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temperaturas absolutas do bom e...
As equações 1, 2, 3 e 5 nos permitem então avaliar o comportamento das temperaturas nas
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Analisando, agora, o gráfico propriamente dito, nota-se que para valores de resistência de mau
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O projeto de pesquisa desenvolveu modelos matemáticos para avaliar o comportamento térmico de equipamentos elétricos que operam sob falha, de maneira que possam ser produzidos protocolos de análise de imagens térmicas desses equipamentos, bem como avaliar suas eficiências energéticas e redução de vida útil quando operam sob essas condições.

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Manutenção elétrica preditiva por análise termográfica para condutores em paralelo -

  1. 1. PIBIC/PIVIC – IFES RELATÓRIO FINAL DE PROJETO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA Relatório Final de Projeto de Iniciação Científica Título do Projeto: Manutenção elétrica preditiva por análise termográfica Área do Conhecimento: Engenharias Referência da Chamada: ( x ) PIBIC ( ) PIVIC Orientador do Projeto: Pablo Rodrigues Muniz Estudante: Luiz Guilherme Riva Tonini Endereços para contato: Eletrônico: lgtonini@gmail.com Telefônico: (27) 3345-4004 Campus/Coordenadoria: Vitória / Engenharia elétrica Data: 25 de julho de 2011
  2. 2. 1. Resumo O projeto de pesquisa desenvolveu modelos matemáticos para avaliar o comportamento térmico de equipamentos elétricos que operam sob falha, de maneira que possam ser produzidos protocolos de análise de imagens térmicas desses equipamentos, bem como avaliar suas eficiências energéticas e redução de vida útil quando operam sob essas condições. 2. Palavras-chave Manutenção preditiva, termografia, mau contato, condutores em paralelo. 3. Introdução e Justificativa A análise termográfica de equipamentos elétricos tem sido amplamente utilizada como ferramenta de manutenção preditiva de equipamentos elétricos, visto que suas falhas geralmente são associadas a elevação de temperatura de suas partes [1]. Os protocolos de emissão de diagnóstico dessas falhas são fortemente baseados em identificação de pontos com temperatura acima de determinados padrões de aceitação [2]. Entretanto, falhas em circuitos elétricos eventualmente podem implicar em redução de seu carregamento, o que provocaria “sub temperaturas”. Por exemplo, cabos em paralelo de uma mesma fase podem eventualmente apresentar sintoma de falha diferente dos padrões usuais, visto que se houver alguma falha do tipo mau contato onde a ordem de grandeza de sua impedância for comparável à da carga, a corrente elétrica terá maior intensidade no cabo cujas conexões estão sanas. Desse modo, o cabo com conexões defeituosas não apresentaria elevados valores de temperatura, levando a um diagnóstico equivocado. Diagnósticos equivocados podem permitir que instalações elétricas com falha em andamento continuem operando com status de condições conformes, apresentando posteriormente paradas inesperadas, comprometendo a continuidade de operacional da planta. O diagnóstico ainda pode indicar falha em partes que em verdade estariam conformes, fazendo com que os serviços de manutenção sejam inócuos, desperdiçando recursos e diminuindo a disponibilidade operacional. Vê-se então a necessidade de novos estudos quanto aos sintomas térmicos de equipamentos elétricos que operam sob falha, de modo a criar protocolos de análise das imagens térmicas mais robustas, bem como analisar outras implicações técnicas e econômicas que tais condições operacionais implicam. 4. Objetivos O trabalho teve como objetivo estudar o comportamento de máquinas, instalações e dispositivos elétricos no que tange ao comportamento das temperaturas de suas partes, que podem ser registradas através de imagens térmicas. Foram desenvolvidos modelos de funcionamento e de comportamento térmico dos equipamentos elétricos, de maneira a correlacionar seus comportamentos térmicos sob diferentes aspectos operacionais, inclusive sob falha. Alem de modelos para mensurar a dissipação de energia de partes sob falha que por degradação térmica reduzem a vida útil dos equipamentos e implicam em ineficiência energética.
  3. 3. Como resultado espera-se obter protocolos mais robustos de análise de imagens térmicas com vistas a emitir diagnósticos de falhas em instalações, equipamentos e dispositivos elétricos, bem como orientações para análise de eficiência energética e vida útil de equipamentos elétricos que operam sob falha. 5. Material e métodos Para dar cabo ao trabalho, inicialmente será desenvolvida uma pesquisa bibliográfica para se mapear os atuais protocolos de emissão de diagnóstico de falhas em instalações elétricas através de inspeção termográfica. Uma vez compilado os procedimentos de diagnóstico em prática, verificar-se-á as hipóteses levantadas caracterizando em termos práticos o problema. Dados (correntes, impedâncias e temperaturas) serão coletados para apoio ao desenvolvimento proposto. A partir das teorias de circuitos elétricos, serão modeladas, além das situações triviais, as situações em que falhas por mau contato não apresentem como sintoma elevação considerável de temperatura. Serão utilizadas também as leis e teorias da física a respeito de dissipação térmica e transferência de calor, para se modelar a energia dissipada e a temperatura que regiões com mau contato experimentam. De posse dos modelos (circuito elétrico esquemático e modelo do comportamento térmico), simular- se-ão situações típicas de instalações elétricas e de carga para se estabelecer diretrizes de análise dos perfis de temperatura da partes e suas eventuais falhas por mau contato. Por fim, situações típicas de falhas não usuais serão reproduzidas em laboratório para se verificar a eficácia do modelo proposto. 6. Atividades realizadas no período Atividade Descrição da Atividade 1 Pesquisa bibliográfica sobre diagnóstico de falhas por inspeção termográfica; 2 Levantamento de dados típicos de circuitos elétricos e conexões; 3 Modelamento de instalações elétricas com falhas; 4 Modelamento do comportamento térmico das falhas; 5 Elaboração de equações que definissem o comportamento das falhas; 6 Realização do experimento controlado do caso  Atividade 1: Tomando como referência relatórios de manutenção preventiva usando termográfica buscou-se situações onde ocorria análise errônea baseado no princípio que se tivermos duas conexões em paralelo e uma delas apresentar um mau contato de tal valor que maior parte da corrente se dirija ao fio são, obtemos um diagnóstico termográfico equivocado que indicaria este como o problemático. Por meio da pesquisa descobrimos que tal erro é comum ocorrendo com mais freqüência em terminais de carga de transformadores trifásicos.  Atividade 2: Por meio de tabelas fornecidas por fabricantes de cabos obtemos os valores das grandezas dependentes, como área da seção, material de isolação e sua espessura alem do valor das reatâncias, e das grandezas espúrias, como números de fios por cabo, carga de
  4. 4. ruptura e peso. O valor de um mau contato teórico foi obtido agravando falhas em uma conexão ate o ponto em que a corrente para de conduzir, como este valor carrega grande imprecisão ele foi estipulado como um intervalo, tendo em vista que este condiz para apenas um tipo de fio condutor.  Atividade 3: Utilizando o simulador Multissim da National Instruments construiu-se um circuito representando um terminal de um transformador trifásico alimentando uma carga por meio de dois cabos, sendo um possuindo mal contato, assim coletamos os valores das potências dissipadas em cada cabo, alem das outras variáveis secundárias como tensão, corrente e impedância equivalente, como demonstrado abaixo: V1 220 Vrms 60 Hz 0° R2 0.01Ω D1 MUR420 D2 MUR420 D3 MUR420 D4 MUR420 R3 1.8Ω R4 0.11103Ω L1 0.0078mH R5 0.11103Ω L2 0.0078mH R6 0.1Ω Key=A 55% XMM6 XMM8 XWM1 VI XWM2 V I Modelo do circuito elétrico com dois condutores por fase e suas conexões  Atividade 4: De posse da potência dissipada, da área dos fios condutores e sabendo o material a qual este pertence utilizamos as equações de distribuição de temperatura e perda térmica em aletas com seção reta uniforme para se construir o gráfico relacionando impedância de linha com a razão de temperatura em que se pode perceber que no início da curva ocorre a situação comum, em que se leva em consideração apenas os valores absolutos, e que a medida que impedância aumenta entra na zona de analise não trivial, como mostrado abaixo:
  5. 5.  Atividade 5: No problema a ser analisado, foi utilizado o modelo abaixo, onde o tal possui a vantagem de ser simples, pois só há um circuito monofásico com dois condutores por fase, e representa qualquer circuito polifásico, visto que a distribuição de corrente nos condutores de cada fase tem as mesmas características em ambos os casos. Além disso, se necessário for, o modelo poderá ser generalizado, expandido, para casos em mais de dois condutores por fase, visto que a distribuição de corrente entre condutores em paralelo continuará sendo calculada da mesma maneira que, no caso, foi através de divisor de corrente. Para o modelo, foram levantadas as variáveis de interesse listadas abaixo, sendo as dependentes: Impedância da linha (RL); Resistência da conexão conforme (RBC); Resistência da conexão não conforme (RMC); Enquanto as variáveis dependentes: Temperatura das conexões (TBC e TMC); Potência dissipada nas conexões (PBC e PMC); Corrente elétrica na linha com bom contato (IBC); Corrente elétrica na linha com mau contato (IMC); Como variável espúria, detectou-se a temperatura ambiente. Para que o modelo não dependesse dessa variável e, portanto, fosse aplicável a diferentes ambientes, as variáveis “Temperatura das conexões” foram substituídas por “Elevação de temperatura das conexões”. aplicando técnicas de análise de circuitos elétricos, chegou-se às seguintes equações para as correntes elétricas e potências dissipadas em cada conexão: Equação 3: Relação entre potências dissipadas no bom e no mau contato Equação 2: Corrente no condutor com mau contato Equação 1: Corrente no condutor com bom contato
  6. 6. Aplicando a Lei de Stefan-Boltzmann [5] através da Equação 4, obteve-se a relação entre as temperaturas absolutas do bom e do mau contato expressa na Equação 5. As simplificações que culminaram na Equação 5 foram possíveis devido às seguintes considerações:  As duas conexões dos condutores em paralelo são confeccionadas com peças e métodos semelhantes, portanto possuiriam a mesma área de dissipação de calor, bem como possuiriam a mesma emissividade;  As duas conexões estariam submetidas à mesma temperatura ambiente; A Equação 5 demonstra que a relação entre as temperaturas absolutas das duas conexões depende das resistências dessas conexões e da impedância de linha. Ou seja, a proporção da distribuição de corrente em cada condutor e, por conseguinte, a dissipação de potência e a temperatura das conexões dependem somente das impedâncias dos ramos analisados, como já era esperado na definição das variáveis independentes. A Equação 5, ainda, apresenta a relação de temperaturas absolutas das conexões considerando-se apenas seu aquecimento devido ao efeito Joule da condução de corrente elétrica. Como as conexões também são excitadas termicamente pelo calor ambiente, suas temperaturas absolutas em verdade serão um pouco maiores, apresentando valores numéricos um pouco diferentes do obtido por essa equação. Entretanto, como se deseja analisar o comportamento relativo das temperaturas das duas conexões, tal implicação não altera consideravelmente os resultados. A equação 5 no plano cartesiano ‘e expressa no gráfico abaixo: Equação 5: Relação entre as temperaturas do bom contato e do mau contato Equação 4: Equação da lei de Stefan-Boltzmann
  7. 7. As equações 1, 2, 3 e 5 nos permitem então avaliar o comportamento das temperaturas nas conexões dos condutores em paralelo variando-se a resistência do contato não conforme mantendo-se fixa a resistência do bom contato e a impedância da linha, situação essa objetivo deste trabalho.  Atividade 6: Foi analisado o caso de uma instalação elétrica de baixa tensão, onde a impedância da linha tem efeitos resistivos muito maiores que os efeitos indutivos, tipicamente uma ordem de grandeza maior. Assim, será considerado apenas o valor resistivo da linha. Para produção de resultados com boa abrangência, foram adotados os seguintes valores para obter-se resultados de comportamento dos circuitos: Impedância de linha: 0,41 Ohm; Resistência de bom contato: 0,15 Ohm. Resistência de mau contato: varia de 0,15 a 2,20 Ohm. Para realizar o ensaio em laboratório, os seguintes procedimentos foram adotados:  A tensão da fonte foi mantida constante durante todo o ensaio;  Foram evitadas correntes de ar sobre as elementos do circuito;  Para simular conexões, foram empregados resistores de iguais dimensões e materiais, buscando que tenham mesmas emissividades e áreas de dissipação de calor. Os resistores tinham precisão de 5%;  Corrente e tensão elétricas foram medidas com instrumento alicate amperímetro com precisão de 1,5 %  Imagens termográficas das conexões simuladas foram feitas com termovisor de 2% de precisão;  Medição de resistências elétricas e impedâncias com ponte digital LCR apresentando imprecisão de 0.5%. Durante o ensaio, foram adotadas as seguintes considerações:  A corrente elétrica que fluía pelos cabos era da ordem de 10% de sua ampacidade, tornando sua variação de resistência devido a aquecimento desprezível;  A resistência da conexão simulada era caso a caso calculada, a partir de sua temperatura, pois o componente utilizado era resistor de alumínio com invólucro de cimento de silicone.
  8. 8. 7. Cronograma do Projeto Atividade Período de realização das atividades Mês 1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8° 9° 10° 11° 12° 1 x x 2 x x 3 x x 4 x x 5 x x 6 x x 8. Resultados e discussão Baseado nos valores de temperaturas obtidos na ultima etapa montasse o gráfico abaixo que mostra a variação da temperatura de bom e a de mau contanto com o aumento da resistência de mau contato, tais dados de temperatura foram obtidos através das imagens que constam na tabela 1, ressaltasse que os pontos de temperatura coletados são sempre os máximos de cada imagem[3]. Imagem térmica Bom contato Imagem térmica Mau contato Valor da resistência de mau contato (p.u.) 0,38 0,47 0,53 0,92 1,1 1,34 1,55 1,96 3,24 Tabela 1: Imagens térmicas do bom contato e do mau contato.
  9. 9. Analisando, agora, o gráfico propriamente dito, nota-se que para valores de resistência de mau contato até aproximadamente 1 pu, à medida que o mau contato aumenta (de valor de resistência ôhmica), sua temperatura também aumenta em relação à temperatura do bom contato, alem de valores de resistência de mau contato acima de 1 pu, aumentando seu valor, a temperatura do bom contato começa a crescer a taxa acima da taxa de crescimento da temperatura de bom contato; Para elevados valores de resistência de mau contato, tendendo a uma ordem de grandeza acima da resistência da linha, a temperatura do bom contato se torna maior que a temperatura do mau contato; Esta última situação é a que pode levar a diagnósticos equivocados se forem aplicados os critérios tradicionais. Este trabalho desenvolveu um modelo que representa uma instalação elétrica com condutores em paralelo que propicia o estudo do comportamento das temperaturas de suas conexões quando uma dessas conexões apresenta mau contato. Tal modelo demonstrou que há situações em que a conexão defeituosa, ou seja, com mau contato, pode apresentar temperaturas inferiores às temperaturas da conexão conforme, situação prática já vivenciada. Instalações elétricas nas condições específicas citadas, quando analisadas através de inspeção termográfica, podem sofrer diagnósticos equivocados que, por exemplo, planeje manutenção corretiva para conexões em condições conformes e que sugira continuidade operacional para conexões defeituosas. Este trabalho prossegue no sentido de estabelecer parâmetros que auxiliem o profissional de manutenção a diagnosticar corretamente instalações elétricas escopo deste artigo. 9. Referências [1] CORTIZO, E. C.; BARBOSA, M. P.; SOUZA, L. A. C. Estado da arte da termografia. In: FORUM PARTRIMÔNIO: AMB. CONSTR. E PART. SUST., 2008, Belo Horizonte. Anais v.2. [2] OTANI, M.; MACHADO, W. V. A proposta de desenvolvimento de gestão da manutenção industrial na busca da excelência ou classe mundial. Revista Gestão Industrial, Ponta Grossa, v.04, n. 02, p. 01 ~ 06, 2008. [3] PELIZZARI, E; MARTINS, C. O. D.; MENEZES, A. F. S.; REGULY, A. Aplicações da termografia como ferramenta de manutenção. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, XVII, 2006, Foz do Iguaçu. Anais eletrônicos... Disponível em <http://www.metallum.com.br/17cbecimat/resumos/17Cbecimat-307-001.pdf>. Acesso em: 29 abr. 2010. [4] CALENTE, A. Applied thermography for detection and elimination of overheating caused byeddy current. In: CONFERENCIA PANAMERICANA DE END, 4., 2007, Buenos Aires. Anaiseletrônicos...Disponívelem:<http://www.aaende.org.ar/aaende_end/material/Abstract2 .pdf>.Acesso em: 30 abr. 2010. [5] GUERRA, R. Verificação experimental da lei de Stefan-Boltzmann. Disponível em: <http://w3.ualg.pt/~rguerra/MEF0506/stefanboltzmann.pdf >. Acesso em: 30 abr. 2010.
  10. 10. 10. Participação em eventos técnico-científicos 7 ◦ Semana estadual de ciência e tecnologia: Ciência para o desenvolvimento sustentável. De 19 a 22 de outubro de 2010. Publicação na VII Congresso brasileiro de engenharia clínica. Disponível em: http://www.cbeclin.com.br/arquivos/TL19.pdf - Acessado em 28 de julho de 2011. 11. Outras atividades Visita a gerência de engenharia eletro/eletrônica da ArcelorMittal Tubarão, nesta interagimos com a equipe de apoio a manutenção onde se utiliza manutenção preditiva usando termografia.
  11. 11. PIBIC/PIVIC – IFES RELATÓRIO FINAL DE PROJETO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA

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