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Um trabalho de pesquisa sobre a evolução dos sistemas de aterramento em face de equipamentos eletrônicos sensíveis a interferências eletromagnéticas. O artigo discute as dificuldades de utilizar o mesmo sistema de aterramento para proteger esses equipamentos, especialmente aqueles voltados para a tecnologia da informação (ti). Resultados de simulações utilizando o método tlm (modelagem de transmissão de linhas) para avaliar o desempenho de uma malha de aterramento funcional quadrada. As simulações foram realizadas para equipamentos de ti em ambientes comerciais e foram comparadas com medições experimentais. O objetivo é construir malhas de aterramento capazes de manter a equipotencialidade para baixas e altas frequências.
Tipologia: Notas de estudo
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Escola de Engenharia Elétrica e de Computação ANTÔNIO M ELO DE OLIVEIRA, C ARLOS RENATO B. DOS S ANTOS, LUIS F ERNANDO DA CRUZ , C AROLINE L EVI G UEDES^1
1. INTRODUÇÃO Com o advento dos equipamentos eletrônicos sensíveis a interferências eletromagnéticas houve novas evoluções dos sistemas de aterramento. Inicialmente, utilizava-se para a proteção desses equipamentos o sistema de aterramento contra choques, logo se percebeu a dificuldade de se utilizar esta mesma malha para aterrar equipamentos sensíveis, principalmente os voltados para tecnologia da informação (TI). O que acontecia era que, em regime permanente, as malhas de potência eram inadequadas para aparelhos sensíveis, uma vez que elas eram percorridas por correntes de várias origens, denominadas espúrias (provocadas por correntes de origem galvânica, de circulação de neutro, induções eletromagnéticas, etc); além disso, em regime transitório, essas malhas eram percorridas por correntes de curtos-circuitos e descargas atmosféricas PROCOBRE (2004). Estes eventos elétricos incluem energia (surtos e transientes) das companhias de eletricidade, telefone, comunicações diversas, rádio e outras formas de dados. Diante desse problema, houve a necessidade de uma nova filosofia de aterramento, desenvolvendo-se então o sistema de aterramento isolado. O presente trabalho é continuação dos projetos desenvolvidos por MENDONÇA (2005) e SANTOS (2005) sendo os resultados avaliados são apresentados em C RUZ (2005, p. 1-3) apresentado no VII International Symposium on Lightning Protection. Em MENDONÇA (2005) foi desenvolvido um algoritmo aplicando TLM que constrói uma malha de aterramento funcional quadrada. Este algoritmo utiliza linguagem orientada a objeto, facilitando a construção computacional do objeto analisado. Os resultados desse modelo são apresentados em C RUZ (2005). Foi realizado por SANTOS (2005) medições experimentais da impedância dos nós da malha construída, posteriormente comparou com os valores obtidos computacionalmente. Os resultados obtidos estão em S ANTOS (2006). Em ambos os trabalhos foram avaliados uma malha de terra isolada quadrada para equipamentos de TI em ambientes comercias, onde foram feitas simulações de um pulso de corrente, que variavam as intensidades representando uma descarga atmosférica. Em seguida foi montada uma malha de aplicação prática para comparar os valores teóricos com os práticos, cujos resultados foram satisfatórios. O estudo apresentado procura evoluir ao analisar uma malha enterrada no solo. O método utilizado é o TLM (Transmission Line Modeling Method) com o propósito de avaliar o desempenho da malha de aterramento que tenha a característica de funcional. Dentro do processo de evolução da aplicação de TLM para malha de aterramento funcional surgiu a necessidade de construir malhas de aterramento que sejam capazes de manter a eqüipotencialidade para baixas e altas freqüências. As altas freqüências são resultado da utilização desses equipamentos de TI (Tecnologia da Informação) que buscam o monitoramento on-line de equipamentos de diversas aplicações e comunicação à distância para gerenciamento; esses exemplos geram dados que são obtidos dentro de sistemas de monitoramento com Intranet, Internet ou Redes Locais (LAN); ou qualquer sistema complexo de computadores ou equipamentos de TI. Estes sistemas visam a automação dos processos de forma a reduzir custos. Este artigo apresenta simulações analisando a malha de aterramento funcional enterrada no solo. São utilizados os valores de corrente de descargas atmosféricas obtidos por G IN (1997, p. 3-4) e a malha de acordo com M EDEIROS (1998, p. 15-18). Não serão avaliados processos de ionização do solo, nem problemas relacionados às bordas das malhas. As simulações correspondem a uma malha com impedância calculada conforme C RUZ (2005); e foram simuladas condições que representam
(^1) ANTÔNIO M ELO DE OLIVEIRA – Orientador/Pesquisador – PEQ – Núcleo de Estudo e Pesquisa em Processamento de Energia e Qualidade, Prof. Dr. da Escola de Engenharia Elétrica e de Computação/UFG; [email protected] C ARLOS RENATO B. DOS S ANTOS ; [email protected] E LUIS FERNANDO DA CRUZ , [email protected] – M ETRES EM E NGENHARIA C AROLINE L EVI G UEDES – M ESTRANDA – PEQ – Núcleo de Estudo e Pesquisa em Processamento de Energia e Qualidade, Prof. Dr. da Escola de Engenharia Elétrica e de Computação/UFG; [email protected]
uma descarga atmosférica, um curto-circuito e um sinal elétrico de alta freqüência semelhante a uma interferência eletromagnética. Os resultados foram satisfatórios quando da aplicação do método a uma malha de dimensões médias que estão conectadas a edifícios e sistemas de SPDA.
2. METODOLOGIA O método utilizado é diferencial no domínio de tempo e pode ser considerado um modelo para a execução do software que analisa o comportamento impulsivo da tensão. Este método consiste na discretização da estrutura analisada e em adotar um valor para a impedância de cada segmento, isto é, a estrutura é dividida em segmentos que são conectados com impedâncias. A análise de linhas de transmissão de dois condutores é a base unidimensional do TLM; este modelo aqui empregado usa uma base para as versões bidimensional ou tridimensionais de TLM. A Figura 2.1 mostra o equivalente de Thévenin de uma unidade básica usada para o desenvolvimento do modelo de TLM, incluindo os efeitos dos segmentos circunvizinhos até as tensões refletidas conforme dado em C RUZ (2005, p. 1-3).
Figura 2.1 - Parâmetros distribuídos de uma linha de transmissão
Com o objetivo de calcular as tensões da grade da malha, o programa foi desenvolvido usando linguagem de programação de C++ uma ferramenta orientada a objeto. O resultado foi a implementação de um TLM baseado em programação logicamente mais simples e mais flexível do que outros, este permite a execução de diversos tipos de análises. O programa apresenta uma maneira simplificada de mudar os parâmetros do sistema. O método executado é capaz de analisar problemas bi e tridimensionais; cada segmento e cada nó têm a informação sobre todos os segmentos e nós adjacentes, permitindo o cálculo automático dos coeficientes da transmissão e de reflexão, de acordo com a estrutura estudada. Após ter executado todas as conexões a serem analisadas, a transmissão e cálculos da reflexão são realizados para cada segmento da estrutura, conforme com o método de TLM baseado em S ARTORI (1994, p. 35- 95). Neste trabalho será utilizada como ferramenta de simulação uma proposta de resolução aplicando-se a programação orientada a objetos desenvolvida por MENDONÇA (2005, p. 55-67). O método TLM consiste em sugerir um valor de impedância para cada seguimento discretizado de uma determinada aplicação. Cada nó da linha é conectado a um ou mais trechos de linha, formando a estrutura de estudo. É largamente utilizado no estudo da compatibilidade eletromagnética (CEM) conforme SANTOS (2005, p.51-53). Nesses estudos estão as análises de campos eletromagnéticos de descargas atmosféricas. O algoritmo utilizado neste trabalho analisa os fenômenos no domínio do tempo (TLM-TD, ou Transmission-Line Modeling – Time Domain) FERREIRA (1999). A Figura 2.2 representa o modelo L equivalente que será utilizado na representação de um trecho curto de uma linha de transmissão de
indutância, a condutância e a capacitância por unidade de comprimento de uma porção incremental de uma linha de transmissão. Para desenvolvimento do método, uma linha de transmissão é representada por parâmetros distribuídos, conforme a Figura 2..
Figura 2.2 - Elemento infinitesimal de uma linha de transmissão
Aplicando a lei de Kirchhoff das tensões na malha externa do circuito da Figura 2.2, obtém-se a equação1:
tempo de frente de onda e a constante de tempo de decaimento, a constante para um curto-circuito é da ordem de 50 vezes o valor de uma descarga a atmosférica MENDONÇA (2005, p. 23).
3.2. Simulação e Resultados A malha possui 21 × 12 nós. Foi inserido o impulso no nó 8 × 6 e analisadas as tensões nos nós P (8×7), P2(9×7) e P3 (10×8). 3.2.1 Simulação I - Descarga Atmosférica Parâmetros adotados para a representação de uma descarga atmosférica: I 0 =100A; Z 0 = 205Ω, τ 1 = 1,2μs, τ 2 =20μs e n = 10.
Figura 3.5 - Forma de onda da corrente da descarga atmosférica Figura 3.6 -Tensões na malha em t = 5 μ s
Figura 3.7-Tensões na malha em t = 20 μ s (^) Figura 3.8-Tensões na malha em t = 40 μ s
Figura 3.9 -Tensões na malha em t = 80 μ s
3.2.2 Simulação II - Curto-circuito Parâmetros adotados para a representação de uma descarga atmosférica: I 0 =1,5A; Z 0 = 205Ω, τ 1 = 20 μs, τ 2 =200μs e n = 10.
Figura 3.10 - Forma de onda da corrente de curto-circuito (^) Figura 3.11-Tensões na malha em t = 50 μ s
Figura 3.12 - Tensões na malha em t = 100 μ s Figura 3.13 -Tensões na malha em t = 150 μ s
Figura 3.14-Tensões na malha em t = 190 μ s
3.2.3 Simulação III – Interferência Eletromagnética Parâmetros adotados para a representação de uma descarga atmosférica: I 0 =100A; Z 0 = 205Ω, τ 1 = 1ns, τ 2 =10ns e n = 10.
Figura 3.15- Forma de onda da corrente de interferência eletromagnética Figura 3.16 -Tensões na malha em t = 5ns
Figura 3.17-Tensões na malha em t = 6ns
Figura 3.18 -Tensões na malha em t = 7ns
Figura 3.19 -Tensões na malha em t = 8ns
Foram apresentados neste trabalho o modelo de malha aplicando TLM e os resultados de simulação do modelo.