Estendendo a visão humana além do espectro visível para aprimorar a detecção de falhas em equipamentos de alta tensão

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1 Estendendo a visão humana além do espectro visível para aprimorar a detecção de falhas em equipamentos de alta tensão Laerte dos Santos ELETROBRAS FURNAS Donizeti F. dos Santos - UNIFEI Edson da Costa Bortoni UNIFEI Apresentado e publicado em: V Corende Congreso de Ensayos No Destructivos y Estructurales 2, 3 & 4 nov. Neuquén Patagônia - Argentina 2005

2 Estendendo a visão humana além do espectro visível para aprimorar a detecção de falhas em equipamentos de alta tensão Laerte dos Santos a, Donizeti F. dos Santos b, Edson da Costa Bortoni b a Furnas Centrais Elétricas S.A. (FURNAS) b Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) ABSTRACT The sense of vision is one of the most important for human beings. When applied to electrical equipment maintenance, visual inspection is a very important low-cost non-destructive technique, and its proper use can prevent several failures and even serious accidents. Despite the advantages of the visual inspection techniques, several phenomena in industrial environments can produce radiations beyond the visible spectrum. The detection of these radiations can provide a good indication of faults in its initial phases or even imminent serious faults that can shutdown the production or endanger human lives. In the last decades, technologies that can extend our vision spectrum were developed and they have helped us to detect and prevent failures in electrical equipment. Among these new technologies, infrared thermography has proved to be a safe, reliable and cost-effective tool, when properly applied. However, it also has its limitations. The detection of corona effect through ultraviolet radiation is another technology that seems very promising in the detection of failures in high voltage electrical equipment. It has the potential to become, in the near future, an indispensable predictive tool to those who seek to achieve high productivity and excellence in maintenance. This work compares these three non-destructive techniques, and shows how they can be applied to the maintenance of high voltage electrical equipment, their limitations, the expected results for each one of them, and finally show that they complement, not replace, each other. A basic theory of each technique is introduced, taking in consideration that all of them require an optical instrument sensible to the electromagnetic radiation in different wavelengths bands: Ultraviolet, visible and infrared. Keywords: Visual inspection, Thermography infrared, Corona, Ultraviolet RESUMO A visão é um dos mais importantes sentidos na vida de um ser humano. Na manutenção de equipamentos elétricos, a inspeção visual ocupa grande importância entre as técnicas não destrutivas, capaz de evitar muitas falhas e sérios acidentes, além de ser de baixo custo. Apesar de todas as vantagens de uma inspeção visual, existem diversos fenômenos que ocorrem em um ambiente industrial que produzem radiações fora do espectro visível. Fenômenos que podem indicar defeitos em suas fases iniciais, ou mesmo sérios defeitos prestes a provocar paradas na produção e/ou perigos a vidas humanas. Nas últimas décadas temos nos deparado com tecnologias que estendem o nosso espectro de visão e tem nos ajudado a detectar e a prevenir falhas em equipamentos elétricos. Dentre essas tecnologias, a termografia infravermelha, apesar de suas limitações, tem se consolidado como uma ferramenta segura e de resultados confiáveis e lucrativos quando bem utilizada. A detecção do efeito corona por ultravioleta é outra tecnologia que desponta como uma ferramenta promissora na detecção de falhas em equipamentos elétricos de alta tensão. Essa ferramenta pode, em um futuro próximo, se tornar indispensável a uma manutenção preditiva que busca a excelência na produtividade. Este trabalho faz um paralelo entre essas três técnicas não destrutivas, mostrando como podem ser aplicadas em equipamentos elétricos de alta tensão, suas limitações, os resultados que podem ser obtidos por cada uma delas, e como elas se complementam e não se substituem. Uma teoria básica de cada técnica é apresentada, levando em consideração que todas necessitam de um instrumento óptico sensível à radiação eletromagnética em diferentes faixas de comprimentos de onda: Ultravioleta, visível e Infravermelho. Palavras chaves: inspeção Visual, Thermografia infravermelha, Corona, Ultravioleta V Corende Congreso de Ensayos No Destructivos y Estructurales Neuquén Patagônia - Argentina 2005 Rua Carmo do Rio Claro, 80 - Bairro Furnas CEP São José da Barra - MG - BRASIL Tel.: (035) Fax: (035) laertesa@furnas.com.br

3 1. INTRODUÇÃO Alta qualidade com baixo custo são qualidades cada vez mais exigidas na produção globalizada. O baixo custo está diretamente relacionado a uma boa manutenção das máquinas e equipamentos envolvidos no processo de produção, conseqüentemente a aplicação de técnicas de inspeção, orientadas à redução de falhas e perdas de produção, são desejáveis e altamente recomendadas. Em equipamentos de alta tensão, técnicas de inspeção sem contato, que possuam a capacidade de inspecionar a uma distância segura e sem interferir na produção, estão entre as mais indicadas. Em meio a essas técnicas está a inspeção visual, o mais antigo método de inspeção utilizado, de simples realização e de baixo custo operacional. Apesar de suas vantagens, existem diversos fenômenos que ocorrem em um ambiente industrial que produzem radiações fora do espectro visível e que passam desapercebidos de uma inspeção visual, fenômenos que podem indicar defeitos em suas fases iniciais, ou mesmo sérios defeitos prestes a provocarem paradas na produção e/ou perigos a vidas humanas. Por outro lado, inspeções utilizando tecnologias como a Termografia Infravermelha e a Detecção de Corona por Ultravioleta, ampliam o nosso espectro de visão, nos ajudando a detectar esses fenômenos e a prevenir falhas. A inspeção visual, a Termografia Infravermelha e a Detecção de Corona por Ultravioleta são técnicas não destrutivas, que têm em comum, a necessidade de um instrumento óptico e a capacidade de detectar, processar e visualizar radiações eletromagnéticas, ainda que, em faixas diferentes do espectro. 2. ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO A radiação eletromagnética é criada por campos elétrico e magnético que oscilam perpendicularmente um ao outro à medida que se propagam pelo espaço, sendo que seu comprimento de onda é definido como a distância entre duas cristas sucessivas (Figura 1). Ela pode ser melhor descrita como sendo um fluxo de fótons, viajando como uma onda, na velocidade da luz e transportando energia. Dependendo da quantidade de energia transportada pelo fóton, ele pode se comportar mais como uma onda ou mais como uma partícula. Fótons de baixa energia comportam-se mais como ondas, enquanto fótons de energia mais alta comportam-se mais como partículas. A radiação eletromagnética pode ser expressa em termos de energia, comprimento de onda, ou freqüência (1). c = λ.υ (1) e E = h.υ (2) Onde: c [m.s -1 ] é a velocidade de propagação no meio (no vácuo c = 2, x 10 8 [m.s -1 ]) λ [m] é o comprimento de onda υ [Hz] é a freqüência da onda E [J] é a energia h [J.s] é a constante de Planck = 6, x [J.s] As radiações eletromagnéticas existem em uma larga faixa de comprimentos de onda. Esta faixa contínua de comprimentos de onda é conhecida como espectro eletromagnético, o qual é comumente dividido em regiões que vão das ondas de rádio até os raios Gama. A Figura 2 mostra o espectro eletromagnético e suas várias regiões. Figura 1. Onda eletromagnética Figura 2. Espectro eletromagnético

4 Como pode ser observado, apenas uma estreita faixa do espectro eletromagnético, que vai do vermelho ao violeta pode ser detectada pela visão humana. Portanto, radiações na faixa de Rádio, Microondas, Infravermelho, Ultravioleta, Raios-X e Raios Gama são invisíveis ao olho humano. Em equipamentos elétricos de alta tensão, falhas geralmente são precedidas por anormalidades térmicas do componente elétrico e/ou pela ionização do gás que o circunda quando a intensidade do campo elétrico de sua superfície ultrapassa a um valor crítico. No primeiro caso ocorre a variação de radiação de infravermelho emitida pelo componente, indicando a aplicação da Termografia. No segundo caso existe a emissão de radiação na faixa de ultravioleta, sugerindo o emprego da Detecção de Corona por Ultravioleta. Ambas as tecnologias citadas estendem o espectro de visão do olho humano, cada uma em uma das extremidades do espectro visível, o Infravermelho (abaixo do vermelho) e o Ultravioleta (Além do violeta). Essas tecnologias, se aplicadas com conhecimento e observando suas limitações, complementam a inspeção visual, aprimorando a manutenção preditiva em equipamentos de alta tensão. 3. INSPEÇÃO VISUAL Como já mencionado, a inspeção visual é a mais antiga e a mais comum forma de inspeção. É um método rápido e econômico de detectar vários tipos de defeitos antes deles causarem falhas. Sua confiabilidade depende da habilidade e experiência do inspetor, que deve saber como procurar por falhas críticas e reconhecer áreas onde a falha pode ocorrer. A inspeção visual em equipamentos de alta tensão pode ser realizada diretamente (olho nú), remotamente (câmeras de vídeo) ou através de binóculos, mas o instrumento óptico básico é o olho humano. Como todo instrumento óptico possui limitações relacionadas ao campo de visão, distância, sensibilidade, etc. Sua resposta espectral varia de ambientes iluminados para menos iluminados, mas no geral, está entre 0,4µm e 0,75µm, conforme mostra a Figura 3. Através da inspeção visual pode-se detectar trincas em isoladores, corrosão ou oxidação em conexões, cabos rompidos, vazamento de óleo em transformadores e disjuntores e até mesmo casos extremos de superaquecimento em contatos como pode ser visto na Figura 4. SUPERAQUECIMENTO Figura 4. Seccionadora com contatos superaquecidos 4. TERMOGRAFIA INFRAVERMELHA 4.1. Breve Teoria da Termografia Todos os objetos com temperatura acima do zero absoluto (0 K ou -273,16 C) emitem radiação térmica devido à agitação de átomos e moléculas dos quais são constituídos. Quanto maior essa agitação, mais quente se encontra o objeto e mais radiação ele emite (3). A radiação térmica pode ser emitida nas faixas de ultravioleta, visível, infravermelho e até na faixa de microondas do espectro eletromagnético. Entretanto para temperaturas típicas encontradas em ambientes industriais, a maior parte da radiação é emitida dentro da faixa de infravermelho (3). Assim sendo, os equipamentos utilizados na detecção dessa radiação, as câmeras térmicas (Figura 5), são fabricadas com detectores que respondem a essa faixa do espectro. Figura 5. Câmeras térmicas Mais especificamente de 2µm a 5,6µm ou 8µm a 14µm, faixas do infravermelho em que a atmosfera apresenta maior transmitância, como pode ser visto na Figura 6. Figura 3. Resposta espectral do olho humano (2)

5 radiação solar, do vento e da chuva e como eles afetam drasticamente a distribuição térmica dos objetos em ambientes abertos. Deve conhecer a teoria básica que envolve a radiação infravermelha e os princípios de transferência de calor (6). Resumindo, para obter resultados consistentes, o inspetor deve ser qualificado para a inspeção, ter um alto nível de treinamento e conhecimento para que possa ser capaz de discernir entre um defeito real e uma falsa anomalia, o que pode economizar milhares de dólares em paradas e manutenções desnecessárias. Figura 6. Transmitância atmosférica As câmeras térmicas detectam a radiação infravermelha emitida pelo objeto inspecionado, que é invisível ao olho humano, e a transforma em imagens térmicas visíveis que são chamadas de termogramas. Além disso, existe a possibilidade de medição de temperatura (4). A Figura 7 apresenta um equipamento utilizado em subestações de alta tensão (filtro de onda) e seu termograma. Figura 7. Filtro de onda e seu termograma É importante ressaltar que câmeras térmicas não medem temperatura diretamente, elas detectam a radiação térmica emitida pela superfície do objeto inspecionado através de um detector, que gera um sinal de saída. O valor da intensidade desse sinal de saída, somado a alguns parâmetros fornecidos pelo operador da câmera, como emissividade, distância do objeto à câmera e outros parâmetros relativos ao ambiente, são utilizados para o cálculo da temperatura. Sendo assim, a exatidão da medida de temperatura depende da calibração da câmera térmica e da exatidão dos parâmetros informados pelo operador. Portanto, a utilização da termografia deve ser realizada por pessoal treinado e observar as limitações referentes à tecnologia e o ambiente onde ela está sendo aplicada, sob o risco de se obter resultados insatisfatórios. 5. LIMITAÇÕES DA TERMOGRAFIA 5.1. Inspetor Talvez o principal fator de limitação da inspeção termográfica seja o próprio inspetor de termografia (5). A interpretação dos resultados pode variar com o treinamento, motivação e até com a capacidade visual do inspetor (6). O inspetor de termografia deve conhecer o funcionamento dos equipamentos sob inspeção, a operação e as características da câmera térmica utilizada. Deve ter ciência da forte influência da 5.2. Equipamento Mesmo o inspetor mais qualificado não conseguirá obter bons resultados com uma câmera térmica inadequada, portanto características importantes devem ser observadas na sua escolha: Faixa de temperatura Deve ser adequada para a aplicação. No caso de sistemas elétricos de alta tensão, dificilmente existe a necessidade de ultrapassar os 500 C. Resposta espectral As faixas de comprimento de onda mais utilizadas para a fabricação de câmeras térmicas aplicáveis ao sistema elétrico são de 2 a 5,6 µm e de 8 a 14 µm, faixas nas quais a transmitância da atmosfera à radiação infravermelha é alta. Dentre essas duas, a mais recomendada é a de 8 a 14 µm, porque em inspeções realizadas em ambientes abertos e a grandes distâncias a interferência do reflexo solar e da atmosfera é menor nesta faixa. Além disso, para as temperaturas normalmente encontradas em sistemas elétricos, a radiação emitida de 8 a 14µm é maior do que na faixa de 2 a 5,6 µm. Resolução espacial Define o menor detalhe de imagem que pode ser percebido. É função do tamanho do detector e da óptica do sistema (7). Em inspeções de equipamentos de alta tensão, cujas distâncias da câmera ao objeto são relativamente grandes, esse parâmetro pode fazer a diferença entre localizar, ou não, um defeito. Resolução da medida Define o menor objeto que pode ter sua temperatura medida com exatidão a uma determinada distância. Este parâmetro pode ter grande influência na análise da severidade do defeito. Peso do equipamento um equipamento muito pesado influi no manuseio e conseqüentemente na qualidade de inspeção, além de aumentar a fadiga do inspetor e limitar a duração da inspeção. A capacidade de armazenar imagens e voz é também importante na agilização da inspeção e no pós-processamento dos dados.

6 5.3. Condições ambientais O ambiente em que é realizada a inspeção termográfica desempenha um importante papel nos resultados obtidos. A atmosfera (emitindo, absorvendo e dispersando a radiação), a radiação emitida pelo sol, a radiação emitida por objetos próximos ao objeto sob análise, a temperatura ambiente e a umidade relativa do ar influenciam nos resultados da inspeção, Figura 8. um padrão mais complexo, entre uma taxa linear e geométrica (11,12,13). Casos em que a corrente de carga está baixa, pode acontecer de certas falhas não serem percebidas ou de defeitos importantes serem subestimados. Exemplos de defeitos em equipamentos de alta tensão detectados pela Termografia Infravermelha são apresentados nas figuras 9, 10, e 11. Radiação solar Influência do meio Câmera térmica Objeto sob inspeção Figura 8. Influências do ambiente Atmosfera Emissão, absorção e dispersão Figura 9. Filtro de onda com alta temperatura na conexão esquerda O impacto das mudanças climáticas também podem ser significantes e difíceis de quantificar: Ventos com velocidade alta afetam consideravelmente a temperatura do objeto inspecionado, atuando como um resfriador convectivo e induzindo o inspetor a subestimar a severidade do defeito. A radiação solar pode mascarar pequenas diferenças térmicas indicativas de defeito, além de criar situações nas quais a sua reflexão em determinados componentes pode ser confundida por defeito. A chuva, como o vento, também resfria os componentes sob inspeção Emissividade Emissividade é uma propriedade de superfície que determina a capacidade dessa superfície em emitir e absorver radiação. Os valores de emissividade vão de 0 (refletor perfeito) a 1 (emissor perfeito - corpo negro). A emissividade varia com a qualidade da superfície, o comprimento de onda, a forma do objeto, a temperatura e o ângulo de visão (8,9,10). Como descrito anteriormente, câmeras térmicas não medem temperatura diretamente, elas detectam a radiação. Como a radiação emitida pelo objeto depende da emissividade de sua superfície, as leituras de temperatura são muito dependentes desta propriedade Carga A corrente de carga é um importante fator na inspeção termográfica de sistemas elétricos de alta tensão. O calor gerado em uma conexão defeituosa depende do fluxo de corrente que passa através dela, sendo que a potência dissipada é diretamente proporcional ao quadrado da corrente (P=I 2 R) e a temperatura apesar de aumentar com a corrente segue Figura 10. Seccionadora com alta resistência de contato Figura 11. Conexão de um Transformador de Corrente com alta temperatura 6. DETECÇÃO DE CORONA POR UV Corona é uma descarga elétrica (ruptura parcial da isolação do ar) que ocorre em uma região de alto campo elétrico, geralmente nas proximidades de superfícies condutoras. Em alguns casos, pode ocorrer também próximo a superfícies isolantes devido ao processo de ionização do ar (14). Equipamentos de alta tensão podem gerar corona devido ao alto campo elétrico. Quando a corona ocorre, radiação na faixa de 230 a 405nm é emitida (Figura 12).

7 Figura 15. Câmeras de detecção de corona por ultravioleta Figura 12. Emissão de uma descarga de corona no ar A tecnologia de detecção de corona por ultravioleta se baseia na detecção da ultravioleta emitida pela corona simultaneamente com a detecção da imagem visível. As imagens são misturadas e sobrepostas, como pode ser observado na Figura 13 (15). A atividade de corona pode causar diversas conseqüências indesejáveis, entre elas: Perda de potência em LTs Ruído audível (RA) Rádio interferência (RI) TV interferência (TVI) Eletro-erosão Degradação acelerada de isoladores poliméricos e cerâmicos. Por outro lado, a atividade de corona pode também ser indicativa de defeitos como: Figura 13. Diagrama em blocos de um detector de UV 3 Cabos rompidos (Figura 16) Poluição (Figura 17) Isolamento danificado (Figura 18) Instalação imprópria de anéis de corona Trinca em isoladores Aterramento ruim Os primeiros equipamentos fabricados não podiam ser utilizados durante o dia porque eram afetados pela radiação ultravioleta emitida pelo Sol. Para acabar com esse impedimento, filtros especiais de rejeição da radiação solar foram desenvolvidos (Figura 14), e novos equipamentos trabalhando na faixa de 240 a 280 nm, foram produzidos (15). Figura 16. Cabo com tentos rompidos Figura 14. Radiação solar e filtro passa-faixa de 240 a 280nm A figura abaixo apresenta comercializadas atualmente. Figura 17. Poluição em cadeia de isoladores

8 11 Snell, John; Renowden, Joe; Improving results of thermographic inspections of electrical transmission and distribution lines; ThermoSense XXII Madding, R. P.; Leonard, K.; Orlove, G. L.; Important measurements that support IR surveys in substations; InfraMation Lyon Jr., B. R.; Orlove, G. L.; Peters, D. L.; The relationship between current load and temperature for quasi-steady state and transient conditions; InfraMation Maruvada, P. S.; Physics of Corona and Gap Discharges; UV Inspection User s Meeting 2004 Figura 18. Motor com isolamento danificado 15 Ofil Technologies; Use of Solar Blind UV technology to detect corona and arcing 7. CONCLUSÃO Diversas e bem conhecidas são as vantagens de uma inspeção visual em equipamentos elétricos de alta tensão. Entretanto, grande parte das anomalias térmicas, indicadoras de defeitos nesses equipamentos, produz radiação fora do espectro visível. Já o efeito corona, outro possível indicador de defeitos, apesar de emitir radiação visível, é mais bem detectado e visualizado com equipamentos de detecção de ultravioleta. Portanto, a utilização de técnicas como a termografia infravermelha e a detecção de corona por ultravioleta, com conhecimento e respeitando suas limitações, aumentam consideravelmente a confiabilidade dos equipamentos de alta tensão, estendendo o período entre paradas para manutenção e evitando paradas não programadas e com perdas de produção. REFERÊNCIAS Halliday; D. I.; Fundamentals of Light; Solid State Lighting for Developing World 3 Chrzanowski, K.; Thermal Radiation; 4 Sefrim, R. J.; Infrared Thermography Advances Aid Proactive Maintenance; Jersey Infrared Consultants 5 Sefrim, R. J.; Defining the Elements for Successful Infrared Thermography; IR/INFO 95 6 Holst, G. C.; Common Sense to Approach to Thermal Imaging; JCD Publishing and SPIE Optical Engineering Press, Chrzanowski, K.; Non-contact thermometry measurement errors, Research & Development Treatises, vol. 7, Polish Chapter of SPIE, Warsaw, Madding, R. P., Emissivity measurement and temperature correction accuracy considerations; ITC Maldague, Xavier; Applications of Infrared Thermography in Nondestructive Evaluation; Université Laval 10 J. Frate, D. G.; R. Vilandré, R. D.; Evaluation of overhead line and joint performance with high-definition thermography; IEEE 2000