Sistema Móvel Autônomo de Inspeção Termográfica e Visual em Subestações de Energía Elétrica Gomes S C

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12º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA

Guayaquil, 10 a 13 de Novembro de 2015

Sistema Móvel Autônomo de Inspeção Termográfica e Visual

em Subestações de Energía Elétrica

Gomes, S.C.¹; Dias, G.V.²; Silva, B.P.A.²; Porto, M.P.³; Andrade, R.M.³

¹Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais–UFMG, email:

[email protected]

²Programa de Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais–UFMG, email:

[email protected];[email protected]

³Professor do Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais–UFMG, email:

[email protected];[email protected]

Área Temática: Ciências Aplicadas à Engenharia Mecânica

RESUMO

Em subestações de energia elétrica são realizadas inspeções periódicas para avaliação do estado geral de operação dos componentes instalados. A termografia, técnica de medição de temperatura sem contato, é empregada nas inspeções destes componentes para avaliação de seu perfil térmico. No entanto, devido à questões financeiras e de disponibilidade de material e de pessoal, estas inspeções não são realizadas com a frequência desejável, o que prejudica registro de dados destes componentes e a avaliação do histórico do seu funcionamento. Visto isso, o objetivo deste trabalho é apresentar detalhes do projeto do protótipo de um sistema móvel autônomo de inspeção visual e termográfica em subestações. O sistema foi idealizado para se locomover sobre trilhos e realizar inspeções diárias nos componentes da subestação. A estrutura de trilhos foi instalada em laboratório para verificação e validação do sistema. Os resultados apontam que o sistema está pronto para instalação e operação em campo.

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INTRODUÇÃO

A inspeção em componentes de subestação elétrica é uma prática regular dentre as atividades de manutenção do setor elétrico. Através da inspeção, que pode ser termográfica e visual, são coletadas informações relevantes sobre o estado de operação dos componentes. Estes dados são processados para que seja feita a emissão do diagnóstico do ativo, e de uma eventual indicação de reparo.

Devido à grande demanda de serviços, custos envolvidos e possíveis riscos à saúde do operador, estas inspeções podem ocorrer com uma frequência menor que o desejável. O monitoramento dos componentes é fundamental para obtenção de informações sobre o histórico de operação, pois estes dados são utilizados pelo gestor de manutenção no planejamento das intervenções necessárias. Diniz [1] estima que um terço das intervenções de manutenção preventiva sejam desnecessárias, já que, muitas vezes, o componente se encontra em plenas condições de operação.

Kardec [2] apontam que a atividade de manutenção vem sofrendo mudanças, exigindo ações, ferramentas e atitudes inovadoras, exigindo maior ênfase em questões de segurança, meio ambiente, qualidade e confiabilidade. Isso tudo, é claro, aliado a redução de custos. Diante deste panorama, a proposta de monitoramento autônomo de uma subestação, é uma proposta ousada e promissora.

Este trabalho apresenta detalhes do projeto e da construção de um Sistema móvel autônomo de inspeção que tem a missão de apresentar uma alternativa para aumentar a frequência de inspeções termográficas dos componentes de uma subestação de energia elétrica. Um protótipo foi construído e testado em laboratório. Este sistema foi desenvolvido pelo Laboratório de Termometria da UFMG, a partir do P&D-426, realizado com apoio da CEMIG/ANEEL.

ROBÔS DE INSPEÇÃO

Diversos grupos de pesquisa, geralmente ligados à atividade de manutenção, trabalham com a proposta de monitoramento de ativos feito por robôs ou unidades automatizadas. A justificativa para o desenvolvimento deste tipo de sistema inclui argumentos comuns a todos os grupos, como economia de custos, qualidade das informações registradas e segurança de operação.

Okamoto [3] mostra as características de um robô de monitoramento de corrosão nos cordões de soldas de esferas de armazenamento de gás. O robô possui rodas de material magnético, que garantem a adesão do robô a superfície da esfera, um conjunto de câmeras digitais, e sensores que detectam o cordão de solda. Os dados são enviado para uma base de dados, via wifi. A Figura1 mostra uma imagem do robô sobre uma esfera.

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Pinto [4] desenvolveu um sistema para o monitoramento de pontos quentes (hot-spots). A procura por pontos quentes norteia as inspeções termográficas de caráter qualitativo. Quando o sistema detecta um hot-spot, uma mensagem é enviada para a sala de controle. A partir daí, atitudes são tomadas para eliminar o problema. O robô se move sob um cabo de aço, posicionado ao longo da borda lateral da subestação. O sistema é composto por uma câmera termográfica, um conjunto de rodas e motor, para movimentação ao longo do cabo de aço, e o conjunto eletrônico auxiliar, responsável pela transmissão de dados e controle do sistema. A sua alimentação é feita por um cabo, energizado com 220V, que o acompanha constantemente. A Figura 2 apresenta uma imagem do robô instalado em uma subestação.

Fig. 2–Vista do robô durante uma inspeção. Fonte: Pinto [4]

Wang [6] apresenta uma alternativa para o monitoramento de subestações, o SmartGuard. Desenvolvido pela Shandong Electric Power Research Institute, sediado em Jinan, na China, o SmartGuard se move por trajetos pavimentados dentro da subestação. As informações coletadas são enviadas para uma central de dados, onde é feita a análise e gerada as ordens de manutenção. A alimentação é feita por bateria. O sistema foi programado para retornar a um ponto específico dentro da subestação, onde será realizado o acoplamento automático à estrutura de recarga da bateria. Os estudos envolvendo o SmartGuard são desenvolvidos desde 2004. A Figura 3 apresenta uma imagem de uma das versões do robô em operação.

Fig. 3–SmartGuard. Fonte: Wang [5]

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SISTEMA AUTÔNOMO DE INSPEÇÃO

Pensando em uma alternativa onde fosse possível operar mais próximos dos alvos de inspeção foi feito um estudo para avaliar a possibilidade de utilizar trilhos suspensos para movimentação do robô autônomo. Para trabalhar de forma efetiva com esta solução, seria necessário que o sistema operasse com alimentação pelos trilhos, para evitar o uso de cabos e baterias, aumentando a segurança da instalação. Após a análise das alternativas encontradas, a equipe de desenvolvimento foi encarregada de apresentar propostas para a construção de um sistema de inspeção inovador, que atendesse a realidade das subestações brasileiras.

O Sistema autônomo de inspeção foi desenvolvido com o objetivo primário de aumentar a frequência de inspeções dos componentes de subestação, se deslocando através de uma estrutura de trilhos suspensos e, a partir da inspeção, diagnosticar os componentes sem a necessidade da intervenção humana. Diversos módulos operacionais compõe o veículo de inspeção. A Figura 4 apresenta o diagrama com a estrutura de organização básica, composta pelos módulos:

 Controle: comanda os módulos de movimentação e de inspeção;

 Inspeção: realizam o registro das imagens digitais e térmicas;

 Estrutura de movimentação: responsável pelo deslocamento sobre os trilhos;

 Estrutura de fixação: fixam os trilhos na parede da subestação.

Fig. 4–Diagrama de módulos do Sistema Autônomo de Inspeção

A Figura 5 apresenta um esboço da estrutura de movimentação e fixação, que serviu de base para concepção do projeto definitivo. A estrutura é composta por quatro elementos básicos:

 mão francesa: para fixação da estrutura

 suporte: elemento de fixação dos trilhos à mão francesa

 espaçador: garante a distância adequada e o isolamento elétrico entre as barras

 trilhos: caminho para locomoção do robô, condução da energia elétrica e trafego de dados

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Construção do Protótipo

Para a definição do projeto e construção da estrutura, foram feitas pesquisas de mercado para avaliar os materiais disponíveis, considerando suas características mecânicas, preço e aplicabilidade. A eletricidade é transmitida à Unidade Móvel pelos trilhos e nesse caso foram utilizadas barras de alumínio, que são mais leves que as de aço, conduzem melhor e não oxidam com o tempo. O tráfego de dados e acesso remoto à Unidade móvel também são feitos pelos trilhos. Os espaçadores foram construídos com material de fibra de vidro. Os suportes e as mãos francesas foram construídos com aço, que são resistentes e de baixo custo. Após a seleção destes materiais, foi construído um modelo em SolidWorks® do sistema, que serviu para orientar testes de deslocamento e orientação da construção da estrutura. A Figura 6 apresenta este modelo.

Fig. 6 - Modelo do Sistema Autônomo de Inspeção

Uma estrutura de trilhos om 4m de extensão foi construída e afixada no Laboratório de Termometria da UFMG para realização de testes, ajustes e validação do Sistema de Inspeção Autônomo. Na unidade móvel, uma caixa para isolamento eletromagnética contém o módulo de controle e diagnóstico. A locomoção da unidade móvel é feita por dois motores de corrente contínua acoplados a rodas de nylon. Outras duas rodas metálicas servem de contato elétrico com os trilhos. Para movimentação das câmeras utiliza-se um sistema Pan/Tilt. Duas câmeras, uma digital e uma termográfica, compõem o módulo de diagnóstico. A FIG.7 apresenta uma imagem da estrutura instalada.

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Inspeção e Diagnóstico

A Unidade Móvel comporta duas câmeras: uma digital e uma termográfica. Isto é necessário para o procedimento de reconhecimento dos componentes, que utiliza algoritmos computacionais de análise de imagem digital. Além disso, ambas as câmeras podem ser utilizadas para inspeção patrimonial. A câmera termográfica, uma FLIR® A315, registra imagens no espectroinfravermelho, de 7,5 μm a 13μm. Um software de diagnóstico foi embarcado, de forma que quando a inspeção termográfica detectar alguma anomalia térmica será gerado um relatório com a indicação do problema. Estes relatórios são enviados para os gestores da manutenção, que irão tomar a decisão sobre a necessidade ou não da intervenção. A FIG.8 apresenta a imagem da Unidade Móvel no intervalo de manutenção.

Fig. 8–Detalhe da Unidade Móvel com as duas câmeras

O Sistema Autônomo de Inspeção foi testado no LabTerm. Os testes de deslocamento e transmissão de dados ocorreram foi bem sucedidos. Alguns ajustes mecânicos e de software foram necessários ao longo dos testes. Uma carcaça de acrílico será construída e adaptada para que a Unidade Móvel seja instalada na subestação. A Figura 9 apresenta imagens registradas pelo sistema durante os testes.

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CONCLUSÕES

Após a conclusão do projeto, o protótipo do Sistema Autônomo de Inspeção foi construído e instalado no Laboratório de Termometria da UFMG. Os testes preliminares mostraram que o sistema opera conforme o previsto: com a locomoção, alimentação e transmissão de dados sendo feita através dos trilhos metálicos. Espera-se que após a instalação em uma subestação de energia elétrica, inspeções diárias programadas Espera-sejam realizadas e o histórico do comportamento térmico dos componentes registrados.

A proposta de instalação de um sistema autônomo para inspeção em subestações de energia elétrica é ousada e inovadora. Com a informação gerada pelo monitoramento diário dos equipamentos, será possível avaliar, de forma precisa, seu estado de funcionamento e programar a intervenção no tempo adequado, economizando custos e otimizando o trabalho das equipes de manutenção.

REFERÊNCIAS