O trabalho [40], apresentado por He, descreve o uso de um tanque de metal com 5 metros de diâmetro para simulação e controle das condições do solo para ensaios em um laboratório experimental de aterramentos. Baseado na tecnologia apresentada por He, foi utilizado um tanque hemisférico de 3 metros de diâmetro, disponível no LEAT, para controle das características do solo.
A Fig. 3.1 mostra a estrutura utilizada.
A escolha do solo a ser utilizado se deu a partir de dois fatores essenciais ao estudo. O primeiro, e de importância fundamental, diz respeito à faixa representativa de resistividades do modelo.
Considerando o fator de escala definido na seção anterior, 1:35, que determina a utilização de ondas de corrente com tempos de frente na faixa de 150 ns, e sabendo que o comprimento dos eletrodos é limitado pelas dimensões do tanque de aço utilizado, o único grau de liberdade disponível para
escalar o aterramento, de forma a fazer com que este represente os efeitos do comprimento efetivo, está na determinação dos parâmetros elétricos do solo. Como a malha a ser estudada possui dois trechos de cabos contrapeso, e sabendo que o comprimento limite destes é de 1,5 metros, tem-se que, para um dos trechos, com metade do comprimento total disponível, os efeitos do comprimento efetivo deverão ser obtidos. Assim, a resistividade do solo capaz de resultar nos efeitos necessários, considerando um eletrodo de aproximadamente 0,75 metro e uma forma de onda de corrente com tempo de frente de 150 ns, está entre 1 Ωm e 20 Ωm, resistividade considerada muito baixa. Alguns materiais argilosos, como a bentonita hidratada, materiais terrosos e arenosos após tratamento químico à base de água e sais, ou mesmo materiais líquidos, como a água após tratamento com sais, possuem resistividade na faixa necessária.
Definidas as diferentes possibilidades de solos, parte-se então para os critérios do segundo fator, que diz respeito a homogeneidade e facilidade no controle da resistividade. Para um grande volume de material sólido (caso dos materiais argilosos, terrosos e arenosos), é demasiadamente complicado garantir a uniformidade do tratamento necessário para se obter a resistividade na faixa desejada. Para os materiais líquidos (caso da água), tem-se um facilitador de homogeneidade, com o inconveniente acréscimo de dificuldades de utilização como meio de montagem e manipulação das estruturas de aterramento e dos equipamentos necessários à medição. Apesar das dificuldades inseridas pelo segundo grupo de materiais, a água, pensada como um facilitador para a garantia da homogeneidade do tratamento químico necessário, foi escolhida para representar o solo do modelo reduzido.
Sabendo que a resistividade é diretamente escalada pelo modelo, tem-se que, para a faixa dimensionada, as resistividades em escala real correspondem à faixa de 35 Ωm a 700 Ωm. Essa faixa é representativa à ocorrência dos fenômenos de comprimento efetivo em eletrodos de até 50 metros, para ondas de solicitação similares às ondas de primeira corrente de descarga, como mostra a Fig.
2.8.
(a) (b)
Fig. 3.1 – Cuba hemisférica de aço inox, 3 metros de diâmetro: (a) tanque hemisférico utilizado, (b) estrutura montada para as medições.
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Assim, o volume de água contido no tanque de metal passa a representar a parcela de solo em contato com o eletrodo. No entanto, do ponto de vista eletromagnético, o solo é composto por uma combinação das características da parcela de água e da parede de metal do tanque, que atua, nesse caso, como uma segunda camada de solo com propriedades elétricas distintas da primeira. A contribuição da segunda camada na resposta do aterramento é função da resistividade do solo da primeira camada e da frequência das ondas de corrente de solicitação. Dessa forma, o modelo matemático representativo do arranjo deve levar em consideração um solo estratificado em duas camadas, para que a comparação das simulações analógicas e computacionais seja possível.
Ainda em relação à interação da cuba metálica com os campos eletromagnéticos do fenômeno, outra consequência deve ser observada. No fenômeno real, o solo pode ser considerado plano, infinito e perpendicular em relação ao canal de descarga, fazendo com que as linhas de campo elétrico e magnético se estabeleçam de forma análoga às apresentadas na Fig. 3.2 (a). Entretanto, as restrições físicas do modelo reduzido fazem com que as linhas de campo, que antes se estabeleciam do canal para o solo, encontrem condições de fronteira um pouco diferentes das condições do modelo real. A Fig. 3.2 (b) apresenta a distribuição aproximada das linhas de campo se fechando do canal para o solo e para as paredes da cuba. Nessa condição, a capacitância do canal em relação ao solo será diferente da condição apresentada na Fig. 3.2 (a), e essa alteração será percebida, através da respectiva alteração na impedância, na onda de corrente que flui pelo canal.
(a) (b)
Fig. 3.2 – Distribuição aproximada das linhas de campo, (a) fenômeno real, (b) modelo reduzido considerando a presença da cuba, adaptado de [61].
Como os fenômenos analisados no aterramento têm sua origem diretamente associada às correntes injetadas nos eletrodos, e a modelagem computacional do fenômeno leva em consideração a forma
de onda de corrente real, através da adaptação da metodologia proposta em [44], assume-se que as distorções inseridas pela presença da cuba estarão representadas no modelo computacional através da corrente. Desta forma, apesar das condições de fronteira serem ligeiramente distintas, quando se compara o modelo reduzido e o real, a modelagem adotada é capaz de contornar essa limitação, permitindo, sem maiores problemas, a comparação entre a simulação analógica e a computacional.
A Fig. 3.3 apresenta uma fotografia do tanque de aço preenchido com água tratada. Os detalhes em amarelo fazem parte da estrutura de apoio ao arranjo de aterramento em teste.
Fig. 3.3 – Fotografia da cuba hemisférica de aço inox preenchida com água.