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Investigação da resposta de malhas de aterramentos frente a correntes de descargas atmosféricas

Documento informativo

Agradecimentos Agradeço, primeiramente, ao Professor Silvério pela oportunidade dada e pela confiança depositada ao longo de vários anos de trabalho. Sem o seu visível esforço em disponibilizar a estrutura e os recursos necessários à realização deste e de outros trabalhos no LRC, nada seria possível. Agradeço, ainda, pela orientação e pela contribuição neste texto. À minha família, pelo apoio e incentivo dados ao longo de todos estes anos de estudo. Aos professores e pesquisadores do LRC, pelas disciplinas ministradas e pelas conversas fora de sala, que contribuíram significativamente na minha formação. Aos alunos do LATER e demais colegas do LRC, pelo incentivo e suporte dado ao longo dos dois anos de mestrado. Em especial, aos alunos de iniciação científica, que tiveram contribuição significativa na realização das medições aqui apresentadas; ao Listz, por ser um grande amigo, pela confiança e pela ajuda durante todos os anos de graduação e pós-graduação; ao Rafael, pela amizade e pelo estabelecimento de um exemplo a ser seguido. Aos amigos não-acadêmicos, por jamais permitirem que eu duvidasse da minha capacidade e pelo incentivo nas principais decisões da minha vida. Resumo A resposta de malhas de aterramentos submetidas a correntes de descargas atmosféricas foi investigada segundo duas diferentes abordagens: experimental e analítica com suporte de simulações computacionais. As realizações experimentais contemplam ensaios em duas malhas reais instaladas em dois solos, um de alta resistividade e outro de baixa resistividade. Ondas de correntes com parâmetros de tempo representativos de primeiras correntes de descargas e de descargas subseqüentes foram aplicadas nos testes. Ademais, uma onda com tempo de frente muito menor (150 ns), capaz de evidenciar os efeitos de propagação no solo, foi empregada para possibilitar a análise do comportamento do aterramento nessa fase. Todas as dificuldades desta complexa medição foram superadas, possibilitando a obtenção de resultados experimentais de qualidade. Tais resultados consistiram, basicamente, nos pares de elevações de potencial dos eletrodos (GPR) em relação ao terra remoto e das correntes associadas, considerando a injeção em diferentes posições na malha. Foram utilizadas correntes de baixa amplitude, da ordem de alguns Ampères, o que indica que o fenômeno de ionização não foi considerado. A variação da resistividade e da permissividade do solo com a freqüência foi determinada e seu efeito na resposta do aterramento foi incluído nas simulações computacionais. Os resultados experimentais e simulados mostram excelente concordância quando os efeitos da dependência da freqüência dos parâmetros do solo são incluídos nas simulações, notadamente em condições de alta resistividade, quando tais efeitos são mais pronunciados. Abstract The response of grounding grids subjected to lightning currents was assessed following two different approaches: experimental tests and computational simulations. The experimental tests comprise the impression of currents on the electrodes in different positions of two grounding grids, buried in high- and low-resistivity soils. Currents waveforms with typical time parameters of first and subsequent strokes were used during the experiments. Moreover, currents presenting very short front times (about 150 ns) were used in order to stress the propagation effects in the soil. All the difficulties inherent to this kind of measurement were overcome, allowing achieving outstanding results, consisting basically of GPRs (Grounding Potential Rises) and corresponding currents impressed in different positions in the grid. Soil ionization was not analyzed and, therefore, currents of low amplitude (few amperes) were used. The variation of soil resistivity and permittivity along the frequency range of lightning-current components was determined and its effects on the response of the grounding grids were included in the simulations. The experimental and simulated results show excellent agreement when the effects of the frequency dependence of soil parameters are considered in the simulations, especially under conditions of grounding grids buried in high resistivity soils, where these effects are more pronounced. Sumário 1. Introdução . 1 1.1. Relevância da investigação .1 1.2. Objetivo .2 1.3. Organização do texto.3 2. O Comportamento Transitório de Aterramentos Elétricos. 4 2.1. Introdução .4 2.2. Conceitos fundamentais.4 2.2.1. Caracterização com base em circuitos RLC .6 2.2.2. Resistência de aterramento .8 2.2.3. Impedância harmônica.9 2.2.4. Impedância impulsiva de aterramento .13 2.3. Composição da corrente no solo.15 2.4. Efeitos de propagação no solo .18 2.5. Intensidade da corrente injetada .19 2.6. Influência conjunta de todos os fatores apresentados .21 3. Resultados Experimentais da Resposta Impulsiva de Malhas de Aterramentos . 22 3.1. Introdução .22 3.2. Desenvolvimentos .23 3.2.1. Arranjo experimental .23 3.3. Condições de solo analisadas.27 3.4. Resultados e análises da resposta da malha instalada no solo de baixa resistividade.27 3.4.1. Resultados experimentais preliminares desenvolvidos para ondas de tempo de frente de 100 ns.28 3.4.2. Análises preliminares desenvolvidas para ondas de tempo de frente de 100 ns .29 3.4.3. Resultados experimentais consolidados referentes às formas de onda de tempos de frente iguais a 0,15 µs, 0,7 µs, 2 µs e 4 µs.31 3.4.4. Análises dos resultados experimentais consolidados referentes às formas de onda de tempos de frente iguais a 0,15 µs, 0,7 µs, 2 µs e 4 µs .32 3.5. Medições mais elaboradas no solo de baixa resistividade e comparação entre os resultados experimentais e de simulação .38 3.5.1. Resultados experimentais .40 3.5.2. Resultados de simulações .41 3.6. Resultados e análises da resposta da malha instalada no solo de alta resistividade .44 3.6.1. Resultados experimentais .44 3.6.2. Análise dos resultados experimentais.46 3.6.3. Resultados de simulações .50 3.7. Experiências desenvolvidas para superar as dificuldades práticas relacionadas às medições realizadas.53 3.7.1. Efeitos de acoplamento eletromagnético .53 3.7.2. Tratamento do sinal espúrio oscilatório.54 3.7.3. Eliminação de reflexões.56 4. Conclusões . 59 5. Bibliografia . 63 1.Introdução 1.1. Relevância da investigação A investigação da resposta de aterramentos elétricos submetidos a correntes de descargas atmosféricas consiste em pesquisa complexa, que envolve diferentes abordagens, notadamente a simulação analítica ou computacional e a simulação experimental. Nas últimas décadas, houve significativo avanço dos modelos computacionais para simulação da resposta transitória de aterramentos, desenvolvidos seguindo diferentes metodologias. Entretanto, a simulação experimental tem sido pouco explorada e esta é essencial para se verificar a validade de resultados dos modelos computacionais e das hipóteses assumidas para os parâmetros do solo nas condições de solicitação dos aterramentos elétricos. Nos últimos anos, a equipe do LRC1 tem realizado avanços consideráveis neste campo, seja pela proposição de um modelo eletromagnético original próprio para cálculo da resposta transitória de aterramentos elétricos, ou pelas referências experimentais que desenvolveu, notadamente aquelas pertinentes à resposta de eletrodos horizontais e verticais enterrados no solo e dispostos em arranjos simples. Ademais, a partir desses recursos e de suas experiências no campo, a equipe tem explorado as implicações práticas em diversas aplicações de engenharia. 1 LRC – Lightning Research Center: Núcleo de Desenvolvimento Científico e Tecnológico em Descargas Atmosféricas criado a partir da cooperação entre a UFMG (Universidade Federal de Minas Gerais) e a CEMIG (Companhia Energética de Minas Gerais). 1 1. Introdução Entretanto, a literatura carece ainda de dados experimentais sobre a resposta de configurações complexas de eletrodos submetidos a correntes de descargas atmosféricas, notadamente de malhas de aterramentos. Em parte, a escassez de tais dados decorre da complexidade inerente ao processo de medição de correntes e potenciais de forma impulsiva em malhas de aterramentos, usualmente de dimensões elevadas, fator que limita a disponibilidade de resultados experimentais confiáveis. As dificuldades de medição estão associadas à interferência de sinais existentes no solo, a acoplamentos eletromagnéticos entre os longos condutores de medição e da malha devido às componentes de freqüência elevada dos sinais de forma impulsiva típicos de correntes de descargas e à interferência das reflexões de onda que ocorrem comumente neste tipo de medição. 1.2. Objetivo O objetivo principal deste trabalho consistiu no desenvolvimento de contribuição para modificar o quadro descrito, através da constituição de referências experimentais confiáveis relativas à resposta experimental de malhas de aterramentos. A metodologia adotada baseou-se na implementação de duas malhas idênticas, de dimensões consideráveis, instaladas em dois solos distintos, um de resistividade elevada e outro de baixa, e na realização de medições relativas à resposta desses arranjos frente a correntes com formas de onda representativas da corrente de uma primeira descarga e de uma descarga subseqüente. Para tal, foram enfrentadas e superadas as complexidades e dificuldades envolvidas nesse tipo de medição. Também foram realizadas medições adicionais com sinais de corrente de características específicas, capazes de tornar mais pronunciados determinados efeitos cujo entendimento deseja-se avaliar, 2 1. Introdução notadamente os sinais de tempo de frente muito reduzido que acentuam os efeitos de propagação no solo. Complementou tal objetivo a realização de simulação computacional da resposta das malhas ensaiadas para possibilitar a avaliação do impacto das hipóteses assumidas com relação aos parâmetros do solo empregados na simulação, particularmente as hipótese de resistividade e permissividade do solo constantes e variáveis na freqüência. 1.3. Organização do texto Este texto foi organizado em cinco capítulos, quatro em adição à presente Introdução. No segundo capítulo, é realizada uma revisão dos aspectos teóricos relativos à resposta transitória de aterramentos elétricos. Os conceitos mais importantes são apresentados e discutidos. Os dados obtidos através dos ensaios experimentais nas malhas para as duas resistividades do solo são apresentados no terceiro capítulo, assim como os resultados provenientes de simulações. Comparações entre os dados medidos e simulados são realizadas e a análise dos resultados é feita com base nos conceitos discutidos no capítulo dois. As conclusões e considerações finais são apresentadas no capítulo quatro. O capítulo cinco apresenta as referências bibliográficas utilizadas, organizadas segundo a ordem de citação. 3 2.O Comportamento Transitório de Aterramentos Elétricos 2.1. Introdução Este capítulo introduz de forma objetiva conceitos básicos no tema Aterramentos Elétricos requeridos para a correta interpretação dos resultados experimentais apresentados no Capítulo 3. Os desenvolvimentos aqui apresentados têm por base fundamentalmente as abordagens desenvolvidas em duas referências dedicadas à conceituação básica no tema [1,2]. Tópicos específicos são também abordados a partir de referências mais recentes, indicadas no decorrer do texto. 2.2. Conceitos fundamentais O termo Aterramento Elétrico refere-se a qualquer conexão elétrica intencional ao solo de um sistema elétrico, eletrônico ou de corpos metálicos [1]. Um aterramento elétrico constitui-se, basicamente, de três componentes: a) Ligação do sistema físico aos eletrodos de aterramento; b) Eletrodos de aterramento (hastes, por exemplo); 4 2. O Comportamento Transitório de Aterramentos Elétricos c) Terra que envolve os eletrodos. A figura 2.1 ilustra a descrição feita anteriormente. Trata-se de uma edificação que possui uma malha de aterramento conectada à sua estrutura metálica. O detalhe na parte direita inferior expõe a ligação do pilar à malha de aterramento. Para que tais componentes fossem visualizados claramente, a terra que circunda o sistema de aterramento e a pavimentação externa do edifício tiveram suas respectivas opacidades diminuídas na ilustração em questão. Figura 2.1 - Detalhe de uma malha de aterramento conectada à estrutura metálica de uma edificação As funções primordiais de um aterramento dizem respeito ao escoamento seguro de cargas para a terra, à manutenção dos valores de potenciais desenvolvidos dentro de limites seguros e ao uso da terra como um condutor de retorno. No primeiro caso, tal escoamento de cargas é almejado principalmente quando da energização acidental de equipamentos, da incidência de descargas atmosféricas em sistemas de captação (pára-raios) conectados ao aterramento e em situações nas quais há carregamento de cargas estáticas. No segundo caso, quando há uma injeção de corrente no aterramento, seja ela relativa à incidência de descargas atmosféricas ou proveniente de curtos-circuitos, espera-se que a configuração do sistema de aterramento seja capaz de manter a distribuição de potenciais no solo dentro de valores que não 5 2. O Comportamento Transitório de Aterramentos Elétricos ofereçam risco à integridade de seres vivos e de equipamentos que estejam dentro da área afetada. Em relação ao uso da terra como um condutor de retorno, tal aplicação pode ser encontrada em sistemas de transmissão em corrente contínua e em sistemas do tipo MRT (Monofásico com retorno pela terra), amplamente utilizado na distribuição rural. Além das funções citadas anteriormente, o aterramento de um sistema pode ser projetado para influenciar diretamente no desempenho e na proteção de circuitos. Como fator de influência no desempenho, o aterramento pode ter a função de estabelecer um potencial de referência para circuitos eletrônicos. Para o caso de sistemas de grande porte, a ligação à terra tem influência direta na taxa de desligamentos de linhas de transmissão devido à incidência de descargas atmosféricas. No que diz respeito à proteção de circuitos, tem-se como exemplo o aterramento do neutro, que permite reduzir o nível de sobretensões estabelecidas em sistemas de alimentação em relação à condição na qual não há conexão à terra. 2.2.1. Caracterização com base em circuitos RLC Do ponto de vista de projetos e aplicações, é possível avaliar o desempenho de um aterramento a partir de uma característica muito bem definida do mesmo: a resposta frente à injeção de uma corrente elétrica. Dessa forma, estabelece-se a definição de impedância de aterramento, expressa quantitativamente pelo inverso da relação entre a corrente injetada no aterramento e a correspondente elevação enfocar la importancia de la producción mediática de los niños en su descubrimiento del mundo, sobre todo utilizando el periódico escolar y la imprenta. Asimismo las asociaciones de profesores trabajaron en esta línea e incluso la enseñanza católica se comprometió desde los años sesenta realizando trabajos originales en el marco de la corriente del Lenguaje Total. Páginas 43-48 45 Comunicar, 28, 2007 En el ámbito de los medios, también desde el principio del siglo XX hay ciertas corrientes de conexión. Pero es a lo largo de los años sesenta cuando se constituyeron asociaciones de periodistas apasionados por sus funciones de mediadores, que fomentaron la importancia ciudadana de los medios como algo cercano a los jóvenes, a los profesores y a las familias. Así se crearon la APIJ (Asociación de Prensa Información para la Juventud), la ARPEJ (Asociación Regional de Prensa y Enseñanza para la Juventud), el CIPE (Comité Interprofesional para la Prensa en la Escuela) o la APE (Asociación de Prensa y Enseñanza), todas ellas para la prensa escrita Estas asociaciones fueron precedidas por movimientos surgidos en mayo de 1968, como el CREPAC que, utilizando películas realizadas por periodistas conocidos, aclaraba temas que habían sido manipulados por una televisión demasiado próxima al poder político y realizaba encuentros con grupos de telespectadores. cipio del siglo XX, y nos han legado textos fundadores muy preciados, importantes trabajos de campo y muchos logros educativos y pedagógicos. La educación en medios ha tenido carácter de oficialidad de múltiples maneras, aunque nunca como una enseñanza global. Así la campaña «Operación Joven Telespectador Activo» (JTA), lanzada al final de los años setenta y financiada de manera interministerial para hacer reflexionar sobre las prácticas televisuales de los jóvenes, la creación del CLEMI (Centro de Educación y Medios de Comunicación) en el seno del Ministerio de Educación Nacional en 1983, la creación de la optativa «Cine-audiovisual» en los bachilleratos de humanidades de los institutos en 1984 (primer bachillerato en 1989) y múltiples referencias a la educación de la imagen, de la prensa, de Internet. La forma más visible y rápida de evaluar el lugar de la educación en medios es valorar el lugar que se le ha reservado en los libros de texto del sistema educa- 2. Construir la educación en los medios sin nombrarla El lugar que ocupa la edu- La denominación «educación en medios», que debería cación en los medios es muy ambiguo, aunque las cosas están cambiando recientemente. entenderse como un concepto integrador que reagrupase todos los medios presentes y futuros, es a menudo percibida En principio, en Francia, co- por los «tradicionalistas de la cultura» como una tendencia mo en muchos otros países, la educación en los medios no es hacia la masificación y la pérdida de la calidad. una disciplina escolar a tiempo completo, sino que se ha ido conformado progresivamente a través de experiencias y reflexiones teóricas que han tivo en Francia. Una inmersión sistemática nos permi- permitido implantar interesantes actividades de carác- te constatar que los textos oficiales acogen numerosos ter puntual. Se ha ganado poco a poco el reconoci- ejemplos, citas, sin delimitarla con precisión. miento de la institución educativa y la comunidad es- colar. Podemos decir que ha conquistado un «lugar», 3. ¿Por qué la escuela ha necesitado casi un siglo en el ámbito de la enseñanza transversal entre las dis- para oficilializar lo que cotidianamente se hacía en ciplinas existentes. ella? Sin embargo, la escuela no está sola en esta aspi- Primero, porque las prácticas de educación en me- ración, porque el trabajo en medios es valorado igual- dios han existido antes de ser nombradas así. Recor- mente por el Ministerio de Cultura (campañas de foto- demos que no fue hasta 1973 cuando aparece este grafía, la llamada «Operación Escuelas», presencia de término y que su definición se debe a los expertos del colegios e institutos en el cine ), así como el Minis- Consejo Internacional del Cine y de la Televisión, que terio de la Juventud y Deportes que ha emprendido en el seno de la UNESCO, definen de esta forma: numerosas iniciativas. «Por educación en medios conviene entender el estu- Así, esta presencia de la educación en los medios dio, la enseñanza, el aprendizaje de los medios moder- no ha sido oficial. ¡La educación de los medios no apa- nos de comunicación y de expresión que forman parte rece oficialmente como tal en los textos de la escuela de un dominio específico y autónomo de conocimien- francesa hasta 2006! tos en la teoría y la práctica pedagógicas, a diferencia Este hecho no nos puede dejar de sorprender ya de su utilización como auxiliar para la enseñanza y el que las experiencias se han multiplicado desde el prin- aprendizaje en otros dominios de conocimientos tales Páginas 43-48 46 Comunicar, 28, 2007 como los de matemáticas, ciencias y geografía». A pe- mente en todas las asignaturas. Incluso los nuevos cu- sar de que esta definición ha servido para otorgarle un rrículos de materias científicas en 2006 para los alum- reconocimiento real, los debates sobre lo que abarca y nos de 11 a 18 años hacen referencia a la necesidad no, no están totalmente extinguidos. de trabajar sobre la información científica y técnica y En segundo lugar, porque si bien a la escuela fran- el uso de las imágenes que nacen de ella. cesa le gusta la innovación, después duda mucho en Desde junio de 2006, aparece oficialmente el tér- reflejar y sancionar estas prácticas innovadoras en sus mino «educación en medios» al publicar el Ministerio textos oficiales. Nos encontramos con una tradición de Educación los nuevos contenidos mínimos y las sólidamente fundada sobre una transmisión de conoci- competencias que deben adquirir los jóvenes al salir mientos muy estructurados, organizados en disciplinas del sistema educativo. escolares que se dedican la mayor parte a transmitir Este documento pretende averiguar cuáles son los conocimientos teóricos. La pedagogía es a menudo se- conocimientos y las competencias indispensables que cundaria, aunque los profesores disfrutan de una ver- deben dominar para terminar con éxito su escolaridad, dadera libertad pedagógica en sus clases. El trabajo seguir su formación y construir su futuro personal y crítico sobre los medios que estaba aún en elaboración profesional. Siete competencias diferentes han sido te- necesitaba este empuje para hacerse oficial. nidas en cuenta y en cada una de ellas, el trabajo con Aunque el trabajo de educación en los medios no los medios es reconocido frecuentemente. Para citar esté reconocido como disciplina, no está ausente de un ejemplo, la competencia sobre el dominio de la len- gua francesa definen las capa- cidades para expresarse oral- La metodología elaborada en el marco de la educación en mente que pueden adquirirse con la utilización de la radio e, medios parece incluso permitir la inclinación de la sociedad incluso, se propone fomentar de la información hacia una sociedad del conocimiento, como defiende la UNESCO. En Francia, se necesitaría unir el interés por la lectura a través de la lectura de la prensa. La educación en los medios las fuerzas dispersas en función de los soportes mediáticos y orientarse más hacia la educación en medios que al dominio adquiere pleno derecho y entidad en la sección sexta titulada «competencias sociales y cívi- técnico de los aparatos. cas» que indica que «los alum- nos deberán ser capaces de juz- gar y tendrán espíritu crítico, lo que supone ser educados en los las programaciones oficiales, ya que, a lo largo de un medios y tener conciencia de su lugar y de su influencia estudio de los textos, los documentalistas del CLEMI en la sociedad». han podido señalar más de una centena de referencias a la educación de los medios en el seno de disciplinas 4. Un entorno positivo como el francés, la historia, la geografía, las lenguas, Si nos atenemos a las cifras, el panorama de la las artes plásticas : trabajos sobre las portadas de educación en medios es muy positivo. Una gran ope- prensa, reflexiones sobre temas mediáticos, análisis de ración de visibilidad como la «Semana de la prensa y publicidad, análisis de imágenes desde todos los ángu- de los medios en la escuela», coordinada por el CLE- los, reflexión sobre las noticias en los países europeos, MI, confirma año tras año, después de 17 convocato- información y opinión rias, el atractivo que ejerce sobre los profesores y los Esta presencia se constata desde la escuela mater- alumnos. Concebida como una gran operación de nal (2 a 6 años) donde, por ejemplo, se le pregunta a complementariedad (2000) Structure and mechanism of the aberrant ba3-cytochrome c oxidase from Thermus thermophilus. EMBO J 19: 1766–1776. 9. Hunsicker-Wang LM, Pacoma RL, Chen Y, Fee JA, Stout CD (2005) A novel cryoprotection scheme for enhancing the diffraction of crystals of recombinant cytochrome ba3 oxidase from Thermus thermophilus. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr 61: 340–343. 10. 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