Avaliação da resposta de aterramentos elétricos frente a descargas atmosféricas considerando os efeitos de ionização e dependência com a frequência dos parâmetros do solo com base na aplicação do método FDTD

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Dissertação de mestrado

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Silvério Visacro Filho
Javier Gustavo Herrera Murcia

Resumo

Esse trabalho tem como objetivo avaliar a resposta de aterramentos elétricos frente a descargas atmosféricas com ênfase nos efeitos de ionização do solo e dependência com a frequência dos parâmetros do solo com base em resultados obtidos pela realização de simulações computacionais sistemáticas utilizando o método FDTD (Finite-Difference Time Domain). Para isso, foram estudados ajustes no método para representar os dois efeitos separadamente. Os resultados indicam o impacto de ambos os efeitos, especialmente na redução dos valores de resistência de aterramento em baixa frequência e na impedância impulsiva de aterramento. As análises indicam que a ionização e a dependência com a frequência influenciam de forma distinta a impedância impulsiva de aterramento. A resistência de aterramento em baixa frequência diminui à medida que o comprimento do eletrodo aumenta, enquanto a impedância impulsiva reduz-se até atingir o valor correspondente ao comprimento efetivo do eletrodo. A dependência com a frequência exerce maior influência em solos mais resistivos e eletrodos mais longos. Para garantir a confiabilidade em ambos os estudos, os resultados da inclusão do efeito de ionização do solo foram comparados com a formulação de Weck. Além disso, os resultados obtidos através do FDTD que consideram a dependência com a frequência dos parâmetros do solo foram comparados com o modelo eletromagnético HEM (Hybrid Electromagnetic).

Abstract

This work aims to evaluate the response of electrical grounding systems to lightning, with an emphasis on soil ionization effects and the frequency dependence of soil parameters, based on results obtained from systematic computational simulations using the FDTD (Finite-Difference Time Domain) method. For this purpose, adjustments to the method were studied to represent both effects, singly. The results indicate the impact of both effects, especially in the reduction of low-frequency grounding resistance values ​and in the impulsive grounding impedance. The analyses indicate that ionization and frequency dependence influence the impulsive grounding impedance differently. The grounding resistance at low frequency decreases as the electrode length increases, while the impulse impedance reduces until it reaches the value corresponding to the effective electrode length. Frequency dependence exerts greater influence in more resistive soils and longer electrodes. To ensure the reliability of both studies, the results incorporating the effect of soil ionization were compared with Weck's formulation. Additionally, the results obtained through FDTD, which consider the frequency dependence of soil parameters, were compared with the HEM (Hybrid Electromagnetic) electromagnetic model.

Assunto

Engenharia elétrica, Raio, Ionização, Diferenças finitas

Palavras-chave

FDTD, Método das diferenças finitas no tempo, Ionização do solo, Dependência com a frequência dos parâmetros do solo, Descargas atmosféricas

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