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http://hdl.handle.net/1843/51203
Type: | Tese |
Title: | Avaliação dos limites de aplicação da teoria de linhas de transmissão para o cálculo de transitórios eletromagnéticos em cabos subterrâneos utilizando o FDTD |
Authors: | Naiara Figueiredo Duarte |
First Advisor: | Alberto Resende De Conti |
First Referee: | Washington Luiz Araújo Neves |
Second Referee: | Antonio Carlos Siqueira de Lima |
Third Referee: | Jaime Arturo Ramírez |
metadata.dc.contributor.referee4: | Fernando Henrique Silveira |
Abstract: | 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. |
Abstract: | 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. |
Subject: | Engenharia elétrica Linhas de telecomunicação Impedância (Eletricidade) |
language: | por |
metadata.dc.publisher.country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
Publisher Initials: | UFMG |
metadata.dc.publisher.department: | ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA |
metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica |
Rights: | Acesso Aberto |
metadata.dc.rights.uri: | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/ |
URI: | http://hdl.handle.net/1843/51203 |
Issue Date: | 13-Jul-2022 |
Appears in Collections: | Teses de Doutorado |
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