UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
CAMPUS CURITIBA
GERÊNCIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E
INFORMÁTICA INDUSTRIAL - CPGEI
SEBASTIÃO RIBEIRO JÚNIOR
ANÁLISE DA RUPTURA DIELÉTRICA EM
MATERIAIS ISOLANTES ELÉTRICOS DE CABOS
ISOLADOS XLPE E EPR POR TOMOGRAFIA 2D E 3D
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
CURITIBA
MARÇO - 2008.
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
DISSERTAÇÃO
apresentada à UTFPR
para obtenção do título de
MESTRE EM CIÊNCIAS
por
SEBASTIÃO RIBEIRO JÚNIOR
ANÁLISE DA RUPTURA DIELÉTRICA EM MATERIAIS ISOLANTES
ELÉTRICOS DE CABOS ISOLADOS XLPE E EPR POR
TOMOGRAFIA 2D E 3D
Banca Examinadora:
Presidente e Orientador:
Prof. Dr. SERGEI ANATOLYEVICH PASCHUK
UTFPR
Co-orientador:
Prof. Dr. VITOLDO SWINKA FILHO
UFPR
Examinadores:
Prof. Dr. IVAN EVSEEV
IP/UERJ
Prof. Dr. RICARDO TADEU LOPES
Curitiba, março de 2008
UFRJ
SEBASTIÃO RIBEIRO JÚNIOR
ANÁLISE DA RUPTURA DIELÉTRICA EM MATERIAIS ISOLANTES
ELÉTRICOS DE CABOS ISOLADOS XLPE E EPR POR TOMOGRAFIA 2D E 3D
Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação em Engenharia Elétrica e Informática
Industrial da Universidade Tecnológica Federal do
Paraná, como requisito parcial para a obtenção do
grau de “Mestre em Ciências” – Área de
Concentração: Engenharia Biomédica.
Orientador: Prof. Dr. Sergei Anatolyevich Paschuk
Co-Orientador: Prof. Dr. Vitoldo Swinka Filho
Curitiba
2008
Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca da UTFPR – Campus Curitiba
R484a Ribeiro Junior, Sebastião
Análise da ruptura dielétrica em materiais isolantes elétricos de cabos isolados XLPE
e EPR por tomografia 2D e 3D / Sebastião Ribeiro Junior. Curitiba. UTFPR, 2008
XXI, 176 p. : il. ; 30 cm
Orientador: Prof. Dr. Sergei Anatolyevich Paschuk
Co-orientador: Prof. Dr. Vitoldo Swinka Filho
Dissertação (Mestrado) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curso de PósGraduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial. Curitiba, 2008
Bibliografia: p. 171 – 176
1.
Engenharia biomédica. 2. Tomografia. 3. Processamento gráfico de imagens.
I. Paschuk, Sergei Anatolyevich, orient. II. Swinka Filho, Vitoldo, Co-orient. III. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial. IV. Título.
CDD: 610.28
ii
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus, por ter me dado sabedoria, inteligência e força para executar este
trabalho.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Sergei Anatolyevich Paschuk, pelo apoio, dedicação e
pelos esclarecimentos dos conhecimentos que foram empregados neste trabalho.
Ao meu co-orientador, Prof. Dr. Vitoldo Swinka Filho, pelo apoio, incentivo,
sugestões, discussões e críticas durante todo o desenvolvimento deste trabalho.
Ao Prof. Dr. Hugo Reuters Schelin, pela ajuda constante, pelo conhecimento
ministrado, pelas sugestões, discussões no desenvolvimento e na elaboração deste trabalho.
Ao Prof. Msc. Fernando Piazza, pelo apoio e conhecimentos ministrados.
Aos meus pais, Sebastião Ribeiro e Mônica Zímmermann Ribeiro e familiares, Aline,
Carlos, Shirlei, Deivid, Sheila, Fabio e Marlene por estarem me apoiando nesta grande etapa
da minha vida.
Aos técnicos, bolsistas, mestres e doutores que se dedicaram, oferecendo seus
conhecimentos em prol do trabalho. Dentre eles: Tecg. Tatiana Federighi Baisi Chagas, Dr.
Paulo César Inone, Dr. Guilherme Cunha da Silva, Dra. Marilda Munaro, Dr. Ricardo José
Ferracin, Dr. Jose Manoel Marconcini, Msc Marina Mieko Nishidate Kumode, Msc. Nilton
Sergio Ramos Quoirin, Msc. Andréas Hauer Piekarz, Msc. Edney Milhoretto e Msc. Walmor
Cardoso Godoi.
Ao LACTEC – Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento, em particular ao
Departamento de Tecnologia em Materiais por disponibilizar os recursos materiais e humanos
para o desenvolvimento deste trabalho.
A UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, em especial ao CPGEI Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial por ter me
admitido no programa de pós-graduação.
E a todos aqueles que de alguma forma colaboraram para a execução deste projeto.
iii
iv
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................. ix
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS............................................................................ xvii
RESUMO ................................................................................................................................ xix
ABSTRACT ............................................................................................................................ xxi
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 23
1.1. MOTIVAÇÕES............................................................................................................ 23
1.2. OBJETIVOS................................................................................................................. 24
1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO .......................................................................... 24
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA....................................................................................... 25
2.1. CABOS ISOLADOS .................................................................................................... 25
2.1.1. Muflas terminais primárias...................................................................................... 27
2.1.2. Polietileno entrecruzado - XLPE............................................................................. 28
2.1.3. Elastômero de etilenopropileno - EPR .................................................................... 29
2.1.4. Mecanismos de envelhecimento e degradação de materiais poliméricos utilizados
em cabos isolados .............................................................................................................. 29
2.1.4.1. Arborescência em água ..................................................................................... 30
2.1.4.2. Arborescência elétrica ....................................................................................... 31
2.1.5. Descargas parciais ................................................................................................... 32
2.1.6. Princípios de detecção de descargas parciais .......................................................... 34
2.1.6.1. Detecção de descargas parciais por métodos elétricos...................................... 34
2.1.7. Condições para ocorrência de descargas parciais internas ...................................... 36
2.1.7.1. Influência do campo elétrico local .................................................................... 36
2.1.7.2. Geração de elétrons iniciais............................................................................... 38
2.1.8. Ruptura dielétrica em materiais poliméricos ........................................................... 39
2.2. PROCESSAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS (PID) .......................................... 41
2.2.1. Imagem digital......................................................................................................... 42
2.2.2. Pré-processamento de imagens digitais................................................................... 43
2.2.2.1. Transformação da escala de níveis de cinza...................................................... 43
2.2.2.2. Equalização de histograma................................................................................ 44
2.2.2.3. Técnicas de processamento de imagens no domínio espacial........................... 44
2.2.2.4. Técnicas de processamento de imagens no domínio da freqüência .................. 45
2.2.3. Segmentação de imagens......................................................................................... 46
2.2.3.1. Detecção de bordas............................................................................................ 46
2.2.3.2. Limiarização (Threshold).................................................................................. 48
2.2.3.3. Limiarização local adaptativa............................................................................ 48
2.2.3.4. Morfologia matemática ..................................................................................... 48
2.2.3.5. Extração de características ................................................................................ 49
2.2.4. Visualização volumétrica ........................................................................................ 49
2.2.5. Algoritmos de renderização volumétrica................................................................. 52
2.2.5.1. Ray Tracing ....................................................................................................... 52
2.2.6. Algoritmos de renderização de superfície ............................................................... 53
v
2.2.6.1. Marching cubes ................................................................................................. 53
2.2.7. Biblioteca de visualização gráfica VTK (Visualization Toolkit)............................. 55
2.3. TOMOGRAFIA DE RAIOS X ................................................................................... 56
2.3.1. Projeções de feixe em leque e cone ......................................................................... 59
2.3.2. Reconstrução tomográfica por retroprojeção simples ............................................. 62
2.3.3. Reconstrução tomográfica por retroprojeção filtrada.............................................. 63
3. METODOLOGIA ................................................................................................................ 67
3.1. DESENVOLVIMENTO DO ENSAIO DE RUPTURA DIELÉTRICA POR
TENSÃO APLICADA PONTUAL COM ANÁLISE DE DESCARGAS PARCIAIS . 67
3.1.1. Circuito de ruptura dielétrica................................................................................... 67
3.1.2. Circuito da impedância de medição e amplificação de sinal................................... 69
3.1.3. Circuito retificador e detector de zero ..................................................................... 71
3.1.4. Análise e geração das distribuições estatísticas das descargas parciais .................. 74
3.1.5. Calibração do analisador de descargas parciais....................................................... 75
3.1.6. Preparação dos corpos-de-prova para o ensaio de ruptura dielétrica por tensão
aplicada pontual ................................................................................................................. 79
3.2. DESENVOLVIMENTO DA ANÁLISE DO CAMINHO DE RUPTURA
DIELÉTRICA POR TOMOGRAFIA 2D E 3D............................................................... 80
3.2.1 Sistema de radiografia digital portátil RDP.............................................................. 81
3.2.2 Sistema de radiografia por câmera fotográfica......................................................... 83
3.2.2.1. Caixa de proteção dos feixes de raios X ........................................................... 86
3.2.2.2. Ecran.................................................................................................................. 87
3.2.2.3. Espelho refletor ................................................................................................. 88
3.2.2.4. Câmera fotográfica digital................................................................................. 90
3.2.2.5. Controle da câmera fotográfica ......................................................................... 91
3.2.3 Software de reconstrução de imagens tomográficas 2D e 3D .................................. 92
3.2.3.1. Aquisição de fatias ............................................................................................ 93
3.2.3.2. Reconstrução tomográfica 2D........................................................................... 94
3.2.3.3. Análise tomográfica 2D e 3D............................................................................ 97
4. RESULTADOS.................................................................................................................. 109
4.1. ANÁLISE DO ENSAIO DE RUPTURA DIELÉTRICA POR TENSÃO
APLICADA PONTUAL COM ANÁLISE DE DESCARGAS PARCIAIS................. 109
4.2. ANÁLISE DO CAMINHO DE RUPTURA DIELÉTRICA POR TOMOGRAFIA
2D E 3D .............................................................................................................................. 114
4.2.1 Visualização da ruptura por radiografia digital ...................................................... 114
4.2.2 Número de projeções para reconstrução tomográfica ............................................ 115
4.2.3 Filtros e ajustes do senograma................................................................................ 116
4.2.4 Reconstrução tomográfica 2D utilizando o sistema de radiografia por câmera
fotográfica........................................................................................................................ 121
4.2.5 Reconstrução tomográfica 2D utilizando o sistema de radiografia digital portátil
RDP. ................................................................................................................................ 140
4.2.6 Segmentação das reconstruções tomográficas 2D.................................................. 149
4.2.7 Reconstrução tomográfica 3D. ............................................................................... 152
5. DISCUSSÃO E CONCLUSÕES....................................................................................... 163
5.1 ANÁLISE DOS RESULTADOS ............................................................................... 163
5.2 CONCLUSÕES ........................................................................................................... 165
vi
5.3 TRABALHOS FUTUROS ......................................................................................... 165
ANEXO A .............................................................................................................................. 167
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 171
vii
viii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Componentes do sistema isolante de cabos isolados............................................... 26
Figura 2: Linhas de campo no cabo sem semicondutora e com semicondutora (MAMEDE
FILHO, 1994)........................................................................................................................... 27
Figura 3: Linhas de campo elétrico no cabo secionado (MAMEDE FILHO, 1994). ............. 27
Figura 4: Arborescências de cabo isolado XLPE envelhecidos em capo: a) Arborescência em
água, b) Arborescência elétrica. ............................................................................................... 30
Figura 5: Arborescências em água de cabo isolado XLPE envelhecidos em campo.............. 31
Figura 6: Arborescências elétrica de cabo isolado XLPE envelhecido em campo................. 32
Figura 7: Trilhamento elétrico em cabo isolado XLPE. ......................................................... 33
Figura 8: Representação de um eletrodo metálico com ponta aguda gerando descarga corona.
.................................................................................................................................................. 33
Figura 9: Modelo do circuito de detecção de impulsos elétricos............................................ 35
Figura 10: Descargas parciais em uma cavidade visualizadas em osciloscópio de base elíptica
(TEIXEIRA, 1984)................................................................................................................... 36
Figura 11: Evolução da rigidez dielétrica no ar em função da pressão (PICOT, 2003). ........ 37
Figura 12: Relação entre o campo elétrico local e o campo elétrico médio no interior do
material dielétrico para um vazio plano e um esférico (SWINKA, 2000). .............................. 37
Figura 13: Linhas de campo nas superfícies equipotenciais (MAMEDE FILHO, 1994)....... 39
Figura 14: Processos de ruptura dielétrica com variação de campo elétrico e o tempo de
operação (DISSADO e FOTHERGILL, 1992). ....................................................................... 40
Figura 15: Valores do ensaio de ruptura dielétrica por tensão aplicada em degraus
escalonados (UCHIDA, KATO et al, 2001). ........................................................................... 41
Figura 16: Tipos de elemento de dado volume (TAKEDA, 2003)......................................... 43
Figura 17: Exemplos de filtros no domínio espacial: a) Filtro Passa-Baixa; (B) Filtro PassaAlta. .......................................................................................................................................... 45
Figura 18: Senograma de uma tomografia 2D por raios X: a) original b) Filtro Hamming. .. 46
Figura 19: Mascara Prewitt..................................................................................................... 46
Figura 20: Mascara Sobel........................................................................................................ 47
Figura 21: Mascara Kirsch...................................................................................................... 47
Figura 22: Mascara Robson. ................................................................................................... 47
Figura 23: Exemplos de elementos extruturantes. .................................................................. 49
Figura 24: Funcionamento dos algoritmos de renderização volumétrica, a) Espaço da
imagem; b) Espaço do objeto (SCHROEDER, MARTIN, e LORENSEN, 2004). ................. 52
Figura 25: Cubo lógico utilizado pelo algoritmo Marching Cubes (LORENSEN e CLINE,
1987)......................................................................................................................................... 54
Figura 26: Casos de intersecção do algoritmo Marching Cubes (LORENSEN e CLINE,
1987)......................................................................................................................................... 55
Figura 27: Atenuação do feixe de raios X em um objeto. ...................................................... 57
Figura 28: Atenuação da radiação em relação à espessura de um objeto analisada na equação
(9) e (10)................................................................................................................................... 58
Figura 29: Sistema de aquisição de uma imagem de raios X P (r). ...................................... 59
Figura 30: Sistema de detecção de feixe em leque de rotação: a) com fonte e detectores
moveis b) com a mesa rotatória (SOARES e LOPES, 2000)................................................... 60
Figura 31: Sistema de detecção de feixe em leque de rotação com detectores moveis
(SOARES e LOPES, 2000)...................................................................................................... 60
ix
Figura 32: Reconstrução tomográfica por raios X de uma amostra (phantom) de acrílico: a)
Ajuste do feixe em leque; (B) Sem ajuste do feixe em leque (PIEKARZ, 2006). ................... 61
Figura 33: Sistema de detecção em paralelo de rotação-translação simples (SOARES e
LOPES, 2000). ......................................................................................................................... 62
Figura 34: Reconstrução tomográfica do corpo-de-prova do cabo EPR com quantidades
diferentes de projeções: a) 1 projeção; b) 3 projeções; c) 6 projeções; d) 180 projeções. ....... 62
Figura 35: Exemplos de filtros no domínio espacial: a) Filtro Passa-Baixa; b) Filtro PassaAlta. .......................................................................................................................................... 63
Figura 36: Sistema de detecção em paralelo de rotação-translação simples. ......................... 64
Figura 37: Característica do filtro Ram-Lak (KAK e SLANEY, 1988).................................. 64
Figura 38: Característica do filtro Sheep-Logan (HERMAN, 1980). ..................................... 65
Figura 39: Característica do filtro Hanning (OLESKOVICZ, 2006). .................................... 66
Figura 40: Característica do filtro Hamming (HERMAN, 1980). .......................................... 66
Figura 41: Montagem do corpo de prova do ensaio de ruptura dielétrica pontual. ................ 68
Figura 42: Representação esquemática do circuito de ruptura no gabinete de proteção
blindado.................................................................................................................................... 68
Figura 43: Diagrama esquemático do circuito de ruptura dielétrica pontual.......................... 69
Figura 44: Diagrama esquemático do circuito de impedância de medição. ........................... 69
Figura 45: Diagrama esquemático do circuito da impedância de medição. ........................... 70
Figura 46: Pulso de corrente de descarga parcial detectado por osciloscópio em escala de
tensão por tempo: a) Sinal de 100 pC no primário do TP3, b) Sinal de 100 pC amortecido no
secundário do TP3.................................................................................................................... 71
Figura 47: Pulso de corrente de descarga parcial detectado por osciloscópio em escala de
tensão por tempo de 100 pC filtrado e amplificado. ................................................................ 71
Figura 48: Diagrama de adequação e armazenamento dos pulsos de descarga parcial da placa
de aquisição de dados............................................................................................................... 72
Figura 49: Sinal na saída do retificador de precisão de onda completa detectado por
osciloscópio em escala de tensão por tempo. ........................................................................... 72
Figura 50: Sinal na saída do filtro suavizador de 100 pC detectado por osciloscópio em escala
de tensão por tempo.................................................................................................................. 73
Figura 51: Formas de onda no circuito detector de zero detectado por osciloscópio: a) sinal
de referência na entrada, b) sinal nível TTL a ser lido pela placa de aquisição de dados
(SWINKA, 2000). .................................................................................................................... 73
Figura 52: Montagem da placa de aquisição de dados no microcomputador: a) montagem da
placa de aquisição de dados do microcomputador, b) microcomputador. ............................... 74
Figura 53: Interface do software Registrador de Sinais de DP. ............................................. 74
Figura 54: Interface do software Análise de Descargas Parciais........................................... 75
Figura 55: Descargas parciais de 50 pC, com 4.000 picos do gerador de descargas parciais
Enraf, detectados em 1.000 ciclos de 60 Hz pelo software Análise de Descargas Parciais. .. 76
Figura 56: Descargas parciais de 50 pC, com 846 picos do gerador de descargas parciais
Soken, detectados em 1.000 ciclos de 60 Hz pelo software Análise de Descargas Parciais. . 76
Figura 57: Circuito para calibração dos pulsos de descargas parciais. ................................... 77
Figura 58: Descargas Parciais de 5 pC do gerador de descargas parciais Enraf, detectados em
1.000 ciclos de 60 Hz pelo software Análise de Descargas Parciais no ganho 1. .................. 77
Figura 59: Descargas Parciais de 50 pC do gerador de descargas parciais Enraf, detectados
em 1.000 ciclos de 60 Hz pelo software Análise de Descargas Parciais no ganho 1. ............ 77
Figura 60: Descargas Parciais de 500 pC do gerador de descargas parciais Enraf, detectados
em 1.000 ciclos de 60 Hz pelo software Análise de Descargas Parciais no ganho 2. ............ 78
Figura 61: Descargas Parciais de 5.000 pC do gerador de descargas parciais Enraf, detectados
em 1.000 ciclos de 60 Hz pelo software Análise de Descargas Parciais no ganho 3. ............ 78
x
Figura 62: Descargas Parciais de 10.000 pC do gerador de descargas parciais Soken,
detectados em 1.000 ciclos de 60 Hz pelo software Análise de Descargas Parciais no ganho
4................................................................................................................................................ 78
Figura 63: Preparação do corpo-de-prova para o ensaio de ruptura dielétrica pontual. ......... 79
Figura 64: Preparação do corpo-de-prova para a análise tomográfica: a) corpo-de-prova após
ruptura dielétrica pontual, b) corpo-de-prova preparado para análise tomográfica. ................ 80
Figura 65: Preparação do corpo-de-prova para a análise tomográfica do furo da ruptura
dielétrica: a) corpo-de-prova EPR, b) corpo-de-prova XLPE.................................................. 80
Figura 66: Gerador de raios X fabricante KVEX X-Ray Inc.................................................. 81
Figura 67: Painel de controle do gerador de raios X RDP fabricante LACTEC. ................... 82
Figura 68: Mesa giratória utilizada no sistema RDP. ............................................................. 82
Figura 69: Detector de raios X fabricante HAMMATSU. ....................................................... 83
Figura 70: Diagrama de controle de aquisição das projeções do sistema RDP. ..................... 83
Figura 71: Diagrama de controle de aquisição das projeções do sistema RDP. ..................... 84
Figura 72: Software desenvolvido de controle da aquisição das projeções. ........................... 85
Figura 73: Diagrama do software de controle da aquisição das projeções. ............................ 85
Figura 74: Caixa de proteção dos feixes de raios X................................................................ 86
Figura 75: Detalhes da caixa de proteção dos feixes de raios X............................................. 87
Figura 76: Projeções de objetos metálicos: a) utilizando Ecran de média velocidade (90 kV 5
mA), b) utilizando Ecran de velocidade Lenta (80 kV 6 mA). ................................................ 88
Figura 77: Detalhes da caixa de proteção dos feixes de raios X, a) Visão frontal interna, b)
Visão superior interna. ............................................................................................................. 88
Figura 78: Suporte para o espelho refletor. ............................................................................. 89
Figura 79: Alteração da projeção de raios X. ......................................................................... 89
Figura 80: Espelho refletor. .................................................................................................... 90
Figura 81: Câmera fotográfica utilizada na captura das projeções de raios X........................ 90
Figura 82: Lembre macro para a câmera fotográfica.............................................................. 91
Figura 83: Circuito de controle via porta paralela da câmera digital...................................... 91
Figura 84: Circuito esquemático de controle da câmera fotográfica digital. .......................... 92
Figura 85: Logotipo de abertura do software CT 1.1.............................................................. 92
Figura 86: Diagrama da etapa de aquisição das fatias. ........................................................... 94
Figura 87: Imagem da aba Reconstrução tomográfica 2D...................................................... 95
Figura 88: Salvar ajustes......................................................................................................... 96
Figura 89: Diagrama da etapa de reconstrução tomográfica 2D............................................. 97
Figura 90: Imagem da aba Análise de tomográfica 2D e 3D.................................................. 97
Figura 91: Imagens tomográficas de um phantom digital, a) Tomografia com filtro Ram-Lak,
b) Tomografia com filtro Sheep-Logan, c) Tomografia com filtro Ram-Lak com elevação de
10 %, d) Tomografia com filtro Sheep-Logan com elevação de 10 %. ................................... 98
Figura 92: Método de visualização de planos de fatias. ....................................................... 100
Figura 93: Demonstração do método de visualização de planos de fatias............................ 101
Figura 94: Método de visualização do nível de cinza........................................................... 102
Figura 95: Demonstração da tomografia da ruptura dielétrica de um cabo XLPE pelo método
de visualização do nível de cinza, a) Tomografia com 1º de interação, b) Tomografia com
270º de interação. ................................................................................................................... 102
Figura 96: Método de visualização do nível de cinza........................................................... 103
Figura 97: Ajuste da opacidade e do nível de cinza para a visualização volumétrica. ......... 103
Figura 98: Imagem da aba de Edição de imagens................................................................. 104
Figura 99: Resultado da técnica de subtração da imagem escura, a) Imagem original, .b)
Histograma da imagem original, c) Imagem resultante, d) Histograma da imagem resultante.
................................................................................................................................................ 106
xi
Figura 100: Resultado da técnica de subtração da imagem branca: a) Imagem resultante, b)
Histograma da imagem resultante. ......................................................................................... 107
Figura 101: Resultado da técnica de correção do campo luminoso: a) Imagem resultante com
coeficiente calculado, b) Histograma da imagem resultante com coeficiente calculado, c)
Imagem resultante com coeficiente definido, d) Histograma da imagem resultante com
coeficiente definido. ............................................................................................................... 108
Figura 102: Distribuição das ocorrências das descargas parciais pelo ângulo de fase no corpode-prova do cabo XLPE. ........................................................................................................ 109
Figura 103: Distribuição das ocorrências das descargas parciais pela carga no corpo-de-prova
do cabo XLPE. ....................................................................................................................... 110
Figura 104: Distribuição estatística das ocorrências pelo ângulo de fase e pelas descargas
parciais no corpo-de-prova do cabo XLPE, a) Leitura 5119, b) Leitura 18508, c) Leitura
140009, d) Leitura 340331, e) Leitura 579231. ..................................................................... 111
Figura 105: Distribuição das ocorrências das descargas parciais pelo ângulo de fase no corpode-prova do cabo EPR............................................................................................................ 112
Figura 106: Distribuição das ocorrências das descargas parciais pela carga no corpo-de-prova
do cabo EPR. .......................................................................................................................... 112
Figura 107: Distribuição estatística das ocorrências pelo ângulo de fase e pelas descargas
parciais no corpo-de-prova do cabo EPR, a) Leitura 17, b) Leitura 59121, c) Leitura 107702,
d) Leitura 152383, e) Leitura 177365. ................................................................................... 113
Figura 108: Radiografias da ruptura dielétrica do corpo-de-prova do cabo XLPE: a) Com
eletrodo, b) Sem eletrodo. ...................................................................................................... 114
Figura 109: Tomografias com filtro de freqüência Hamming do corpo-de-prova do cabo EPR
com diferentes ângulos: a) Com 45 projeções, b) Com 90 projeções, c) Com 180 projeções .
................................................................................................................................................ 115
Figura 110: Senograma com filtros no domínio espacial: a) Original e b) Filtro Mediana, c)
Filtro Passa-Alta, d) Filtro Passa-Baixa. ................................................................................ 116
Figura 111: Seqüência de filtros no domínio espacial no senograma: a) Original, b) Com
filtros da Mediana e Passa-baixa. ........................................................................................... 117
Figura 112: Ajustes no senograma: a) Com filtros espaciais, b) Com filtros e ajuste Estica
histograma, c) Com filtros e ajuste Contraste Local, d) Com filtros e ajuste de Estica
histograma e Contraste Local. ................................................................................................ 118
Figura 113: Senograma com filtro Ram-Lak: a) Original, b) Com filtro Ram-Lak. ............. 119
Figura 114: Senograma com filtro Sheep-Logan, (a) original, (b), (c) e (d) com filtro SheepLogan...................................................................................................................................... 119
Figura 115: Senograma com filtro Hanning, (a) original, (b) e (c)com filtro Hanning. ...... 120
Figura 116: Senograma com filtro Hamming, a) original, (b), e (c) com filtro Hamming. .. 120
Figura 117: Phantom utilizado para verificar o contraste ideal das projeções. .................... 121
Figura 118: Radiografias do Phantom para verificar o contraste ideal variando a energia: a)
Radiografia em 20 kV, b) Radiografia em 30 kV, c) Radiografia em 40 kV, d) Radiografia em
50 kV, e) Radiografia em 60 kV, f) Radiografia em 70 kV, g) Radiografia em 80 kV, h)
Radiografia em 90 kV, i) Radiografia em 100 kV, j) Radiografia em 110 kV. ..................... 121
Figura 119: Gráfico das radiografias com variação da energia. ........................................... 122
Figura 120: Gráfico das radiografias equalizadas com variação da energia......................... 123
Figura 121: Gráfico do ponto médio dos degraus das radiografias com variação da energia.
................................................................................................................................................ 123
Figura 122: Gráfico de comparação das radiografias com variação da tensão..................... 124
Figura 123: Radiografias do Phantom para verificar o contraste ideal variando a corrente: a)
Radiografia com 1 mA, b) Radiografia com 2 mA, c) Radiografia com 3 mA, d) Radiografia
com 4 mA, e) Radiografia com 5 mA, f) Radiografia com 6 mA.......................................... 125
xii
Figura 124: Gráfico das radiografias com variação da corrente. .......................................... 125
Figura 125: Gráfico das radiografias equalizadas com variação da corrente. ...................... 126
Figura 126: Gráfico do ponto médio dos degraus das radiografias com variação da corrente.
................................................................................................................................................ 126
Figura 127: Gráfico de comparação das radiografias com variação da corrente. ................. 127
Figura 128: Tomografias de 70 kV com filtro Ram-Lak do corpo-de-prova do cabo EPR: a)
Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma............................................ 128
Figura 129: Tomografias de 70 kV com filtro Sheep-Logan do corpo-de-prova do cabo EPR:
a) Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma........................................ 129
Figura 130: Tomografias de 70 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo EPR: a)
Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro. .......................................... 130
Figura 131: Tomografias de 70 kV com filtro Hamming do corpo-de-prova do cabo EPR: a)
Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro. .......................................... 131
Figura 132: Tomografias de 80 kV com filtro Ram-Lak do corpo-de-prova do cabo EPR: a)
Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma............................................ 132
Figura 133: Tomografias de 80 kV com filtro Sheep-Logan do corpo-de-prova do cabo EPR:
a) Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma........................................ 133
Figura 134: Tomografias de 80 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo EPR: a)
Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro. .......................................... 134
Figura 135: Tomografias de 80 kV com filtro Hamming do corpo-de-prova do cabo EPR: a)
Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro. .......................................... 135
Figura 136: Tomografias de 90 kV com filtro Ram-Lak do corpo-de-prova do cabo EPR: a)
Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma............................................ 136
Figura 137: Tomografias de 90 kV com filtro Sheep-Logan do corpo-de-prova do cabo EPR:
a) Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma........................................ 137
Figura 138: Tomografias de 90 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo EPR: a)
Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro. .......................................... 138
Figura 139: Tomografias de 90 kV com filtro Hamming do corpo-de-prova do cabo EPR: a)
Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro. .......................................... 139
Figura 140: Projeções do cabo XLPE e EPR em 60 kV e 100 100 µA: a) Sem correção, b)
Com correção. ........................................................................................................................ 141
Figura 141: Tomografias de 60 kV com filtro Ram-Lak do corpo-de-prova do cabo XLPE: a)
Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma............................................ 141
Figura 142: Tomografias de 60 kV com filtro Ram-Lak do corpo-de-prova do cabo EPR: a)
Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma............................................ 142
Figura 143: Tomografias de 60 kV com filtro Sheep-Logan do corpo-de-prova do cabo
XLPE: a) Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma............................ 143
Figura 144: Tomografias de 60 kV com filtro Sheep-Logan do corpo-de-prova do cabo EPR:
a) Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma........................................ 144
Figura 145: Tomografias de 60 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo XLPE: a)
Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro. .......................................... 145
Figura 146: Tomografias de 60 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo EPR: a)
Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro. .......................................... 146
Figura 147: Tomografias de 60 kV com filtro Hamming do corpo-de-prova do cabo XLPE: a)
Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro. .......................................... 147
Figura 148: Tomografias de 60 kV com filtro Hamming do corpo-de-prova do cabo EPR: a)
Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro. .......................................... 148
Figura 149: Tomografias de 60 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo EPR: a)
Imagem original, b) imagem limiarizada com barra e realização da morfologia de dilatação e
fechamento, c) Imagem da diferença da imagem (a) e (b), d) Histograma da limiarização. . 150
xiii
Figura 150: Tomografias de 60 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo EPR: a)
Imagem original, b) imagem com limiarização global e realização da morfologia de
fechamento, c) Imagem da diferença da imagem (a) e (b), d) Histograma da diferença da
imagem (a) e (b). .................................................................................................................... 150
Figura 151: Tomografias de 60 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo EPR: a)
Imagem original, b) imagem com limiarização vertical com 9 níveis de cinza, c) Histograma
da imagem (a) limiarizada...................................................................................................... 151
Figura 152: Tomografias de 60 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo EPR: a)
Imagem original, b) imagem com limiarização horizontal com 9 níveis de quantidade de tons
de cinza, c) Histograma da imagem (a) limiarizada............................................................... 151
Figura 153: Tomografias de 60 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo EPR com
detector de borda: a) Robson, b) Kirsch, c) Sobel. ................................................................. 152
Figura 154: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Hanning com fator k =
1,7 do corpo-de-prova do cabo EPR: a) Vista X, b) Vista Y, c) Vista Z. .............................. 153
Figura 155: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Hamming com fator k =
0,5010 e com ajustes do senograma do corpo-de-prova do cabo EPR: a) Vista X frontal, b)
Vista X posterior, c) Vista Z inferior e vista X posterior, d) Vista Z superior....................... 154
Figura 156: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Sheep-Logan e com
ajustes do senograma do corpo-de-prova do cabo EPR: a) Vista X frontal, b) Vista X
posterior, d) Vista Z inferior e vista X posterior , c) Vista Z Superior . ................................ 155
Figura 157: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Sheep-Logan e com
ajustes do senograma do corpo-de-prova do cabo EPR: a) Vista X frontal, b) Vista X
posterior, c) Vista Z inferior e vista Y lateral, d) Vista Z Superior. ...................................... 156
Figura 158: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Hamming com fator k =
0,4998 do corpo-de-prova do cabo EPR: a) Vista X frontal com 2 níveis de cinza, b) Vista Y
frontal com 2 níveis de cinza, c) Vista Y frontal e vista posterior X com 2 níveis de cinza, d)
Vista X frontal da ruptura dielétrica no isolante, e) Vista X frontal do caminho de ruptura
dielétrica na semicondutora f) Vista Z superior com 2 níveis de cinza. ................................ 157
Figura 159: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Hamming com fator k =
0,4998 do corpo-de-prova do cabo XLPE: a) Vista Y frontal do isolante, b) Vista X frontal do
isolante e semicondutora, c) Vista X posterior do isolante e semicondutora, d) Vista Z inferior
e vista X lateral, e) Vista Z Superior. ..................................................................................... 158
Figura 160: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Hanning com fator k =
1,7 do corpo-de-prova do cabo EPR: a) Vista X frontal do isolante, b) Vista X frontal do
isolante e semicondutora, c) Vista X frontal do isolante e semicondutora, d) Vista Z Superior.
................................................................................................................................................ 159
Figura 161: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Hanning com fator k =
1,7 do corpo-de-prova do cabo XLPE: a) Vista Y frontal do isolante, b) Vista X frontal do
isolante, c) Vista Z inferior e vista Y frontal, d) Vista Z Superior......................................... 160
Figura 162: Gráfico das radiografias equalizadas com variação da energia......................... 161
Figura 163: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Hanning com fator k =
1,7 do corpo-de-prova do cabo XLPE: a) Vista X frontal do isolante, b) Vista X posterior do
isolante, c) Vista Z inferior, d) Vista Z Superior. .................................................................. 161
Figura 164: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Hanning com fator k =
1,7 do corpo-de-prova do cabo EPR: a) Vista X posterior do isolante, b) Vista X frontal do
isolante, c) Vista Z inferior e vista X frontal, d) Vista Z Superior......................................... 162
Figura 165: Diagrama do software Registrador de Sinais de DP......................................... 167
Figura 166: Diagrama do software Análise de Descargas Parciais. .................................... 168
xiv
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Propriedades elétricas do polietileno e do EPR.................................................................................... 26
Tabela 2: Algoritmos de visualização volumétrica classificados de acordo com os métodos de visualização
volumétrica (OLIVEIRA, 2002). .......................................................................................................................... 51
xv
xvi
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
PID – Processamento de Imagens Digitais;
RDP – Sistema de Radiografia Digital portátil;
Pixel – Picture Element (Elemento de imagem);
Voxel – Volume de um Elemento;
BMP – Bitmap;
JPEG – Joint Photographic Experts Group;
DAT – Data file in special format or ASCII;
VTK – Visualization Toolkit;
RAM – Random Access Memory;
CT – Computerized Tomography;
FFT – Fast Fourier Transform;
IFFT – Inverse Fast Fourier Transformer;
AD – Analógico para digital;
TTL – Transistor -transistor Logic;
ISA – Industry Standard Architecture;
CCD – Charge Coupled Device;
LDPE – polietileno de baixa densidade;
HDPE – polietileno de alta densidade;
XLPE – polietileno entrecruzado;
WTR-XLPE – polietileno entrecruzado com retardante de arborescência;
PVC – poli cloreto de vinila;
HDPE – polietileno de alta densidade;
LDPE – polietileno de baixa densidade;
NBR – Norma Brasileira Registrada;
IEC – International Eletrotechnical Comission;
IEEE – Institute of Electrical and Electronic Engineers.
xvii
xviii
RESUMO
O propósito deste trabalho é avaliar as morfologias do caminho de ruptura dielétrica de cabos
isolados utilizando tomografia de raios X com reconstrução de imagens bidimensionais e
tridimensionais. Apesar de suas excelentes propriedades físicas e químicas, tem sido
observado que com o uso contínuo do cabo isolado em ambientes úmidos, podem ocorrer
degradações das propriedades isolantes do material polimérico, as quais podem levar à
prematura ruptura dielétrica, com isso, são realizados estudos para avaliação de tais cabos.
Amostras de cabos com isolamento em polietileno reticulado (XLPE) e borracha de propileno
etileno (EPR) envelhecidas em campo, foram submetidas a processos de ruptura. Para a
realização dos processos de ruptura foi desenvolvido um arranjo experimental para indução
em laboratório de caminhos de ruptura no isolamento de cabos isolados. A evolução do
processo de ruptura dielétrica foi acompanhada com um analisador de descargas parciais
desenvolvido para este trabalho. Após a ruptura das amostras as mesmas foram analisadas
utilizando tomografia de raios X. As imagens tomográficas em 2D e 3D permitem avaliar as
morfologias dos caminhos de ruptura formados.
xix
xx
ABSTRACT
The purpose of this work is to evaluate the dielectric breakdown of isolated cables using Xray tomography with bi-dimensional and three-dimensional images reconstruction. Despite
their excellent physical and chemical properties, it has been observed that continuous use of
isolated cables in humid environments may cause degradation of the insulating material
aforementioned, which may lead to the premature dielectric breakdown. Studies for
evaluation of such conditions are suggested. Isolated cables samples from long term operation
in field, using crosslinked polyethylene (XLPE) and ethylene propylene rubber (EPR), have
been taken and submitted to breakdown. An experimental laboratory set for voltage induction
was developed to cause the dielectric breakdown of the cables insulation. The dielectric
breakdown process was evaluated by a partial discharge analyzer. After the dielectric
breakdown was completed, the samples were evaluated by X ray tomography. The analysis of
the 2D and 3D images allows the evaluation of the dielectric breakdown morphology through
the insulation.
Keywords: tomography, X rays, isolated cables, XLPE and EPR.
xxi
23
CAPÍTULO 1
1. INTRODUÇÃO
1.1. MOTIVAÇÕES
Cabos isolados em XLPE (Crosslinked Polyethylene) e EPR (Ethylene Propylene
Rubber) têm sido extensivamente utilizados em redes subterrâneas de distribuição de energia
elétrica.
Apesar de suas excelentes propriedades físicas e químicas, observa-se que com o uso
continuado de cabos isolados em ambientes úmidos, podem ocorrer degradações das
propriedades isolantes do material polimérico, as quais podem levar à prematura ruptura
dielétrica de tais cabos. Tem sido sugerido que este tipo de envelhecimento é devido aos
mecanismos de migração da água contendo íons na presença de campos elétricos, envolvendo,
também, fenômeno de oxidação e quebra de cadeias (ORTON, 2005; MALIK, AL ARAINY, 1998; WOLTER, JONHSON, TANAKA, 1987; DENSLEY, BARTNIKAS,
BERNSTEIN, 1994; KATZ, WALKER, DYNDUL, 1990; KATZ, WALKER, DYNDUL,
1990).
A ocorrência e o crescimento de arborescência têm sido apontados como sendo o
principal fenômeno de envelhecimento em isolações sólidas dos cabos de distribuição de
energia elétrica. Desta forma, podem levar à falha de cabos isolados com conseqüente
interrupção de serviço (MALIK, AL - ARAINY, 1998; DAS-GUPTA, GERHARDMULTHAUPT, 1997).
Os cabos isolados em XLPE, EPR e acessórios da rede de distribuição subterrânea da
cidade de Curitiba-PR foram instalados a cerca de 30 anos e os trechos destes circuitos foram
submetidos a esforços diferenciados de carga e ambientais e, conseqüentemente, devem
apresentar envelhecimentos diferenciados.
Nos últimos anos, houve interrupções na distribuição devido à ruptura de alguns cabos
da rede subterrânea e com isso, foram realizadas diversas análises para verificar o estado de
degradação desses cabos.
24
1.2. OBJETIVOS
Os objetivos deste trabalho são aprimorar o ensaio de ruptura dielétrica em materiais
de cabos isolados elétricos, induzindo um caminho de ruptura dielétrica para avaliação de sua
morfologia.
Desenvolver um software capaz de avaliar o comportamento das descargas parciais até
a ruptura dielétrica do cabo isolado.
Desenvolver equipamentos para tomografia utilizando técnicas de visualização do
caminho de ruptura dielétrica por tomografias 2D e 3D.
Desenvolver software de reconstrução tomográfica 2D e 3D.
Definir procedimentos e algoritmos para a reconstrução tomográfica 2D e 3D do
caminho de ruptura dielétrica de cabos isolados.
Demonstrar a comparação dos resultados de reconstrução tomográfica pela variação
de métodos.
1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
Esta dissertação está organizada em cinco capítulos. No Capítulo 1 é realizada uma
breve introdução dos fatores que incentivaram a realização do trabalho e os objetivos
abordados para a resolução destes problemas. O Capítulo 2 apresenta a fundamentação teórica
sobre cabos isolados em XLPE e EPR e seus mecanismos de degradação, processamento de
imagens digitais e tomografia computadorizada. No Capítulo 3 é descrito o desenvolvimento
da metodologia proposta, tendo como análise o ensaio de ruptura dielétrica e a visualização da
ruptura dielétrica por tomografia 2D e 3D. No Capítulo 4 os resultados obtidos são mostrados.
Por fim, no Capítulo 5 são apresentadas a discussão dos resultados, a conclusão do trabalho e
as propostas de trabalhos futuros.
25
CAPÍTULO 2
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1. CABOS ISOLADOS
Uma rede de distribuição subterrânea é composta de cabos isolados, monofásicos ou
trifásicos, instalados em bancos de dutos ou diretamente enterrados no solo e não requer
nenhum tipo de sistema de suporte como ocorre com as redes aéreas (BOCUZZI e
MARTINS, 1997). Os cabos isolados utilizados nas primeiras redes subterrâneas utilizadas
para transporte de energia elétrica começaram a ser desenvolvidos no final do século XIX,
sendo a isolação destes cabos feita inicialmente com piche, desenvolvida por Thomas Edison
e, posteriormente, com fita de papel. Durante a terceira década do século XX a isolação em
papel foi melhorada, através da impregnação desta com óleo e iniciou-se também o
desenvolvimento de cabos extrudados a base de borracha natural vulcanizada. Nos anos 60
surgiram os primeiros cabos isolados com polietileno (BARTNIKAS e SRIVASTAVA, 2000;
TEIXEIRA, 2004).
Atualmente, a isolação primária dos cabos é composta por material dielétrico sólido
extrudado, podendo ser de polietileno entrecruzado XLPE (Crosslinked Polyethylene),
polietileno entrecruzado com retardante de arborescência WTR-XLPE (Water Tree Retardant
Crosslinked Polyethylene) ou elastômero de etileno propileno EPR (Ethylene Propylene
Rubber) (BARTNIKAS e SRIVASTAVA, 2000; ARRIGHI, 1986). Os cabos isolados
empregados nas redes subterrâneas de distribuição são caracterizados por quatro elementos
básicos: condutor metálico, sistema dielétrico, blindagem metálica e proteção externa. O
condutor, elemento de transporte de energia elétrica, pode ser único no caso de cabos singelos
(unipolares) e/ou múltiplo no caso de cabos multipolares. O sistema dielétrico é constituído
por semicondutora interna, isolação e semicondutora externa. A blindagem metálica serve
como condutor para o transporte das correntes de carga capacitiva e de curto-circuito do
sistema e a proteção externa serve como reforço mecânico e proteção contra penetração de
água e agentes externos (TEIXEIRA, 2004). Uma ilustração de cabo isolado é mostrado na
Figura 1.
26
Figura 1: Componentes do sistema isolante de cabos isolados.
Muitos são os benefícios trazidos pela instalação de redes de distribuição subterrânea,
entre os quais pode-se destacar a redução significativa das interrupções e conseqüentre
aumento da confiabilidade do sistema (BOCUZZI e MARTINS, 1997).
Alguns valores relativos às propriedades elétricas do polietileno e do EPR são listados
na Tabela 1 (BARTNIKAS e SRIVASTAVA, 2000; TEIXEIRA, 2004).
Tabela 1: Propriedades elétricas do polietileno e do EPR.
Propriedades
LDPE
HDPE
XLPE
EPR
Resistividade volumétrica ( .cm)
5x1017
5x1017
1016
1015 - 1017
50
40
75
100
65
60
CA
Rigidez dielétrica (kV/mm)
Impulso
Permissividade relativa (1 kHz)
2,3
2,35
2,3
3,2
Fator de dissipação (1 kHz)
2x10-4
2x10-4
3x10-4
7x10-3
Apesar das excelentes propriedades dos materiais poliméricos empregados como
dielétrico sólido em cabos de potência, tem sido mostrado que estes materiais podem
apresentar diversos mecanismos de envelhecimento quando submetidos a diferentes estresses,
os quais podem levar, em última instância, à ruptura do material (DISSADO e
FOTHERGILL, 1992).
27
2.1.1. Muflas terminais primárias
Um cabo isolado de média e alta tensão é composto geralmente de condutor,
isolamento, fitas semicondutoras e blindagem eletrostática metálica. Desta forma, se
estabelece no cabo isolado um campo elétrico conforme Figura 2 (MAMEDE FILHO, 1994).
Figura 2: Linhas de campo no cabo sem semicondutora e com semicondutora (MAMEDE
FILHO, 1994).
O condutor, a fita semicondutora e a blindagem são elementos condutores, enquanto a
isolação é o meio dielétrico do campo elétrico. A fita semicondutora possibilita o
estabelecimento de linhas eqüipotenciais no dielétrico conforme a Figura 2.
Ao realizar uma emenda em um cabo isolado as linhas de campo são encaminhadas
para a extremidade da blindagem, provocando uma intensidade de campo elétrico muito
elevada no corte da blindagem e da fita semicondutora, conforme a Figura 3, podendo
provocar situações como flash over, que é a ionização do ar, a ruptura do isolante ou a
circulação de correntes na superfície do isolante podendo provocar caminhos com forma
arborescente conhecido como tracking (MAMEDE FILHO, 1994).
Figura 3: Linhas de campo elétrico no cabo secionado (MAMEDE FILHO, 1994).
28
Quando o cabo se encontra na condição da Figura 3 é necessário reduzir o gradiente de
tensão provocado pelo campo elétrico, colocando uma maior isolação no corte da fita
semicondutora e da blindagem formando um cone de alivio de tensão elétrica que provoca
uma melhor distribuição das linhas de campo elétrico (MAMEDE FILHO, 1994).
Esse cone de alivio ou de deflexão, pode ser feito de várias maneiras utilizando meios
isolantes líquidos, gasosos ou polímeros com alto nível de isolamento.
2.1.2. Polietileno entrecruzado - XLPE
O polietileno é um polímero sintético membro de uma série de compostos químicos
chamados poliolefinas obtido a partir da reação de polimerização do monômero etileno
(C2H4). O processo de reticulação do polietileno consiste na formação de ligações químicas
entre as macromoléculas, resultando em um polímero com estrutura em rede (STENNIS e
KREUGER, 1990). Em cabos com isolação em XLPE, os processos utilizados são a cura a
vapor e a cura a seco utilizando peróxido de dicumila. A polimerização ocorre na presença de
catalisadores sob determinadas condições de temperatura e pressão (HALL, 1989; BARLOW,
1991). Dependendo das condições impostas no processo de polimerização é que se obterá o
polietileno de baixa densidade (LDPE), o polietileno de alta densidade (HDPE) ou o
polietileno entrecruzado XLPE. O XLPE possui excelentes propriedades químicas e físicas,
tais como inércia química, boas propriedades mecânicas e excelentes propriedades elétricas,
tais quais alta resistividade volumétrica, baixa permissividade, baixas perdas dielétricas e alta
rigidez dielétrica. Além disto, o XLPE possui excelente estabilidade a elevadas temperaturas.
Por possuir tais propriedades o XLPE é atualmente o tipo de polietileno mais utilizado para
aplicação como isolação em cabos de potência extrudados. Adicionalmente, a estrutura
reticulada do XLPE melhora sua capacidade de incorporar aditivos tais como: retardante de
chama, antioxidantes, carga mineral e negro de carbono, os quais são utilizados para melhorar
seu desempenho, mantendo a integridade de suas propriedades físicas. Esta característica
permite que mais potência possa ser transportada para a mesma seção do condutor do que o
cabo com isolação em polietileno (BARLOW, 1991; DISSADO e FOTHERGILL, 1992;
TEIXEIRA, 2004; HALL, 1989).
Apesar de suas excelentes propriedades físicas e químicas, tem sido mostrado que o
polietileno, de um modo geral, e o XLPE, em particular, podem apresentar diversos
29
mecanismos de envelhecimento quando submetidos a diferentes estresses, os quais podem
levar, em última instância, à ruptura do material (DISSADO, 1992). A partir de 1980, o
polietileno entrecruzado com retardante de arborescência TR-XLPE (“Additive” WTR-XLPE,
“Polymer” WTR-XLPE) vem sendo utilizado com o objetivo de minimizar a degradação
provocada pelo crescimento de arborescências em água (TEIXEIRA, 2004; HARTLEIN e
ORTON, 2006).
2.1.3. Elastômero de etilenopropileno - EPR
O elastômero de etileno propileno (EPR) é um polímero obtido da copolimerização do
etileno e propileno (EPM) ou de um terpolímero etileno-propileno-dieno-monômero (EPDM).
O termo “isolação de composto à base de EPR” se aplica bem neste caso, pois uma
formulação típica de EPR contém de sete a nove ingredientes, onde o EPM ou EPDM
constitui apenas 45% a 50% do peso total do composto, sendo a parte principal do composto
isolante onde determina a base física e as propriedades elétricas da isolação. O restante da
formulação consiste em carga mineral, antioxidante, agentes de vulcanização, co-agentes,
agentes de processo e agentes especiais que conferem características específicas aos
compostos melhorando as propriedades físicas (TEIXEIRA, 2004). O EPR, assim como o
XLPE, têm sido amplamente utilizados em cabos de potência devido às suas excelentes
propriedades elétricas (BARTNIKAS e SRIVASTAVA, 2000). Por ser um material resistente
ao fenômeno de arborescência em água (water treeing), o EPR tem grande aplicação em
cabos de média e alta tensão que tenham que operar em contato prolongado com a água
(TEIXEIRA, 2004).
2.1.4. Mecanismos de envelhecimento e degradação de materiais poliméricos utilizados em
cabos isolados
Envelhecimento pode ser definido como as mudanças irreversíveis e deletérias que
ocorrem nos materiais dielétricos com o passar do tempo, as quais afetam sua habilidade para
satisfazer o desempenho requerido. Estas mudanças podem afetar as propriedades elétricas,
dielétricas e físico-químicas destes materiais. Deste modo, o diagnóstico e a avaliação do
envelhecimento de materiais dielétricos podem ser realizados pela observação de
30
propriedades selecionadas, as quais seriam sensíveis ao envelhecimento (MONTANARI e
SIMONI, 1993).
Em condições reais de operação, a isolação pode estar sujeita a diversos tipos de
estresse, a saber, elétrico (tensão, freqüência de operação), térmico (temperatura de operação,
gradiente de temperatura), mecânico (vibração, torção) e ambiental (umidade, contaminação)
(CYGAN e LAGHARI, 1990; DENSLEY, BARTNIKAS e BERNSTEIN, 1994; GJAERDE,
1997). Estes estresses, agindo de forma individual ou combinada, podem levar ao
envelhecimento e degradação e, em última instância, à ruptura do sistema de isolação. Os
principais mecanismos de envelhecimento e degradação que ocorrem em cabos de potência
isolados são as arborescências em água (water trees) e as arborescências elétricas (electrical
trees), como mostra a Figura 4 (DISSADO e FOTHERGILL, 1992; PIAZZA, 2001;
MASHIKIAN, 2000).
a)
b)
Figura 4: Arborescências de cabo isolado XLPE envelhecidos em capo: a) Arborescência em
água, b) Arborescência elétrica.
2.1.4.1. Arborescência em água
Arborescências em água, como mostra a Figura 5, são regiões de micro - cavitações e
danos na forma de filamentos em polímeros, tais como XLPE, causados pela penetração de
água contendo íons sob a presença de um campo elétrico alternado. Seu crescimento é lento e
praticamente não apresentam descargas parciais. Com o seu crescimento é reduzida a rigidez
dielétrica do cabo isolado (DAS-GUPTA, 1997; MALIK, AL – ARAINY e QURESHI,
1998).
31
Figura 5: Arborescências em água de cabo isolado XLPE envelhecidos em campo.
O mecanismo de formação da arborescência em água não é bem conhecido, mas tem
sido sugerido que o seu início e crescimento são devidos aos mecanismos de ação de
capilaridade, osmose, forças coulombianas, dieletroforese, envelhecimento térmico, descargas
parciais, envelhecimento químico e solicitações mecânicas (DAS-GUPTA, 1997). Embora
não exista um consenso no meio técnico-científico, há um entendimento que a arborescência
em água consiste de um aglomerado de precipitados de água líquida dentro da matriz
polimérica formando os micro-canais, por ação de várias solicitações e da ação do tempo e
que modificam a permissividade relativa e a mobilidade dos transportadores de carga no local
(PATSCH, 1992). Geralmente conclui-se que uma arborescência em água pode transformarse em ou iniciar uma arborescência elétrica, ou atravessar toda extensão da isolação, e que
após a ocorrência de qualquer destes eventos a ruptura dielétrica é iminente (DISSADO, e
FOTHERGILL, 1992; PIAZZA, 2001; RUVULO FILHO, 1997).
2.1.4.2. Arborescência elétrica
Arborescências elétricas são canais vazios resultantes da decomposição do material
dielétrico por descargas parciais e são permanentemente visíveis como mostra a Figura 6
(MALIK, AL – ARAINY e QURESHI, 1998). Tem sido sugerido que descargas parciais
ocorrem devido a concentrações de solicitações referente ao campo elétrico na isolação ou de
superfícies ou cavidades levando à formação de arborescência elétrica. As concentrações de
solicitação elétrica podem ser causadas por protuberâncias na interface entre a blindagem
semicondutora e a isolação, causando a injeção de carga, embora o mecanismo exato seja
desconhecido (EICHHORN, 1983; PIAZZA, 2001).
32
Figura 6: Arborescências elétrica de cabo isolado XLPE envelhecido em campo.
Outro meio que propicia a geração das arborescências elétricas em isolamentos sólidos
são as cavidades no volume do material e nas interfaces com os eletrodos, preenchidos com
gás ou água. Nas cavidades preenchidas com gás ocorre o fenômeno de descarga parcial.
Estas cavidades podem ter sua origem na fabricação do cabo ou de terminações devido a
condensação da água, após o sistema ser submetido a altas temperaturas. A formação destas
cavidades também pode ser atribuída a recristalização secundária nas regiões amorfas durante
os ciclos térmicos e descolamento das impurezas da isolação (ROBERT, 1997; DENSLEY,
BARTNIKAS e BERNSTEIN,1994; PIAZZA, 2001).
2.1.5. Descargas parciais
A descarga parcial é uma descarga elétrica que ocorre em uma região do espaço sujeita
a um campo elétrico, cujo caminho condutor formado pela descarga não une os dois eletrodos
de forma completa (KREUGER, 1989). A ocorrência de uma descarga parcial depende da
existência de cargas livres (elétrons e ou ions positivos) numa determinada região do espaço e
um campo elétrico intenso o suficiente para acelerar as cargas livres com energia necessária
para iniciar um processo de avalanche. As descargas parciais podem ser classificadas como:
descarga parcial interna, descarga parcial superficial e descarga corona (SWINKA, 2000; IEC
270, 1881; SILVA, 2005).
As descargas parciais internas ocorrem no interior de vazios ou inclusões de material
dielétrico, onde um vazio está totalmente circundado pelo dielétrico ou na interface entre o
dielétrico e um eletrodo. A inclusão é formada por caminhos condutores como arborescência
elétrica como mostra a Figura 6, sendo canais preenchidos por materiais com propriedades
condutoras, em geral, carbono resultante das reações químicas das moléculas do polímero sob
ação das descargas e vazios preenchidos com gases também resultantes dessas reações.
Dentro desses vazios também ocorrem descargas parciais que aceleram o processo de
33
crescimento da arborescência levando o material à ruptura dielétrica (SWINKA, 2000;
SILVA, 2005).
Na descarga parcial superficial a descarga ocorre na superfície de um material
dielétrico, normalmente partindo de um eletrodo para a superfície. Quando o campo elétrico
paralelo à superfície excede certo valor crítico, inicia-se o processo de descarga superficial
(KREUGER, 1989). Assim como as descargas internas, as descargas superficiais ocasionam
alterações na superfície iniciando caminhos condutores que se propagam ao longo da direção
do campo elétrico. Estes caminhos condutores conhecidos como “trilhamento” como mostra a
Figura 7, também podem levar o isolamento à ruptura total (SWINKA, 2000; SILVA, 2005).
Figura 7: Trilhamento elétrico em cabo isolado XLPE.
No efeito corona as descargas parciais ocorrem no ar e partindo de pontas agudas
(partes com pequenos raios de curvatura) em eletrodos metálicos. Em eletrodos de alta-tensão
com pontas agudas, criam regiões nas vizinhanças do condutor com campo elétrico elevado, o
qual ultrapassa o valor crítico, dando origem a descargas parciais (KREUGER, 1989;
KUFFEL, 1990; SWINKA, 2000; SILVA, 2005). Quando a tensão aplicada é alternada com
forma senoidal, a descarga parcial corona pode ser facilmente identificada devido a sua
ocorrência inicial localizar-se no máximo do semi-ciclo negativo da tensão aplicada. Isto se
deve ao fato de que um eletrodo metálico disponibiliza elétrons no ar na região próxima do
eletrodo (nuvem eletrônica) como mostra a Figura 8 (SWINKA, 2000; SILVA, 2005).
Figura 8: Representação de um eletrodo metálico com ponta aguda gerando descarga corona.
34
2.1.6. Princípios de detecção de descargas parciais
Por dar origem a uma série de fenômenos físicos e químicos, as descargas parciais
podem ser detectadas utilizando alguns métodos apresentados a seguir:

Fenômenos Elétricos (perdas dielétricas e impulsos elétricos);

Radiação Eletromagnética;

Luz;

Calor;

Ruído Acústico;

Pressão de Gases;

Transformações Químicas.
Dentre os fenômenos citados, é utilizado com mais freqüência na detecção de
descargas parciais em cabos isolados o fenômeno elétrico, por sua maior sensibilidade, mas
em qualquer dos métodos de detecção é necessário determinar a ausência ou a presença de
descargas parciais, medindo a sua magnitude onde é necessário uma calibração do sistema de
medição, buscando a determinação do local físico de ocorrência das descargas parciais, o qual
pode ser utilizado o método de propagação de pulsos de descargas parciais e determinar o
perigo produzido pelas descargas parciais avaliando a vida útil em função das mesmas, sendo
que os métodos de avaliação da vida útil de cabos isolados é muito difícil (TEIXEIRA,
1984).
2.1.6.1. Detecção de descargas parciais por métodos elétricos
A detecção dos pulsos de descargas parciais através de métodos elétricos é muito
utilizada. Existe uma grande variedade de circuitos de detecção destas descargas. A
configuração destes circuitos deve favorecer a propagação do pulso e otimizar a sua detecção.
Estes circuitos são baseados em um modelo, que é mostrado Figura 9 (SWINKA, 2000;
TEIXEIRA, 1984).
35
Figura 9: Modelo do circuito de detecção de impulsos elétricos.
No circuito da Figura 9 é utilizado uma fonte de alta tensão alternada V fornecendo
alimentação para o circuito. Em geral as fontes de alimentação de alta tensão utilizam
transformadores elevadores de tensão e estes apresentam alta impedância para pulsos de alta
freqüência. Para que o pulso de corrente devido a descarga parcial possa se propagar e ser
detectado na impedância de medição Z, um capacitor de acoplamento K é colocado em
paralelo com a capacitância a da amostra. Desta forma, o circuito série formado por K, a, e Z
é um caminho de baixa impedância para o pulso de descarga. O pulso desenvolvido na
impedância de medição Z gerará uma queda de tensão que será amplificada pelo amplificador
A, cuja escolha da banda de passagem depende da configuração da impedância de medição
utilizada (SWINKA, 2000; TEIXEIRA, 1984).
A ocorrência de descargas parciais dentro de um vazio causa uma rápida transferência
de cargas entre as superfícies opostas do vazio, na direção do campo elétrico aplicado. Esta
transferência de cargas implica em um novo arranjo das cargas na amostra como um todo e,
como conseqüência, aparece um pulso de corrente no circuito externo do qual a amostra faz
parte como mostra a Figura 9. Em geral o pulso de corrente apresenta uma largura média na
ordem de dezenas de nanosegundos e a frente do pulso com tempos de subida na ordem de
picosegundos (SWINKA, 2000; TEIXEIRA, 1984; SILVA, 2005).
Uma outra variação deste circuito de detecção é colocar a impedância de medição em
série com o capacitor de acoplamento. Esta configuração é mais utilizada para medidas em
equipamentos com operação contínua, quando não é possível desconectar o condutor de
aterramento (SWINKA, 2000; TEIXEIRA, 1984).
Através do sistema de análise de descargas parciais é possível localizar e identificar a
origem dos pulsos. É conhecido que as descargas parciais internas em uma cavidade ocorrem
em regiões particulares da onda de impulso senoidal, com formações entre as regiões de maior
ingremidade da onda de tensão, ou seja, na região em torno de 0° e de 180º graus elétricos.
36
Nos detectores atuais é possível sincronizar os pulsos de DP com a tensão aplicada ao objeto
de teste, permitindo assim mais um recurso na identificação da ocorrência das DP. Em
osciloscópio de base elíptica as descargas parciais internas a uma cavidade no dielétrico segue
um padrão como mostra a Figura 10 (TEIXEIRA, 1984).
Figura 10: Descargas parciais em uma cavidade visualizadas em osciloscópio de base elíptica
(TEIXEIRA, 1984).
Outros tipos de perturbação possuem um padrão bastante conhecido, principalmente o
fenômeno corona.
2.1.7. Condições para ocorrência de descargas parciais internas
A ocorrência das descargas parciais no interior de defeitos em materiais poliméricos
depende a princípio de dois fatores: a) o campo elétrico local (campo no interior do vazio)
deve ultrapassar um certo valor crítico e b) deve haver elétrons livres o suficiente para iniciar
o processo de avalanche (SWINKA, 2000; SILVA, 2005).
2.1.7.1. Influência do campo elétrico local
Para que ocorram descargas parciais no interior de defeitos presentes na isolação é
necessário que o campo elétrico local ultrapasse um certo valor de campo elétrico crítico, este
processo pode ser vista de forma análoga ao caso de descargas entre eletrodos metálicos, dada
pela curva de Paschen (KREUGER, 1989; KUFFEL e ZAENGL, 1990; SWINKA, 2000;
PICOT, 2003; SILVA, 2005).
37
Figura 11: Evolução da rigidez dielétrica no ar em função da pressão (PICOT, 2003).
Nesta situação a ocorrência da descarga depende do produto da pressão do gás pela
distância entre os eletrodos. A ocorrência das descargas em vazios também depende da
pressão e da natureza dos gases resultantes na formação do vazio. O campo elétrico local no
interior do vazio pode ser determinado em função do campo elétrico macroscópico médio no
restante do material dielétrico para vazios com geometria simples e considerando que o
restante do material dielétrico seja homogêneo. Para um vazio plano e pouco espesso, com
campo elétrico perpendicular ao plano, o campo elétrico local é dado pela equação (1) e para
um vazio esférico o campo elétrico local é dado pela equação (2) como mostra a Figura 12
(KREUGER, 1989; GUTFLEISCH e NIEMEYER, 1995; SWINKA, 2000).
Figura 12: Relação entre o campo elétrico local e o campo elétrico médio no interior do
material dielétrico para um vazio plano e um esférico (SWINKA, 2000).
El
El
r
.Em
3. r
.E m
1 2. r
onde:
 El é o campo elétrico local;
(1)
(2)
38


E m é o campo elétrico médio;
r
é o permissividade elétrica relativa.
Considerando um dielétrico com permissividade relativa igual a 2,5 e um vazio plano
com espessura de 1mm e pressão do gás no interior de 1 atm e verificando a curva de
Paschen, o campo elétrico local crítico é de 6,8kV/mm. Desta forma, as descargas parciais
neste defeito devem iniciar para um campo elétrico médio acima de 2,7 kV/mm. Este campo
elétrico é inferior aos campos elétricos normalmente utilizados em sistemas de isolamento
poliméricos (SWINKA, 2000).
2.1.7.2. Geração de elétrons iniciais
A ocorrência das descargas parciais também depende da disponibilidade de elétrons
livres na região do vazio onde o campo elétrico local está acima do campo elétrico crítico.
Estes elétrons são necessários para dar início ao processo de avalanche e podem ser gerados
quando ainda não ocorreram descargas no vazio, isto é, no vazio virgem. A primeira descarga
dependerá da geração de elétrons livres através da foto-ionização do gás no interior do vazio.
A foto-ionização depende da interação da radiação cósmica ou da radiação natural do meio
(radiação de fundo) com o gás no interior do vazio ou com a própria superfície do vazio.
Medidas do tempo de atraso para a ocorrência da primeira descarga em vazios virgens,
mostram estar de acordo com o tempo de atraso (time lag) calculado (GUTFLEISCH e
NIEMEYER, 1995), levando-se em consideração a probabilidade de interação dessas
radiações com o vazio. A probabilidade de interação é proporcional ao volume do vazio, à
densidade do gás e à densidade de fluxo de radiação. Outro mecanismo que poderia gerar os
elétrons iniciais seria a emissão por campo pela superfície interna do vazio. Este segundo
mecanismo é pouco provável devido a elevada função trabalho apresentada pelas superfícies
lisas dos materiais poliméricos (GUTFLEISCH e NIEMEYER, 1995; SWINKA, 2000).
Após a ocorrência da primeira descarga, elétrons iniciais adicionais estarão
disponíveis na forma de cargas superficiais depositadas na superfície interna do vazio. A
emissão desses elétrons presos em ”armadilhas” na superfície do vazio, deve obedecer um
processo de emissão térmica (GUTFLEISCH e NIEMEYER, 1995). A carga superficial
depositada nas superfícies internas do vazio depende da carga total transferida na descarga
anterior e das propriedades da superfície. As propriedades da superfície interna do vazio se
39
alteram ao longo da vida do material, sendo que, o bombardeamento iônico, em geral,
aumenta a condutividade elétrica da superfície diminuindo o tempo de permanência dessas
cargas nas armadilhas (GUTFLEISCH e NIEMEYER, 1995; SWINKA, 2000; SILVA, 2005).
2.1.8. Ruptura dielétrica em materiais poliméricos
As medidas realizadas da tensão de ruptura dielétrica em materiais dielétricos são
influenciadas pelas condições da amostra no ensaio. Analisando o processo da montagem das
muflas ao aplicar tensão elétrica no cabo com a sua isolação imersa no óleo, podendo estar em
meios líquido ou gasoso, observa-se descargas parciais principalmente nas proximidades das
bordas dos eletrodos, da fita semicondutora e blindagem devido a distribuição do campo
elétrico antes de ocorrer a ruptura do dielétrico devido a alto nível da diferença de potencial
como demonstra a Figura 3 e Figura 13 (MAMEDE FILHO, 1994; IEDA, M., 1980).
Figura 13: Linhas de campo nas superfícies equipotenciais (MAMEDE FILHO, 1994).
Para a análise dos mecanismos de ruptura dielétrica estes eventos podem ser divididos
em três categorias (DISSADO e FOTHERGILL, 1992):
a) baixo nível de campo e degradação, onde o sistema isolante é afetado pelo campo
elétrico em conjunto com outros fatores;
b) evento devido ao campo elétrico exceder o campo elétrico crítico (modelos
determinísticos);
c) Devido às mudanças físicas e não homogeneidade existe uma probabilidade de
ruptura no tempo (modelos estocásticos).
Os modelos determinísticos de ruptura dielétrica são definidos de acordo com o
processo que conduz ao seu estagio final. Estes processos podem ser subdivididos em:
elétrica, térmica, eletromecânica e ruptura por descargas parciais. Na Figura 14, pode ser
40
vistos os processos de ruptura dielétrica com seus respectivos campos demonstrando a sua
ocorrência durante o tempo de operação (DISSADO e FOTHERGILL, 1992).
Figura 14: Processos de ruptura dielétrica com variação de campo elétrico e o tempo de
operação (DISSADO e FOTHERGILL, 1992).
A ruptura dielétrica por modelos determinísticos nos gases é iniciada por poucos
elétrons livres sempre presentes em um gás, seguida por uma avalanche elétrica; a tensão
atravessa o espaço ionizado alcançando um máximo valor; e então diminui como uma
descarga e finalmente tornando-se um arco de corrente conforme a lei de Paschen (Figura 11).
A ruptura dielétrica por modelos determinísticos em óleos ultra puros, os portadores iniciais
são os poucos íons e elétrons livres presentes. Em bons óleos, portadores adicionais consistem
em impurezas como partículas de matéria sólida e umidade. Uma ionização em alta tensão por
colisão desenvolve, seguida por avalanches elétricos, arco piloto, faixas de alta tensão,
“corona e descargas em líquidos”, e então rompe. A tensão de ruptura é conhecida como
“sparkover”, ou tensão crítica. A ruptura dielétrica em materiais dielétricos sempre é
irreversível, resultando na carbonização e vaporização do dielétrico (DISSADO e
FOTHERGILL, 1992;.PARANHOS, 1988; PIAZZA, 2001).
De acordo com o procedimento de estimativa da vida útil de cabos isolados em XLPE
(UCHIDA, KATO et al, 2005), é possível predizer a vida útil de cabos isolados em XLPE na
relação entre a espessura remanescente da arborescência e a tensão de ruptura conforme a
Figura 15, obtendo-se uma estimativa de crescimento da arborescência.
41
Figura 15: Valores do ensaio de ruptura dielétrica por tensão aplicada em degraus
escalonados (UCHIDA, KATO et al, 2001).
Esta estimativa de vida útil restante para cabos isolados em XLPE, não é eficiente,
pois é de difícil procedimento. Como a curva da linha de tendência é logarítima, torna-se mais
imprevisível o seu formato. Outra causa é a evolução da arborescência sendo difícil prever o
seu aparecimento e o seu crescimento, pois os meios onde as arborescências se formam não
são iguais tendo vários tipos de interferências elétricas, físicas e químicas, como é descrito em
estudos da propagação de arborescências (KATZ, WALKER e DYNDUL, 1990; KATZ,
SEMAN e BERNSTEIN, 1995; NIKOLAJEVI, 1999; MIZUTANI, 1998; MONTANARI e
SIMONI, 1993).
2.2. PROCESSAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS (PID)
O processamento de imagens digitais consiste em um conjunto de técnicas para
capturar transformar e analisar imagens por meio de um instrumento eletrônico (Computador,
Câmeras Digitais, Filmadoras, etc.). Algumas áreas que utilizam técnicas de processamento
de imagens para a solução de problemas são: medicina, biologia, automação industrial,
astronomia e artes (GONZALEZ e WOODS, 1992; PEDRINI, 2004).
O processamento de imagens digitais é constituído por um conjunto de etapas
subdividido em: aquisição, pré-processamento, segmentação e extração de características
(GONZALEZ e WOODS, 1992; PIEKARZ, 2006). O processamento de imagens digitais
realizado neste trabalho foi dividido em:
42

Aquisição de projeções de raios X;

Pré-Processamento das projeções;

Reconstrução tomográfica 2D;

Pré-Processamento das imagens tomográficas 2D;

Segmentação das imagens tomográficas 2D;

Construção de tomografias 3D;

Pré-Processamento das imagens tomográficas 3D;

Segmentação das imagens tomográficas 3D.
2.2.1. Imagem digital
Uma imagem bidimensional (2D), conhecida como multibanda ou multiespectral,
pode ser definida como uma função de intensidade luminosa, denotada f(x, y), cujo valor ou
amplitude nas coordenadas espaciais (x, y) fornece a intensidade ou brilho da imagem naquele
ponto p, o qual é denominado como pixels (Picture Element). (GONZALEZ e WOODS,
1992; PEDRINE 2004).
Como a maioria das técnicas de análise de imagens é realizada por meio de
processamento computacional, a função f(x, y) deve ser convertida para a forma digital. Está
conversão utiliza a amostragem que discretiza o domínio de definição da imagem nas direções
x e y, gerando uma matriz de (M×N) amostras, e a quantização que consiste em escolher o
número inteiro L de níveis de cinza permitidos para cada ponto da imagem (GONZALEZ e
WOODS, 1992; PEDRINE 2004).
O número de níveis de quantização da imagem f(x, y) é normalmente uma potência de
2 (dois), sendo que L = 2b, onde L é o número de níveis de cinza da imagem e b é chamado de
profundidade da imagem (GONZALEZ e WOODS, 1992; PEDRINE 2004).
Para o estudo de imagens digitais tridimensionais, são utilizados os conceitos de
imagem digital bidimensional para uma terceira dimensão que pode ser espaço ou tempo,
sendo que, a amostragem e a quantização podem ocorrer em (x, y, z) ou (x, y, t), onde x, y, z
representam o espaço e t o tempo. Portanto, uma imagem digital tridimensional (3D) será
representada como uma seqüência de imagens bidimensionais (2D) ao longo do eixo espacial
z ou do eixo temporal t (GONZALEZ e WOODS, 1992; PEDRINE 2004).
Sendo as dimensões p × p de um pixel nestas imagens e o espaçamento dentre os
cortes d, a extensão do pixel em 3D forma um pequeno paralelepípedo de dimensões p × p ×
43
d formando uma descrição geométrica que é chamada de voxel (volume element), como
demonstrado na Figura 16. Os voxels representam pontos de amostragem de algum fenômeno
físico e são usados para reconstruir no computador a forma ou função de estruturas
tridimensionais (GONZALEZ e WOODS, 1992; PEDRINE 2004).
Figura 16: Tipos de elemento de dado volume (TAKEDA, 2003).
2.2.2. Pré-processamento de imagens digitais
Técnicas de processamento de imagens buscam transformar uma imagem 2D ou 3D,
de modo a torná-la mais adequada a uma aplicação específica. Geralmente o processamento é
necessário porque a imagem sofreu um processo de degradação, perda de qualidade ou para
realçar determinadas características (GONZALEZ e WOODS, 1992; PEDRINE 2004).
As principais abordagens referentes às técnicas de processamento de imagens
dividem-se em duas categorias: métodos no domínio espacial e métodos no domínio de
freqüência. O domínio espacial refere-se ao próprio plano da imagem, e as abordagens nesta
categoria são baseadas na manipulação direta dos pixels das imagens. Técnicas de
processamento no domínio de freqüência são baseadas na modificação das transformadas de
Fourier das imagens (GONZALEZ e WOODS, 1992; PEDRINE 2004).
2.2.2.1. Transformação da escala de níveis de cinza
A transformação da escala de níveis de cinza consiste na manipulação do contraste de
uma imagem, com o objetivo de melhorar sua qualidade visual sob critérios subjetivos ao
olho humano. Este processo não aumenta a quantidade de informação contida na imagem,
mas torna mais fácil a sua percepção (GONZALEZ e WOODS, 1992; PEDRINE 2004).
44
O intervalo de contraste é a diferença entre o máximo e o mínimo valor que f(x, y)
pode assumir (Lmin, Lmax). A transformação da imagem é realizada através de uma função
de mapeamento, tal que cada valor de cinza na imagem original é mapeado para um novo
valor de cinza (GONZALEZ e WOODS, 1992; PEDRINE 2004). Uma função de
transformação de níveis de cinza pode ser descrita como mostra a equação (3).
g
T( f )
(3)
Onde:

T é a função de transformação de níveis de cinza;

f é o nível de cinza dos pixels de uma imagem de entrada;

g é o nível de cinza dos pixels de uma imagem de entrada.
2.2.2.2. Equalização de histograma
A equalização de histograma modifica o histograma da imagem original de tal forma
que a imagem transformada possua uma distribuição mais uniforme dos seus níveis de cinza.
Sendo uma imagem contendo n
NxM pixels, a forma mais usual de se equalizar um
histograma é utilizar a função de distribuição acumulada de probabilidade, a qual é
demonstrada na equação (4) (GONZALEZ e WOODS, 1992; PEDRINE 2004).
k
gk
T ( fk )
k
p f ( fi )
i 0
i 0
ni
n
k
0,1,..., L 1
(4)
Onde:

ni é o número de ocorrências do nível i ;

p f ( f i ) é a probabilidade do i -ésimo nível de cinza.
2.2.2.3. Técnicas de processamento de imagens no domínio espacial
Os filtros no domínio espacial utilizam mascaras pré-definidas das quais trabalham
com o valor de um pixel. A aplicação da máscara com centro na posição (x, y), sendo x o
número da linha e y o número da coluna de uma imagem matriz, consiste na substituição do
valor do pixel da posição (x, y) por um novo valor, o qual depende dos valores dos pixels
vizinhos e dos pesos da máscara. Este processo denominado convolução no domínio espacial
possui o deslocamento da matriz de filtro no domínio espacial em cima da matriz da imagem.
45
A cada posição da máscara está associado um valor numérico, chamado de peso ou
coeficiente. Em cada posição (x, y), os pesos do filtro são multiplicados pelos níveis de cinza
dos pixels correspondentes e somados, obtendo um novo valor de nível de cinza, o qual
substitui o antigo nível de cinza pela operação realizada com o pixel central conforme
demonstra a Figura 17 (GONZALEZ e WOODS, 1992; PEDRINE 2004).
a)
b)
Figura 17: Exemplos de filtros no domínio espacial: a) Filtro Passa-Baixa; (B) Filtro PassaAlta.
2.2.2.4. Técnicas de processamento de imagens no domínio da freqüência
Como nos filtros no domínio espacial utilizam-se os filtros no domínio da freqüência
para filtrar as imagens digitais, buscando uma maior definição e equalização dos elementos da
imagem.
Na transformação de uma imagem digital para o domínio da freqüência, utiliza-se a
equação da transformada de Fourier definida na equação (5) (GONZALEZ e WOODS, 1992;
PIEKARZ, 2006).
( , )
P ( r )e 2
r
dr
(5)
Onde:

G( , ) é a projeção no domínio freqüência de Fourier.
A utilização de filtros no domínio espacial dá-se através do processo de convolução
facilitado pelo teorema da transformada de Fourier a qual diz que a transformada de Fourier
de duas funções convoluídas no domínio do espaço é igual ao produto das funções no
domínio de Fourier como mostra a equação (6) (RUSS, 1995; HERMAN, 1980; YONG,
2003; PIEKARZ, 2006).
F( , ) =G( , )*H( , )
Onde:

F( , ) é a projeção filtrada no domínio de freqüência de Fourier;
(6)
46

G( , ) é a projeção original no domínio de freqüência de Fourier;

H( , ) é o filtro utilizado no domínio de freqüência de Fourier.
Alguns dos filtros rampa podem ser utilizados para a filtragem das imagens digitais no
domínio espacial são os filtros Hamming, Hanning, Shepp-Logan, Ram-Lak e Gaussian.
Alguns exemplos destes filtros estão mostrados na Figura 18.
a)
c)
Figura 18: Senograma de uma tomografia 2D por raios X: a) original b) Filtro Hamming.
2.2.3. Segmentação de imagens
2.2.3.1. Detecção de bordas
A detecção de bordas é essencialmente a operação de identificação de mudanças locais
significativas na imagem (FERREIRA, 1998).
Foram utilizados 4 tipos de detecção de bordas:

Operadores de Prewitt (1970), definido pelas mascaras mostrada na Figura 19;
Figura 19: Mascara Prewitt.
47

Operador de Sobel (1990), definido pelas mascaras mostrada na Figura 20;
Figura 20: Mascara Sobel.

Operador de Kirsch (1971) definido pelas mascaras mostrada na Figura 21;
Figura 21: Mascara Kirsch.

Operador Robson (1977), definido pelas mascaras mostrada na Figura 22.
Figura 22: Mascara Robson.
48
2.2.3.2. Limiarização (Threshold)
Limiarização é uma das técnicas mais simples de segmentação e consiste na
classificação dos pixels de uma imagem de acordo com a especificação de um ou mais
limiares.
Portanto, os pixels rotulados como 1 (ou qualquer outro nível de cinza conveniente)
corresponde aos objetos, enquanto que, aqueles rotulados como 0, correspondem ao fundo.
Neste caso, a limiarização é denominada binarização, pois a imagem resultante possui apenas
dois valores de intensidade, 0 (preto) ou 1 (branco).
2.2.3.3. Limiarização local adaptativa
Em casos onde a utilização de um único limiar para segmentar toda a imagem não
produz bons resultados, a limiarização local adaptativa pode ser uma melhor alternativa.
Uma forma comum de realizar a limiarização adaptativa é analisar as intensidades de
níveis de cinza dentro de uma janela local sobre a imagem para determinar limiares locais
(Bernsen (1986), Casey e Wong 1994; Kamel e Zhao (1993), White e Rohrer (1983), Mitchell
e Gillies (1989)).
2.2.3.4. Morfologia matemática
A teoria de morfologia matemática foi formulada por Matheron (1975) e Serra (1982)
e seus colaboradores da École Supérieure des Mines de Paris.
A morfologia matemática utiliza a teoria de conjuntos para representar as formas dos
objetos em uma imagem. Assim, uma imagem consiste em uma coleção de coordenadas
discretas que correspondem aos pontos que pertencem aos objetos na imagem. Em imagens
binárias, esses conjuntos são membros do espaço bidimensional dos números inteiros Z2, onde
cada elemento do conjunto é um vetor bidimensional com coordenadas (x, y) dos pontos que
pertencem aos objetos na imagem.
Os operadores morfológicos são utilizados em um grande número de aplicações em
processamento de imagens, incluindo a identificação das formas essenciais dos objetos
(esqueletos), extração de componentes conexos, busca de padrões espaciais específicos,
delimitação da casca convexa, suavização de bordas dos objetos e muitas outras.
49
Uma transformação morfológica é dada pela relação da imagem (conjunto de pontos
A) com um outro conjunto menor de pontos B, chamado elemento estruturante como mostra a
Figura 23 (SOILLE, 1990; BANON, 1994; SERRA, 1982).
Figura 23: Exemplos de elementos extruturantes.
2.2.3.5. Extração de características
Se uma imagem possuir todos os objetos bem definidos, é possível tirar informações
das quais venham a ser utilizados para uma análise posterior. Para a extração de
características é necessário definir descritores, que contenham características que descreva o
objeto da imagem. Alguns descritores são encontrados na literatura, sendo classificados como
(GODOI, 2005; PEDRINI, 2007):

Descritores geométricos;

Descritores topológicos.
Os descritores geométricos podem ser de borda ou região. Os descritores geométricos
de borda são algoritmos que adquirem características referentes à borda como, por exemplo,
definir o perímetro de um volume. Os descritores geométricos de região são algoritmos que
adquirem características referentes à região interna do objeto como, por exemplo, o volume de
um objeto.
Os descritores topológicos buscam características que levam em consideração os
níveis de cinza, como por exemplo, média dos níveis de cinza.
2.2.4. Visualização volumétrica
A visualização volumétrica é o conjunto de técnicas utilizadas na visualização de
dados associados a regiões de um volume, tendo como principal objetivo a exibição do
50
interior de objetos volumétricos, a fim de explorar sua estrutura e facilitar sua compreensão
(McCORMICK, DEFANTI e BROWN, 1987).
Na visualização volumétrica os algoritmos possuem algumas semelhanças, como na
aquisição dos dados, onde esses dados são posicionados de modo que as imagens 2D possam
ser processadas apresentando um fator de contraste dos níveis de cinza adequado e se possível
livres de ruídos que venha afetar no seu volume final. Com isso o conjunto de dados formados
pelas imagens 2D sobrepostas é reconstruído de modo que a sua extensão seja proporcional à
extensão do objeto original. Neste processo de acordo com o algoritmo utilizado, pode
envolver a interpolação entre valores de corte adjacentes, construído desta forma novos cortes
intermediários que venham a dar uma adequação na extensão da imagem 3D. Na seqüência é
aplicada uma classificação desses dados através de técnicas de limiarização (Threshold), onde
os dados são classificados a partir de um limiar selecionado. Após essa classificação, os dados
são mapeados em primitivas de exibição geométricas, onde são armazenadas, manipuladas ou
exibidas (McCORMICK, DEFANTI e BROWN, 1987; G 2004).
O volume de dados possuem características tridimensionais que contem informações
em seu interior, os quais consistem de superfícies e segmentos, ou possuem volumes grandes
de tal forma que não podem ser demonstrados geometricamente (KAUFMAN, 1997).
Geralmente utiliza-se duas técnicas de tratamento de volumes de dados, como sendo
um vetor de elementos de volume (voxel) ou um vetor de células. Estas técnicas foram
utilizadas devido a necessidade da re-amostragem do volume entre pontos da malha durante o
processo de renderização (ELVINS, 1992).
Na técnica utilizando voxels determina que a área ao redor de um ponto da malha
possui o mesmo valor desse ponto. Portanto, um voxel e uma área hexaedro de valor constante
em torno de um ponto central. Nessa técnica, apenas os valores de dados conhecidos são
utilizados na geração da imagem (ELVINS, 1992).
Na técnica utilizando células apresenta-se um volume como uma coleção de
hexaedros, onde os vértices são pontos da malha cujos valores variam entre esses pontos. Essa
técnica tenta estimar os valores dentro da célula através da interpolação entre os valores de
seus vértices. Imagens geradas utilizando células apresentam superfícies mais suavizadas do
que as imagens geradas através da técnica utilizando voxels, porém, a validade dessas imagens
nem sempre pode ser confirmada (ELVINS, 1992).
Na renderização de um objeto, é apresentado a visualização de superfície e a sua
interação com a fonte de luz, alguns objetos como vidro e água, são translúcidos, de modo que
alguns raios de luz atravessam o seu interior. Esses objetos não podem ser renderizados com o
51
modelo baseado exclusivamente em interações de superfície, com isso, é necessário
considerar as propriedades do interior do objeto. Os algoritmos fundamentais para a
visualização volumétrica foram divididos em duas categorias:

Renderização de Superfície (Surface Rendering);

Renderização Volumétrica (Volume Rendering).
No método de renderização de superfície, as primitivas de superfície, como malhas
poligonais, são tipicamente ajustadas em superfícies com contornos de valores constantes de
dados volumétricos. Este método percorre o volume de dados apenas uma vez para extrair a
superfície, tornando-se tipicamente mais rápido do que o método de renderização volumétrica.
Porem, quando os valores que definem a superfície apresentam mudanças, e gerado um alto
custo computacional devido a necessidade de que todo o volume de dados seja percorrido
novamente a fim de que um novo conjunto de primitivas de superfície seja extraído (PAIVA,
1999).
O método de renderização volumétrica permite a visualização do interior dos objetos.
Isso é possível através do mapeamento direto dos elementos do volume de dados na tela, sem
o uso de primitivas geométricas como uma representação intermediária. Assim, os raios de luz
interagem com o interior do objeto e não apenas com a sua superfície. A desvantagem deste
método e o custo computacional que envolve o processo de renderização, uma vez que o
conjunto de dados deve ser percorrido no objeto de forma integral. Desse modo, é comum a
realização de amostragens de baixa resolução dos dados que permitam a criação de imagens
em pouco tempo, porem, com baixa qualidade, para checagem de parâmetros (PAIVA, 1999).
O processo normalmente utilizado, nesse caso, é o refinamento sucessivo, onde a resolução e
a qualidade da imagem da renderização volumétrica são aumentadas gradativamente de modo
a obter o melhor resultado no menor tempo possível (SOARES, 2000).
Alguns dos algoritmos mais utilizados são listados na Tabela 2.
Tabela 2: Algoritmos de visualização volumétrica classificados de acordo com os métodos de
visualização volumétrica (OLIVEIRA, 2002).
Renderização de Superfícies Renderização Volumétrica
Opaque Cubes
Ray Tracing
Contour Connecting
Mapeamento de Textura
Marching Cubes
52
2.2.5. Algoritmos de renderização volumétrica
Os algoritmos de renderização volumétrica têm por base a geração de imagens a partir
de malhas volumétricas de dados escalares. A esses dados, são associados valores de
atributos, como cor e opacidade. A combinação dos valores desses atributos fornece a imagem
final sem a utilização de formas geométricas intermediarias. Para isso, são utilizadas técnicas
de projeção, que podem ser classificadas como, ordem da imagem e ordem do objeto.
Na técnica de projeção da ordem da imagem, os pixels são calculados através do
disparo de raios associados a cada pixel no plano da imagem sobre o volume. Assim, esses
raios encontram-se com os voxels interceptados, formando o valor do pixel como demonstra a
Figura 24 (a).
No entanto na abordagem baseada na ordem dos objetos, o algoritmo percorre o
volume e, para cada voxel, encontra o pixel que e afetado pela sua contribuição na imagem
como mostra demonstra a Figura 24 (b).
Figura 24: Funcionamento dos algoritmos de renderização volumétrica, a) Espaço da
imagem; b) Espaço do objeto (SCHROEDER, MARTIN, e LORENSEN, 2004).
2.2.5.1. Ray Tracing
O Ray Tracing, também conhecido como Ray Casting, foi desenvolvido por Tuy &
Tuy (1984) e baseia-se no método da ordem da imagem. O algoritmo percorre todos os pixels
da image, determinando a cor e a opacidade de cada um, através do disparo de um raio que
53
atravessa o volume dos objetos na cena. Esse raio e disparado de cada pixel, encontrando as
cores e a opacidade e acumulando-as até determinar os valores finais desses atributos (TUY e
TUY, 1984).
Este algoritmo é o mais utilizado na visualização de volumes quando se necessita de
imagens de alta qualidade. Por possuir um alto custo computacional, uma alternativa é a
execução em paralelo do seu processamento, uma vez que os valores dos pixels são
determinados através do lançamento de raios independentes entre si. Muitas otimizações,
melhorias e métodos híbridos são citados na literatura, (LEVOY, 1988; LEVOY, 1990;
UPSON e KEEKER, 1988 e ELVINS, 1992).
2.2.6. Algoritmos de renderização de superfície
Esta classe de algoritmos utiliza técnicas de extração de superfícies, baseadas na
geração de polígonos para aproximar suas faces, determinando assim um volume
tridimensional. Esses algoritmos tipicamente ajustam uma superfície, discretizada em
polígonos, em pontos dentro dos dados volumétricos. Esses pontos são denominados isovalor.
O conjunto de isovalores formam uma isosuperfície (PAIVA, 1999).
A isosuperfície é uma superfície que representa pontos de um valor constante dentro
de um espaço de volume. Elas representam uma forma bastante comum na visualização de
volumes, pois podem ser renderizadas como um único modelo poligonal. Isosuperfícies são
normalmente utilizadas em métodos de visualizações de dados em dinâmica de fluidos
computacional e imagens medicas (PAIVA, 1999).
2.2.6.1. Marching cubes
O algoritmo Marching Cubes, proposto por Lorensen & Cline, é um dos algoritmos
mais utilizados para a visualização de dados amostrados (LORENSEN e CLINE, 1987). Essa
classe de dados ocorre com freqüência em exames de Tomografia Computadorizada e
Ressonância Magnética, o que a torna propicia para a aplicação em imagens medicas.
Este algoritmo se baseia em localização da superfície correspondente ao valor
especificado como parâmetro e cálculo das normais nos vértices dos triângulos, a fim de criar
uma superfície de alta qualidade visual.
54
O algoritmo utiliza a técnica de divisão e conquista (divide and conquer) para localizar
a superfície através de um cubo lógico, formado por oito pixels (quatro para cada fatia
adjacente), como mostra a Figura 25. Cada pixel e representado por um vértice do cubo.
Figura 25: Cubo lógico utilizado pelo algoritmo Marching Cubes (LORENSEN e CLINE,
1987).
O algoritmo determina o modo como a superfície intersecciona o cubo, movendo-se
(ou “marchando”) então para o próximo cubo. Para verificar se a superfície intersecciona o
cubo, o algoritmo determina se o valor do vértice escolhido excede ou equivale-se ao valor da
superfície a ser construída. Caso seja verdadeiro, o vértice recebe valor 1, indicando que esta
dentro da superfície. Caso contrario, o vértice recebe valor 0, indicando que esta fora.
Assim, através da localização dessas intersecções, é possível determinar a topologia de
uma superfície dentro de um cubo por meio de triangulações. Como o cubo apresenta oito
vértices, onde cada vértice possui dois estados, uma superfície pode ser interseccionada de 28
formas, ou seja, 256 combinações diferentes. Assim, é possível criar uma tabela com as
intersecções através dos vértices do cubo. Apesar da triangulação dos 256 casos ser possível,
ela possui alto custo computacional e é suscetível a erros. Analisando possíveis configurações
de intersecção, através de operações geométricas de rotação simétrica e reflexão, Lorensen &
Cline reduziram os 256 casos para 15 como mostra Figura 26 (LORENSEN e CLINE, 1987).
55
Figura 26: Casos de intersecção do algoritmo Marching Cubes (LORENSEN e CLINE,
1987).
2.2.7. Biblioteca de visualização gráfica VTK (Visualization Toolkit)
O VTK (Visualization Toolkit) é uma biblioteca gráfica destinada à visualização e ao
processamento de imagens baseadas na programação orientada a objetos. Ela é capaz de gerar
imagens em duas ou três dimensões. Para isso, ela faz uso das bibliotecas gráficas OpenGL e
Mesa (SCHROEDER, MARTIN, e LORENSEN, 2004).
A biblioteca VTK é constituída de dois subsistemas: um conjunto de classes précompiladas, escritas em C++, e vários interpretadores (wrappers) que permitem a
manipulação dessas classes em várias linguagens, como Java, Python, C++ e TCL. Assim, as
aplicações utilizando a biblioteca VTK podem ser escritas em qualquer uma dessas
linguagens, incluindo o próprio C++ (KITWARE, 2004).
No VTK, o processamento dos dados é feito através de um pipeline de execução. Uma
vez dentro desse pipeline, é possível aplicar vários tipos de filtros e transformações 2D e 3D
de modo a alterar os dados da maneira desejada.
56
2.3. TOMOGRAFIA DE RAIOS X
Em tomografia de raios X, a imagem interna obtida, ao final da reconstrução,
representa a distribuição bidimensional dos coeficientes de atenuação do objeto (KAK e
SLANEY, 1988; CORMACK, 2007). A tomografia de raios X, utiliza como informação
externa a atenuação que um feixe de raios X sofre após atravessar um objeto. Ao atravessar o
objeto ao longo de um determinado caminho reto, um feixe monocromático de raios X
obedece à Lei de Beer-Lambert conforme as equações (7), (8) e (9) (KAK e SLANEY, 1988;
PIEKARZ, 2006; SHUNG, SMITH e TSUI, 1992).
x, y ds
raio
ln
Ni
Nd
(7)
Onde:

µ(x,y) é o coeficiente de atenuação no ponto (x,y) em (cm-1);

Ni é o número de fótons que entram no objeto;

Nd é o número de fótons que saem do objeto.
Quando o feixe de raios X atinge um material, sua intensidade diminui devido à
interação dos fótons com o material conforme descrito por Albert Einstein em 1905.
Assumindo que o feixe de raios X tem uma intensidade I e uma seção transversal de área A.
Assume também que os átomos no material são idênticos e todos possuem seção transversal σ
com uma densidade n átomos por unidade de volume. Então, o número total de átomos
encontrado pelo feixe de raios X é dado por An e a área ocupada pelos átomos no feixe
incidente é Anσ. Assim a probabilidade para que um fóton interaja com um átomo é Anσ /A =
nσ como mostra a Figura 27 (GODOI, 2005; SHUNG, SMITH e TSUI, 1992).
57
Figura 27: Atenuação do feixe de raios X em um objeto.
A energia dos raios X removida numa espessura dx do material é dada pela equação
(8).
dI
(8)
n Idx
Trabalhando a equação (8), fazendo μ = nσ que é a fração de energia removida por
unidade de espessura por unidade de intensidade e integrando obtém-se as equações (9) e (10)
(GODOI, 2005; SHUNG, SMITH e TSUI, 1992; DIAS e PALMEIRA, 2000; QUOIRIN,
2004).
L
( x , y )dx
I ( y)
I 0e
0
I 0e
~L
I
1
ln 0
L
I ( y)
(9)
(10)
Onde:

µ é o coeficiente de atenuação do material em um determinado ponto para uma

determinada energia do feixe em (cm-1);
~ é a somatória dos coeficientes de atenuação do material em um determinado ponto
para uma determinada energia do feixe;

I0 é a intensidade do feixe que atinge o objeto;

I(y) é a intensidade do feixe de raios X após percorrer um determinado caminho pelo
objeto;
58

L é a espessura atravessada (em linha reta).
A intensidade I(y) é proporcional ao numero de fótons de raios X que atravessa todo o
objeto como mostra a Figura 28.
Figura 28: Atenuação da radiação em relação à espessura de um objeto analisada na equação
(9) e (10).
A projeção realizada por I(y) é conhecida em caso geral como uma projeção P (r)
definida pela transformada de Radon demonstrada pela equação (11), onde ( ,r) representa as
coordenadas da trajetória percorrida por um raio X (QUOIRIN, 2004).
P
r
f x, y ds
(11)
( ,r )
O sistema de coordenadas (r,j) mostrado na Figura 29 corresponde à rotação do par de
eixos (x,y) de um ângulo
demonstrado na equação (12).
59
Figura 29: Sistema de aquisição de uma imagem de raios X P (r).
r
j
cos
sen
sen
cos
x
y
(12)
Utilizando a equação (11) e a equação (12) relativa a r (r = xcos + ysen ), pode-se
escrever a projeção P (r) conforme descrito na equação (13).
P (r )
f ( x, y ) ( x cos
ysen
t )dxdy
(13)
A equação (13) é conhecida como a Transformada de Radon da função f(x,y)
utilizando a distribuição delta de Dirac.
A distribuição delta de Dirac é um objeto matemático definido para fazer o papel da
identidade para a operação de convolução de funções. A distribuição
torna mais fácil a
unificação do tratamento do estudo de Séries de Fourier e Transformadas de Fourier.
Fisicamente, ela pode ser interpretada como um impulso de energia em um sistema, razão
pela qual recebe o nome de Função Impulso de Dirac.
2.3.1. Projeções de feixe em leque e cone
Na evolução da construção dos tomógrafos, os aperfeiçoamentos levaram ao
aparecimento da 3a geração de aparelhos, onde o feixe de raios X emitido possui uma abertura
muito ampla. Opostamente a fonte emissora, uma linha de 200 a 1000 detectores dispostos em
60
angulo recebe a radiação após esta penetrar todo o material a ser analisado como mostra a
Figura 30. Os tempos de processamento destes aparelhos estão na faixa entre 1 e 4 segundos
por corte. São os mais utilizados atualmente, mesmo em aparelhos modernos, devido a sua
relação custo/benefício (PIEKARZ, 2006; SHUNG, SMITH e TSUI, 1992; DIAS e
PALMEIRA, 2000).
a)
b)
Figura 30: Sistema de detecção de feixe em leque de rotação: a) com fonte e detectores
moveis b) com a mesa rotatória (SOARES e LOPES, 2000).
Projeção de feixe em cone bem como na projeção em leque os feixes partem do
mesmo ponto, mas há uma divergência tridimensional formando um cone. Neste caso o
detector deverá ser plano como mostra a Figura 31 (PIEKARZ, 2006; SHUNG, SMITH e
TSUI, 1992; DIAS e PALMEIRA, 2000).
Figura 31: Sistema de detecção de feixe em leque de rotação com detectores moveis
(SOARES e LOPES, 2000).
61
As projeções dos tomógrafos de terceira geração utilizando fontes de raios X, são
projeções obtidas pela rotação do sistema fonte-detector, ou apenas pela rotação do objeto. A
fonte emitirá feixes de raios X, cada um destes feixes atravessará o objeto por caminhos
distintos, assim cada feixe apresentará uma atenuação diferente. Estes feixes atingirão o
detector em uma determinada posição, gerando assim uma projeção P (r). Em seguida o
objeto é rotacionado de um ângulo d e novamente radiografado como mostra a Figura 31.
Estas projeções serão utilizadas no processo de reconstrução de imagens tomográficas 2D e
3D (PIEKARZ, 2006; SHUNG, SMITH e TSUI, 1992).
Em alguns casos a reconstrução das tomografias utilizam a projeção em leque ou cone,
desta forma é necessário realizar a correção do feixe por algoritmos que evitem distorções da
imagem tomográfica como mostra a Figura 32 as quais podem trazer alterações na avaliação
das imagens tomográficas 2D e 3D.
a)
b)
Figura 32: Reconstrução tomográfica por raios X de uma amostra (phantom) de acrílico: a)
Ajuste do feixe em leque; (B) Sem ajuste do feixe em leque (PIEKARZ, 2006).
A reconstrução das tomografias utilizado a projeção paralela é mais simples pois a
imagem projetada não sofre nenhuma alteração com relação ao seu dimensional como mostra
a Figura 33.
62
Figura 33: Sistema de detecção em paralelo de rotação-translação simples (SOARES e
LOPES, 2000).
Quando são usados feixes em cone, é conveniente que a distância entre a fonte de raios
X e o objeto seja muito maior que à distância do objeto ao detector. Desta forma os feixes
serão aproximadamente paralelos. Para obter melhores resultados é possível prever o caminho
percorrido pelos feixes cônicos eliminando assim ampliações das projeções e distorções nas
reconstruções tomográficas (PIEKARZ, 2006).
2.3.2. Reconstrução tomográfica por retroprojeção simples
A retroprojeção simples é uma técnica de reconstrução tomográfica que pode ser visto
como o caminho inverso da projeção.
A retroprojeção simples consiste em retroceder cada uma das projeções por todo o
caminho realizado pelo feixe, na direção do respectivo ângulo da projeção. Adquirindo uma
sequencia da primeira projeção conforme a Figura 29 e fazer com que ela percorra o caminho
percorrido pelo feixe, cobrindo assim toda a imagem, desta forma consecutivamente para
todos os ângulos de projeções, como mostra a seqüência da Figura 34.
a)
b)
c)
d)
Figura 34: Reconstrução tomográfica do corpo-de-prova do cabo EPR com quantidades
diferentes de projeções: a) 1 projeção; b) 3 projeções; c) 6 projeções; d) 180 projeções.
63
2.3.3. Reconstrução tomográfica por retroprojeção filtrada
Na reconstrução de imagens tomográficas através da retroprojeção simples é possível
visualizar estas imagens, mas com pouca nitidez como mostra a Figura 34 (d), sendo assim, é
necessário aplicar filtros no processo da reconstrução da retroprojeção, descrita como a
técnica da retroprojeção filtrada.
Inicialmente é realizado um processamento de imagens nas projeções adquiridas
utilizado os filtros no domínio espacial, como demonstra a Figura 17, estes filtros tem a
função de diminuir ruídos e artefatos que venham a prejudicar na reconstrução tomográfica.
a)
b)
Figura 35: Exemplos de filtros no domínio espacial: a) Filtro Passa-Baixa; b) Filtro PassaAlta.
Após o processo do filtro no domínio espacial é necessário filtrar novamente as
projeções buscando uma maior definição e equalização dos elementos da imagem este
processo é realizado através dos filtros de freqüência (RUSS, 1995; HERMAN, 1980; YONG,
2003, PRESS, TEUKOLSKY, VETTERLING, e FLANNERY, 2005).
Todo o processo de reconstrução tomográfica através da técnica de retroprojeção
filtrada pode ser vista na Figura 36.
64
Figura 36: Sistema de detecção em paralelo de rotação-translação simples.
O filtro Ram-Lak, também conhecido como filtro rampa, mostrado na equação (14),
apresenta como característica destacar componentes de alta freqüência dentro do limiar
estabelecido como mostra a Figura 37.
H RL ( , )
2*( , )*
/n
(14)
Onde:

H RL ( , ) é o valor do filtro Ram-Lak utilizado no domínio de freqüência de Fourier;

( , ) é o intervalo do sinal que será realizado a filtragem;

n é o número de pontos da imagem.
Figura 37: Característica do filtro Ram-Lak (KAK e SLANEY, 1988).
65
O filtro Shepp-Logan demonstrado na equação (15), apresenta atenuação maior que os
filtros retangulares com resposta de freqüência menos abrupta na zona de transição, como é
demonstrado na Figura 38.
H SL ( , )
abs ( H RL ( , )) * sen H RL ( , ) / n k / H RL ( , ) / n k
(15)
Onde:

k é o fator de ajuste do filtro Sheep-Logan;

HSL( , ) é o valor do filtro Sheep-Logan utilizado no domínio de freqüência de
Fourier.
Figura 38: Característica do filtro Sheep-Logan (HERMAN, 1980).
O filtro Hanning demonstrado na equação (16), apresenta atenuação maior que os filtros
retangulares com resposta de freqüência menos abrupta na zona de transição, como é
demonstrado na Figura 39.
H HN ( , )
H RL ( , ) *
(1
) * cos H RL ( , )
(16)
Onde:

β é o fator de ajuste do filtro Hanning;

HHN( , ) é o valor do filtro Hanning utilizado no domínio de freqüência de Fourier.
66
Figura 39: Característica do filtro Hanning (OLESKOVICZ, 2006).
O filtro Hamming foi modificado pela equação Blackman (BION, 2002) demonstrada
na equação (17), apresenta um ripple menor do que os filtros retangulares e também apresenta
uma maior atenuação que o filtro Sheep-Logan com resposta de freqüência menos abrupta na
zona de transição, como é demonstrado na Figura 40.
H HM ( , )
abs ( H RL ( , ) * r ) *
* (0.5
)
0.4
* cos(2 * * ( , ) / n
0.08 * cos(4 * * ( , ) / n
Onde:

r é o fator de ajuste do contraste;

α é o fator de ajuste do filtro Hamming;

HHM( , ) é o valor do filtro Hamming modificado utilizado no domínio de freqüência de Fourier.
Figura 40: Característica do filtro Hamming (HERMAN, 1980).
(17)
67
CAPÍTULO 3
3. METODOLOGIA
Para analisar o processo de ruptura de cabos isolados em XLPE e EPR envelhecidos
em campo, foram realizados os seguintes procedimentos:

Ensaio de ruptura dielétrica por tensão aplicada pontual;

Análise do caminho da ruptura dielétrica por Tomografia, 2D e 3D.
3.1. DESENVOLVIMENTO DO ENSAIO DE RUPTURA DIELÉTRICA POR TENSÃO
APLICADA PONTUAL COM ANÁLISE DE DESCARGAS PARCIAIS
Os ensaios de ruptura dielétrica por tensão aplicada pontual em cabos isolados foram
realizados de acordo com procedimentos estabelecidos na literatura (SWINKA, 2000;
DENSLEY, KALICKIL e NADOLNY, 2001; TANAKA, OKAMOTO, NAKANISHI e
MIYAMOTO 1993; CAVALLINI, CONTI e MONTANARI, 2004).
O arranjo experimental para realizações deste ensaio é constituído por:

Circuito de ruptura dielétrica;

Circuito da impedância de medição e amplificação de sinal;

Circuito retificador e detector de zero

Analisador de descargas parciais;

Calibração do analisador de descargas parciais.
3.1.1. Circuito de ruptura dielétrica
Os ensaios de ruptura dielétrica por tensão aplicada pontual em cabos isolados foram
realizados com tensão alternada na freqüência de 120 Hz e temperatura ambiente. Foi
aplicada uma tensão V0 (fase-terra), as amostras de cabo entre o eletrodo introduzido na
isolação e o condutor até a ocorrência da perfuração como é demonstrado na Figura 41.
68
Figura 41: Montagem do corpo de prova do ensaio de ruptura dielétrica pontual.
O circuito de ruptura dielétrica está apresentado na Figura 42 e Figura 43. Este circuito
foi montado dentro de um gabinete metálico blindado a fim de evitar Interferência
eletromagnética.
Os instrumentos e equipamentos que constituem este circuito são:

TP1 - Transformador de potência Osaki Electric Co., LTD., tipo EM10C ANSI C5713 1968, 1 Fase, 13800/115 V, 50/60 Hz, 1000 VA, Classe 0,3, moldado em EPOXI;

TP2 - Transformador de potência General Electricm, tipo PNS151, 13800/115 V,
50/60 Hz, 1000 VA;

TP4 - Transformador de potência 220/5 V, 500 mA, 60 Hz;

VT - Fonte Variável NF-Coporation, 4420 series AC, Power Supply single-phase
system;

Osciloscópio Iwatsu, modelo DS8607A 60 MHz;

Osciloscópio Tektronix modelo TDS 224 100 MHz 1 GS/s;

Gabinete de proteção blindado.
Figura 42: Representação esquemática do circuito de ruptura no gabinete de proteção
blindado.
69
Figura 43: Diagrama esquemático do circuito de ruptura dielétrica pontual.
O transformador de potência (TP1) acoplado a um variador de tensão (VT) que
permitiu elevar a tensão (Vo) de 0 a 13,8 kV com variação de freqüência de 10 a 120 Hz. O
transformador de potência (TP2) é utilizado como referência da tensão aplicada (Vref). Em
série com o corpo-de-prova (a) e a impedância de medição (Z), foi utilizado um indutor (L) de
11,276
0,007 mH para aumentar a impedância do circuito e eliminar ruídos da fonte.
3.1.2. Circuito da impedância de medição e amplificação de sinal
No circuito de alta tensão da impedância de medição foi utilizado em paralelo ao
corpo-de-prova (a) e a impedância de medição (Z) um capacitor de acoplamento (K) de 155,9
0,4 nF, o qual forma um circuito série (K), (a) e (Z), sendo um caminho de baixa
impedância para a descarga parcial. O circuito formado por (L), (TP1) e (TP2) fornece um
caminho de alta impedância para altas freqüências, conforme mostra a Figura 42 e Figura 44.
Figura 44: Diagrama esquemático do circuito de impedância de medição.
70
As relações dos circuitos de baixa e alta impedância podem ser descritas pelas
equações (18) e (19).
Xc
XL
1
2* * f *C
2* * f * L
(18)
(19)
Onde:

XC é a impedância capacitiva (Ω);

XL é a impedância indutiva (Ω);

C é a capacitância elétrica (F);

L é a indutância (H);

f é a freqüência do circuito (Hz).
Para realizar as medidas dos pulsos de descarga parcial foi desenvolvido o circuito de
impedância de medição, o qual fornece um sinal cuja amplitude seja proporcional à carga
aparente transferida na descarga. Para isto, foi utilizado um transformador de pulsos com
núcleo de ferrita (TP3), o qual oferece uma isolação galvânica entre o circuito de alta tensão
conectado ao primário do (TP3) e os componentes do circuito de impedância de medição
conectados ao secundário do (TP3), como é mostrado na Figura 45.
Figura 45: Diagrama esquemático do circuito da impedância de medição.
O pulso de corrente gerado pela descarga parcial (Figura 46 a), excita o transformador
de pulso (TP3), causando uma oscilação amortecida (Figura 46 b) pela seqüência de resistores
que estão em paralelo ao transformador (TP3) e o amplificador operacional (A1). A oscilação
amortecida possui um período de 8 s de forma que o sinal final possua um período maior
que o tempo de leitura do conversor AD.
71
a)
b)
Figura 46: Pulso de corrente de descarga parcial detectado por osciloscópio em escala de
tensão por tempo: a) Sinal de 100 pC no primário do TP3, b) Sinal de 100 pC amortecido no
secundário do TP3.
Dependendo da intensidade do pulso de corrente o mesmo pode sofrer uma atenuação
pela mudança do ganho do sinal pela chave seletora (CH1) se for necessário. O sinal gerado é
amplificado no amplificador (A1), onde possuirá um ganho igual a 10 de tensão, o qual é
filtrado utilizando filtro passa baixa que retira as componentes de alta freqüência (ruídos
eletromagnéticos) induzidos no circuito de medida. De acordo com a intensidade do pulso de
corrente o mesmo poderá ter um ganho previamente ajustado no amplificador (A2)
selecionando a chave (CH2). O sinal na Saída 1 é mostrado na Figura 47.
Figura 47: Pulso de corrente de descarga parcial detectado por osciloscópio em escala de
tensão por tempo de 100 pC filtrado e amplificado.
3.1.3. Circuito retificador e detector de zero
Para uma adequação do sinal gerado pela impedância de medição e dos
amplificadores, foi necessário realizar uma seqüência de ajuste do sinal até o seu
72
armazenamento buscando ter a maior amplitude possível do pulso, como são mostrados no
diagrama de blocos da Figura 48.
Figura 48: Diagrama de adequação e armazenamento dos pulsos de descarga parcial da placa
de aquisição de dados.
No processo o Sinal 1 é enviado para o retificador de precisão de onda completa afim
de adequar o sinal de tal forma que a onda amortecida se torne uma onda completa, a qual esta
ilustrada na Figura 49.
Figura 49: Sinal na saída do retificador de precisão de onda completa detectado por
osciloscópio em escala de tensão por tempo.
Após a retificação de onda completa o sinal possuirá variações em seu formato
contendo alguns ruídos. Desta forma foi utilizado um filtro suavizador inversor para que sua
amplitude máxima possa ser determinada com maior precisão pelo conversor AD, como
mostra a Figura 50.
73
Figura 50: Sinal na saída do filtro suavizador de 100 pC detectado por osciloscópio em escala
de tensão por tempo.
Em paralelo ao Sinal 1 é adquirido o sinal de referência da rede Sinal 2, para obtenção
do ângulo de fase de ocorrência de cada descarga. O sinal (Vref) sofre uma atenuação através
do (TP2), para que a máxima tensão no secundário não ultrapasse uma tensão de 5 Vrms a ser
lido pela placa de aquisição de dados como é demonstrado na Figura 51 (a). Após a atenuação
(TP2) o Sinal 2 passa pelo conversor nível TTL, conforme é demonstrado na Figura 51 (b).
Figura 51: Formas de onda no circuito detector de zero detectado por osciloscópio: a) sinal
de referência na entrada, b) sinal nível TTL a ser lido pela placa de aquisição de dados
(SWINKA, 2000).
Este processo foi realizado através de uma placa protótipo de aquisição de dados
desenvolvida no CPGEI / CEFET-PR e adequada para análise de descargas parciais, com
barramento ISA dentro do gabinete de microcomputador Pentium 100, como é demonstrado
na Figura 52 (a).
74
a)
b)
Figura 52: Montagem da placa de aquisição de dados no microcomputador: a) montagem da
placa de aquisição de dados do microcomputador, b) microcomputador.
3.1.4. Análise e geração das distribuições estatísticas das descargas parciais
A análise e geração das distribuições estatísticas das descargas parciais foram
realizadas utilizando dois softwares e dois computadores. Primeiramente foi utilizado um
micro computador Pentium 100 Hz, 32 MB memória RAM como mostra a Figura 52 (b),
onde foi realizada a armazenagem do sinal de saída do filtro suavizador como mostra a Figura
50, pelo software Registrador de Sinais de DP como mostra a Figura 53, desenvolvido em
ambiente Windows 95 no compilador Borland C++ Builder 4.
Figura 53: Interface do software Registrador de Sinais de DP.
Depois foi utilizado um segundo microcomputador Pentium 4, 2.8 MHz, 256 MB de
memória RAM, para realizar a análise e geração das distribuições estatísticas das descargas
parciais, neste microcomputador foi desenvolvido um software denominado Análise de
75
Descargas Parciais mostrado na Figura 54, este software foi desenvolvido em ambientai
Windows XP no compilador Borland C ++ Builder 4.
Figura 54: Interface do software Análise de Descargas Parciais.
A utilização de dois computadores para estas análises foi realizada devido ao
barramento ISA da placa de aquisição de dados, sendo que somente os computadores mais
antigos o possuem e as placas mais atuais possuem este barramento somente para utilizações
específicas, e também pela velocidade de processamento do sinal que no computador Pentium
100 seria muito demorado.
A descrição do funcionamento dos softwares desenvolvidos para aquisição e análise
das descargas parciais em cabos isolados está contida no ANEXO A.
3.1.5. Calibração do analisador de descargas parciais
Para a calibração do analisador de descargas parciais foram utilizados dois
equipamentos geradores de descargas parciais:

Calibrador de descargas parciais portátil Enraf;

Gerador de pulso de calibração DAC-CP-2, Soken.
76
O calibrador de descargas parciais portátil Enraf, possui 4 escalas fixas de pulsos de 5
pC, 50 pC, 500 pC e 5.000 pC de 1μs. O equipamento possui um sistema de sincronismo com
a rede através das oscilações de intensidade luminosa produzidas por lâmpadas fluorescentes
de acordo com a freqüência da rede, disparando as descargas na variação do ciclo positivo
para o negativo ou do negativo para o positivo da fase, são disparadas cerca de duas descargas
parciais por ciclo, como é demonstrado na Figura 55.
Figura 55: Descargas parciais de 50 pC, com 4.000 picos do gerador de descargas parciais
Enraf, detectados em 1.000 ciclos de 60 Hz pelo software Análise de Descargas Parciais.
Geralmente as fases de alimentação das tomadas de força são diferentes das fases da
iluminação dos ambientes, com isso, para ajustar a ocorrência de descarga foi introduzido no
software o ajuste de ângulo de fase sendo de 0º, 120º e 240º.
O gerador de pulsos para calibração Soken, possui 3 escalas variáveis de pulso de 0 a
100 pC, 0 a 1.000 pC e de 0 a 10.000 pC de 1μs, o equipamento não possui um sistema de
sincronismo de fase gerando descargas em pontos aleatórios dos ciclos da fase (Figura 56).
Figura 56: Descargas parciais de 50 pC, com 846 picos do gerador de descargas parciais
Soken, detectados em 1.000 ciclos de 60 Hz pelo software Análise de Descargas Parciais.
Para geração das descargas parciais os geradores de pulso injetam pulsos em paralelo
ao corpo-de-prova. Desta forma é possível adquirir as distribuições dos pulsos e realizar os
77
devidos ajustes. A Figura 57 mostra o diagrama esquemático da ligação do gerador de
descargas parciais ao circuito.
Figura 57: Circuito para calibração dos pulsos de descargas parciais.
Foram injetados pulsos de 0 a 10 nC sendo verificadas e calibradas as devidas
amplitudes de descargas parciais no software Análise de Descargas Parciais (Figura 54). Nas
Figura 58 a Figura 62 são mostrados os pulsos utilizados para calibração.
Figura 58: Descargas Parciais de 5 pC do gerador de descargas parciais Enraf, detectados em
1.000 ciclos de 60 Hz pelo software Análise de Descargas Parciais no ganho 1.
Figura 59: Descargas Parciais de 50 pC do gerador de descargas parciais Enraf, detectados
em 1.000 ciclos de 60 Hz pelo software Análise de Descargas Parciais no ganho 1.
78
Figura 60: Descargas Parciais de 500 pC do gerador de descargas parciais Enraf, detectados
em 1.000 ciclos de 60 Hz pelo software Análise de Descargas Parciais no ganho 2.
Figura 61: Descargas Parciais de 5.000 pC do gerador de descargas parciais Enraf, detectados
em 1.000 ciclos de 60 Hz pelo software Análise de Descargas Parciais no ganho 3.
Figura 62: Descargas Parciais de 10.000 pC do gerador de descargas parciais Soken,
detectados em 1.000 ciclos de 60 Hz pelo software Análise de Descargas Parciais no ganho
4.
79
3.1.6. Preparação dos corpos-de-prova para o ensaio de ruptura dielétrica por tensão aplicada
pontual
Para realização dos ensaios foram preparados corpos-de-prova de cabos de XLPE e
EPR, como é mostrado na Figura 63, sendo adicionado vaselina em suas extremidades para
diminuir as descargas superficiais que possam ocorrer entre o eletrodo e o condutor.
Figura 63: Preparação do corpo-de-prova para o ensaio de ruptura dielétrica pontual.
Nas determinações do ensaio de ruptura foram preparados e identificados 8 corpos-deprova de cabo isolado XLPE e 2 corpos-de-prova de cabo isolado EPR com aproximadamente
11 mm de comprimento cada conforme mostra a Figura 63.
Os ensaios de ruptura dielétrica por tensão aplicada pontual em cabos isolados foram
realizados com tensão alternada de freqüência 120 Hz e temperatura ambiente. Foi aplicada
uma tensão V0 (fase-terra) entre o eletrodo introduzido na isolação e o condutor do corpo-deprova até a perfuração de 9,7 kV para cabos com isolação em XLPE e de 13,8 kV para cabos
com isolação em EPR.
As distribuições estatísticas das descargas parciais até a ruptura dielétrica das amostras,
foram geradas pelo software desenvolvido Análise de Descargas Parciais. Com os dados
gerados por este software foi possível analisar a evolução das descargas parciais até a ruptura
do cabo pelo software Microsoft EXEL 2003.
80
3.2. DESENVOLVIMENTO DA ANÁLISE DO CAMINHO DE RUPTURA DIELÉTRICA
POR TOMOGRAFIA 2D E 3D
Os procedimentos de análise do caminho de ruptura dielétrica foram iniciados após os
ensaios de ruptura dielétrica pontual, onde foram realizadas tomografias 2D e 3D dos corposde-prova. Para obtenção de melhor contraste do caminho de ruptura dielétrica os corpos-deprova foram cortados e os condutores internos foram retirados como mostra a Figura 64.
b)
a)
Figura 64: Preparação do corpo-de-prova para a análise tomográfica: a) corpo-de-prova após
ruptura dielétrica pontual, b) corpo-de-prova preparado para análise tomográfica.
Para melhorar o contraste das projeções especialmente no ponto do caminho de
ruptura dielétrica dos corpos-de-prova analisados, foram também realizados cortes na região
do furo (Figura 65).
a)
b)
Figura 65: Preparação do corpo-de-prova para a análise tomográfica do furo da ruptura
dielétrica: a) corpo-de-prova EPR, b) corpo-de-prova XLPE.
No processo de geração das 180 projeções necessárias para a realização das
tomografias foram utilizados dois sistemas de tomografia computadorizada: a) sistema de
radiografia digital portátil RDP e b) sistema de radiografia por câmera fotográfica. Ambos os
81
sistemas de radiografia utilizam fontes de raios X com controle e métodos de aquisição
distintos.
Para reconstrução tomográfica a partir das projeções adquiridas foi produzido um
software que possibilitou o processamento das projeções e a reconstruções tomográficas 2D e
3D, utilizando alguns tipos de filtros no domínio espacial e da freqüência e ferramentas de
segmentação de imagens e reconstrução 3D, buscando uma melhor qualidade na análise das
imagens reconstruídas.
3.2.1 Sistema de radiografia digital portátil RDP.
Para aquisição das projeções, foi utilizado o sistema de Radiografia Digital Portátil
(RDP) do laboratório de Tomografia Industrial do LACTEC. Este aparelho possui um gerador
de raios X microfoco, modelo PXS5-722SA (KVEX X-Ray Inc.), mostrado na Figura 66, que
possui as seguintes características:

Tamanho do foco: 10µ x 10µ m²;

Alvo de tungstênio;

Faixa de tensão: 20 a 70 kV;

Faixa de corrente: 0 a 0,1 mA;

Material da janela: Berílio;

Diâmetro: 9,4 mm;

Espessura: 0,13 mm;

Grau de iluminação do cone de raios X: 34 graus;

Alimentação do tubo: 12 V DC;

Massa: 3,2 kg.
Figura 66: Gerador de raios X fabricante KVEX X-Ray Inc.
Para o controle da energia e corrente do feixe é utilizado o painel de controle RDP,
mostrado na Figura 67, confeccionado pelo laboratório de Tomografia Industrial do
82
LACTEC. Este sistema foi adaptado à mesa giratória do sistema de tomografia industrial
Gilardoni CT2000, o qual é mostrado na Figura 68.
Figura 67: Painel de controle do gerador de raios X RDP fabricante LACTEC.
Figura 68: Mesa giratória utilizada no sistema RDP.
Para detecção das projeções geradas pelo feixe de raios X é utilizado o detector de
raios X do modelo Hammatsu CT7942, mostrado na Figura 69 com as seguintes
características:

ão espacial da imagem: 2344 x 2240 pixels;

ão em profundidade (saída digital): 12 bits (4096 níveis de cinza);


frames/s (4 x 4 binning);
Placa de Aquisição (framegrabber) modelo: NI/IMAQ PCI-1422.
83
Figura 69: Detector de raios X fabricante HAMMATSU.
Para o controle da aquisição das projeções e o controle da mesa giratória foram
utilizados dois microcomputadores interligados por uma porta serial, onde o micro
computador PC1 controla o micro computador PC2 para acionar o motor da mesa giratória.
Após o término do giro o PC2 manda um sinal para o PC1 liberando-o para aquisição da
projeção por meio do detector de raios X, após a aquisição das projeções desejadas recomeça
o ciclo de controle. O sistema de interação dos computadores com o sistema de aquisição de
raios X está demonstrado no diagrama da Figura 70.
Figura 70: Diagrama de controle de aquisição das projeções do sistema RDP.
3.2.2 Sistema de radiografia por câmera fotográfica
Para aquisição das projeções, foi produzido um protótipo de aquisição de projeções de
raios X. Este sistema utilizou o gerador de raios X do sistema de tomografia industrial
Gilardoni CT2000, mostrado na Figura 71, que possui as seguintes características:
84

Minifoco de 0,4 x 0,4 mm2;

Alvo de tungstênio;

Faixa de tensão: 10 a 160 kV;

Faixa de corrente: 0 a 10 mA;

Potência máxima: 640 W.
Figura 71: Diagrama de controle de aquisição das projeções do sistema RDP.
O controle realizado da energia e corrente do feixe de raios X foi realizado pela
unidade de controle do tomografo industrial Gilardoni CT2000, como é mostrado na Figura
67. Este sistema foi adaptado a mesa giratória do sistema de tomografia industrial Gilardoni
CT2000, que esta demonstrado na Figura 71.
O software desenvolvido de controle da aquisição das projeções pela câmera
fotográfica, o controle da mesa giratória e visualização das projeções em tempo real,
demonstrado na Figura 72, foi desenvolvido pelo compilador Borland Builder C++ 4, e
utilizado no micro computador PC2.
85
Figura 72: Software desenvolvido de controle da aquisição das projeções.
Após o pressionar o botão aquisição, o PC2 manda um sinal de giro da mesa giratória
em graus estipulados, no fim do giro da mesa giratória o PC2 manda um sinal a câmera
fotográfica liberando a aquisição da projeção, no fim do sinal para aquisição das projeções
começa uma contagem estipulada de no mínimo 5 segundos para que seja feito a aquisição
desejada, ao finalizar da contagem é enviado outro sinal de rotação para mesa giratória
recomeça o ciclo de controle. O software de controle da aquisição das projeções esta
demonstrado no diagrama da Figura 73.
Figura 73: Diagrama do software de controle da aquisição das projeções.
Para a detecção das projeções geradas pelo feixe de raios X foi confeccionado uma
unidade protótipo de aquisição que foi subdividido em cinco componentes:

Caixa de proteção de feixes de raios X;
86

Ecran;

Espelho refletor;

Câmera fotográfica digital;

Controle da câmera fotográfica.
3.2.2.1. Caixa de proteção dos feixes de raios X
A unidade protótipo de aquisição das projeções de raios X foi montada em uma caixa
de madeira, revestida internamente com chumbo, conforme Figura 74 e Figura 75.
Figura 74: Caixa de proteção dos feixes de raios X.
Esta caixa foi montada de forma que não ocorra à exposição direta do CCD da câmera
fotográfica digital com os feixes de raios X. Na porta da caixa foi realizado um corte de 16 x
13 cm para que o feixe de raios X não seja atenuado na madeira (Figura 75).
87
Figura 75: Detalhes da caixa de proteção dos feixes de raios X.
3.2.2.2. Ecran
Os feixes de raios X que formam as projeções não podem ser vistos pelo olho humano,
nem por equipamentos de captura de imagem, tais como a câmera fotográfica digital. Para a
transformação dos feixes de raios X em luz visível foi utilizada o Ecran (Figura 75). O Ecran
contém fósforo o qual interagindo com os raios X emite luz de acordo com a intensidade do
feixe (ALGRANTI, 1986).
Existem alguns tipos de Ecran, as quais são divididas de acordo com sua velocidade:

Lentas: de detalhe, de alta resolução, de ultra detalhe, standart;

Médias: universais, velocidade média, gerais, velocidade par;

Rápidas: rápidas, alta velocidade, muito rápidas.
Neste trabalho foram utilizados dois tipos de Ecran, a de velocidade média e de
velocidade lenta, demonstrados na Figura 76.
88
a)
b)
Figura 76: Projeções de objetos metálicos: a) utilizando Ecran de média velocidade (90 kV 5
mA), b) utilizando Ecran de velocidade Lenta (80 kV 6 mA).
3.2.2.3. Espelho refletor
Ao utilizar a Ecran como meio de transformação dos feixes de raios X em luz visível,
os feixes de raios X também são atenuados pela Ecran, mas no todo, uma grande parcela dos
feixes ultrapassam a Ecran atingindo o CCD da câmara fotográfica. Desta forma foi utilizado
um espelho refletor da luz em uma posição de 45 para que a câmera fotográfica ficasse
protegida pelo chumbo, como mostra a Figura 77.
a)
b)
Figura 77: Detalhes da caixa de proteção dos feixes de raios X, a) Visão frontal interna, b)
Visão superior interna.
Para que o espelho refletor ficasse na posição de 45 foi construído um suporte em
acrílico como mostra a Figura 78.
89
Figura 78: Suporte para o espelho refletor.
Geralmente os espelhos são fabricados cobrindo a região posterior do vidro com
alumínio, provocando algumas alterações nas projeções de raios X como mostra a Figura 79.
Figura 79: Alteração da projeção de raios X.
Desta forma aproveitando a superfície plana e sem defeitos grosseiros do espelho, foi
aplicada uma película de alumínio na parte superior do espelho, mostrado na Figura 80, com o
equipamento AUTO 306 R7D Coating System do fabricante EDWARDS, obtendo uma
imagem adequada das projeções de raios X.
90
Figura 80: Espelho refletor.
3.2.2.4. Câmera fotográfica digital
Para a aquisição das projeções refletidas pelo espelho foi utilizada uma câmera
fotográfica Olympus C-700, com Zoom 10x e 2.1 Megapixel, mostrada na Figura 81. As
projeções adquiridas são de alta qualidade, no tamanho de 1600 x 1200 pixels e no formato
*.JPG. As imagens obtidas foram armazenadas em uma memória SmartMedia de 128 Mb.
Figura 81: Câmera fotográfica utilizada na captura das projeções de raios X.
Como a ruptura dielétrica possui uma largura abaixo de 1 mm foi necessário utilizar
uma lente macro modelo MCON-40 do fabricante Olympus, como mostra a Figura 82. Com a
lente macro foi possível obter pixels de 30 ± 4 m.
91
Figura 82: Lembre macro para a câmera fotográfica.
3.2.2.5. Controle da câmera fotográfica
O controle da câmera fotográfica foi realizado através do microcomputador PC2
(Figura 67), que captura sinal de vídeo da câmera fotográfica através da placa de captura de
vídeo da marca PixelView para verificação do posicionamento e do foco do material a ser
radiografado, o PC2 também realiza o controle da câmera fotográfica pelo circuito de
controle via porta paralela, demonstrado na Figura 83.
Figura 83: Circuito de controle via porta paralela da câmera digital.
O controle da câmera fotográfica foi realizado utilizando 4 saídas digitais da porta
paralela do PC2, acionando os relés RL que atuam os comandos da câmera fotográfica. O
circuito esquemático do controle da câmera fotográfica está demonstrado na Figura 84.
92
Figura 84: Circuito esquemático de controle da câmera fotográfica digital.
3.2.3 Software de reconstrução de imagens tomográficas 2D e 3D
A reconstrução tomográfica 2D e 3D foi realizada através do software CT 1.1
Tomografia Computadorizada mostrado na Figura 85, desenvolvido em ambientai Windows,
utilizando o compilador Borland Builder C++ 6.0.
Figura 85: Logotipo de abertura do software CT 1.1.
O software CT 1.1 será descrito em 4 etapas que são:
93

Aquisição de fatias;

Reconstrução tomográfica 2D

Análise tomográfica 2D e 3D;

Edição de imagens.
3.2.3.1. Aquisição de fatias
Ao acionar o software CT 1.1, aparecerá a janela destacando a aba Aquisição de
Fatias. Para adquirir as fatias que serão usadas na reconstrução tomográfica é necessário abrir
a primeira projeção através do caminho da barra de atalho Adquirir Fatias/Abrir primeiro
quadro que também contém os botões Mostrar todos os quadros e Adquirir Projeções.
Acionando o botão aparecerá uma janela pedindo qual a forma de numeração das projeções.
Ao abrir o primeiro quadro sendo imagens *.JPG ou *.BMP, o programa verifica
automaticamente o número de quadros existentes no diretório e atualiza o campo Projeções.
O botão Mostrar todos os quadros permite visualizar todas as radiografias armazenadas,
apresentando o objeto sendo rotacionado. A seleção da(s) fatia(s) pode ser realizada utilizando
o mouse ou digitando as coordenadas esquerda, superior, direita e inferior da seleção. Os
campos Fatias e Pontos apresentam o número de fatias e de pontos contidos na área
selecionada.
E por fim, clica-se no botão Adquirir Projeções para iniciar a coleta das projeções.
Ao acionar o botão abrir-se-á uma janela onde deve ser informado em que local será salvo as
fatias e qual será o nome destas fatias, sendo que todos serão escritos em extensão *. SLC e
numeradas. Será criado um arquivo de dados das fatias em extensão *. SLC que conterá o
número de projeções, o tamanho em pixels das fatias, a quantidade de fatias e o valor máximo
e mínimo em níveis de cinza de todas as projeções para cálculos futuros.
Neste processo, o software adquire e armazena os pixels contidos na região
selecionada de todas as radiografias. Os dados do arquivo resultante possuem o formato
matricial separados por espaço e linhas, em que todas as projeções da fatia são distribuídas
conforme a seqüência em cada linha do arquivo. Também serão atualizados os campos
Projeções, Fatias e Tempo de aquisição. A etapa de aquisição das fatias é demonstrada no
diagrama da Figura 86.
94
Figura 86: Diagrama da etapa de aquisição das fatias.
Ao finalizar a tarefa será acionada uma janela pedindo se deseja realizar a tomografia
das imagens ou não; se for pressionado o Sim será acionada a aba Reconstrução
tomográfica 2D e finalizará a tarefa de aquisição das fatias; se for acionado o Não o
programa finalizará a tarefa de aquisição de fatias.
3.2.3.2. Reconstrução tomográfica 2D
Para realizar a reconstrução tomográfica deve ser acionado a aba Reconstrução
tomográfica 2D. Nesta etapa é possível selecionar o modo do feixe de raios X, realizar
ajustes e filtros no senograma das fatias, podendo também ser realizados ajustes e filtros nas
tomografias, processos de segmentação nas tomografias, analisar e salvar dados das ações
realizadas para a reconstrução da tomografia, como mostra a Figura 87.
95
Figura 87: Imagem da aba Reconstrução tomográfica 2D.
O processo da reconstrução tomográfica 2D, inicia-se pela abertura do arquivo dados
das fatias (*.SLC) produzido na aquisição das fatias, esta ação é realizada pelo botão de atalho
ou pelo botão que esta na barra de atalhos Tomografia 2D/Abrir *.SLC.
Após a seleção do arquivo é necessário selecionar os tipos de filtro que serão
utilizados. Os filtros são realizados no domínio espacial e da freqüência no senograma para
realçar o contraste dos elementos e eliminar os ruídos que venham a atrapalhar na
reconstrução tomográfica. Este processo é demonstrado no Capitulo 2.3.3. Finalizando a
seleção dos filtros pode ser ajustado o tipo de segmentação que será realizada, se for
necessário, sendo elas:

Limiarização delimitada;

Limiarização Global;

Limiarização de níveis de cinza Horizontal (no máximo 9 níveis);

Limiarização de níveis de cinza Vertical (no máximo 13 níveis);

Morfologia;

Operações matemáticas;

Detectores de borda.
96
Para o ajuste da tomografia, o software possui o algoritmo de centralização automática
que é realizado através da massa do objeto. Caso este algoritmo não for eficiente pode ser
utilizado o modo manual através do ajuste do fator de centralização.
No ajuste do feixe para a reconstrução tomográfica pode ser utilizada a reconstrução
em feixe paralelo ou a reconstrução em feixe em cone, possuindo este ajustes na distância do
objeto até o detector e na distância da fonte até o detector.
Todos estes ajustes podem ser realizados cada um de uma vez, em uma fatia
selecionada na caixa de texto Número de fatias e pressionando o botão de atalho Ajuste na
barra de atalhos Tomografia 2D / Ajuste da Tomografia.
Terminando o ajuste da tomografia aparecerá uma janela perguntando se deseja fazer a
tomografia ou retornar aos ajustes. Se for pressionado o Sim será realizada a reconstrução
tomográfica das fatias selecionadas, salvado os dados dos ajustes realizados em um arquivo
previamente nomeado com extensão *.DAT e salvando as tomografias reconstruídas com
extensão *.JPG ou *.BMP. Se for pressionado o Não será possível realizar novos ajustes na
imagem tomográfica reconstruída, bem como, verificar as formas da distribuição de massa no
senograma na aba Dados da tomografia 2D. Esses dados bem como a tomografia ajustada
poderão ser salvos através do caminho Tomografia 2D/ Salvar ajustes como mostra a Figura
88.
Figura 88: Salvar ajustes.
De acordo com o tamanho do objeto na tomografia, pode ser selecionado a área do
objeto que deseja analisar, o qual oferecerá um aumento na visualização da imagem no local
selecionado, aumentando a velocidade da reconstrução por diminuir o tamanho da matriz de
reconstrução.
A etapa de reconstrução tomográfica 2D está demonstrada no diagrama da Figura 89.
97
Figura 89: Diagrama da etapa de reconstrução tomográfica 2D.
3.2.3.3. Análise tomográfica 2D e 3D
Para análise das tomografias foi desenvolvido no software CT 1.1 a visualização 3D
das imagens 2D reconstruídas. Essa etapa utilizou os recursos fornecidos pela biblioteca de
visualização de imagens VTK (Visualization ToolKit) versão 5.0.3 (KITWARE, 2004), como
mostra a Figura 90.
Figura 90: Imagem da aba Análise de tomográfica 2D e 3D.
98
Para a manipulação das imagens 2D a biblioteca VTK apresentou uma grande
variedade de recursos para reconstrução de objetos 3D. Estes recursos possibilitaram a
manipulação 3D das imagens 2D, o processamentos das imagens utilizando filtros no domínio
da freqüência e no domínio espacial bem como recursos de segmentação utilizando
algoritmos de renderização de superfície e algoritmos de renderização volumétrica.
O processo de manipulação de imagens foi dividido em duas etapas:

Visualização e manipulação de imagens 2D;

Visualização e manipulação de seqüências de imagens 2D em 3D;
A visualização e manipulação de imagens 2D pode ser realizada em imagens com
extensão BMP, JPG, PNG e TIFF utilizando filtros e algoritmos de rotação, translação e
ferramentas redimensionamento.
Nesta etapa foi utilizado o método de elevação, sendo uma visualização 3D de uma
imagem 2D. Este método auxilia na comparação das tomografias reconstruídas, possibilitando
a percepção dos gradientes de tons de cinza da imagem, como é mostrado na Figura 91.
a)
b)
c)
d)
Figura 91: Imagens tomográficas de um phantom digital, a) Tomografia com filtro Ram-Lak,
b) Tomografia com filtro Sheep-Logan, c) Tomografia com filtro Ram-Lak com elevação de
10 %, d) Tomografia com filtro Sheep-Logan com elevação de 10 %.
99
A visualização e manipulação de seqüências de imagens 2D em 3D pode ser realizada
em imagens com extensão BMP, JPG, PNG e TIFF utilizando filtros e algoritmos de rotação,
translação e ferramentas redimensionamento.
Nesta etapa foram utilizados 3 métodos de visualização 2D e 3D:

Método de visualização de planos de fatias nos eixos x, y e z;

Método de visualização do nível de cinza de imagem 3D pelo algoritmo Marching
Cubes;

Método de renderização volumétrica de imagem 3D pelo algoritmo Ray Casting.
3.2.3.3.1. Visualização de planos de fatias
O método de visualização de planos de fatias nos eixos x, y e z, como mostrado na
Figura 92, possibilita analisar os efeitos dos filtros de processamento e segmentação de
imagens, localização do objeto para análise de forma manual, adquirir as tonalidades dos
níveis de cinza do objeto e também obter uma noção de como é o objeto em forma e
densidade, como mostrado na Figura 93.
100
Figura 92: Método de visualização de planos de fatias.
O método de visualização dos planos de fatias também permite a interação do usuário
nas imagens em movimentação dos eixos x, y e z modificando o tamanho e as posições de
visualização da imagem 3D, como mostra a Figura 93.
101
Figura 93: Demonstração do método de visualização de planos de fatias.
3.2.3.3.2. Visualização do nível de cinza de imagem 3D
O método de visualização do nível de cinza de imagem 3D utiliza o algoritmo
Marching Cubes. Este método possibilita a localização da superfície da imagem 3D
correspondente ao valor especificado do nível de cinza, como mostra a Figura 94.
102
Figura 94: Método de visualização do nível de cinza.
Este método também possui o controle da opacidade da superfície selecionada e do
ângulo das intersecções do algoritmo Marching Cubes possibilitando a alteração dos ângulos
dos triângulos da superfície, como mostra a Figura 95.
a)
b)
Figura 95: Demonstração da tomografia da ruptura dielétrica de um cabo XLPE pelo método
de visualização do nível de cinza, a) Tomografia com 1º de interação, b) Tomografia com
270º de interação.
103
3.2.3.3.3. Visualização renderização volumétrica de imagem 3D
O método de renderização volumétrica de imagem 3D utiliza o algoritmo Ray Casting.
Este método possibilita renderizar todo o volume de uma imagem 3D percorrendo todos os
pixels da imagem, determinando o nível de cinza e a opacidade de cada um através do disparo
de um raio que atravessa o volume dos objetos, com mostra a Figura 96.
Figura 96: Método de visualização do nível de cinza.
O método de renderização volumétrica permite a manipulação dos níveis de cinza,
delimitando faixas de visualização através da opacidade e dos valores de cinza especificados,
essa ferramenta é exemplificada na Figura 97.
100
90
Opacidade (%)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
40
80
120
160
200
240
Níveis de cinza (n)
Figura 97: Ajuste da opacidade e do nível de cinza para a visualização volumétrica.
104
O exemplo da Figura 97, mostra o processo da renderização do volume, onde os níveis
de cinza de 0 a 40 não serão renderizados, os níveis de cinza de 40 a 80 serão renderizados
com uma variação de opacidade de 10 a 80 %, os níveis de cinza de 80 a 160 serão
renderizados com uma variação de opacidade de 80 a 90 %, os níveis de cinza de 160 a 200
serão renderizados com uma variação de opacidade de 90 a 10 % e os níveis de cinza de 200 a
255 serão renderizados com uma opacidade de 10%.
3.2.3.4. Edição de imagens
Para o processamento das projeções e das tomografias 2D, foi desenvolvido a etapa de
Edição de imagens. Esta etapa tem como objetivo a eliminação de ruídos fixos e aleatórios
das imagens. É utilizado o filtro da mediana e ajuste da imagem através do algoritmo de
esticar o histograma. O filtro da mediana deve ser utilizado com cautela, pois pode eliminar
informações importantes para a reconstrução tomográfica 2D e 3D. Além dos filtros, são
utilizados métodos de transformação geométrica e recorte das imagens, como mostra a Figura
98.
Figura 98: Imagem da aba de Edição de imagens.
105
O processamento das imagens é realizado em uma imagem ou uma seqüência de
imagens 2D. O redimensionamento deve ser definido nas caixas de texto, e o corte das
imagens deve ser realizado selecionando na imagem o local que será recortado.Devem ser
definidas a seqüência em que realizará as transformações de ambos os métodos.
A eliminação de ruídos fixos utiliza técnicas de subtração da imagem escura ou branca
e a correção do campo luminoso (HAMAMATSU, 2003). A técnica de subtração da imagem
escura utiliza uma projeção de raios X preta Ip(x,y) (imagem adquirida sem o feixe de raios X)
e as projeções de raios X adquiridas na tomografia Ior(x,y), essa técnica utiliza a equação (7).
I rs
I or ( x, y ) I p ( x, y )
(20)
Onde:

Ior(x,y) é a imagem original;

Ip(x,y) é a imagem preta;

Irs(x,y) é a imagem resultante da subtração.
Para corrigir os níveis de cinza da imagem Irs(x,y) é necessário realizar a equalização
do histograma como mostra a equação (21).
I rse ( x, y )
I rs ( x, y ) I min
nc
I max I min
(21)
Onde:

Irse(x,y) é a imagem resultante da equalização do histograma;

Imin é o menor valor de nível de cinza das imagens;

Imax é o maior valor de nível de cinza das imagens;

nc é o valor definido para a equalização dos níveis de cinza geralmente 255.
O resultado da técnica de subtração da imagem escura é demonstrado na Figura 99.
106
b)
a)
d)
c)
Figura 99: Resultado da técnica de subtração da imagem escura, a) Imagem original, .b)
Histograma da imagem original, c) Imagem resultante, d) Histograma da imagem resultante.
A técnica de subtração da imagem clara utiliza uma projeção de raios X branca Ib(x,y)
(imagem de raios X adquirida sem o objeto de análise) e as projeções de raios X adquiridas na
tomografia Ior(x,y), essa técnica utiliza a equação (22) e depois equalizadas pela equação (23).
I rsb
I or ( x, y ) I b ( x, y )
I rsbe ( x, y )
I rsb ( x, y ) I min
nc
I max I min
(22)
(23)
Onde:

Ib(x,y) é a imagem branca;

Irsb(x,y) é a imagem resultante da subtração;

Irsbe(x,y) é a imagem resultante da subtração equalizada.
O resultado da técnica de subtração da imagem escura é demonstrado na Figura 99.
107
b)
a)
Figura 100: Resultado da técnica de subtração da imagem branca: a) Imagem resultante, b)
Histograma da imagem resultante.
A técnica de correção do campo luminoso utiliza uma projeção de raios X preta Ip(x,y)
uma projeção de raios X branca Ib(x,y) e as projeções de raios X adquiridas na tomografia
Ior(x,y), essa técnica utiliza a equação (24) e a constante c é definida pela equação (25).
Ic
c
I rs ( x, y )
.c
I b ( x, y ) I p ( x, y )
I b ( x, y ) I p ( x, y )
np
(24)
(25)
Onde:

Ic(x,y) é a imagem com correção do campo luminoso;

c constante da média.
Devido algumas imagens possuírem uma grande quantidade de ruídos que interferem
no cálculo da constante, foi elaborado um caixa de texto para definir o valor da constante. A
Figura 101 mostra a diferença entre as imagens de correção do campo luminoso e a imagem
original.
108
a)
b)
c)
d)
Figura 101: Resultado da técnica de correção do campo luminoso: a) Imagem resultante com
coeficiente calculado, b) Histograma da imagem resultante com coeficiente calculado, c)
Imagem resultante com coeficiente definido, d) Histograma da imagem resultante com
coeficiente definido.
109
CAPÍTULO 4
4. RESULTADOS
4.1. ANÁLISE DO ENSAIO DE RUPTURA DIELÉTRICA POR TENSÃO APLICADA
PONTUAL COM ANÁLISE DE DESCARGAS PARCIAIS
As análises da geração das distribuições estatísticas das descargas parciais até a ruptura
dielétrica do cabo isolado XLPE está mostrada na Figura 102, Figura 103 e Figura 104.
Na Figura 102 é mostrada a distribuição das ocorrências das descargas parciais pelo
ângulo de fase no corpo-de-prova do cabo XLPE. Estas distribuições são referentes as leituras
realizadas a cada 30 minutos, sendo que a leitura 170 foi realizada depois de 5 minutos de
ensaio. A leitura 18508 foi realizada depois de 10 horas de ensaio. A leitura 140009 foi
realizada depois de 77 horas de ensaio A leitura 340331 foi realizada depois de 189 horas de
ensaio e a leitura 579231 foi realizada depois de 321 horas de ensaio.
Figura 102: Distribuição das ocorrências das descargas parciais pelo ângulo de fase no corpode-prova do cabo XLPE.
110
Na Figura 103, é mostrado a distribuição das ocorrências das descargas parciais pela
carga no corpo-de-prova do cabo XLPE, que chegou ao valor máximo de cerca de 27 nC antes
da ruptura dielétrica.
Figura 103: Distribuição das ocorrências das descargas parciais pela carga no corpo-de-prova
do cabo XLPE.
Na Figura 104, é mostrada a distribuição estatística das ocorrências pelo ângulo de fase
e carga no corpo-de-prova do cabo XLPE.
111
a)
c)
e)
b)
d)
f)
Figura 104: Distribuição estatística das ocorrências pelo ângulo de fase e pelas descargas
parciais no corpo-de-prova do cabo XLPE, a) Leitura 5119, b) Leitura 18508, c) Leitura
140009, d) Leitura 340331, e) Leitura 579231.
A análise das distribuições estatísticas das descargas parciais até a ruptura dielétrica do
cabo isolado EPR está mostrada na Figura 105, Figura 106 e Figura 107.
Na Figura 105 é mostrada a distribuição das ocorrências das descargas parciais pelo
ângulo de fases no corpo-de-prova do cabo EPR. Estas distribuições são referentes às leituras
realizadas a cada 30 minutos, sendo que a leitura 510 foi realizada manualmente depois de 17
minutos de ensaio, a leitura 59121 foi realizada depois de 32 horas de ensaio, a leitura 107702
foi realizada depois de 59 horas de ensaio, a leitura 152383 foi realizada depois de 84 horas
de ensaio e a leitura 177365 foi realizada depois de 98 horas de ensaio.
112
Figura 105: Distribuição das ocorrências das descargas parciais pelo ângulo de fase no corpode-prova do cabo EPR.
Na Figura 106, é mostrado a distribuição das ocorrências das descargas parciais pela
carga no corpo-de-prova do cabo EPR, que chegou ao valor máximo de cerca de 8 nC antes
da ruptura dielétrica.
Figura 106: Distribuição das ocorrências das descargas parciais pela carga no corpo-de-prova
do cabo EPR.
Na Figura 107, é demonstrada a distribuição estatística das ocorrências pelo ângulo de
fase e pelas descargas parciais no corpo-de-prova do cabo EPR.
113
b)
a)
c)
d)
e)
f)
Figura 107: Distribuição estatística das ocorrências pelo ângulo de fase e pelas descargas
parciais no corpo-de-prova do cabo EPR, a) Leitura 17, b) Leitura 59121, c) Leitura 107702,
d) Leitura 152383, e) Leitura 177365.
114
4.2. ANÁLISE DO CAMINHO DE RUPTURA DIELÉTRICA POR TOMOGRAFIA 2D E
3D
4.2.1 Visualização da ruptura por radiografia digital
Primeiramente foi utilizado o sistema de radiografia digital portátil RDP para verificar
se era possível visualizar o caminho de ruptura dielétrica através de filmes de radiográficos, se
não fosse possível visualizar este caminho ruptura pela radiografia seria difícil visualizar por
tomografia 2D ou 3D. O filme radiográfico utilizado foi o Periapical, ultra-speed DF-58,
tamanho 2 do fabricante KODAK.
Na Figura 108, pode ser visualizada a ruptura dielétrica através do filme radiográfico.
Figura 108: Radiografias da ruptura dielétrica do corpo-de-prova do cabo XLPE: a) Com
eletrodo, b) Sem eletrodo.
Para a geração das radiografias mostradas na Figura 108 foi utilizada uma energia de 13
kV com corrente de 100 μA em um tempo de integração de 5 minutos. Para a revelação o
filme foi imerso no revelador da KODAK CAT 156 2826 em um tempo de 3 minutos. Após a
revelação o filme foi limpo com água destilada e novamente emerso no fixador da KODAK
CAT 861 0248 durante 2 minutos e limpo com água destilada. Todo este processo foi
realizado em temperaturas de 20 a 25 °C.
Após a visualização da ruptura dielétrica pelo filme radiográfico, foi iniciado o processo
de tomografia através do sistema de radiografia por câmera fotográfica.
115
4.2.2 Número de projeções para reconstrução tomográfica
De acordo com a transformada de Radon descrito na equação (13) e o teorema da
retroprojeção é observado que a reconstrução deve ser realizada em com infinitas projeções,
incrementadas a cada projeção um ângulo d . Para melhores aproximações de imagens
tomográficas 2D, deve ser obtido um grande número de projeções e consequentemente um
menor ângulo entre cada projeção (PIEKARZ, 2006).
A Figura 109, mostra imagens tomográficas reconstruídas com diferentes números de
projeções, sendo que, na Figura 109 (a) pode ser observado o objeto, mas com muitos
artefatos. Na Figura 109 (b) pode ser visto o objeto definindo alguns detalhes, mas a
tomografia apresenta alguns artefatos e na Figura 109 (c) pode ser visto o objeto definindo
alguns detalhes, apresentando uma grande diminuição nos artefatos.
a)
b)
c)
Figura 109: Tomografias com filtro de freqüência Hamming do corpo-de-prova do cabo EPR
com diferentes ângulos: a) Com 45 projeções, b) Com 90 projeções, c) Com 180 projeções .
Reconstruções tomográficas com incremento de ângulo inferiores podem gerar imagens
melhores, todavia, é possível verificar que alguns ruídos e artefatos não apresentam redução
alterando o incremento do ângulo de 2° para 1°. Com o aumento do número de projeções o
tempo de aquisição das projeções é muito longo, podendo vir a danificar o equipamento.
Desta forma, as tomografias foram realizadas com incremento angular de 1°, ou seja, 180
projeções.
116
4.2.3 Filtros e ajustes do senograma
Como já descrito no item (2.2.2.4), a filtragem do senograma busca uma maior
definição e equalização dos elementos da imagem. Neste trabalho foi utilizado três tipos de
filtros no domínio espacial, sendo eles: Mediana, Passa-baixa e Passa-Alta. Também foram
utilizados quatro tipos de filtros no domínio espacial tipo window, que são: Ram-Lak, SheepLogan, Hanning e Hamming. Estes filtros são usados pela equação (6), e para locais
selecionados na tomografia foram utilizados dois ajustes no senograma, sendo eles:
Equalização do histograma e Contraste Local.
Nos filtros do domínio espacial foram utilizadas máscaras de dimensão 3x3, para não
alterar dados significativos das tomografias. A Figura 110 mostra as variações dos filtros no
domínio espacial.
a)
b)
c)
d)
Figura 110: Senograma com filtros no domínio espacial: a) Original e b) Filtro Mediana, c)
Filtro Passa-Alta, d) Filtro Passa-Baixa.
Realizando-se alguns testes entre os filtros foi verificado que a melhor seqüência de
filtros no domínio espacial seria filtrar a imagem primeiramente com o filtro da Mediana
117
eliminando ruídos e falhas entre os pixels e utilizar o filtro Passa-baixa para diminuir os
ruídos que venham a interferir na reconstrução tomográfica como mostra a Figura 111.
a)
b)
Figura 111: Seqüência de filtros no domínio espacial no senograma: a) Original, b) Com
filtros da Mediana e Passa-baixa.
Ao selecionar uma área na tomografia para que a mesma seja reconstruída, como
descrito no item (3.5.3.2), pode ser utilizado os recursos de ajuste do histograma do
senograma aumentando o contraste na tomografia. Os ajustes são demonstrados na Figura
112. Nestas análises foi verificado que ao utilizar o método de Estica Histograma junto do
método Contraste local em imagens com baixa percepção do objeto, obteve-se imagens com
bastante nitidez sendo possível identificar tal objeto.
118
a)
b)
c)
d)
Figura 112: Ajustes no senograma: a) Com filtros espaciais, b) Com filtros e ajuste Estica
histograma, c) Com filtros e ajuste Contraste Local, d) Com filtros e ajuste de Estica
histograma e Contraste Local.
Os métodos de ajustes no senograma possuem melhor desempenho em objetos com
localização definida na tomografia, pois esses métodos podem aumentar as distorções
sobrepondo dados relevantes da tomografia.
Após o ajuste dos filtros no domínio espacial e definições dos ajustes no histograma do
senograma, foram realizados análises com filtros no domínio da freqüência.
119
A Figura 113 mostra o senograma com filtro Ram-Lak.
a)
b)
Figura 113: Senograma com filtro Ram-Lak: a) Original, b) Com filtro Ram-Lak.
A Figura 114 mostra senogramas com filtro Sheep-Logan.
a)
k= 2,142
b)
k = 2,155
c)
k = 2.167
d)
Figura 114: Senograma com filtro Sheep-Logan, (a) original, (b), (c) e (d) com filtro SheepLogan.
120
A Figura 115 mostra senogramas com filtro Hanning.
a)
k = 0,5
b)
k = 1,7
c)
Figura 115: Senograma com filtro Hanning, (a) original, (b) e (c)com filtro Hanning.
A Figura 116 mostra senogramas com filtro Hamming.
a)
k= 0,5100
b)
k = 0,4998
c)
Figura 116: Senograma com filtro Hamming, a) original, (b), e (c) com filtro Hamming.
121
4.2.4 Reconstrução tomográfica 2D utilizando o sistema de radiografia por câmera
fotográfica.
Inicialmente foi utilizado um phantom de acrílico demonstrado na Figura 117, para
verificar o contraste ideal na realização das projeções de raios X nas amostras de cabo XLPE,
variando a energia e a corrente da fonte de raios X.
Figura 117: Phantom utilizado para verificar o contraste ideal das projeções.
O phantom mostrado na Figura 117, possui degraus L de 2 mm cada e um comprimento
total LT de 14 mm. Para avaliar o contraste ideal foi verificada a atenuação dos raios X em
cada degrau do phantom buscando o maior percentual de variação entre os degraus.
Na verificação da energia foi realizadas 10 radiografias de 20 a 110 kV com uma
corrente máxima da fonte de 6 mA devido a alguns problemas técnicos como mostra a Figura
118.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
Figura 118: Radiografias do Phantom para verificar o contraste ideal variando a energia: a)
Radiografia em 20 kV, b) Radiografia em 30 kV, c) Radiografia em 40 kV, d) Radiografia em
50 kV, e) Radiografia em 60 kV, f) Radiografia em 70 kV, g) Radiografia em 80 kV, h)
Radiografia em 90 kV, i) Radiografia em 100 kV, j) Radiografia em 110 kV.
122
Nas imagens da Figura 118, foram adquiridas 5 linhas de cada radiografia do phantom
de modo que fosse possível realizar a comparação entre os degraus. Como o nível de ruído
das linhas era elevado foi aplicado o filtro da mediana com uma janela 5 x 5 possibilitando
uma adequação dos níveis de cinza. Essas linhas são mostradas no gráfico da Figura 119.
Níveis de cinza (n)
a
200
20 kV
30 kV
40 kV
50 kV
60 kV
70 kV
80 kV
90 kV
100 kV
110 kV
160
120
80
40
0
1
90
179 268 357 446 535 624 713 802 891 980 1069 1158 1247 1336 1425 1514
Pixels (n)
Figura 119: Gráfico das radiografias com variação da energia.
Para a comparação dos degraus com variação da energia, as radiografias foram
equalizadas pela equação (23) em uma escala percentual como mostra a Figura 120.
Req ( x, y )
onde:

Rori ( x, y ) Rmin
100
Rmax Rmin
Rori(x,y) é a radiografia original;

Req(x,y) é a radiografia equalizada;

Rmin(x,y) é o menor nível de cinza da radiografia;

Rmax(x,y) é o maior nível de cinza da radiografia.
(26)
123
100,00
90,00
20 kV
30 kV
40 kV
50 kV
60 kV
70 kV
80 kV
90 kV
100 kV
110 kV
80,00
70,00
(%)
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
1
93
185 277 369 461 553 645 737 829 921 1013 1105 1197 1289 1381 1473
Pixels (n)
Figura 120: Gráfico das radiografias equalizadas com variação da energia.
Após equalizar as radiografias, foi selecionado o ponto médio de cada degrau como
mostra a Figura 121.
90,00
80,00
20 kV
30 kV
40 kV
50 kV
60 kV
70 kV
80 kV
90 kV
100 kV
110 kV
70,00
(%) .
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
1
2
3
4
5
6
7
Degraus
Figura 121: Gráfico do ponto médio dos degraus das radiografias com variação da energia.
Realizada a seleção do ponto médio foi comparada a variação percentual dos degraus
das projeções como mostra a Figura 122, a comparação dos degraus foi realizada pela
equação de contraste (27).
124
c
Lmax
Lmax
Lmin
.100
Lmin
(27)
onde:

Lmin é o menor nível de cinza a ser avaliado o contraste;

Lmax é o maior nível de cinza a ser avaliado o contraste;

c é o contraste entre os dois pontos avaliados (%).
100,0
90,0
80,0
30 kV
40 kV
50 kV
60 kV
70 kV
80 kV
90 kV
100 kV
110 kV
(%)
70,0
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
(L2-L1)
(L3-L2)
(L4-L3)
(L5-L4)
(L6-L5)
(L7-L6)
Relação de contraste
Figura 122: Gráfico de comparação das radiografias com variação da tensão.
De acordo com a Figura 122, as tensões que oferecem maior contraste para a captura
das projeções pela câmera fotográfica de objetos mais espessos são as ≥ 70 kV. Desta forma
para a realização da comparação do contraste variando o nível de corrente foi definida a
energia de 90 kV.
Na verificação da corrente foram realizadas 10 radiografias de 1 a 6 mA como mostra a
Figura 123.
125
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Figura 123: Radiografias do Phantom para verificar o contraste ideal variando a corrente: a)
Radiografia com 1 mA, b) Radiografia com 2 mA, c) Radiografia com 3 mA, d) Radiografia
com 4 mA, e) Radiografia com 5 mA, f) Radiografia com 6 mA.
Nas imagens da Figura 123, foram adquiridas 5 linhas de cada radiografia do phantom
de modo que fosse possível realizar a comparação entre os degraus, como o nível de ruído das
linhas era elevado foi aplicado o filtro da mediana com uma janela 5 x 5 possibilitando uma
adequação dos níveis de cinza. Essas linhas são mostradas no gráfico da Figura 124.
180
160
Níveis de cinza (n)
140
1 mA
2 mA
3 mA
4 mA
5 mA
6 mA
120
100
80
60
40
20
0
1
86
171 256 341 426 511 596 681 766 851 936 1021 1106 1191 1276 1361 1446
Pixels (n)
Figura 124: Gráfico das radiografias com variação da corrente.
Para a comparação dos degraus com variação da corrente, as radiografias foram
equalizadas pela equação (23) em uma escala percentual como mostra a Figura 125.
126
120,00
100,00
1 mA
2 mA
3 mA
4 mA
5 mA
6 mA
(%)
80,00
60,00
40,00
20,00
0,00
1
89
177 265 353 441 529 617 705 793 881 969 1057 1145 1233 1321 1409 1497
Pixels (n)
Figura 125: Gráfico das radiografias equalizadas com variação da corrente.
Após equalizar as radiografias, foi selecionado o ponto médio de cada degrau como
mostra a Figura 126.
90,00
80,00
70,00
1 mA
2 mA
3 mA
4 mA
5 mA
6 mA
(%)
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
1
2
3
4
5
6
7
Degraus
Figura 126: Gráfico do ponto médio dos degraus das radiografias com variação da corrente.
Realizada a seleção do ponto médio foi comparada a variação percentual dos degraus
das projeções como mostra a Figura 127. A comparação dos degraus foi realizada utilizando a
equação de contraste (27).
127
100,00
90,00
80,00
(%)
70,00
1 mA
2 mA
3 mA
4 mA
5 mA
6 mA
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
(L2-L1)
(L3-L2)
(L4-L3)
(L5-L4)
(L6-L5)
(L7-L6)
Relação de contraste
Figura 127: Gráfico de comparação das radiografias com variação da corrente.
De acordo com a Figura 127, as correntes que oferecem maior contraste para a captura
das projeções pela câmera fotográfica de objetos mais espessos são de ≥ 5 mA.
Como o contraste depende da variação de energia pela corrente foram realizadas
tomografias variando a energia e deixando a corrente, no patamar máximo que a fonte
oferecia. Desta forma, foram realizadas tomografias de 70, 80 e 90 kV. Essas tomografias
utilizaram a técnica de retroprojeção filtrada, com variação de vários filtros no domínio da
freqüência.
As tomografias de 70 kV com corrente de 6,5 mA, filtradas com o filtro Ram-Lak, estão
demonstradas na Figura 128.
128
a)
b)
c)
Figura 128: Tomografias de 70 kV com filtro Ram-Lak do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma.
As tomografias de 70 kV com corrente de 6,5 mA, filtradas com o filtro Sheep-Logan
estão demonstradas na Figura 129.
129
a)
b)
c)
Figura 129: Tomografias de 70 kV com filtro Sheep-Logan do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma.
As tomografias de 70 kV com corrente de 6,5 mA, filtradas com o filtro Hanning estão
demonstradas na Figura 130.
130
k = -0,7
a)
k = -0,7
b)
k = 1,7
c)
Figura 130: Tomografias de 70 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro.
As tomografias de 70 kV com corrente de 6,5 mA, filtradas com o filtro Hamming,
estão demonstradas na Figura 130.
131
k = 0,5010
a)
k = 0,5010
b)
k = 0,4998
c)
Figura 131: Tomografias de 70 kV com filtro Hamming do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro.
As tomografias de 80 kV com corrente de 6,5 mA, filtradas com o filtro Ram-Lak, estão
demonstradas na Figura 132.
132
a)
b)
c)
Figura 132: Tomografias de 80 kV com filtro Ram-Lak do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma.
As tomografias de 80 kV com corrente de 6,5 mA, filtradas com o filtro Sheep-Logan,
estão demonstradas na Figura 133.
133
a)
b)
c)
Figura 133: Tomografias de 80 kV com filtro Sheep-Logan do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma.
As tomografias de 80 kV com corrente de 6,5 mA, filtradas com o filtro Hanning, estão
demonstradas na Figura 134.
134
k = -0,7
a)
k = 0,7
b)
k = 1,7
c)
Figura 134: Tomografias de 80 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro.
As tomografias de 80 kV com corrente de 6,5 mA, filtradas com o filtro Hamming estão
demonstradas na Figura 135.
135
k = 0,5010
a)
k = 0,5002
b)
k = 0,4998
c)
Figura 135: Tomografias de 80 kV com filtro Hamming do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro.
As tomografias de 90 kV com corrente de 6,5 mA, filtradas com o filtro Ram-Lak, estão
demonstradas na Figura 136.
136
a)
b)
c)
Figura 136: Tomografias de 90 kV com filtro Ram-Lak do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma.
As tomografias de 90 kV com corrente de 6,5 mA, filtradas com o filtro Sheep-Logan,
estão demonstradas na Figura 137.
137
a)
b)
c)
Figura 137: Tomografias de 90 kV com filtro Sheep-Logan do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma.
As tomografias de 90 kV com corrente de 6,5 mA, filtradas com o filtro Hanning, estão
demonstradas na Figura 138.
138
k = -0,7
a)
k = 0,7
b)
k = 1,7
c)
Figura 138: Tomografias de 90 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro.
As tomografias de 90 kV com corrente de 6,5 mA, filtradas com o filtro Hamming,
estão demonstradas na Figura 139.
139
k = 0,5010
a)
k = 0,5002
b)
k = 0,4998
c)
Figura 139: Tomografias de 90 kV com filtro Hamming do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro.
Como pode ser observado nas tomografias da Figura 128 a Figura 139, as tomografias
do corpo-de-prova do cabo EPR que obtiveram melhor resultado foram as projeções
adquiridas com maior energia (90 kV). Em algumas destas tomografias foi possível visualizar
com maior nitidez o ponto onde foi perfurada a amostra para inserção do eletrodo.
Pode ser observado na Figura 132 (b) e Figura 136 (b) as reconstruções tomográficas do
corpo-de-prova do cabo EPR que utilizaram o filtro Ram-Lak obtiveram resultados de
variação do nível de cinza conforme a atenuação dos feixes de raios X visualizada nas
projeções, mas com um baixo contraste entre as densidades. No filtro Sheep-Logan
apresentou resultados semelhantes ao filtro Ram-Lak, mas com contraste mais elevado entre
as densidades dos materiais como pode ser observado na Figura 133 (b) e Figura 137 (b).
Utilizando as técnicas de ajuste no senograma junto com os filtros Ram-Lak e Sheep-Logan
foi observado um grande aumento de contraste nas regiões de variação de densidade, mas
perdendo as características dos níveis de cinza das projeções como pode ser observado na
Figura 132 (c), Figura 136 (c), Figura 133 (c) e Figura 137 (c).
140
Na reconstrução utilizando o filtro Hanning, pode se observar que as tomografias do
corpo-de-prova do cabo EPR não tiveram um contraste elevado como mostra a Figura 134 (a)
e Figura 138 (a), no entanto, variando o fator k pode-se observar uma maior variação entre as
densidades, porem perdendo-se as características dos níveis de cinza das projeções e
acentuando os ruídos como mostra a Figura 134 (c) e Figura 138 (c).
Semelhante ao filtro Hanning as tomografias do corpo-de-prova do cabo EPR com o
filtro Hamming não tiveram um contraste elevado como mostra a Figura 135 (a) e Figura 139
(a). Variando o fator k foi observada uma maior variação entre as densidades, mas perdendo
as características dos níveis de cinza das projeções, as tomografias apresentaram ruídos menos
acentuados que no filtro Hanning como mostra a Figura 135 (c) e Figura 139 (c).
Nas reconstruções tomográficas do corpo-de-prova do cabo EPR com os filtros
Hanning e Hamming utilizando as técnicas de ajuste no senograma, observou-se variação de
contraste das densidades, porém com uma elevação acentuada dos ruídos como mostra a
Figura 134 (b), Figura 135 (b), Figura 138 (b) e Figura 139 (b).
No do corpo-de-prova do cabo XLPE não foi possível visualizar o caminho de ruptura
dielétrica devido a elevação de ruído com o aumento do tempo de integração na captura da
imagem pela câmera fotográfica.
4.2.5 Reconstrução tomográfica 2D utilizando o sistema de radiografia digital portátil RDP.
Na realização das tomografias em corpos-de-prova do cabo XLPE e EPR pelo sistema
de radiografia digital portátil RDP, inicialmente para verificar qual intensidade do feixe de
raios X ideal, foram realizadas projeções com diversos níveis de energia e corrente da fonte
de raios X. A energia mais adequada foi a de 60 kV, com corrente de 100 µA e um tempo de
integração de 10 segundos.
Para um ajuste nas projeções foi utilizada a técnica de correção do campo luminoso com
filtro da mediana, A comparação entre as projeções é demonstrada na Figura 140.
141
a)
b)
Figura 140: Projeções do cabo XLPE e EPR em 60 kV e 100 100 µA: a) Sem correção, b)
Com correção.
Para a reconstrução tomográfica foram utilizados filtros no domínio da freqüência, as
tomografias filtradas com o filtro Ram-Lak estão demonstradas na Figura 141 e Figura 142.
a)
b)
c)
Figura 141: Tomografias de 60 kV com filtro Ram-Lak do corpo-de-prova do cabo
XLPE: a) Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma.
142
a)
b)
c)
Figura 142: Tomografias de 60 kV com filtro Ram-Lak do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma.
As tomografias filtradas com o filtro Sheep-Logan estão demonstradas na Figura 143 e
Figura 144.
143
a)
b)
c)
Figura 143: Tomografias de 60 kV com filtro Sheep-Logan do corpo-de-prova do cabo
XLPE: a) Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma.
144
a)
b)
c)
Figura 144: Tomografias de 60 kV com filtro Sheep-Logan do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Sem filtro, b) Com filtro, c) Com filtro e ajustes no senograma.
As tomografias filtradas com o filtro Hanning estão demonstradas na Figura 145 e
Figura 146.
145
k = -0,7
a)
k = 0,7
b)
k = 1,7
c)
Figura 145: Tomografias de 60 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo
XLPE: a) Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro.
146
k = -0,7
a)
k = 0,7
b)
k = 1,7
c)
Figura 146: Tomografias de 60 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro.
As tomografias filtradas com o filtro Hamming estão demonstradas na Figura 147 a
Figura 148.
147
k = 0,5010
a)
k = 0,5002
b)
k = 0,4998
c)
Figura 147: Tomografias de 60 kV com filtro Hamming do corpo-de-prova do cabo
XLPE: a) Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro.
148
k = 0,5010
a)
k = 0,5002
b)
k = 0,4998
c)
Figura 148: Tomografias de 60 kV com filtro Hamming do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Com filtro, b) Com filtro e ajustes no senograma, c) Com filtro.
Pode ser observado na Figura 141 (b) e Figura 142 (b), que as reconstruções
tomográficas do corpo-de-prova do cabo XLPE e EPR que utilizaram o filtro Ram-Lak
obtiveram resultados de variação do nível de cinza conforme a atenuação dos feixes de raios
X visualizada nas projeções, mas com um baixo contraste entre as densidades. No filtro
Sheep-Logan apresentou resultados semelhantes ao filtro Ram-Lak, mas com contraste mais
elevado entre as densidades dos materiais como pode ser observado na Figura 143 (b) e
Figura 144 (b). Utilizando as técnicas de ajuste no senograma junto com os filtros Ram-Lak e
Sheep-Logan foi observado um grande aumento de contraste nas regiões de variação de
densidade, mas perdendo as características dos níveis de cinza das projeções como pode ser
observado na Figura 141 (c), Figura 142 (c), Figura 143 (c) e Figura 144 (c), Observou-se
149
também um aumento acentuado da deformação do objeto afetando a sua formação na
reconstrução 3D.
Na reconstrução em que se utilizou o filtro Hanning, pode ser observado que as
tomografias do corpo-de-prova do cabo XLPE e EPR não tiveram um contraste elevado como
mostra a Figura 145 (a) e Figura 146 (a), mas com a variação do fator k obteve um contraste
adequado como mostra a Figura 145 (c) e Figura 146 (c). Como foi utilizado o fator k para
elevar o contraste do objeto, foram perdidas as características dos níveis de cinza das
projeções e acentuado os ruídos.
Semelhante ao filtro Hanning as tomografias do corpo-de-prova do cabo XLPE e EPR
com o filtro Hamming não tiveram um contraste elevado como mostra a Figura 147 (a) e
Figura 148 (a). Variando o fator k foi observada uma maior variação entre as densidades, mas
perdendo as características dos níveis de cinza das projeções. As tomografias, portanto,
apresentaram ruídos de menor intensidade que no filtro Hanning como mostra a Figura 147
(c) e Figura 148 (c).
Nas reconstruções tomográficas do corpo-de-prova do cabo XLPE e EPR com os filtros
Hanning e Hamming utilizando as técnicas de ajuste no senograma apresentaram variação de
contraste das densidades, mas com uma elevação acentuada dos ruídos e deformação do
objeto, como mostra a Figura 145 (b), Figura 146 (b), Figura 147 (b) e Figura 148 (b).
4.2.6 Segmentação das reconstruções tomográficas 2D
Na segmentação foram utilizadas as seqüências de técnicas descritas no item (2.2.3).
Esses métodos auxiliam na identificação de formas do objeto e definição de objetos
intrínsecos na tomografia.
Nas Figura 149 a Figura 152, é mostrado a tomografia 2D do corpo-de-prova do cabo
EPR adquirida com uma energia de 60 kV e com uma corrente de 100 μA e um tempo de
integração de 10 segundos utilizando o sistema de radiografia digital portátil RDP e
reconstruída com o filtro Hanning com fator k = -1,03.
150
a)
b)
c)
d)
Figura 149: Tomografias de 60 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Imagem original, b) imagem limiarizada com barra e realização da morfologia de
dilatação e fechamento, c) Imagem da diferença da imagem (a) e (b), d) Histograma da
limiarização.
a)
b)
c)
d)
Figura 150: Tomografias de 60 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo EPR: a)
Imagem original, b) imagem com limiarização global e realização da morfologia de
fechamento, c) Imagem da diferença da imagem (a) e (b), d) Histograma da diferença da
imagem (a) e (b).
151
a)
b)
c)
Figura 151: Tomografias de 60 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Imagem original, b) imagem com limiarização vertical com 9 níveis de cinza, c)
Histograma da imagem (a) limiarizada.
a)
b)
c)
Figura 152: Tomografias de 60 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo
EPR: a) Imagem original, b) imagem com limiarização horizontal com 9 níveis de quantidade
de tons de cinza, c) Histograma da imagem (a) limiarizada.
Na Figura 149 (b) foi utilizada o algoritmo de limiarização com barra para definir a
borda externa do objeto, junto com o algoritmo de morfologia dilatação e fechamento
diminuindo os ruídos indesejados do objeto, na Figura 149 (c) foi utilizado o algoritmo de
diferença subtraindo a imagem externa indesejada resultando no objeto desejado. Na Figura
150 (b) foi utilizada o algoritmo de limiarização global para definir as bordas do objeto, junto
152
com o algoritmo de morfologia fechamento diminuindo os ruídos externos do objeto
indesejados, na Figura 150 (c) foi utilizado o algoritmo de diferença subtraindo as bordas da
imagem destacando o objeto desejado. Na Figura 151 (b) foi utilizada o algoritmo de
limiarização vertical com 9 níveis de cinza definindo os objetos da imagem 2D. Na Figura
152 (b) foi utilizada o algoritmo de limiarização vertical com 9 níveis de cinza definindo os
objetos da imagem 2D.
Na segmentação utilizando o algoritmo de detecção de bordas Kirsch (Figura 153 b)
não foi possível identificar o objeto, pois o ruído foi muito intenso, utilizando o algoritmo de
detecção de bordas Sobel (Figura 153 c) foi possível identificar o objeto mas com muito
ruído, na segmentação utilizando o algoritmo de detecção de bordas Robson (Figura 153 a) foi
possível identificar o objeto mas com ruído, mostrando-se mais eficiente neste caso o
algoritmo Robson do que os algoritmos Kirsch e Sobel.
a)
b)
c)
Figura 153: Tomografias de 60 kV com filtro Hanning do corpo-de-prova do cabo EPR
com detector de borda: a) Robson, b) Kirsch, c) Sobel.
Para tomografias 2D os métodos de segmentação são bem úteis podendo identificar com
bastante clareza os elementos das imagens, porém, para as tomografia reconstruídas
seqüencialmente é mais complicado a sua realização pela variação de níveis de tom de cinza
máximos e mínimos e pela grande ocorrência de ruídos em alguns métodos.
4.2.7 Reconstrução tomográfica 3D.
Com as reconstruções tomográficas 2D realizadas foi efetuada a etapa de reconstrução
3D utilizando as métodos disponibilizados pela ferramenta VTK. Dentre os métodos de
processamento foram utilizados as variações dos filtros da Mediana, o filtro de Laplace e o
filtro Gaussian, e para a segmentação foi utilizado o filtro Sobel para definição de bordas. Na
153
visualização do caminho de ruptura dielétrica foram utilizados o algoritmo de renderização de
superfície Marching Cubes e o algoritmo de visualização volumétrica Ray Tracing.
Para auxiliar a existência do seguimento da ruptura dielétrica foi realizado a
reconstrução tomográfica utilizando o método de segmentação com o filtro Sobel como
mostra a Figura 154.
a)
b)
c)
Figura 154: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Hanning com fator
k = 1,7 do corpo-de-prova do cabo EPR: a) Vista X, b) Vista Y, c) Vista Z.
Na reconstrução tomográfica 3D mostrada na Figura 154, foi realizado o processamento
3D da tomografia com o filtro da Mediana em uma janela 3x3x9 que mostrou uma boa
eficiência na segmentação com o filtro Sobel.
Na construção das imagens tomográficas 3D do caminho de ruptura dielétrica utilizando
o algoritmo de visualização de superfície Marching Cubes e o algoritmo de visualização
volumétrica Ray Tracing, foi observado que com a utilização do filtro da Mediana em uma
janela não superior a 3x3x9 nas seqüências de imagens tomográficas 2D do caminho de
ruptura dielétrica obteve redução de ruídos adequada, não perdendo características relevantes
para a identificação do objeto na imagem 3D. Junto ao filtro da Mediana foi utilizado o filtro
Gaussian em janela 3D com desvio e fator em 10 %, suavizando os contornos nas seqüências
de imagens 2D obtendo resultados de visualização da imagem 3D satisfatórios. Desta forma
foi utilizados o filtro da Mediana em janela 3x3x9 e o filtro Gaussian com desvio de 10 % em
todas as construções de imagens 3D.
A Figura 155, Figura 156 e Figura 157 mostram as reconstruções tomografias 3D do
caminho de ruptura dielétrica do corpo-de-prova do cabo isolado EPR adquiridas com uma
154
energia de 90 kV e com uma corrente de 5 mA utilizando o sistema de radiografia por câmera
fotográfica.
a)
b)
c)
d)
Figura 155: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Hamming com fator k =
0,5010 e com ajustes do senograma do corpo-de-prova do cabo EPR: a) Vista X frontal, b)
Vista X posterior, c) Vista Z inferior e vista X posterior, d) Vista Z superior.
Na reconstrução tomográfica 3D do caminho de ruptura dielétrica mostrada na Figura
155, foi realizado o processamento 3D da tomografia com os filtros da Mediana em uma
janela 3x3x9 e o filtro Gaussian em janela 3D com desvio e fator em 10 %. Para a
visualização de superfície foi utilizado o algoritmo Marching Cubes no nível de cinza 55.
155
a)
b)
c)
d)
Figura 156: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Sheep-Logan e
com ajustes do senograma do corpo-de-prova do cabo EPR: a) Vista X frontal, b) Vista X
posterior, d) Vista Z inferior e vista X posterior , c) Vista Z Superior .
Na reconstrução tomográfica 3D do caminho de ruptura dielétrica mostrada na Figura
156, foi realizado o processamento 3D da tomografia com os filtros da Mediana em uma
janela 3x3x9 e o filtro Gaussian em janela 3D com desvio e fator em 10 %. Para a
visualização de superfície foi utilizado o algoritmo Marching Cubes no nível de cinza 108.
156
a)
b)
c)
d)
Figura 157: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Sheep-Logan e
com ajustes do senograma do corpo-de-prova do cabo EPR: a) Vista X frontal, b) Vista X
posterior, c) Vista Z inferior e vista Y lateral, d) Vista Z Superior.
Na reconstrução tomográfica 3D do caminho de ruptura dielétrica mostrada na Figura
157, foi realizado o processamento 3D da tomografia com os filtros da Mediana em uma
janela 3x3x9 e o filtro Gaussian em janela 3D com desvio e fator em 10 %. Para a
visualização de superfície foi utilizado o algoritmo Marching Cubes no nível de cinza 108 e
algoritmo de visualização volumétrica Ray Tracing com escala de nível de cinza 0 com 0 %
de visualização, 152 com 100 % de visualização e 154 com 0% de visualização.
A Figura 158, Figura 159, Figura 160 e Figura 161 mostram as reconstruções
tomográficas 3D do caminho de ruptura dielétrica do corpo-de-prova do cabo isolado XLPE e
EPR adquiridas com uma energia de 60 kV e com uma corrente de 100 μA e um tempo de
integração de 10 segundos utilizando o sistema de radiografia digital portátil RDP.
157
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Figura 158: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Hamming com
fator k = 0,4998 do corpo-de-prova do cabo EPR: a) Vista X frontal com 2 níveis de cinza, b)
Vista Y frontal com 2 níveis de cinza, c) Vista Y frontal e vista posterior X com 2 níveis de
cinza, d) Vista X frontal da ruptura dielétrica no isolante, e) Vista X frontal do caminho de
ruptura dielétrica na semicondutora f) Vista Z superior com 2 níveis de cinza.
Na reconstrução tomográfica 3D mostrada na Figura 158, foi realizado o processamento
3D da tomografia com os filtros da Mediana em uma janela 3x3x9 e o filtro Gaussian em
janela 3D com desvio e fator em 10 %. Para a visualização de superfície foi utilizado o
algoritmo Marching Cubes no nível de cinza 204 para localização da ruptura dielétrica do
material isolante EPR e 168 para localização da ruptura dielétrica da semicondutora.
158
a)
b)
d)
c)
e)
Figura 159: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Hamming com
fator k = 0,4998 do corpo-de-prova do cabo XLPE: a) Vista Y frontal do isolante, b) Vista X
frontal do isolante e semicondutora, c) Vista X posterior do isolante e semicondutora, d) Vista
Z inferior e vista X lateral, e) Vista Z Superior.
Na reconstrução tomográfica 3D mostrada na Figura 159, foi realizado o processamento
3D da tomografia com os filtros da Mediana em uma janela 3x3x9 e o filtro Gaussian em
janela 3D com desvio e fator em 10 %. Para a visualização de superfície foi utilizado o
algoritmo Marching Cubes no nível de cinza 231 para localização da ruptura dielétrica do
material isolante XLPE e 212 para localização da ruptura dielétrica da semicondutora.
159
a)
b)
c)
d)
Figura 160: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Hanning com fator
k = 1,7 do corpo-de-prova do cabo EPR: a) Vista X frontal do isolante, b) Vista X frontal do
isolante e semicondutora, c) Vista X frontal do isolante e semicondutora, d) Vista Z Superior.
Na reconstrução tomográfica 3D mostrada na Figura 160, foi realizado o processamento
3D da tomografia com os filtros da Mediana em uma janela 3x3x9 e o filtro Gaussian em
janela 3D com desvio e fator em 10 %. Para a visualização de superfície foi utilizado o
algoritmo Marching Cubes no nível de cinza 50 para localização da ruptura dielétrica do
material isolante EPR e 81 Figura 160 (b) e 73 Figura 160 (c) para localização da ruptura
dielétrica da semicondutora.
160
a)
b)
c)
d)
Figura 161: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Hanning com fator
k = 1,7 do corpo-de-prova do cabo XLPE: a) Vista Y frontal do isolante, b) Vista X frontal do
isolante, c) Vista Z inferior e vista Y frontal, d) Vista Z Superior.
Na reconstrução tomográfica 3D mostrada na Figura 161, foi realizado o processamento
3D da tomografia com os filtros da Mediana em uma janela 3x3x9 e o filtro Gaussian em
janela 3D com desvio e fator em 10 % , para a visualização de superfície foi utilizado o
algoritmo Marching Cubes no nível de cinza 57 para localização da ruptura dielétrica do
material isolante XLPE.
Para identificar as rupturas dielétricas foram realizadas tomografias nas amostras de
cabo XLPE e EPR injetando cloreto de bário (BaCl2) nas rupturas como mostra a projeção na
Figura 162, Figura 163 e Figura 164.
161
Figura 162: Gráfico das radiografias equalizadas com variação da energia.
a)
b)
c)
d)
Figura 163: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Hanning com fator
k = 1,7 do corpo-de-prova do cabo XLPE: a) Vista X frontal do isolante, b) Vista X posterior
do isolante, c) Vista Z inferior, d) Vista Z Superior.
Na reconstrução tomográfica 3D mostrada na Figura 163, foi realizado o processamento
3D da tomografia com os filtros da Mediana em uma janela 3x3x9 e o filtro Gaussian em
janela 3D com desvio e fator em 10 % , para a visualização de superfície foi utilizado o
algoritmo Marching Cubes no nível de cinza 162 para localização da ruptura dielétrica do
material isolante XLPE.
162
a)
b)
c)
d)
Figura 164: Visualização da Tomografia 3D reconstruída com filtro Hanning com fator
k = 1,7 do corpo-de-prova do cabo EPR: a) Vista X posterior do isolante, b) Vista X frontal do
isolante, c) Vista Z inferior e vista X frontal, d) Vista Z Superior.
Na reconstrução tomográfica 3D mostrada na Figura 164, foi realizado o processamento
3D da tomografia com os filtros da Mediana em uma janela 3x3x9 e o filtro Gaussian em
janela 3D com desvio e fator em 10 %. Para a visualização de superfície foi utilizado o
algoritmo Marching Cubes no nível de cinza 82 para localização da ruptura dielétrica do
material isolante EPR.
163
CAPÍTULO 5
5. DISCUSSÃO E CONCLUSÕES
5.1 ANÁLISE DOS RESULTADOS
O ensaio de ruptura dielétrica por tensão aplicada pontual foi desenvolvido de forma
que fosse possível detectar descargas parciais, na ordem de 1 pC. Nas normas referentes a
análise de descargas parciais (NBR 7286-1994; NBR 7287-1992; NBR 10299-1988) há
necessidade que os instrumentos de medição possam detectar descargas inferiores a 3 pC.
Desta forma, a instrumentação se encontra adequada ao método.
Na análise das distribuições estatísticas das descargas parciais detectadas no ensaio de
ruptura dielétrica por tensão aplicada pontual foi possível mensurar as variações da descarga
parcial no tempo, sendo possível verificar as distribuições estatísticas da ocorrência no ângulo
de fase pelo valor de carga da descarga parcial até a sua ruptura. Nestas análises verificou-se
que com a variação da temperatura ambiente, o comportamento das descargas era modificado
apresentando uma ocorrência de descargas maior em temperaturas mais elevadas e uma
ocorrência de descargas menor em temperaturas menores. Foi verificado que os eletrodos
utilizados no decorrer do ensaio estavam oxidando, necessitando de limpeza a cada 72 h.
O ensaio de ruptura dielétrica por tensão aplicada pontual com a análise das
distribuições estatísticas das descargas, não possibilitou a aquisição da última descarga parcial
antes da ruptura dielétrica total, necessitando um novo método para aperfeiçoar esta detecção
que pode ser de grande importância para avaliações futuras em materiais dielétricos.
Na distribuição estatística do ensaio foi possível verificar que os cabos isolados em
XLPE chegaram a um valor de carga pré-ruptura de 27 nC e os cabos isolados em EPR
chegaram a um valor de pré-ruptura de 8 nC. Estes valores podem ser utilizados como valores
máximos para futuras manutenções preditivas e corretivas dos cabos isolados.
O sistema desenvolvido de radiografia por câmera fotográfica e adaptado para
realização de tomografias, ofereceu tomografias que possibilitaram a visualização dos objetos
internos, utilizando o método de reconstrução por retroprojeção filtrada, sendo realizado a
filtragem do senograma no domínio espacial e da freqüência. Este sistema não demonstrou
164
uma eficiência na tomografia final, pois a câmera fotográfica não possibilitou um controle do
tempo de integração maior, que seria necessário para aquisição de projeções com contraste
ideal para as reconstruções tomográficas 2D e 3D.
As tomografias realizadas utilizando o sistema de radiografia digital portátil RDP,
também ofereceu tomografias 2D que possibilitaram a visualização dos objetos internos
utilizando o método de retroprojeção filtrada, sendo realizado a filtragem do senograma no
domínio espacial e da freqüência. Este sistema demonstrou uma eficiência na tomografia final
melhor que o sistema de radiografia por câmera fotográfica, mesmo com um tamanho de pixel
de 50 ± 1 μm maior que a radiografia por câmera fotográfica que possui um tamanho de pixel
de 30 ± 4 μm, esta eficiência foi por causa do controle do tempo de integração na aquisição
das projeções na tomografia, que possuem projeções com contraste ideal para as
reconstruções tomográficas 2D e 3D.
O software desenvolvido de reconstrução tomográfica CT 1.1 possibilitou a
manipulação das projeções para a reconstrução tomográfica com velocidade de 216 segundos
para a aquisição das 180 projeções com tamanho 700 x 200. Para a análise da reconstrução
tomográfica o software demorou cerca de 30 segundos para reconstruir uma tomografia de
700 x 700. Para a reconstrução seqüencial das tomografias com tamanho 700 x 700 o software
demorou cerca de 12 segundos por tomografia, com um tempo total de reconstrução das
tomografias 2D de 2475 segundos.
Na reconstrução tomográfica 3D por empilhamento das tomografias 2D, o software
demonstrou versatilidade na manipulação dos filtros 3D para o processamento da tomografia
3D e boa visualização dos objetos utilizando os métodos de visualização de bordas por
Marching Cubes e visualização de volume pelo método Ray Tracing.
Para a análise das arborescências elétricas e em água o método de tomografia por raios
X não mostrou eficiência devido ao tamanho dos canais das arborescências elétricas e em
água, e também pelo contraste das projeções, pois aumentando o tempo de integração para a
aquisição das projeções era aumentado o nível de ruídos na mesma, sobrepondo os objetos e
prejudicando no resultado final da tomografia 2D e 3D.
165
5.2 CONCLUSÕES
Foi desenvolvido o software Registrador de Sinais de DP e o software Análise de
Descargas Parciais para avaliação do comportamento das descargas parciais até a ruptura do
cabo isolado.
Foi demonstrada a técnica de preparação de amostra para a realização dos ensaios de
ruptura dielétrica.
Foi avaliado o comportamento da ruptura dielétrica pelo ensaio de ruptura dielétrica
por tensão aplicada pontual, onde foi acompanhado o comportamento da evolução das
descargas parciais até a ruptura das amostras de cabo isolado em XLPE e EPR.
Na técnica de visualização da ruptura dielétrica por tomografias 2D e 3D foi possível
de ser realizada devido ao sistema desenvolvido de radiografia por câmera fotográfica e pelo
sistema de radiografia digital portátil (RDP).
Com o desenvolvido o software Tomografia Computadorizada CT 1.1 que utiliza o
método de reconstrução tomográfica por retroprojeção filtrada, bem como o processamento,
segmentação e manipulação destas imagens, foi possível a reconstrução das tomografias 2D e
3D do caminho de ruptura dielétrica e analisar a morfologia do caminho de ruptura de cabos
isolados em XLPE e EPR a qual não existe referências na literatura.
5.3 TRABALHOS FUTUROS
Desenvolvimento de uma base para o sistema de tomografia RDP e para o sistema de
radiografia por câmera fotográfica, para alinhamento preciso da fonte de raios X, mesa
giratória e o detector de raios X, adequando o centro de rotação na projeção adquirida
minimizando os efeitos causados pela abertura do feixe em cone.
No sistema de radiografia por câmera fotográfica é necessário realizar a troca da
câmera fotográfica digital utilizada, por uma câmera com maior resolução em nível de
visualização macro, para que seja possível visualizar tomografias das ramificações das
arborescências, afim de, melhorar as análises e quantificações em estudos futuros. Também é
necessário melhorar a qualidade da geração das projeções pelo detector, utilizando uma Ecran
e filtros que possam produzir projeções com menor nível de ruído possível para a melhor
visualização do objeto nas tomografias.
166
Desenvolver algoritmo para reconstrução tomográfica que leve em consideração o
feixe em cone, pois a fonte de raios X apresenta uma abertura cônica, causando algumas
distorções nas tomografias mais distantes do feixe central utilizando o algoritmo de
reconstrução tomográfica com o feixe em leque.
Padronizar os filtros para a reconstrução tomográfica de tal forma que possa ser
caracterizadas as densidades dos objetos nas tomografias.
Realizar melhorias na aquisição descargas parciais no ensaio de ruptura dielétrica
pontual, para que seja possível verificar os níveis de descargas na pré ruptura do dielétrico.
Adequar a sistema de análise de descargas parciais para a realização de ensaios em
equipamentos externos ao gabinete de proteção blindado.
167
ANEXO A
O software Registrador de Sinais de DP descrito no diagrama de blocos Figura 165,
possui um botão Início onde possibilita adquirir uma seqüência de sinal armazenado no
arquivo de uma pasta compartilhada “C:\DP\Sequencia.DAT” e uma seqüência de referência
armazenada no arquivo da pasta compartilhada “C:\DP\Referencia.DAT” de 140.000 pontos
para análise das descargas parciais, demonstrando o tempo de leitura, armazenamento destes
pontos e quantas seqüências foram realizadas. O software também possibilita a aquisição de
dados seqüenciais pressionando o botão Seqüência, o software realizará a aquisição dos
dados até a leitura desses dados pelo software de Análise de Descargas Parciais ou a falta de
sinal de referência sinal 2.
Figura 165: Diagrama do software Registrador de Sinais de DP.
Ambos os softwares possuem uma interação na forma de máquina de estados
denominados Início 0 Ok, Início 1 Stop e Libera 2, onde suas funções são:

Estado Inicio 0 Ok - define o valor 0 no arquivo de uma pasta compartilhada
“C:\DP\Inicio.DAT” que libera o software Registrador de Sinais de DP para realizar o
armazenamento dos dados e desabilita o software Análise de Descargas Parciais para
análise desses dados;

Estado Início 1 Stop - define o valor 1 no mesmo arquivo de uma pasta compartilhada
“C:\DP\Inicio.DAT” que desabilita a aquisição de dados pelo software Registrador de
Sinais de DP e libera a aquisição dos dados para análise pelo software Análise de
Descargas Parciais;

Estado Libera 2 - define o valor 2 no mesmo arquivo de uma pasta compartilhada
“C:\DP\Inicio.DAT” que desabilita a aquisição de dados pelo software Análise de
Descargas Parciais e libera a aquisição dos dados pelo software Registrador de Sinais
168
de DP. Se ensaio sofrer alguma interrupção o mesmo ficará no estado valor 2 até que o
sinal de referência sinal 2 retorne ou seja efetuada a mudança do estado valor 2 para o
estado valor 0 manualmente;
O software Análise de Descargas Parciais descrito no diagrama de blocos Figura 166,
analisa as descargas parciais em sua amplitude, número de ocorrências ângulo de fase de sua
ocorrência. Para as verificações o software possui um botão Início que possibilita fazer a
análise de uma seqüência de sinal armazenado no arquivo de uma pasta compartilhada
denominado “Sequencia.DAT” e sua seqüência de referência armazenada no arquivo da pasta
compartilhada denominado “Referencia.DAT”. O software também possibilita a análise de
dados seqüenciais pressionando o botão Seqüência.
Figura 166: Diagrama do software Análise de Descargas Parciais.
O software contém filtros no domínio espacial e de freqüência os quais são: passa
baixa, passa alta, mediana e gaussiano, que possibilitam uma equalização do sinal
eliminando ruídos que venham a interferir no processo de análise de dados.
Para as determinações estatísticas o software pode analisar até 2000 ciclos com
freqüência de 120 Hz, com ganhos selecionados de:

Ganho 1 de 0 a 150 pC com a chave CH2 na posição de maior ganho e a chave CH1
desligada;
169

Ganho 2 de 0 a 3 nC com a chave CH2 na posição de menor ganho e a chave CH1
desligada;

Ganho 3 de 0 a 10 nC com a chave CH2 na posição de maior ganho e a chave CH1
ligada;

Ganho 4 de 0 a 30 nC com a chave CH2 na posição de maior ganho e a chave CH1
ligada.
Os ganhos 3 e 4 devem ser calibrados, pois ambos possuem ajustes distintos realizado
no potenciômetro de 10 k
demonstrado na Figura 45.
O software também disponibiliza ajuste do ângulo de fase verificando o tempo de cada
análise, o número de análises realizadas, a amplitude máxima de descargas, a quantidade de
descargas máximas e o números de descargas que ocorreram nestes ciclos. Todos estes dados
são salvos em arquivos *.DAT, previamente especificados, sendo que se for selecionado o
modo Seqüência o software salvará cada análise em um arquivo numerado denominado
“Matriz.DAT” em uma pasta previamente determinada e alguns dados das descargas e seus
filtros serão salvos em um arquivo numerado denominado “Dados e filtros.DAT”.
170
171
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Tomografia
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–SP,
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2003,
Disponível
http://www.lps.usp.br/~hae/psi2651/>, Acesso em: Novembro de 2006.
em:
<
177
RESUMO:
O propósito deste trabalho é avaliar as morfologias do caminho de ruptura dielétrica de
cabos isolados utilizando tomografia de raios X com reconstrução de imagens
bidimensionais e tridimensionais. Apesar de suas excelentes propriedades físicas e
químicas, tem sido observado que com o uso contínuo do cabo isolado em ambientes
úmidos, podem ocorrer degradações das propriedades isolantes do material polimérico, as
quais podem levar à prematura ruptura dielétrica, com isso, são realizados estudos para
avaliação de tais cabos. Amostras de cabos com isolamento em polietileno reticulado
(XLPE) e borracha de propileno etileno (EPR) envelhecidas em campo, foram submetidas a
processos de ruptura. Para a realização dos processos de ruptura foi desenvolvido um
arranjo experimental para indução em laboratório de caminhos de ruptura no isolamento de
cabos isolados. A evolução do processo de ruptura dielétrica foi acompanhada com um
analisador de descargas parciais desenvolvido para este trabalho. Após a ruptura das
amostras as mesmas foram analisadas utilizando tomografia de raios X. As imagens
tomográficas em 2D e 3D permitem avaliar as morfologias dos caminhos de ruptura
formados.
PALAVRAS-CHAVE
Cabos isolados, XLPE, EPR, tomografia e raios X.
ÁREA/SUB-ÁREA DE CONHECIMENTO
1.03.00.00 – 7 Ciências da Computação
1.03.03.05 – 7 Processamento Gráfico (Graphics)
1.03.04.03 – 7 Software Básico
3.04.00.00 – 7 Engenharia Elétrica
3.04.01.00 – 3 Materiais Elétricos
3.04.02.00 – 0 Medidas Elétricas, Magnéticas e Eletrônicas, Instrumentação
3.13.00.00 – 6 Engenharia Biomédica
3.13.02.00 – 9 Engenharia Médica
Ano 2008
Nº: 471