 60 dias 0 (urgência) acima de 120°C Executar correção ou nova inspeção no prazo máximo de 15 dias Fonte: (CEEE-GT, 2015)
4.6.2 Anomalias térmicas em para-raios
Durante a realização da inspeção termográfica, deve ser observado à diferença de temperatura (Δtm) dos para-raios adjacentes.
Tabela 7- Tabela de providências em relação a para-raios Prioridade de intervenção Temperatura corrigida Δtc Providências 3 (oportunidade) entre 2°C e 10°C Correção quando houver oportunidade. Programar para o próximo desligamento 2 (desejável) entre 10°C e 15°C Executar correção no prazo máximo de um ano 1 (necessária) entre 15°C e 25°C Executar correção ou nova inspeção no prazo máximo de 60 dias 0 (urgência) acima de 25°C Executar correção ou nova inspeção no prazo máximo de 15 dias Fonte: (CEEE-GT, 2015)
4.6.3 Anomalias térmicas em equipamentos
Corpos isolantes de transformador de potencial indutivo, transformador de potencial capacitivo, transformador de corrente, transformadores de força, bobinas de bloqueio, disjuntores, banco de baterias e banco de capacitores, sendo equipamentos de diferentes características, qualquer gera relatório para análise em conjunto com o setor responsável pela manutenção dos mesmos.
Durante a realização da inspeção termográfica, deve ser observado à diferença de temperatura do equipamento adjacente.
Atentar para equipamentos cuja falta de aquecimento aponta para o problema como a falta de aquecimento de resistências em disjuntores a vácuo, baixo nível de óleo em transformadores, além de radiadores de transformadores sem aquecimento.
5 TERMOVISORES
São sistemas imageadores dotados de recursos para a análise e medição de distribuições térmicas. Os termovisores compõem-se, em geral, de uma unidade de câmera e de uma unidade de vídeo (display).
As medições termográficas são realizadas com a utilização de sistemas infravermelhos, tendo como princípio a comparação entre as intensidades de radiação provenientes do corpo observado e de uma referência de temperatura.
Uma correta escolha do termovisor para utilização em subestações depende do conhecimento de algumas características técnicas do equipamento, do ambiente onde será utilizado e do componente a ser inspecionado.
A temperatura do corpo a ser inspecionado vai definir em que faixa de temperatura e comprimento de onda o termovisor deve responder. Distância e dimensão do corpo define a resolução espacial e de medida. Enquanto a temperatura do ambiente onde ocorre a inspeção determina a faixa de temperatura do termovisor.
5.1 TECNOLOGIAS DE DETECÇÃO
Sistemas termográficos infravermelhos são essencialmente radiômetros infravermelhos. Muitas vezes eles fornecem imagens infravermelha continuamente, em tempo real, semelhante à imagem de "TV" fornecida por câmeras de vídeo convencionais. A câmera em si contém, no mínimo, um detector e um componente de formação de imagem. Sistemas completos termográficos também integram um processamento de imagem e sistema de exposição. Um imageador de infravermelho muitas vezes é chamado radiométrico quando é projetado para medição de temperaturas. Imageadores não radiométricos são utilizados em aplicações que não necessitam de medir as diferenças de temperaturas quantitativas, mas são satisfeitas por uma exposição de imagem qualitativa. Por exemplo, este tipo de câmera é usado para vigilância e visão noturna. Geradores de imagens não-radiométricos não necessitam de extensa calibração, estabilidade térmica ou capacidades de processamento de imagem, tornando-os mais baratos.
Os dois tipos básicos de imageadores infravermelhos são as matrizes de plano focal e os scanners.
5.1.1 Matriz de plano focal (focal plane array- fpa)
Também conhecido como sistema fixo de detecção ou sem varredura. São os tipos mais comuns de sistemas utilizados atualmente. Eles são análogos as matrizes do dispositivo de carga acoplada (CCD) encontrados em câmeras de vídeo portáteis, mas são sensíveis ao infravermelho, ao invés de radiação visível. Em uma matriz de plano focal, cada pixel que compõe uma imagem infravermelha é medido com um detector individual. Os detectores são organizados em uma matriz bidimensional plana. Matrizes unidimensionais também são utilizadas, fornecendo imagens de linha. A matriz é colocada no plano focal do sistema óptico (lente) da câmera, como mostrado na Figura 12. Normalmente, o tamanho da matriz não excede 1024 por 1024 pixels. No entanto, maiores matrizes são produzidas de forma personalizada para usos especializados, tais como imagens astronômicas.
Operabilidade descreve o percentual de pixels funcionais em uma matriz. A maioria dos processos de fabricação oferece operabilidade superior a 99%. Ainda assim, a maioria das matrizes inevitavelmente contêm pixels ruins. Softwares geralmente mascaram esse defeito por interpolação de dados ausentes dos pixels vizinhos. Em contraste com os scanners, imageadores a matriz de plano focal são mecanicamente mais robustas e fornecem uma melhor profundidade de campo e campo de visão, como resultado de um simples design óptico. Não possuem partes móveis, além de um simples ajuste de foco.
Figura 12 - Detectores de plano focal
5.1.2 Scanners
Em um sistema de digitalização de imagens por varredura ou scanning, um ou vários detectores são combinados com um sistema de simples ou duplos espelhos. Imagens são adquiridas sequencialmente combinando medições individuais. Várias unidades de detector são utilizadas em sistemas de imagem multi espectrais, cada detector registra certa banda do espectro. Satélites Landsat antigos são equipados com sistemas de digitalização multi-espectro. A Figura 13 mostra dois designers de escaneamento. No sistema de espelho duplo, um único ponto de medição é combinado em uma linha. Muitas linhas, em seguida, compõe a imagem final.
Enquanto no sistema de único espelho, um único eixo adquire toda uma linha de uma vez com um detector de matriz linear. Uma configuração de único eixo de espelho verifica perpendicularmente à matriz linear para compor a imagem. Alguns sistemas podem ser definidos para diferentes velocidades de digitalização; taxas de quadro de 30 e 60 Hz são comuns.
Figura 13 - Configurações do sistema de escaneamento
Sistemas de scanners têm a vantagem de ser capazes de adquirir matrizes de imagem de qualquer tamanho. Muitas vezes, o fabricante fixa o tamanho da matriz de imagem; no entanto, existem também sistemas que dinamicamente configuram a cabeça de escaneamento para adquirir a matriz de imagem desejada. Detectores de mercúrio cádmio telúrio (HgCdTe) são os mais frequentemente utilizados detectores de elemento único em sistemas de escaneamento portátil, embora qualquer detector com uma resposta suficientemente rápido dinâmica poderia ser usado.
Scanners são delicados instrumentos mecânicos que não toleram vibração ou uma alta movimentação do instrumento. Outra desvantagem é que a resposta dinâmica do detector limita a inclinação máxima obtida em uma imagem em uma determinada velocidade de varredura. Como resultado, as taxas de quadros são relativamente baixas comparada as matriz de plano focal. Também, o tempo de atraso de aquisição em toda a imagem pode representar um problema quando ele está capturando eventos transientes rápidos.
5.2 FAIXA DE TEMPERATURA
Em uma subestação de alta tensão, a menor temperatura que pode ser encontrada nos equipamentos e conexões é a ambiente. Enquanto a máxima temperatura será próxima de fusão do metal utilizado nos equipamentos ou nas conexões. Como exemplo tem-se o alumínio com uma temperatura de fusão em aproximadamente 657,7°C.
Um termovisor comercializado na faixa de temperatura entre -20°C e 500°C torna-se suficiente para aplicação em subestação de alta tensão. Dificilmente o limite de 500°C será atingido em conexões elétricas. Temperaturas desta magnitude são prejudiciais ao sistema elétrico.
Para temperaturas acima desta faixa, a radiação emitida pelo objeto começa entrar na faixa de comprimento de onda visível. Assim pode ser vista a olho nu.
Com relação ao comprimento de onda utilizado nos termovisores disponíveis no mercado encontra-se entre 3µm a 5µm e 8µm a 14µm.
5.3 RESOLUÇÃO ESPACIAL
É definida como a menor distância entre detalhes sobre o objecto, expressa como um ângulo sólido, para o qual os detalhes ainda são vistos como separados. Geralmente é o ângulo sólido elementar de análise do sistema que resulta de uma combinação de fatores, como as funções de transferência da óptica, detector, eletrônica, sistema de visualização e o olho do observador.
A função de transferência de um sistema é determinada pelo contraste na imagem de um teste padrão com uma estrutura periódica de contraste unitário, e depende da frequência espacial do padrão. O problema da resolução espacial pode ser discutido em termos da capacidade do sistema para separar dois pequenos objectos ou em termos da sua função de transferência de modulação.
Estas duas abordagens estão ligadas pela transformada de Fourier. Além disso, este conceito está diretamente relacionado com a resposta temporal do sistema através da velocidade de exploração espacial.
5.4 TIPOS DE DETECTORES BOLÔMETROS
Estes são detectores de calor, em que a radiação incidente produz uma mudança de temperatura e, consequentemente, na condutibilidade. O bolômetro é geralmente parte de uma ponte e a radiação incidente produz uma resposta di enquanto uma corrente i flui no detector (esta corrente adiciona mais ruído devido a suas próprias flutuações). Para evitar interferências devido às variações na temperatura ambiente, a resistência R' é substituída por um elemento bolômetro da mesma natureza como R.
Figura 14 - Ponte bolômetro
Fonte: (WOLFE e ZISSIS, 1978)
A ponte está equilibrada quando não há excesso de radiação ao detector exposto. Uma radiação incidente, radiação infravermelha então irá causar um aumento na temperatura do detector exposto, causando uma queda em sua resistência. Isso desequilibra eletricamente a ponte, fazendo com que uma corrente flua através de Rc.
Os materiais usados como bolômetros são metais ou semicondutores (termistores).
DETECTOR PIROELÉTRICO
Estes detectores são feitos de pastilhas de cristal que produzem cargas elétricas de superfície quando aquecido. O sinal elétrico corresponde à remoção das cargas através da condução de eletrodos depositados no cristal. Uma variação dT na temperatura do cristal devido à absorção de radiação em um tempo dt produz uma variação dq polarização da carga. O detector produz um sinal elétrico proporcional à dq/dT e não pode ser usado em um fluxo contínuo.
