Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Biblioteca do CETEP, PR BRASIL) REVISTA TECNOLÓGICA DO CETEP, V. 1, N. 1, (jun/dez 2016) ISSN

Transcrição

1

2 DOMUS; REVISTA TECNOLÓGICA DO CETEP CURITIBA, V. 1, N. 1, (Junho a Dezembro de 2016) - ISSN FACULDADE DE TECNOLOGIA CETEP Rua Francisco Torres, 768 Centro CEP: Curitiba/PR Telefone: (41) Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Biblioteca do CETEP, PR BRASIL) REVISTA TECNOLÓGICA DO CETEP, V. 1, N. 1, (jun/dez 2016) ISSN Periodicidade semestral Texto em português. IISSN: 1. Automação Industrial. 2. Eletrônica. 3. Gestão da Qualidade

3 EXPEDIENTE REVISTA TECNOLÓGICA DO CETEP, V. 1, N. 1, (jun/dez 2016) ISSN É uma publicação semestral editada pela Faculdade CETEP de Tecnologia Rua Francisco Torres, 768 Centro CEP: Curitiba/PR Telefone: (41) Associação Cetep de Ensino Superior site: Diretor Geral Cassiano Rodycz Vitiuk Diretora Administrativa Verônica Rodycz Vitiuk Diretora Acadêmica Kamille Rodycz Vitiuk Editora Paraguassu de Fátima Rocha Conselho Editorial Evildia Aparecida Bassi Julio Cesar Cristoffer Vieira Marcio Aparecido Batista Capa Rafael Stedile Paraguassu de Fátima Rocha Revisão Paraguassu de Fátima Rocha Diagramação Paraguassu de Fátima Rocha

4 6 ANÁLISE DE RESPOSTA EM FREQUÊNCIA EM HASTES DE ATERRAMENTO ANALYSIS OF FREQUENCY RESPONSE IN GROUND RODS Marcio Aparecido Batista (Mestre) CETEP RESUMO: Sistemas de aterramento são essenciais para segurança de equipamentos e pessoas. A sua capacidade de escoar valores de altas correntes está inteiramente relacionada ao correto dimensionamento dos elementos que compõem o aterramento, em muitos casos esse dimensionamento é feito em frequências industriais, ou seja, baixas frequências, o que pode comprometer seu desempenho. Este artigo busca analisar o comportamento desse sistema de aterramento quando sujeitos a altas frequências, analisando o comportamento dos valores de impedância em testes efetuados num protótipo específico e em simulações computacionais. PALAVRAS-CHAVE: Aterramento. Alta Frequência. Segurança. ABSTRACT: Grounding systems are essential for equipment and people safety. Their ability to drain high current values are entirely related to the correct dimensioning of the elements of the earth, in many cases this scaling is done in industrial frequencies, ie, low frequencies, which can compromise their performance. This article seeks to analyze the behavior of grounding system when subjected to high frequencies by analyzing the behavior of impedance values in tests performed in a specific prototype and computational simulations. KEY WORDS: Ground. High Frequency. Safety. Introdução Os equipamentos que compõem um sistema elétrico de potência estão sujeitos, rotineiramente, a estresses originários de picos de energia que ocorrem no sistema. A fim de amenizar os danos causados por estes transientes de tensão se faz necessária a utilização de sistemas de aterramento, que limitam os níveis de oscilação de energia, controlando os gradientes de potencial, buscando evitar que danifiquem os equipamentos próximos à incidência do pico de energia e causem sobre tensões que coloquem em risco a integridade física de pessoas no instante da falha. Os acidentes causados por fenômenos de alta frequência, tais como, descargas atmosféricas geram sérios problemas ao sistema elétrico de potência, diminuindo a segurança e os níveis de confiabilidade destes sistemas. A maioria das avarias, por exemplo: mau

5 7 funcionamento e falhas de controle, ocorrem nas proximidades do circuito, onde há o aumento de potencial em decorrência da queda do raio. No que tange à segurança pessoal, conforme L. Grcev e V. Arnautovski-Toseva (2003), a conexão dos equipamentos ao sistema de aterramento permite que, caso ocorra uma falha de isolação ou uma sobretensão, a proteção seja sensibilizada e os potenciais de toque e de passo fiquem abaixo dos limites críticos da fibrilação ventricular humana. O desempenho adequado do sistema de aterramento depende de especificidades de cada tipo de instalação. Por exemplo: o tipo de solo, relevo, variações sazonais, perda de umidade, agentes agressivos e heterogeneidades que acentuem a corrosão dos componentes do aterramento, solicitações mecânicas que possam afetar o sistema de aterramento, filosofia adotada para o sistema de proteção, o acesso das pessoas e animais a essa instalação (áreas urbanas), as dimensões envolvidas no sistema (exemplo: parques eólicos), altura das estruturas como o caso de petroquímicas e parques eólicos, controle dos potenciais de toque e de passo, riscos de transferência de potenciais em instalações de grandes dimensões. Segundo Visacro (2007), as características do solo, concentração de água, teor de sais dissolvidos, temperatura e o tipo de solo, têm grande influência na resposta do aterramento para os transientes, decorrentes de um raio, estas características influenciam no comportamento dos parâmetros elétricos do solo, sendo a resistividade e a permissividade os mais relevantes, e que, consequentemente, estão diretamente dependentes da frequência de propagação da onda. Alipio e Visacro (2012) ressaltam que a variação destes parâmetros é resultado de mecanismos de relaxação e de absorção que ocorrem no solo. Projetar e implementar um sistema de aterramento é relativamente fácil quando a região apresenta baixa resistividade e leva-se em consideração as baixas frequências industriais, já existem modelos consagrados para isso, mas quando em regiões de elevada resistividade e sujeitas a transientes de elevada frequência esses modelos podem não contemplar uma efetiva ligação à terra. Mattos (2003) salienta que em décadas passadas a atenção foi dada apenas às condições estacionárias em malhas de aterramento, no entanto a análise transitória se torna indispensável quanto à proteção de equipamentos eletro-eletrônicos. Este artigo busca contribuir, através de experimentos e de modelagem, para construção de uma ferramenta que auxilie no mapeamento das características do solo e, por consequência, melhore as condições de aterramento em regiões de alta resistividade, levando

6 8 em consideração os efeitos das altas frequências e altas correntes elétricas, como os existentes numa descarga atmosférica. 1) Circuito equivalente de um sistema de aterramento De acordo com Visacro (2007), um sistema de aterramento é constituído basicamente de três componentes: a) Os condutores metálicos que ligam o sistema aos eletrodos de aterramento; b) Os eletrodos de aterramento; c) A terra que envolve os eletrodos. No desenvolvimento dos conceitos relacionados à modelagem de um sistema de aterramento, interessa-se, principalmente, pela compreensão dos aspectos físicos envolvidos. Nesse sentido, é adotado um modelo conceitual simplificado para o sistema de aterramento, baseado na teoria de circuitos. Para avaliação da natureza dos aterramentos considera-se que, em geral, uma conexão à terra apresenta efeitos resistivo, capacitivo e indutivo. A Fig. 1 ilustra um circuito equivalente que representa estes efeitos para uma pequena porção ou elemento de um eletrodo de um sistema de aterramento. A corrente neste elemento é composta de duas parcelas: uma corrente transversal IT que dispersa para o solo e uma corrente longitudinal IL que é transferida para o restante do eletrodo. Fig. 1 Circuito equivalente aterramento A corrente longitudinal está associada às perdas internas no condutor e gera um campo magnético interno e em volta dele. Na Fig. 1, uma resistência R e uma indutância L em série são responsáveis pela modelagem desses efeitos. A corrente transversal está associada à dispersão para o solo de correntes condutiva e capacitiva. A razão entre essas duas correntes não depende da geometria do eletrodo, mas apenas da frequência característica do fenômeno solicitante, da condutividade e da permissividade elétrica do solo. Os efeitos transversais associados a essa corrente de

7 9 dispersão são representados na Fig. 1 por meio de uma condutância G e uma capacitância C em paralelo. A representação ilustrada na Fig. 1 se aplica apenas a uma pequena porção do eletrodo. Adicionalmente, devem ser considerados os acoplamentos eletromagnéticos próprios e mútuos (capacitivo, condutivo e indutivo) entre os diversos elementos dos eletrodos de aterramento recomendam Kindermann e Campagnolo (2002). O conhecimento do comportamento completo do aterramento requer a solução de uma série de circuitos similares ao apresentado na Fig. 1 conectados de acordo com a geometria do aterramento. Na Fig. 2 está representada esta série de circuitos. Fig. 2 Modelo distribuído aterramento Neste trabalho foi aplicada a técnica de utilização de Linhas de Transmissão para representar modelos de parâmetros concentrados e distribuídos. O modelo proposto por Bogatin (2010) é composto por quatro componentes ideais que são descritos no domínio do tempo e da frequência, que são: o resistor, o indutor, o capacitor e a linha de transmissão, esta última pode ser composta pelos três primeiros elementos, formadas com regras próprias de disposição que garantem uma aproximação com o modelo real. 2) Influência dos parâmetros eletromagnéticos do solo em alta frequência Um aspecto essencial no estudo e simulação de aterramentos elétricos é a modelagem adequada do solo. Exceto para valores elevados de campo elétrico, que causam significativa ionização do meio, o comportamento eletromagnético do solo é essencialmente linear, mas com significativa dependência da condutividade elétrica (σ) e permissividade elétrica (ε) em relação à frequência. Conforme Portela (1999), a permeabilidade magnética µ é, em geral, praticamente igual a permeabilidade magnética do vácuo (µ0). Para uma

8 10 configuração do aterramento elétrico, os parâmetros determinantes da forma de propagação do campo eletromagnético associado a uma onda de corrente injetada, em condições em que não há a ocorrência significativa de fenômenos não-lineares, são σ, ε e µ. Neste sentido, a determinação do comportamento de tais parâmetros de forma mais próxima possível da realidade é fundamental para o estudo completo do sistema de aterramento. O comportamento dos parâmetros σ e ε ao longo do espectro típico de descargas atmosféricas é determinado, em geral, por meio de medições. A partir das medições, expressões aproximadas em função da frequência podem ser estabelecidas para σ e ε. Deve-se salientar que, na avaliação da variação da condutividade e permissividade com a frequência, o efeito do tipo de solo é bastante acentuado, o que implica na necessidade de se considerar as características específicas de cada solo, nas aplicações de aterramento, ainda que de forma aproximada. Esse aspecto dificulta a obtenção de uma formulação geral para dependência dos parâmetros do solo com a frequência defendem Alipio e Visacro (2012). 3) Desenvolvimento experimental Com o objetivo de analisar o comportamento de uma haste de aterramento em determinada faixa de frequência foi construído um protótipo que se assemelha a um cabo coaxial, composto por: um tubo de cobre de 15 mm de diâmetro e 2,5 m de comprimento, utilizado como condutor, um tubo de cobre de 79 mm de diâmetro e 2,4 m de comprimento, utilizado como condutor de retorno, e terra utilizada para forração de gramados, utilizada no experimento como dielétrico. A Fig. 3 representa estes componentes. A Fig. 4 mostra o protótipo sendo construído: Fig 3 Desenho esquemático - protótipo

9 11 Fig. 4 Construção do protótipo Para a realização das varreduras nas faixas de frequência pudessem ser realizadas foi inserido ao protótipo um conector BNC. A fig. 5 demonstra essa construção. Fig. 5 Adaptação do conector BNC Após a construção do protótipo foram realizadas varreduras de frequência utilizando o Analisador de Impedância, fig. 6, com os seguintes parâmetros: a) Faixa de frequência = 100 khz a 200 MHz b) Tempo de propagação = 1 ns c) Amplitude = - 6 db ANALISADOR DE IMPEDÂNCIA CABO

10 12 Fig. 6 Desenho esquemático medição Na figura 7 demonstra-se a medição sendo realizada: Fig. 7 Realização das medições Foram realizadas varreduras com o protótipo aberto, ou seja, sem carga e em curto. A fig. 8 demonstra estes dois estados Fig. 8 medição em aberto e em curto Também foi realizada análise temporal, onde foi utilizado um osciloscópio que analisou o comportamento do protótipo ao ser aplicado um pulso por um gerador de função 4) Resultados obtidos Com o protótipo em aberto o comportamento da impedância está demostrado no gráfico 1..

11 13 gráfico 2. Gráfico 1 Impedância em aberto Com o protótipo em curto o comportamento da impedância está demonstrado no no gráfico 3. Gráfico 2 Impedância em curto Com o protótipo em aberto e em curto o comportamento temporal está demostrado Gráfico 3 Análise no tempo 5) Simulações Com base em dados obtidos do experimento, foram determinados os parâmetros necessários à simulação. Foi utilizado o programa Qucs, versão Utilizando o modelo de Linhas de Transmissão do Qucs, foi realizada uma comparação entre os dados medidos e os simulados por este programa, isto se fez necessário em consequência do comportamento não linear do protótipo em aberto. Na fig. 9 está representada esta comparação

12 14. Fig. 9 Comparação da simulação com LT do Qucs com os valores medidos Desta simulação foi possível determinar os seguintes parâmetros: a) Permissividade elétrica: εr = 34 b) Tangente de perdas tand = 0,9 c) Permeabilidade µr =1 Segundo Bogatin (2010), para cabo coaxial Com o cabo em curto, o comportamento da impedância está demonstrado no gráfico 4. :

13 15 Gráfico 4 - Simulação: impedância em curto Do gráfico: F=1,02x10^6 Hz Z=5,33 Ω Fase=86,03 0 Zimag. = Z x sen 86,03 = 5,32 L=2,4 m Cálculo da impedância característica Cálculo de velocidade Cálculo de εr Cálculo do comprimento das estruturas Cálculo do número de segmentos

14 16 dielétrico. Por segmento, tem-se os seguintes valores: C = 28,4 pf L = 8,6 nh Cálculo das perdas no dielétrico: Utilizou-se o programa Qucs para a realização dos cálculos referentes às perdas no Fig. 10 Modelo por segmento Onde cada segmento é o resultado da divisão por 96. O resultado da aplicação deste formulário foi o seguinte: Com isso foi possível construir o modelo por segmento: conforme Fig. 10. Para a simulação foram construídos dois sub-circuitos contendo 10 e 6 elementos unitários. Utilizando, então, nove subcircuitos de 10 elementos e um sub-circuito de 6 elementos. A Fig.11 apresenta este circuito no modo aberto :

15 17 Dados da simulação Fig. 11 Modelo modo aberto O gráfico 5, apresenta a comparação entre os valores da impedância medida em laboratório e a simulada, obtidas no modo aberto. Dados do experimento Dados da simulação Gráfico 6 Impedância medida e simulada É possível comparar os valores obtidos do modelo de Linhas de Transmissão com os valores obtidos do modelo construído e também com os valores medidos, o gráfico 7 demonstra esta comparação no modo aberto: distribuído Dados do experimento Dados da simulação Dados da simulação LT Gráfico 5 impedância medida e simulada A Fig.12 apresenta este circuito no modo em curto: Gráfico 7 Impedância medida e simulada Fig. 12 Modelo modo em curto O gráfico 6, apresenta a comparação entre os valores da impedância medida em laboratório e a simulada, obtidas no modo em curto. Dados do experimento O gráfico 8 demonstra a comparação no modo em curto. distribuído Dados do experimento Dados da simulação Dados da simulação LT

16 18 Gráfico 8 impedância medida e simulada Conclusão Não foi possível a realização de simulação temporal, pois devido ao número excessivo de elementos o programa não rodava a simulação, tentou-se diminuir a faixa de análise, mas sem efeito satisfatório. Verifica-se que ocorrem muitas perdas no dielétrico, em virtude de que esse sistema apresenta uma tangente de delta (tand) muito elevada. Já as perdas no condutor são extremamente baixas, em relação às perdas no dielétrico. Na simulação com o protótipo em aberto, para frequências entre 100 khz e 4 MHz os valores não são coincidentes, isto se deve ao fato que fatores característicos do solo provocam reações não previstas no modelo do programa, gerando respostas não-lineares, por exemplo a ionização do solo. Já na simulação com o protótipo em curto, os valores são mais coincidentes, provavelmente por ter minimizado os fatores característicos do solo nesta configuração. Deve-se salientar que, na avaliação da variação da condutividade e permissividade com a frequência, o efeito do tipo de solo é bastante acentuado, o que implica na necessidade de se considerar as características específicas de cada solo, ainda que de forma aproximada. Esse aspecto dificulta a obtenção de uma formulação geral para dependência dos parâmetros do solo com frequência. Sugestão: Inclusão de efeitos não lineares na ferramenta desenvolvida, sobretudo o fenômeno de ionização do solo, com posterior avaliação desse efeito no desempenho e comportamento transitório do aterramento.

17 19 Referências ALIPIO, R. e VISACRO, S. - A Physical Model For The Frequency Dependence Of Soil Conductivity And Permittivity - International Conference on Grounding and Earthing & 5th International Conference on Lightning Physics and Effects Brasil 2012 BOGATIN, E. Signal and power integrity. 2. ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, p. GRCEV, L, ARNAUTOVSKI-TOSEVA, V. Grounding systems modeling for high frequencies and transients: some fundamental considerations, Proceedings of the IEEE Bologna PowerTech Conference, Bologna, Itália, junho de KINDERMANN, G.; CAMPAGNOLO, J. M. Aterramento Elétrico. 5. Ed.,Edição do Autor, Florianópolis, SC, 2002 MATTOS, M. A. Transitórios em Malhas de Terra SNPTEE, Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica Minas Gerais 2003 PORTELA, C. M. Measurement and modeling of soil electromagnetic behavior Proceedings of IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, pp , Seattle, EUA, VISACRO, S.. A comprehensive approach to the grounding response to lightning currents, IEEE Transactions on power delivery, vol. 22, nº 1, pp , janeiro de 2007.

18 20 NORMAS PARA ENCAMINHAMENTO DE ARTIGO Os interessados em publicar artigos devem fazer submissão para o revistaeletronica@cetepensino.com.br. Serão aceitos artigos, resenhas e entrevistas de professores e graduandos do CETEP e de outras IES. ARTIGOS * Formato do arquivo: Microsoft Word (modo de compatibilidade). * Configuração da página: tamanho A4, sendo todas as margens com 3 cm e justificadas. * Limite de páginas: no mínimo 10 (dez) e no máximo 20 (vinte). * Fonte: Times New Roman, corpo 12. * Espaçamento: 1,5, no corpo do texto. Simples, apenas para as citações com mais de 3 linhas. * Citações: recuo de 6 cm, à esquerda, em relação ao corpo do texto; fonte: Times New Roman, corpo 11. * Apresentar o trabalho na seguinte sequência: título, nome(s) do(s) autor (es), indicação de co-autoria, se houver; resumo, palavras-chave (mínimo 3, máximo 5), resumo em língua estrangeira, texto; notas e referências; anexos e/ou apêndices. * Título em língua portuguesa centralizado, em maiúsculas, sem negrito ou grifo, na primeira linha da primeira página. * Título em língua estrangeira centralizado, em maiúsculas, sem negrito ou grifo logo abaixo do título em língua portuguesa. * Subtítulos (se houver) sem adentramento, sem negrito ou grifo, numerados em algarismo arábicos (0. Introdução); apenas a primeira letra de cada subtítulo deve ser maiúscula. O(s) nome(s) do(s) autor(es), assim como do(s) co-autor(es), deve(m) estar duas linhas abaixo do título em língua estrangeira, alinhado(s) à esquerda, seguido(s) da(s) respectiva(s) titulação(ões) (graduando, graduado, especialista, mestre ou doutor) e da sigla da instituição de filiação, se houver. Exemplo: João da Silva (título) CETEP * Resumo: 100 caracteres, espaçamento simples, corpo 11.

19 21 * As referências devem vir duas linhas abaixo do final do texto, em corpo 12, ordem alfabética, sem numeração, sem adentramento, espaçamento simples, apresentadas de acordo com as normas da ABNT, conforme exemplos a seguir: Se obra no todo: GOMES, C. Metodologia científica. 2. ed. São Paulo: Atlântica, Se parte de obra: LIMA, Luiz Costa. Ficção: As linguagens do modernismo. In: ÁVILA, Affonso. O modernismo. São Paulo: Perspectiva, p Se artigo periódico: MIRANDA, Wander Melo. A menina morta: a cena muda. O eixo e a roda, Belo Horizonte, v. 1, n. 1, p , Se texto da Internet: ZILLY, Berthold. A barbárie: antítese ou elemento da civilização? Do Facundo de Sarmiento a Os sertões de Euclídes da Cunha. Gramsci e o Brasil Disponível em: < Acesso em: 20 out. 2001, 16h30. * A citação de autores, incluída no trabalho, deve seguir o sistema autor/data, podendo apresentar a indicação da página, por exemplo, (Lima, 1976) ou (Lima, 1976, p. 57). * As remissões para notas de conteúdo deverão ser feitas por números, na entrelinha superior. * Anexos ou apêndices serão incluídos somente quando imprescindíveis à compreensão do texto. * NOVO ACORDO ORTOGRÁFICO: Os artigos submetidos à análise do conselho editorial devem seguir as regras do novo acordo ortográfico da língua portuguesa. O conselho reservase o direito de recusar textos que não atendam a este item ou que apresentem muitas incorreções. * As páginas do artigo não devem ser numeradas. * Usar apenas notas de rodapé (não são admitidas notas de fim), em letra Times New Roman 9 e espaçamento simples.

20 22 * FIGURAS: Devem vir centralizadas e trazer legenda, também centralizada, em letra Times New Roman 9 e espaçamento simples, com as seguintes informações: Número da figura, título e fonte. * A revisão dos trabalhos é de inteira responsabilidade dos autores. RESENHAS * Formato do arquivo: Microsoft Word (modo de compatibilidade). * Configuração da página: tamanho A4, sendo todas as margens com 3 cm e justificadas. * Limite de páginas: no mínimo 4 (quatro) e no máximo 8 (oito). * Fonte: Times New Roman, corpo 12. * Espaçamento: 1,5, no corpo do texto. * Título em língua portuguesa centralizado, em maiúsculas, sem negrito ou grifo, na primeira linha da primeira página. * Título da obra resenhada Ex.: GOMES, C. Metodologia científica. São Paulo: Atlântica, Referências: Seguir o mesmo padrão adotado para os artigos. ENTREVISTAS A Revista poderá publicar entrevistas realizadas com pesquisadores e militantes no âmbito das temáticas da Revista. Na primeira página da entrevista, deve constar o título da mesma, seguido de uma breve apresentação do entrevistado e do entrevistador. SEÇÃO LIVRE Nesta seção serão aceitos textos que contenham análises ou relatórios relacionados à temática da revista. Limite de páginas: no mínimo uma e no máximo 4. Os trabalhos deverão ser enviados para o revistaeletronica@cetepensino.com.br