Universidade Federal de Itajub Programa de Ps-Graduao em Engenharia da Energia

TERMOGRAFIA INFRAVERMELHAem Subestaes de Alta Tenso Desabrigadas

LAERTE DOS SANTOS

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia da Energia da Universidade Federal de Itajub como requisito parcial para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia da Energia.

Orientador: Prof. Dr. Edson da Costa Bortoni

Itajub 2006

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minha esposa Luzia e aos meus filhos Marco Tlio, Larissa, Paulo, Patrcia e Simone.

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AGRADECIMENTOSAo Senhor Deus, criador do universo. Aquele que nos apresenta pessoas e situaes, que muitas vezes parecem estar em direo oposta ao objetivo to desejado, mas que no tempo adequado se revelam como elementos essenciais para alcan-lo. Minha me e ao meu j falecido pai, que se estivesse vivo teria o maior orgulho de seu filho. Minha esposa e aos meus filhos que renunciaram s poucas oportunidades de lazer que ainda tm, para serem meus maiores incentivadores e parceiros nesse trabalho. FURNAS CENTRAIS ELTRICAS S.A., empresa que acolheu meu pai, meus tios, meus irmos e me acolhe desde 1982. Ao Eng. Ricardo Medeiros, gerente da Superintendncia de Engenharia de Manuteno EM.O por possibilitar o desenvolvimento desse trabalho. Ao Eng. Luiz Antnio Gouva de Albuquerque, gerente do Centro Tcnico de Ensaios e Medies CTE.O. Administrador que v na educao e no conhecimento diferenciais de um trabalho confivel e de qualidade. Meus agradecimentos por acreditar e apoiar esse trabalho, do incio at a sua concluso. Ao Eng. Juarez Neves Cardoso, gerente do Laboratrio de Medidas Eltricas e Eletrnicas - LAME.O pelo apoio e confiana nos resultados desse trabalho. Ao Professor Doutor Edson da Costa Bortoni, meu orientador, que acreditou na proposta desse trabalho mesmo antes do mestrado ter se iniciado. Ao meu irmo Donizeti e ao meu amigo Jos Geraldo, companheiros de mestrado e, principalmente, de incentivo mtuo para enfrentar os 600 km de estrada e 16 horas de aulas toda semana.

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Aos meus amigos de Furnas, envolvidos com a termografia, com quem estou sempre aprendendo e descobrindo as novas possibilidades de aplicao desta tcnica. Aos amigos e companheiros de trabalho do Centro Tcnico de Ensaios e Medies CTE.O que me incentivaram durante o desenvolvimento dessa dissertao.

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NDICEAGRADECIMENTOS................................................................................................ IV NDICE ...................................................................................................................... VI NDICE DE FIGURAS ............................................................................................... IX NDICE DE TABELAS ............................................................................................ XIII RESUMO................................................................................................................. XIV ABSTRACT.............................................................................................................. XV 1. INTRODUO ......................................................................................................16 2. REVISO DA LITERATURA ................................................................................192.1. HISTRICO.................................................................................................................... 19 2.2. REVISO DA LITERATURA ESPECFICA................................................................... 22 2.3. TEORIAS ENVOLVIDAS ............................................................................................... 29

2.3.1. Calor....................................................................................................................... 29 2.3.2. Temperatura ........................................................................................................... 30 2.3.3. Modos de Transferncia de Calor .......................................................................... 30 2.3.3.1. Conduo ......................................................................................................... 30 2.3.3.2. Conveco ....................................................................................................... 33 2.3.3.3. Radiao .......................................................................................................... 34 2.3.3.3.1. Radiao Infravermelha................................................................................ 35 2.3.4. Teoria da Radiao ................................................................................................ 37 2.3.4.1. Leis da Radiao para o Corpo Negro............................................................. 40 2.3.4.1.1. Lei de Planck ................................................................................................ 40 2.3.4.1.2. Lei do deslocamento de Wien ...................................................................... 43 2.3.4.1.3. Lei de Stefan-Boltzmann .............................................................................. 45 2.3.4.2. Leis da Radiao para emissores reais ............................................................ 46 2.3.4.2.1. Efeito Cavidade ............................................................................................ 49 3. LIMITAES DA TERMOGRAFIA ......................................................................513.1. INSPETOR ..................................................................................................................... 53 3.2. TERMOVISOR................................................................................................................ 54

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3.2.1.Tecnologias de deteco.......................................................................................... 55 3.2.2. Faixa de temperatura ............................................................................................. 57 3.2.3. Faixa espectral ....................................................................................................... 58 3.2.4. Resoluo espacial ................................................................................................. 60 3.2.5. Resoluo de medida .............................................................................................. 62 3.2.6. Sensibilidade trmica ............................................................................................. 65 3.2.7. Taxa de repetio de quadro (Frame Rate) ........................................................... 65 3.2.8. Termovisor recomendado para inspees em subestaes de alta tenso............. 663.3. EQUIPAMENTO / COMPONENTE SOB INSPEO.................................................... 67

3.3.1. Emissividade........................................................................................................... 67 3.3.1.1. ngulo de viso ............................................................................................... 72 3.3.2. Corrente de carga................................................................................................... 743.4. CONDIES AMBIENTAIS........................................................................................... 82

3.4.1. Transmitncia atmosfrica ..................................................................................... 82 3.4.1.1.Absoro........................................................................................................... 83 3.4.1.2. Disperso ......................................................................................................... 83 3.4.1.3. Emisso............................................................................................................ 83 3.4.1.4. Turbulncia...................................................................................................... 83 3.4.2. Atmosfera terrestre ................................................................................................. 84 3.4.2.1. Ensaio para verificao da atenuao atmosfrica .......................................... 86 3.4.3. Fatores Climticos ................................................................................................. 90 3.4.3.1. Radiao solar ................................................................................................. 92 3.4.3.1.1. Carregamento solar....................................................................................... 92 3.4.3.1.2. Reflexo Solar ................................................................................................ 95 3.4.3.2. Chuva e umidade ............................................................................................. 98 3..4.3.2.1. Resfriamento................................................................................................ 99 3.4.3.2.2. Atenuao ................................................................................................... 100 3.4.3.3. Vento ............................................................................................................. 101 3.4.3.4. Temperatura ambiente ................................................................................... 105 4. PROCEDIMENTO DE INSPEO .....................................................................1074.1. ESCOPO ...................................................................................................................... 107 4.2. OBJETIVOS ................................................................................................................. 107

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4.3. DEFINIES................................................................................................................ 108 4.4. RESPONSABILIDADES .............................................................................................. 110 4.5. INSPEO TERMOGRFICA..................................................................................... 111 4.6. SEGURANA NAS INSPEES ................................................................................ 114 4.7. AVALIAO DA SEVERIDADE DAS ANOMALIAS TRMICAS ENCONTRADAS.. 115 4.8. MODELO DE RELATRIO DE INSPEO TERMOGRFICA.................................. 121

5. CONCLUSO .....................................................................................................122 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS.......................................................................124

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NDICE DE FIGURASFigura 1 Evoluo dos Termovisores ....................................................................22 Figura 2 Chapa plana indicando a direo do fluxo de calor. ................................31 Figura 3 - Variao da condutividade trmica com a temperatura. ..........................32 Figura 4 Transferncia de calor por conduo em uma seccionadora.. ................33 Figura 5 Termograma de um TP e a visualizao do nvel de leo.......................34 Figura 6 Espectro eletromagntico........................................................................35 Figura 7 Onda eletromagntica .............................................................................38 Figura 8 Discrepncia entre a distribuio espectral do Corpo Negro e as calculadas pela Lei de Wien e Lei de Rayleigh-Jeans. .........................39 Figura 9 Exitncia radiante espectral de um Corpo Negro ....................................41 Figura 10 Relao entre a temperatura (T) e a exitncia radiante espectral de um Corpo Negro (M b) para diferentes comprimentos de onda (). ...........42 Figura 11 Curvas de Planck em escala semi-log...................................................44 Figura 12 Comprimento de onda (mx) em que ocorre a mxima exitncia radiante do Corpo Negro (Mbmx) em uma dada temperatura (T)........................44 Figura 13 Exitncia radiante total do Corpo Negro (Mb) em uma dada temperatura (T). ........................................................................................................45 Figura 14 Radiao incidente em um objeto real e as possveis fraes de radiao absorvida (), refletida () e transmitida ()........................47 Figura 15 Exitncia radiante espectral dos trs tipos de fontes de radiao. ........48 Figura 16 Emissividade espectral dos trs tipos de fontes de radiao. ...............48 Figura 17 Radiao incidindo em uma superfcie de baixa emissividade..............50 Figura 18 Inspeo termogrfica em um equipamento de subestao. ................51 Figura 19 Inspeo termogrfica em um equipamento de subestao com as possveis influncias. ............................................................................52 Figura 20 Diagrama simplificado de um Termovisor genrico...............................54 Figura 21 - Esquema simplificado de um Termovisor com sistema de deteco por varredura...............................................................................................55 ix

Figura 22 Esquema simplificado de umo Termovisor com sistema fixo de deteco (FPA).....................................................................................................56 Figura 23 Resposta espectral de alguns detectores de infravermelho. .................57 Figura 24 Seccionadora com os contatos acima de 500 C, tornando visvel parte da radiao emitida...............................................................................58 Figura 25 Espectro eletromagntico e as faixas espectrais utilizadas na fabricao de Termovisores comerciais. ................................................................58 Figura 26 Energia disponvel nas faixas de 3 a 5 m e de 8 a 14 m para um objeto a uma temperatura de 300 K (26,8 C). .....................................59 Figura 27 Representao do Campo de Viso (FOV) e do Campo de Viso Instntaneo (IFOV) de um Termovisor..................................................60 Figura 29 - Grampo que fixa o cabo pra-raio na estrutura da torre. .......................64 Figura 30 Imagem visvel e trmica da superfcie de um ferro de passar roupa com diferentes emissividades. ......................................................................68 Figura 31 Conexo com alta temperatura e baixa emissividade ...........................69 Figura 32 Percentagem de componentes defeituosos encontrados pela inspeo termogrfica na CHESF. .......................................................................70 Figura 33 - Percentagem de componentes defeituosos encontrados pela inspeo termogrfica em FURNAS.....................................................................70 Figura 34 Equipamentos e conexes apresentando maior emissividade nas reas de cavidades. ........................................................................................72 Figura 35 Conexo apresentando maior emissividade nas reas oxidadas..........72 Figura 36 Emissividade em funo do ngulo de viso.........................................73 Figura 37 O termografista deve buscar a viso mais perpendicular possvel com a superfcie do componente sob inspeo. ..............................................73 Figura 38 Grfico da corrente circulante pela seccionadora no perodo de 24 hs.75 Figura 39 Termogramas mostrando o efeito da corrente sobre a temperatura de uma seccionadora com alta resistncia de contato e sobre a temperatura de uma seccioandora normal............................................76 Figura 40 Esquema do ensaio para determinar a variao da temperatura em uma conexo em funo da corrente............................................................78 Figura 41 Foto do experimento Temperatura x Corrente. .....................................79

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Figura 41 Grfico da variao de Temperatura em funo da Corrente em uma conexo defeituosa. ..............................................................................80 Figura 43 Transmisso da atmosfera para uma distncia de 1,8 km ao nvel do mar com 17 mm de precipitao de chuva. ..........................................85 Figura 44 Transmitncia atmosfrica para uma distncia de 10 m. ......................86 Figura 45 Transmitncia atmosfrica para uma distncia de 50 m. ......................86 Figura 46 Esquema do ensaio para a determinao da atenuao atmosfrica. ..87 Figura 47 Foto do ensaio para a determinao da atenuao atmosfrica. ..........88 FIgura 48 Grfico da temperatura em funo da distncia - Referncia (Corpo Negro) em 50 C. ..................................................................................89 FIgura 49 Grfico da temperatura em funo da distncia - Referncia (Corpo Negro) em 100 C. ................................................................................89 Figura 51 Esquema do ensaio para a monitorao das temperaturas das conexes (normal e defeituosa) e da influncia de fatores climticos...................91 Figura 52 Foto do ensaio para monitorao das temperaturas das conexes (normal e defeituosa) e da influncia de fatores climticos...................91 Figura 53 Termogramas de uma conexo defeituosa e uma conexo normal - (a) Sem carregamento solar (22:51 h).. - (b) Com carregamento solar (17:26 h)...........................................................................................................93 Figura 54 Energia do Sol tipicamente vista atravs da atmosfera da Terra. .........93 Figura 55 Variao da temperatura das conexes durante perodos com e sem a incidncia de radiao solar..................................................................94 Figura 56 Termogramas de um Transformador de Corrente, sob o Sol, obtidos de trs posies distintas...........................................................................95 Figura 57 Esquema do ensaio realizado para demonstrar o efeito do reflexo solar ..............................................................................................................96 Figura 58 Reflexo solar provocando um falso ponto com alta temperatura em uma conexo de um Transformador de Corrente - TC .................................97 Figura 59 Saturao da gua no ar em funo da temperatura (ao nvel do mar).98 Figura 60 Efeito da chuva sobre a temperatura das conexes do ensaio da Figura 51. .........................................................................................................99 Figura 61 Efeito da chuva sobre a temperatura das conexes do ensaio da Figura 51. .........................................................................................................99 xi

Figura 62 Disperso em funo do comprimento de onda para diferentes intensidades de neblina (nevoeiro) e para uma distncia de 1 Km. ....100 Figura 63 Efeito do vento sobre a temperatura de um disjuntor a leo. ..............101 Figura 64 Reduo da temperatura do componente em funo da velocidade do vento. ..................................................................................................102 Figura 65 Variao da velocidade e direo do vento, monitorados por um perodo de 24 horas, em uma subestao de alta tenso desabrigada. ..........103 Figura 66 Efeito do vento sobre a temperatura de uma conexo defeituosa e uma normal. ................................................................................................104 Figura 67 Efeito do vento sobre a temperatura de uma conexo defeituosa e uma normal .................................................................................................104 Figura 68 Variao da temperatura de uma conexo defeituosa e outra normal e da temperatura ambiente durante um perodo de aproximadamente 70 horas. ..................................................................................................105

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NDICE DE TABELASTabela 1 Diferentes divises propostas na literatura para a regio de radiao infravermelha..........................................................................................36 Tabela 2 Diviso baseada em limites espectrais de detectores de infravermelho .37 Tabela 3 Diviso da radiao infravermelha adotada pela ABNT..........................37 Tabela 4 Energia disponvel nas faixas de comprimento de onda dos Termovisores ...............................................................................................................59 Tabela 5 Absorbncia solar e emitncia infravermelha para diferentes superfcies a uma temperatura prxima de 300 K (26,85 C) ......................................71 Tabela 6 Resultados da variao da Temperatura em funo da Corrente...........79 Tabela 7 Aplicao da Equao 23 nos resultados da Tabela 6. ..........................80 Tabela 8 Gases que formam a atmosfera..............................................................84 Tabela 9 Fator de correo para uma placa vertical............................................103 Tabela 10 Comparativo de critrios de severidade de algumas Normas internacionais. ......................................................................................117

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Resumo

RESUMOA Termografia Infravermelha, se corretamente utilizada, uma excelente ferramenta de manuteno preditiva em subestaes de alta tenso, detectando defeitos em seus estgios iniciais e evitando paradas no programadas, aumentando a segurana nas inspees e aumentando o tempo entre as paradas para manuteno e conseqentemente, aumentando a confiabilidade do Sistema Eltrico e reduzindo custos. Contudo, possui limitaes, principalmente quando realizada em ambientes abertos, onde os resultados obtidos podem ser alterados consideravelmente por influncias ambientais, dificultando a anlise e o correto diagnstico dos equipamentos inspecionados. Essa dissertao de Mestrado tem como objetivo definir as principais limitaes e influncias sobre uma inspeo termogrfica em subestaes de alta tenso desabrigadas. Analisar, desde a influncia de quem executa a inspeo (termografista), as limitaes do equipamento utilizado para se fazer a inspeo (termovisor), as condies do equipamento sob inspeo, at as influncias de fatores ambientais sobre a medio e a anlise das anomalias trmicas encontradas. Apresentar de modo prtico, atravs de ensaios em laboratrio ou em campo, a implicao dessas influncias e discutir meios de reduzi-las ou evit-las. A partir da, desenvolver uma metodologia de inspeo capaz de obter resultados mais confiveis, possibilitando uma anlise mais consistente dos defeitos encontrados.

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Abstract

ABSTRACTThe Infrared Thermography, when correctly applied, is an excellent predictive maintenance tool for high voltage substations. Its utilization allows the detection of failures in their initial phases avoiding, therefore, undesired not programmed maintenances. Consequently there is an increasing in the inspections safety, time between maintenances and power system reliability, reducing costs. However, there are limitations in its applications, mainly when it is carried out in outdoor environments. In these conditions, the obtained results can be considerably influenced by environmental quantities, turning the analysis more difficult and diagnosis of inspected equipments less reliable. The aim of this dissertation is at to define the main limitations and influences on a thermographic inspection on uncovered high voltage substations. It analyzes the influence from who executes the inspection (the thermographer), the limitations of equipment employed in the inspection (thermal camera) and the conditions of equipment under inspection. The influences of environmental factors over the measuring and the analysis of thermal anomalies identified are also considered. It presents the implications of these influences, through tests in laboratory and in field, proposing procedures to reduce or to avoid them. After that, the development of an inspection methodology in order to get more reliable results is made, enabling a more consistent analysis of the found failures.

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1. INTRODUOO Sistema eltrico nacional compreendendo a gerao, transmisso e distribuio de energia eltrica parte fundamental na infra-estrutura brasileira. Segundo dados da Agncia Nacional de Energia Eltrica ANEEL, o mercado de energia eltrica experimenta um crescimento da ordem de 4,5% ao ano, devendo ultrapassar a casa dos 100 mil MW em 2008, (ANEEL, 2006). Portanto, torna evidente a importncia de se investir na expanso do Sistema Eltrico. Mas to importante quanto a expanso, a eficaz manuteno do Sistema instalado, proporcionando disponibilidade de energia com qualidade, continuidade e baixo custo, fatores vitais para o bom desempenho da economia brasileira. Sob esse ponto de vista, se faz necessrio buscar a melhor estratgia para manter os equipamentos em operao e reduzir as falhas no Sistema Eltrico. Entre essas estratgias est a Manuteno Preventiva, que determina intervenes programadas e peridicas para a substituio ou reparo de componentes especficos em funo de parmetros como vida til nominal e experincia anterior, alm de dados histricos e estudos estatsticos, mas no a real condio de funcionamento dos equipamentos. Embora para o Sistema Eltrico possa ser melhor que uma Manuteno Reativa, na qual o componente s substitudo ou reparado quando ocorre a falha, a Manuteno Preventiva freqentemente deixa sem manuteno componentes que deveriam ser reparados ou substitudos, ou so reparados ou substitudos componentes em bom estado de operao, (Abende, 2006). Outra abordagem para manter os equipamentos a Manuteno Preditiva, que ao invs de realizar a manuteno em um intervalo regular, ela s efetuada se a condio do equipamento requerer esta atividade. Na Manuteno Preditiva, falhas podem ser encontradas e corrigidas em seus estgios iniciais, antes que se tornem falhas potenciais capazes de provocar a interrupo no fornecimento da energia eltrica. Com ela possvel reduzir custos e o tempo de interveno atravs do conhecimento prvio dos defeitos a serem corrigidos, aumentar a disponibilidade dos equipamentos para o fornecimento de energia, minimizando os riscos de acidentes e interrupes inesperadas. Na manuteno preditiva, certos parmetros dos componentes devem ser monitorados para identificar o incio da falha e corrigi-la, (Okrasa et alii, 1997). Em 16

sistemas eltricos as falhas freqentemente so precedidas de uma anormalidade trmica do componente eltrico, fato que faz da medio de temperatura um dos principais parmetros de anlise e diagnstico, (Newport, 2002). A medio de temperatura pode ser realizada por dois mtodos: Medio por contato, na qual termmetros de lquido em vidro, termmetros de resistncia e termopares so utilizados. Medio sem contato, na qual termmetros de infravermelho

(radimetros), pirmetros pticos e Termovisores podem ser empregados, (Holst, 2000). A escolha, de um ou de outro mtodo, vai depender basicamente da aplicao. Em sistemas eltricos, fatores como segurana, distncia do objeto a ser medido, agilidade na obteno da medida e o carter no destrutivo do mtodo, fazem da medio sem contato uma opo bastante atraente e, em certos casos, a nica opo. Dentre as alternativas de medio sem contato, a termografia infravermelha possui a grande vantagem de ser um mtodo visual e capaz de examinar grandes superfcies em pouco tempo (alto rendimento), ideal para locais com grande quantidade de equipamentos a ser inspecionada como o caso de subestaes de alta tenso, (Santos et alii, 2005). A aplicao da Termografia Infravermelha em subestaes de alta tenso possui limitaes, principalmente quando realizada em ambientes abertos, onde os resultados obtidos podem ser alterados consideravelmente por influncias ambientais, dificultando a anlise e o correto diagnstico dos equipamentos inspecionados. Contudo, se corretamente utilizada uma excelente ferramenta de manuteno preditiva em subestaes de alta tenso, detectando defeitos em seus estgios iniciais e evitando paradas no programadas, aumentando a segurana nas inspees e aumentando o tempo entre as paradas para manuteno e, conseqentemente, aumentando a confiabilidade do Sistema Eltrico e reduzindo custos. 17

A termografia infravermelha aplicada rea eltrica tem sido tema de estudo de muitas publicaes internacionais e objeto para a elaborao de algumas normas. No entanto, grande parte destes trabalhos, apesar de dar conhecimento das vrias influncias envolvidas no processo de inspeo, no os leva em considerao na anlise dos dados obtidos. Essa Dissertao tem como objetivo investigar as limitaes e influncias envolvidas na aplicao da termografia infravermelha na inspeo de subestaes de alta tenso desabrigadas. Considerando essas limitaes e influncias, apresentar uma metodologia de inspeo capaz de ponder-las, possibilitando uma anlise mais consistente dos dados obtidos, com um conseqente aumento da confiabilidade nos resultados da aplicao da termografia e favorecimento de uma contnua operacionalidade de subestaes e do Sistema Eltrico como um todo. Essa dissertao est dividida em cinco captulos, sendo este o primeiro, introdutrio. O captulo 2 faz uma reviso da literatura, descrevendo fatos histricos importantes para o desenvolvimento da termografia infravermelha, desde a descoberta da radiao infravermelha at os dias atuais. Apresenta ainda, uma reviso da literatura particularmente direcionada s influncias e limitaes da termografia e se encerra apresentando os conceitos bsicos das teorias envolvidas. No captulo 3 so discutidas as limitaes da termografia quando aplicada em inspees de subestaes de alta tenso desabrigadas. No captulo 4 descrito um procedimento de inspeo, elaborado a partir das melhores prticas de empresas do setor de energia e das limitaes discutidas no captulo 3. Finalmente, o captulo 5 apresenta a concluso desse trabalho, que serviu como estmulo inicial de trabalhos mais especficos, aprovados pela ANEEL e j em andamento.

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2. REVISO DA LITERATURA2.1. HistricoA Termografia Infravermelha, tal como conhecida hoje, com Termovisores portteis capazes de detectar e converter, em tempo real, a radiao infravermelha em imagens visveis e com a possibilidade de medio de temperatura, s foi possvel devido a diversos estudos e descobertas, das quais algumas das mais importantes, a partir da descoberta da radiao infravermelha, so descritas abaixo. Em 1800, o alemo Friedrich Wilhelm Herschel, mais conhecido por Sir William Herschel, astrnomo do rei ingls, George III, e descobridor do planeta Urano, (Maldague & Moore, 2001), procurava um meio de proteger seus olhos quando observava o Sol atravs de telescpios e, ao testar amostras de vidros coloridos, observou que algumas deixavam passar mais calor que outras. Na tentativa de descobrir um nico material, que pudesse atenuar o calor e proteger seus olhos do brilho do sol, repetiu a experincia que Marsilio Landriani havia realizado em 1777, (Rogalski & Chrzanowski, 2002). Com o auxlio de um prisma e trs termmetros de mercrio com os bulbos pintados de preto, Hershel mediu a temperatura das vrias componentes de cor da luz do sol refratados atravs do prisma e incididos em um anteparo. Notou um aumento de temperatura da cor violeta para a cor vermelha, como havia sido observado anteriormente por Landriani, entretanto, observou tambm que o maior pico de temperatura ocorria na regio escura, alm do vermelho. Com isso concluiu que existia, naquela regio, luz invisvel aquecendo os termmetros. regio deu o nome de Espectro Termomtrico e radiao o nome de Calor Negro. Dcadas mais tarde essa regio do espectro eletromagntico passou a ser chamada de Regio Infravermelha e a radiao, de Radiao Infravermelha, (Richards, 2001). Herschel publicou os resultados dos seus experimentos em um artigo para a Philosophical Transactions of Royal Society, (AGA, 1969). Em 1829, Leopoldo Nobili inventou o primeiro termopar, sensor de contato formado pela juno de dois metais distintos e baseado no efeito termoeltrico descoberto em 1821 por Thomas Seebeck, (Rogalski & Chrzanowski, 2002). 19

Em 1830, Macednio Melloni descobriu que o cloreto de sdio (NaCl) transparente ao infravermelho, (Veratti, 1984). Esse foi o principal material ptico para infravermelhos at a dcada de 30, poca em que os cristais sintticos comearam a ser criados, (Flir Systems, 2003). Em 1833, o mesmo Melloni foi responsvel pela construo da primeira termopilha, (Maldague & Moore, 2001). Conectando vrios termopares em srie e focando a radiao sobre um lado das junes, conseguia detectar o calor liberado pelo corpo de uma pessoa a uma distncia de aproximadamente 10 metros. John Frederick William Hershel, filho de Sir William Hershel, publicou em 1840 um artigo no qual descrevia um arranjo usado para gravar imagens infravermelhas do espectro solar. Esse arranjo consistia de um prisma que projetava a luz do sol sobre um papel preto, muito fino, imerso em uma soluo de tintura a lcool colorido. As ondas de luz absorvidas pelo papel produziam diferentes taxas de evaporao da soluo de tintura, o que resultava em uma rudimentar imagem trmica estampada no papel, (Richards, 2001). Foi a primeira imagem de infravermelho registrada. Esta tcnica foi aprimorada em 1929 por Marianus Czerny que inventou o Evaporograph, (Holst, 2000). O Evaporography era um sistema de processamento de imagens infravermelhas que utilizava uma fina pelcula de leo voltil aplicado a uma fina membrana absorvente e se baseava na evaporao diferencial do leo, (Richards, 2001). Em 1880 o bolmetro foi inventado por Samuel Pierpont Langley e aperfeioado por Charles Greeley Abbot. Um bolmetro um detector trmico que consiste de uma ponte de Wheatstone, na qual conectada a um dos seus braos uma fina tira de platina escurecida, cuja condutividade eltrica varia quando aquecida por uma radiao incidente, (Gaussorgues, 1994). Com esse bolmetro era possvel detectar o calor emitido por uma vaca a uma distncia de aproximadamente 400 metros, (Flir Systems, 2003). No ano de 1892, Sir James Dewar introduziu o uso de gases liquefeitos como agentes de refrigerao e inventou um recipiente isolado a vcuo, conhecido como frasco Dewar, no qual era possvel armazenar gases liquefeitos por dias inteiros. 20

Anos mais tarde esta tcnica seria usada para a refrigerao de detectores de Termovisores, (AGA, 1969). A partir de 1900, muitas patentes relacionadas a dispositivos de deteco por infravermelho foram emitidas, mas o grande desenvolvimento da termografia foi resultado do interesse militar que j na I Guerra Mundial desenvolvia sistemas experimentais de deteco do inimigo. Um sistema de infravermelho testado naquela poca permitia detectar um avio a uma distncia de 1500 metros ou uma pessoa a mais de 300 metros, (AGA, 1969). Em 1917, Case desenvolveu o primeiro fotodetector, dispositivo baseado na interao direta entre os ftons da radiao incidente com os eltrons do material e cuja sensibilidade e tempo de resposta eram superiores s do bolmetro, (Maldague & Moore, 2001) Com o desenvolvimento do fotodetector, programas de pesquisa militar na rea de processamento de imagens trmicas se intensificaram e durante a II Guerra Mundial obteve grandes avanos no desenvolvimento da viso noturna, msseis guiados pelo calor e do primeiro scanner de linha, (Tavares, 2003), equipamento que fornece o perfil de temperatura ao longo de uma linha e para formar uma imagem bidimensional necessita do movimento relativo do objeto sob inspeo. Com a incluso, em 1954, de um sistema de varredura ptico-mecnico ou eletrnico, os equipamentos podiam diretamente formar uma imagem bidimensional, mesmo assim, um Termovisor levava 45 minutos para criar uma imagem e s em meados da dcada de 60 que foi lanado o primeiro Termovisor de tempo real, capaz de produzir 20 imagens por segundo. Nesta ocasio se iniciou a comercializao de Termovisores, (Holst, 2000). No incio da dcada de 70 chegou ao Brasil os primeiros Termovisores. Nessa poca, empregavam detectores resfriados a nitrognio lquido, sistemas de varredura pticos-mecnicos para formar as imagens trmicas e a temperatura do objeto inspecionado era obtida atravs de clculos, (Santos et alii, 2005).

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Rpidos avanos na tecnologia foram observados de 1970 at os nossos dias. Detectores de resfriamento criognico evoluram para resfriados eletricamente e, em seguida, para detectores sem resfriamento. Os sistemas de varredura pticosmecnicos foram substitudos pela tecnologia de FPA (Focal Plane Array), o peso que nos anos 70 chegava prximo dos 40 kg diminuiu para menos de 2 kg (Figura 1), as leituras de temperatura passaram a ser mostradas diretamente no monitor do Termovisor e a sensibilidade trmica aumentou consideravelmente. Atualmente os Termovisores so portteis, podem ser conectados ao computador e possuem softwares para anlise das imagens, facilitando ainda mais a aplicao da termografia em sistemas eltricos.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 1 Evoluo dos Termovisores (a) Detector resfriado a nitrognio lquido, sistema de varredura ptico/mecnico, peso total de 37 kg (b) Detector resfriado eletricamente, sistema de varredura ptico/mecnico, peso de 6,1 kg (c) Detector no resfriado, FPA (Focal Plane Array), peso de 2,7 kg (d) Detector no resfriado, FPA (Focal Plane Array), peso de 2,0 kg.

2.2. Reviso da Literatura EspecficaPosteriormente comercializao dos primeiros Termovisores, em meados da dcada de 60, alguns trabalhos comearam a ser desenvolvidos e publicados. Inicialmente trabalhos preocupados em apresentar a nova tecnologia sociedade civil e como ela poderia ser aplicada s diversas reas do conhecimento humano. Entre eles, o trabalho de Ferreti & Giorgi (1969), no qual cita a possibilidade de aplicao da termografia em vrias reas e aponta a rea mdica e a rea eltrica como reas tpicas para sua utilizao. Ferreti & Giorgi apresentam a nova tecnologia e suas vantagens na aplicao em plantas eltricas de alta tenso e, sobretudo, descrevem os resultados de uma investigao em aproximadamente 22

10.000 componentes de uma empresa de energia eltrica italiana. Nessa investigao, nove subestaes de 220 kV e quinze de 132 kV foram avaliadas e 381 (3,81%) componentes foram detectados com sobreaquecimento. Foi utilizado um critrio baseado na temperatura para a classificao dos componentes sobreaquecidos. O trabalho de Brice (1978) mostra que um lado importante da operao de subestaes de alta tenso a manuteno preventiva de equipamentos eltricos energizados. Os problemas nestes equipamentos freqentemente aparecem como pontos quentes devido a sobrecargas trmicas locais ou mau contato. Um excelente mtodo de localizao destes pontos quentes a deteco remota da radiao infravermelha emitida. O trabalho faz uma reviso dos sistemas de deteco da radiao infravermelha aplicveis a estes casos. A primeira parte do trabalho uma breve introduo deteco infravermelha e sistemas de imagem. Em seguida, a pesquisa de sistemas disponveis comercialmente, adequados para a tarefa, apresentada. O trabalho termina destacando os novos desenvolvimentos na tecnologia infravermelha. Nessa mesma linha, Veratti (1981) descreve a aplicao da termografia em indstrias petroqumicas e em inspees eltricas. Cita critrios de temperatura para priorizar as manutenes, lembrando de correlacion-los com a corrente do circuito, importncia da linha, tipo de componente e a sua tolerncia. Veratti (1984) descreve a teoria bsica da radiao e faz uma reviso dos sistemas infravermelhos, alm de apresentar as vrias aplicaes da termografia. Agema (1989) descreve as vantagens da utilizao da termografia infravermelha em instalaes eltricas e apresenta os resultados positivos obtidos por vrias empresas de energia. Entre elas, trs produtores de energia da Blgica que aps iniciarem a inspeo de subestaes com a termografia infravermelha diminuram, em seis anos, o nmero de falhas de 2,35% para 0,24% e uma empresa italiana, da regio de Milo, que diminuiu o nmero de componentes sobreaquecidos de 1% para 0,5% em trs anos.

23

Com a crise de energia nos Estados Unidos na dcada de 70, a termografia foi vista como uma importante ferramenta para deteco de perdas de calor. Em 1978 foi criada a primeira conferncia dirigida ao uso comercial, industrial e cientfico da termografia, a ThermoSense, tendo em sua primeira edio grande parte dos trabalhos voltados para a conservao de energia, (Madding et alii, 2003). No Brasil, a termografia foi uma das preocupaes do ento Grupo Coordenador para Operao Interligada GCOI, que em 1985 reuniu nove empresas do setor eltrico brasileiro para desenvolver procedimentos de inspeo em subestaes utilizando Termovisores, (GCOI, 1985). Com a contnua evoluo da tecnologia, tornando os equipamentos mais portteis, com a introduo de equipamentos baseados em microprocessadores que realizavam medidas de temperatura em tempo real e o advento dos detectores de FPA (Focal Plane Array), os Termovisores tornaram-se mais fceis de usar e aumentou o interesse pela aplicao da termografia. Apesar da facilidade de utilizao dos Termovisores, a correta aplicao da termografia em sistemas eltricos necessitava de conhecimento. Na tentativa de estabelecer procedimentos de inspeo, algumas organizaes criaram normas referentes termografia infravermelha. Em meio a essas normas, algumas das mais difundidas so: E1934 - Standard Guide for Examining Electrical and Mechanical Equipment with Infrared Thermography desenvolvido pela American Society for Testing and Materials ASTM.

MIL-STD-2194 - Military Standard Infrared Thermal Imaging Survey Procedure for Electrical Equipment elaborado pela United States Navy.

NETA MTS - Maintenance Testing Specification for Electrical Power Distribution Equipment and Systems da InterNational Electrical Testing Association - NETA.

TTCTRAN.015 - Guidelines for Thermographic Inspection in Electrical Installations desenvolvido pelo Danish Technology Institute.

24

No Brasil foi criada no ano de 2005, dentro do Organismo de Normalizao Setorial (ONS 58) credenciado pela ABNT, a comisso de estudos CE 58:000.11, responsvel pela elaborao das Normas Brasileiras de termografia. Entre os muitos trabalhos orientados aos procedimentos de inspeo em sistemas eltricos e s suas limitaes, encontramos Snell & Spring (1992) que apresentam alguns fatores importantes para o sucesso de um programa de inspeo termogrfica, dentre eles o treinamento e a segurana do pessoal envolvido, a escolha do Termovisor adequado, a definio da periodicidade de inspeo, a necessidade de relatrios detalhados e um banco de dados para armazenar os dados das inspees. Discutem ainda, como esses fatores devem ser includos em um programa de inspeo utilizando a termografia. Snell (1995) discute a validade de se usar dados de temperatura, obtidos pela termografia infravermelha, para determinar a severidade de um problema em sistemas eltricos. Segundo Snell, o pouco conhecimento em medidas radiomtricas de grande parte dos inspetores de termografia, as variaes das condies de campo, as limitaes inerentes medida radiomtrica e a escassa pesquisa cientfica sobre a relao entre a elevao de temperatura do componente e o tempo esperado de sua falha, so algumas das razes para no confiar nesta metodologia. Snell apresenta quatro normas americanas para inspeo eltrica utilizando termografia infravermelha, National Electrical Testing Association - NETA, United States Navy - US NAVY, Infraspection Institute, e Nuclear Maintenance Applications Center - NMAC e observa que todas possuem critrios para priorizar reparos baseados em temperatura, mas que permitem ao inspetor de termografia mudar esta prioridade de acordo com sua avaliao pessoal e com pouca orientao de como isso deve ser feito. Snell mostra as diversas variveis que influenciam nos resultados de uma inspeo termogrfica quantitativa para reafirmar o uso de uma termografia qualitativa, mas por outro lado, apresenta aes para melhorar a confiabilidade de inspees termogrficas quantitativas e afirma que se a relao entre corrente e temperatura, o impacto das mudanas ambientais na medida de temperatura e a relao entre o calor e o tempo relativo falha do componente fossem mais bem compreendidos, a inspeo termogrfica quantitativa ganharia mais credibilidade. 25

Snell (1996) aborda a necessidade de uma formalizao do protocolo de inspeo termogrfica em procedimentos escritos e considera que eles so vitais para produzir resultados consistentes e de alta qualidade e so essenciais para a segurana do inspetor de termografia, por essa razo, pode vir a ser solicitado por agncias regulatrias. Snell faz uma reviso das normas e procedimentos existentes para inspees termogrficas, assim como, das normas para qualificao e certificao de inspetores de termografia. Expe a preocupao de entidades, como a American Society of Testing and Materials - ASTM, Electric Power Research Institute - EPRI e American Society for Nondestructive Testing ASNT, no desenvolvimento de normas especficas para inspees em sistemas eltricos. Apresenta ainda, uma metodologia geral de como desenvolver um procedimento escrito e avalia que o investimento no seu desenvolvimento pode ser alto, mas que o retorno significantemente maior. O trabalho de Epperly et al (1997) aborda a questo de que um programa de inspeo termogrfica utilizando equipamento adequado e pessoal devidamente treinado pode ser extremamente efetivo para prevenir falhas potenciais em sistemas eltricos. O artigo faz uma breve descrio da termografia infravermelha e de suas vantagens e limitaes. Descreve estudos de caso, cita critrios para seleo de um Termovisor adequado e apresenta vrias normas para determinar a urgncia do reparo aps a descoberta do defeito pela inspeo termogrfica. Snell & Fritz (1998) discutem o risco de ter a temperatura medida, atravs da termografia, como nico parmetro para predizer uma falha, declarando que vrios fatores tornam a medida radiomtrica muito imprecisa. Fatores como a baixa emissividade dos componentes inspecionados, as variaes na corrente de carga, o efeito da conveco natural e forada, as mudanas na temperatura ambiente e o fato de que, na maioria das vezes, o ponto medido est na superfcie do componente e no no ponto em que est realmente a fonte do aquecimento. Snell & Fritz detalham cada um desses fatores e apresentam tcnicas importantes para melhorar os resultados obtidos com a termografia infravermelha em inspees eltricas.

26

Snell (1998) refora a idia de treinamento das pessoas envolvidas com a termografia e a necessidade de implantao de um procedimento escrito como base para um programa termogrfico de sucesso. Nesse artigo, Snell descreve o trabalho de duas grandes empresas no desenvolvimento de procedimentos escritos e termina apresentando uma recomendao de procedimento escrito para inspees em sistemas eltricos, no qual so descritos os principais itens do documento, como o escopo, as referncias utilizadas, as orientaes de segurana, a qualificao dos inspetores, dados do Termovisor, os passos detalhados do procedimento de inspeo e a descrio do registro das anomalias trmicas encontradas. Veratti (2000) aborda uma metodologia de anlise de anomalias trmicas utilizando critrios de classificao de componentes aquecidos e o risco ao sistema produtivo. Barreto Jr. et al (2001) apresenta um estudo parcial para o diagnstico da condio de defeito em equipamentos instalados em subestaes de 138kV, no qual pretende estabelecer limites mximos de temperatura admissvel utilizando a tcnica de termoviso. Snell (2001) volta a opinar contra a metodologia que define a prioridade dos reparos em equipamentos baseando apenas no valor da temperatura medida por termografia e prope uma interessante alternativa, na qual uma matriz contendo vrios fatores como segurana, importncia do equipamento, corrente de carga, conveco, etc, so analisados e ponderados para a definio da prioridade de reparo. Abordagens mais detalhadas, focando fatores especficos de influncia nos resultados de uma inspeo termogrfica, so encontradas em trabalhos como: Niancang (1998) que discute algumas tcnicas para diagnosticar problemas relacionados s falhas internas em equipamentos de uma subestao, atravs da termografia infravermelha.

27

Madding & Lyon Jr. (1999) fazem uma reviso dos fatores que influenciam na avaliao de um resultado obtido por termografia infravermelha, desde a corrente de carga a fatores ambientais. Madding & Lyon Jr. (2000) mostram, atravs de um ensaio em laboratrio, que baixas velocidades do vento tm uma forte influncia em pontos aquecidos e que o resfriamento continua com o aumento da velocidade, mas a taxas menores. Mostram tambm que a quantidade de resfriamento no depende somente da velocidade do vento, mas da potncia dissipada no ponto aquecido. Madding & Lyon Jr. advertem que, na tentativa de corrigir os efeitos do vento na medida de temperatura, algumas empresas tm usado simples fatores multiplicativos e afirma que essa prtica no correta. Eles lembram que o resfriamento por conveco depende de muitos fatores, entre eles, o tamanho, a forma, a orientao do vento e as estruturas que envolvem o ponto sob anlise. O artigo de Lyon Jr. et al (2002) discute a relao entre a corrente e a temperatura de uma conexo defeituosa, bem como a resposta trmica em funo da corrente de carga. Afirma que procedimentos baseados apenas na medida de temperatura absoluta ou na elevao da temperatura (Delta T) correm o risco de diagnsticos incorretos e que podem levar a falso senso de segurana, falha de equipamento, fogo e at danos pessoais. Comenta a necessidade de conhecimento dos fatores envolvidos nos diagnsticos, sendo um deles a corrente de carga, que tem um drstico efeito sobre a temperatura do componente sob inspeo. Esse efeito sobre a temperatura complexo e depende dos processos de transferncia de calor por radiao, conduo e conveco e as muitas variveis envolvidas. Nesse artigo apresentado um ensaio realizado em laboratrio em condies controladas, no qual simulado um defeito nos contatos de uma Chave Fusvel. A elevao da temperatura e a corrente foram monitoradas e, atravs dos dados obtidos, sugerem uma variao do expoente x utilizado na Equao 1, entre um valor de 1,5 e 1,8. Essa variao seria para se estimar a faixa de aumento da temperatura em funo da corrente, Equaes 2 e 3.

28

I T = T1 . 2 I 1

X

(1)

Tmin

I = T1 . 2 I 1 I = T1 . 2 I 1

1, 5

(2)

Tmax

1,8

(3)

O trabalho de Madding (2002) aponta como a emissividade afeta a medida de temperatura e discute tcnicas para sua medio. Madding prope a fabricantes que seus equipamentos sejam revestidos por materiais de alta emissividade e possuam informao a respeito de assinaturas trmicas e modelos trmicos sob todos os tipos de condies ambientais. Newport (2002) cita que antes mesmo do termo Manuteno Preditiva ser usado, a termografia j era utilizada como ferramenta preditiva e menciona como exemplo o caso da Swedish Power Board, que no ano de 1965 inspecionou 150.000 componentes com a termografia infravermelha.

2.3. Teorias envolvidasUma vez que a termografia utilizada em sistemas eltricos para analisar a distribuio trmica e medir temperaturas de equipamentos e conexes atravs da deteco da radiao infravermelha, importante a reviso dos conceitos de calor, temperatura e dos modos de transferncia de calor. Uma ateno especial dada teoria da radiao. 2.3.1. Calor Calor a transferncia de energia de uma regio para outra como resultado de uma diferena de temperatura entre elas. Essa energia se origina da agitao das molculas das quais a matria constituda e sua transferncia se processa da regio mais quente para a mais fria. O calor , portanto, um fenmeno transitrio, que cessa quando no existe mais uma diferena de temperatura, (Holst, 2000). 29

2.3.2. Temperatura Se dois objetos esto em equilbrio trmico com um terceiro objeto, ento eles esto em equilbrio trmico um com o outro. Em conseqncia disso, existe um certo atributo ou propriedade de estado que descreve os estados termodinmicos dos objetos que esto em equilbrio trmico um com o outro, e isto denominado de temperatura, (Chrzanowski, 2001). 2.3.3. Modos de Transferncia de Calor Existem trs modos de transferncia de calor: conduo, conveco e radiao. Todos os processos de transferncia de calor ocorrem atravs de um ou mais desses trs modos. A termografia infravermelha baseada na medio do fluxo de calor por radiao e est, portanto muito relacionada ao modo de transferncia de calor por radiao. 2.3.3.1. Conduo A conduo pode ser definida como o processo pelo qual a energia transferida de uma regio de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa dentro de um meio (slido, lquido ou gasoso) ou entre meios diferentes em contato direto. Este mecanismo pode ser visualizado como a transferncia de energia de partculas mais energticas para partculas menos energticas de uma substncia devido a interaes entre elas, (Quites & Lia, 2005). A fonte de calor excita diretamente as partculas que transferem parte de suas energias a partculas vizinhas e essas por sua vez transferem a outras partculas. A intensidade do fluxo depende da condutividade trmica do material, sendo que metais tm alta condutividade trmica e isoladores tm baixa condutividade trmica. A quantidade de calor por unidade de tempo atravs de uma chapa plana representada pela Figura 2 e expressa pela lei de Fourier na Equao 4.

30

A

CALOR T2 T1 LFigura 2 Chapa plana com a seta indicando a direo do fluxo de calor.

Q k . A.(T 2 T 1) = t L

(4)

Na qual, Q/t [J.s-1] o fluxo de calor por conduo. k [J.s-1.m-1.K-1] o coeficiente de condutividade trmica do material. A [m2] rea da seo atravs da qual o calor flui por conduo, medida perpendicularmente direo do fluxo; T2T1 [K] o gradiente de temperatura na seo. L [m] a espessura da seo. O fator de proporcionalidade k (condutividade trmica) que surge da equao de Fourier uma propriedade de cada material e exprime a maior ou menor facilidade que um material apresenta conduo de calor. Os valores numricos de k variam em extensa faixa dependendo da constituio qumica, estado fsico e temperatura dos materiais. Quando o valor de k elevado o material considerado condutor trmico e, caso contrrio, isolante trmico. Em alguns materiais como o alumnio e o cobre, o k varia muito pouco com a temperatura, porm em outros, 31

como alguns aos, o k varia significativamente com a temperatura. Nestes casos, adota-se, como soluo de engenharia, um valor mdio de k em um intervalo de temperatura. A variao, para alguns materiais, da condutividade trmica com a temperatura mostrada na Figura 3.

[K]

Figura 3 - Variao da condutividade trmica com a temperatura.

A Figura 4 apresenta um exemplo de transferncia de calor por conduo, na qual uma seccionadora com alta resistncia de contato tem um aumento de temperatura no ponto T1 (onde ocorre a falha) e o calor se dissipa para reas de menor temperatura T2.

32

T2

T1

Figura 4 Transferncia de calor por conduo em uma seccionadora. A seta indica a direo do fluxo de calor, do ponto de mais alta temperatura T1, para reas de menor temperatura T2.

2.3.3.2. Conveco A conveco pode ser definida como o processo pelo qual a energia transferida das pores quentes para as pores frias de um fluido atravs da ao combinada de: conduo de calor, armazenamento de energia e movimento de mistura, (Quites & Lia, 2005). O leo de transformadores e a gua de sistemas de refrigerao so exemplos de fluidos que produzem resfriamento convectivo. O ar, forado ou no, que sopra os equipamentos de uma subestao outro exemplo de fluido que pode afetar drasticamente a temperatura desses equipamentos. O calor transferido por conveco, na unidade de tempo, entre uma superfcie e um fluido no possui uma equao simples, mas uma aproximao pode ser conseguida atravs da relao proposta por Isaac Newton:

Q = h. A.(T 1 T 2) tNa qual, Q/t [J.s-1] o fluxo de calor transferido por conveco.

(5)

33

h [J.s-1.m-1.K-1] o coeficiente de transferncia de calor por conveco. A [m2] rea de transferncia de calor. T1 - T2 [K] a diferena de temperatura entre a superfcie e o fluido. O coeficiente de transferncia de calor por conveco h dependente de vrios fatores como: a orientao da superfcie, tipo de fluido, velocidade do fluido e tipo de superfcie. A Figura 5 mostra a imagem trmica (termograma) de um Transformador de Potencial (TP) e a visualizao do seu nvel de leo, exemplo de um meio onde ocorre a transferncia de calor por conveco.

Figura 5 Termograma de um Transformador de Potencial e a visualizao do nvel de leo.

2.3.3.3. Radiao A radiao pode ser definida como o processo pelo qual o calor transferido de uma superfcie de alta temperatura para uma superfcie de temperatura mais baixa quando tais superfcies esto separadas no espao, ainda que exista vcuo entre elas. A energia assim transferida chamada radiao trmica e feita sob a forma de ondas eletromagnticas que viajam na velocidade da luz.

34

A transferncia de calor por radiao fundamento para a medio de temperatura atravs da termografia infravermelha, que detecta a radiao proveniente do objeto sob inspeo, mais especificamente a radiao infravermelha. 2.3.3.3.1. Radiao Infravermelha Todos os objetos acima do zero absoluto (0 K ou -273,16 C) emitem radiao trmica devido agitao trmica de tomos e molculas dos quais so constitudos. Quanto maior essa agitao, mais quente se encontra o objeto e mais radiao ele emite. A radiao trmica pode ser emitida nas faixas de ultravioleta, visvel, infravermelho e at na faixa de microondas do espectro eletromagntico. Entretanto, para temperaturas tpicas encontradas na Terra, a maior parte da radiao trmica emitida dentro da faixa de infravermelho, (Chrzanowski, 2001). Assim sendo, os Termovisores so fabricados com detectores que respondem a essa faixa do espectro. A termografia detecta a radiao infravermelha emitida pelo objeto inspecionado, que invisvel ao olho humano, e a transforma em imagens trmicas visveis, com a possibilidade de convert-la em leituras de temperatura, (Maldague & Moore, 2001). Dentro do espectro eletromagntico, Figura 6, a radiao infravermelha est localizada entre a regio de radiao visvel e a regio de radiao de microondas. Essas regies so divididas arbitrariamente, dependendo dos mtodos utilizados para produo e deteco da radiao.

Figura 6 Espectro eletromagntico

35

A radiao Infravermelha, assim como as radiaes das diferentes regies do espectro eletromagntico, basicamente obedecem s mesmas leis. Propagam-se em linha reta, refletem, refratam, so absorvidas, interferem, apresentam espalhamento de feixe, podem ser enfocadas e viajam, no vcuo, a uma velocidade de aproximadamente 3 x 108 m/s. O espectro infravermelho pode ainda ser dividido em sub-regies e vrias so as propostas publicadas na literatura, como apresentada em parte por Chrzanowski (2001) e reproduzida na Tabela 1.Tabela 1- Diferentes divises propostas na literatura para a regio de radiao infravermelha

FONTE 1 International Lighting Vocabulary of CIE 2 3 Guide for Spectroscopy -Catalog, Jobin Yvon, 1993. The Photonics Spectrum Reference Wall Chart, Photonics Spectra, 1995. Hudson R.D., Infrared System Engineering, John Wiley&Sons, 1969. Mc Graw-Hill Encyclopedia of Physics, ed. Sybil P. Parker, 1993. P. 570

4 5

PROPOSTA IR-A 0,78 m - 1,4 m IR-B - 1,4 m - 3 m IR-C - 3 m - 1000 m Near IR - 0,65m - 1,5m Middle IR - 1,5m - 5m Far IR >5m Near IR - 0,68m -3m Middle IR - 3m - 30m Far IR - 30m -1000 m Near IR - 0, 76 m 3 m Middle IR - 3m - 6 m Far IR - 6m -15 m Extremely Far IR >15 m IR radiation: 1m-1000m IR radiation: 0,7m -1000m Near IR - 0,7-1,5m Intermediate IR - 1,5-20m Far IR - 20-1000m Near IR - 0,75m - 3 m Middle IR - 3m -6 m Far IR - 6m -15 m Extreme IR - 15m -100 m

Ed. Robert M. Besancon, The encyclopedia 6 of physics, Van Nostrand Reinhold Company, 1974 7 www.FSI.com\meas.html

Rogalski & Chrzanowski (2002) apresentam outra proposta baseada em limites espectrais de detectores de infravermelho comumente utilizados.

36

Tabela 2 - Diviso baseada em limites espectrais de detectores de infravermelho

Regio (abreviao) Near Infrared (NIR) Short Wavelength IR (SWIR) Medium Wavelength IR (MWIR) Long Wavelength IR (LWIR) Very Long Wavelength IR (VLWIR)

Faixa de Comprimento de Onda 0,78 m 1 m 1m 3 m 3 m 6 m 6 m 15 m 15 m 1000 m

Os fabricantes de equipamentos de termografia infravermelha confundem ainda mais esta questo, denominando equipamentos que trabalham na faixa de 8 m a 14 m de Ondas Longas (Long-Wave LW) e equipamentos na faixa de 3 m a 5 m de Ondas Curtas (Short-Wave SW). Existe ainda a utilizao dos termos, Infravermelho Refletido para radiaes que vo de 0,75 m a 1,2 m e Infravermelho Trmico para radiaes de vo alm de 2 m. A proposta da Associao Brasileira de Normas Tcnicas ABNT, (ABNT, 1991), segue o International Lighting Vocabulary of CIE, na qual o espectro infravermelho subdividido em:Tabela 3 Diviso da radiao infravermelha adotada pela ABNT

Regio (abreviao) IR-A IR-B IR-C

Faixa de Comprimento de Onda 0,78 m 1,4 m 1,4 m 3 m 3 m 1000 m

2.3.4. Teoria da Radiao Gustav Robert Kirchhoff em 1860 props o termo Corpo Negro como sendo um corpo capaz de absorver toda radiao incidente, independente de seu comprimento de onda, sua direo de incidncia e sua polarizao. A radiao por ele emitida teria uma distribuio espectral dependente apenas de sua temperatura. Para tal corpo estar em equilbrio termodinmico, ele deveria irradiar energia na 37

mesma taxa em que a absorve, (AGA, 1969). Portanto, um Corpo Negro, alm de ser um absorvedor perfeito, tambm um emissor perfeito, (Groote, 2004). Em 1879, Josef Stefan concluiu atravs de medidas experimentais que a quantidade total de energia irradiada por um Corpo Negro proporcional quarta potncia de sua temperatura absoluta, mesma concluso obtida por meios tericos por Ludwig Eduard Boltzmann em 1884, resultando na Lei de Stefan-Boltzmann. Em 1865, o ingls James Clerk Maxwell, supondo que um campo magntico varivel produz um campo eltrico e que um campo eltrico varivel produz um campo magntico e que este processo pode se propagar pelo espao, previu teoricamente a existncia de ondas eletromagnticas (Figura 7) e props sua igualdade com ondas de luz aps verificar a coincidncia entre o valor calculado da velocidade das ondas eletromagnticas e o valor medido da velocidade das ondas luminosas. O alemo Heinrich Rudolf Hertz, atravs do fenmeno da induo eletromagntica, confirmou em 1887 as teorias de Maxwell, detectando ondas eletromagnticas em laboratrio e demonstrando que elas propagam com a mesma velocidade das ondas de luz.

Comprimento de Onda ()

Campo Eltrico Direo Campo Magntico

Figura 7 Onda eletromagntica

38

A relao entre o comprimento de onda e a freqncia de radiao dada por:

c= fNa qual,

(6)

c [m.s-1] a velocidade de propagao no meio (no vcuo c = 2,99792458 x 108 [m.s-1]),

[m] o comprimento de onda.f [Hz] a freqncia da onda. As tentativas de determinar a curva de distribuio espectral da radiao de um Corpo Negro, utilizando apenas os conhecimentos da teoria eletromagntica, no foram bem sucedidas. Como exemplo, as experincias de Wilhelm Wien, cuja frmula era vlida apenas para comprimentos de onda curtos e de John William Strutt (Lord Rayleigh) e James Hopwood Jeans, que obtiveram uma expresso que funcionava bem para comprimentos de onda longos, mas que se afastava muito dos resultados experimentais a partir de comprimentos de onda prximos ao ultravioleta, como mostra a Figura 8.

Mb

Corpo Negro Lei de Rayleigh - Jeans (Catstrofe do ultravioleta)

Lei de Wien

Figura 8 Discrepncia entre a distribuio espectral do Corpo Negro e as calculadas pela Lei de Wien e Lei de Rayleigh-Jeans.

39

Em funo dessas e outras teorias que apresentavam resultados que no concordavam com resultados experimentais, o fsico alemo Max Karl Ernst Ludwig Planck, em 1900, formulou uma teoria para explicar o comportamento da radiao emitida por Corpos Negros. Max Planck, ao expor seu trabalho diante da Sociedade de Fsica de Berlim, apresentou uma frmula concordante com os resultados experimentais introduzindo uma hiptese: o movimento trmico dos tomos e das molculas, responsvel pela gerao das ondas eletromagnticas, pode oscilar livremente em qualquer freqncia, mas a emisso de radiao decorrente desta oscilao se d de forma descontnua, ou seja, atravs de pulsos, chamados quanta e a energia emitida por eles proporcional freqncia de oscilao das partculas, na forma:

E = h fNa qual, E [J] a energia. h [J.s] a constante de Planck = 6,6260755 x 10-34 [J.s]. f [Hz] a freqncia de oscilao. 2.3.4.1. Leis da Radiao para o Corpo Negro 2.3.4.1.1. Lei de Planck

(7)

Com a quantizao da energia, a lei de Planck pde descrever a distribuio espectral da radiao (Mb) emitida por um Corpo Negro (b) em uma dada temperatura (T), por unidade de rea, por unidade de comprimento de onda ():

M b =

2hc 2 hc kT 5 (e 1)

(8)

Na qual:

40

Mb [W.m-2.m-1] a exitncia radiante espectral do Corpo Negro. h [J.s] a constante de Planck = 6,6260755 x 10-34 [J.s]. c [m.s-1] a velocidade da luz no vcuo = 2,99792458 x 108 [m.s-1].

[m] o comprimento de onda.k [J.K-1] a constante de Boltzmann = 1,380658 x 10-23 [J.K-1]. T [K] a temperatura absoluta do Corpo Negro. Utilizando a frmula de Planck e levantando o grfico para vrias temperaturas obtm-se uma famlia de curvas como mostrado na Figura 9.

Figura 9 Exitncia radiante espectral de um Corpo Negro para temperaturas de 300 K a 5500 K conforme a lei de Planck.

Observa-se pela Figura 9, que a energia irradiada zero para comprimentos de onda prximos de zero, aumentando at um valor mximo e voltando a se aproximar de zero para comprimentos de onda mais longos. A lei de Planck permite o clculo da exitncia radiante espectral de um Corpo Negro (Mb) a determinados comprimentos de onda (), porm, em certos casos

41

pode ser interessante determinar a temperatura (T) quando conhecida a exitncia (Mb). Isto pode ser feito utilizando a Equao 10.c 2 (c + 5 M b ) 1 ln (5 M b )

T=

(10)

Na qual, c1 = 3,741832 x 104 [W.cm-2.m4] c2 = 14387,86 x 104 [m.K] Esta equao pode ser usada para calcular a temperatura de um objeto quando medindo a exitncia (M b) em uma estreita faixa do espectro. O grfico da Figura 10 mostra a temperatura (T) em funo da exitncia (M b) para diferentes comprimentos de onda ().

M b [Watt/m2m]

Figura 10 Relao entre a temperatura (T) e a exitncia radiante espectral de um Corpo Negro (M b) para diferentes comprimentos de onda ().

42

2.3.4.1.2. Lei do deslocamento de Wien Ainda pela Figura 9 pode-se notar que quando a temperatura aumenta, a quantidade de radiao por unidade de rea aumenta, assim como o comprimento de onda em que a intensidade de irradiao mxima, desloca para comprimentos de onda mais curtos. Derivando a frmula de Planck com relao ao comprimento de onda () e a resolvendo para o resultado mximo, obtm-se uma simples relao entre o comprimento de onda (mx), no qual a exitncia radiante do Corpo Negro (Mb) mxima, e a temperatura do Corpo Negro:

mx T = 0,0028978ou

(11)

mx =Na qual,

0,0028978 T

(12)

mx [m] o comprimento de onda em que ocorre a mxima exitncia radiante doCorpo Negro em uma determinada temperatura T. T [K] a temperatura absoluta do Corpo Negro.

Essa equao encontrada empiricamente por Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien em 1893, mostra que, medida que T aumenta, mx diminui. Desta maneira se explica porque ao aumentar a temperatura de um radiador trmico, ele torna-se primeiro vermelho e depois laranja ou amarelo.

43

Figura 11 Curvas de Planck em escala semi-log. A linha pontilhada representa o lugar geomtrico da exitncia radiante mxima (Mbmx) para diferentes temperaturas (T), de acordo com a lei do deslocamento de Wien.

A Figura 12 apresenta o grfico do comprimento de onda em que ocorre a mxima exitncia radiante do Corpo Negro (mx) em funo da temperatura T.

Figura 12 Comprimento de onda (mx) em que ocorre a mxima exitncia radiante do Corpo Negro (Mbmx) em uma dada temperatura (T).

44

2.3.4.1.3. Lei de Stefan-Boltzmann A exitncia radiante total (Mb) de um Corpo Negro pode ser obtida integrando a frmula de Planck sobre o comprimento de onda = 0 at o comprimento de onda

= .Mb= Wb d0

(13)

Resultando em: Mb = T4 Na qual, Mb [W.m-2] a exitncia radiante total. (14)

[W.m-2.K-4] a constante de Stefan-Boltzmann = 5,67051 x 10-8 [W.m-2.K-4].T [K] a temperatura absoluta. Graficamente, a exitncia radiante total (Mb) representa a rea abaixo da curva de Planck para uma temperatura especfica. A Figura 13 mostra a exitncia radiante total do Corpo Negro (Mb) em uma dada temperatura (T).

Figura 13 Exitncia radiante total do Corpo Negro (Mb) em uma dada temperatura (T).

45

2.3.4.2. Leis da Radiao para emissores reais As leis de radiao descritas at o momento se referem apenas ao Corpo Negro. Objetos do mundo real no seguem essas leis em grande parte do espectro, embora possam se aproximar do comportamento de um Corpo Negro em certos intervalos de comprimentos de onda. A exitncia radiante de objetos reais menor que a de um Corpo Negro e necessrio caracterizar algumas propriedades radiativas de tais objetos. Existem duas relaes entre as propriedades radiativas dos materiais que so muito importantes. A primeira a que relaciona absorbncia, refletncia e transmitncia no balano da energia radiativa, e a segunda a lei de Kirchhoff que relaciona absorbncia e emissividade. Um corpo real quando atingido por uma radiao pode apresentar os seguintes fenmenos:

Uma frao da radiao incidente pode ser absorvida . Uma frao da radiao incidente pode ser refletida . Uma frao da radiao incidente pode ser transmitida .

A intensidade desses fenmenos depende do comprimento de onda da radiao incidente, portanto:

A absoro espectral a relao da energia espectral absorvida por um corpo pela radiao incidente sobre ele.

A reflexo espectral a relao da energia espectral refletida por um corpo pela radiao incidente sobre ele.

A transmisso espectral a relao da energia espectral transmitida por um corpo pela radiao incidente sobre ele.

A soma dos trs coeficientes , e para um mesmo comprimento de onda , resulta na radiao total:

46

+ + = 1

(15)

A Figura 14 mostra a radiao incidente em um objeto real e as possveis fraes de radiao absorvida (), refletida () e transmitida ().

RADIAO INCIDENTE

Figura 14 Representao grfica da radiao incidente em um objeto real e as possveis fraes de radiao absorvida (), refletida () e transmitida ().

Para objetos opacos, = 0 e a relao se simplifica para:

+ = 1

(16)

Uma outra propriedade chamada de emissividade () descreve a frao da exitncia radiante produzida por uma superfcie qualquer em relao com a produzida por um Corpo Negro mesma temperatura, logo a emissividade espectral () a relao da exitncia radiante espectral de uma superfcie pela exitncia radiante de um Corpo Negro mesma temperatura e comprimento de onda:M o M b

=

(17)

De modo geral, existem trs tipos de fontes de radiao, caracterizados pelo modo como a exitncia radiante espectral varia com o comprimento de onda: 47

Corpo Negro, para o qual = = 1. Corpo cinza, para o qual = = constante e menor que 1. Radiador seletivo, para o qual varia com comprimento de onda.

As curvas da distribuio espectral e a emissividade espectral dessas trs fontes de radiao so apresentadas na Figura 15 e na Figura 16, respectivamente.

Figura 15 Exitncia radiante espectral dos trs tipos de fontes de radiao.

Figura 16 Emissividade espectral dos trs tipos de fontes de radiao.

48

De acordo com a lei de Kirchhoff, a capacidade de um corpo em absorver energia incidente em um determinado comprimento de onda equivalente capacidade deste corpo em emitir energia no mesmo comprimento de onda. Para uma melhor compreenso, considere um objeto opaco que est em equilbrio trmico. Sua temperatura permanece constante e, de acordo com a lei de Kirchhoff, para que isto acontea a radiao emitida deve estar balanceada com a radiao absorvida. Por outro lado, se a radiao emitida maior que a radiao absorvida o objeto se resfriar. Se a radiao absorvida for maior do que a radiao emitida o objeto se aquecer. A capacidade de uma superfcie, em emitir e absorver radiao em um determinado comprimento de onda, est relacionada emissividade espectral, sendo que superfcies com alta emissividade tm maior capacidade em emitir e absorver radiao. 2.3.4.2.1. Efeito Cavidade Cada vez que a radiao refletida, sua intensidade I reduzida pela refletncia

de sua superfcie. Se a radiao refletida N vezes, a intensidade

resultante :

I = Io NNa qual, I [W.s-1] a intensidade final. Io [W.s-1] a intensidade inicial N o nmero de vezes que a radiao refletida.

(18)

Mltiplas reflexes tm um enorme efeito na intensidade refletida, (Holst, 2000). Esse fato, conhecido como efeito cavidade, funciona como um meio de aumentar a emissividade de superfcies de baixa emissividade como ilustrado na Figura 17. 49

Radiao Incidente

Radiao Refletida

Figura 17 Radiao incidindo em uma superfcie de baixa emissividade.

50

3. LIMITAES DA TERMOGRAFIAEquipamentos de uma subestao de energia eltrica tipicamente podem passar por problemas relacionados com alta resistncia eltrica, curto circuitos, circuitos abertos, aquecimento indutivo, harmnicos, desbalanceamento de carga, sobrecarga e componentes instalados incorretamente. Problemas que geralmente so detectados pela termografia. A Figura 18 apresenta uma tpica cena de uma inspeo termogrfica em subestao de alta tenso, na qual esto presentes os principais personagens dessa ao: Inspetor, Termovisor, equipamento sob inspeo e o meio que os envolve.

Figura 18 Inspeo termogrfica em um equipamento de subestao.

Uma atividade aparentemente simples, na qual o inspetor opera o Termovisor, aponta-o para o equipamento sob inspeo e detecta o defeito atravs da anlise do termograma obtido. Porm, existem influncias e limitaes neste processo que podem induzir a um diagnstico incorreto ou at mesmo incapacitar a deteco do defeito. A baixa emissividade dos componentes sob inspeo, a variao da corrente de carga do equipamento inspecionado e componentes de pequena dimenso a grandes distncias so exemplos de fatores que dificultam a inspeo termogrfica. Em ambientes abertos, alm dos fatores citados, influncias ambientais como a radiao solar, a atenuao atmosfrica, o vento, mudanas na

51

temperatura ambiente, chuva e umidade podem estar presentes. Levando tudo isso em considerao, uma representao mais detalhada de uma inspeo termogrfica mostrada na Figura 19.Chuva e umidade Radiao solar Emissividade Corrente de Carga

VentoTemperatura ambiente Atenuao atmosfrica

Figura 19 Inspeo termogrfica em um equipamento de subestao com as possveis influncias.

Tambm importante ressaltar que, Termovisores no medem temperatura diretamente, eles detectam a radiao trmica que atinge seu detector, que por sua vez, gera um sinal de sada, em funo dessa radiao, que processado e transformado em imagens visveis e leituras de temperatura. Porm, a radiao detectada pode se originar no apenas do objeto sob inspeo, mas de outras fontes envolvidas no meio em que o objeto est inserido. Alm disso, o valor da intensidade do sinal de sada, gerado pelo detector, associado a alguns parmetros fornecidos pelo operador do Termovisor, como emissividade, distncia objeto ao Termovisor e outros parmetros relativos ao ambiente so necessrios para o clculo da temperatura do objeto sob inspeo. Assim sendo, a exatido da medida de temperatura depende da calibrao do Termovisor e da exatido dos parmetros informados pelo operador. Nesse cenrio mais complexo, as limitaes e caractersticas dos personagens envolvidos na inspeo termogrfica devem ser consideradas para uma anlise consistente e confivel das anomalias trmicas encontradas.

52

3.1. InspetorTalvez o principal fator de limitao da inspeo termogrfica seja o prprio inspetor de termografia (Termografista). Sua motivao para a realizao da inspeo pode interferir diretamente nos resultados, tanto com relao quantidade de anormalidades encontradas, bem como na qualidade das imagens trmicas obtidas. Alm disso, ele deve conhecer a operao e as caractersticas do Termovisor utilizado, assim como o funcionamento dos equipamentos sob inspeo. Deve ter cincia da forte influncia da radiao solar, do vento e da chuva e como eles afetam drasticamente a distribuio trmica dos objetos em ambientes abertos. Deve conhecer a teoria bsica que envolve a radiao infravermelha e os princpios de transferncia de calor, conhecimentos essenciais para uma anlise correta dos termogramas e do funcionamento dos equipamentos inspecionados. Resumindo, para obter resultados consistentes, o inspetor deve estar motivado e ser qualificado para a inspeo, ter um alto nvel de treinamento e conhecimento, para que possa ser capaz de detectar todas as falhas possveis e discernir entre um defeito real e uma falsa anomalia, o que pode economizar milhares de Reais em paradas no programadas e/ou paradas e manutenes desnecessrias, (Santos, 2005). Portanto, o investimento em treinamento e qualificao torna-se importante e necessrio na reduo dos erros inseridos pelo inspetor de termografia nos resultados da inspeo. Com a finalidade de orientar no treinamento, qualificao e certificao de inspetores de termografia e reduzir suas limitaes, normas tm sido criadas, dentre elas pode-se citar:

ISO-9712 The International Organization for Standardization - ISO ISO -18436 The International Organization for Standardization - ISO SNT-TC-1A American Society for Nondestructive Testing ASNT

Em 2005 foi formado no Brasil o Grupo de Trabalho responsvel pela elaborao da norma brasileira para certificao de inspetores de termografia. A entidade responsvel pela coordenao do Grupo de Trabalho a Associao Brasileira de Ensaios No Destrutivos ABENDE, credenciada pela Associao 53

Brasileira de Normas Tcnicas ABNT para elaborao de normas relativas a ensaios no destrutivos.

3.2. TermovisorO Termovisor o principal instrumento de uma inspeo termogrfica. Atravs dele a radiao infravermelha emitida pelo objeto detectada e convertida em imagem visvel e em leituras de temperatura (Figura 20).

Figura 20 Diagrama simplificado de um Termovisor genrico.

A escolha correta do Termovisor para a inspeo em subestaes depende do conhecimento de certas caractersticas tcnicas do Termovisor, do ambiente onde ele ser utilizado e do tipo de componente que ser inspecionado. Por exemplo:

A temperatura do objeto a ser inspecionado define a faixa de temperatura e a melhor faixa de comprimento de onda que o Termovisor deve responder.

A distncia e dimenso do objeto a ser inspecionado define a resoluo espacial e de medida.

A temperatura do ambiente de inspeo define a faixa de temperatura de operao do Termovisor; etc.

Assim sendo, importante conhecer as caractersticas do Termovisor e direcion-las aplicao em questo, que nesse caso a inspeo em subestaes de alta tenso em ambientes abertos. 54

3.2.1.Tecnologias de deteco Os Termovisores podem se utilizar basicamente de dois tipos de tecnologias de deteco:

Sistema de deteco por varredura (Scanning system). Sistema fixo de deteco ou sem varredura (Staring system).

O sistema de deteco por varredura faz uso de um conjunto eletromecnico de espelhos e/ou prismas rotativos com os quais faz a varredura da cena de interesse. A vantagem dessa configurao a utilizao de apenas um detector ou de um arranjo linear de detectores (Figura 21). Por outro lado, essa varredura limita a taxa de repetio dos quadros (Frame Rate) e prejudica a qualidade da imagem.

Figura 21 - Esquema simplificado de um Termovisor com sistema de deteco por varredura.

O sistema fixo de deteco ou sem varredura, tambm conhecido como Matriz de plano focal (Focal Plane Array FPA) utiliza-se de uma matriz bidimensional de detectores, na qual a radiao infravermelha proveniente da cena de interesse a atinge diretamente. Como no existe a necessidade de varredura, a taxa de repetio dos quadros (Frame Rate) pode ser alta e cada elemento de deteco pode monitorar continuamente a emisso de radiao vinda do objeto sob inspeo, (Maldague & Moore, 2001). A Figura 22 mostra o esquema simplificado de um Termovisor com sistema de deteco fixo (FPA).

55

Figura 22 Esquema simplificado de um Termovisor com sistema fixo de deteco (FPA).

Dos componentes que compem o Termovisor, o detector de infravermelho o mais importante e fator limitante para o desempenho do Termovisor. Os detectores podem ser divididos em duas grandes categorias: Detectores trmicos Respondem a uma mudana de temperatura com uma variao de alguma propriedade fsica, como por exemplo, a variao de sua resistncia. Operam na temperatura ambiente e tm uma resposta espectral ampla e uniforme. Comparados aos fotodetectores possuem uma sensibilidade baixa e tempo de resposta lento (da ordem de milissegundos). Os detectores trmicos mais comuns so os Bolmetros e as termopilhas. Detectores de ftons ou fotodetectores Respondem diretamente incidncia de radiao liberando cargas eltricas. Geralmente operam em temperaturas abaixo de zero para melhorar o desempenho. Para isso, necessitam de resfriamento criognico ou resfriamento por processo eltrico. Possuem uma resposta espectral limitada, alta sensibilidade e rpido tempo de resposta (da ordem de microssegundos). O detector de Mercrio-Cdmio-telrio (HgCdTe) um exemplo de fotodetector, (Wolfe, 1996). A Figura 23 apresenta a resposta espectral de alguns detectores de infravermelho.

56

Figura 23 Resposta espectral de alguns detectores de infravermelho.

3.2.2. Faixa de temperatura a faixa de medio de temperatura do Termovisor. No caso de subestaes de alta tenso, a menor temperatura encontrada nos equipamentos e conexes vai estar prxima temperatura ambiente e a maior pode chegar, em casos extremos, temperatura de fuso dos metais utilizados (ex.: alumnio = 657,7 C). Apesar disso, a faixa de -20 C a 500 C, normalmente comercializada, suficiente para as inspees em subestaes. A razo que raramente o limite mximo da faixa (500 C) ser atingido, alm de ser uma temperatura muito alta e que deve ser evitada em sistemas eltricos, acima dessa temperatura parte da radiao emitida pelo objeto comea a entrar na faixa de comprimento de onda visvel (lei de deslocamento de Wien), podendo ser detectada sem o auxlio de um Termovisor. Na Figura 24 apresentado um exemplo dessa condio.

57

> 500 C

Figura 24 Seccionadora com os contatos acima de 500 C tornando visvel parte da radiao emitida.

3.2.3. Faixa espectral

As faixas de comprimento de onda utilizadas para a fabricao de Termovisores aplicveis ao sistema eltrico so de 3 m a 5 m e de 8 m a 14 m, como pode ser visto na Figura 25.

Figura 25 Espectro eletromagntico e as faixas espectrais utilizadas na fabricao de Termovisores comerciais.

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Nessas faixas a transmitncia da atmosfera radiao infravermelha alta. Dentre elas, a faixa de 8 a 14 m a mais recomendada por apresentar uma transmitncia ainda maior, (Ghosh & Galeski, 1994). Alm disso, essa faixa menos sensvel a falsos pontos de alta temperatura resultantes do reflexo solar e para as temperaturas normalmente encontradas em sistemas eltricos, a radiao emitida nessa faixa maior, como pode ser observado na Tabela 4, (Rogalski & Chrzanowski, 2002).Tabela 4 Energia disponvel nas faixas de comprimento de onda dos Termovisores

Regio de infravermelho (m) 3a5 8 a 13

Radiao solar ao nvel do solo (W/m2) 24 1,5

Emisso de um Corpo Negro a 290 K (W/m2) 4,1 127

A Figura 26 mostra a radiao emitida por um objeto a uma temperatura de 300 K (26,8 C) em funo do comprimento de onda e destaca as faixas de 3 a 5 m e 8 a 14 m e suas respectivas energias disponveis, (Kaplan, 2000).

Figura 26 Energia disponvel nas faixas de 3 a 5 m e de 8 a 14 m para um objeto a uma temperatura de 300 K (26,8 C).

59

3.2.4. Resoluo espacial Define o menor detalhe de imagem que pode ser percebido. funo do tamanho do detector e da ptica do sistema. Na maioria das vezes especificado em radianos e definido como Campo de Viso Instantneo (Instantaneous Field of View IFOV). O IFOV equivalente projeo de um pixel na superfcie observada e, a soma de todos os IFOVs forma o Campo de Viso (FOV), que a rea total que pode ser vista pelo Termovisor (Figura 27). Geralmente o FOV declarado em graus pelo fabricante.

Figura 27 Representao do Campo de Viso (FOV) e do Campo de Viso Instantneo (IFOV) de um Termovisor.

O IFOV pode ser calculado a partir da Equao 19.

IFOV =

FOV Pix

(19)

Na qual, IFOV [mrad] o Campo de Viso Instantneo. FOV [mrad] o Campo de Viso.

60

Pix o nmero de pixels. Por exemplo, um Termovisor com Campo de Viso FOV igual a 24 x 18 e 320 x 240 pixels tem um IFOV igual a: IFOVhorizontal = 24 x 17,45 / 320 = 1,3 mrad IFOVvertical = 18 x 17,45 / 240 = 1,3 mrad

O IFOV um parmetro geralmente fornecido pelos fabricantes e possibilita, por meio da Equao 20, o clculo da distncia mxima que um objeto de tamanho determinado pode ser detectado, (Snell, 2005).

Dist d =Na qual,

D IFOV

(20)

Distd [m] a distncia mxima que um objeto de tamanho D pode ser detectado pelo Termovisor. D [m] o tamanho do objeto sob inspeo. IFOV [rad] o Campo de Viso Instantneo. Por exemplo, um Termovisor com IFOV igual a 1,3 mrad pode detectar um objeto de 0,05 m x 0,05 m a uma distncia mxima de: Distd = 0,05 / 1,3 x 10-3 = 38,46 m. Em subestaes de alta tenso, cujas distncias do Termovisor ao objeto so relativamente grandes e os dimetros de cabos e dimenses das conexes so relativamente pequenos, o Campo de Viso Instantneo pode fazer a diferena entre localizar, ou no, um defeito.

61

Lentes telescpicas podem melhorar essa resoluo, em contrapartida estreitam o campo de viso do Termovisor, como mostrado na Figura 28.FOV = 24 FOV = 12 FOV = 7

Figura 28 Filtro de onda observado a uma mesma distncia com lentes com Campo de Viso de 24, 12 e 7.

3.2.5. Resoluo de medida Define o menor objeto que pode ter sua temperatura medida com exatido a uma determinada distncia. Raramente declarado nas especificaes do fabricante do Termovisor, mas tipicamente inferior a resoluo espacial por um fator entre 2 e 4. Por essa razo, em muitas situaes, o objeto poder ser detectado pelo Termovisor, mas estar fora da sua resoluo de medida. Quando fornecido pelo fabricante especificado em radianos e definido como Campo de Viso Instantneo de Medida (Measuring Instantaneous Field of View MIFOV ou IFOVm). Leituras de temperatura obtidas fora dos limites da resoluo de medida normalmente sero menores que a leitura real, o que pode ter grande influncia na anlise da severidade do defeito (Snell, 2005). Para o clculo da distncia mxima em que um objeto de tamanho determinado pode ter sua temperatura lida com exatido, a Equao 21 pode ser utilizada.

Dist m =Na qual,

D MIFOV

(21)

Distm [m] a distncia mxima que um objeto de tamanho D, pode ter sua temperatura medida com exatido.

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D [m] o tamanho do objeto sob inspeo. MIFOV [rad] o Campo de Viso Instantneo de Medida. Aproveitando o exemplo anterior, no qual um Termovisor possui IFOV igual a 1,3 mrad e supondo que a resoluo de medida trs vezes inferior resoluo espacial, um objeto de 0,05 m x 0,05 m s poder ter sua temperatura medida com exatido a uma distncia mxima de: Distm = 0,05 / 1,3 x 10-3 / 3= 12,8 m Portanto, no exemplo apresentado, o mesmo objeto pde ser detectado por um Termovisor de IFOV igual a 1,3 mrad a uma distncia de 38,46 m, mas para ter sua temperatura medida com exatido ser necessrio encurtar a distncia para apenas 12,8 m. Essa situao, muitas vezes desconhecida dos Termografistas, leva a grandes erros na medida de temperatura e conseqentemente na anlise e diagnstico do defeito. Existem duas alternativas para eliminar a influncia da distncia devido resoluo de medida. A primeira aproximar-se do componente sob inspeo at a uma distncia na qual a temperatura possa ser medida com exatido. Em subestaes de alta tenso isso nem sempre possvel porque distncias limites de segurana devem ser respeitadas. A segunda alternativa melhorar a resoluo de medida com o uso de lentes telescpicas que podem ser definidas atravs da Equao 21. Abaixo apresentada uma situao para clculo da lente. Supondo que o ponto mais alto, sujeito a defeito, que pode ser encontrado nas subestaes de alta tenso, seja o grampo que fixa o cabo pra-raio na estrutura da torre (Figura 29) e considerando que o grampo mais alto pertena s subestaes de 750 kV, foram utilizados os dados de projeto de uma subestao de 750 kV, pertencente ao sistema de transmisso de Itaipu, para o clculo de uma 63

lente telescpica que pudesse atender a todas inspees termogrficas nas subestaes brasileiras.

50 m

Figura 29 - Grampo que fixa o cabo pra-raio na estrutura da torre.

Dados: Distncia do solo ao grampo do pra-raio = 50 metros Dimetro da conexo do grampo = 0,07 metros Supondo que o Termografista tenha uma altura de