PIBIC/PIVIC – IFES RELATÓRIO FINAL DE PROJETO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA

Relatório Final de Projeto de Iniciação Científica

Título do Projeto: Manutenção elétrica preditiva por análise termográfica

Área do Conhecimento: Engenharias

Referência da Chamada: ( x ) PIBIC ( ) PIVIC

Orientador do Projeto: Pablo Rodrigues Muniz

Estudante: Luiz Guilherme Riva Tonini

Endereços para contato:

Eletrônico: lgtonini@gmail.com

Telefônico: (27) 3345-4004

Campus/Coordenadoria: Vitória / Engenharia elétrica

Data: 25 de julho de 2011

1. Resumo

O projeto de pesquisa desenvolveu modelos matemáticos para avaliar o comportamento térmico de

equipamentos elétricos que operam sob falha, de maneira que possam ser produzidos protocolos de

análise de imagens térmicas desses equipamentos, bem como avaliar suas eficiências energéticas e

redução de vida útil quando operam sob essas condições.

2. Palavras-chave

Manutenção preditiva, termografia, mau contato, condutores em paralelo.

3. Introdução e Justificativa

A análise termográfica de equipamentos elétricos tem sido amplamente utilizada como ferramenta de

manutenção preditiva de equipamentos elétricos, visto que suas falhas geralmente são associadas a

elevação de temperatura de suas partes [1].

Os protocolos de emissão de diagnóstico dessas falhas são fortemente baseados em identificação de

pontos com temperatura acima de determinados padrões de aceitação [2].

Entretanto, falhas em circuitos elétricos eventualmente podem implicar em redução de seu

carregamento, o que provocaria “sub temperaturas”. Por exemplo, cabos em paralelo de uma mesma

fase podem eventualmente apresentar sintoma de falha diferente dos padrões usuais, visto que se

houver alguma falha do tipo mau contato onde a ordem de grandeza de sua impedância for

comparável à da carga, a corrente elétrica terá maior intensidade no cabo cujas conexões estão

sanas. Desse modo, o cabo com conexões defeituosas não apresentaria elevados valores de

temperatura, levando a um diagnóstico equivocado.

Diagnósticos equivocados podem permitir que instalações elétricas com falha em andamento

continuem operando com status de condições conformes, apresentando posteriormente paradas

inesperadas, comprometendo a continuidade de operacional da planta. O diagnóstico ainda pode

indicar falha em partes que em verdade estariam conformes, fazendo com que os serviços de

manutenção sejam inócuos, desperdiçando recursos e diminuindo a disponibilidade operacional.

Vê-se então a necessidade de novos estudos quanto aos sintomas térmicos de equipamentos

elétricos que operam sob falha, de modo a criar protocolos de análise das imagens térmicas mais

robustas, bem como analisar outras implicações técnicas e econômicas que tais condições

operacionais implicam.

4. Objetivos

O trabalho teve como objetivo estudar o comportamento de máquinas, instalações e dispositivos

elétricos no que tange ao comportamento das temperaturas de suas partes, que podem ser

registradas através de imagens térmicas.

Foram desenvolvidos modelos de funcionamento e de comportamento térmico dos equipamentos

elétricos, de maneira a correlacionar seus comportamentos térmicos sob diferentes aspectos

operacionais, inclusive sob falha. Alem de modelos para mensurar a dissipação de energia de partes

sob falha que por degradação térmica reduzem a vida útil dos equipamentos e implicam em

ineficiência energética.

Como resultado espera-se obter protocolos mais robustos de análise de imagens térmicas com vistas

a emitir diagnósticos de falhas em instalações, equipamentos e dispositivos elétricos, bem como

orientações para análise de eficiência energética e vida útil de equipamentos elétricos que operam

sob falha.

5. Material e métodos

Para dar cabo ao trabalho, inicialmente será desenvolvida uma pesquisa bibliográfica para se mapear

os atuais protocolos de emissão de diagnóstico de falhas em instalações elétricas através de

inspeção termográfica.

Uma vez compilado os procedimentos de diagnóstico em prática, verificar-se-á as hipóteses

levantadas caracterizando em termos práticos o problema. Dados (correntes, impedâncias e

temperaturas) serão coletados para apoio ao desenvolvimento proposto.

A partir das teorias de circuitos elétricos, serão modeladas, além das situações triviais, as situações

em que falhas por mau contato não apresentem como sintoma elevação considerável de temperatura.

Serão utilizadas também as leis e teorias da física a respeito de dissipação térmica e transferência de

calor, para se modelar a energia dissipada e a temperatura que regiões com mau contato

experimentam.

De posse dos modelos (circuito elétrico esquemático e modelo do comportamento térmico), simular-

se-ão situações típicas de instalações elétricas e de carga para se estabelecer diretrizes de análise

dos perfis de temperatura da partes e suas eventuais falhas por mau contato. Por fim, situações

típicas de falhas não usuais serão reproduzidas em laboratório para se verificar a eficácia do modelo

proposto.

6. Atividades realizadas no período

Atividade Descrição da Atividade

1 Pesquisa bibliográfica sobre diagnóstico de falhas por inspeção termográfica; 2 Levantamento de dados típicos de circuitos elétricos e conexões; 3 Modelamento de instalações elétricas com falhas; 4 Modelamento do comportamento térmico das falhas;

5 Elaboração de equações que definissem o comportamento das falhas;

6 Realização do experimento controlado do caso

Atividade 1: Tomando como referência relatórios de manutenção preventiva usando

termográfica buscou-se situações onde ocorria análise errônea baseado no princípio que se

tivermos duas conexões em paralelo e uma delas apresentar um mau contato de tal valor que

maior parte da corrente se dirija ao fio são, obtemos um diagnóstico termográfico equivocado

que indicaria este como o problemático. Por meio da pesquisa descobrimos que tal erro é

comum ocorrendo com mais freqüência em terminais de carga de transformadores trifásicos.

Atividade 2: Por meio de tabelas fornecidas por fabricantes de cabos obtemos os valores das

grandezas dependentes, como área da seção, material de isolação e sua espessura alem do

valor das reatâncias, e das grandezas espúrias, como números de fios por cabo, carga de

ruptura e peso. O valor de um mau contato teórico foi obtido agravando falhas em uma

conexão ate o ponto em que a corrente para de conduzir, como este valor carrega grande

imprecisão ele foi estipulado como um intervalo, tendo em vista que este condiz para apenas

um tipo de fio condutor.

Atividade 3: Utilizando o simulador Multissim da National Instruments construiu-se um circuito

representando um terminal de um transformador trifásico alimentando uma carga por meio de

dois cabos, sendo um possuindo mal contato, assim coletamos os valores das potências

dissipadas em cada cabo, alem das outras variáveis secundárias como tensão, corrente e

impedância equivalente, como demonstrado abaixo:

V1220 Vrms

60 Hz

0°

R20.01Ω

D1MUR420

D2MUR420

D3MUR420

D4MUR420

R31.8Ω

R40.11103Ω

L1

0.0078mH

R50.11103Ω

L2

0.0078mH

R60.1Ω

Key=A

55%

XMM6 XMM8

XWM1

VI

XWM2

V I

Modelo do circuito elétrico com dois condutores por fase e suas conexões

Atividade 4: De posse da potência dissipada, da área dos fios condutores e sabendo o

material a qual este pertence utilizamos as equações de distribuição de temperatura e perda

térmica em aletas com seção reta uniforme para se construir o gráfico relacionando

impedância de linha com a razão de temperatura em que se pode perceber que no início da

curva ocorre a situação comum, em que se leva em consideração apenas os valores

absolutos, e que a medida que impedância aumenta entra na zona de analise não trivial,

como mostrado abaixo:

Atividade 5: No problema a ser analisado, foi utilizado o modelo abaixo, onde o tal possui a

vantagem de ser simples, pois só há um circuito monofásico com dois condutores por fase, e

representa qualquer circuito polifásico, visto que a distribuição de corrente nos condutores de

cada fase tem as mesmas características em ambos os casos. Além disso, se necessário for,

o modelo poderá ser generalizado, expandido, para casos em mais de dois condutores por

fase, visto que a distribuição de corrente entre condutores em paralelo continuará sendo

calculada da mesma maneira que, no caso, foi através de divisor de corrente.

Para o modelo, foram levantadas as variáveis de interesse listadas abaixo, sendo as dependentes:

Impedância da linha (RL);

Resistência da conexão conforme (RBC); Resistência da conexão não conforme (RMC);

Enquanto as variáveis dependentes:

Temperatura das conexões (TBC e TMC);

Potência dissipada nas conexões (PBC e PMC); Corrente elétrica na linha com bom contato (IBC); Corrente elétrica na linha com mau contato (IMC);

Como variável espúria, detectou-se a temperatura ambiente. Para que o modelo não

dependesse dessa variável e, portanto, fosse aplicável a diferentes ambientes, as variáveis

“Temperatura das conexões” foram substituídas por “Elevação de temperatura das

conexões”.

aplicando técnicas de análise de circuitos elétricos, chegou-se às seguintes equações para as

correntes elétricas e potências dissipadas em cada conexão:

Equação 3: Relação entre potências dissipadas no bom e no mau contato

Equação 2: Corrente no condutor com mau contato

Equação 1: Corrente no condutor com bom contato

Aplicando a Lei de Stefan-Boltzmann [5] através da Equação 4, obteve-se a relação entre as

temperaturas absolutas do bom e do mau contato expressa na Equação 5.

As simplificações que culminaram na Equação 5 foram possíveis devido às seguintes

considerações:

As duas conexões dos condutores em paralelo são confeccionadas com peças e

métodos semelhantes, portanto possuiriam a mesma área de dissipação de calor, bem como

possuiriam a mesma emissividade;

As duas conexões estariam submetidas à mesma temperatura ambiente;

A Equação 5 demonstra que a relação entre as temperaturas absolutas das duas conexões

depende das resistências dessas conexões e da impedância de linha. Ou seja, a proporção

da distribuição de corrente em cada condutor e, por conseguinte, a dissipação de potência e a

temperatura das conexões dependem somente das impedâncias dos ramos analisados, como

já era esperado na definição das variáveis independentes. A Equação 5, ainda, apresenta a

relação de temperaturas absolutas das conexões considerando-se apenas seu aquecimento

devido ao efeito Joule da condução de corrente elétrica. Como as conexões também são

excitadas termicamente pelo calor ambiente, suas temperaturas absolutas em verdade serão

um pouco maiores, apresentando valores numéricos um pouco diferentes do obtido por essa

equação. Entretanto, como se deseja analisar o comportamento relativo das temperaturas

das duas conexões, tal implicação não altera consideravelmente os resultados. A equação 5

no plano cartesiano ‘e expressa no gráfico abaixo:

Equação 5: Relação entre as temperaturas do bom contato e do mau contato

Equação 4: Equação da lei de Stefan-Boltzmann

As equações 1, 2, 3 e 5 nos permitem então avaliar o comportamento das temperaturas nas

conexões dos condutores em paralelo variando-se a resistência do contato não conforme

mantendo-se fixa a resistência do bom contato e a impedância da linha, situação essa

objetivo deste trabalho.

Atividade 6: Foi analisado o caso de uma instalação elétrica de baixa tensão, onde a

impedância da linha tem efeitos resistivos muito maiores que os efeitos indutivos, tipicamente

uma ordem de grandeza maior. Assim, será considerado apenas o valor resistivo da linha.

Para produção de resultados com boa abrangência, foram adotados os seguintes valores

para obter-se resultados de comportamento dos circuitos:

Impedância de linha: 0,41 Ohm; Resistência de bom contato: 0,15 Ohm.

Resistência de mau contato: varia de 0,15 a 2,20 Ohm.

Para realizar o ensaio em laboratório, os seguintes procedimentos foram adotados:

A tensão da fonte foi mantida constante durante todo o ensaio;

Foram evitadas correntes de ar sobre as elementos do circuito;

Para simular conexões, foram empregados resistores de iguais dimensões e

materiais, buscando que tenham mesmas emissividades e áreas de dissipação de calor. Os

resistores tinham precisão de 5%;

Corrente e tensão elétricas foram medidas com instrumento alicate amperímetro com

precisão de 1,5 %

Imagens termográficas das conexões simuladas foram feitas com termovisor de 2%

de precisão;

Medição de resistências elétricas e impedâncias com ponte digital LCR apresentando

imprecisão de 0.5%.

Durante o ensaio, foram adotadas as seguintes considerações:

A corrente elétrica que fluía pelos cabos era da ordem de 10% de sua ampacidade,

tornando sua variação de resistência devido a aquecimento desprezível;

A resistência da conexão simulada era caso a caso calculada, a partir de sua

temperatura, pois o componente utilizado era resistor de alumínio com invólucro de cimento

de silicone.

7. Cronograma do Projeto

Atividade Período de realização das atividades

Mês 1°

2° 3

° 4

° 5

° 6

° 7

° 8

° 9

° 10

° 11

° 12

°

1 x x

2 x x

3 x x

4 x x

5 x x

6 x x

8. Resultados e discussão

Baseado nos valores de temperaturas obtidos na ultima etapa montasse o gráfico abaixo que mostra

a variação da temperatura de bom e a de mau contanto com o aumento da resistência de mau

contato, tais dados de temperatura foram obtidos através das imagens que constam na tabela 1,

ressaltasse que os pontos de temperatura coletados são sempre os máximos de cada imagem[3].

Imagem térmica

Bom contato

Imagem térmica

Mau contato

Valor da resistência de mau

contato (p.u.) 0,38 0,47 0,53 0,92 1,1 1,34 1,55 1,96 3,24

Tabela 1: Imagens térmicas do bom contato e do mau contato.

Analisando, agora, o gráfico propriamente dito, nota-se que para valores de resistência de mau

contato até aproximadamente 1 pu, à medida que o mau contato aumenta (de valor de resistência

ôhmica), sua temperatura também aumenta em relação à temperatura do bom contato, alem de

valores de resistência de mau contato acima de 1 pu, aumentando seu valor, a temperatura do bom

contato começa a crescer a taxa acima da taxa de crescimento da temperatura de bom contato;

Para elevados valores de resistência de mau contato, tendendo a uma ordem de grandeza acima da

resistência da linha, a temperatura do bom contato se torna maior que a temperatura do mau contato;

Esta última situação é a que pode levar a diagnósticos equivocados se forem aplicados os critérios

tradicionais.

Este trabalho desenvolveu um modelo que representa uma instalação elétrica com condutores em

paralelo que propicia o estudo do comportamento das temperaturas de suas conexões quando uma

dessas conexões apresenta mau contato. Tal modelo demonstrou que há situações em que a

conexão defeituosa, ou seja, com mau contato, pode apresentar temperaturas inferiores às

temperaturas da conexão conforme, situação prática já vivenciada.

Instalações elétricas nas condições específicas citadas, quando analisadas através de inspeção

termográfica, podem sofrer diagnósticos equivocados que, por exemplo, planeje manutenção

corretiva para conexões em condições conformes e que sugira continuidade operacional para

conexões defeituosas.

Este trabalho prossegue no sentido de estabelecer parâmetros que auxiliem o profissional de

manutenção a diagnosticar corretamente instalações elétricas escopo deste artigo.

9. Referências

[1] CORTIZO, E. C.; BARBOSA, M. P.; SOUZA, L. A. C. Estado da arte da termografia. In:

FORUM PARTRIMÔNIO: AMB. CONSTR. E PART. SUST., 2008, Belo Horizonte. Anais v.2.

[2] OTANI, M.; MACHADO, W. V. A proposta de desenvolvimento de gestão da manutenção

industrial na busca da excelência ou classe mundial. Revista Gestão Industrial, Ponta

Grossa, v.04, n. 02, p. 01 ~ 06, 2008.

[3] PELIZZARI, E; MARTINS, C. O. D.; MENEZES, A. F. S.; REGULY, A. Aplicações da termografia como ferramenta de manutenção. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, XVII, 2006, Foz do Iguaçu. Anais eletrônicos... Disponível em

<http://www.metallum.com.br/17cbecimat/resumos/17Cbecimat-307-001.pdf>. Acesso em:

29 abr. 2010.

[4] CALENTE, A. Applied thermography for detection and elimination of overheating caused byeddy current. In: CONFERENCIA PANAMERICANA DE END, 4., 2007, Buenos Aires. Anaiseletrônicos...Disponívelem:<http://www.aaende.org.ar/aaende_end/material/Abstract2.pdf>.Acesso em: 30 abr. 2010. [5] GUERRA, R. Verificação experimental da lei de Stefan-Boltzmann. Disponível em:

<http://w3.ualg.pt/~rguerra/MEF0506/stefanboltzmann.pdf >. Acesso em: 30 abr. 2010.

10. Participação em eventos técnico-científicos

7◦ Semana estadual de ciência e tecnologia: Ciência para o desenvolvimento sustentável. De 19 a 22

de outubro de 2010.

Publicação na VII Congresso brasileiro de engenharia clínica. Disponível em:

http://www.cbeclin.com.br/arquivos/TL19.pdf - Acessado em 28 de julho de 2011.

11. Outras atividades

Visita a gerência de engenharia eletro/eletrônica da ArcelorMittal Tubarão, nesta interagimos com a

equipe de apoio a manutenção onde se utiliza manutenção preditiva usando termografia.

PIBIC/PIVIC – IFES RELATÓRIO FINAL DE PROJETO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA