Modelagem do efeito corona em linhas de transmissão utilizando o método FDTD para o estudo de sobretensões transitórias
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Primeiro orientador
Membros da banca
Fernando Henrique Silveira
Osis Eduardo Silva Leal
Osis Eduardo Silva Leal
Resumo
Este trabalho apresenta um estudo sobre a modelagem do efeito corona para a simulação de transitórios eletromagnéticos em linhas de transmissão com perdas variáveis com a frequência, utilizando para isso a técnica de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD – Finite Difference Time Domain Technique) na solução das equações do telegrafista. Inicialmente, realiza-se uma revisão bibliográfica em que a fundamentação do efeito corona é discutida em conjunto com o levantamento das formulações para o cálculo da tensão crítica e dos modelos para a representação do corona no estudo de transitórios eletromagnéticos. Em seguida, é apresentada a solução rigorosa das equações de linha de transmissão com perdas variáveis com a frequência utilizando a técnica FDTD. Demonstra-se como essa técnica é capaz de incorporar, de forma natural e precisa, os modelos para a representação do efeito corona na simulação de fenômenos transitórios. A metodologia tem como diferencial a representação da variação dos parâmetros da linha com a frequência e o cômputo do comportamento não-linear do corona diretamente em seu equacionamento. A implementação do modelo desenvolvido, que neste trabalho se restringe ao caso particular de linhas monofásicas, é realizada no software Matlab; sua validação é realizada com base em registros de medições e simulações disponíveis na literatura. Finalmente, a partir do modelo desenvolvido, é realizado um estudo de caso simplificado sobre o impacto do efeito corona nas sobretensões atmosféricas em uma linha cuja geometria é empregada em sistemas HVDC – High Voltage Direct Current Transmission. Verifica-se que o efeito corona modifica a forma de onda da sobretensão incidente em um determinado ponto da linha, reduzindo sua amplitude e aumentando seu tempo de frente, à medida que esta se propaga. Esse resultado indica que a consideração do efeito corona em estudos de coordenação de isolamento levaria a sobretensões menos severas, proporcionando benefícios sob o ponto de vista da proteção dos equipamentos instalados em subestações.
Abstract
This work presents a study about the modeling of corona for the simulation of electromagnetic transients in transmission lines with frequency-dependent losses, using the Finite Difference Time Domain (FDTD) technique in the solution of telegrapher’s equations. Initially, a literature review is carried out in which the corona fundamentals are discussed together with a survey of formulations for the calculation of the critical voltage and models for the corona representation in the simulation of electromagnetic transients. Then, the rigorous solution of the transmission line equations with frequency-dependent losses is presented using the FDTD technique. It is demonstrated how this technique can incorporate, in a natural and accurate way, the corona effect modeling. The methodology has the ability of representing frequency-dependent losses and the nonlinear nature of corona directly in its formulation. The developed model, which in this work is restricted to the case of single-phase lines, is implemented in Matlab; its validation is carried out based on records of measurements and simulations available in the literature. Finally, based on the developed model, a simplified case study is developed on the impact of corona on lightning overvoltages on a line whose geometry is used in High Voltage Direct Current (HVDC) transmission systems. It is verified that the corona effect modifies the waveform of the lightning overvoltage incident at a certain point on the line, reducing the amplitude and increasing the front time as it propagates. This result indicates that the consideration of corona in insulation coordination studies would lead to less severe overvoltages, providing benefits for the protection of the equipment installed in substations.
Assunto
Engenharia elétrica, Corona (eletricidade), Linhas de telecomunicação, Transitórios (Eletricidade)
Palavras-chave
Transitórios eletromagnéticos, Linhas de transmissão, Corona, FDTD, Linhas HVDC