Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Análise de Sistemas de Energia e Máquinas Elétricas com recurso a termografia Tiago Miguel Dias Oliveira VERSÃO PROVISÓRIA Dissertação realizada no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Major Energia Orientador: Professor Doutor Artur Manuel de Figueiredo Fernandes e Costa Janeiro de 2012 © Tiago Miguel Dias Oliveira, 2012 ii Resumo A evolução e a crescente utilização da termografia nos mais diversos campos da indústria levaram a um aumento de interesse sobre os fundamentos das técnicas termográficas. A parametrização dos fatores de influência na medição da radiação infravermelha é considerada fundamental, para que as leituras sejam fiáveis e de precisão elevada. A dissertação tem como principal objetivo a descrição do trabalho desenvolvido pelo autor, sobre a análise de sistemas de energia e máquinas elétricas com recurso a termografia e teve origem numa parceria entre a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP) e a empresa Efacec Energia, Máquinas e Equipamentos Elétricos, SA. Com o crescente interesse da empresa Efacec em tecnologias termográficas, foi proposto o desenvolvimento de uma metodologia para aplicação das técnicas termográficas em grandes transformadores de potência. Na dissertação descreve-se o procedimento, analisam-se os resultados obtidos e extraem- se conclusões da investigação experimental realizada com vista à calibração de uma câmara termográfica disponibilizada pela empresa, em todos os aspetos considerados relevantes e à elaboração de um protocolo com os passos a seguir numa inspeção termográfica. Apresenta-se, também, na dissertação, o desenvolvimento de uma folha de cálculo para uma análise quantitativa de imagens termográficas, de forma a complementar as funcionalidades do software disponível na FEUP para o efeito. iii iv Abstract The evolution and the increasing use of thermography in various fields of industry led to an increase of interest on the basis of thermographic techniques. The parameterization of the factors of influence in the measurement of infrared radiation is considered essential so that the measures are reliable and of high precision. This dissertation has as main goal the description of the author`s work on the analysis of power systems and electric machines using thermography and is originated from a partnership between the Faculty of Engineering of the University of Porto (FEUP) and the company Efacec Energia, Máquinas e Equipamentos Eléctricos, SA. With the growing interest in the company Efacec on the thermographic technology, was proposed to develop a methodology for application of thermographic techniques in large power transformers. In the dissertation, the procedure is described, the obtained results are analyzed and conclusions are extracted from the experimental investigation, carried out with sight to the calibration of a thermal imager, provided by the company, in all aspects considered relevant and the elaboration of a protocol with the following steps in a thermographic inspection. It is also stated, in the dissertation, the development of a spreadsheet for a quantitative analysis of thermographic images, to complement the functionality of the software available for this purpose in FEUP. v vi Agradecimentos Em primeiro lugar, tenho de expressar todo o meu carinho e admiração aos meus pais, à minha irmã e restante família, pelo apoio incondicional, pela confiança depositada, pelo orgulho, pelas palavras amigas e conselhos nos momentos mais difíceis. Ao meu orientador, o Professor Doutor Artur Manuel de Figueiredo Fernandes e Costa, pela amizade, pela disponibilidade, apoio, dedicação e organização durante a realização da dissertação. A todos os colaboradores do Laboratório de Ensaios da Efacec, pelos conhecimentos partilhados, pelo apoio e pelo material disponibilizado para a elaboração da dissertação. Em especial ao Eng.º Dinis Pinto e ao Eng.º Henrique Ribas. Aos meus amigos Ricardo Bessa, Joaquim Pedro, Pedro Costa, Tiago Azevedo, Pedro Correia, Vanessa Pina, António Pinheiro e João Pedro Costa pelo companheirismo, pelos momentos de alegria partilhados e acima de tudo pela amizade. Por fim, agradeço à Filipa, por todo o amor, pela compreensão, pela motivação e por toda a paciência. vii viii Índice Resumo ...........................................................................................iii Abstract ............................................................................................v Agradecimentos ................................................................................ vii Índice .............................................................................................. ix Lista de figuras ................................................................................. xii Lista de tabelas .............................................................................. xvii Capítulo 1 ........................................................................................ 1 Introdução ....................................................................................................... 1 1.1 - Objectivos e Metodologia .......................................................................... 2 1.2 - Apresentação do trabalho .......................................................................... 3 Capítulo 2 ........................................................................................ 5 Tecnicas termográficas e seus fundamentos .............................................................. 5 2.1 - Fenómenos de transferência de calor ............................................................ 6 2.1.1 - Condução ...................................................................................... 7 2.1.2 - Convecção ..................................................................................... 8 2.1.3 - Radiação ....................................................................................... 9 2.1.3.1 - Lei de Stephan-Boltzmann .......................................................... 10 2.1.3.2 - Lei de Planck .......................................................................... 10 2.1.3.3 - Lei do deslocamento de Wien ...................................................... 12 2.2 - Espetro Eletromagnético ......................................................................... 13 2.3 - Caraterísticas da radiação infravermelha ..................................................... 14 2.4 - Medição da radiação infravermelha ............................................................ 16 2.4.1 - Fatores de influência na medição da radiação infravermelha ..................... 17 2.4.2 - Emissividade ................................................................................. 18 2.4.2.1 - Variação da emissividade com o ângulo de visão ............................... 18 2.4.2.2 - Variação da emissividade com a temperatura do objeto ...................... 19 2.4.2.3 - Variação da emissividade com a condição e forma de uma superfície...... 20 2.4.2.4 - Técnica para determinação da emissividade de um objeto ................... 21 2.4.2.5 - Tabela de emissividade .............................................................. 23 2.4.3 - Influência atmosférica ..................................................................... 24 4.3.3.1 - Transmissão atmosférica ............................................................ 24 4.3.3.2 – Fatores climáticos .................................................................... 26 2.4.4 - Exatidão da medição de temperatura .................................................. 28 2.5 - Ensaios Termográficos: Análise Qualitativa e Quantitativa ................................ 29 2.5.1 - Análise Qualitativa ......................................................................... 29 2.5.2 - Análise Quantitativa ....................................................................... 30 2.6 - Breve História da Termografia .................................................................. 30 2.6.1 - Escalas de temperatura e Termómetros ............................................... 31 2.6.2 - Radiação Infravermelha ................................................................... 33 ix 2.7 - Síntese ............................................................................................... 37 Capítulo 3 ....................................................................................... 39 Técnicas termográficas e suas aplicações ............................................................... 39 3.1 - Aplicação na Ciência .............................................................................. 40 3.1.1 - Medicina ..................................................................................... 41 3.1.2 - Medicina Veterinária ....................................................................... 44 3.1.3 - Astronomia .................................................................................. 45 3.1.4 - Arqueologia .................................................................................. 46 3.1.5 - Geologia ...................................................................................... 47 3.1.6 - Monitorização da cobertura do solo ..................................................... 48 3.1.7 - Oceanografia ................................................................................ 49 3.1.8 - Meteorologia ................................................................................ 50 3.2 - Aplicação em Segurança e Vigilância .......................................................... 51 3.2.1 - Militar ........................................................................................ 51 3.2.2 - Vigilância .................................................................................... 53 3.2.3 - Buscas e salvamento ....................................................................... 55 3.2.4 - Combate a incêndios ...................................................................... 55 3.3 - Aplicação em Edifícios ............................................................................ 57 3.3.1 - Deteção de zonas com isolamento deficiente ......................................... 58 3.3.2 - Deteção de fugas de ar .................................................................... 59 3.3.3 - Deteção de humidade ..................................................................... 60 3.3.4 - Inspeção de tubagens, sistema de aquecimento e ar condicionado ............... 62 3.4 - Aplicação em Sistemas de Fluido e Vapor ..................................................... 63 3.5 - Aplicação em Sistemas Mecânicos .............................................................. 65 3.6 - Aplicação em Instalações Elétricas ............................................................. 66 3.6.1 - Ligações soltas ou deterioradas ......................................................... 67 3.6.2 - Circuitos em Sobrecarga .................................................................. 68 3.6.3 - Circuitos com desequilibrio de cargas .................................................. 69 3.6.4 - Harmónicos .................................................................................. 70 3.6.5 - Equipamentos defeituosos ................................................................ 71 3.6.6 - Transformadores ........................................................................... 72 3.6.7 - Quadros Elétricos ........................................................................... 74 3.7 - Aplicação em Energias Renováveis ............................................................. 76 3.7.1 - Aproveitamentos de Energia Eólica ..................................................... 76 3.7.2 - Sistemas Fotovoltaicos .................................................................... 79 3.8 - Outras aplicações na Indústria .................................................................. 84 3.8.1 - Controlo do Processo de Fabrico ........................................................ 84 3.8.2 - Automação ................................................................................... 87 3.8.3 - Eletrónica .................................................................................... 89 3.9 - Síntese ............................................................................................... 90 Capítulo 4 ....................................................................................... 91 Aplicação da termografia a grandes transformadores de potência ................................. 91 4.1 - Caraterização do problema ...................................................................... 91 4.1.1 - Identificação dos pontos de interesse nos transformadores de potência ........ 93 4.1.2 - Caraterização da câmara termográfica ................................................ 93 4.1.3 - Parametrização revelante e dificuldades intrínsecas ................................ 94 4.2 - Tipos de problemas a considerar e metodologias para os tratar .......................... 94 4.2.1 - Pontos de interesse selecionados ....................................................... 95 4.3 - Resultados Obtidos ................................................................................ 96 4.3.1 - Variação da emissividade com a distância ao objeto ................................ 96 4.3.2 - Variação da emissividade com o ângulo de visão ..................................... 97 4.3.3 - Variação da emissividade com a cor da superfície ................................... 98 4.3.3.1 - Variação da emissividade com a cor creme ...................................... 99 4.3.3.2 - Variação da emissividade com a cor cinzento claro ........................... 100 4.3.3.3 - Variação da emissividade com a cor cinzento escuro ......................... 101 x