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B. Engenharias - 1. Engenharia - 8. Engenharia Elétrica

CARACTERIZAÇÃO DO EFEITO DO SOLO NA PROPAGAÇÃO DE DISTÚRBIOS ELETROMAGNÉTICOS EM LINHAS DE TRANSMISSÃO POLIFÁSICAS
Gustavo Chaves Picardi 1, 2
Lúcio Vagner Carvalho Neiva 1, 2
Naiara Figueiredo Duarte 1, 2
Ciby Kênia Rosa 1, 2
Marco Aurélio de Oliveira Schroeder 1, 2, 3
(1. Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / CEFET-MG; 2. Laboratório de Eletromagnetismo Aplicado e Controle de Processos Industriais; 3. Departamento Acadêmico de Engenharia Elétrica / DAEE)
INTRODUÇÃO:
As descargas atmosféricas constituem a principal causa de desligamentos não programados dos sistemas de energia elétrica. Segundo dados da CEMIG (Companhia Energética de Minas Gerais), aproximadamente 70% das interrupções no fornecimento de energia ocorridas no Estado de Minas Gerais são devidos às descargas atmosféricas que atingem diretamente os sistemas elétricos ou que, ao incidirem em suas proximidades, os solicitam através de induções de elevadas tensões. Ademais, o Estado de Minas Gerais apresenta um solo com valores de resistividade bastante elevados, alcançando em certas regiões valores superiores a 10.000 ohms.m! Estes valores influenciam significativamente a interação entre o campo eletromagnético e o solo subjacente. Portanto, o objetivo deste trabalho é apresentar uma metodologia de cálculo dos parâmetros longitudinal (resistência e indutância) e transversal (condutância e capacitância) de linhas de transmissão com a inclusão do efeito do solo, tendo em vista aplicação no cômputo de transitórios eletromagnéticos estabelecidos nas mesmas. Ênfase será dada aos transitórios oriundos da interação entre as linhas de transmissão e descargas atmosféricas diretas. Tendo em vista o quadro descrito, verifica-se a relevância do tema em investigação: a análise do efeito do solo nos parâmetros longitudinal e transversal de linhas de transmissão aéreas para cômputo do transitório eletromagnético originado da interação com descargas atmosféricas diretas.
METODOLOGIA:
A metodologia será baseada na aplicação sistemática das Equações de Maxwell (equações de campo eletromagnético) no sistema sob estudo - linha de transmissão aérea (casos monofásicos e trifásicos), descarga atmosférica (DA), ar e solo subjacente. Para o cômputo do efeito do solo e análise da penetração do campo eletromagnético no mesmo foram utilizados os métodos amplamente divulgados na literatura: R. Carson e A. Deri et al. As linhas de transmissão serão modeladas no domínio de fase e não no domínio modal. Assim, evita-se convolução (devido à transformação modal) e possível instabilidade numérica (devido à mode crossing - dois ou mais autovalores iguais, para algum valor particular de freqüência). Ademais, realizar-se-ão considerações sobre a modelagem da linha nos domínios do tempo e da freqüência. Foi realizada uma análise de sensibilidade da impedância longitudinal, admitância transversal, impedância característica e constante de propagação da linha de transmissão em função da freqüência e da resistividade do solo através do pacote computacional MATLAB®7.0. A faixa de freqüência considerada no estudo varia desde aquelas que caracterizam os curtos-circuitos até as associadas aos valores típicos das descargas atmosféricas (60 Hz a 1 MHz) e a resistividade do solo apresenta valores entre 100 e 10000 ohm.m (característicos do solo brasileiro).
RESULTADOS:
Os resultados deste estudo ilustram a grande influência do solo nos parâmetros das linhas de transmissão (LT). No caso dos parâmetros longitudinais a impedância (Zl) depende de três componentes: Impedância do solo (Zs), Impedância Interna (Zi) e Impedância Externa (Ze).  A impedância do solo é bastante significativa na faixa de freqüências industriais, atingindo valores de 35% da impedância própria (Zp) e cerca de 80% da impedância mútua (Zm). Já os parâmetros transversais são constituídos por duas componentes: Impedância do ar (efeitos capacitivos e condutivos) e pela impedância do solo. O efeito condutivo geralmente é desprezado para linhas de transmissão aéreas pelo fato do ar ser considerado um bom dielétrico. A contribuição da impedância do solo, neste caso, chega a 40% da Zp. Foram analisados também os principais parâmetros das LT’s (Impedância Característica - Zc e constante de propagação - g) e os resultados encontrados revelam uma significativa dependência dos mesmos em relação à resistividade do solo. A g é muito sensível à resistividade do solo para freqüências características das DA’s. O primeiro método a computar esse efeito do solo foi proposto por Carson. Esse método envolve séries infinitas de difícil convergência. Posteriormente, A. Deri propôs uma aproximação para o trabalho de Carson baseando-se em formulações matemáticas mais simples. Verificou-se que tal aproximação, para a faixa de freqüência analisada, apresenta resultados bastante próximos.
CONCLUSÕES:
As linhas de transmissão, devido às suas dimensões, são alvos de interações com distúrbios eletromagnéticos indesejados, que geram sobretensões no sistema elétrico. No estabelecimento de um surto eletromagnético através de uma linha de transmissão, a caracterização e quantificação do efeito do solo são de fundamental importância para o cômputo das ondas de tensão e corrente ao longo da mesma, uma vez que influencia diretamente as matrizes de impedância longitudinal e de admitância transversal da linha. Esta significativa influência se processa devido ao fato do solo ser um meio com perdas, numa posição intermediária entre condutor e dielétrico. Diversos estudos nas literaturas existentes (nacional e internacional) consideram o solo como um condutor elétrico perfeito. Com o trabalho visa-se o desenvolvimento de uma metodologia própria, para o cômputo do efeito do solo nos parâmetros longitudinal e transversal de linhas de transmissão, que supere as deficiências encontradas nos modelos existentes na literatura, uma vez que modelar a linha de transmissão considerando o solo subjacente como um condutor elétrico perfeito é fisicamente inconsistente. Pretende-se gerar uma contribuição que subsidie os algoritmos utilizados nas avaliações de desempenho de linhas de transmissão frente a descargas atmosféricas características do ambiente típico de Minas Gerais para o desenvolvimento de práticas mais adequadas de proteção dos equipamentos.
Instituição de fomento: Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica do CNPq (PIBIC).
Trabalho de Iniciação Científica  
Palavras-chave: Efeito do Solo; Descargas Atmosféricas; Linhas de Transmissão.
Anais da 58ª Reunião Anual da SBPC - Florianópolis, SC - Julho/2006