A aplicação das unidades ATL no circuito de corrente de um arranjo de medição de aterramento requer que tal elemento apresentasse baixa impedância de surto e baixa velocidade de propagação.
Pela equação (4.3), ao definir-se as características construtivas de cada unidade, por exemplo, o número de espiras por metro e o diâmetro do tubo, é possível obter-se uma estimativa da sua indutância por unidade de comprimento. De acordo com as equações (4.1) e (4.2), um valor elevado de L’ implica uma baixa velocidade de propagação e uma elevada impedância de surto. Na aplicação da ATL em medição de aterramentos, é importante alcançar-se baixa velocidade de propagação (para reduzir as distâncias de medição) e baixa impedância de surto (para obter correntes e tensões elevadas). Dessa forma, conclui-se pela necessidade de alcançar um valor de L que implique em baixa velocidade de propagação sem que a impedância de surto seja muito elevada.
Nesta dissertação, foram construídos diferentes modelos de unidades ATL, com o intuito de se estudar o efeito das variações de seus parâmetros. Foram realizadas análises de sensibilidades com mudanças no número de espiras e diâmetro do tubo.
Por fim, foi definido que cada unidade da linha de transmissão artificial fosse construída utilizando-se tubos de PVC de ½” (cerca de 21,2 mm de diâmetro externo) e 3m de comprimento, para serem leves e facilitarem o transporte. Foi escolhido o fio de cobre esmaltado AWG #28 (seção de 0.08 mm2) que é fino o suficiente para permitir um elevado número de espiras por metro (aproximadamente 2600 espiras/m), porém
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sem comprometer a sua resistência mecânica. O fio é fixado no tubo com fita isolante, evitando também fuga de corrente para o solo. A Figura 4.2 ilustra uma unidade ATL.
(a) (b)
Figura 4.2 – (a) Unidade ATL construída com tubos PVC ½” e 3m de comprimento, (b) utilizando fio esmaltado de cobre AWG #28, resultando em aproximadamente 2600 espiras/m
De acordo com as características construtivas e pela equação (4.3), estimou-se uma indutância de cada unidade ATL produzida (L’) da ordem de 3 mH/m. Tal valor de indutância é significativamente maior que aqueles obtidos em MAGALHÃES, 2017 (462µH/m) e LIMA, 2015 (285 µH/m). Naturalmente, as unidades produzidas neste trabalho apresentaram velocidade de propagação menor e impedância de surto maior que os valores apresentados nas referências.
O experimento indicado na Figura 4.3 foi utilizado para se determinar a velocidade de propagação e a impedância de surto das unidades ATL. A unidade ATL é conectada ao gerador de impulso por um resistor shunt, enquanto a outra saída do gerador é ligada ao aterramento. Um osciloscópio é utilizado para a medição das ondas de corrente e tensão.
Figura 4.3– Configuração de experimento usado para obter a velocidade de propagação e impedância de surto das unidades ATL.
Sabe-se que, após a onda de corrente percorrer o tubo, ser totalmente refletida na extremidade em aberto e retornar ao ponto de medição, ocorrerão variações abruptas na forma de onda da corrente, que podem ser observadas no osciloscópio. Tomando o tempo da ocorrência dessa mudança abrupta, ou seja, duas vezes o tempo de trânsito da onda, e sabendo o comprimento do tubo (3m), é possível obter uma estimativa da velocidade de propagação νp. A Figura 4.4 a seguir apresenta a forma de onda da corrente de testes realizados em laboratório seguindo o arranjo da Figura 4.3.
Figura 4.4 – Curva da onda de corrente para o teste realizado em laboratório, apontando a chegada da onda refletida na extremidade em aberto no instante TR = 2,9 µs, o que corresponde à velocidade de propagação de 0,69% da
velocidade da luz.
Pelo primeiro gráfico, nota-se que, após a frente da onda, há um intervalo de estabilidade de valor de corrente que antecede a chegada da onda refletida no instante de tempo 𝑡 = 2,9 µ𝑠 , responsável pelas alterações rápidas. Considerando que a onda
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refletida percorre duas vezes o comprimento do tubo (ida e volta) até atingir o aterramento em 2,9 µs, isso resulta na velocidade de propagação de νP =
2∗3 m 2,9 µ𝑠 = 2,07 𝑚
µ𝑠, ou então 0,69% da velocidade da luz.
Já a impedância de surto da unidade ATL pode ser obtida pelo quociente entre a tensão produzida pelo gerador e a corrente injetada, uma vez que a impedância do aterramento utilizado é pode ser desconsiderada, por ser muito inferior à impedância de surto (ordens de 100 versus 103, respectivamente). O gráfico da Figura 4.5 exibe a impedância transitória calculada em testes realizados em laboratório, segundo o arranjo mostrado na Figura 4.3, utilizando uma onda impulsiva de tensão, cujo tempo de frente é de 0,8 µs e pico de 1,5 kV. Na parte plana da curva do gráfico, determina-se uma impedância de surto média 𝑍𝑆 = 6,1 𝑘Ω.
Figura 4.5 - Curva da impedância transitória para o teste realizado em laboratório, indicando que a impedância de surto da unidade ATL é de aproximadamente ZS = 6,1 kΩ.
Os valores de velocidade de propagação e de impedância de surto das unidades ATL produzidas podem apresentar pequenas diferenças, devido às variações construtivas. Em laboratório, foram determinados os parâmetros de cada tubo, confirmando uma variação da impedância de surto entre 5,8 kΩ a 6,2 kΩ e da velocidade de propagação entre 0,72% a 0,64% da velocidade da luz. Como esperado,
as características das unidades ATL utilizadas nessa dissertação são bastantes distintas das apresentadas em (MAGALHÃES, 2017) e (LIMA, 2015). Neste trabalho, obteve-se uma impedância de surto maior enquanto a velocidade de propagação é menor.
As condições dos testes realizados podem alterar os parâmetros das unidades. No caso dos gráficos das Figura 4.4 e Figura 4.5, as formas de ondas foram obtidas em testes realizados em laboratório, ou seja, com os tubos apoiados no piso liso de cimento. Caso os testes fossem realizados em campo, ou seja, em solo com relevo irregular, os resultados seriam diferentes, como é discutido adiante.
Como comentado anteriormente, o valor da capacitância por unidade de comprimento das unidades ATL depende fortemente da sua altura em relação ao solo. Para se avaliar esse comportamento, foi realizado um teste com o arranjo mostrado na Figura 4.3, variando-se a altura do tubo gradativamente. Os resultados da variação da velocidade de propagação e da impedância de surto são mostrados nos gráficos das Figura 4.6 e Figura 4.7 a seguir.
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Figura 4.7 - Curvas da impedância vista pelo gerador em função da altura da unidade em relação ao solo.
Observa-se que, com o aumento da altura dos tubos em relação ao solo, a velocidade de propagação e a impedância de surto dos tubos aumentam. Como denota a análise das equações (4.1) e (4.2), isto ocorre devido à diminuição da capacitância por unidade de comprimento dos tubos. Pelos resultados, é visível que o melhor desempenho das unidades para a aplicação desejada ocorre com o posicionamento da unidade o mais próximo possível do solo. Os gráficos ainda expõem que pequenas variações, como 1 cm ou 2 cm acima do solo, já causam um aumento significativo em ambos νp e ZS, o que significa que durante uma medição, pequenas irregularidades do relevo do solo podem causar uma mudança considerável no comportamento das unidades.
Para avaliar os efeitos do relevo e das características do solo no comportamento das unidades ATL, foi realizado em campo um experimento como o mostrado na Figura 4.3, posicionando-se os tubos em um solo de baixa resistividade (aproximadamente 200 Ωm) e relativamente plano. A Figura 4.8 exibe a forma de onda da corrente resultante em duas situações distintas: com a extremidade do tubo em aberta e aterrada. Com a extremidade em aberto, há uma queda rápida no valor da corrente devido à polaridade negativa da onda refletida. Já com a extremidade aterrada, a polaridade da onda refletida é positiva, causando um aumento rápido da corrente. Isto possibilita melhor definição na determinação do tempo de retorno da onda refletida, como fica evidente nas curvas
da figura. Estas são coincidentes até o instante da chegada da onda refletida, que é o ponto em que as curvas começam a se separar.
Figura 4.8 - Curvas da onda de corrente para o teste realizado em campo com a extremidade em aberto e aterrada, apontando a chegada da onda refletida no instante T = 3,9 µs, o que corresponde a velocidade de propagação de
0,26% da velocidade da luz.
As pequenas oscilações próximas ao pico da onda de corrente, que não foram observadas nos testes realizados em laboratório, podem, aparentemente, ser atribuídas ao relevo do solo sob a unidade ATL, pois a variação da altura do tubo pode influenciar nas suas características. A Figura 4.9 apresenta o gráfico da impedância transitória da unidade ATL para o teste realizado em campo.
Figura 4.9 - Curva da impedância transitória para o teste realizado em campo, indicando que a impedância de surto da unidade ATL é de aproximadamente ZS = 5,1 kΩ.
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Comparando os tempos da chegada da onda refletida e a impedância de surto nos testes realizados em laboratório e em campo, percebe-se a diminuição da velocidade de propagação (tempo de chegada da reflexão passa de 2,9 µs para 3,9 µs) e da impedância de surto (passa de 6,1 kΩ para 5,1 kΩ). A variação significativa dessas grandezas indica a sensibilidade dos parâmetros das unidades ATL frente a variações das condições de teste.