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  1. 1. APLICAÇÃO DA TERMOGRAFIA NA AVALIAÇÃO DO ESTADO DE DEGRADAÇÃO DE CONDUTORES DO SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA Benedito Carneiro de Andrade Júnior 1 , Maria Teresa Paulino Aguilar 2 , Thiago Ferreira Querino 3 , Roberto Márcio de Andrade4 1,2,3,4 Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos, 6627 – Pampulha – Belo Horizonte – MG – Brasil 2 Departamento de Engenharia de Materiais e Construção da Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos, 6627 – Pampulha – Belo Horizonte – MG – Brasil Resumo: Neste trabalho, um condutor de alumínio empregado em sistemas elétricos de potência foi submetido a diferentes níveis de corrente. A variação de temperatura superficial do condutor foi medida por termografia, extraindo-se, em seguida, amostras para medição do grau de degradação por meio de microdureza vickers. Os resultados indicaram que a emissividade é maior fonte de incerteza no resultado da medição da temperatura pela termografia e que os valores de microdureza vickers ao longo da seção transversal do condutor foram alterados à medida que a corrente foi aumentando. Palavras chave: propriedades mecânicas, temperatura, resistência elétrica, termografia. 1. INTRODUÇÃO As intervenções em condutores do sistema elétrico de potência são efetuadas após a constatação de dano aparente que pode vir a ocasionar perda da função operacional. Essa constatação é feita de diversas formas, dentre elas a medição de grandezas físicas associadas aos princípios de funcionamento de um condutor de energia, principalmente a elevação de temperatura devido ao Efeito Joule. Por meio da medição de temperatura superficial é possível prever a vida útil e avaliar o risco técnico dos condutores. Essa medição pode ser realizada por meio da termografia, que, no sistema elétrico, é a técnica mais aplicada para diagnósticos de falhas. No entanto, as análises com base nesse método são focadas em interpretações visuais e comparações de temperatura entre equipamentos/componentes semelhantes (Diniz 2013). Neste trabalho, avalia-se o desempenho mecânico, expresso em termos de dureza, de um condutor de alumínio comumente empregado em sistemas elétricos de potência, submetido, em laboratório, a diferentes níveis de corrente, utilizando-se termografia para monitorar as temperaturas de operação do condutor. Além dos procedimentos experimentais, foi feita uma análise de incerteza de mediação em termografia. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL O procedimento experimental consistiu em submeter um condutor a três diferentes níveis de correntes elétricas, e avaliar, por meio de termografia, a temperatura superficial do condutor. O desempenho mecânico do condutor foi estimado por medidas de dureza antes e após a passagem das correntes. Para as inspeções termográficas foi necessário determinar a emissividade dos condutores. Foi utilizado o método radiométrico direto (Perin 2009), para o qual foram utilizados termopares tipo T. Conectores parafusados foram fixados nas extremidades do condutor e ligados à fonte. O conjunto foi montado em uma bancada de testes conforme exposto na Figura 1. Três termopares, associados ao programa AgilentBenchLink para tratamento dos dados foram fixados na parte central do condutor, tomando-se o cuidado de realizar a medição da temperatura num mesmo fio do condutor da amostra. A termocâmera foi posicionada a uma distância de 0,7 metros, de forma que os termogramas englobassem a parte central da amostra, onde se encontravam os três termopares. O condutor foi, então, submetido sucessivamente a três níveis de corrente: 510 A (corrente nominal), 663 A e 714 A (30 e 40% acima da nominal, respectivamente). Figura 1: Leiaute da Bancada de Testes Foi efetuada a captura de 3 termogramas sucessivos após a temperatura ter atingido a estabilidade. Os termogramas
  2. 2. foram analisados pelo software Quick Report. Os valores registrados pelos termopares permitiram a obtenção das emissividades com auxílio do Quick Report. Após o resfriamento do condutor, foram retiradas amostras dos fios externos e internos, na mesma posição onde os termopares estavam fixados. Essas amostras foram identificadas com um código alfa numérico conforme descrito na Figura 2. Após a identificação, as amostras foram embutidas a frio, polidas e submetidas a ensaios de microdureza vickers, utilizando carga de 50 gf. Figura 2: Esquema de Rastreabilidade das Amostras para Medição de Micro Dureza 3. INCERTEZA DO RESULTADO DE MEDIÇÃO DA TERMOGRAFIA 3.1 Métodos de avaliação de incerteza Teixeira (2012) estudou as fontes de incerteza na medição de temperatura usando os métodos GUM (Guide to the expression of uncertainty in measurement) e MMC (Método de Monte Carlo). Trata-se de uma avaliação da incerteza de medição da temperatura pela termografia infravermelha passiva, uma vez que existe uma diferença entre a temperatura do mensurando e a temperatura do ambiente. Atualmente, o GUM é amplamente empregado por instituições e empresas para estimativa da incerteza de medição. Nesse método, as componentes de incerteza são subdivididas às categorias do Tipo A e Tipo B. A avaliação Tipo A é caracterizada pela sua variância estimada, s2 , obtida de uma séria de observações realizadas sob condições de repetitividade. Seu desvio padrão s é a raiz quadrada positiva de sua variância estimada, sendo denominada incerteza padrão do Tipo A e segue uma distribuição normal (gaussiana). A avaliação do Tipo B é baseada na suposição da função de densidade de probabilidade que melhor representa a dispersão da variável analisada. Neste caso, utiliza-se o conhecimento disponível para estimativa de sua variância. O desvio padrão estimado é denominado incerteza padrão Tipo B e segue uma distribuição de probabilidades conhecida. Baseado no conceito de propagação de distribuição de probabilidades, o MMC é uma alternativa numérica para o cálculo de incerteza de medição onde o modelo matemático apresenta relativa complexidade, ou não atende aos critérios necessários para aplicação do GUM. A validação dos resultados de incerteza obtidos pelo GUM e MMC é recomendada pelo Supplement 1 to the ‘Guide to the expression of uncertainty in measurement’ (JCGM 101, 2008) por meio da comparação entre os intervalos de abrangência obtidos pelas duas técnicas. Nesse trabalho, adotou-se o cálculo da incerteza pelo Método GUM de 1a Ordem devido à necessidade de identificar a contribuição de cada fonte de incerteza para a incerteza combinada, além de que para baixos valores de emissividade o MMC é afetado, tendendo a acentuar a descontinuidade do modelo matemático em ε = 0 e sua não linearidade. A distribuição de probabilidade escolhida foi a retangular ou uniforme. 3.2 Fontes de Incerteza de Medição na Termografia A termografia é uma técnica de medição indireta cuja incerteza do mensurando é determinada por fontes de incerteza intrínsecas, próprias dos componentes internos do termovisor, e de medição (ou externas), associadas ao conhecimento incompleto dos parâmetros radiométricos necessários para caracterização do mensurando e das condições ambientais (Chrzanowski, 2001). As fontes intrínsecas de incerteza de um termovisor são atribuídas aos seguintes componentes: erro gerado por ruído (NGE), estabilidade da temperatura (TS), repetitividade (RE), resolução digital da temperatura (DRT), mínimo erro (ME), resolução espacial da medição (MSR), e a uniformidade da medição (MU). O erro gerado por ruído, NGE, é definido como o desvio padrão da leitura de temperatura devido aos ruídos internos do sistema. Segundo Tavares (2006), seu valor pode ser estimado com base no valor do NETD (noise equivalent temperature difference), ou resolução térmica. Medido em mK, o NETD, é o menor incremento de sinal produzido pelo detector e representa sua sensibilidade térmica. Seu valor pode ser estimado com o auxílio de um corpo negro registrando-se ao menos dois termogramas, em diferentes faixas de medição, e aplicando-se respectiva equação (OIML R141, 2008). Segundo Minkina e Dudzik (2009), o NETD também pode ser estimado, de forma simplificada, medindo-se as temperaturas máxima e mínima ao longo de uma linha que cruza o centro de um termograma registrado de um corpo negro. Cxyzw Onde: C – Condutor x – Tipo de Condutor (T = Teste e B= Base) y – Número correspondente á Corrente Aplicada (1 - 510 A;2 – 663 A e 3 – 710 A) z – Letra que indica de onde o fio foi retirado (I – Parte Interna do Condutor; E – Parte Externa do Condutor). W – Letra que indica a posição do fio em relação á termocâmera (E – Lado Esquerdo; C- Central ; D – Lado Direito) ao do fio em relação á termocâmera (E – Esquerda ;C- Central; D- Direita)
  3. 3. A estabilidade da temperatura, TS, corresponde à faixa na qual os resultados de medição, em diferentes temperaturas ambientes, estão localizados. A repetitividade, RE, é a precisão da medição sob condições de repetitividade. Pode ser obtida para qualquer temperatura do mensurando mediante uma série de medições. A repetitividade será assumida como sendo o desvio padrão experimental da média, de várias observações do mensurando. A resolução digital da temperatura, DRT, é a menor diferença entre dois níveis de temperatura que podem ser distinguidos devido às limitações do canal digital do termovisor (Chrzanowski, 2001; Tavares, 2006). O mínimo erro, ME, caracteriza a dispersão do valor registrado pelo termovisor, em relação à temperatura do mensurando, para medições realizadas em condição de calibração (Chrzanowski, 2001; Tavares, 2006). A resolução espacial de medição, MSR, é definida como a mínima dimensão angular do mensurando que não produz influência sobre o resultado de medição. A uniformidade da medição, MU, é definida como a faixa que abrange os resultados da medição para diferentes posições do mensurando dentro do campo de visão do termovisor. As fontes de incerteza de medição externas são atribuídas ao conhecimento incompleto dos parâmetros presentes no modelo matemático da medição descrito a seguir: Figura 3: Modelo de Medição com Termovisor (1) Onde:  A: fluxo radiativo emitido pelo objeto de emissividade ε, à temperatura Tobj e atenuado pela transmissividade atmosférica τ;  B: parcela da irradiação refletida sobre o objeto de refletividade (1-ε) proveniente de uma fonte de calor a temperatura refletida Tref e atenuada pela transmissividade atmosférica τ;  C: emissão atmosférica de emissividade (1-τ) O sinal elétrico S é proporcional à irradiação recebida pelo termovisor, sendo parte originária do objeto e parte da atmosfera, conforme a equação 2: (2) Assim substituindo (2) em (1) tem-se: (3) A relação entre os sinais Sob, Sref e Satm e às temperatura do objeto, refletida e atmosférica pode ser obtida por uma aproximação da Lei de Planck em função da sensibilidade espectral relativa do detector do termovisor e da sua banda espectral de operação. De acordo com (Minkina; Dudzik, 2009): (4) (5) (6) As constantes de calibração R, B e F são específicas para cada faixa de operação do termovisor e para diferentes filtros e lentes. Conforme a configuração do termovisor, o
  4. 4. sistema determina a combinação correta de valores a serem utilizados. Para a transmissividade atmosférica existem vários modelos disponíveis na literatura. Teixeira (2012) introduz o modelo de transmissividade de (Minkina; Dudzik, 2009), em que a transmissividade é função apenas da distância entre o termovisor e o objeto: (7) Onde α, β e dcal são constantes em função da banda espectral. Assim, o modelo matemático da medição da temperatura adotado é dado pelas equações 8,9 e 10: (8) (9) (10) Onde (11) Sendo ε = emissividade, d= distância do objeto, Tref = temperatura refletida e Tatm = temperatura atmosférica Com exceção do sinal S, todos os demais parâmetros devem ser ajustados pelo usuário no termovisor para caracterizar o mensurando e as condições ambientais locais. Para efetuar o cálculo da incerteza do resultado de medição, adicionaram-se as dispersões assumidas para cada variável, considerando eventuais correlações entre elas. A entrada de dados das fontes de incertezas intrínsecas e medição foi feita diretamente na interface de comando do Software IMT (Incerteza de Medição Termográfica) em ambiente MatLab®, desenvolvido por Teixeira (2012), conforme Figura 3. Por fim, o programa fornece as distribuições obtidas e seus intervalos de abrangência. Figura 3: Ambiente do Software IMT para ensaio realizado a uma corrente de 510 A 4. RESULTADOS A Figura 4 ilustra um termograma típico obtido a uma distância de 1 metro, assumindo ε = 0,95 e Tref de 23 ºC, quando aplicada uma corrente elétrica no circuito de 632 A. Uma análise qualitativa do termograma pode ser feita através da escala de cores disponível no lado direito, onde quanto mais clara a escala, maior é o valor de temperatura num dado ponto ou região. Nota-se uma maior temperatura nos fios externos devido ao efeito pelicular, em que ocorre uma redução da densidade de corrente no interior do condutor e o aumento da corrente na superfície mais externa do condutor, produzida pela ação do campo eletromagnético alternado que é aplicado. Figura 4: Termograma obtido a corrente de 632 A A partir dos dados dos termopares a emissividade real foi avaliada nos termogramas capturados por meio do
  5. 5. software Quick Report, desenvolvido pela Flir. O valor encontrado foi de 0,30 para todos os ensaios realizados. O baixo valor de emissividade avaliado foi fortemente influenciado pela condição superficial dos condutores, que nunca haviam sido usados. Logo após foram marcados os pontos de interesse para avaliação da temperatura com uso do software Researcher, desenvolvido pela Flir, e estimadas as temperaturas externas dos condutores para as faixas de corrente aplicadas por meio do software IMT, considerando o intervalo de abrangência de ρ = 95%. Os valores obtidos são apresentados na Tabela 1. Tabela 1: Valores de temperaturas externas e respectivas incertezas Posição no cabo Corrente / A 502 632 698 lado esquerdo (120,90±7,16) °C (165,51±20,60) °C (150,18±10,80) °C posição central (120,96±7,17) °C (151,82±18,90) °C (162,34±11,70) °C lado direito (123,19±7,27) °C (150,32±18,80) °C (157,59±11,30) °C Os resultados mostram que a incerteza dos valores de temperatura foi quase o dobro em relação a faixa de corrente de 632 A devido a uma oscilação ocorrida na fonte geradora de tensão durante o ensaio. Os resultados base para a faixa de 698 A apresentaram grande variação devido às características do leiaute do laboratório (presença de janelas abertas no momento de captura do termograma), causando alteração nos valores medidos de temperatura. Admitindo-se que existe a probabilidade de 95% dos valores medidos de temperatura se situarem entre os valores ilustrados na Tabela 1, pode-se assumir que nas faixas de corrente ensaiadas existe dano à resistência mecânica do material uma vez que, de acordo com Di Troia (2000), a liga ASTM 1350 H-19 tem perda significativa de resistência mecânica em temperaturas de operação acima de 90°C e o menor valor de temperatura atingido durante o ensaio foi de 113,74 ºC. Pelos resultados obtidos via software IMT verifica-se que a emissividade é a fonte de incerteza que tem maior contribuição no resultado da medição termográfica nas três faixas de corrente, conforme ilustrado na Figura 5 a seguir: Figura 5: Contribuição das Fontes de Incerteza de Medição para as faixas de corrente utilizadas Das variáveis a que o usuário tem acesso, a emissividade é mais crítica, porém, é também a mais negligenciada. Seu valor deve ser determinado experimentalmente, o que na maioria das aplicações não é possível. Por conseguinte, os usuários são levados adotar valores tabelados ou aproximações que não refletem a verdadeira emissividade do mensurando, uma vez que, esta também é função das condições superficiais do material que compõe o objeto. Nas Figuras 6(a) e (b) são apresentados os resultados de microdureza Vickers em função da corrente aplicada. (a) (b) 80% 5% 0% 0% 14% 97% 1% 0% 0% 2% 94% 1% 0% 0% 5% 0% 20% 40% 60% 80% 100% CONTRIBUIÇÃO DAS FONTES DE INCERTEZA 502 A 632 A 698 A 35,00 40,00 45,00 50,00 55,00 60,00 502 632 698 MicrodurezaVickers(HV) Corrente (A) DUREZA FIO EXTERNO DUREZA MEDIA FIO EXT. 35,00 40,00 45,00 50,00 55,00 60,00 502 632 698 MicrodurezaVickers(HV) Corrente (A) DUREZA FIO INTERNO DUREZA MEDIA FIO INT. DUREZA ANTES DO ENSAIO DUREZA CONF.NORMA
  6. 6. Figura 6: Gráfico do comportamento da dureza em função da corrente no fio externo (a) e fio interno (b) Os valores obtidos experimentalmente foram comparados com o valor de dureza para a liga estudada por Henriques (2006) fazendo-se a devida conversão de acordo com a Tabela 9 da norma ASTM E140 (2012), onde foi obtido o valor de 56 HVW (50 HB). A dureza das amostras de fio externo é reduzida em aproximadamente 6% em relação ao valor medido antes do ensaio e 12 % em relação aos valores disponíveis na literatura. Para as faixas de corrente de 632 A e 698 A, a dureza das amostras de fio interno é reduzida em torno de 9% em relação ao valor medido antes do ensaio e 20% em relação aos valores disponíveis na literatura. Contudo nota-se que o desvio-padrão das amostras de fio externo é, aproximadamente, duas vezes menor que o valor do desvio- padrão do fio interno. Essa menor oscilação em torno do valor médio é explicada pela ocorrência do efeito pelicular, que induz um aumento de temperatura significativo na superfície externa do conector, de onde foram extraídas parte das amostras. Devido à menor densidade de corrente nos fios internos do condutor pode-se inferir que a taxa de aquecimento nesses fios foi menor e discrepante entre si, de modo a provocar valores irregulares, que necessitariam de maiores estudos para compreensão, como por exemplo, o fato da dureza média das amostras de 502 A possuir valor maior que a dureza do condutor sem aquecimento. Observa-se que para maiores valores de corrente ocorrem maiores perdas de resistência mecânica, evidenciada pelo aumento de temperatura e consequente redução da dureza, o que pode levar à ocorrência do modo de falha Bird caging ou engaiolamento do condutor, definido no trabalho de Wan (1999) como um fenômeno onde somente os fios internos ficam tracionados e os fios externos sofrem deformação plástica severa sem ruptura. 5. CONCLUSÃO Nesse trabalho buscou-se associar um aumento da temperatura de um condutor elétrico com a redução da resistência mecânica dos fios que o compõem. Com o uso da termografia passiva (ou seja, existindo uma diferença natural e significativa entre a temperatura ambiente e a temperatura do mensurando) foram estimadas as temperaturas superficiais e intervalos de abrangência que poderiam causar danos à resistência mecânica do material em seus fios externos e internos, evidenciados pela medição de suas respectivas durezas, através do ensaio de microdureza Vickers. Evidenciou-se que o aumento da temperatura superficial induziu à redução da dureza dos fios externos do condutor devido ao aumento da densidade da corrente nessa região, originando uma concentração de calor que levou a um aumento significativo de temperatura. Com o ensaio de microdureza Vickers a redução da dureza foi evidenciada. REFERÊNCIAS [1] Diniz, H.E.P., “Termografia Quantitativa como Ferramenta de Gestão de Ativos do Sistema Elétrico de Potência” Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - UFMG, Belo Horizonte, BRA. abr. 2013 [2] Perin, A. L. “Desenvolvimento de um equipamento para medição de emissividade”. [S.l.]: Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2009. [3] Teixeira, G. G. D, “Confiabilidade Metrológica em Termografia Aplicada em Sistemas Elétricos.” Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - UFMG, Belo Horizonte, BRA fev. 2012. [4] JCMG 101. “Evaluation of measurement data — Supplement 1 to the “Guide to the expression of uncertainty in measurement” — Propagation of distributions using a Monte Carlo method.”. Sèvres: Joint Committee for Guides in Metrology (BIPM, IEC, IFCC, ILAC, ISO, IUPAC, IUPAP and OIML). , 2008 [5] Chrzanowski, K. “Evaluation of thermal cameras in quality systems according to ISO 9000 or EN45000 standards.” Proceedings of SPIE, v. 4360, p. 387–401, 2001. [6] OIML R141, O. I. D. M. L. Procedure for calibration and verification of the main characteristics of thermographic instruments. . [S.l: s.n.]. , 2008 [7] Minkina, W.; Dudzik, S. “Infrared Thermography Erros and Uncertainties.” 1. ed. [S.l.]: Wiley, 2009. p. 212 [8] Tavares, S. G. “Desenvolvimento de uma metodologia para aplicação de ensaios térmicos não destrutivos na avaliação da integridade de obras de arte.” [S.l.]: Universidade Federal de Minas Gerais, 2006. [9] Troia, G.." Effects of High Temperature Operation on Overhead Transmission Full-Tension Joints and Conductors", 2000 [10] Henriques, Antonio Manoel Dias. “Bancada de ensaios mecânicos à fadiga de cabos condutores de energia”2006. 182 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil e Ambiental)- Universidade de Brasília, Brasília, 2006. [11] ASTM E140-12,” Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, Scleroscope Hardness, and Leeb Hardness,” ASTM International, (2005). [12] H. Wan, J.D. McCalley, V. Vittal, “Increasing thermal rating by risk analysis”, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 14, N. 3. August 1999, pp. 815-828.

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