APLICAÇÃO DA TERMOGRAFIA NA MANUTENÇÃO DE INSTALAÇÕES ... · aplicaÇÃo da termografia na...
Transcript of APLICAÇÃO DA TERMOGRAFIA NA MANUTENÇÃO DE INSTALAÇÕES ... · aplicaÇÃo da termografia na...
APLICAÇÃO DA TERMOGRAFIA NA
MANUTENÇÃO DE
INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS
ISIS ZAIDAN DA SILVA
PROJETO SUBMETIDO AO CORPO
DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA
POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO, COMO
PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE
ENGENHEIRO ELETRICISTA
Orientador: Jorge Nemésio Sousa
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
2020
APLICAÇÃO DA TERMOGRAFIA NA MANUTENÇÃO DE
INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS
Isis Zaidan da Silva
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO, COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.
Examinado por:
_________________________________________________
Prof. Jorge Nemésio Sousa, MSc.- Orientador
_________________________________________________
Prof. Antonio Carlos Siqueira de Lima, D.Sc.
_________________________________________________
Engº Augusto Cesar Santos Barretto
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
JUNHO DE 2020
iii
Silva, Isis Zaidan da
Aplicação da termografia na manutenção de Instalações
elétricas industriais / Isis Zaidan da Silva - Rio de Janeiro:
UFRJ/ESCOLA POLITÉCNICA/DEE, 2020.
XVI, 56 p.; il.; 29,7 cm.
Orientador: Jorge Nemésio Sousa
Projeto de Graduação – UFRJ/Escola Politécnica/DEE -
Departamento de Engenharia Elétrica, 2020.
Referências Bibliográficas: p. 55-56.
1. Termografia. 2. Manutenção. 3. Instalações elétricas.
I. Nemésio Sousa, Jorge. II. Universidade Federal do Rio de
Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Elétrica III.
Título.
iv
DEDICATÓRIA
A quem veio antes de mim e permitiu que estivesse
aqui hoje.
v
EPÍGRAFE
“You can’t be what you can’t see.”
Marian Wright Edelman
vi
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos
requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
APLICAÇÃO DA TERMOGRAFIA NA MANUTENÇÃO DE
INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS
Isis Zaidan da Silva
Junho de 2020
Orientador: Jorge Nemésio Sousa
Departamento de Engenharia Elétrica
A termografia infravermelha quando aplicada como uma ferramenta de manutenção
preventiva torna possível a identificação de anomalias antes que elas evoluam gerando paradas
não programadas. A possibilidade de realizar a inspeção termográfica sem interromper o
fornecimento de energia e mantendo a segurança dos colaboradores tornou a técnica difundida
no mercado. Porém, a utilização desta ferramenta sem conhecer seus conceitos e limitações
pode levar a erros de interpretação e consequentemente desligamentos desnecessários dos
equipamentos e instalações.
Esse trabalho visa apresentar os principais conceitos e limitações da termografia em
instalações elétricas industriais. Através de termogramas obtidos em campo são apresentados
como os conceitos de termografia infravermelha influenciam na interpretação dos termogramas
e quais as limitações do uso desta técnica.
Palavras-chave: termografia, manutenção, instalações elétricas.
vii
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Electrical Engineer.
APLICATION OF THERMOGRAPHY IN MAINTENANCE OF INDUSTRIAL
ELECTRICAL INSTALLATIONS
Isis Zaidan da Silva
June / 2020
Advisor: Jorge Nemésio Sousa
Departament: Electrical Engineering
ABSTRACT
Infrared thermography when applied as a preventative maintenance tool makes it
possible to identify anomalies before they evolve and generate unscheduled downtime. The
possibility of performing thermographic inspection without interrupting the power supply and
maintaining the safety of employees has made this technique widespread in the industry, but
the use of this tool without knowing its concepts and limitations can lead to misinterpretations
and unnecessary stops.
This document aims to present the main concepts and limitations of thermography in
industrial electrical installations. In field thermograms show how the concepts of infrared
thermography influence the interpretation of thermograms and the limitations of using this
technique.
Keywords: thermography, maintenance, electrical installations.
viii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Espectro Eletromagnético ................................................................................... 10
Figura 2.2 – Radiação total medida em termografia ............................................................... 16
Figura 2.3 – Diagrama básico da conversão da radiação infravermelha em imagem térmica 16
Figura 2.4 – Características do termógrafo para definição da resolução espacial................... 19
Figura 2.5 – Gráfico de emissividade ...................................................................................... 22
Figura 2. 6 – Mesmo termograma apresentado com diferentes amplitudes de escala: (a) entre
15 e 70 ºC; (b) entre 22 e 65 ºC ........................................................................................ 23
Figura 2. 7 – Medida de temperatura máxima, mínima e média da área Bx1 ......................... 24
Figura 2. 8 – Medida do gradiente térmico da reta Li1: (a) imagem térmica; (b) gradiente de
temperatura ....................................................................................................................... 24
Figura 2. 9 – Termograma com temperatura de isoterma entre: (a) 50 e 60 ºC; (b) 65 e 68 ºC
.......................................................................................................................................... 25
Figura 3. 1 – Barramentos com fitas de identificação: (a) imagem real; (b) imagem térmica 36
Figura 3.2 – Reflexo de transformador na conexão tipo T e no barramento. .......................... 37
Figura 3. 3 – (a) Foto sem apresentar reflexo; (b) Termograma com reflexo do inspetor
termografista no fundo do quadro. ................................................................................... 38
Figura 3.4 – Comportamento da onda infravermelha em cavidades: (a) Absorção; (b)
Emissão. ............................................................................................................................ 39
Figura 3.5 – Comportamento do infravermelho em furos de diferentes profundidades. ........ 40
Figura 3. 6 – (a) Imagem real; (b) Termograma com aquecimento em objeto com cavidade. 41
Figura 3. 7 – (a) Imagem real; (b) Termograma com condutor aquecido menos evidente. .... 42
Figura 3. 8 – (a) Imagem real; (b) Termograma com mudança de ângulo e condutor aquecido
mais evidente. ................................................................................................................... 43
Figura 3.9 – Transformador em sobrecarga. ........................................................................... 44
Figura 3. 10 – Transformador em regime normal carga. ......................................................... 44
Figura 3. 11 – Quadro de comando com pontos de aquecimento: (a) imagem real; (b) imagem
térmica. ............................................................................................................................. 45
Figura 3.12 – Quadro de comando com pontos de aquecimento 15 dias após: (a) imagem real;
(b) imagem térmica. .......................................................................................................... 46
Figura 3. 13 – Quadro de comando após substituição dos componentes: (a) imagem real; (b)
imagem térmica. ............................................................................................................... 47
Figura 3.14 – Imagem sem a atenuação do infravermelho por obstáculo: (a) imagem real; (b)
imagem térmica ................................................................................................................ 48
ix
Figura 3.15 – Imagem com a atenuação do infravermelho por obstáculo: (a) imagem real; (b)
imagem térmica ................................................................................................................ 49
Figura 3.16 – Imagem de instalação elétrica com acrílico de proteção: (a) imagem real; (b)
imagem térmica ................................................................................................................ 50
Figura 3.16 – Janela de Inspeção Termográfica ...................................................................... 51
Figura 3.17 – Termografia através de janela de inspeção termográfica. ................................. 52
x
LISTA DE QUADROS
Quadro 2.1 – Matriz de priorização ........................................................................................ 33
Quadro 2.2 – Anomalias mais comuns por equipamento ....................................................... 34
Quadro 3.1 – Especificações Termógrafo E6.......................................................................... 35
xi
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Divisões do Espectro Eletromagnético ............................................................... 11
Tabela 2.2 – Emissividade de materiais comuns em instalações elétricas .............................. 13
Tabela 2.3 – Fator de correção da temperatura pela velocidade do vento ............................... 26
Tabela 2.4 – Velocidade do vento pelo comportamento do ambiente ..................................... 27
Tabela 2.5 – Critério MTA - Máxima Temperatura Admissível ............................................. 28
Tabela 2.6 – CFCA - Critério Flexível de Classificação de Aquecimentos ............................ 30
Tabela 2.7 – Critério Delta T para equipamentos elétricos de acordo com a NETA
Maintenance Testing Specifications ................................................................................. 31
xii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
°C Grau Celsius – unidade de temperatura
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
BT Baixa Tensão - se caracteriza por valores abaixo de 1.000 V
c Velocidade da luz no vácuo
CFCA Critério Flexível de Classificação de Aquecimentos
cm Unidade de comprimento - centímetro
D Tamanho do objeto inspecionado
Distd Distância máxima entre o objeto inspecionado e o termografista
EAT Extra Alta Tensão - se caracteriza por valores entre 230.000 e 750.000 V
Fcc Fator de correção de carga
Fcv Fator de correção de vento
FOV Campo de visão
h Constante de Plank
IFOV Campo de visão instantâneo
Im Corrente no momento da medição (A)
In Corrente nominal (A)
J Joule
JIT Janela de Inspeção Termográfica
k Constante de Stefan-Boltzmann
K Kelvin – unidade de temperatura
m Metro
MT Média Tensão - se caracteriza por valores entre 1.000 V e 36,2 kV
MAA Máximo Aquecimento Admissível
MTA Máxima Temperatura Admissível
NETA National Electrical Testing Association
Pix Quantidade de Pixels
Pixel Menor ponto que forma uma imagem digital
QGBT Quadro Geral de Baixa Tensão
s Unidade de tempo - segundo
S Constante de Boltzmann
T Temperatura absoluta
TA Temperatura ambiente
Tc Temperatura corrigida
xiii
TCC Trabalho de conclusão de curso
Tm Temperatura medida
Treal Temperatura real
UAT Ultra Alta Tensão - se caracteriza por valores acima de 750.000 V
V Unidade de tensão elétrica - Volts
W Energia irradiada (Watts / m²)
Wa Energia absorvida por um corpo
WBB Energia irradiada por um corpo negro
We Energia emitida por um corpo
Wr Energia refletida por um corpo
WRB Energia irradiada por um corpo real
Wt Energia transmitida por um corpo
ε Emissividade - característica do material que diz respeito a capacidade
de emissão de energia por radiação da sua superfície.
λ Comprimento de onda
xiv
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 1
1.1 APRESENTAÇÃO ............................................................................................... 1
1.2 PROPOSTA .......................................................................................................... 1
1.3 MOTIVAÇÃO ...................................................................................................... 2
1.4 OBJETIVOS DO ESTUDO ................................................................................. 2
1.5 RELEVÂNCIA DO ESTUDO ............................................................................. 3
1.6 LIMITAÇÕES DO ESTUDO .............................................................................. 3
1.7 ORGANIZAÇÃO/DESCRIÇÃO DO TRABALHO ........................................... 3
1.8 METODOLOGIA DE PESQUISA ...................................................................... 4
1.8.1 Classificação da pesquisa ............................................................................... 4
2 REFERENCIAL TEÓRICO ..................................................................................... 7
2.1 MANUTENÇÃO EM INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS .............. 7
2.1.1 Instalações elétricas industriais ..................................................................... 7
2.1.2 Manutenção ..................................................................................................... 7
2.1.3 Defeitos ............................................................................................................ 8
2.1.4 Falhas ............................................................................................................... 8
2.2 AQUECIMENTO EM INSTALAÇÕES ELÉTRICAS ....................................... 8
2.3 RELAÇÃO ENTRE O INFRAVERMELHO E A TEMPERATURA ................ 9
2.3.1 Temperatura e calor ....................................................................................... 9
2.3.2 Transferência de calor.................................................................................... 9
2.3.3 Onda infravermelha ..................................................................................... 10
2.3.4 Lei da Radiação ............................................................................................ 11
2.3.5 Transferência de calor por radiação ........................................................... 14
2.4 TERMOGRAFIA ............................................................................................... 15
2.4.1 Características do termógrafo ..................................................................... 19
2.4.2 Configuração do termógrafo ....................................................................... 20
2.4.3 Termograma.................................................................................................. 22
xv
2.5 FATORES EXTERNOS .................................................................................... 25
2.6 IDENTIFICAÇÃO DE UMA ANOMALIA ...................................................... 28
2.6.1 MTA - Máxima Temperatura Admissível .................................................. 28
2.6.2 Histórico operacional ................................................................................... 30
2.6.3 Elemento similar adjacente ......................................................................... 30
2.6.4 Outros critérios ............................................................................................. 31
2.6.4.1 Critério NETA - National Electrical Testing Association ........................... 31
2.6.4.2 Critério da ‘fórmula-chave’ ......................................................................... 32
2.7 CLASSIFICAÇÃO DO AQUECIMENTO ........................................................ 33
2.8 ANOMALIAS EM INSTALAÇÕES ELÉTRICAS .......................................... 34
3 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO............................................................ 35
3.1 DIFERENÇA DE EMISSIVIDADE .................................................................. 35
3.2 TEMPERATURA APARENTE REFLETIDA .................................................. 37
3.2.1 Reflexões múltiplas ....................................................................................... 39
3.3 POSICIONAMENTO DO TERMÓGRAFO EM RELAÇÃO AO OBJETO DE
ESTUDO ........................................................................................................... 41
3.4 IMPACTO DA QUANTIDADE DE CARGA ................................................... 43
3.5 ANÁLISE DE CASO. ........................................................................................ 45
3.6 LIMITAÇÕES DA APLICAÇÃO DA TERMOGRAFIA ................................. 47
4 CONCLUSÃO .......................................................................................................... 53
4.1 SUGESTÃO DE TRABALHOS FUTUROS ..................................................... 54
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 55
1
1 INTRODUÇÃO
1.1 APRESENTAÇÃO
Para grandes empresas – tanto a indústria, quanto centros comerciais – a máxima
‘tempo é dinheiro’ é uma realidade tão palpável que os gastos com manutenção são vistos
como investimentos e não despesas. Todo equipamento está sujeito a apresentar
problemas, tanto devido ao mau uso, quanto simplesmente pelo seu desgaste natural.
Segundo NEMÉSIO SOUSA (2019a) “Manutenção é toda ação necessária para
que um item seja conservado ou restaurado, de modo a poder permanecer em
conformidade com uma condição especificada”. Desta forma, a manutenção pode ser de
dois tipos: preventiva ou corretiva. O primeiro caso é quando se tomam ações antes de
ocorrer algum defeito ou falha, com o objetivo de prevenir os seus acontecimentos. O
segundo, é quando, ocorrido o defeito ou falha, as medidas que devem ser tomadas para
reestabelecer a função dos equipamentos ou sistemas.
Assim como os sistemas mecânicos, as instalações elétricas também estão sujeitas
aos defeitos ou falhas que podem ir desde perdas por aquecimento até interrompimento
do fornecimento de energia. A não disponibilidade de energia elétrica pode acarretar na
interrupção de toda uma cadeia de produção, o que significaria uma grande perda
financeira.
A termografia é uma técnica utilizada na manutenção preventiva que tem por
objetivo identificar anomalias no sistema elétrico antes que estas evoluam. Durante a
inspeção termográfica é possível identificar o ponto de defeito, porém não é possível, de
imediato, identificar a origem do problema. Desta forma, é possível que as paradas sejam
programadas para correção, diminuindo a indisponibilidade de energia elétrica
ocasionadas por problemas internos.
1.2 PROPOSTA
Este trabalho visa apresentar a aplicabilidade da termografia na manutenção
preventiva de instalações elétricas industriais, elucidando suas vantagens e limitações.
2
Para tal, serão apresentados termogramas1 obtidos em campo, onde a análise termográfica
identificou anomalias que poderiam evoluir causando interrupção de energia localmente
– no caso de QGBT - Quadro Geral de Baixa Tensão, ou, em casos mais graves,
interrupção da energia de toda a planta, ou parte significativa dela – no caso de
transformadores.
1.3 MOTIVAÇÃO
A termografia é uma tecnologia relativamente nova – comparada aos demais
instrumentos utilizados na manutenção de equipamentos elétricos – cujos custos tem
decrescido nos últimos anos. Além disso, com o avanço da tecnologia, as câmeras
termográficas têm diminuído de tamanho facilitando o manuseio e ampliando sua
aplicabilidade. Atualmente é possível acoplar câmeras termográficas à drone2 e até
mesmo a aparelhos de celular.
Como método de manutenção preventiva, a termografia possui a vantagem de não
necessitar da interrupção do fornecimento de energia para que os componentes do sistema
sejam analisados, além de que é possível identificar anomalias ainda no começo - defeito
incipiente3. Apesar de toda facilidade e popularização da termografia é necessário ter um
maior conhecimento para análise dos termogramas obtidos em campo, visto que nem tudo
que brilha num termograma é um aquecimento, o que poderia levar a paradas
desnecessárias.
1.4 OBJETIVOS DO ESTUDO
Este trabalho tem como objetivo apresentar a teoria base da termografia através
de referencial bibliográfico e como utilizá-la como um recurso na manutenção preventiva
de instalações elétricas através de termogramas obtidos em campo, que serão utilizados
como exemplos.
1 Termogramas são as imagens formadas pelo padrão de calor que são registradas pela câmera
termográfica. Ver Seção 2.4.3. 2 Drone: avião não tripulado controlado remotamente por meios eletrônicos. 3 Defeito ou falha incipiente – este termo costuma ser usado para identificar o estágio inicial de
determinado processo ou ciclo, ou seja, algo que se encontra no estado de incipiência, porém já
em desenvolvimento.
3
1.5 RELEVÂNCIA DO ESTUDO
A queda do valor das câmeras termográficas fez com que a termografia fosse
difundida como método de manutenção preventiva, porém sua utilização em campo ainda
era confundida com a de um termômetro infravermelho4. Somado a isso, há poucas
literaturas publicadas sobre o tema, gerando erros na interpretação dos termogramas, o
que pode gerar paradas desnecessárias ou mesmo a não identificação de falhas.
Este trabalho visa apresentar os conceitos básicos da termografia e os principais
cuidados ao analisar os termogramas de maneira que a técnica possa ser utilizada de modo
a otimizar as rotinas de manutenção preventiva de plantas de instalação elétrica industrial,
difundindo o conhecimento hoje centralizado em especialistas de termografia.
1.6 LIMITAÇÕES DO ESTUDO
A termografia atualmente é utilizada em diversas áreas como, por exemplo, na
medicina, veterinária, militar, engenharia civil, entre outras. Neste trabalho será abordada
a teoria geral de termografia e seus fundamentos básicos, porém será dado enfoque na
utilização deste recurso em engenharia elétrica, mais especificamente em manutenção de
instalações e equipamentos elétricos industriais.
1.7 ORGANIZAÇÃO/DESCRIÇÃO DO TRABALHO
O trabalho foi organizado em 4 Capítulos, sendo apresentado, no primeiro a
introdução do tema, destacando-se: o objetivo, a motivação e relevância do estudo e a
metodologia de pesquisa.
O segundo Capítulo apresenta um referencial teórico com definições e conceitos
relacionados ao tema abordado neste trabalho, necessários ao seu entendimento e
compreensão realizados a partir de pesquisas bibliográficas.
4 Termômetro infravermelho, também conhecido como pirômetro, mede pontualmente a
temperatura, sem necessidade de contato com a superfície, através da radiação infravermelha
emitida por esta superfície.
4
No terceiro Capítulo o tema é desenvolvido através de exemplos práticos
elucidando as vantagens e limitações da técnica apresentada, a partir da análise de estudos
de casos.
No quarto e último Capítulo, são apresentadas a conclusão e as sugestões para
trabalhos futuros, seguido pelas Referências Bibliográficas.
1.8 METODOLOGIA DE PESQUISA
Esta Seção trata da metodologia e da abordagem científica adotada para o
desenvolvimento deste trabalho.
1.8.1 Classificação da pesquisa
Conforme Silva e Menezes (2005), as formas clássicas de classificação de uma
pesquisa são:
Do ponto de vista da sua natureza, pode ser:
Pesquisa Básica: Objetiva gerar conhecimentos úteis para o avanço
da ciência sem aplicação prática prevista.
Pesquisa Aplicada: Objetiva gerar conhecimentos para aplicação
prática dirigidos à solução de problemas específicos. Envolve
verdades e interesses locais.
Quanto a natureza, esta pesquisa pode ser considerada aplicada, visto sua
natureza prática que tem por objetivo analisar uma técnica já utilizada.
Do ponto de vista da abordagem do problema, pode ser:
Pesquisa Quantitativa: Considera que tudo pode ser quantificado, o
que significa traduzir em números opiniões e informações para
classificá-las e analisá-las.
Pesquisa Qualitativa: Considera que há uma relação dinâmica entre o
mundo real e o sujeito, isto é, um vínculo indissociável entre o mundo
5
objetivo e a subjetividade do sujeito que não pode ser traduzido em
números.
Para esta pesquisa foi utilizada a abordagem qualitativa, pois foi priorizado
avaliar a técnica e os critérios para utilizá-la.
Do ponto de vista dos procedimentos técnicos (Gil, 1991), a classificação
pode ser:
Pesquisa Bibliográfica: Quando elaborada a partir de material já
publicado, constituído principalmente de livros, artigos de periódicos e
atualmente com material disponibilizado na Internet.
Pesquisa Documental: Quando elaborada a partir de materiais que não
receberam tratamento analítico.
Pesquisa Experimental: Quando se determina um objeto de estudo,
selecionam-se as variáveis que seriam capazes de influenciá-lo,
definem-se as formas de controle e de observação dos efeitos que a
variável produz no objeto.
Levantamento: Quando a pesquisa envolve a interrogação direta das
pessoas cujo comportamento se deseja conhecer.
Estudo de Caso: Quando envolve o estudo profundo e exaustivo de um
ou poucos objetos de maneira que se permita o seu amplo e detalhado
conhecimento.
Pesquisa Ex Post Facto: Quando o experimento se realiza depois dos
fatos.
Pesquisa de Ação: Quando concebida e realizada em estreita
associação com uma ação ou com a resolução de um problema coletivo.
Os pesquisadores e participantes representativos da situação ou do
problema estão envolvidos de modo cooperativo ou participativo.
Pesquisa Participante: Quando se desenvolve a partir da interação
entre pesquisadores e membros das situações investigadas.
Do ponto de vista de procedimentos técnicos, este trabalho é considerado uma
pesquisa bibliográfica, porque foi elaborado com base em material já publicado.
6
Conforme Gil (1991), do posto de vista de seus objetivos, pode ser:
Pesquisa Exploratória: Visa proporcionar maior familiaridade com o
problema com vistas a torná-lo explícito ou a construir hipóteses.
Envolve levantamento bibliográfico; entrevistas com pessoas que
tiveram experiências práticas com o problema pesquisado; análise de
exemplos que estimulem a compreensão. Assume, em geral, as formas
de Pesquisas Bibliográficas e Estudos de Caso.
Pesquisa Descritiva: Visa descrever as características de determinada
população ou fenômeno ou o estabelecimento de relações entre
variáveis. Envolve o uso de técnicas padronizadas de coleta de dados:
questionário e observação sistemática. Assume, em geral, a forma de
Levantamento.
Pesquisa Explicativa: Visa identificar os fatores que determinam ou
contribuem para a ocorrência dos fenômenos. Aprofunda o
conhecimento da realidade porque explica a razão, o ‘por que’ das
coisas. Quando realizada nas ciências naturais, requer o uso do método
experimental, e nas ciências sociais requer o uso do método
observacional. Assume, em geral, a formas de Pesquisa Experimental e
Pesquisa Ex Post Facto.
Quanto aos objetivos, a pesquisa deste TCC pode ser classificada como
exploratória, visto que é utilizada a pesquisa bibliográfica para explicar os conceitos
básicos da termografia e são apresentados casos reais para apresentar como estes
conceitos se comportam na prática.
7
2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 MANUTENÇÃO EM INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS
2.1.1 Instalações elétricas industriais
Em sistemas elétricos de potência, normalmente utilizam-se os termos BT - Baixa
Tensão para valores abaixo de 1.000 V; MT - Média Tensão para valores entre 1.000 V e
36.200 V; AT - Alta Tensão para valores entre 36.200 V e 230.000 V; EAT ou EHV -
Extra-Alta Tensão para tensões entre 230.000 e 750.000 V; e UAT ou UHV – Ultra-Alta
Tensão para as tensões superiores a 750.000 V.
As instalações elétricas industriais se diferem das instalações residenciais por
receberem a energia da concessionária em MT, ou seja, entre 1 kV e 36,2 kV, conforme
a NBR 14039:2005.
Para tal é necessário que estas instalações possuam subestações para que a tensão
seja baixada e distribuída internamente para os circuitos da instalação.
De acordo com NEMÉSIO SOUSA (2019b), as subestações, normalmente, são
compostas pelos seguintes equipamentos: chaves secionadoras, transformadores e
disjuntores. Mas, dependendo da instalação, também podem ser encontrados
transformadores, banco de capacitores, para-raios e reatores, entre outros equipamentos.
2.1.2 Manutenção
Os equipamentos de uma subestação, no geral, são projetados para durar mais de
20 anos. Para que isto seja possível é necessário que estes equipamentos passem por
manutenções ao longo da sua vida útil. Segundo ABREU et al. (2012) “a manutenção é
o conjunto de todas as ações técnicas, administrativas e de gestão utilizadas no ciclo de
vida de uma máquina ou componente”. Estas medidas têm por objetivo aumentar a vida
útil dos equipamentos minimizando o desgaste e corrigindo os problemas por mau
funcionamento ou mau uso do equipamento, mitigando a ocorrência de defeitos e falhas
e aumentando a disponibilidade operacional.
A manutenção pode ser dividida em dois tipos: preventiva e corretiva. Segundo
NEMÉSIO SOUSA a manutenção corretiva é um conjunto de ações que visa
8
reestabelecer o sistema após uma falha. Já a manutenção preventiva é um conjunto de
ações que ocorrem de maneira periódica com o objetivo de coibir falhas. Esta ainda pode
ser dividida em três tipos: inspeção, sistemática e preditiva.
2.1.3 Defeitos
Como apresentado por NEMÉSIO SOUSA (2019a), o defeito é quando o
equipamento apresenta alguma anomalia, mas essa ainda não o tornou indisponível.
Quanto maior a gravidade do defeito menor é, potencialmente, o prazo para o
equipamento falhar.
2.1.4 Falhas
Conforme NEMÉSIO SOUSA (2019a), falha é quando a anomalia impede que o
equipamento (ou um componente) cumpra suas funções. Uma falha maior é quando o
equipamento perde uma ou mais funções fundamentais.
2.2 AQUECIMENTO EM INSTALAÇÕES ELÉTRICAS
Em sistemas elétricos as perdas se dão principalmente por Efeito Joule5, de forma
que o aquecimento é proporcional ao quadrado da corrente. Por este mesmo fenômeno
também é possível verificar que quanto maior a resistência à passagem de corrente, maior
será o aquecimento.
Como explanado em SANTOS (2006), nas instalações elétricas frequentemente
são identificados casos de aquecimento por mau contato e por processos de corrosão –
comum quando há dois tipos de ligas metálicas em um mesmo contato e, com o passar do
tempo e o aumento da demanda, as perdas de potência por Efeito Joule vão se agravando.
5 Efeito Joule é uma lei física que expressa a relação entre o calor gerado e a corrente elétrica que
percorre um condutor em determinado tempo. Quando um condutor é aquecido ao ser percorrido
por uma corrente elétrica, ocorre a transformação de energia elétrica em energia térmica. Este
fenômeno é conhecido como Efeito Joule, em homenagem ao Físico Britânico James Prescott
Joule (1818-1889).
9
Essas perdas por aquecimento além de deteriorar os equipamentos, têm um impacto
financeiro imediato, visto que elas significam energia elétrica consumida.
2.3 RELAÇÃO ENTRE O INFRAVERMELHO E A TEMPERATURA
2.3.1 Temperatura e calor
Foi definido pelo físico William Thomson6 que a temperatura é a energia de
movimento dos átomos que compõem um corpo. Desta maneira qualquer objeto que
esteja a uma temperatura acima do zero absoluto ou 0 K, que equivale a -273,16 °C, terá
agitação entre seus átomos. Essa agitação gerará uma radiação emitindo ondas
infravermelhas. Quanto maior a temperatura do objeto, maior será a agitação dos seus
átomos o que acarreta numa maior emissão de radiação.
Já o calor é a energia transferida entre dois corpos até que o equilíbrio térmico
seja atingido. Por consequência, sempre que houver dois corpos com temperaturas
diferentes será possível observar um gradiente de temperatura devido a transferência de
calor entre eles.
2.3.2 Transferência de calor
Se dois ou mais corpos estão em temperaturas diferentes haverá entre eles uma
transferência de calor até que a temperatura dos corpos esteja em equilíbrio, sempre
ocorrendo do corpo mais quente para o corpo mais frio. A transferência de calor pode
ocorrer de três maneiras: convecção (normalmente entre fluidos), condução
(normalmente entre sólidos) e radiação (ITC, 2018).
Ainda de acordo com ITC (2018), a termografia consiste em captar a transferência
de calor por radiação entre o objeto e o ambiente. No termograma é possível identificar o
gradiente de temperatura gerado pela transferência de calor por condução e convecção.
6 William Thomson, mais conhecido como Lorde Kelvin, foi um físico-matemático e engenheiro
britânico (1824-1907) tendo sido o responsável pelo desenvolvimento da escala kelvin de
temperatura.
10
Com a identificação do sentido do fluxo de calor é possível localizar a origem do
aquecimento.
2.3.3 Onda infravermelha
VERATTI (1984) transcreve a definição física de que as ondas eletromagnéticas
são produzidas pela oscilação de um campo elétrico perpendicularmente a um campo
magnético. O autor lembra ainda que a distância entre duas cristas sucessivas é definida
como comprimento da onda. A Figura 2.1 apresenta como o espectro de uma onda
eletromagnética se divide de acordo com o comprimento de onda.
Figura 2.1 – Espectro Eletromagnético
Fonte: adaptado de ITC
Analisando a Figura 2.1, pode-se verificar que um comprimento de onda de 0,75
µm define o limite superior do espectro visível do vermelho e o limite inferior da onda
infravermelha. Já o comprimento de onda de 1.000 µm, que se mistura com as micro-
ondas, é considerado o limite superior da onda infravermelha.
O espectro do infravermelho se divide como indicado na Tabela 2.1.
11
Tabela 2.1 – Divisões do Espectro Eletromagnético
COMPRIMENTO DE
ONDA
(µm)
Visível 0,42 a 0,78
Infravermelho próximo 0,75 a 3
Infravermelho médio 3 a 6
Infravermelho distante 6 a 15
Infravermelho extremo 15 a 1.000
Fonte: Veratti (1984)
Para aplicação em termografia não é recomendada a medição através das ondas
compreendidas na faixa do infravermelho próximo por predominar, nessa parte do
espectro, a radiação refletida. Já a utilização do infravermelho extremo não é indicada por
essas ondas se misturarem com as micro-ondas. Nos comprimentos de onda classificados
como infravermelho médio e infravermelho distante prevalece a radiação própria, sendo,
desta forma, as faixas de comprimento de onda mais indicadas para termografia.
2.3.4 Lei da Radiação
Em 1860 Kirchoff7 demonstrou a lei que estabelecia a igualdade entre a
capacidade de um corpo em absorver e emitir energia radiante. Também definiu como
‘corpo negro’ um objeto que fosse capaz de absorver toda energia radiante que incidir
sobre ele, sendo desta forma um material com emissividade máxima. Ainda não foi
identificado na natureza nenhum objeto que possa ser classificado como corpo negro, em
laboratório é possível a reprodução de um corpo negro em condições específicas dentro
de um ambiente controlado.
7 Gustav Robert Kirchoff (1824-1887) foi um físico alemão que contribuiu para as áreas de
estudos em eletricidade, radiação térmica, espectroscopia e termoquímica.
12
A Lei de Stefan-Boltzmann8 define uma relação entre a energia irradiada e a
temperatura absoluta de um objeto em graus Kelvin. De acordo com VERATTI, esta
relação foi obtida através de medidas experimentais da energia irradiada por um corpo
negro e é apresentada na Equação (1)
W = S T4 (1)
Onde: W – energia irradiada (Watts/m²); S – constante de Stefan-Boltzmann (5,7 x 10-8
Watts/m² K4); T – temperatura absoluta (K).
A Lei de Planck9 relaciona não só a radiação com a temperatura, mas também
com o comprimento de onda. A distribuição espectral da energia irradiada por um corpo
negro, definida por Planck, é dada pela Equação (2) (SANTOS, 2006).
𝑊(λ , T) =2πh𝐶2
λ5[𝑒(
ℎ𝑐
λ𝑘𝑇)
−1]
* 10-6 (2)
Onde: W – energia irradiada (Watts/m²); h – constante de Planck = 6,626 x 10-34 (J∙ 𝑠); c
– velocidade da luz no vácuo = 2,99792458 x 108 (𝑚 ∙ s-1); λ – comprimento de onda (m);
T – temperatura absoluta (K); k – constante de Boltzmann = 1,380658 x 10-23 (𝐽 ∙ K-1).
Através da lei de Planck é possível obter a temperatura exata de um corpo a partir
da medição da energia irradiada pela Equação (3), conforme SANTOS.
T =𝐶2
ln(𝑐1+ λ5𝑊(λ,T))
λ
(λ5 𝑊(λ,T)λ
(3)
Onde: C1 = 3,741832 x 104 (𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠 ∙ cm-2 ∙ µm4); C2 = 14387,86 x 104 (K ∙ µm).
8 Lei de Stefan-Boltzmann foi elaborada baseada nos experimentos do físico-matemático
austríaco Jozef Stefan (1835-1893) e preparada teoricamente pelo físico austríaco Ludwig
Boltzmann (1844-1906). 9 Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) físico alemão e Nobel de Física em 1918 pelos
estudos na área de física quântica.
13
Estas equações, porém, só são válidas para corpos negros. Para obter a radiação
de um corpo real é necessário conhecer a sua emissividade10 (𝜀). De acordo com ITC
(2018) a emissividade é a relação entre a quantidade de radiação emitida por um corpo
negro e a quantidade de radiação emitida pela superfície de um corpo real à mesma
temperatura. Esta relação é dada pela Equação (4)
𝜀 =
𝑊𝑅𝐵
𝑊𝐵𝐵 (4)
Onde: WBB – energia irradiada por um corpo negro (Watts/m²); WRB – energia irradiada
por um corpo real (Watts/m²); 𝜀 – emissividade.
O valor da emissividade de um corpo sempre terá valores entre zero e 1, sendo
1 quando este for um corpo negro – dado que o corpo negro é definido como um corpo
que emite/absorve toda a radiação – e zero quando a temperatura for 0 K – dado que no
zero absoluto não há movimento dos átomos que compõem o objeto. Na Tabela 2.2 são
apresentados alguns valores de emissividade para materiais normalmente encontrados em
instalações elétricas. Analisando a lista apresentada na Tabela 2.2, verifica-se que não só
o material influencia na emissividade, mas também o estado de sua superfície. Logo
características como sujeira, corrosão, composição e textura irão influenciar na
emissividade do material.
Tabela 2.2 – Emissividade de materiais comuns em instalações elétricas
MATERIAL EMISSIVIDADE
Alumínio e suas ligas – polido 0,09
Alumínio e suas ligas – ligeiramente oxidado ou pintado 0,24 a 0,35
Alumínio e suas ligas – severamente oxidado ou com
pasta anti-óxido 0,67 a 0,95
Cobre e suas ligas – polido 0,05
Cobre e suas ligas – ligeiramente oxidado ou pintado 0,39 a 0,50
10 Emissividade de um material, propriedade representada pela letra e ou ε, diz respeito a
capacidade de emissão de energia por radiação da sua superfície - é a medida de sua eficácia na
emissão de energia como radiação térmica. Todos os corpos a temperatura superior a zero Kelvin
possuem a capacidade de emitir energia eletromagnética. Emissividade pode ser um valor de 0
(refletida por um espelho) até 1,0 (corpo negro ideal ou perfeito - teórico).
Muitos materiais orgânicos, revestidos ou superfícies oxidadas podem ter valores
de emissividade próximos de 0,95.
14
MATERIAL EMISSIVIDADE
Cobre e suas ligas – severamente oxidado ou com pasta
anti-óxido 0,78 a 0,95
Aço – polido 0,07
Aço – ligeiramente oxidado ou pintado 0,52 a 0,60
Aço – severamente oxidado ou com pasta anti-óxido 0,82 a 0,94
Porcelana – limpa 0,15
Porcelana – com poeira 0,95
Borracha – limpa 0,86
Borracha – com poeira 0,95
Fonte: Veratti (1984)
O termovisor mede toda a energia da onda infravermelha que incide em sua lente
convertendo-a em sinais eletrônicos e, através das equações relacionadas, transforma a
informação da radiação infravermelha medida em valores de temperatura.
2.3.5 Transferência de calor por radiação
De acordo com ITC ao realizar a troca de calor através da radiação, um corpo pode
emitir, absorver, refletir ou simplesmente transmitir essa radiação. Como toda molécula
com temperatura acima do zero absoluto irá emitir energia por radiação, essa energia
incidente no corpo em estudo será a soma de toda radiação do entorno deste corpo que
incide sobre ele.
Esta energia incidente pode se dividir em três parcelas: parte pode ser absorvida
pelo corpo – ficando retida; parte pode ser refletida; e parte da energia pode ser
transmitida pelo corpo. A soma destas parcelas de energia deverá ser 100% da energia
incidente.
Analisando a energia total emitida por um corpo, pode-se considerar que ela
também tem três parcelas: a radiação própria – que é emitida pelo objeto em estudo; a
radiação refletida pelo objeto; e a radiação transmitida pelo elemento. O total destas 3
partes de energia deverá somar 100% da energia de saída do objeto.
Respeitando as leis da física de conservação de energia, pode-se realizar a
afirmação da Equação (5).
15
We + Wr + Wt = Wa + Wr + Wt = WRB (5)
Onde: We – energia emitida; Wr – energia refletida; Wt – energia transmitida; Wa - energia
absorvida; WRB – energia irradiada por um corpo real.
Como definido na Seção 2.3.4, um corpo negro absorve toda a energia de
radiação que incide sobre ele, logo as parcelas de energia refletida e transmitida de um
corpo negro são nulas. De forma que se pode observar que a capacidade de um objeto de
absorver a energia de radiação incidente e de emitir energia de radiação própria é igual,
como apresentado na Equação (6).
We = Wa (6)
Em 2.3.4 também foi definido que a capacidade de um corpo real de emitir
energia própria está ligada à sua emissividade, de maneira que materiais de baixa
emissividade perdem menos calor na forma de radiação. Logo, estes corpos terão as
parcelas de transmissão e reflexão mais altas.
2.4 TERMOGRAFIA
A termografia consiste na medição da energia total de radiação emitida pelo
objeto. Logo, está relacionada ao modo de transferência de calor por radiação. Segundo
o ITC, a maioria dos alvos de uma análise termográfica tem a parcela de
transmissividade11 nula, sendo então a energia total de radiação composta somente pelas
parcelas de energia emitida e refletida, como apresentado na Figura 2.2.
11 Transmissividade é a capacidade de um corpo de transmitir energia infravermelha. Está
relacionada à energia transmitida (Wt) pelo corpo.
16
Figura 2.2 – Radiação total medida em termografia
Fonte: adaptado de ITC (2018)
O instrumento utilizado para realizar a análise termográfica é denominado
termógrafo ou termovisor. De acordo com VERATTI, este instrumento capta a radiação
infravermelha e a transforma em uma informação térmica. Este processo se dá através da
captação das ondas infravermelhas pelo sistema de lentes do termógrafo e a
transformação dessas ondas em sinais elétricos através de sensores. As lentes que
compõem o termógrafo devem ser compostas por materiais que possuam baixa parcelas
de absorção e reflexão do infravermelho, para que as ondas atinjam os sensores com a
menor interferência possível.
Figura 2.3 – Diagrama básico da conversão da radiação infravermelha em imagem
térmica
Fonte: SANTOS (2006)
17
Como abordado por ITC (2018), o que é medido pelo termógrafo é a radiação
incidente no instrumento ao apontá-lo para um objeto, e não diretamente a sua
temperatura. Desta maneira, a radiação medida está relacionada a temperatura aparente
da superfície do objeto, sendo ainda necessária a informação da emissividade do material
da superfície para que seja possível a correta conversão dos valores de radiação em
temperatura. Além disso, SANTOS ressalta que a radiação incidente no instrumento é
composta tanto pela energia de radiação própria do objeto, quanto pela energia de
radiação por ele refletida, o que ressalta a interferência de outras fontes de radiação no
meio em que o objeto em estudo está inserido.
Desta maneira, as informações obtidas com o termógrafo podem ser qualitativas
ou quantitativas. Isso porque, caso não se saiba as informações como a emissividade do
material, por exemplo, a temperatura informada pelo termógrafo não será condizente com
a temperatura real do objeto. Porém, a medição pode ser utilizada para comparar a
temperatura do componente com a temperatura dos componentes similares adjacentes em
mesma condição operacional.
Além da emissividade, segundo SANTOS, a informação de temperatura gerada
pelo termógrafo sofre com a interferência de outros fatores como a carga, a umidade, a
radiação solar, a temperatura ambiente, vento, entre outros. Além destes aspectos, a
distância entre o inspetor termografista e o objeto que está sendo medido, também é um
fator de interferência devido a atenuação que a onda infravermelha sofre pela atmosfera
ao percorrer tal distância.
Esta atenuação também ocorre sempre que há um obstáculo entre o termógrafo e
o objeto sob inspeção. Mesmo que o obstáculo seja transparente visualmente, como vidros
e acrílicos, eles se comportam como um filtro para onda infravermelha devido a sua baixa
parcela de transmissividade. Por isso, em muitos locais é necessária a instalação de janelas
de inspeção infravermelha específicas para a termografia, como as apresentadas na Seção
3.6. Como a transmissividade deste tipo de janela é conhecida, se torna possível que o
sistema de conversão da informação de radiação para informação de temperatura já corrija
o valor considerando a parcela de energia transmitida pela janela de inspeção.
18
De acordo com ITC, em campo só há dois parâmetros que não podem ser alterados
posteriormente no software de análise e diagnóstico: o foco e o enquadramento da
imagem do objeto em estudo. Portanto, é importante registrar os parâmetros de
emissividade do material, temperatura ambiente, umidade relativa do ar e
transmissividade do meio – este último em caso de haver uma janela de inspeção – para
que durante a análise do termograma no software estes parâmetros possam ser
devidamente inseridos para uma conversão mais confiável do infravermelho em
temperatura.
Segundo VERATTI (1984) a termografia começou a ter seu uso mais difundido a
partir da segunda guerra mundial, e, ainda hoje, o acesso que temos a essa tecnologia são
a liberação dos dados acumulados de pesquisas militares. De acordo com o autor o sistema
de detecção do termógrafo é tridimensional, varrendo as dimensões: área (X, Y) e a
intensidade de infravermelho. Para ficar evidente a quantidade de dados processados pelo
termógrafo na conversão do infravermelho medido em um mapa de temperatura, ou
termograma, serão apresentados alguns dos passos que deveriam ser executados se um
usuário quisesse medir a onda infravermelha e calcular, utilizando métodos
computacionais, a temperatura dos objetos inspecionados.
A primeira informação necessária são os valores de referência de medidas
realizadas em corpos negros, pois as Equações 1, 2 e 3, que realizam a conversão da
informação infravermelha em temperatura, são válidas para corpos negros. Com os
valores de infravermelho medidos, devem ser consideradas as informações de distância e
de umidade relativa do ar para calcular a atenuação do infravermelho devido à atmosfera.
Também deverão ser consideradas a temperatura ambiente e a presença de corpos
que irradiam uma grande quantidade de infravermelho ao redor do objeto inspecionado,
para calcular o valor da parcela de infravermelho refletido. As parcelas do infravermelho
refletido e da energia emitida pelo objeto inspecionado, dependem da informação de
emissividade do material que compõe a superfície do objeto. Finalmente a imagem
térmica é gerada a partir da associação dos valores calculados de temperatura de cada
pixel a uma escala de cor, que associará a cada valor de temperatura a uma cor.
Os termógrafos atuais apresentam grande precisão na conversão do infravermelho
medido em valores de temperatura. Apesar de ser possível obter os valores de temperatura
através de métodos computacionais, esta medida se opõe a uma das vantagens da
termografia que é, ainda em campo, obter visualmente os pontos que apresentam
anomalia na instalação de maneira rápida e eficaz.
19
2.4.1 Características do termógrafo
A escolha do termógrafo para realizar as medições depende, segundo SANTOS,
do componente que será inspecionado e do local onde ele está inserido. Com estas
informações deverá ser escolhido um termógrafo cuja faixa de temperatura12 contenha a
temperatura ambiente do local e a temperatura normal de funcionamento do objeto, com
margem para detectar as anomalias, caso existam.
As distâncias envolvidas nas medições também são importantes para que seja
possível respeitar a distância mínima, definida pela distância mínima de foco, e a distância
máxima, que é limitada pelo IFOV (determinado na Equação 7), sem perder a capacidade
de obter a informação térmica necessária. De acordo com SANTOS a resolução espacial
é “o menor detalhe de imagem que pode ser percebido”. Esta característica depende do
tamanho do detector e do arranjo ótico do sistema, como apresentado na Figura 2.4.
Figura 2.4 – Características do termógrafo para definição da resolução espacial
Fonte: SANTOS
12 Faixa de temperatura é uma característica de fábrica do termógrafo que determina a temperatura
mínima e a temperatura máxima que o termógrafo é capaz de medir.
20
O IFOV - Instantaneous Field of View, ou Campo de Visão Instantâneo em
português, é a projeção de um pixel do sensor projetado na superfície inspecionada, como
representado graficamente na Figura 2.4. O FOV - Field of View, ou Campo de Visão em
português, é definido pela soma dos IFOV, ou seja, é toda a área que será captada pelo
termógrafo e convertida em termograma. Tanto o IFOV quanto o FOV são medidos em
radianos, sendo normalmente o FOV fornecido pelo fabricante do termógrafo. A relação
entre o IFOV e o FOV é apresentada na Equação (7).
𝐼𝐹𝑂𝑉 =
𝐹𝑂𝑉
𝑃𝑖𝑥 (7)
Onde: IFOV – campo de visão instantâneo (rad); FOV – campo de visão (rad); Pix –
quantidade de pixels, normalmente informada pelo fabricante.
Para identificar a distância máxima sem perder informação térmica entre o
inspetor termografista e o objeto que está sendo inspecionado é utilizada a Equação (8).
𝐷𝑖𝑠𝑡𝑑 =
D
𝐼𝐹𝑂𝑉 (8)
Onde: Distd – distância máxima entre o objeto inspecionado e o termografista (m); D –
tamanho do objeto inspecionado (m).
Caso a distância de inspeção seja maior do que Distd o objeto inspecionado será
menor que a menor região que o termógrafo consegue medir, desta maneira o resultado
fornecido não será a temperatura do objeto e sim a média da temperatura de toda a área
englobada pelo IFOV.
2.4.2 Configuração do termógrafo
Ao utilizar o termógrafo é necessário que o usuário defina alguns parâmetros para
que a temperatura do objeto seja corretamente calculada. Estes parâmetros são:
temperatura ambiente, umidade relativa do ar, distância entre o termógrafo e o objeto,
temperatura refletida, emissividade e transmissividade.
21
O valor de transmissividade só deverá ser inserida caso a inspeção seja realizada
através de uma janela de inspeção, cujo valor deve ser definido pelo fabricante da janela.
Já para obter os valores da temperatura ambiente e da umidade relativa do ar o
termografista deve utilizar um termo higrômetro13 e anotar os valores sempre que for
registrar um termograma.
Existem alguns testes para obter o valor exato da emissividade de um material,
porém é inviável realizar estes ensaios durante uma inspeção termográfica de rotina.
Como apresentado por VERATTI na Tabela 2.2, é possível dividir os componentes pelo
material que o compõe e estimar a sua emissividade – para obter o valor correto é
necessário um teste de emissividade individual de cada equipamento.
Ao atribuir um valor de emissividade para o material é importante estar ciente de
como se comporta a curva de emissividade. As curvas da Figura 2.5 representam a
variação do valor de temperatura apresentada pelo termógrafo de acordo com o valor
emissividade definida pelo termografista. A curva em azul representa esta variação para
objetos que se encontram abaixo da temperatura ambiente. Já a curva em vermelho,
apresenta o comportamento para objetos acima da temperatura ambiente.
Os materiais elétricos, quando em funcionamento, operam acima da temperatura
ambiente, de maneira que, para este caso só é relevante a avaliação do comportamento da
curva em vermelho. A curva ocupa os dois quadrantes superiores do gráfico.
No quadrante a esquerda: a emissividade atribuída ao material é menor que
a emissividade real e a temperatura apresentada no termograma é maior que
a temperatura real.
No quadrante a direita: a emissividade atribuída ao material é maior que a
emissividade real e a temperatura apresentada no termograma é menor que
a temperatura real.
No exemplo apresentado na Figura 2.5, em ambos os casos, a emissividade correta
é 0,8, eixo sobre o qual está determinada a temperatura real (Treal) do objeto.
13 Termo higrômetro é um dispositivo que permite a medição da temperatura ambiente e da
umidade relativa do ar.
22
Figura 2.5 – Gráfico de emissividade
Fonte: ITC
A partir da Tabela 2.2 é possível ter uma referência da emissividade de cada
material. Porém devido a inviabilidade de obter a emissividade do material com precisão,
é importante ter ciência qual o comportamento da curva de temperatura associada a
imprecisão do valor de emissividade.
2.4.3 Termograma
O termograma é a imagem gerada pelo termógrafo. Nele é apresentada a
distribuição de temperatura de acordo com a radiação infravermelha medida pelo
termógrafo e as informações de temperatura ambiente, umidade relativa, distância entre
o termógrafo e o objeto e a emissividade informada pelo termografista.
A relação entre o valor da temperatura e a cor é definida pela amplitude da escala,
que pode ser alterada pelo termografista e tem os valores identificados na barra à direita
do termograma, que define a escala de cores de acordo com a temperatura. A escolha da
amplitude interfere no que será ressaltado em determinado termograma e em como o
gradiente de temperatura irá se apresentar. A Figura 2.6 ilustra qual o impacto visual que
há na definição da amplitude pelo termografista.
23
(a)
(b)
Figura 2. 6 – Mesmo termograma apresentado com diferentes amplitudes de escala: (a)
entre 15 e 70 ºC; (b) entre 22 e 65 ºC
Fonte: acervo da autora
Além da distribuição de temperatura, o termograma pode trazer a informação de
temperatura máxima, mínima e média de áreas específicas, a serem definidos pelo
termografista no software de análise, como apresentado na Figura 2.7. Também é possível
avaliar o gradiente térmico de uma superfície, como mostrado nas Figuras 2.8a e 2.8b.
24
Figura 2. 7 – Medida de temperatura máxima, mínima e média da área Bx1
Fonte: acervo da autora
(a)
(b)
Figura 2. 8 – Medida do gradiente térmico da reta Li1: (a) imagem térmica; (b)
gradiente de temperatura
Fonte: acervo da autora
25
O termografista também pode destacar determinadas faixas de temperaturas
utilizando o recurso da isoterma, que consiste em destacar com uma única cor todas as
áreas que estiverem na temperatura definida pela isoterma.
(a)
(b)
Figura 2. 9 – Termograma com temperatura de isoterma entre: (a) 50 e 60 ºC; (b) 65 e
68 ºC
Fonte: acervo da autora
2.5 FATORES EXTERNOS
NEMÉSIO SOUSA (2019a) esclarece que alguns fatores como a carga e o vento
podem interferir na medição da temperatura através da termografia. A quantidade de
carga, como explicado na Seção 2.2, impacta diretamente no aquecimento do sistema.
Quando o sistema não está operando a plena carga, é necessário corrigir a
temperatura através do fator de correção de carga (Fcc), conforme a Equação (9).
26
𝐹𝑐𝑐 = (
𝐼𝑛
𝐼𝑚) ² (9)
Onde: Fcc – fator de correção de carga; In – carga nominal (A); Im – carga no momento
da medição (A)
A temperatura corrigida será dada pela Equação (10).
Tc = Tm x Fcc (10)
Onde: Tc – temperatura corrigida (ºC); Tm – temperatura medida (ºC); Fcc – fator de
correção de carga.
Como muitas subestações possuem ventilação forçada, o vento auxilia na
dissipação do calor, o que é benéfico para vida útil dos equipamentos da instalação, mas
que pode distorcer as temperaturas medidas pelo termógrafo. Em termografias realizadas
em instalações desabrigadas só é considerado confiável o resultado para medições em que
a velocidade do vento seja de até 7 m/s. Para compensar a amenização da temperatura
pela corrente de ar é utilizado o fator de correção de vento (Fcv). A Tabela 2.3 apresenta
os valores de Fcv que devem ser utilizados, de acordo com a velocidade do vento.
Tabela 2.3 – Fator de correção da temperatura pela velocidade do vento
VELOCIDADE DO
VENTO (m/s) FCV
1 1,00
2 1,37
3 1,64
4 1,86
5 2,06
6 2,23
7 2,39
Fonte: NEMÉSIO SOUSA (2019a)
A temperatura corrigida será dada pela Equação (11).
27
Tc = Tm x Fcv (11)
Onde: Tc – temperatura corrigida (ºC); Tm – temperatura medida (ºC); Fcv – fator
de correção de vento.
Na Tabela 2.4, é possível determinar, a partir da observação do ambiente,
qual a velocidade aproximada do vento, para ser possível atribuir o fator de
correção de vento correto.
Tabela 2.4 – Velocidade do vento pelo comportamento do ambiente
VELOCIDADE DO
VENTO (m/s) EFEITO OBSERVÁVEL
0 – 0,5 A fumaça do cigarro sobe verticalmente.
0,5 – 1 A fumaça do cigarro apenas indica a direção do ar.
1 – 3 O vento é sentido no rosto. Movem-se as folhas e agitam-se
as bandeiras.
3 – 5 Folhas e ramos em movimentos constantes. Estendem-se as
bandeiras.
4 – 8 Arrasta a terra e ramos. Trepidam as bandeiras.
Fonte: NEMÉSIO SOUSA (2019a)
Quando a carga é diferente da nominal e a velocidade do vento é maior que 1 m/s
é possível corrigir a temperatura através de Equação (12).
Tc = Tm x Fcc x Fcv (12)
Onde: Tc – temperatura corrigida (ºC); Tm – temperatura medida (ºC); Fcc – fator
de correção de carga; Fcv – fator de correção de vento.
Aplicando cada um dos fatores de correção, a temperatura corrigida será maior
que a temperatura medida. Por exemplo, no caso de uma carga de 80% do valor nominal,
o Fcc será de aproximadamente 1,56. Logo, a temperatura corrigida será 56% maior que
a temperatura medida. Se no momento da medição houver um vento capaz de mover
folhas, pode-se atribuir um Fcv de 1,37. Numa inspeção termográfica em que estes dois
fatores estejam presentes – 80% da carga nominal e um vento leve, mas capaz de mover
folhas –, pela Equação 12 a temperatura corrigida será maior que o dobro da temperatura
medida. A importância dos fatores de correção pode ser tal que a temperatura medida
28
poderia não ser classificada como aquecimento, mas ao corrigi-la pode ser identificada
uma anomalia.
2.6 IDENTIFICAÇÃO DE UMA ANOMALIA
De acordo com a NBR 15866 uma anomalia pode ser classificada através dos
seguintes critérios:
Valor estabelecido pelo fabricante nas condições nominais de operação - MTA
Valor estabelecido pelo usuário final com base no histórico operacional
Comparar com um elemento similar adjacente
Critérios definidos pelo responsável técnico da análise termográfica
2.6.1 MTA - Máxima Temperatura Admissível
Ao optar pelo ‘valor estabelecido pelo fabricante nas condições nominais de
operação’ o termografista está trabalhando com o critério de Máxima Temperatura
Admissível (MTA). Porém muitas vezes o fabricante não fornece este valor, sendo
necessário recorrer às referências de MTA da literatura pertinente. A Tabela 2.5 é um
exemplo de valores de MTA normatizados que são admitidos em componentes de
instalações elétricas.
Tabela 2.5 – Critério MTA - Máxima Temperatura Admissível
COMPONENTE ELÉTRICO MTA (ºC)
Condutor encapado (isolação de cloreto de polivinila (PVC)) 70
Condutor encapado (isolação de borracha etileno propileno (EPR)) 90
Condutor encapado (isolação de polietileno reticulado (XLPE)) 90
Régua de bornes 70
Conexões mediante parafusos de aperto 70
Conexões e barramentos de baixa tensão 90
Conexões recobertas com prata ou níquel (contatores) 90
29
COMPONENTE ELÉTRICO MTA (ºC)
Corpo de fusíveis 100
Transformador à óleo, ponto mais quente (núcleo) 80
Transformador a óleo 65
Transformador a seco, classe de isolação 105 65
Transformador a seco, classe de isolação 130 90
Transformador a seco, classe de isolação 155 115
Transformador a seco, classe de isolação 180 140
Contatos de disjuntor motor 80 + TA14
Contatos de disjuntores termomagnéticos 60 + TA
Contatos e articulações de secionadoras 100
Fonte: CCPG Engenharia
O MTA é a temperatura máxima de trabalho especificada por material e
componente. Segundo VERATTI além dela é necessário avaliar o Máximo Aquecimento
Admissível (MAA), que consiste no máximo de aquecimento admitido pelo material do
componente avaliado. O MAA é calculado em função do MTA, como apresentado na
Equação 13, sendo uma característica de projeto que deve ser informada pelo fabricante.
MAA = MTA – TA (13)
Onde: MAA – Máximo Aquecimento Admissível (ºC); MTA – Máxima Temperatura
Admissível (ºC); TA – Temperatura Ambiente (ºC).
A partir deste critério, uma intervenção imediata deve ser realizada quando a
temperatura corrigida estiver elevada em 50% ou mais, além do máximo aquecimento
admissível. Caso a temperatura corrigida esteja acima do MAA, porém com elevação
menor que 50% do máximo aquecimento admissível é caracterizado como anomalia,
porém a intervenção pode ser agendada de acordo com o Critério Flexível de
Classificação de Aquecimentos (CFCA) apresentado na Tabela 2.6.
14 TA – Temperatura Ambiente
30
Tabela 2.6 – CFCA - Critério Flexível de Classificação de Aquecimentos
Comparação Tc x MAA Diagnóstico Ação
1,2 MAA ≤ Tc Falha Iminente Crítico
0,9 MAA ≤ Tc < 1,2 MAA Falha Certa Intervenção Imediata
0,6 MAA ≤ Tc < 0,9 MAA Falha Provável Intervenção Programada
0,3 MAA ≤ Tc < 0,6 MAA Suspeita de Falha Observação
Tc < 0,3 MAA Normal Normal
Fonte: VERATTI (1992) apud NEMÉSIO SOUSA (2020)
Além da informação do fabricante, alguns equipamentos possuem normas
específicas que determinam quais as condições que são consideradas normais de
funcionamento. De acordo com NEMÉSIO SOUSA (2020), por exemplo, no caso de
disjuntores a NBR 7118 define qual a elevação máxima de temperatura dos contatos de
acordo com o material que o compõe.
2.6.2 Histórico operacional
Ao trabalhar com o ‘valor estabelecido pelo usuário final com base no histórico
operacional’ é necessário que o responsável pela instalação elétrica já tenha realizado
inspeções termográficas com uma certa periodicidade e que, a partir dos dados obtidos
nas inspeções termográficas, tenha definido uma curva de tendência da temperatura de
operação considerada normal dos equipamentos. Desta forma, ao realizar a inspeção
termográfica é possível avaliar se as temperaturas do termograma estão de acordo com os
valores esperados para o equipamento avaliado.
2.6.3 Elemento similar adjacente
Utilizando o critério de ‘comparar com o elemento similar adjacente’ é necessário
garantir que os elementos estejam operando sob o mesmo regime de carga – o que nem
sempre ocorre em circuitos monofásicos. Ao utilizar este critério o inspetor termografista
deve avaliar se o elemento utilizado como referência não possui anomalias. Por exemplo,
31
se uma conexão está submetida a vibrações, ela pode afrouxar, se as 3 fases estiverem
necessitando de aperto, somente comparando os elementos similares não será possível
identificar a anomalia.
2.6.4 Outros critérios
Quando é necessário utilizar ‘critérios próprios’ é comum que o inspetor
termografista recorra a alguns critérios estabelecidos por algumas organizações
reconhecidas. Há diversos critérios aceitos e o inspetor termografista deverá escolher o
critério de acordo com a sua experiência e com o histórico do equipamento.
2.6.4.1 Critério NETA - National Electrical Testing Association
Na Tabela 2.7, por exemplo, são critérios apresentados pela Infraspection Institute e
se baseiam na diferença de temperatura (Delta T). Esta tabela considera não somente o
critério de comparação entre elementos similares como também o aquecimento do
elemento em si, ao compará-lo com a temperatura ambiente.
Tabela 2.7 – Critério Delta T para equipamentos elétricos de acordo com a NETA15
Maintenance Testing Specifications
Prioridade
Delta T entre
Elementos Similares
Sob Mesmo Regime
de Carga (ºC)
Delta T entre o
Elemento e a
Temperatura
Ambiente – Alta
Tensão (ºC)
Delta T entre o
Elemento e a
Temperatura
Ambiente – Baixa
Tensão (ºC)
4 1 a 3 1 a 10 1 a 10
3 4 a 15 11 a 20 11 a 20
2 ------------- 21 a 40 21 a 30
1 > 15 > 40 > 30
Fonte: adaptado de Standart for Infrared Inspection of Eletrical Systems &
Rotating Equipament
15 NETA - National Electrical Testing Association, é uma associação comercial dedicada a
melhorar os padrões de testes elétricos nos Estados Unidos e a compartilhar esses padrões
internacionalmente. A NETA é credenciada pela ANSI - American National Standards Institute
como uma entidade que desenvolve padrões.
32
2.6.4.2 Critério da ‘fórmula-chave’
Segundo GILL (2008) muitas organizações definem padrões de temperatura para
decidir se há ou não anomalia nas instalações elétricas. Porém estes padrões são definidos
em ensaios com 100% da carga e em uma temperatura ambiente padronizada para a
realização dos testes, sendo que raramente os sistemas elétricos operam em 100% de
carga além de trabalharem sob uma temperatura ambiente diferente da padronizada.
Para corrigir estas premissas GILL se utiliza do que é chamado de ‘fórmula-chave’,
que considera a variação da carga no sistema e a variação da temperatura ambiente, para
calcular qual a máxima temperatura admissível do componente nestas condições. A
Equação (14) apresenta a fórmula de GILL.
Ttc = (MTA – Tan)*(Im/In)n + TA (14)
Onde: Ttc – Temperatura total admissível, corrigida para medição de carga e temperatura
ambiente (ºC); MTA – Máxima Temperatura Admissível (ºC); Tan – Temperatura
ambiente nominal (ºC); Im – Corrente no momento da medição (A); In – Corrente
nominal (A); n – expoente, varia de 1,6 a 2,0 (normalmente é utilizado o valor médio de
1,8); TA – temperatura ambiente (ºC).
Este método, diferentemente dos apresentados anteriormente, necessita do
conhecimento da temperatura ambiente nominal que foi considerada para definição do
MTA pelo fabricante. Com o valor calculado da temperatura total admissível o
termografista irá comparar com o valor obtido no termograma. Caso o valor medido seja
maior que o Ttc o equipamento aquecido é considerado com anomalia e uma intervenção
deve ser programada de acordo com o nível de criticidade – como os utilizados nas
Tabelas 2.6 e 2.7 – e com o nível de importância do equipamento para o sistema – como
apresentado no Quadro 2.1.
O critério da ‘fórmula-chave’ abordado por GILL é, quase sempre, mais conservador
que o critério apresentado. Consequentemente este método identifica uma anomalia
antes que ela possa ser classificada como anormalidade pelo outro método. Em outras
palavras, o sistema baseado em padrões quase sempre irá identificar um problema antes
do critério .
33
2.7 CLASSIFICAÇÃO DO AQUECIMENTO
A identificação dos pontos mais aquecidos é importante para detectar as anomalias
do sistema, porém para definir o grau de urgência para intervenção é necessário classificar
o aquecimento dentro de uma matriz de priorização. Desta maneira, será possível
determinar se é necessária uma intervenção imediata, se é possível programar uma parada
para intervenção, ou se é aceitável aguardar até a próxima parada já agendada para realizar
a intervenção. Nos dois últimos casos é importante ter uma rotina para acompanhar a
evolução do aquecimento durante o tempo de espera.
Além do quão aquecido está o componente é importante levar em consideração o
risco à segurança humana e à integridade do patrimônio, além do impacto da não
disponibilidade do equipamento que está apresentando aquecimento. Isto é, caso o
aquecimento evolua muito rápido e o equipamento fique indisponível qual será o impacto
no sistema e na produção. Para isso é necessário ponderar a confiabilidade16 da medida e
acompanhar de maneira mais próxima a curva de tendência da temperatura do
equipamento.
Desta maneira, após identificar o aquecimento, através de um dos critérios da
Seção 2.5, e considerando a correções de temperatura, apresentadas na Seção 2.6, para
auxiliar no tipo de intervenção e no prazo para a sua realização é possível utilizar uma
matriz como a apresentada no Quadro 2.1.
Quadro 2.1 – Matriz de priorização
PROBABILIDADE DE FALHA
BAIXA MÉDIA ALTA
CONSE-
QUÊNCIAS
BAIXA Reparo normal
Programação
acelerada para
reparo
Reparar na
próxima parada
do equipamento
MÉDIA
Programação
acelerada para
reparo
Reparar na próxima
parada do
equipamento
Reparar o mais
rápido possível
ALTA
Reparar na
próxima parada
do equipamento
Reparar o mais
rápido possível
Remover de
serviço ASAP 17
Fonte: Manual do Curso ITC Thermografia Nível 1
16 A confiabilidade é a probabilidade de o equipamento desempenhar, sob condições específicas,
sua função de forma adequada. 17 ASAP - As Soon as Possible. Em tradução livre: assim que possível.
34
2.8 ANOMALIAS EM INSTALAÇÕES ELÉTRICAS
Como apresentado por SOUZA et al. (2014) existem anomalias que são mais
comuns de serem identificas em determinados equipamentos elétricos. Estas anomalias
são apresentadas no Quadro 2.2. O inspetor termografista deve estar atento a estes pontos,
pois estas anomalias são frequentemente encontradas em campo.
Quadro 2.2 – Anomalias mais comuns por equipamento
EQUIPAMENTO ANOMALIAS
Cabo condutor e suas
conexões
Seção reduzida para a intensidade de corrente.
Em circuitos trifásicos: má distribuição de carga entre as fases.
Condutor próximo à fonte de calor intensa.
Aquecimento gerado por agrupamento – comum em cabos enrolados.
Folga nas emendas.
Terminais de materiais diferentes.
Condutor com problemas de isolamento.
Disjuntor de Baixa
Tensão
Contatos internos com defeito.
Folga nos contatos.
Subdimensionado em relação a intensidade de corrente.
Contatoras
Ligações incorretas.
Contatos internos com defeito.
Bobinas de comando com excesso de temperatura.
Fusível
Maxilas com pressão insuficiente / mal encaixadas.
Subdimensionado em relação a intensidade de corrente.
Base fusível com defeito.
Defeitos internos – como não condutividade.
Transformador – Baixa
Tensão
Núcleos e enrolamentos com defeito.
Isolamento deficiente nos enrolamentos.
Bornes de ligação com folga / defeito.
Chave Seccionadora
Faca mal encaixada.
Má distribuição de carga entre as fases.
Problemas no sistema de fechamento da chave.
Fonte: adaptado de SOUZA et al.(2014)
35
3 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO
Este trabalho foi desenvolvido através da coleta de termogramas em campo com
o objetivo de apresentar a aplicabilidade da termografia como recurso de manutenção
preventiva de subestações elétricas industriais e suas limitações. Todos os casos
apresentados são de subestações abrigadas, o que exclui a interferência de fatores como
o vento e temperatura pela incidência solar.
Os termogramas foram obtidos com o termógrafo modelo E6 da Flir, que tem suas
características apresentadas no Quadro 3.1.
Quadro 3.1 – Especificações Termógrafo E6
Precisão ± 2%
Campo de visão (FOV) 45º x 34º
Faixa de Temperatura dos objetos -20 ºC a +250 ºC
Faixa de temperatura operacional -15 ºC a +50 ºC
Distância focal mínima 0,5 m
Faixa espectral 7,5 a 13 µm
Fonte: Flir (2017)
3.1 DIFERENÇA DE EMISSIVIDADE
Cada material possui uma emissividade característica. Como explicado na Seção
2.3.4, dois materiais podem estar na mesma temperatura, mas, se possuírem
emissividades diferentes, a energia infravermelha emitida por eles será diferente.
Analisando o termograma da Figura 3.1, observa-se que o condutor sob análise, apresenta
regiões específicas com maior emissão de infravermelho, o que para um leigo poderia ser
interpretado como regiões aquecidas. Ao avaliar a imagem real observa-se que as regiões
de maior emissividade foram criadas ao fixar fitas nos condutores.
36
(a)
(b)
Figura 3. 1 – Barramentos com fitas de identificação: (a) imagem real; (b) imagem
térmica
Fonte: acervo da autora
A característica da radiação infravermelha emitida ser definida pelo material que
reveste o objeto em análise, pode ser um recurso para o inspetor termografista. Na área
de elétrica, onde há muita utilização de cobre nu e alumínio – que são materiais de
emissividade baixa – é possível criar áreas de alta emissividade aplicando materiais de
determinada emissividade conhecida. O mais comum é utilizar fitas isolantes ou tintas de
alta emissividade para criar estas áreas e ter referências para uma medida de temperatura
mais confiável.
37
3.2 TEMPERATURA APARENTE REFLETIDA
Como explicado na Seção 2.4, parte da onda infravermelha que incide no
termovisor se deve à radiação dos elementos no entorno do objeto em estudo que nele
estão refletindo, podendo ser gerada por outros equipamentos ou mesmo pelo próprio
termografista. Num primeiro instante não é possível identificar o que está sendo emitido
pelo objeto e o que é reflexo do ambiente em que este objeto está inserido, embora existam
algumas especificidades que auxiliam na sua identificação.
Reflexos, por não serem um aquecimento real, não possuem o gradiente de
temperatura e as bordas são bem delimitadas. Outra forma de identificar o reflexo é, ainda
em campo, verificar que, ao mudar o ângulo entre o termovisor e o objeto, os reflexos
também irão mudar de posição, mas isso não ocorrerá com o aquecimento próprio do
objeto.
Na Figura 3.2, pode-se observar o reflexo do transformador na conexão tipo T
destacada na imagem. O reflexo se diferencia do aquecimento, pois ele se concentra só
na parte inferior da peça e não há gradiente de temperatura para o restante da conexão.
Outra forma de notar o impacto do transformador no ambiente é observando o reflexo do
transformador na estrutura de suporte dos isoladores e no teto.
Figura 3.2 – Reflexo de transformador na conexão tipo T e no barramento.
Fonte: acervo da autora
38
Na Figura 3.3, é possível avaliar o impacto da reflexividade infravermelha do
material. No termograma – Figura 3.3 (b) - o reflexo do inspetor termografista no fundo
do quadro é bem perceptível apesar do material não ser tão refletivo no comprimento de
onda visível, como observado na Figura 3.3 (a).
(a)
(b)
Figura 3. 3 – (a) Foto sem apresentar reflexo; (b) Termograma com reflexo do inspetor
termografista no fundo do quadro.
Fonte: acervo da autora
Desta maneira, materiais como o cobre nu, que tem alto valor de refletividade,
podem apresentar regiões que a princípio podem ser interpretadas como aquecimento,
porém são reflexo do ambiente.
39
3.2.1 Reflexões múltiplas
Os reflexos também podem ser originados pela geometria do objeto em estudo. A
Figura 3.4 mostra como a reflexão da onda no interior da cavidade do componente em
observação gera um aumento da energia absorvida. Na análise da Equação 6 foi concluído
que a energia absorvida é igual a energia emitida, logo objetos que possuem cavidades
em sua geometria aparentam uma temperatura na região da cavidade maior do que a
temperatura real.
(a)
(b)
Figura 3.4 – Comportamento da onda infravermelha em cavidades: (a) Absorção; (b)
Emissão.
Fonte: ITC
40
Figura 3.5 – Comportamento do infravermelho em furos de diferentes profundidades.
Fonte: ITC
A Figura 3.5 consiste em um pedaço sólido de alumínio com furos com diferentes
profundidades, sendo o da esquerda o menos profundo e o da direita o mais profundo.
Esta situação pode ser identificada em instalações elétricas em barramentos com furos e
em contatos de equipamentos como disjuntores.
(a)
41
(b)
Figura 3. 6 – (a) Imagem real; (b) Termograma com aquecimento em objeto com
cavidade.
Fonte: acervo da autora
Como nestes casos não é possível concluir qual a temperatura real da cavidade, só
é possível realizar uma análise qualitativa do aquecimento, através do critério de
comparação entre elementos similares – como explicado na Seção 2.6. Na Figura 3.6, por
exemplo, havia uma grande diferença entre as temperaturas das fases A e B da conexão
do disjuntor o que tornou possível a identificação da anomalia.
3.3 POSICIONAMENTO DO TERMÓGRAFO EM RELAÇÃO AO OBJETO DE
ESTUDO
Consciente de que a termografia capta as ondas infravermelhas emitidas pelo
material que compõe a camada mais externa do objeto em estudo, como visto na Seção
2.4, a posição entre o termógrafo e o objeto podem impactar na identificação ou não de
um ponto de aquecimento. Comparando os termogramas das Figuras 3.7 e 3.8 é possível
perceber que, ao mudar o ângulo de captura do termograma, o condutor mais aquecido
ficou mais exposto, possibilitando identificar com mais precisão a sua temperatura.
42
(a)
(b)
Figura 3. 7 – (a) Imagem real; (b) Termograma com condutor aquecido menos
evidente.
Fonte: acervo da autora
(a)
43
(b)
Figura 3. 8 – (a) Imagem real; (b) Termograma com mudança de ângulo e condutor
aquecido mais evidente.
Fonte: acervo da autora
3.4 IMPACTO DA QUANTIDADE DE CARGA
Visto que as perdas elétricas são proporcionais ao quadrado da corrente e que elas
se manifestam na forma de calor, é possível identificar equipamentos e circuitos
sobrecarregados comparando sua temperatura com a temperatura de equipamentos e
circuitos similares adjacentes. Na Figura 3.9 observa-se a alta temperatura encontrada nas
conexões dos cabos do lado de BT - Baixa Tensão do transformador.
Durante a análise termográfica, foi identificado que o disjuntor do transformador
conectado em paralelo com o da Figura 3.9 estava desligado e que o equipamento sob
ensaio havia assumido a carga antes suprida pelos dois transformadores, uma vez que o
equipamento havia sido desenergizado pela atuação da proteção. O responsável pelas
instalações fez as devidas manobras de forma que o transformador que estava fora de
atuação voltou a assumir a sua carga. Uma hora depois retornou-se ao local para verificar
a temperatura do transformador que antes estava sobrecarregado, tendo como novo
termograma o mostrado na Figura 3.10.
44
Figura 3.9 – Transformador em sobrecarga.
Fonte: acervo da autora
Figura 3. 10 – Transformador em regime normal carga.
Fonte: acervo da autora
Comparando os dois termogramas das Figuras 3.9 e 3.10 fica claro o impacto da
carga na temperatura da instalação. Há mais de 40ºC de diferença antes e depois de religar
o disjuntor.
45
3.5 ANÁLISE DE CASO
Em uma instalação, foram identificados aquecimentos em diversas conexões,
sendo a mais aquecida a sinalizada na Figura 3.11. O aquecimento já havia comprometido
o condutor de maneira que era visualmente perceptível as marcas do aquecimento no
fundo do quadro.
(a)
(b)
Figura 3. 11 – Quadro de comando com pontos de aquecimento: (a) imagem
real; (b) imagem térmica.
Fonte: acervo da autora
Apesar da urgência, o equipamento ainda não havia falhado e o proprietário da
instalação decidiu que no período não seria possível realizar uma parada para substituição
dos componentes. Desta maneira, 15 dias depois foi realizada uma nova inspeção
termográfica das instalações para verificar se a temperatura estava estável ou não.
46
(a)
(b)
Figura 3.12 – Quadro de comando com pontos de aquecimento 15 dias após: (a)
imagem real; (b) imagem térmica.
Fonte: acervo da autora
Com o aumento de 7,1 ºC na temperatura em 15 dias, o responsável pela instalação
programou uma parada para realizar a substituição dos componentes e, tendo em vista
que a vida útil da instalação estava chegando ao fim, optou por uma modernização,
substituindo a proteção com fusíveis por disjuntores. Após a substituição foi realizada
uma nova inspeção termográfica para verificar se, com a substituição dos componentes,
os pontos de aquecimento foram corrigidos. O resultado é apresentado na Figura 3.13,
onde todos os pontos da instalação estão abaixo de 50 ºC, o que representa uma diferença
de mais de 100 ºC para a instalação antes da intervenção.
47
(a)
(b)
Figura 3. 13 – Quadro de comando após substituição dos componentes: (a) imagem
real; (b) imagem térmica.
Fonte: acervo da autora
3.6 LIMITAÇÕES DA APLICAÇÃO DA TERMOGRAFIA
O uso da termografia está condicionado ao contato visual direto com o objeto em
estudo, o que significa não ter nenhum outro elemento entre o termovisor e o objeto em
estudo. Como visto na Seção 2.4, alguns objetos, mesmo sendo transparentes ao olho
humano, funcionam como um filtro de infravermelho. Em instalações elétricas isso
significa a necessidade de abrir quadros e retirar as placas de acrílico. Nas Figuras 3.14 e
3.15 fica evidente como o vidro, mesmo que transparente à olho nu, filtra todo o
infravermelho.
48
(a)
(b)
Figura 3.14 – Imagem sem a atenuação do infravermelho por obstáculo: (a) imagem
real; (b) imagem térmica
Fonte: acervo da autora
(a)
49
(b)
Figura 3.15 – Imagem com a atenuação do infravermelho por obstáculo: (a) imagem
real; (b) imagem térmica
Fonte: acervo da autora
Para obter as Figuras 3.14 e 3.15 foram utilizados 2 copos descartáveis cheios até
a metade com café – para que fosse possível observar o nível do líquido na imagem real
– para representar o ‘corpo quente’. O obstáculo é uma janela de vidro, que foi marcado
por um papel adesivo amarelo. Na Figura 3.14 ambos os copos se encontravam a frente
do obstáculo, sendo possível observar o líquido aquecido dos dois copos na imagem
térmica. Na Figura 3.15 o copo da esquerda foi mantido na mesma posição, mas o copo
da direita foi colocado para trás do vidro. Neste arranjo é possível observar que o vidro
filtrou todo o infravermelho fazendo com que o copo da direita praticamente sumisse na
foto térmica da Figura 3.15.
(a)
50
(b)
Figura 3.16 – Imagem de instalação elétrica com acrílico de proteção: (a) imagem real;
(b) imagem térmica
Fonte: acervo da autora
A Figura 3.16 apresenta a atenuação do infravermelho por obstáculo numa
instalação elétrica. O acrílico, apesar de totalmente transparente a olho nu, se comporta
como um material opaco para onda infravermelha. Em instalações elétricas é comum o
uso deste material para proteger as pessoas das partes energizadas do quadro que
oferecem mais risco aos operadores.
Atualmente há uma tendência de instalações elétricas mais compactas, com o uso
de cabines blindadas e transformadores à seco com carenagem18. Esse tipo de instalação
só permite o uso da termografia como técnica preditiva de manutenção quando há JIT -
Janelas de Inspeção Termográfica em sua estrutura, outra opção é recorrer a outros tipos
de ensaios – como o ultrassom, por exemplo.
A JIT consiste em uma janela de um cristal ou polímero específico, cuja instalação
deve ser solicitada ao fabricante do quadro para que seja garantida as suas características
estruturais – como a explosão pela tampa traseira, por exemplo. A instalação da JIT
também deve levar em consideração a distância entre a porta e o equipamento elétrico
que será inspecionado e a distância mínima focal da câmera termográfica – que
normalmente é de 10 cm.
18 Transformadores que estão no interior de uma caixa metálica que fornece proteção aos usuários
permitindo ser tocada sem causar danos ao ser humano.
51
Figura 3.17 – Janela de Inspeção Termográfica
Fonte: FLIR (2019)
Para que se possa realizar uma inspeção completa do quadro, muitas vezes, é
necessária a instalação de mais de uma JIT por porta, o que pode se tornar financeiramente
inviável devido ao alto custo de cada JIT, uma vez que seu valor varia de acordo com o
material que compõe a lente - os materiais mais comuns são: polímero IR1, cristal de
cálcio e cristal de bário. Outra opção existente no mercado é o uso de lentes de germânio,
porém estas têm um valor muito elevado comparado as demais.
Ao realizar a inspeção através de uma JIT o termografista precisa do valor de sua
transmissividade. Este valor varia de acordo com o material que compõe a lente e deve
ser informado pelo fabricante, pois a janela de inspeção, apesar de ter sido desenvolvida
para este fim, gera uma atenuação da onda infravermelha que deve ser considerada no
momento da avaliação do termograma.
52
Figura 3.18 – Termografia através de janela de inspeção termográfica.
Fonte: Catálogo JIT BRASIL
53
4 CONCLUSÃO
O trabalho desenvolvido apresentou os conceitos básicos da termografia, sua
aplicabilidade e suas limitações na manutenção preventiva de subestações elétrica
industriais. Os conceitos apresentados no Capítulo 2 são a base teórica para a
compreensão dos casos e limitações apresentados no Capítulo 3.
No Capítulo 2 são apresentados, além das teorias necessárias para compreender o
comportamento das variáveis físicas que compõem um termograma, alguns dos
parâmetros utilizados por profissionais de manutenção de instalações elétricas para
identificar o aquecimento. Estes profissionais devem saber classificar, de acordo com a
gravidade térmica e a prioridade do equipamento dentro da instalação, qual a urgência da
intervenção para que a utilização da termografia como recurso de manutenção seja eficaz
– identificando os defeitos ainda incipientes - mas também eficiente, não exigindo paradas
prematuras ou desnecessárias.
As vantagens do uso da termografia na manutenção preventiva ficam mais claras
ao avaliar que esta pode ser realizada sem interromper o processo produtivo, mantendo
todos os colaboradores em segurança, e de maneira rápida, com avaliações iniciais já
feitas em campo. Nos exemplos apresentados no Capítulo 3, foram identificadas
anomalias através de inspeções termográficas de rotina. Realizando este procedimento de
maneira periódica, e acompanhando a evolução de temperatura dos equipamentos, é
possível minimizar a ocorrência de falhas e paradas não programadas, além de minimizar
os diversos tipos de perdas em uma indústria, desde as de produção até as humanas, em
casos mais graves.
Apesar de todas as vantagens, é preciso estar ciente do funcionamento do método
e das suas limitações, para que casos como os apresentados no Capítulo 3 não sejam
interpretados de maneira incorreta, prejudicando a eficácia da aplicação desta técnica
preditiva de manutenção. As informações de temperatura dependem dos dados inseridos
pelo termografista e os pontos de aquecimento dependem da interpretação dos
termogramas obtidos. Caso o termografista erre nestes quesitos, é possível que pontos de
aquecimento não sejam identificados, ou que sejam programadas paradas desnecessárias.
Em um caso mais extremo, um erro de interpretação pode levar a condenação de
equipamentos ainda em boas condições de funcionamento.
54
4.1 SUGESTÃO DE TRABALHOS FUTUROS
Este trabalho abordou subestações elétricas abrigadas de até 13.800 V, podendo,
em trabalhos futuros, ser expandido para subestações ao ar livre, onde há interferências
não abordadas no presente trabalho. Além disso, podem ser contempladas práticas de
rotina termográfica e o levantamento das anomalias mais comuns dos equipamentos
elétricos identificadas por termografia.
Trabalhos futuros também podem abordar qual o impacto de ambientes de alta
temperatura e com grandes emissores de calor na inspeção termográfica de componentes
elétricos, através de modelagens computacionais com verificação dos resultados em
campo. Neste trabalho também pode ser levantado até qual condição a inspeção
termográfica não é afetada pela umidade do ar, visto que ela está diretamente relacionada
à transmissividade atmosférica.
55
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15866:
Ensaio não destrutivo – Termografia – Metodologia de avaliação de temperatura de
trabalho de equipamentos em sistemas elétricos. Rio de Janeiro, 2010.
______. NBR 16292: Ensaio não destrutivo – Termografia – Medição e compensação
da temperatura aparente refletida utilizando câmeras termográficas. Rio de Janeiro,
2014.
ABREU, A. M. de; SOARES, Í. M.; SOUZA, S. T. O. Termografia em manutenção
preditiva: conceitos e aplicabilidades em máquinas e equipamentos industriais.
Revista de divulgação do Projeto Universidade Petrobrás e IF Fluminense; v.2 n.1 p. 89-
94; 2012. Disponível em: <https://docplayer.com.br/17297746-Termografia-em-
manutencao-preditiva-conceitos-e-aplicabilidades-em-maquinas-e-equipamentos-
industriais.html>. Acesso em: 11 outubro 2019.
CCPG ENGENHARIA. Máxima Temperatura Admissível. 2016. Disponível em <
http://www.ccpg.eng.br/resources/M%C3%A1xima%20temperatura%20Admiss%C3%
ADvel%20%28MTA%29.pdf> Acesso em: 11 de fevereiro de 2019.
FLIR. User’s Manual FLIR Ex series. Publicação nº T559828. 2017. Manual de usuário.
______. Catálogo de Janelas de Inspeção Infravermelha Série IRW FLIR. Disponível
em: <http://www.vortex.com.br/flir/flir_pdf/Janelas%20de%20Inspecao.pdf>. Acesso
em: 11 de outubro 2019.
GILL, P. Eletrical Power Equipment Maintenance and Testing, 2ª edição. CRC Press,
Washington, 2008.
INFRASPECTION INSTITUTE. Standard for Infrared Inspection of Eletrical
Systems & Rotating Equipament. Infraspection Institute; 2008.
ITC - INFRARED TRAINING CENTER. Manual do Curso de Termografia Nível 1.
Publicação nº 1 560 063_E, Sorocaba, SP, 2018. Apostila.
JIT BRASIL. Catálogo janela de segurança para inspeção termográfica. Disponível
em: <http://www.jitbrasil.com.br/download/catalogo_janela_de_seguranca_para_
inspecao termografica.pdf>. Acesso em: 20 de novembro 2019.
NEMÉSIO SOUSA, J. Manutenção e Operação de Equipamentos e Instalações
Elétricas. Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Rio de Janeiro,
2019. Material didático.
______. Equipamentos Elétricos. Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade
Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro. 2019. Material didático.
56
______. Técnicas Preditivas de Manutenção. Departamento de Engenharia Elétrica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro. 2020. Material didático.
SANTOS, L. dos. Termografia infravermelha em subestações de alta tensão
desabrigadas. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Itajubá; Itajubá, MG,
2006.
SILVA, E. L.; MENEZES, E. M. Metodologia da pesquisa e elaboração de
dissertação. 4º edição. Florianópolis: UFSC, 2005
SOUZA, G. R. de; NOBRE, I. C.; POSSI, M. Capítulo VII – Ensaios Termográficos.
O Setor Elétrico, ed 102, julho 2014. Disponível em: <https://www.osetoreletrico.
com.br/capitulo-vii-ensaios-termograficos/> Acesso em: 5 de setembro 2018.
VERATTI, A. B. Termografia – Princípios e Aplicações. 1ª edição, AGA, 1984.