Avaliação dos limites de aplicação da teoria de linhas de transmissão para o cálculo de transitórios eletromagnéticos em cabos subterrâneos utilizando o FDTD
Autor(a) principal: | |
---|---|
Data de Publicação: | 2022 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFMG |
Texto Completo: | http://hdl.handle.net/1843/51203 https://orcid.org/0000-0001-6965-7826 |
Resumo: | Esta tese avalia a validade da teoria de linhas de transmissão para o cálculo de transitórios eletromagnéticos em sistemas de cabos subterrâneos. Por meio de uma metodologia rigorosa baseada na solução das equações de Maxwell em três dimensões utilizando o método de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD - Finite Difference Time-Domain method), investiga-se a validade de formulações desenvolvidas a partir da teoria de linhas de transmissão para o cálculo da impedância e da admitância associadas ao retorno pelo solo. Demonstra-se que a teoria de linhas de transmissão pode ser utilizada para simular transitórios eletromagnéticos em cabos subterrâneos mesmo que estes possuam comprimentos inferiores a 100 m e estejam imersos em solos de resistividade de até 1000 Ωm, situação na qual a validade dessa abordagem seria, em princípio, questionável. Os erros verificados com o emprego da teoria de linhas de transmissão são compatíveis com aplicações de engenharia, mas esta tem a vantagem de apresentar maior eficiência computacional e de ser de mais fácil implementação do que a estratégia de solução via FDTD. É demonstrada a importância da admitância do solo para a simulação de transitórios eletromagnéticos em cabos subterrâneos, especialmente para solos de alta resistividade e cabos de curta extensão. Além disso, confirma-se que a expressão proposta por Pollaczek, tradicionalmente utilizada em programas de cálculo de transitórios eletromagnéticos, não é suficientemente rigorosa para caracterizar os parâmetros de retorno pelo solo para sistemas de cabos subterrâneos multifásicos. Finalmente, é proposta uma fórmula aproximada para o cálculo da admitância do solo de sistemas de cabos subterrâneos que evita o cálculo das integrais impróprias presentes em expressões mais rigorosas disponíveis na literatura. Uma gama de análises é realizada com o intuito de avaliar e validar essa aproximação. Ao final, demonstra-se que a aproximação proposta, a despeito da sua simplicidade, leva a resultados compatíveis com aqueles obtidos por meio de formulações mais completas para cálculo de transitórios em cabos subterrâneos utilizando a teoria de linhas de transmissão e o método FDTD, porém de forma mais eficaz e sem perda significativa de exatidão. |
id |
UFMG_121d234004d882542a8369f405c5cb5c |
---|---|
oai_identifier_str |
oai:repositorio.ufmg.br:1843/51203 |
network_acronym_str |
UFMG |
network_name_str |
Repositório Institucional da UFMG |
repository_id_str |
|
spelling |
Alberto Resende De Contihttp://lattes.cnpq.br/2051626172679059Washington Luiz Araújo NevesAntonio Carlos Siqueira de LimaJaime Arturo RamírezFernando Henrique Silveirahttp://lattes.cnpq.br/7299241784918124Naiara Figueiredo Duarte2023-03-24T16:42:46Z2023-03-24T16:42:46Z2022-07-13http://hdl.handle.net/1843/51203https://orcid.org/0000-0001-6965-7826Esta tese avalia a validade da teoria de linhas de transmissão para o cálculo de transitórios eletromagnéticos em sistemas de cabos subterrâneos. Por meio de uma metodologia rigorosa baseada na solução das equações de Maxwell em três dimensões utilizando o método de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD - Finite Difference Time-Domain method), investiga-se a validade de formulações desenvolvidas a partir da teoria de linhas de transmissão para o cálculo da impedância e da admitância associadas ao retorno pelo solo. Demonstra-se que a teoria de linhas de transmissão pode ser utilizada para simular transitórios eletromagnéticos em cabos subterrâneos mesmo que estes possuam comprimentos inferiores a 100 m e estejam imersos em solos de resistividade de até 1000 Ωm, situação na qual a validade dessa abordagem seria, em princípio, questionável. Os erros verificados com o emprego da teoria de linhas de transmissão são compatíveis com aplicações de engenharia, mas esta tem a vantagem de apresentar maior eficiência computacional e de ser de mais fácil implementação do que a estratégia de solução via FDTD. É demonstrada a importância da admitância do solo para a simulação de transitórios eletromagnéticos em cabos subterrâneos, especialmente para solos de alta resistividade e cabos de curta extensão. Além disso, confirma-se que a expressão proposta por Pollaczek, tradicionalmente utilizada em programas de cálculo de transitórios eletromagnéticos, não é suficientemente rigorosa para caracterizar os parâmetros de retorno pelo solo para sistemas de cabos subterrâneos multifásicos. Finalmente, é proposta uma fórmula aproximada para o cálculo da admitância do solo de sistemas de cabos subterrâneos que evita o cálculo das integrais impróprias presentes em expressões mais rigorosas disponíveis na literatura. Uma gama de análises é realizada com o intuito de avaliar e validar essa aproximação. Ao final, demonstra-se que a aproximação proposta, a despeito da sua simplicidade, leva a resultados compatíveis com aqueles obtidos por meio de formulações mais completas para cálculo de transitórios em cabos subterrâneos utilizando a teoria de linhas de transmissão e o método FDTD, porém de forma mais eficaz e sem perda significativa de exatidão.This thesis evaluates the validity of transmission line theory for calculating of electromagnetic transients on underground cable systems. Using a rigorous methodology based on the solution of Maxwell's equations with the three-dimensional (3D) Finite Difference Time-Domain (FDTD) method, it is investigated the validity of formulations developed from transmission line theory to calculate the impedance and admittance associated with the ground return. It is demonstrated that the transmission line theory can be used to simulate electromagnetic transients on underground cables even if the cable length is less than 100 m and the soil resistivity reaches 1000 Ωm, in which case the validity of this approach would be, in principle, questionable. The errors verified with using transmission line theory are compatible with engineering applications, but this approach has the advantage of presenting greater computational efficiency and being easier to implement than the solution strategy via FDTD. It is demonstrated the importance of the ground-return admittance for the simulation of electromagnetic transients on underground cables, especially for high-resistivity soils and short cable lengths. Furthermore, it is confirmed that the expression proposed by Pollaczek, traditionally used in electromagnetic transients calculation programs, is not rigorous enough to characterize the ground-return parameters for multiconductor underground cable systems. Finally, a closed-form approximation is proposed for the calculation of the ground-return admittance of underground cable systems that avoids the calculation of improper integrals present in more rigorous expressions available in the literature. A range of analyses is performed to evaluate and validate this approximation. Lastly, it is shown that the proposed approximation, despite its simplicity, leads to results compatible with those obtained through more complete formulations for the calculation of transients on underground cables using transmission line theory and the FDTD method, but more efficiently and without significant loss of accuracy.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorporUniversidade Federal de Minas GeraisPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUFMGBrasilENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICAhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/info:eu-repo/semantics/openAccessEngenharia elétricaLinhas de telecomunicaçãoImpedância (Eletricidade)Cabos subterrâneosAdmitância do soloImpedância do soloTransitórios eletromagnéticosTeoria de linhas de transmissãoAvaliação dos limites de aplicação da teoria de linhas de transmissão para o cálculo de transitórios eletromagnéticos em cabos subterrâneos utilizando o FDTDinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFMGinstname:Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)instacron:UFMGORIGINALTese_Naiara_Duarte.pdfTese_Naiara_Duarte.pdfapplication/pdf6623080https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/51203/6/Tese_Naiara_Duarte.pdf849e1e11ef548d730a9b60fd5d954dd7MD56CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/51203/2/license_rdfcfd6801dba008cb6adbd9838b81582abMD52LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-82118https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/51203/7/license.txtcda590c95a0b51b4d15f60c9642ca272MD571843/512032023-03-24 13:42:47.192oai:repositorio.ufmg.br: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ório de PublicaçõesPUBhttps://repositorio.ufmg.br/oaiopendoar:2023-03-24T16:42:47Repositório Institucional da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)false |
dc.title.pt_BR.fl_str_mv |
Avaliação dos limites de aplicação da teoria de linhas de transmissão para o cálculo de transitórios eletromagnéticos em cabos subterrâneos utilizando o FDTD |
title |
Avaliação dos limites de aplicação da teoria de linhas de transmissão para o cálculo de transitórios eletromagnéticos em cabos subterrâneos utilizando o FDTD |
spellingShingle |
Avaliação dos limites de aplicação da teoria de linhas de transmissão para o cálculo de transitórios eletromagnéticos em cabos subterrâneos utilizando o FDTD Naiara Figueiredo Duarte Cabos subterrâneos Admitância do solo Impedância do solo Transitórios eletromagnéticos Teoria de linhas de transmissão Engenharia elétrica Linhas de telecomunicação Impedância (Eletricidade) |
title_short |
Avaliação dos limites de aplicação da teoria de linhas de transmissão para o cálculo de transitórios eletromagnéticos em cabos subterrâneos utilizando o FDTD |
title_full |
Avaliação dos limites de aplicação da teoria de linhas de transmissão para o cálculo de transitórios eletromagnéticos em cabos subterrâneos utilizando o FDTD |
title_fullStr |
Avaliação dos limites de aplicação da teoria de linhas de transmissão para o cálculo de transitórios eletromagnéticos em cabos subterrâneos utilizando o FDTD |
title_full_unstemmed |
Avaliação dos limites de aplicação da teoria de linhas de transmissão para o cálculo de transitórios eletromagnéticos em cabos subterrâneos utilizando o FDTD |
title_sort |
Avaliação dos limites de aplicação da teoria de linhas de transmissão para o cálculo de transitórios eletromagnéticos em cabos subterrâneos utilizando o FDTD |
author |
Naiara Figueiredo Duarte |
author_facet |
Naiara Figueiredo Duarte |
author_role |
author |
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv |
Alberto Resende De Conti |
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv |
http://lattes.cnpq.br/2051626172679059 |
dc.contributor.referee1.fl_str_mv |
Washington Luiz Araújo Neves |
dc.contributor.referee2.fl_str_mv |
Antonio Carlos Siqueira de Lima |
dc.contributor.referee3.fl_str_mv |
Jaime Arturo Ramírez |
dc.contributor.referee4.fl_str_mv |
Fernando Henrique Silveira |
dc.contributor.authorLattes.fl_str_mv |
http://lattes.cnpq.br/7299241784918124 |
dc.contributor.author.fl_str_mv |
Naiara Figueiredo Duarte |
contributor_str_mv |
Alberto Resende De Conti Washington Luiz Araújo Neves Antonio Carlos Siqueira de Lima Jaime Arturo Ramírez Fernando Henrique Silveira |
dc.subject.por.fl_str_mv |
Cabos subterrâneos Admitância do solo Impedância do solo Transitórios eletromagnéticos Teoria de linhas de transmissão |
topic |
Cabos subterrâneos Admitância do solo Impedância do solo Transitórios eletromagnéticos Teoria de linhas de transmissão Engenharia elétrica Linhas de telecomunicação Impedância (Eletricidade) |
dc.subject.other.pt_BR.fl_str_mv |
Engenharia elétrica Linhas de telecomunicação Impedância (Eletricidade) |
description |
Esta tese avalia a validade da teoria de linhas de transmissão para o cálculo de transitórios eletromagnéticos em sistemas de cabos subterrâneos. Por meio de uma metodologia rigorosa baseada na solução das equações de Maxwell em três dimensões utilizando o método de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD - Finite Difference Time-Domain method), investiga-se a validade de formulações desenvolvidas a partir da teoria de linhas de transmissão para o cálculo da impedância e da admitância associadas ao retorno pelo solo. Demonstra-se que a teoria de linhas de transmissão pode ser utilizada para simular transitórios eletromagnéticos em cabos subterrâneos mesmo que estes possuam comprimentos inferiores a 100 m e estejam imersos em solos de resistividade de até 1000 Ωm, situação na qual a validade dessa abordagem seria, em princípio, questionável. Os erros verificados com o emprego da teoria de linhas de transmissão são compatíveis com aplicações de engenharia, mas esta tem a vantagem de apresentar maior eficiência computacional e de ser de mais fácil implementação do que a estratégia de solução via FDTD. É demonstrada a importância da admitância do solo para a simulação de transitórios eletromagnéticos em cabos subterrâneos, especialmente para solos de alta resistividade e cabos de curta extensão. Além disso, confirma-se que a expressão proposta por Pollaczek, tradicionalmente utilizada em programas de cálculo de transitórios eletromagnéticos, não é suficientemente rigorosa para caracterizar os parâmetros de retorno pelo solo para sistemas de cabos subterrâneos multifásicos. Finalmente, é proposta uma fórmula aproximada para o cálculo da admitância do solo de sistemas de cabos subterrâneos que evita o cálculo das integrais impróprias presentes em expressões mais rigorosas disponíveis na literatura. Uma gama de análises é realizada com o intuito de avaliar e validar essa aproximação. Ao final, demonstra-se que a aproximação proposta, a despeito da sua simplicidade, leva a resultados compatíveis com aqueles obtidos por meio de formulações mais completas para cálculo de transitórios em cabos subterrâneos utilizando a teoria de linhas de transmissão e o método FDTD, porém de forma mais eficaz e sem perda significativa de exatidão. |
publishDate |
2022 |
dc.date.issued.fl_str_mv |
2022-07-13 |
dc.date.accessioned.fl_str_mv |
2023-03-24T16:42:46Z |
dc.date.available.fl_str_mv |
2023-03-24T16:42:46Z |
dc.type.status.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
dc.type.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
format |
doctoralThesis |
status_str |
publishedVersion |
dc.identifier.uri.fl_str_mv |
http://hdl.handle.net/1843/51203 |
dc.identifier.orcid.pt_BR.fl_str_mv |
https://orcid.org/0000-0001-6965-7826 |
url |
http://hdl.handle.net/1843/51203 https://orcid.org/0000-0001-6965-7826 |
dc.language.iso.fl_str_mv |
por |
language |
por |
dc.rights.driver.fl_str_mv |
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/ info:eu-repo/semantics/openAccess |
rights_invalid_str_mv |
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/ |
eu_rights_str_mv |
openAccess |
dc.publisher.none.fl_str_mv |
Universidade Federal de Minas Gerais |
dc.publisher.program.fl_str_mv |
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica |
dc.publisher.initials.fl_str_mv |
UFMG |
dc.publisher.country.fl_str_mv |
Brasil |
dc.publisher.department.fl_str_mv |
ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA |
publisher.none.fl_str_mv |
Universidade Federal de Minas Gerais |
dc.source.none.fl_str_mv |
reponame:Repositório Institucional da UFMG instname:Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) instacron:UFMG |
instname_str |
Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) |
instacron_str |
UFMG |
institution |
UFMG |
reponame_str |
Repositório Institucional da UFMG |
collection |
Repositório Institucional da UFMG |
bitstream.url.fl_str_mv |
https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/51203/6/Tese_Naiara_Duarte.pdf https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/51203/2/license_rdf https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/51203/7/license.txt |
bitstream.checksum.fl_str_mv |
849e1e11ef548d730a9b60fd5d954dd7 cfd6801dba008cb6adbd9838b81582ab cda590c95a0b51b4d15f60c9642ca272 |
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv |
MD5 MD5 MD5 |
repository.name.fl_str_mv |
Repositório Institucional da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) |
repository.mail.fl_str_mv |
|
_version_ |
1803589222336036864 |