Estudos sobre proteção contra os surtos chamados de transitórios rápidos, principalmente os que afetam os sistemas elétricos de potência, exigem que o comportamento dos sistemas de aterramento quando submetidos a esses eventos seja meticulosamente estimado. Isto se deve ao fato de o chamado comportamento dinâmico associado aos sistemas de aterramento, muitas vezes, produzir resultados diferentes do chamado comportamento estático. Em face disso é consenso que, para a realização de tais estudos, é necessário obter um modelo acurado seja do sistema de aterramento como um todo ou dos elementos que o compõe para conseguir uma boa representação nas simulações digitais. Durante as últimas duas décadas muitas tentativas vêem sendo feitas nessa direção. Essas tentativas são baseadas ora em modelos computacionais, os quais são resolvidos numericamente, ora sobre expressões analíticas para as distribuições de tensão e corrente sob simplificações ou condições iniciais especiais. Diversas soluções lidam com as equações de propagação, considerando os parâmetros dos componentes do sistema de aterramento dependentes da freqüência. Outro grupo de métodos baseia-se nos princípios do eletromagnetismo. Neste contexto, este trabalho propõe uma modelagem, usando um bipolo elétrico equivalente, para representar um sistema de aterramento em simulações digitais, por meio de programas baseados no SPICE - simulation program with integrated circuits emphasis. Diferente de modelos anteriores, que usaram o bipolo elétrico para simular apenas o comportamento dinâmico de determinadas partes de um sistema de aterramento, nesta modelagem utiliza-se apenas um bipolo elétrico para simular tanto o comportamento dinâmico quanto o estático. Essa modelagem foi desenvolvida ao longo de um estudo teórico-experimental realizado sobre o tema. / Fast transients protection studies, mainly with regard to electric power systems, require accurate estimation of grounding systems behavior under such phenomena. Therefore, the called dynamic behavior of grounding systems leads those studies, most of cases, to different results from the other called static behavior. For this reason, either the whole grounding system or each one of its components need to be accurately modeled to offer a good representation in digital simulations. Researchers have been made many attempts to this direction, during the last two decades. These attempts are based sometimes on computer models, which are solved numerically, sometimes on analytical expressions for voltage and current distributions under simplifications or special initial conditions. Several solutions deal with the propagation equations, considering the parameters frequency dependence of the grounding system elements. Another class of solution methods is based on the electromagnetism principles. Inserted in this context, the present work proposes a model to represent grounding systems as a whole in digital simulations carried out by computer programs based on SPICE - simulation program with integrated circuits emphasis. This task was performed by using only one experiment-based two-port electric circuit model. Unlike previous works, that explored the two-port electric circuit model to simulate only the dynamic behavior of grounding systems, this work shows the possibility to incorporate both dynamic and static behavior to the two-port electric circuit model. This procedure relies on a methodology developed from a theoretic-experimental study.

Estudos sobre proteção contra os surtos chamados de transitórios rápidos, principalmente os que afetam os sistemas elétricos de potência, exigem que o comportamento dos sistemas de aterramento quando submetidos a esses eventos seja meticulosamente estimado. Isto se deve ao fato de o chamado comportamento dinâmico associado aos sistemas de aterramento, muitas vezes, produzir resultados diferentes do chamado comportamento estático. Em face disso é consenso que, para a realização de tais estudos, é necessário obter um modelo acurado seja do sistema de aterramento como um todo ou dos elementos que o compõe para conseguir uma boa representação nas simulações digitais. Durante as últimas duas décadas muitas tentativas vêem sendo feitas nessa direção. Essas tentativas são baseadas ora em modelos computacionais, os quais são resolvidos numericamente, ora sobre expressões analíticas para as distribuições de tensão e corrente sob simplificações ou condições iniciais especiais. Diversas soluções lidam com as equações de propagação, considerando os parâmetros dos componentes do sistema de aterramento dependentes da freqüência. Outro grupo de métodos baseia-se nos princípios do eletromagnetismo. Neste contexto, este trabalho propõe uma modelagem, usando um bipolo elétrico equivalente, para representar um sistema de aterramento em simulações digitais, por meio de programas baseados no SPICE - simulation program with integrated circuits emphasis. Diferente de modelos anteriores, que usaram o bipolo elétrico para simular apenas o comportamento dinâmico de determinadas partes de um sistema de aterramento, nesta modelagem utiliza-se apenas um bipolo elétrico para simular tanto o comportamento dinâmico quanto o estático. Essa modelagem foi desenvolvida ao longo de um estudo teórico-experimental realizado sobre o tema. / Fast transients protection studies, mainly with regard to electric power systems, require accurate estimation of grounding systems behavior under such phenomena. Therefore, the called dynamic behavior of grounding systems leads those studies, most of cases, to different results from the other called static behavior. For this reason, either the whole grounding system or each one of its components need to be accurately modeled to offer a good representation in digital simulations. Researchers have been made many attempts to this direction, during the last two decades. These attempts are based sometimes on computer models, which are solved numerically, sometimes on analytical expressions for voltage and current distributions under simplifications or special initial conditions. Several solutions deal with the propagation equations, considering the parameters frequency dependence of the grounding system elements. Another class of solution methods is based on the electromagnetism principles. Inserted in this context, the present work proposes a model to represent grounding systems as a whole in digital simulations carried out by computer programs based on SPICE - simulation program with integrated circuits emphasis. This task was performed by using only one experiment-based two-port electric circuit model. Unlike previous works, that explored the two-port electric circuit model to simulate only the dynamic behavior of grounding systems, this work shows the possibility to incorporate both dynamic and static behavior to the two-port electric circuit model. This procedure relies on a methodology developed from a theoretic-experimental study.

<p>In order to achieve better lightning protection and electromagnetic compatibility (EMC) requirements, the needs for a proper grounding system and the knowledge of its transient behaviour become crucial. </p><p>The present work is focused towards developing engineering models for transient analysis of grounding system with sufficient accuracy and simplicity for lightning studies. Firstly, the conventional uniform transmission line approach for a single grounding conductor is modified and extended to grounding grids. Secondly, in order to overcome the drawbacks of all the existing transmission line approaches, for the first time, a non-uniform transmission line approach is developed for modelling the transient behaviour of different types of grounding systems. The important feature of such an approach is in its capability to include the electromagnetic couplings between different parts of the grounding system using space and time dependent per-unit length parameters.</p><p>High voltages and currents induced in the grounding systems due to lightning always produce ionization in the soil. This phenomenon should be included during the transient analysis of grounding systems. In the present work, an improved soil ionization model including residual resistivity in ionization region is developed. The fact that there exists residual resistivity in ionization region (7 % of the original soil resistivity) can be proved by the experiments reported in the literature and the experiments carried out at the high voltage lab of Uppsala University. The advantage of including residual resistivity is that the beneficial influence of soil ionization in reducing the potential rise of grounding system will not be overestimated, especially in high resistivity soil.</p><p>Finally, the transmission line approaches are adopted for studying the response of grounding systems due to lightning for different applications. These are, influence of soil parameters on the transient behaviour of grounding systems, transient analysis of grounding structures in stratified soils, investigation of the validity of existing definitions for effective length/area of different grounding structures, current distribution in the shields of under ground cables associated with communication tower, and influence of insulator flashover and soil ionization around the pole footing on surge propagation in Swedish railway system.</p>

In order to achieve better lightning protection and electromagnetic compatibility (EMC) requirements, the needs for a proper grounding system and the knowledge of its transient behaviour become crucial. The present work is focused towards developing engineering models for transient analysis of grounding system with sufficient accuracy and simplicity for lightning studies. Firstly, the conventional uniform transmission line approach for a single grounding conductor is modified and extended to grounding grids. Secondly, in order to overcome the drawbacks of all the existing transmission line approaches, for the first time, a non-uniform transmission line approach is developed for modelling the transient behaviour of different types of grounding systems. The important feature of such an approach is in its capability to include the electromagnetic couplings between different parts of the grounding system using space and time dependent per-unit length parameters. High voltages and currents induced in the grounding systems due to lightning always produce ionization in the soil. This phenomenon should be included during the transient analysis of grounding systems. In the present work, an improved soil ionization model including residual resistivity in ionization region is developed. The fact that there exists residual resistivity in ionization region (7 % of the original soil resistivity) can be proved by the experiments reported in the literature and the experiments carried out at the high voltage lab of Uppsala University. The advantage of including residual resistivity is that the beneficial influence of soil ionization in reducing the potential rise of grounding system will not be overestimated, especially in high resistivity soil. Finally, the transmission line approaches are adopted for studying the response of grounding systems due to lightning for different applications. These are, influence of soil parameters on the transient behaviour of grounding systems, transient analysis of grounding structures in stratified soils, investigation of the validity of existing definitions for effective length/area of different grounding structures, current distribution in the shields of under ground cables associated with communication tower, and influence of insulator flashover and soil ionization around the pole footing on surge propagation in Swedish railway system.

Este trabalho fundamenta-se no desenvolvimento e aprimoramento de metodologias para a melhor representação do aterramento elétrico sob uma análise transiente. O estudo concentrase no estabelecimento de contribuições ao estado da arte associadas à análise e modelagem de aterramento impulsivo e em altas frequências. O estudo vincula-se também à avaliação da suportabilidade de seres humanos submetidos a potenciais produzidos na superfície do solo, provenientes da corrente elétrica gerada por um surto atmosférico. A concepção das metodologias propostas baseou-se no uso do Método da Modelagem por Linhas de Transmissão em uma dimensão (TLM-1D). Destacam-se três grandes tópicos da pesquisa. O primeiro concentra-se no desenvolvimento de formulação para a inclusão do fenômeno de ionização do solo ao Método TLM-1D clássico. A formulação desenvolvida tem como característica ser uma técnica generalista, independente das propriedades do meio, dimensões do eletrodo e do surto atmosférico. O segundo foco concentra-se no aprimoramento e desenvolvimento de equacionamento analítico para a estimação de potenciais gerados na superfície do solo, originados pela corrente elétrica estabelecida sobre eletrodo de aterramento. Tal equacionamento tem grande aplicabilidade em conjunto com metodologias numéricas unidimensionais, as quais não são capazes de determinar diretamente os referidos potenciais. Por fim, a realização de estudo de suportabilidade e segurança de seres humanos em contato com eletrodos de aterramento submetidos a surto atmosférico, considerando modelo representativo baseado em circuitos elétricos, consolida o trabalho desenvolvido. / This work is based on the development and improvement of methodologies for the best representation of the electrical grounding under a transient analysis. The study concentrated on establishing contributions to the state of the art related to the analysis and modeling of impulsive and high frequencies grounding systems. The study is also associated to the evaluation of the supportability of human beings submitted to the potentials produced on the soil surface from the electric current generated by a lightning. The conception of the proposed methodology was based on the Transmission Line Modeling Method in one dimension (TLM- 1D). Three major research topics can be highlighted. The first involves the development of a formulation to include the soil ionization phenomenon in the classic TLM-1D algorithm. The developed formulation is a generalist technique, independent of the medium properties, characteristic of the electrode and lightning surge. The second aims at the improvement and development of analytical equations for estimating the generated potential on the soil surface, originated by the electric current calculated in the grounding electrode. Such equationing has great applicability in conjunction with one-dimensional numerical methods which are not able to determine such potential directly. Finally, the achievement of a supportability study and personal safety of humans in contact with the grounding electrodes subjected to a lightning, considering a representative model based on electrical circuits, consolidates the developed work.

Este trabalho fundamenta-se no desenvolvimento e aprimoramento de metodologias para a melhor representação do aterramento elétrico sob uma análise transiente. O estudo concentrase no estabelecimento de contribuições ao estado da arte associadas à análise e modelagem de aterramento impulsivo e em altas frequências. O estudo vincula-se também à avaliação da suportabilidade de seres humanos submetidos a potenciais produzidos na superfície do solo, provenientes da corrente elétrica gerada por um surto atmosférico. A concepção das metodologias propostas baseou-se no uso do Método da Modelagem por Linhas de Transmissão em uma dimensão (TLM-1D). Destacam-se três grandes tópicos da pesquisa. O primeiro concentra-se no desenvolvimento de formulação para a inclusão do fenômeno de ionização do solo ao Método TLM-1D clássico. A formulação desenvolvida tem como característica ser uma técnica generalista, independente das propriedades do meio, dimensões do eletrodo e do surto atmosférico. O segundo foco concentra-se no aprimoramento e desenvolvimento de equacionamento analítico para a estimação de potenciais gerados na superfície do solo, originados pela corrente elétrica estabelecida sobre eletrodo de aterramento. Tal equacionamento tem grande aplicabilidade em conjunto com metodologias numéricas unidimensionais, as quais não são capazes de determinar diretamente os referidos potenciais. Por fim, a realização de estudo de suportabilidade e segurança de seres humanos em contato com eletrodos de aterramento submetidos a surto atmosférico, considerando modelo representativo baseado em circuitos elétricos, consolida o trabalho desenvolvido. / This work is based on the development and improvement of methodologies for the best representation of the electrical grounding under a transient analysis. The study concentrated on establishing contributions to the state of the art related to the analysis and modeling of impulsive and high frequencies grounding systems. The study is also associated to the evaluation of the supportability of human beings submitted to the potentials produced on the soil surface from the electric current generated by a lightning. The conception of the proposed methodology was based on the Transmission Line Modeling Method in one dimension (TLM- 1D). Three major research topics can be highlighted. The first involves the development of a formulation to include the soil ionization phenomenon in the classic TLM-1D algorithm. The developed formulation is a generalist technique, independent of the medium properties, characteristic of the electrode and lightning surge. The second aims at the improvement and development of analytical equations for estimating the generated potential on the soil surface, originated by the electric current calculated in the grounding electrode. Such equationing has great applicability in conjunction with one-dimensional numerical methods which are not able to determine such potential directly. Finally, the achievement of a supportability study and personal safety of humans in contact with the grounding electrodes subjected to a lightning, considering a representative model based on electrical circuits, consolidates the developed work.

Submitted by Lucienne Costa (lucienneferreira@ufcg.edu.br) on 2018-04-25T17:58:53Z No. of bitstreams: 1 GABRIEL VIDAL NEGREIROS BEZERRA – DISSERTAÇÃO (PPGEE) 2017.pdf: 5032226 bytes, checksum: 900940f480110db5450f19583af7d19d (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-25T17:58:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GABRIEL VIDAL NEGREIROS BEZERRA – DISSERTAÇÃO (PPGEE) 2017.pdf: 5032226 bytes, checksum: 900940f480110db5450f19583af7d19d (MD5) Previous issue date: 2017-03-30 / CNPq / Neste trabalho é realizada uma avaliação da resposta impulsiva de aterramento com haste concretada, considerando o efeito da ionização do solo. Para isso, o aterramento foi representado e simulado utilizando uma ferramenta computacional de simulação em três dimensões por meio do método dos elementos finitos. A representação computacional, bem como a validação da mesma, foi feita tomando-se como base dados experimentais apresentados na literatura. O fenômeno da ionização do solo foi implementado ponto a ponto, utilizando o equacionamento do modelo dinâmico de ionização do solo, possibilitando que aterramentos com diferentes formatos geométricos sejam avaliados. Avaliou-se a impedância transitória de uma haste concretada padronizada para solos com diferentes resistividades. Além disso, procedeu-se com uma análise da resposta impulsiva da haste concretada para diferentes parâmetros geométricos, a saber: raio do concreto envolvente, comprimento vertical da haste concretada, comprimento vertical do concreto envolvente e profundidade da haste concretada em relação ao nível do solo. Por fim, propõem-se limites práticos e sugestões de dimensões para a haste concretada, de forma que a reposta impulsiva seja otimizada. / In this research, was performed an impulsive response evaluation of concrete encased groundings, considering de soil ionization effect. In order to achive this, the grouding was represented and simulated in three dimensions using a finite element method software. The computational representation and validation were performed using experimental data presented in the literature. The soil ionization effect was implemented in a point form, allowing evaluate groudings with different geometric formats. It was studied the transient impedance of a standard concrete encased rod placed in soils with different resistivity values. Furthermore, was performed a transient response analysis for different geometric parameters of the concrete encased rod, namely: the concrete radius, the vertical length of the concrete encased rod, the vertical length of the concrete encased rod, the surrounding concrete and the depth of the concrete encased rod in relation to the soil surface. Finally, practical limits and suggested dimensions for the concrete encased rod are proposed, in order to optimize the impulse response.

Este trabalho fundamenta-se no desenvolvimento e aprimoramento de metodologias para a melhor representação do aterramento elétrico sob uma análise transiente. O estudo concentrase no estabelecimento de contribuições ao estado da arte associadas à análise e modelagem de aterramento impulsivo e em altas frequências. O estudo vincula-se também à avaliação da suportabilidade de seres humanos submetidos a potenciais produzidos na superfície do solo, provenientes da corrente elétrica gerada por um surto atmosférico. A concepção das metodologias propostas baseou-se no uso do Método da Modelagem por Linhas de Transmissão em uma dimensão (TLM-1D). Destacam-se três grandes tópicos da pesquisa. O primeiro concentra-se no desenvolvimento de formulação para a inclusão do fenômeno de ionização do solo ao Método TLM-1D clássico. A formulação desenvolvida tem como característica ser uma técnica generalista, independente das propriedades do meio, dimensões do eletrodo e do surto atmosférico. O segundo foco concentra-se no aprimoramento e desenvolvimento de equacionamento analítico para a estimação de potenciais gerados na superfície do solo, originados pela corrente elétrica estabelecida sobre eletrodo de aterramento. Tal equacionamento tem grande aplicabilidade em conjunto com metodologias numéricas unidimensionais, as quais não são capazes de determinar diretamente os referidos potenciais. Por fim, a realização de estudo de suportabilidade e segurança de seres humanos em contato com eletrodos de aterramento submetidos a surto atmosférico, considerando modelo representativo baseado em circuitos elétricos, consolida o trabalho desenvolvido. / This work is based on the development and improvement of methodologies for the best representation of the electrical grounding under a transient analysis. The study concentrated on establishing contributions to the state of the art related to the analysis and modeling of impulsive and high frequencies grounding systems. The study is also associated to the evaluation of the supportability of human beings submitted to the potentials produced on the soil surface from the electric current generated by a lightning. The conception of the proposed methodology was based on the Transmission Line Modeling Method in one dimension (TLM- 1D). Three major research topics can be highlighted. The first involves the development of a formulation to include the soil ionization phenomenon in the classic TLM-1D algorithm. The developed formulation is a generalist technique, independent of the medium properties, characteristic of the electrode and lightning surge. The second aims at the improvement and development of analytical equations for estimating the generated potential on the soil surface, originated by the electric current calculated in the grounding electrode. Such equationing has great applicability in conjunction with one-dimensional numerical methods which are not able to determine such potential directly. Finally, the achievement of a supportability study and personal safety of humans in contact with the grounding electrodes subjected to a lightning, considering a representative model based on electrical circuits, consolidates the developed work.