Aplicações da termografia como ferramenta de manutenção preditiva em conectores elétricos

Aplicações da termografia como ferramenta de manutenção preditiva em conectores...

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Av. Osvaldo Aranha 9, sala 610, Porto Alegre – RS – Brasil CEP.: 90035-190

Elisangela Pelizzari - epelizzari@demet.ufrgs.br (1) Laboratório de Metalurgia Física – UFRGS – RS – Brasil (2) Companhia Estadual de Energia Elétrica – RS - Brasil

As perdas de energia são cada vez menos aceitáveis em sistemas de geração e transmissão de energia elétrica. Juntamente, a redução das falhas catastróficas e dos prejuízos associados tem impulsionado o desenvolvimento de técnicas de inspeção e manutenção preditiva. Entre estas se encontra a termografia, técnica bastante empregada na inspeção de componentes e sistemas elétricos. Neste sentido, o presente projeto buscou o desenvolvimento de processos de inspeção e qualificação de conectores elétricos utilizando-se da técnica termográfica. Os resultados apontaram para a importância do controle operacional através do monitoramento das variações térmicas decorrentes das condições operacionais de serviço.

Palavras-chave: ensaios não destrutivos, termografia, manutenção preditiva.

As interrupções no fornecimento de energia elétrica por desligamentos imprevistos, além de causar desgaste na imagem das concessionárias e prejuízos para terceiros, trazem embutidos custos financeiros inaceitáveis, decorrentes da energia deixada de transmitir e dos danos causados em equipamentos elétricos. A decisão quanto a desligar ou não um sistema elétrico é crucial para quem trabalha em

17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguaçu, PR, Brasil.

manutenção, uma vez que sempre permanece a dúvida quanto à preservar o equipamento ou deixar o consumidor sem energia. Considerando-se que a grande maioria das falhas nos sistemas elétricos é acompanhada ou precedida de sintomas que evidenciam a evolução de fenômenos térmicos, torna-se de grande importância para o setor o desenvolvimento de processos confiáveis de medida de temperatura. Esta necessidade justifica-se pelo volume de sintomas associados à elevação de temperatura em sistemas elétricos. Por exemplo: A evolução de processos de corrosão ou mau contato produzem calor aumentando da resistência de contato “R” do material.

O calor decorre da dissipação de potência no conector “Pn”, sendo esta potência uma função do corrente passante “I” como apresentado em (A).

Como esta resistência de contato é diretamente proporcional à resistividade do material (a qual varia com a temperatura) elevações na temperatura, aumentam a dissipação de calor e conseqüentemente as perdas de energia no sistema(1, 2). Neste sentido, o presente trabalho busca o registro das variações térmicas de sistemas de conexão elétrica através da técnica termográfica. O trabalho também visa o desenvolvimento de um sistema de análise e qualificação de componentes elétricos através do desenvolvimento de equipamentos especiais de simulação de condições extremas de trabalho. Todo esse esforço tem o intuito de estudar e compreender os diferentes parâmetros externos que influem na qualidade dos resultados obtidos através da análise termográfica. Para tal, foram analisadas as normas vigentes para a utilização de conectores elétricos(3, 4) assim como avaliados os procedimentos e critérios padrões de inspeção termográfica(5, 6).

Termografia

A termografia é uma técnica de inspeção não destrutiva e não invasiva que tem como base a detecção da radiação infravermelha emitida naturalmente pelos corpos com intensidade proporcional a sua temperatura. Através desta técnica é possível identificar regiões, ou pontos, onde a temperatura está alterada com relação a um padrão pré-estabelecido. É baseada na medida da radiação eletromagnética emitida por um corpo a uma temperatura acima do zero absoluto(1, 2).

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OBS.: Radiação

A radiação térmica é a energia emitida continuamente por todo corpo que se encontre a uma temperatura não-nula. Essa energia é transmitida no espaço na forma de ondas eletromagnéticas ou fótons. A radiação não necessita de um meio para se propagar e sofre atenuação quando propagada em um meio que não seja o vácuo.

O fluxo máximo de radiação emitido por um corpo ideal à temperatura T é dado pela lei de Stefan-Boltzmann (B):

Onde Tsup é a temperatura absoluta (K) da superfície, σ é a constante de Stefan-

Boltzmann (σ = 5,67 . 10-8 W/m2. K4) e En é a emitância do corpo negro, ou radiador ideal. O fluxo de radiação emitido por um corpo real, a mesma temperatura, é sempre menor do que a emitância do corpo negro, e é dado pela relação (C):

Onde a emissividade, ε, tem valores na faixa de 0 ≤ ε ≤ 1 e ER representa a capacidade de emissão de energia de uma superfície em relação ao corpo negro. A emissividade depende do tipo de material, de seu estado de degradação, da geometria superficial e de seu acabamento, principalmente. A radiação infravermelha é uma radiação eletromagnética localizada na parte invisível do espectro eletromagnético com comprimentos de onda longos dados por (D):

A equação (D) descreve a relação entre o comprimento de onda λ (dado em metros) e a Temperatura absoluta da radiação. Uma vez definido isto, torna-se facilitada à escolha da faixa espectral de abrangência do termógrafo em função da temperatura a ser medida.

Os resultados obtidos com os termógrafos são apresentados instantaneamente, durante a inspeção, na forma de imagens térmicas ou termogramas, com o auxílio de um software adequado à técnica da termografia. Os termogramas representam as temperaturas dos corpos na forma de cores, e como a imagem obtida com o termógrafo é provida de uma escala que correlaciona cor e temperatura, é possível a obtenção de resultados esclarecedores quanto a problemas ligados direta ou

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indiretamente à temperatura. Com estas imagens, também é possível obter-se a temperatura em um ponto ou área do objeto analisado.

A termografia está fundamentada para a manutenção preventiva e preditiva em diversos segmentos, tais como: indústrias metalúrgicas, químicas, siderúrgicas entre outras. Com o desenvolvimento tecnológico, cada vez mais as técnicas preditivas serão utilizadas na manutenção dos equipamentos e processos produtivos industriais como um dos fatores de aumento da produtividade(Erro! Indicador não definido., Erro! Indicador não definido., 7).

O presente trabalho faz parte de um projeto cooperativo entre o Laboratório de

Metalurgia Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (LAMEF) e a Companhia Estadual de Energia Elétrica (CEEE) e visa o desenvolvimento de sistemas mais confiáveis de calibração e padronização dos processos de manutenção preditiva através da técnica termográfica utilizados na inspeção de componentes elétricos. Para tal, foram selecionadas e analisadas amostras de conectores de derivação em cunha. Foram realizadas medidas da resistência de contato e monitoradas as temperaturas durante a aplicação de ciclos de corrente alternada em diferentes intensidades.

O presente trabalho consistiu na análise da variação térmica de conectores de derivação elétrica de do tipo cunha. Esses conectores são fabricados em ligas de alumínio similar a liga SAE 4.0 de emissividade 0,64, e apresentam geometria compatível com os cabos de alumínio para linhas aéreas de 65 m de seção.

Para a medição das temperaturas foram utilizados um registrador de temperaturas

Modelo 4100G da ECIL com dois termopares tipo J acoplados – posicionados segundo a Figura 1.

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Figura 1: Visualização do posicionamento dos termopares para a medição das temperaturas. Foi utilizada uma termo câmera modelo PV320 da Eletrophysics, a qual trabalha na faixa espectral de 7 a 14 µm.

A resistência de contato foi medida utilizando-se um ohmímetro digital modelo

ODI – 600 da NANSEN.

Foi montado um sistema de injeção de corrente composto de um transformador de corrente alternada, um varistor e um medidor de corrente modelo ET – 3850 da Minipa. O sistema foi montado com base na norma NBR 9326 – 1986. As correntes foram variadas até o valor limite de 675 A, correspondente a 125% da carga máxima a ser suportada pelo cabo segundo designação do fabricante. A figura 2 apresenta uma visualização do sistema de medição montado.

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Figura 2: Visualização do sistema de ensaios de injeção de correntes em conectores elétricos de derivação tipo cunha.

Primeiramente, utilizando-se a equação (D) foi calculada a faixa de temperatura alcançada pelo termógrafo. A partir dos limites de comprimento de onda (7 e 14 µm) obteve-se a faixa de temperatura variante de -6 a 140 °C.

A seguir foi injetada uma corrente alternada de 540 Ampéres (100%) a qual foi mantida por duas horas visando determinar o tempo médio de estabilização da temperatura no conector. A figura 3 apresenta a curva de aquecimento da peça, monitorada pelo sistema de termopares.

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TP1 TP2

Figura 3: Curva de aquecimento do conector submetido a uma corrente alternada de 540 A.

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Nota-se que foram necessários 60 minutos para estabilizar as temperaturas. A seguir, os demais ensaios foram conduzidos por este período. A figura 4 apresenta a relação entre a temperatura e a corrente injetada no sistema de conexão. Nota-se que a temperatura cresce à medida que são elevadas as correntes injetadas, alcançando-se valores de até 110°C acima da temperatura ambiente. Os valores mais elevados foram registrados pelo termopar 2. Isto era esperado devido ao aquecimento causado pelo atrito entre as duas superfícies (cabo + conector).

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TP1 TP2

Figura 4: Temperaturas x correntes injetadas no sistema medidas através dos termopares TP1 e TP2.

Durante os ciclos de injeção de corrente, o sistema foi termografado, visando a melhor determinação das temperaturas decorrentes. As figuras 5 e 6 apresentam os termogramas obtidos para os conectores sujeitos a correntes de 135 A (25%), 270 A (50%), 405 A (75%) e 540 A (100% da corrente máxima especificada).

Figura 5: Termogramas do conector submetido à injeção de correntes alternadas de 25 e 50%.

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Figura 6: Termogramas do conector submetido à injeção de correntes alternadas de 75 e 100%.

Nota-se a distribuição não uniforme de temperaturas no sistema, onde a área central do conector (próxima ao TP1) apresenta as maiores temperaturas, segundo a análise termográfica. A figura 7 apresenta o termograma obtido para uma corrente injetada de 675 A, referente a 125% da carga máxima nominal suportada pelo conector.

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