2. CAUSAS E EFEITOS DO SOBREAQUECIMENTO DOS EQUIPAMENTOS ELECTROMECÂNICOS

Transcrição

1 CONTROLO TÉRMICO DE EQUIPAMENTOS ELECTROMECÂNICOS (Manuel Bolotinha * i ) 1. A ABORDAGEM DO PROBLEMA O aquecimento provocado pela corrente que circula nos equipamentos electromecânicos (transformadores, geradores, motores, cabos isolados, barramentos, condutores nus das linha aéreas, etc.) e, consequentemente, a energia térmica a dissipar, é directamente proporcional ao quadrado daquela corrente e ao tempo durante o qual ela circula (lei de Joule). Se os equipamentos estiverem correctamente dimensionados, projectados e instalados, se os sistemas de protecção forem os adequados e devidamente parametrizados, se a sua utilização for aquela para os quais esses equipamentos foram selecionados e se a instalação for objecto de um programa efectivo de manutenção preventiva, não é expectável que, durante a sua vida útil (o envelhecimento natural dos materiais é inevitável), o aquecimento seja superior àquele que os equipamentos devem suportar sem se danificarem e apresentarem falhas imprevistas, de acordo com o estipulado nas normas aplicáveis e que devem ser claramente definidas na fase de projecto. A realidade é contudo bastante diferente da que atrás se referiu. E se a acção de agentes exteriores não expectáveis, tais como condições atmosféricas extremas e incomuns, aumento imprevisto da poluição ambiental ou avarias em sistemas mecânicos associados aos equipamentos eléctricos (refere-se, a título de exemplo, para esta situação falha do equipamento mecânico accionado por um motor eléctrico), pode causar danos e avarias nos sistemas eléctricos, outras razões, por certo evitáveis, contribuem para a falha dos equipamentos eléctricos. Acontece, por vezes, que os equipamentos e os respectivos sistemas de protecção são mal projectados e mal dimensionados para as funções e integração nas redes eléctricas aos quais se destinam, que tenham defeitos de fabrico não detectados atempadamente, que tenham sido mal montados e que modificações nas redes e condições de funcionamento tenham sido efectuadas sem que o equipamento existente tenha sido adaptado ou substituído por outro mais adequado às novas condições de exploração. Uma consequência do que atrás foi exposto é o sobreaquecimento, cíclico ou permanente, dos equipamentos electromecânicos. 2. CAUSAS E EFEITOS DO SOBREAQUECIMENTO DOS EQUIPAMENTOS ELECTROMECÂNICOS O sobreaquecimento dos equipamentos electromecânicos é, na grande maioria das situações, provocado por sobrecargas, cíclicas ou permanente, superiores aos valores que os equipamentos suportam e que são definidos nas normas aplicáveis 1 ou indicados 1 Referindo o caso dos transformadores de potência, os regimes de sobrecarga admissíveis são definidos nas normas IEC (International Electrothecnical Commission) (transformadores isolados a óleo), e (transformadores secos). 1

2 e garantidos pelos fabricantes. Temperaturas externas normalmente elevadas e a proximidade de fontes de calor, sem que os equipamentos estejam dimensionados para essas situações ou protegidos para tal, é também uma causa importante de sobreaquecimento. Os materiais condutores, incluindo os respectivos acessórios de ligação, ficam sujeitos a fatiga térmica, da qual resulta diminuição e/ou perda das suas propriedades, mecânicas, físicas, químicas e eléctricas. Observa-se então um aumento do seu aquecimento (a diminuição das propriedades eléctricas conduz a um aumento do estado de sobrecarga dos materiais condutores) e um aumento da resistência de contacto (nas ligações), também ela geradora de um acréscimo de aquecimento. Verifica-se, assim, uma reacção em cadeia, que terminará com a destruição do equipamento e a falha dos sistemas eléctricos, o que originará interrupções, mais ou menos importantes, no fornecimento de energia eléctrica. Os materiais isolantes, cujo sobreaquecimento é, na maior parte dos casos, o resultado do sobreaquecimento dos materiais condutores, ou da sua destruição, sofrem igualmente uma diminuição e/ou perda das suas propriedades, mecânicas, físicas e químicas, da qual resulta o seu envelhecimento precoce e a consequente diminuição e/ou perda das propriedades dieléctricas; este facto que pode também ser causado pela contaminação do dieléctrico com produtos resultantes da degradação de materiais condutores ou de outros materiais isolantes. Tal facto traduz-se, mais cedo ou mais tarde, na ruptura dieléctrica 2 do isolamento, cujas consequências são, inevitavelmente, a ocorrência de curto-circuitos nos equipamentos (mais habitualmente fase-terra, fase-fase e fase-fase-terra, menos usualmente um curto-circuito trifásico simétrico, uma vez que o sistema de protecções, se convenientemente projectado e parametrizado actuará antes de se atingir tal situação. As consequências dos curto-circuitos anteriormente referidos são semelhantes às indicadas para a degradação dos materiais condutores. 3. TERMOGRAFIA POR INFRAVERMELHOS O exame (ou ensaio) termográfico por infravermelhos 3 é um método não destrutivo e sem contacto com os equipamentos, realizado por meio de um equipamento próprio (câmara termográfica ver Figura1) e que permite detectar os pontos mais quentes dos equipamentos e respectivos componentes, habitualmente designados por hot spot, que podem ser prenúncios de defeitos ou mau funcionamento nos sistemas electromecânicos. 2 A ruptura dieléctrica de um material isolante acontece quando o valor do campo eléctrico a que ficam submetidos é muito intenso, tornando esses materiais condutores. Diz-se que, nestas circunstâncias, se dá uma disrupção. 3 Os raios infravermelhos, cujo espectro não é visível pelo olho humano, são os que apresentam o maior comprimento de onda (> 740 nm; nm: nanómetro 1 nm = 10-9 m) de entre os espectros das radiações que constituem a luz. O comprimento de onda, representado por λ, é uma grandeza física que, para uma onda periódica, indica a distância entre valores repetidos sucessivos dessa onda. Está relacionado com a frequência (f) da onda pela expressão λ = c/f, onde c representa a velocidade da luz ( km/s). 2

3 Figura 1 Câmara termográfica por infravermelhos De acordo com a lei da radiação dos corpos negros 4, ou mais correctamente Lei de Planck 5, qualquer objecto, e particularmente os equipamentos electromecânicos que constituem o objecto desta análise, para temperaturas superiores a 0 K 6 ( -273 C) emitem radiações de infravermelhos (habitualmente o espectro desta radiação é designado por IR, a sigla inglesa para infrared ), sob a forma de energia (habitualmente designada por assinatura térmica ) e cujo comprimento de onda depende da temperatura, com uma frequência que é inversamente proporcional à temperatura. As câmaras termográficas anteriormente referidas estão equipadas com um detector óptico de IR que converte a radiação emitida pelo equipamento em sinais eléctricos, que, usualmente, através de um modelo matemático, apresenta num monitor exterior, ou incluído na própria câmara a solução mais habitualmente utilizada neste tipo de ensaio o equipamento analisado com vários graus colorimétricos, correspondendo cada cor a uma temperatura (ou gama de temperaturas) pré-definida, dando origem a uma imagem designada por termograma, como se representa na Figura 2. Padrões anormais ou não expectáveis podem ser uma indicação de problemas nos equipamentos, que podem conduzir a defeitos severos ou mesmo incêndio. Transformador de potência Linha aérea 4 Corpo negro é um conceito da Física, que se refere a objeto teórico que tem a propriedade de absorver toda a radiação eletromagnética que nele incide, não sendo atravessado pela luz nem a reflecte. Este corpo teoricamente não pode ser visto pelo olho humano (daí derivando o seu nome), mas na realidade emite radiação, fenómeno que permite determinar sua temperatura. 5 A Lei de Planck aplicada à radiação do espectro dos corpos negros, ou radiância espectral (quantidade de luz que atravessa ou é emitida sobre uma superfície determinada) estipula que aquela propriedade varia com o comprimento de onda e a temperatura da radiação do corpo negro. A radiância espectral, de acordo com o SI (Sistema Internacional de Unidades) é medida em watt por esferorradiano por metro quadrado (W sr 1 m 2 ). O esferorradiano (símbolo: sr) é uma unidade adimensional, que de acordo com o SI, exprime a medida do ângulo sólido. 6 K: grau kelvin, unidade de temperatura de acordo com o SI. 3

4 Figura 2 Termogramas de equipamentos Deve notar-se que o espectro e o valor da radiação térmica emitida pelos equipamentos varia fortemente com a temperatura da sua superfície exterior, mas que aquela radiação pode ser influenciada por factores intrínsecos dos equipamentos (a emissividade 7 do equipamento) e por factores externos, dos quais se referem as radiações emitidas pelo meio ambiente e outros equipamentos que se encontrem na proximidade e pela capacidade de absorção das radiações pela atmosfera circundante. O ensaio termográfico por IR é habitualmente realizado cada 2 ou 3 anos, com o equipamento em tensão, a plena carga. Condições funcionamento ou ambientais severas podem requerer que este teste se realize anualmente, ou em períodos mais curtos. Este mesmo ensaio deve ser também realizado após intervenções significativas de manutenção, para verificar se as reparações requeridas foram devidamente executadas e durante o funcionamento normal dos equipamentos, para memória futura (comparação com outros resultados obtidos quer como acção de manutenção preventiva quer após uma reparação). Recomenda-se que o ensio termográfico seja realizado nos seguintes equipamentos: Transformadores de potência Linhas aéreas Geradores Motores Barramentos de subestações e quadros eléctricos de média e baixa tensão Ligações de cabos de potência de alta e média tensão e em baixa tensão para secções elevadas De entre os diversos fabricantes de câmaras termográficas mais conceituados destacam-se a Doble Engineering, a Fluke e a FLIR Systems. 4. CONTROLO TÉRMICO DE EQUIPAMENTOS POR FIBRA ÓPTICA Mau grado a ampla fiabilidade e precisão da termografia por IR, não só a instalações electromecânicas têm pontos escuros que as câmaras não conseguem alcançar e que 7 A emissividade de um material representa a capacidade que esse material tem de emitir energia térmica sob a forma de ondas electromagnéticas, por meio de radiação da sua superfície para temperaturas superiores a 0 K. É uma propriedade óptica da matéria. 4

5 são de difícil acesso (normalmente aqueles pontos só são acessíveis, em segurança, com a instalação desligada), mas também a grande maioria das câmaras termográficas não permitem a transmissão dos termogramas à distância, impedindo, assim, o controlo permanente, online, dos pontos quentes dos equipamentos. Uma das formas de resolver este problema é a utilização de equipamentos de controlo de temperatura por fibra óptica, uma tecnologia desenvolvida pela Grace Engineered Products. Este aparelho de ensaio, cuja designação comercial é GraceSense Hot Spot Monitor (HSM), e que se representa na Figura 3, é não condutor e tem a propriedade de realizar os testes (não destrutivos) de temperatura com os equipamentos em serviço, podendo funcionar isoladamente ou integrado no sistema de comando e controlo da instalação e por ele configurado. Figura 3 Detector de temperatura por fibra óptica O aparelho central de teste é permite a instalação em calha DIN (ver Figura 4), em local acessível ao operador e, segundo o modelo, pode contrloar até 18 módulos de controlo, isto é, pode avaliar a temperatura até 18 pontos da instalação. A transmissão à distância dos sinais de temperatura para os sistemas SCADA e/ou DCS 8 pode ser feito via MODBUS TCP I/P or Ethernet I/P. Aparelho de teste Figura 4 Instalação de um equipamente de controlo de temperatura em calha DIN A temperatura de funcionamento dos módulos de controlo varia entre -20 C e +70 C, com uma resolução de 1 C e uma precisão de ± 2 C. 8 SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition. DCS: Distributed Control System. 5

6 O sensor é constituído por um cabo polimérico de fibra de vidro, com uma temperatura de funcionamento entre -20 C e +120 C; na extremidade do sensor que é ligada ao equipamento cuja temperatura se pretende controlar existe um terminal de olhal, com fixação por parafuso ver Figura 5. Terminal do sensor Sensor Fibra polimérica Figura 5 Extremidade do cabo sensor As aplicações típicas deste equipamento são: Quadros de média e baixa tensão Transformadores secos Geradores Motores Barramentos Caixas de junção de cabos i Engenheiro Electrotécnico Energia e Sistemas de Potência (IST 1974) Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores (FCT-UNL 2017) Consultor em Subestações e Formador Profissional O Autor não utiliza o Novo Acordo Ortográfico 6