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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
TERMOGRAFIA QUANTITATIVA COMO FERRAMENTA DE
GESTÃO DE ATIVOS DO SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA
Dissertação submetida à Universidade Federal de Minas Gerais
para obtenção do grau de mestre em Engenharia Mecânica
Belo Horizonte, março de 2013.
Dissertação submetida à Banca Examinadora designada pelo Colegiado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de “Mestre em Engenharia Mecânica”, na área de concentração de “Calor e Fluidos”.
Dissertação aprovada em 22 de março de 2013.
Banca Examinadora:
Prof. Dr. Roberto Márcio de Andrade (Orientador)
Eng. Dr. Cleber Esteves Sacramento
Eng. Dr. Sérgio Almeida Cunha Filgueiras
Prof. Dr. Marcio Ziviani
DEDICATÓRIA
Dedico esta conquista à minha mãe e à minha avó que, com muito amor e suor,
começaram a plantá-la há mais de trinta anos; e àquelas pessoas que valorizam e procuram,
a cada dia, apurar seu senso crítico, que analisam e utilizam de raciocínio inteligente para
chegar a uma conclusão ou se aproximar um pouco mais da verdade.
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus pais, Helio e Alcione, pelo investimento moral, afetivo e financeiro que sempre foi feito em mim e em meus irmãos, e que me permitiram este momento;
à minha avó Alaíde, de importância incalculável por toda uma vida dedicada a nós, netos, e com quem orgulhosamente divido o dia do aniversário;
à minha linda esposa Mariana, pelo amor e paciência em me ceder aos estudos e compreensão pelos feriados, viagens e passeios perdidos ou postergados;
ao meu orientador e amigo, professor Roberto, pelas valiosas discussões, pelo afiado senso crítico, pela ampla e aguçada visão e pela capacidade de realização e liderança que me inspiraram a concretizar este trabalho;
à família e amigos, e principalmente aos meus padrinhos, Marcelo e Leninha, pelos bons momentos, carinho, ensinamentos, exemplos de vida, oportunidades, desafios, reconhecimento e confiança depositada que cada um, de uma forma ou outra, me proporcionou;
ao amigo Nilton, por mostrar e facilitar o caminho com seus conselhos e encorajamento;
ao Paulo Marcio, pelo apoio como chefe, incentivo como amigo e exemplo como pessoa;
ao Herbert Geovane, por confiar-me a realização de um trabalho que ele idealizou;
aos membros da banca examinadora, Cleber, Sergio, Roberto e Ziviani, pelas valorosas críticas e inestimáveis contribuições;
ao Guilherme e Rafael, pela ajuda e por permitirem que eu utilizasse dos produtos de seus esforços na composição do meu trabalho;
à Companhia Energética de Minas Gerais e à Agência Nacional de Energia Elétrica, por fomentar esta pesquisa;
e, finalmente, à equipe do Labterm, Flávio, Selson, Léo, Bruno, Túlio, Vitor, Wagner e a todos os demais que desempenham um trabalho diferenciado em nossos projetos e que, de alguma forma, também participaram deste resultado.
SUMÁRIO
1.1 Objetivo Geral
1.2 Objetivos Específicos
2 SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA
2.1 A Energia Elétrica
2.2 SEP: O Sistema Elétrico de Potência
3.1 Gestão da Manutenção
3.2 A PAS-55: Especificação para Gestão de Ativos
3.3 Tomada de Decisão
3.4 Gestão de Ativos em Utilities
3.5 Monitoramento de Ativos
4.1 Conceitos Básicos sobre Regulação Econômica
4.1.1 Monopólio e Competição
4.1.2 Regulação de Serviços Públicos
4.2 Nova Regulamentação do Setor de Distribuição
4.2.1 Composição da Receita Requerida
4.2.2 Perdas de Energia
4.2.3 Sobrecontratação ou Subcontratação de Energia
4.2.4 Mecanismos de Atualização das Tarifas
5 CONDUTORES E CONECTORES ELÉTRICOS
5.1 Condutores Elétricos
5.1.1 Tipos de Cabos Usados no SEP
5.1.2 Forças Aplicadas aos Condutores
5.1.3 Processo de Falha em Condutores
5.2 Teoria do Contato Elétrico
5.3 Conectores Elétricos
5.3.1 Tipos de Conexões no SEP
5.3.2 Mecanismos de Falha em Conectores
5.3.3 Reparo em Conectores
6 TERMOGRAFIA E INCERTEZA DE MEDIÇÃO
6.1 Termografia
6.2 Temperatura
6.2.1 Temperatura como Resultado de um Balanço de Energia
6.2.2 Modelo de Medição de Temperatura com Termovisor
6.3 Metrologia e Incerteza de Medição
6.3.1 O Paradoxo da Medição
6.3.2 Erro e Incerteza de Medição
6.3.3 Fontes de Erro em Termografia
6.3.4 Incerteza e Custos da Qualidade
8.1 Avaliação dos Termogramas
8.2 Temperaturas e Incertezas
8.3 Resistências de Contato
8.4 Aplicação do Histórico de Carregamento Elétrico
8.5 Cálculo das Perdas de Energia
8.6 Temperaturas Atingidas e Degradação (Condutores)
8.7 Cálculo das Forças Aplicadas
8.8 Levantamento do Risco Técnico
8.9 Levantamento do Risco Econômico
A Relatório de Inspeção Termográfica
D Nomenclatura Utilizada nas Subestações da CEMIG
E Perfil Esquemático de uma Subestação
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Fluxo de Energia nas Subdivisões do Sistema Elétrico
Figura 2.2 - Perfil de uma Subestação
Figura 4.1 - Cronologia de Atualização das Tarifas
Figura 5.1 - Conformação de Condutores
Figura 5.2 - Efeito da Constrição da Corrente
Figura 5.3 - Área de contato em metais
Figura 5.4 - Tipos de Conectores Elétricos
Figura 5.5 - Esquema de Difusão do Óxido entre dois Metais
Figura 6.1 - Modelo de Medição do Termovisor
Figura 6.2 - Custos da Qualidade
Figura 7.1 - Mapa descritivo da Metodologia empregada
Figura 7.2 - Estimativa da curva de vida técnica de um condutor de Linha de Transmissão
Figura 8.1 - Termogramas retirados dos relatórios de inspeção analisados 1
Figura 8.2 - Termogramas retirados dos relatórios de inspeção analisados 2
Figura 8.3 - Temperaturas dos conectores, recalculadas pelo modelo de Teixeira, comparadas às obtidas pela inspeção
Figura 8.4 - Contribuição de cada componente de incerteza para a incerteza total das temperaturas medidas 1
Figura 8.5 - Contribuição de cada componente de incerteza para a incerteza total das temperaturas medidas 2
Figura 8.6 - Contribuição de cada componente de incerteza para a incerteza total das temperaturas medidas 3
Figura 8.7 - Resistências Elétricas de Contato calculadas pelo modelo de Ferreira
Figura 8.8 - Correntes de Carga Históricas em cada circuito da Subestação - 1
Figura 8.9 - Correntes de Carga Históricas em cada circuito da Subestação - 2
Figura 8.10 - Perdas anuais de energia em cada Conector
Figura 8.11 - Histogramas de Temperatura para cada Conector - 1
Figura 8.12 - Histogramas de Temperatura para cada Conector - 2
Figura 8.13 - Vida Residual, em função da redução de Resistência Mecânica à Tração do Condutor
Figura 8.14 - Estimativa da evolução da perda de vida dos conectores, submetidos a aumento de carregamento
Figura 8.15 - Faixas Críticas de vida de um cabo condutor aplicado em subestações
Figura 8.16 - Estimativa da evolução da perda de vida dos conectores, submetidos a aumento de carregamento, considerando as faixas definidas
Figura A.1 - Relatório de Inspeção Termográfica
Figura B.1 - Interface do sofware IMT
Figura C.1 - Esquematização da ocorrência dos leilões
Figura D.1 - Diagrama Unifilar de uma Subestação
Figura E.1 - Perfil detalhado de uma Subestação
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Classificação do Sistema Elétrico quanto aos Níveis de Tensão
Tabela 3.1 - As diferentes categorias de Ativos
Tabela 4.1 - Composição da Receita Requerida de uma Distribuidora
Tabela 5.1 - Dados técnicos de alguns condutores SAC
Tabela 5.2 - Alguns dados técnicos dos conectores avaliados
Tabela 7.1 - Histórico de Temperaturas Ambiente
Tabela 7.2 - Custos médios por intervenção (OM) para correção de anomalias térmicas em SEs
Tabela 8.1 - Dados dos Relatórios de Inspeção Selecionados
Tabela 8.2 - Dados dos Termogramas o Selecionados
Tabela 8.3 - Temperaturas e Incertezas dos Termogramas o Selecionados
Tabela 8.4 - Forças de Curto-Circuito Calculadas
Tabela 8.5 - Forças Resultantes
Tabela 8.6 - Tempo para RM R = F R
Tabela 8.7 - Classificação das Grandezas em Faixas (Alarme)
Tabela 8.8 - Classificação quanto à Probabilidade de Perda da Função Principal
Tabela 8.9 - Tempo para RM R reduzir à 20%
Tabela 8.10 - Cálculo das parcelas referentes ao Impacto Financeiro de uma falha, em [R$]
Tabela 8.11 - Exposição Financeira, calculada para cada Ponto Operativo em estudo
Tabela D.1 - Letras indicativas da tensão de operação nas subestações da CEMIG
Tabela D.2 - Números de Função para cada componente de manobra da SE
LISTA DE SIGLAS
ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica
BETD - Subestação Betim 2
BH - Belo Horizonte
BHAD - Subestação BH-Adelaide
BHAT - Subestação BH-Atalaia
BHBN - Subestação BH-Bonsucesso
BHGT - Subestação BH-Gutierrez
BHMR - Subestação BH-Maracanã
BHPM - Subestação BH-Pampulha
CEMIG - Companhia Energética de Minas Gerais
CEMIG-D - CEMIG Distribuição S.A.
CEMIG-GT - CEMIG Geração e Transmissão S.A.
CEMT - Subestação Contagem 3
CINC - Subestação Cinco
CMMS - Computerized Maintenance Management System, Sistema Computadorizado de Controle da Manutenção
DEC - Duração Equivalente de interrupção por Consumidor
FEC - Frequência Equivalente de interrupção por Consumidor
FRP - Fiber Reinforced Polymer, Polímero Reforçado por Fibras
GIS - Geographic Information System, Sistema de Informações Georreferenciadas
GUM - Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, Guia para Expressão da Incerteza de Medição
IAM - Institute of Asset Management, Instituto de Gestão de Ativos
KPI - Key Performance Indicators, Indicadores-chave de Desempenho
MCM - Milhares de Circular Mils, ou kcmil. Um circular mil é a área de um círculo com diâmetro de 1/1000 de polegada. O MCM equivale à aprox. 0,5 mm2
MVA - Mega Volt-Ampère
NAMS - National Asset Management Strategy Comitee, Comitê Nacional de Estratégia de Gestão de Ativos
O&M - Operação e Manutenção
OM - Ordem de Manutenção
P&D - projeto de Pesquisa & Desenvolvimento
PAS55 - Publicly Avaliable Specification 55, Especificação Disponível ao Público 55
PLD - Preço de Liquidação das Diferenças
RMN - Resistência Mecância Nominal
RMR - Resistência Mecância Residual
RPI - Retail Price Index, Índice de Preço ao Varejo
RR - Receita anual Requerida
SCADA - Supervisory Control And Data Aquisition, Sistema Supervisório para Controle e Aquisição de Dados
SE - Subestação de Energia
SEP - Sistema Elétrico de Potência
SIN - Sistema Interligado Nacional
SMC - Simulações de Monte Carlo
TC - Transformador de Corrente
TP - Transformador de Potencial
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