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http://hdl.handle.net/1843/53031| Type: | Dissertação |
| Title: | Desenvolvimento e aplicação de modelagem eletromagnética em FDTD para estudo da resposta de aterramentos elétricos e linhas de transmissão frente a descargas atmosféricas |
| Authors: | Kelvin de Almeida Carvalho |
| First Advisor: | Fernando Henrique Silveira |
| First Referee: | Javier Gustavo Herrera Murcia |
| Second Referee: | Silvério Visacro Filho |
| Abstract: | 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. |
| Abstract: | The finite difference time domain (FDTD) method is widely applied in simulations related to transient analyses involving grounding and transmission lines. The FDTD method can be considered conceptually simple, once its implementation considers the discretization in time and space of the Maxwell curls equations. However, the application of this method presents some challenges, mainly related to long simulation time. In this context, the objective of this work is to apply the FDTD method as the electromagnetic model to study the lightning performance of grounding and transmission lines, considering the representation of soil ionization and the frequency-dependence soil parameters. In order to reduce the simulation time, the application of third order Liao’s and CPML (Convolutional Perfectly Matched Layer) absorbing condition allowed a shorter simulation space and consistent results were obtained for a horizontal grounding electrode buried in a soil with constants parameters. In addition, the application of parallel computation by using the CUDA model applied in a graphic processing unit (GPU) provided an expressive reduction in the simulation time compared with the application of serial computation. Finally, to validate the proposed modeling, extended comparisons were applied based on results generated by the hybrid electromagnetic model (HEM) and reported results of the literature. Consistent results were obtained when the soil ionization was considered, as well as when the effect of the frequency-dependence of soil parameters was assumed. In the latter case, the most significant percentage differences in terms of grounding impulse impedance were 4.67% and 6.35%, respectively, for 1 µs and 4 µs current front-time. In terms of the calculated overvoltages across line insulator strings of 138-kV and 500-kV transmission lines, the differences in comparison to the results provided by the HEM model varied according with the tower-footing grounding resistance and the FDTD technique applied to model the towers. |
| Subject: | Engenharia elétrica Raio Linha de transmissão Correntes elétricas - Aterramento Sistemas elétricos de potência |
| 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 |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/53031 |
| Issue Date: | 23-Feb-2022 |
| Appears in Collections: | Dissertações de Mestrado |
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