Desenvolvimento e aplicação de modelagem eletromagnética em FDTD para estudo da resposta de aterramentos elétricos e linhas de transmissão frente a descargas atmosféricas

• Autor(a) principal: Kelvin de Almeida Carvalho
• Data de Publicação: 2022
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/53031
• topic: Método das diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD); Modelagem eletromagnética; Descargas atmosféricas; Aterramentos elétricos; Desempenho de sistemas elétricos frente às descargas atmosféricas; Engenharia elétrica; Raio; Linha de transmissão; Correntes elétricas - Aterramento; Sistemas elétricos de potência

O método das diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) destaca-se como uma técnica amplamente aplicada em análises de transitórios eletromagnéticos em aterramentos elétricos e linhas de transmissão. Podendo ser considerado conceitualmente simples, uma vez que sua implementação consiste na discretização direta das equações rotacionais de Maxwell, o FDTD apresenta em sua aplicação alguns desafios, sobretudo relacionados aos longos tempos de processamento envolvidos nas simulações. Nesse contexto, o presente trabalho objetiva aplicar o FDTD como modelagem eletromagnética no estudo de desempenho de aterramentos elétricos e linhas de transmissão frente às descargas atmosféricas, considerando a representação de fenômenos como a ionização do solo e a dependência com a frequência dos parâmetros do solo. Como proposta para redução do tempo de simulação, a aplicação das fronteiras absorventes de Liao de terceira ordem e CPML (Convolutional Perfectly Matched Layer) garantiram a redução do espaço de simulação, gerando bons resultados nos estudos da elevação de potencial do solo para eletrodos horizontais de aterramentos em solos com parâmetros elétricos constantes. Além disso, a utilização de programação paralela através do modelo CUDA em unidade de processamento gráfico (GPU) proporcionou significativa redução nos tempos de simulação, comparados com o processamento em programação serial. Por fim, para validar a modelagem proposta, extensivas comparações foram feitas com base nos resultados provenientes do modelo eletromagnético híbrido (HEM) e resultados apresentados na literatura. As simulações referentes aos aterramentos elétricos indicaram resultados consistentes, tanto para os estudos que consideraram o efeito da ionização do solo, bem como nos cenários onde a variação dos parâmetros do solo com a frequência foi considerada. Neste segundo caso, as maiores diferenças em termos da impedância impulsiva de aterramento, comparadas com o modelo HEM, foram de 4,67% e 6,35%, respectivamente, associadas a correntes com tempo de frente de 1 µs e 4 µs. Nos cálculos da sobretensão na cadeia de isoladores de linhas de transmissão de 138 kV e 500 kV, as diferenças em relação aos resultados providos pelo modelo HEM se mostraram dependentes do valor de resistência de aterramento e o tipo de técnica utilizada em FDTD para representação das torres das linhas de transmissão.