Influência das características físicas do solo na resposta transitória em linhas de transmissão

Abstract

Propõe-se aprimorar a modelagem de linhas de transmissão (LTs) para simulações de transitórios eletromagnéticos, com foco na consideração das características físicas do solo, tornando-o mais realista. A pesquisa destaca a influência dos fatores físicos do solo, como o efeito da frequência, teor de umidade, porosidade e estratificação, nas respostas transitórias. O modelo de linha utilizado é o Universal Line Model (ULM), implementado nos softwares MATLAB e ATP-EMTP. Com esse intuito, a pesquisa revisa as principais formulações para o cálculo da impedância e admitância do solo, além de comparar os principais modelos disponíveis para incorporar a dependência do solo em função dos fatores físicos. Simulações são realizadas considerando uma configuração com duas LTs trifásicas, geometricamente em paralelo, de 10 km, submetidas à incidência de descarga atmosférica. As tensões transitórias são calculadas considerando duas abordagens: (i) ULM-ATP, considerada como referência, em que o modelo de linha utilizado é o ULM (disponível na versão 7.5 do software ATP-EMTP). Nessa abordagem, a impedância do solo é calculada utilizando a formulação de Carson e a admitância do solo é desprezada. As correntes de deslocamento são negligenciadas e a condutividade do solo é considerada constante. (ii) ULM-implementado, em que o modelo de linha empregado é o ULM, implementado utilizando os softwares MATLAB e ATP-EMTP. Nessa abordagem, a impedância e a admitância do solo são calculadas pela formulação de Wise/Nakagawa, e os parâmetros do solo são dependentes dos fatores físicos. Os resultados mostram que o ULM-implementado, com características realistas do solo incorporadas, produz tensões transitórias com valores de pico mais atenuados em comparação com o ULM-ATP, que gera picos de tensão sobrestimados. Esses resultados demonstram a importância da modelagem realista do solo nas respostas transitórias. Assim, a pesquisa enfatiza que uma modelagem mais precisa do solo é essencial para melhorar a previsibilidade e a eficiência operacional dos sistemas de potência, além de destacar a necessidade de atualização dos softwares de simulação de transitórios eletromagnéticos, visando garantir operações mais seguras.

It is proposed to improve the modeling of transmission lines (TLs) for electromagnetic transient simulations, focusing on considering the physical characteristics of the soil, making it more realistic. This research highlights the influence of soil physical factors, such as frequency effects, water content, porosity, and stratification, on the responses generated by transient events. The line model used is the Universal Line Model (ULM), implemented in MATLAB and ATP-EMTP software. To achieve this, the research reviews the main formulations for calculating ground-return impedance and admittance and compares the main models in the literature that incorporate these physical factors. Simulations are performed considering a power system consisting of two parallel overhead transmission lines, each 10 km in length, subjected to lightning strikes. The transient voltages are calculated using two approaches: (i) ULM-ATP, considered the reference, where the line model used is the ULM (available in the recent version of the ATP-EMTP software). In this approach, the ground-return impedance is calculated using Carson’s formulation, which neglects ground-return admittance and displacement currents, and soil conductivity is considered constant. (ii) ULM-implemented, in which the line model used is the ULM, implemented using MATLAB and ATP-EMTP software. In this approach, the ground-return impedance and admittance are calculated using the Wise/Nakagawa formulation, and the soil electrical parameters depend on distinct physical factors. The results show that the ULM-implemented model, with incorporated realistic soil characteristics, produces transient voltages with more attenuated peak values compared to the ULM-ATP, which generates overestimated voltage peaks. These results demonstrate the importance of realistic soil modeling in transient responses. Thus, the research emphasizes that more accurate soil modeling is essential to improve the predictability and operational efficiency of power systems and highlights the need for updating EMTP-type software to ensure correct transient responses.