tese 4,6 mb

87
Cálculo do campo magnético originado por cabos subterrâneos de trânsito de energia Pedro Miguel Vaz Osório Marchante Dissertação para a obtenção de grau de mestre em Engenharia Electrotécnica e de computadores Júri Presidente: Prof. Gil Domingos Marques Orientador: Prof. Vítor Manuel de Oliveira Maló Machado Co-Orientador: Prof.ª Maria Eduarda de Sampaio Pinto de Almeida Pedro Vogal: Prof. José António Marinho Brandão Faria Outubro de 2008

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Cálculo do campo magnético originado por cabos

subterrâneos de trânsito de energia

Pedro Miguel Vaz Osório Marchante

Dissertação para a obtenção de grau de mestre em

Engenharia Electrotécnica e de computadores

Júri

Presidente: Prof. Gil Domingos Marques Orientador: Prof. Vítor Manuel de Oliveira Maló Machado Co-Orientador: Prof.ª Maria Eduarda de Sampaio Pinto de Almeida Pedro Vogal: Prof. José António Marinho Brandão Faria

Outubro de 2008

Page 2: Tese 4,6 MB

II

Agradecimentos

Gostava de agradecer ao Prof. Vítor Maló Machado, orientador, e à Prof.ª Maria Eduarda Pedro, co-orientador, por todo o apoio, dedicação e material disponibilizado ao longo da elaboração do trabalho.

Page 3: Tese 4,6 MB

III

Resumo

Este trabalho tem como objectivo, estudar o campo de indução magnética criado por cabos

subterrâneos à superfície da terra. O modelo proposto, permite calcular o campo criado pela

corrente que percorre os condutores dos cabos, tendo em conta, a frequência, a

permeabilidade magnética e condutividade do solo; a configuração e o tipo de ligação das

bainhas dos cabos.

A validação do modelo foi feita em comparação com um modelo simplificado. Este último

permite calcular o campo criado por um cabo ideal infinitamente longo, percorrido por uma

corrente, na hipótese que todo o meio envolvente é o ar, com o retorno de corrente feito pelo

infinito.

O modelo é desenvolvido, primeiro através de uma formulação geral do campo com base em

integrais e séries de Fourier e depois aplicando a essa formulação a aproximação de

Pollaczek. Uma vez definido, o campo, é calculado utilizando um método numérico de

integração.

De entre as diversas conclusões retiradas é importante destacar que a disposição geométrica,

o tipo de ligação das bainhas e o número de cabos de transmissão permitem uma mitigação do

campo à superfície. Este trabalho permitiu concluir, que a disposição dos cabos em triângulo é

a geometria mais favorável, e que de entre os métodos de mitigação estudados o que permitiu

obter melhores resultados foi a utilização de 2 sistemas trifásicos independentes, em vez de

um único sistema.

Palavras chave – Campo indução Magnética, Cabos subterrâneos, Corrente, Integrais de

Pollaczek

Page 4: Tese 4,6 MB

IV

Abstract

The aim of this work is to study the magnetic field at earth surface created by underground

power cables. The developed model, allows to calculate the field created by the cables’ current,

regarding, the frequency, the magnetic permeability and conductivity of the earth, the

configuration and type of sheath connection.

The model validation was made comparing it with a simplified model. The last one allows to

calculate the field created by an infinitely long ideal cable, transversed by an electrical current

and supposing that the involving media is the air, with the return current located in the infinite.

The model is developed, first through a general field formulation based on Fourier integrals and

series developments and later applying the Pollaczek approach. Once the field is formulated, a

numeric method is developed in order to quantify field quantities.

Among the several conclusions it is important to detach that the geometric disposition, type of

sheath connection and number of transmission cables allows field mitigation at Earth surface.

This work allows to conclude, that the triangle cable disposition is the most favourable

geometry, and among all mitigation methods studied the one that allows to obtain better results

was the one with 2 three phase independent circuits, instead of a single one.

Key words - Magnetic Field, underground Power Cables, Current, Pollaczek Integral

Page 5: Tese 4,6 MB

V

Índice

Pág.

Agradecimentos II

Resumo III

Abstract IV

Listagem de figuras VI

Listagem de tabelas X

Listagem de Símbolos XI

Cap.1 Introdução

1. Motivação 12

2. Introdução ao texto 14

3. Campo magnético e a saúde publica

3.1 Estudos Epidemiológicos 15

3.2 Campo magnético em diferentes locais 16

3.3 Posição da OMS relativamente ao efeito do campo magnético. 20

3.4 Legislação e medidas já existentes 21

3.5 Campo criado por linhas de transporte de energia 24

Cap.2 Campo magnético em cabos subterrâneos

1. Formulação do campo. Descrição do campo através de integrais de Pollaczek. 26

2. Cálculo da matriz de impedâncias longitudinais 38

3. Método de cálculo dos integrais de Pollaczek

3.1 Algoritmo de integração 46

3.2 Definição dos limites de integração 47

Cap.3 Resultados Numéricos

1. Comparação dos resultados com o método simplificado 52

2. Sistemas trifásico e monofásico com bainhas ligadas num único ponto

2.1 Comparação de um sistema trifásico com um sistema monofásico 57

2.2 Influência da profundidade a que os cabos estão enterrados no valor do

campo de indução magnética à superfície

59

2.3 Influência da frequência da corrente na distribuição do campo de indução

magnética no ar

60

2.4 Variação da permeabilidade magnética do solo 62

2.5 Variação da posição geométrica dos condutores 65

3. Variação do tipo de ligação das bainhas 73

4. Sistema de transmissão com 6 cabos em esteira horizontal 76

Cap.4 Conclusões 80

Anexos 83

Referências bibliográficas 85

Page 6: Tese 4,6 MB

VI

Listagem de figuras

Pág.

Figura 1.1 – Média do campo magnética de todas as divisões de uma casa em 992

casa nos EUA. (Extraído de [5])

17

Figura 1.2 – Exposição de diferentes trabalhadores ao campo magnético (extraído de

[5]) . 1mG=0.1 [T]

19

Figura 1.3 – Classificação do potencial cancerígeno pela agência Internacional para a

Investigação do Cancro (IART) da OMS, revista em 2001 (extraído de [7])

21

Figura 1.4 – Listas referentes ao posicionamento internacional no que diz respeito, às

recomendações quantitativas da ICNIRP de 1998.(extraído de [2])

22

Figura 1.5 – Medidas precaucionais contra eventuais efeitos crónicos dos campos

magnéticos em diferentes países(extraído de [2])

23

Figura 1.6 – Campo magnético medido durante uma semana e criado por um cabo de

transmissão de 500KV nos EUA(extraído de [5])

24

Figura 2.1 – Esquema ilustrativo, da superfície cilíndrica fronteira de raio rc enterrada

a uma profundidade constante h

26

Figura 2.2 – Representação de uma superfície fronteira genérica S entre um meio 1 e

um meio 2

27

Figura 2.3 – Representação da bainha exterior do cabo 35

Figura 2.4 – Secção recta de um cabo coaxial típico usado num cabo subterrâneo

trifásico de 400Kv

38

Figura 2.5 – Ilustração do método de integração trapezoidal 46

Figura 3.1 – Esquema ilustrativo do campo criado por um cabo infinitamente longo 52

Figura 3.2 – Representação geométrica de arB com a definição do ângulo α, para um

cabo com corrente I

53

Figura 3.3 – Esquema ilustrativo da situação em estudo com a respectiva localização

dos eixos coordenados e do cabo subterrâneo

53

Figura 3.4 – Perfil com o valor eficaz do campo, utilizando o método simplificado e o

método em estudo, em y=0, para um sistema monofásico

54

Figura 3.5 – Valor eficaz do campo, utilizando o método simplificado e o método em

estudo, em y=0m, para um sistema monofásico

54

Figura 3.6 – Esquema ilustrativo de um sistema trifásico em esteira horizontal 55

Figura 3.7 – Perfil com o valor eficaz do campo, utilizando o método simplificado e o

método em estudo, em y=0, para um sistema trifásico em esteira horizontal

55

Figura 3.8 – Valor eficaz do campo, utilizando o método simplificado e o método em

estudo, em y=0m, para um sistema trifásico em esteira horizontal

56

Figura 3.9 – Ilustração representativa do a) Sistema monofásico a corrente no cabo é

b) Sistema trifásico em esteira horizontal

57

Page 7: Tese 4,6 MB

VII

Figura 3.10 – perfil em y=0 [m] com a comparação de um sistema monofásico com um

sistema trifásico em esteira horizontal

58

Figura 3.11 – Comparação de um sistema monofásico com um sistema trifásico em

esteira horizontal através de linhas de nível no espaço

58

Figura 3.12 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética,

com os cabos dispostos em esteira horizontal e enterrados a 3 profundidades (h)

diferentes

59

Figura 3.13 – Valor eficaz do campo de indução magnética, com os cabos dispostos

em esteira horizontal e a 3 profundidades (h) diferentes

59

Figura 3.14 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética

para um sistema monofásico e para diferentes frequências de funcionamento

60

Figura 3.15 – Valor eficaz do campo de indução magnética para um sistema

monofásico e para diferentes frequências de funcionamento

61

Figura 3.16 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética

para um sistema trifásico em esteira horizontal e diferentes frequências de

funcionamento

61

Figura 3.17 – Valor eficaz do campo de indução magnética para um sistema trifásico

em esteira horizontal e diferentes frequências de funcionamento.

63

Figura 3.18 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética

para um sistema trifásico com os cabos dispostos em esteira horizontal e

diferentes permeabilidades do solo.

62

Figura 3.19 – a)Variação do valor eficaz do campo de indução magnética na origem

dos eixos com a permeabilidade relativa do solo b) Profundidade de penetração

na terra do campo de indução magnética em função da permeabilidade relativa

do solo

63

Figura 3.20 – Valor eficaz do campo de indução magnética para um sistema trifásico

com os cabos dispostos em esteira horizontal e diferentes permeabilidades do

solo

63

Figura 3.21 – Perfil em y=0 [m] do valor eficaz do campo de indução magnética para

um sistema trifásico à frequência de 1MHz com os cabos dispostos em esteira

horizontal e diferentes permeabilidades do solo

64

Figura 3.22 – a)Variação do valor eficaz do campo de indução magnética na origem

dos eixos com a permeabilidade relativa do solo b) Profundidade de penetração

na terra do campo de indução magnética em função da permeabilidade relativa

do solo

64

Figura 3.23 – Valor eficaz do campo de indução magnética a 1MHz com os cabos

dispostos em esteira horizontal e diferentes permeabilidades do solo

65

Figura 3.24 – Esquema ilustrativo das 3 geometrias em estudo a) Esteira horizontal b)

Triângulo c) Esteira vertical

66

Page 8: Tese 4,6 MB

VIII

Figura 3.25 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética no

ar, para cabos dispostos em esteira horizontal, esteira vertical e triângulo.

66

Figura 3.26 – Valor eficaz do campo de indução magnética no ar, para cabos

dispostos em esteira horizontal , esteira vertical e triângulo

67

Figura 3.27 – Esquema ilustrativo das 3 geometrias em estudo a) Esteira horizontal b)

Triângulo c) Esteira vertical

67

Figura 3.28 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética no

ar, para cabos dispostos em esteira horizontal e com diferentes distâncias entre

os cabos

68

Figura 3.29. – Linhas de nível no espaço com o valor eficaz do campo de indução

magnética no ar, para cabos dispostos em esteira horizontal e com diferentes

distâncias entre os cabo

68

Figura 3.30 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética no

ar, para cabos dispostos em esteira vertical e com diferentes distâncias entre os

cabos

69

Figura 3.31 – Valor eficaz do campo de indução magnética no ar, para cabos

dispostos em esteira vertical e com diferentes distâncias entre os cabos.

69

Figura 3.32 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética

no ar, para cabos dispostos em triângulo e com diferentes distâncias entre os

cabos.

70

Figura 3.33 – Valor eficaz do campo de indução magnética no ar, para cabos

dispostos em triângulo e com diferentes distâncias entre os cabos.

70

Figura 3.34 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética

no ar para os cabos dispostos nas três diferentes geometrias, e com uma

distância entre cabos de 0.872 m

71

Figura 3.35 – Valor eficaz do campo de indução magnética no ar para os cabos

dispostos nas três diferentes geometrias, e com uma distância entre cabos de

0.872 m

72

Figura 3.36 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética

para um sistema monofásico à frequência de 50Hz para os 2 diferentes modos

de ligação das bainhas.

73

Figura 3.37 – Valor eficaz do campo de indução magnética a 50Hz para o caso

monofásico para os 2 diferentes modos de ligação das bainhas à terra

74

Figura 3.38 - Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética

para um sistema trifásico à frequência de 50Hz com os cabos dispostos em

esteira horizontal para os 2 diferentes modos de ligação das bainhas

74

Figura 3.39 – Valor eficaz do campo de indução magnética a 50Hz com os cabos

dispostos em esteira horizontal para os 2 diferentes modos de ligação das

bainhas

75

Page 9: Tese 4,6 MB

IX

Figura 3.40 – Ilustração da posição dos cabos para 3 situações. Cada um dos 3

circuitos trifásicos representado, é constituído pelas fases A, B e C, em que cada

letra corresponde a uma fase diferente. a)Situação 1 b) Situação 2 c)Situação 3

76

Figura 3.41 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética no

ar, para cada uma das situações ilustradas na fig5.1. O circuito da situação 1

transmite a mesma potência que os circuitos com 6 cabos , situações 2 e 3.

77

Figura 3.42 – Valor eficaz do campo de indução magnética no ar, para cada uma das

situações ilustradas na fig4.1. O circuito da situação 1 transmite a mesma

potência que os circuitos com 6 cabos, situações 2 e 3

77

Figura 3.43 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética no

ar, para cada uma das situações ilustradas na fig. 4.1. O circuito da situação 1

transmite metade da potência que os circuitos com 6 cabos , situações 2 e 3

78

Figura 3.44 – Valor eficaz do campo de indução magnética no ar, para cada uma das

situações ilustradas na fig4.1. O circuito da situação 1 transmite metade da

potência que os circuitos com 6 cabos, situações 2 e 3

78

Page 10: Tese 4,6 MB

X

Listagem de tabelas

Tabela1.1- Densidade de fluxo de campo magnético a 50 e 60 Hz em diferentes

electrodomésticos (extraída de [4])

18

Tabela1.2- campos magnéticos no sistema eléctrico ferroviário do reino Unido (extraído de

[4]

20

Tabela1.3 - Campo Eléctrico e magnético medido em linhas Portuguesas (extraído de [7]) 24

Tabela A1 -– Valor eficaz da corrente para diferentes geometria e temperaturas (extraído de [20]).

85

Page 11: Tese 4,6 MB

XI

Listagem de simbolos

μ – Permeabilidade Magnética

σ –Condutividade

f- frequência

ω- Frequência angular

Z- Impedância

s –solo

c –Condutor

b – bainha

I- Corrente

t- tempo

A – Potencial Vector

H - Vector campo magnético

D – Vector Deslocamento eléctrico

E – Vector Campo eléctrico

J – Densidade de Corrente

∇ - Gradiente

∇. – Divergência

∇× - Rotacional

2∇ - Laplaciano

mJ - Função de Bessel de 1º tipo

mY -Função de Bessel de 2º tipo

(1)mH - Função de Hankel de 1º tipo

(2)mH - Função de Hankel de 2º tipo

Page 12: Tese 4,6 MB

12

Capítulo 1

Introdução

1. Motivação

Os campos eléctricos e magnéticos existem em qualquer sistema de energia eléctrica,

quer estes sejam de geração, transmissão ou distribuição, em linhas ou cabos, ou mesmo em

outros dispositivos eléctricos. Assim a exposição aos campos eléctricos e magnéticos, é uma

constante no dia a dia de cada um, desde que o consumo de electricidade se tornou um

produto indispensável na sociedade moderna.

No início dos anos 60, na antiga União Soviética, os trabalhadores de uma subestação

eléctrica anexa a uma central nuclear queixaram-se de fadiga, dores de cabeça, insónias e

falta de apetite. Deste modo, surgiram as primeiras preocupações com os efeitos biológicos

dos campos electromagnéticos.

A partir de final dos anos 70, um vasto número de estudos epidemiológicos têm sido

feitos para identificar os possíveis efeitos na saúde humana, entre os quais se destacam a

leucemia infantil, o cancro da mama e tumores cerebrais.

Embora a maior parte da preocupação seja com as linhas de transmissão aéreas, a

verdade é que muitas pessoas estão sujeitas a campos electromagnéticos em suas casas e

local de trabalho tendo, nestes casos, o campo diversas fontes. A exposição ao campo

Page 13: Tese 4,6 MB

13

electromagnético é uma consequência inevitável da dependência de energia eléctrica nas

actividades diárias.

Quando surgiram as primeiras contestações relativas aos possíveis efeitos nocivos das

linhas de transmissão, também surgiram os primeiros estudos relativos aos efeitos do campo

eléctrico. Esses estudos demonstraram que, aparentemente, o campo eléctrico não tinha

qualquer consequência para a saúde. O campo eléctrico pode ser facilmente bloqueado pela

vegetação, prédios, vedações, e outros objectos. Podem ser muito atenuados por cabos com

bainhas. Assim, cabos subterrâneos quase não produzem campo eléctrico à superfície. Em

contrapartida o campo magnético à frequência da rede, tem uma elevada profundidade de

penetração e passa facilmente pela maioria dos objectos, incluindo prédios, terra e pessoas.

Daí a importância do seu estudo, que será feito ao longo deste trabalho.

Page 14: Tese 4,6 MB

14

2. Introdução ao texto

A presente tese está organizada em 4 capítulos. No primeiro capítulo é feita uma introdução ao

tema, onde são levantados os problemas criados na sociedade moderna pela presença do

campo magnético e quais as medidas legislativas adoptadas.

No segundo capítulo é desenvolvido todo o modelo de cálculo do campo de indução magnética

criado por cabos subterrâneos, onde são descritas todas as aproximações do modelo

permitindo saber quais as suas condições de validade. No capítulo seguinte, apresentam-se

resultados de simulações numéricas do campo de indução magnética no ar criado por

diferentes números de cabos subterrâneos e dispostos em diferentes geometrias, sendo

também feita a validação do modelo de cálculo utilizado.

No capítulo 4, último capítulo, são apresentadas as conclusões e sugeridas hipóteses de

desenvolvimento para trabalhos futuros.

É importante referir alguns aspectos da notação utilizada. Os símbolos que representam o valor

numérico das grandezas são letras em itálico, as grandezas vectoriais são representadas em

negrito.

Page 15: Tese 4,6 MB

15

3. O Campo magnético e a saúde publica

3.1.Estudos Epidemiológicos

A hipótese de ligação dos campos magnéticos com o cancro, baseia-se em estudos

epidemiológicos. Enquanto que o raciocínio clínico utilizado na medicina procura associar

sinais e sintomas com características pessoais conduzindo a um diagnóstico rigoroso, os

estudos epidemiológicos são baseados numa relação causa efeito. A epidemiologia é uma

ciência de associação com base em estatística que faz correlações entre agentes

potencialmente perigosos e padrões de doenças na população.

Leucemia infantil e o campo magnético

Há uma controvérsia considerável sobre uma possível ligação entre campos magnéticos de

baixa frequência e o cancro. Muitos estudos sobre o assunto surgiram desde que Wertheimer e

Leeper reportaram (1979) uma associação entre mortalidade por leucemia infantil e a

proximidade de casas às linhas de distribuição de energia. Nancy Wertheimer, uma

epidemiologista, procurava factores ambientais que se pudessem relacionar com a leucemia

infantil. Ao verificar que havia, em regra, linhas eléctricas e pequenos transformadores nas

proximidades das vivendas, no Colorado (EUA) surgiu a ideia que poderia haver uma relação

causa efeito entre as linhas de transporte de energia e a leucemia infantil. Inventou um sistema

de classificação da proximidade magnética entre casas de habitação e linhas denominado “wire

codes”[19], que permitiu a outros investigadores realizarem estudos sobre os efeitos do campo

magnético.

Para além dos estudos feitos para relacionar o campo magnético com a leucemia, que não

foram conclusivos, também tentou com outras patologias, tendo esses estudos também sido

considerados inconclusivos.

Mais tarde em 1988, foi feito um estudo na Universidade da Carolina do Norte sobre 356 casos

de leucemia e linfoma. Este estudo teve como base inquéritos telefónicos (aleatórios) com uma

baixa taxa de colaboração, o que fez com que os resultados pudessem estar deturpados.

Embora este estudo não tenha sido conclusivo, permitiu desencadear um conjunto de estudos

epidemiológicos com um maior número de casos em estudo e qualidade superior.

Em 1991 na Universidade da Califórnia do sul, foi feito um estudo sobre 164 casos de leucemia

em menores de 10 anos. Os autores, concluíram, que não era possível estabelecer uma

relação entre os valores dos campos medidos e a doença, mas que haveria uma relação entre

esta e a proximidade de condutores e uso de electrodomésticos de potência.

Em 1997, Martha linet, do instituto do cancro dos EUA, realizou um estudo envolvendo uma

amostra populacional muito maior do que as anteriores investigações realizadas nos EUA, até

à data. Este estudo foi realizado sobre 638 casos de leucemia infantil em crianças com menos

de 15 anos, e foram usadas 620 crianças de controle que viviam em casas expostas a campos

Page 16: Tese 4,6 MB

16

magnéticos criados por linhas de energia eléctrica. As exposições a campos magnéticos foram

determinadas usando medições, efectuadas durante 24 h no quarto da criança e medições de

30 segundos noutras divisões da casa e na rua em frente da porta de casa. Também foi usado

o método criado por Nancy Wertheimer, “wire codes” [19], em 416 casos de pacientes e 416

casos de controle. Os resultados mostraram que o risco de leucemia em crianças “não estava

ligado aos de medição do campo magnético. O risco de doença não aumentou mesmo quando

as crianças se encontravam na categoria mais alta utilizando o “wire code”. Os resultados

também mostraram, que o risco não estava associado aos níveis de campo magnético.

Em 1999, McBride et al, realizou 2 estudos, um dos quais envolvendo medidas directas dos

valores do campo magnético. Porém o estudo também se baseou no inquérito por carta ou

telefone o que levou a OMS (Organização Mundial de Saúde) a considerar os resultados

enviusados.

Na Europa, também se realizaram diversos estudos contudo, as populações sujeitas aos

campos magnéticos na Europa são em menor quantidade, o que fez com que os estudos

europeus tivessem um número reduzido de doentes conhecidos.

3.2. Campo de indução magnética em diferentes locais

Campo de indução magnética em casas de habitação

O campo de indução magnética a baixa frequência tem uma elevada profundidade de

penetração, não sendo por isso bloqueado pela maioria dos materiais. Na fig1.1 que se segue,

é feito um sumário da informação de um estudo feito pela “Electric Power Research Institute”

(ERPRI), onde se mostra a média do campo de indução magnética em todas as divisões de

992 casas nos Estado Unidos. As medições realizaram-se minimizando a influência dos

campos criados por aparelhos eléctricos no interior das casas, de modo a que o campo medido

fosse devido ao circuito eléctrico da casa e fontes exteriores a esta, como linhas de transporte

de energia.

Page 17: Tese 4,6 MB

17

Figura 1.1 - Média do campo de indução magnética de todas as divisões de uma casa em 992 casa

nos EUA. (Extraído de [5]) 1mG=0.1 [T].

Como se pode observar no gráfico da figura, metade das casas têm campos médios inferiores

a 0.6 mG, que corresponde a 0.06 T [microtesla], tendo o valor médio obtido, sido igual a 0.09

T.

Todo o tipo de aparelhos electrónicos que se encontram nas habitações são uma fonte interna

de campo de indução magnética sendo, nestes aparelhos, criado pelas correntes eléctricas que

os percorrem. Assim, conforme o tamanho, o tipo e a qualidade do aparelho relativa à

optimização do campo de indução magnética exterior, o valor do campo criado varia.

Na tabela seguinte, encontram-se os valores do campo de indução magnética criado por

diversos aparelhos à frequência de 50 Hz.

Page 18: Tese 4,6 MB

18

Tabela1.1- Densidade de fluxo de campo de indução magnética a 50 Hz em diferentes

electrodomésticos (extraída de [4])

Densidade de fluxo campo de indução magnético [T] Fonte Valor médio a 30 cm

e à frequência de 50Hz

Resultado de simulação para f=50Hz a uma distância de 50 cm

Casa de banho Secador de cabelo 1 Máquina de barbear 2 Cozinha Batedeira 1 Abre-latas 15 1.33 Máquina da loiça 1 0.8 Microondas 0.4 1.66 Misturadora 1 0.69 Forno eléctrico 0.4 0.39 Frigorifico 0.2 0.05 Torradeira 0.3 0.09 Lavandaria Máquina de secar a

roupa 0.2 0.34

Máquina de lavar 0.7 0.96 Ferro de engomar 0.1 0.03 Secador portátil 2 0.22 Aspirador 6 0.78 Sala de estar TV 0.7 0.26 VCR 0.06 Aparelhagem 0.08 Rádio 0.06 Relógio com

despertador 0-50 0.05

Escritório Máquina de fotocopias

2

Luz florescente 0.6 Ferramentas Carregador de bateria 0.3 Broca 3 Serra eléctrica 4 Variados Central de

bombagem 0.51

Alarme anti roubo 0.18

Como se pode ver na tabela 1.1, os valores do campo andam na ordem das centésimas de

[T] microtesla a 50Hz embora possam atingir valores superiores. É importante ter em conta

que estes valores são obtidos a distâncias próximas dos aparelhos e que muitos deles não

estão em funcionamento 24h por dia. O que significa que, não se está constantemente sobre o

efeito destes campos.

Page 19: Tese 4,6 MB

19

Campo de indução magnética no trabalho

O campo de indução magnética não está apenas presente nas casas de habitação,

mas também em outros locais tais como escritórios, oficinas ou mesmo na rua. Na figura1.2

que se segue encontram-se valores do campo de indução magnética a que 4 trabalhadores, de

diferentes profissões, foram sujeitos durante parte do dia de trabalho.

Figura 1.2 - Exposição de diferentes trabalhadores ao campo de indução magnética (extraído de

[5]) . 1mG=0.1 [T]

Na leitura destes valores há que ter em conta que não representam uma classe de

trabalhadores, mas apenas uma leitura de valores instantâneo durante as horas de trabalho de

cada um dos indivíduos. Os valores do campo de indução magnética variam muito conforme a

sua proximidade a qualquer tipo de aparelhos eléctricos. Como se pode observar na fig1.2 uma

pessoa que trabalha num escritório pode estar sujeita a valores instantâneos de campo de

indução magnética tão elevados como uma pessoa que trabalha com máquinas numa fábrica.

Para isso basta, por exemplo, estar próximo de um computador.

Campo de indução magnética nos transportes

O campo de indução magnética não existe apenas em casas de habitação e nos locais

de trabalho, mas também, nos diversos tipos de transportes. Um dos sistemas de transporte

que usam energia eléctrica nos dias de hoje é o sistema ferroviário. Os valores do campo de

indução magnética variam muito num sistema de caminho de ferro, conforme o tipo de

comboio, tracção e alimentação eléctrica de todo o sistema. Em França, foram feitas medições

Page 20: Tese 4,6 MB

20

dentro de um comboio de alta velocidade e à distância de 10 m fora do comboio, tendo-se

obtido valores de pico próximos de 7 T. Num estudo Sueco (Anger,Berglund &Hansson

Mild,1997) , obtiveram-se campos na ordem dos 100 T dentro da cabine do condutor.

Na tabela seguinte encontram-se resultados de campos magnéticos no sistema

eléctrico ferroviário do Reino Unido.

Tabela1.2- campos magnéticos no sistema eléctrico ferroviário do reino Unido (extraído de [4]).

Densidade do campo de indução magnético [T] Sistemas e fontes Densidade de fluxo

magnético [T] em AC

Frequência Explicação

Metro de Londres Até 20 100Hz Na cabine do condutor; resultantes dos componentes de tracção

Comboio sub urbano com motor 750 DC

16-64 100Hz Na carruagem dos passageiros à altura de uma mesa

16-48 100Hz Na plataforma fora do comboio

Locomotivas na linha principal 5-50 50Hz Na carruagem dos passageiros

Como se pode observar na tabela da figura, o campo de indução magnética tem

grandes oscilações conforme o local onde é medido e o tipo de alimentação. Neste estudo

verificaram-se valores de campo de indução magnética que varia entre 5 e 50 T nas

carruagens de passageiros.

Num automóvel em movimento também existem campos electromagnéticos. O valor do

campo de indução magnética nos assentos pode atingir entre 2 a 5 T, sendo os valores

máximos obtidos nos pés dos passageiros da frente e nas ancas dos passageiros que viajam

atrás.

3.3. Posição da Organização Mundial de saúde relativamente aos efeitos

do campo magnético

Segundo a IARC (International Agency for Researched and Cancer) da OMS são identificados

vários factores que podem aumentar o risco de cancro. Nele são incluídos diversos tipos de

factores, entre químicos, físicos, agentes biológicos etc. Estes factores são divididos em

diferentes tipos de riscos. Na tabela 1.3 que se segue estão presentes alguns exemplos de

factores correspondentes aos vários tipos de riscos.

Page 21: Tese 4,6 MB

21

Figura 1.3 Classificação do potencial cancerígeno pela agência Internacional para a Investigação do Cancro (IARC) da OMS, revista em 2001 (extraído de [7])

O campo electromagnético encontra-se no grupo 2B “possivelmente cancerígeno”. Esta

categoria contempla factores que têm uma evidência cancerígena limitada em humanos e

menos do que suficiente em animais. Na análise destes grupos há que notar que o campo

magnético se encontra no mesmo grupo que o café. E que o campo eléctrico, no mesmo que a

cafeína e o chá.

Uma vez que não está provada qualquer relação sobre efeitos crónicos do campo magnético

na saúde pública a OMS, apenas aconselha a utilização de medidas de precaução. A OMS

aconselha a diminuir o valor do campo magnético em diferentes tipos de instalações e

aparelhos desde que os custos das medidas de precaução sejam muito baixos ou mesmo

nulos.

3.4. Legislação e medidas já existente

Independentemente da posição das instituições de saúde e da realidade relativamente ao

efeito do campo magnético na saúde, existe um problema de opinião pública relativamente ao

tema. O que faz com que exista um aumento do numero de contestações das linhas de energia

eléctrica.

Nos EUA existem casos em que as empresas de energia responsáveis pelas linhas de

transmissão foram obrigadas a pagar indemnizações aos proprietários dos terrenos onde as

linhas estão instaladas, não por danos físicos, uma vez que não existe qualquer prova

cientifica, mas por danos pessoais e devido à desvalorização dos terrenos. Esta desvalorização

dos terrenos, resulta dos medos públicos associados aos campos magnéticos.

Page 22: Tese 4,6 MB

Na figura seguinte encontram

que respeita à protecção contra campos magnét

Figura 1.4 - Listas referentes ao posicionamento intern

recomendações quantitativas da ICNIRP de 1998.(extraído de [2])

Alguns países adotaram algumas medidas precaucionais contra eventuais efeitos nocivos dos campos magnéticos. Estas medidas têm como função,diminuir o possível risco de cancro, ou apenas o medo associado à proximidade de linhas ou cabos de transmissão de energia electrica.

Países sem politica oficial definida

• Arménia• Uzbequistão• Cazaquistão• Mongólia• Bahrain• Índia• Malasia• Tailândia• EUA• Canadá

Países que incorporaram as recomendações da ICNIRP na sua

legislação

nacional:

•Áustria

•Finlândia

•Grécia

•Portugal

22

seguinte encontram-se a situação de diversos países relativamente à exigência no

que respeita à protecção contra campos magnéticos:

Listas referentes ao posicionamento internacional no que diz respeito, às

recomendações quantitativas da ICNIRP de 1998.(extraído de [2])

Alguns países adotaram algumas medidas precaucionais contra eventuais efeitos nocivos dos pos magnéticos. Estas medidas têm como função,diminuir o possível risco de cancro, ou

apenas o medo associado à proximidade de linhas ou cabos de transmissão de energia

Países que estão a estudar a adopção das recomendações da ICNIRP

• Colômbia• Uruguai• Chile• América Latina em geral

Países que adoptaram de facto as recomendações da ICNIRP, mas que

não as obrigam por lei

• Austrália• Nova Zelândia• Singapura• Coreia do Sul• Taiwan• Venezuela• Brasil• África do Sul• Lituânia• Bulgária• Dinamarca• Suécia• Luxemburgo• Malta• Bélgica• Irlanda• Holanda• Alemanha• França• Reino• Reino Unido• Espanha

Países que já tinham restrições mais severas que as recomendadas pela

ICNIRP mas que se ajustaram a estas

•Estónia

• Hungria

•Noruega

•Croácia

•República Checa

Países com políticas mais exigentes que as recomendadas pela ICNIRP:

•Rússia

•Polónia

•China

•Japão

•Argentina

se a situação de diversos países relativamente à exigência no

acional no que diz respeito, às

Alguns países adotaram algumas medidas precaucionais contra eventuais efeitos nocivos dos pos magnéticos. Estas medidas têm como função,diminuir o possível risco de cancro, ou

apenas o medo associado à proximidade de linhas ou cabos de transmissão de energia

Países que adoptaram de facto as recomendações da ICNIRP, mas que

não as obrigam por lei

Nova Zelândia

Coreia do Sul

Venezuela

África do Sul

Dinamarca

Luxemburgo

Reino Unido

Países com políticas mais exigentes que as recomendadas pela ICNIRP:

Page 23: Tese 4,6 MB

Figura 1.5 - Medidas precaucionais contra eventuais efeitos crónicos do

diferentes países (extraído de[2]).

Legislação em Portugal

A 23 de Novembro de 2004, o Diário da República I

1421/2004 que adopta para Portugal a Recomendação 519/EC/1999 do Conselho Europeu.

Para as frequências de 50Hz prescrevem

a fim de prevenir efeitos sobre o sistema nervoso. Assim o limite de densidade de corrente

básico estabelecido, é de 0.16 mA/m

magnética 100 T. Estes valores

valores limites diferentes para outras frequências. É também necessário ter em conta o facto

de se poder estar exposto a múltiplas frequências, sendo nesses casos necessário ter em

conta a densidade de correntes induzidas por cada

Suiça(1999)

•Definiubaseadosconómicasnão é aplicável

Israel

•(2001)Definiuultrapassar

•(2005)Definiudos residentes,temporariamentevalorespara a saúde"

Holanda(2005)

•Requer-criançasinstalações

Itália(2003)

•Definiu umhabitaçõesque garanta,horas/dia,

Eslovénia(2006)

•Definiu um limite fixo para todas as novas instalações acima de 1 kV

23

Medidas precaucionais contra eventuais efeitos crónicos dos campos magnéticos em

(extraído de[2]).

A 23 de Novembro de 2004, o Diário da República I-Série B nº 275 publicou a portaria nº

1421/2004 que adopta para Portugal a Recomendação 519/EC/1999 do Conselho Europeu.

ara as frequências de 50Hz prescrevem-se restrições básicas para a densidade de corrente,

a fim de prevenir efeitos sobre o sistema nervoso. Assim o limite de densidade de corrente

0.16 mA/m2, a que corresponde um limite de campo

. Estes valores são apenas referentes à frequência de 50 Hz, sendo os

valores limites diferentes para outras frequências. É também necessário ter em conta o facto

de se poder estar exposto a múltiplas frequências, sendo nesses casos necessário ter em

nta a densidade de correntes induzidas por cada uma deles.

Suiça(1999)

um limite fixo para instalações em áreas sensíveis 1 [ T]. Adoptoubaseados no menor nível possível de exposição, tendo em conta consideraçõesconómicas e isentando as novas instalações que tenham para isso razões técnicas

aplicável a instalações antigas que ptimizem a geometria dos condutores

)Definiu a orientação, para novas instalações, de o campoultrapassar em média diária, o valor de 1 T.

)Definiu que "sejam tomadas medidas para reduzir significativamenteresidentes, em geral, e de crianças em particular, que são

temporariamente expostos a campos magnéticos da rede eléctricavalores citados na literatura profissional como possíveis causadores

saúde". Na prática: redução dos níveis para 0.3-0.4 T

Holanda(2005)

-se o aumento da distância de novas instalações, de modo quecrianças ao campo magnético não ultrapasse os 0.4 T. Não se recomendaminstalações existentes.

Itália(2003)

um limite fixo para novas instalações relativamente a habitaçõeshabitações próximas de linhas existentes - 3 T. Para instalações pré-existentes,

garanta, para áreas sensíveis, que o campo magnético não ultrapassa,horas/dia, o valor de 10 T.

Eslovénia(2006)

Definiu um limite fixo para todas as novas instalações acima de 1 kV - 10 T.

s campos magnéticos em

Série B nº 275 publicou a portaria nº

1421/2004 que adopta para Portugal a Recomendação 519/EC/1999 do Conselho Europeu.

para a densidade de corrente,

a fim de prevenir efeitos sobre o sistema nervoso. Assim o limite de densidade de corrente

campo de indução

são apenas referentes à frequência de 50 Hz, sendo os

valores limites diferentes para outras frequências. É também necessário ter em conta o facto

de se poder estar exposto a múltiplas frequências, sendo nesses casos necessário ter em

Adoptou limites precaucionaisconsiderações técnicas etécnicas ou económicas, e

condutores de fase.

campo magnético não

significativamente o númerosão contínua ou mesmo

eléctrica que excedam oscausadores de riscos acrescidos

que a exposição média derecomendam alterações às

existentes, e para novasexistentes, adoptou um limite

ultrapassa, durante mais do que 4

T.

Page 24: Tese 4,6 MB

24

3.5. Campo criado por linhas aéreas de transporte de energia

Na tabela seguinte encontram valores de medições e valores previstos de campos magnéticos

em linhas de 400 kV portuguesas.

Tabela1.3 - Campo Eléctrico e magnético medido em linhas Portuguesas (extraído de [7])

Figura 1.6 - Campo de indução magnética medido durante uma semana e criado por um cabo de

transmissão de 500KV nos EUA (extraído de [5])

O valor eficaz do campo eléctrico numa linha de transmissão é relativamente estável, pois a

tensão não varia muito. O campo de indução magnética por outro lado varia com a carga que

está aplicada à linha. A carga tem grandes variações conforme a época do ano e as horas do

dia, o que faz com que o campo de indução magnética criado por uma linha tenha grandes

variações. Na tabela estão valores de campos medidos e previstos, em algumas linhas de

400KV em Portugal, onde é possível verificar que mesmo que as linhas estejam a trabalhar à

Page 25: Tese 4,6 MB

25

carga máxima, que é uma situação pouco comum, os limites do campo de indução magnética

estão abaixo dos permitidos por lei.

Nos cabos Subterrâneos, tal como nas linhas aérea, a carga também não é constante ao longo

do dia, o que significa que o campo de indução magnética criado por este tipo de cabos varia.

Page 26: Tese 4,6 MB

26

Capítulo 2

Campo magnético em cabos subterrâneos

1. Formulação do campo. Descrição do campo através

de integrais de Pollaczek

Figura 2.1 -Esquema ilustrativo, da superfície cilíndrica fronteira de raio re enterrada a uma

profundidade constante h.

Ar

Solo

,s sµ σ

0arµ µ=

Cabo

X

re r

z

h

I 0’

Sa

φ

Sc

y

Page 27: Tese 4,6 MB

27

Nesta secção, será desenvolvida a solução para o campo de indução magnética no solo e no

ar satisfazendo condições fronteira em Sc, fronteira entre o solo e uma bainha dieléctrica

cilíndrica, e em Sa, fronteira plana entre o ar e o solo.

Figura 2.2 – Representação de uma superfície fronteira genérica S entre um meio 1 e um meio 2

Para uma fronteira arbitrária S, como a representada na fig.2.2 verificam-se as seguintes

condições:

1 2

1 21 2

1 1

A A

A A

n nµ µ

=

∂ ∂= ∂ ∂

(2.1)

Ou seja, existe continuidade de A na fronteira entre o meio 1 e o meio 2, assim como também

existe continuidade da componente tangencial do campo magnético 1 A

∂−

∂ .

Para o desenvolvimento da solução será assumido que:

• A terra é um meio semi-infinito em que a superfície terra/ar é um plano;

• A geometria é considerada infinitamente longa segundo a coordenada z, sendo por

isso o campo dependente apenas das coordenadas (x,y) (geometria axial);

• A superfície cilíndrica de centro 0’ está enterrada a uma profundidade constante;

• A terra e o ar são ambos considerandos homogéneos, o ar é caracterizado pela

permeabilidade magnética μ0 , a terra pela permeabilidade μs e condutividade σs.

• O campo tem uma variação sinusoidal no tempo, e é criado por uma corrente i(t)

dentro da cavidade cilíndrica que é dada por:

( ) [ ]j ti t Re Ie ω=

(2.2)

Onde I é a amplitude complexa de i(t), ω é a frequência angular e t o tempo;

n

1

2

S

Page 28: Tese 4,6 MB

28

• A hipótese de regime quase estacionário é assumida, em consequência de

0

t

D

(2.3)

Ou seja, despreza-se o efeito capacitivo distribuído e consequentemente as correntes de

deslocamento.

No domínio da frequência, tendo em conta que o sistema está em regime alternado sinusoidal,

no interior dos condutores verifica-se:

( )

j

j

σ ωε

σ ωε

∇ × = + =

= +

H E E

E (2.4)

Para uma condutividade do solo 10.01s Smσ −= e para uma frequência = 1f MHz obtém-se

5 15,5510 Smωε − −= o que implica que σ ωε>> . Aplicando a aproximação a (2.4) obtém-se,

para o interior dos condutores

σ∇ ×H E

(2.5)

Que é equivalente a dizer que se está em regime quase estacionário.

O potencial vector do campo magnético é uma grandeza vectorial A, de tal forma que o campo

de indução magnética é obtido por:

= ∇ ×Β A

(2.6)

Tendo em conta todas as condições anteriormente assumidas e considerando a condição de

restrição de Maxwell ( . 0∇ =A ), o potencial vector A em meio condutor e em meio dieléctrico

satisfaz as seguintes equações válidas no domínio do tempo:

2

2

Em meio condutor

0 Em meio diel ctrico

Vt

é

σµ σµ∂

∇ = ∇ +∂

∇ =

AA

A (2.7)

em que V é o potencial escalar do campo eléctrico.

Considerando que o problema tem simetria axial, isto é, considerando que a corrente só tem

componente segundo a direcção axial (z);

zJu=J

(2.8)

E atendendo que o potencial vector A é dado em função de J por:

4V

dVr

µ

π= ∫

JA

(2.9)

então A também só tem componente segundo z:

Page 29: Tese 4,6 MB

29

zAu=A

(2.10)

Por outro lado, também V∇ só tem componente segundo z, isto é:

( ) z

dVV u V V z

dz∇ = ⇔ =

(2.11)

Como o potencial escalar satisfaz a equação de Laplace no interior dos condutores, então,

22

20 0

d V dVV const

dzdz∇ = ⇒ = ⇔ =

(2.12)

Ou seja, a queda de tensão por unidade de comprimento dentro dos condutores é constante e

é dada por:

constante condutores

dV

dzη = − =

(2.13)

Admitindo que a referência para a tensão é o solo,η = 0solo , e tendo em conta as equações

(2.7), (2.11) e (2.13) obtém-se:

2

2

nos condutores

0 no solo

c c c c

s s

t

t

σ µ σ µ η

σ µ

∂∇ − = − ∂

∂∇ − = ∂

AA

AA

(2.14)

Uma vez que A é um vector que varia no tempo com a mesma forma que a corrente e apenas

depende da coordenada z, é possível escrever o sistema (2.14) com a forma de uma equação

escalar, sobre o componente axial de A, A, e no domínio da frequência.

2

2

nos condutores

0 no solo

c c

s s

A j A

A j A

ωσ µ σµη

ωσ µ

∇ − = −∇ − =

(2.15)

Podendo também ser escrita da seguinte forma,

2 2

2 2

nos condutores

0 no solo

c c c

s

A q A

A q A

σ µ η∇ + = −∇ + =

(2.16)

Onde :

2

/4

s s s

js s s

q j

q e π

ωµ σ

ωµ σ −

= −

= (2.17)

e

Page 30: Tese 4,6 MB

30

2

/4

c c c

jc c c

q j

q e π

ωµ σ

ωµ σ −

= −

= (2.18)

A forma da solução pode ser dada pela combinação linear de duas componentes. A primeira

'A tem em conta a fronteira entre o solo e o ar (Sa) e a segunda ''A entre a bainha dieléctrica

e o solo (Sc). Assim, a primeira solução é desenvolvida em coordenadas cartesianas (x,y,z) e a

segunda em coordenadas cilíndricas (r,,z).

1) Forma da solução 'A , tendo em conta a presença da fronteira solo/ar (Sa na fig. 2.1).

O potencial vector do campo magnético no solo é solução da equação (2.16) , podendo a

solução para o solo ser escrita em coordenadas cartesianas.

2 22

2 20s

A Aq A

x y

∂ ∂+ + =

∂ ∂ (2.19)

Tomando para a solução da equação (2.19) a forma de integral de Fourier, dado por:

−∞

= ∫' ( , ) jaxA f a y e da

(2.20)

Tomando para 'A uma solução com a forma ( , ) jaxf a y e , obtém-se de (2.19).

22 2

22 2

2

( , )( ) ( , ) ( , ) 0

( , )( ) ( , ) 0

jax jax jaxs

s

f a yja f a y e e q f a y e

y

f a ya q f a y

y

∂+ + = ⇔

∂⇔ − − =

(2.21)

A solução de (2.21) é dada por:

−=

2 2

( , ) ( ) sa q yf a y F a e

(2.22)

Em que foi escolhido o ramo que satisfaz 2 2Re[ ] 0sa q− > de modo que a função f seja

regular em y=-∞.

Assim a solução para 'A é:

2 2

' ( ) ,sa q y jaxA F a e e da

∞−

−∞

= ∫

(2.23)

onde ( )F a é uma função a ser determinada.

Page 31: Tese 4,6 MB

31

2) Forma da solução de ''A , tendo em conta a presença da fronteira solo/dieléctrico (Sc

na fig.2.1).

Devido à forma geométrica da superfície dieléctrica a solução será escrita em coordenadas

cilíndricas. O Laplaciano em coordenadas cilíndricas tem a forma:

2 2 22

2 2 2 2

1 1( ) onde 0

;

A A A AA r

r r r r z z

∂ ∂ ∂ ∂ ∂∇ = + + =

∂ ∂ ∂ϕ ∂ ∂ (2.24)

Sendo a solução de (2.24) dada por uma série de Fourier:

'' ( ) jm

m

m

A R r e∞

ϕ

=−∞

= ∑

(2.25)

Tomando para ''A uma solução com a forma ( ) jmmR r e ϕ

, obtém-se de (2.24) a seguinte

equação de Bessel de ordem m onde sq rξ = ,

22

2

2 2

2 2

( )1( ) ( ) 0

( ) ( )1(1 ) ( ) 0

mm s m

m mm

R r mr R q R r

r r r r

R r R r mR r

ξ ξξ ξ

∂∂− + =

∂ ∂

∂ ∂⇔ + + − =

∂∂

(2.26)

Em que a solução mR é:

1 2

1 2

(1) (2)

( ) ( ) ( )

ou

( ) ( ) ( )m

m m m m m

m m m m

R r F J F Y

R r G H G H

ξ ξ

ξ ξ

= +

= + (2.27)

mJ é uma função de Bessel de 1º tipo , mY uma função de Bessel de segundo tipo, (1)mH e

(2)mH são as funções de Hankel de 1º e 2º tipo respectivamente, sendo todas de ordem m.

As funções de Bessel e as funções de Hankel são usadas uma ou outra conforme o caso que

se pretende estudar.

a) Para um condutor maciço usam-se as funções de Bessel,

( )

1m m m sR F J q r=

(2.28)

F2m é igual a 0, pois a função Ym é singular em 0.

Page 32: Tese 4,6 MB

32

b) Para um condutor oco, caso em estudo, usa-se a equação de Hankel de 2ª espécie.

( )

2

(2)m m m sR G H q r=

(2.29)

G1m é 0, pois mH é singular no ∞.

Deste modo a solução da equação de ’’ A é dada por:

'' ( ) jm

m m s e

m

A G H q r e para r r∞

ϕ

=−∞

= >∑

(2.30)

Onde Gm é um coeficiente a ser determinado e em que Hm representa a função de Hankel do 2º

tipo.

Com vista à soma das 2 soluções ’A e ’’A é conveniente colocar (2.30) em coordenadas

cartesianas, o que se obtém usando a definição integral das funções de Hankel. Sendo a

função de Hankel de 2º tipo definida por:

2

( ) (1/ ) ( ) sy h a qjm jaxm s mH q r e W a e e daπ

∞− + −ϕ

−∞

= ∫

(2.31)

onde:

2 2

2 2( ) ( ) ,y hs m

ms s

a a q jW a

jq a q

− −= > −

− (2.32)

É fácil obter a solução ’’A na forma integral:

2 2

'' (1/ ) ( )sy h a q

jaxm m

m

A e e G W a daπ

∞ ∞− + −

=−∞−∞

= ∑∫

(2.33)

A solução global de A na terra tendo em conta as duas fronteiras pode ser obtida pela soma

de 'A (2.23) e ''A (2.30):

−∞

= + = − < <∫( , ) ' '' ( , ) , h y 0jaxterraA x y A A G a y e da

(2.34)

Page 33: Tese 4,6 MB

33

Onde:

2 22 2

( , ) ( ) (1/ ) ( )ss

y h a qy a q

m m

m

G a y F a e e G W aπ∞− + −−

=−∞

= + ∑

(2.35)

Sendo Wm(a) conhecido e dado por (2.32) e F(a) uma solução a calcular tendo em conta as

condições de fronteira em Sa.

A solução no ar que satisfaz a equação de Laplace (2.7) pode ser escrita de forma análoga ao

procedimento para o solo:

2 22

2 20 0ar ar

ar

A AA

x y

∂ ∂∇ = ⇔ + =

∂ ∂ (2.36)

Em que a solução é dada por:

−∞

= ∫ ( , ) jaxarA f a y e da

(2.37)

Tomando para A uma solução com a forma ( , ) jaxf a y e , obtém-se de (2.36).

22

2

( , )( ) ( , ) 0

f a ya f a y

y

∂− =

∂ (2.38)

Sendo a solução de (2.38),

−= >( , ) ( ) , y 0

a yf a y U a e

(2.39)

Substituindo ( , )f a y em (2.37) obtém-se:

∞−

−∞

= >∫( , ) ( ) ,y 0 a y jaxA x y U a e e da

(2.40)

Uma vez definidas as formas das soluções de A para a terra e para o ar, está-se em

condições de se poder impor as condições fronteira. Para isso será aplicado (2.1) ao caso em

estudo.

Page 34: Tese 4,6 MB

34

a)Para satisfazer as condições fronteira na fronteira solo/ar:

- +

00 0

y=0 y=0

( , )1 ( , ) 1

A(x,y) =A (x,y)

ar

s y y

ar

A x yA x y

y yµ µ= − = +

∂∂=

∂ ∂

(2.41)

Substituindo (2.40), solução de A no ar, e (2.34) , solução de A no solo, nas equações

fronteira de (2.41) obtém-se:

2 22 2

2 2 -

0

2 -1( ) ( )

-

sh a qsm m

s ms

a qU a e G W a

a a qµπ

µ

∞− −

= ∞

=

+∑

(2.42)

2 2

2 2

0

2 2

0

1F(a) - ( )s

ss

h a qm m

s ms

a a q

e G W a

a a q

µ

µ

µπ

µ

∞− −

=−∞

− −

=

+ −∑

(2.43)

Substituindo (2.42) em (2.40) obtém-se a equação de A no ar tendo em conta as duas

fronteiras.

2 22 2

2 2

0

21( , ) ( )s

ma yh a qs jax

ar m ms m

s

a qA x y e e e G W a da

a a qµπ

µ

∞ =∞−− −

=−∞−∞

−=

+ −∑∫

(2.44)

Considerando o pior caso, 1 2cr 6cm;f 1MHz; 0.01Sm 1.7 *10 1s sq rσ − −= = = ⇒ = . Assim é

possível aplicar a aproximação de Pollaczek em que se tem:

, 00m m mG ∈ ≠→ ∀

(2.45)

Ou seja, apenas se considera o primeiro termo do somatório de (2.34) .

Aplicando a aproximação de Pollaczek a ''A obtém-se:

(2)0 0'' ( ) '' ( ) para jm

m m s s e

m

A G H q r e A G H q r r r∞

ϕ

=−∞

= ⇒ = >∑

(2.46)

Para estabelecer as soluções do campo na superfície cilíndrica Sc, é conveniente formular 'A

(2.23) , onde ( )F a é dado por (2.43) em coordenadas cilíndricas. Assim,

' ( ) ,

sinjm

m e

m

hA E r e r r

∞ϕ

=−∞

= < <ϕ∑

(2.47)

Page 35: Tese 4,6 MB

35

em que

, 0 0,( ) ( ) ( )m m m k m m m

m

E r J qr G b J q r G b∞

=−∞

= ∑

(2.48)

Tendo em conta a aproximação de Pollaczek, e em que:

, 2 2

2 ( )

0

( 1)

s

Kk m K m K m

p

jq h ch a pap

jb Int Int

Int e e da

π − − + +

∞− −

= − +

= ∫

.

(2.49)

Tendo 'A e ''A , é fácil obter A na terra, pela aproximação de Pollaczek, à superfície do

dieléctrico (Sc):

(2)0 0 0 0 0.0' '' ( ) ( )s e s eA A A G H q r J q r G b= + +

(2.50)

Tendo agora em conta as condições fronteira solo/dieléctrico,

0

1 ( , ) 1 ( , )

A( , ) =A( , )

e e

e e

s r r r r

r r r r

A r A r

r r

r r

µ µ+ −

+ −

= =

= =

∂ ϕ ∂ ϕ=

∂ ∂

ϕ ϕ

(2.51)

Figura 2.3 – Representação da bainha exterior do cabo

rbe

re Bainha

diélectrica

Solo

Page 36: Tese 4,6 MB

36

No interior do cabo na bainha dieléctrica exterior:

2

1 2

0 ( ) 0

1ln , be e

d dAA r

dr dr

A C C r r rr

∇ = ⇔ = ⇔

⇔ = + < < (2.52)

Substituindo (2.52)e (2.50) em (2.51) obtém-se:

(2)0 0 0,0 1 20

(2)0 1 0,01

0

10 (2)

0 1 0,01

20,

1 0

1G ( ) ( ) ln

1 1 1( ) ( ) 1

1G

( ) ( )

1ln

s e s ee

s e s es s e

s

s e s e s e

s

e

H q r J q r b C Cr

G H q r J q r b Cq r

C

q r H q r J q r b

CK

C r

µ µ

µ

µ

µ

µ

+ = + ⇔

+ =

=

+⇔

= − +

(2.53)

Em que,

(2)0 0,00

0 (2)1 0.,01

( ) ( )1

( ) ( )s e s e

s e s e s e

H q r J q r bK

q r H q r J q r b

+=

+ (2.54)

0,0 2

2 ( ) 22

0

2

sjq h ch a a

jb Int

Int e e da

π∞

− −

=

= ∫ (2.55)

0

1 2

IC

µ

π=

(2.56)

Uma vez determinada a solução de 'A está-se em condições de definir o cálculo do campo

magnético no ar.

Tal como já foi referido o campo de indução magnética é dado por:

x y

A Au u

y x

∂ ∂= ∇ × = −

∂ ∂B A

(2.57)

em que as derivadas parciais do vector A , de (2.57) ,são :

∞−

−∞

∂= − ≥

∂ ∫ ( ) , 0a y jaxAa U a e e da y

y (2.58)

Page 37: Tese 4,6 MB

37

∞−

−∞

∂− = − ≥

∂ ∫ ( ) , 0a y jaxAj aU a e e da y

x (2.59)

Sendo U(a) dado por (2.42), tendo em conta (2.45).

µπ

µ

− − − =

+ − = −

2 22 2

0 02 2

0

0 2 2

21( ) ( )

W (a)

sh a qs

ss

s

a qU a e G W a

a a q

j

a q

(2.60)

Assim para calcular o campo de indução magnética no ar é necessário calcular os integrais

com limites indefinidos. É importante notar que o valor de A depende da soma da corrente da

bainha e do condutor, sendo o resultado dessa soma a corrente unifilar localizada em 0’ (fig.

2.1)

Depois de calculado o valor do integrais (2.58) e (2.59), e para um sistema constituído por 3

cabos o valor eficaz do campo de indução magnética (2.57) é:

2 2ef xef yef

x x y y

B B B

B u B u

= +

= +B

(2.61)

Page 38: Tese 4,6 MB

38

2. Cálculo da matriz de impedâncias longitudinais

Figura 2.4- Secção recta de um cabo coaxial típico usado num cabo subterrâneo trifásico de 400Kv.

A determinação da matriz de impedâncias tem em conta os seguintes pressupostos:

• O sistema de cabos têm eixos paralelos entre si e paralelos à superfície da terra.

• O sistema é considerado homogéneo longitudinalmente

É conveniente assumir que o sistema é constituído por N cabos, cada um com a secção

apresentada na fig.2.4. Cada cabo é constituído por 2 condutores metálicos, em que um deles

é o condutor central (IV) e o outro é uma bainha condutora (II). Também é constituído por duas

zonas de material dieléctrico (I e III). A secção (fig. 2.4.) é típica de cabos de alta tensão.

O sistema é constituído por n=2N condutores e o solo onde os cabos estão enterrados. O solo

constitui mais um condutor que pode ser escolhido como referência para a tensão eléctrica.

O primeiro passo a dar é a obtenção do potencial vector A do cabo, nas diferentes regiões

indicadas na fig. 2.4.

Solução para a região I:

= + < <1 2

1ln be eA C C r r r

r (2.62)

Solução para a região II:

= + + < <1 0 2 0( ) ( ) b b b bi beA F J q r F Y q r A r r r

(2.63)

IV(condutor central ou de fase)

III(dieléctrico)

II( Bainha condutora)

I(dieléctrico)

Solo

rc rbi

rbe re

Sc

Page 39: Tese 4,6 MB

39

Solução para a região III:

= + < <3 4

1ln c biA C C r r r

r (2.64)

Solução para a região IV:

= + <3 0( ) c c cA F J q r A r r

(2.65)

Onde, decorrente da lei do circuito magnético se obtém:

0 01 3

( ),

2 2c b cI I I

C Cµ µ

π π

+= =

(2.66)

em que cI e bI são amplitudes complexas da corrente nos condutores de fase (central) e na

bainha condutora respectivamente.

Para a bainha condutora (2.63), a constante bA tem o seguinte significado:

b bj Aω η=

(2.67)

em que bη é a queda de tensão por unidade de comprimento da bainha.

Por outro lado, o condutor central ou de fase (2.65), a constante cA tem o significado:

c cj Aω η=

(2.68)

em que cη é a queda de tensão por unidade de comprimento no condutor de fase.

A solução obtém-se calculando as constantes que figuram em (2.62) a (2.65). Para isso é

necessário ter em conta as condições fronteira entre as diferentes zonas e entre a zona I e o

solo. Sendo eA (2.50) , o valor de A na região exterior ao cabo, no solo, na superfície Sc (fig.2.4), é

possível definir 2C tendo em conta a continuidade de A . Assim:

+ = ⇔

⇔ = − +

1 2

2 1

1ln

1ln

ee

ee

C C Ar

C C Ar

(2.69)

Dentro do cabo as condições fronteira são definidas do seguinte modo:

be ber r 1 2 1 0 2 0

11 1 2 10 0

1 A =A ln ( ) ( )

1 1 1 1 1 ( ) ( )be be

b be b be bbe

b b e b b esr r be b b

C C F J q r F Y q r Ar

dA dA CF q J q r F q Y q rdr dr rµ µ µ µ µ

+ −

+ −

+ = + +

= = +

(2.70)

Page 40: Tese 4,6 MB

40

bi bir r 3 4 1 0 2 0

31 1 2 10 0

1 = ln ( ) ( )

1 1 1 1 1 ( ) ( )bi bi

b bi b bi bbi

b b bi b b bisr r bi b b

A A C C F J q r F Y q r Ar

dA dA CF q J q r F q Y q rdr dr rµ µ µ µ µ

− +

− +

+ = + +

= = +

(2.71)

3 4 3 0

33 10 0

1 ln ( )

1 1 1 1 ( )

c c

c c

r r c c cc

c b ccr r c c

A A C C F J q r Ar

dA dA CF q J q rdr dr rµ µ µ µ

+ −

+ −

= + = +

⇔ = =

(2.72)

Uma vez definidas as condições fronteira está-se em condições de calcular os diferentes

parâmetros que permitem definir Aem cada uma das zonas do cabo. Resolvendo o sistema

com 6 equações (2.70), (2.71) e (2.72), obtém-se.

1 0 1 04 3 1

0

1 0 1 03

0

( ) ( ) ( ) ( )ln( )

( ) ( ) ( ) ( )

b bi b bi b bi b bibbi

b be

b b be b bi b be b bib

b bi

J q r Y q r Y q r J q rC C r C

q r D

Y q r J q r J q r Y q rC A

q r D

µ

µ

µ

µ

− = + +

−+ +

(2.73)

1 11 3 1

0 0

( ) ( )b b be b b bi

b bi b be

Y q r Y q rF C C

q r D q r D

µ µ

µ µ= −

(2.74)

1 12 1 3

0 0

( ) ( )b b bi b b be

b be b bi

J q r J q rF C C

q r D q r D

µ µ

µ µ= −

(2.75)

3

30 1

1( )

c

c c c c

CF

q r J q r

µ

µ=

(2.76)

1 0 1 01 32

0

1 0 1 01

0

( ) ( ) ( ) ( )ln( )

( ) ( ) ( ) ( )b

b be b be b be b be b bee bb e

be be bi

b b bi b be b bi b be

b be

q r J q r Y q r Y q r J q rrA A C C

r q r r D

Y q r J q r J q r Y q rC

q r D

µ

µ

µ

µ

− = + + +

−+

(2.77)

03 3

0 1

1 0 1 03

0

12

0

( )ln( )

( )

( ) ( ) ( ) ( )

2

bi c c cc

c c c c c

b b be b bi b be b bi

b bi

bb

b be bi

r J q rA C C

r q r J q r

Y q r J q r J q r Y q rC

q r D

CA

q r r D

µ

µ

µ

µ

µ

µ π

= − +

−+ +

+ +

(2.78)

Page 41: Tese 4,6 MB

41

Onde :

1 1 1 1( ) ( ) ( ) ( )b bi b be b be b biD J q r Y q r J q r y q r= −

(2.79)

Uma vez definido Ano cabo pode-se proceder ao cálculo das impedâncias longitudinais.

A queda de tensão longitudinal nos condutores dos cabos ( )du

dzη

= −

é dada por:

( ) ( )Z Iη =

(2.80)

Considerando um sistema trifásico constituído por 3 cabos coaxiais iguais, (2.80) toma a seguinte forma,

( )( )( )

( )( )( )

111 12 131

2 21 22 23 2

331 32 33 3

IZ Z Z

Z Z Z I

Z Z Z I

η

η

η

=

(2.81)

em que ( )kη e ( )kI são as matrizes coluna 2×1 contendo as quedas de tensão por unidade de

comprimento do condutor central e da bainha e as correntes do condutor central e da bainha, respectivamente, do cabo k=1,2,3.

Os elementos da diagonal principal são dados por:

kk kk

kk kk

cc cb

kk

bc bb

Z ZZ

Z Z

=

(2.82)

É de notar que os elementos da diagonal principal da matriz de impedâncias só têm em conta a

influência do próprio cabo e da profundidade a que estão enterrados.

A impedância própria da bainha é ainda independente do índice k no caso dos cabos serem

todos iguais. Assim,

0

0 1 0 1 01 1

1 0

6 5

( ) ( ) ( ) ( )ln( )

2

bbb

b Ic

e b b bi b be b bi b bee

be b be

s

j AZ

I

j r Y q r J q r J q r Y q rA C C

C r q r D

Z Z Z

ω

ωµ µ

π µ

=

= =

−= + + =

= + +

(2.83)

Page 42: Tese 4,6 MB

42

Sendo:

0

02

e ss

b Ic

j AZ j K

I

ω ωµ

π=

= =

(2.84)

em que 0K é dado por (2.53)

06 ln( )

2e

be

rZ j

r

µω

π=

(2.85)

1 0 1 05

( ) ( ) ( ) ( )

2b b bi b be b bi b be

b be

Y q r J q r J q r Y q rZ j

q r D

µω

π

−=

(2.86)

sZ é uma impedância interna do caminho de retorno da corrente pela terra, 6Z é a impedância

associada à taxa de variação do fluxo magnético no tempo no dieléctrico exterior ,zona I, e 5Z

é a impedância interna da bainha, definida pela queda de tensão ao longo da superfície externa

da bainha quando o retorno é feito pelo condutor exterior.

A impedância mútua entre a bainha e o condutor de fase é:

0 0

2

1 0 1 01

00

4

( ) ( ) ( ) ( )

b c

b bi

c

b cbc

c bI I

q r

b b bi b bi b bi b bib

b beb I

bb

n nZ

I I

J q r Y q r Y q r J q rjC A

q r DI

Z Z

π

µω

µ

= =

=

= = =

− = + =

= −

(2.87)

em que 4Z , é a impedância definida pela queda de tensão ao longo da superfície exterior da

bainha por unidade de corrente de retorno pelo condutor central e pela queda de tensão ao

longo da superfície interior da bainha por unidade de corrente de retorno pelo solo.

4 2 2

b

b be bi

Z jq r r D

µω

π= −

(2.88)

Page 43: Tese 4,6 MB

43

A impedância própria do condutor é dada por:

0

01 1

0 1

1 0 1 01

0

1 0 1 012

0

( )ln( )

( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

b

b

ccc

c I

bi c c c

c c c c c

b b be b bi b be b bi

b bic

b bi b bi b bi b bi b bibb

be bi

nZ

I

r J q rC C

r q r J q r

Y q r J q r J q r Y q rjC

q r DI

q r J q r Y q r Y q r J q rC A

q r r D

µ

µ

µω

µ

µ

µ

=

= =

− +

− = + + − + +

1 2 3 4bcZ Z Z Z Z

=

= + + + −

(2.89)

Sendo 1Z a impedância interna do condutor de fase, 2Z a impedância devida à taxa de variação

no tempo do fluxo magnético no isolante interno e 3Z é a impedância interna da bainha. Esta

última impedância é definida como a queda de tensão na superfície interna da bainha por

unidade de corrente que retorna pelo condutor central. As impedâncias são dadas por:

01

02

1

1 0 1 03

ln( )2

( )

2 ( )

( ) ( ) ( ) ( )

2

bi

c

c c c

c c c c

b b be b bi b be b bi

b bi

rZ j

r

J q rZ j

q r J q r

Y q r J q r J q r Y q rZ j

q r D

µω

π

µω

π

µω

π

=

= −

−=

(2.90)

Agora falta calcular as impedâncias para os elementos fora da diagonal. Elas traduzem a

influência dos diferentes cabos uns nos outros.

Assim a impedância entre o cabo k e o cabo j é dada por:

kj kj

kj kj

cc bc

kj

cb bb

Z ZZ

Z Z

=

(2.91)

Tendo em conta (2.81), é possível escrever cada um dos elementos da matriz (2.91):

, 0

0

k

kj

k j Ij jk

b j

c ecc kj

c c

I

j AZ Zm

I I

η ω

≠ =∀

=

= = =

(2.92)

Page 44: Tese 4,6 MB

44

, 0

0

k

kj

k j Ij jk

c j

b ebb kj

b b

I

j AZ Zm

I I

η ω

≠ =∀

=

= = =

(2.93)

, 0

0

k

kj

k j Ij jk

b j

b ebc kj

c c

I

j AZ Zm

I I

η ω

≠ =∀

=

= = =

(2.94)

, 0

0

k

kj

k j Ij jk

c j

c ecb kj

b b

I

j AZ Zm

I I

η ω

≠ =∀

=

= = =

(2.95)

Onde:

( , ) kjjax

kj kjZm j G a y e daω

−∞

= ∫

(2.96)

2 22 2

00( , ) ( ) (1/ ) ( )

kj skj s

y h a qy a q

kj

j

GG a y F a e e W a

− + −−= +

(2.97)

2 2

2 2

0 00

2 2

0

1F(a) - ( )s

ss

h a q

s js

a a qG

e W aI

a a q

µ

µ

µπ

µ

− −

− −

=

+ − (2.98)

=

−0 2 2( )

s

jW a

a q (2.99)

É importante notar que 0G (2.53) depende linearmente da corrente que faz com que kjZm não

seja dependente da corrente.

O cálculo da matriz de impedâncias permite calcular as correntes induzidas nas bainhas, caso

estas estejam ligadas à terra em múltiplos pontos, permitindo que a tensão ao longo da mesma

seja 0bη .

Page 45: Tese 4,6 MB

45

O sistema (2.81) pode ser reorganizado do seguinte modo, para um sistema trifásico de cabos,

com bainhas ligadas à terra em múltiplos pontos.

( )

( )

( )( )

ccc cbc

b bc bb b

IZ Z

Z Z I

η

η

=

(2.100)

Em que ( )cη , ( )bη são submatrizes coluna 3×1 contendo as quedas de tensão por unidade

de comprimento do condutor e da bainha, respectivamente, de cada um dos 3 cabos

constituintes de um sistema trifásico. ( )cI e ( )bI são submatrizes 3×1 contendo as correntes

do condutor central e da bainha, respectivamente.

Substituindo 0bη em (2.100) e tendo em conta que apenas se pretende calcular a corrente

bI .

( ) ( ) ( )0 bc c bb bZ I Z I = +

(2.101)

ou

( ) ( )

1

b bb bc cI Z Z I−

= −

(2.102)

Page 46: Tese 4,6 MB

46

3. Método de cálculo dos integrais de Pollaczek

3.1 Algoritmo de integração

O algoritmo de integração utilizado é o algoritmo de Romberg (extraído de [8] e [9]) que permite o cálculo de integral

= ∫ ( )

b

a

I f x dx

(2.103)

Em que ( )f x é uma qualquer função a integrar no intervalo definido [a,b].

Este método utiliza como ponto de partida a regra dos trapézios, que consiste em dividir o

intervalo de integração em trapézios de modo a se poder aproximar a área por baixo da curva à

soma da área dos diversos trapézios.

Figura 2.5- Ilustração do método de integração trapezoidal.

Designando T(m,1) o resultado desta regra com −= 12mN intervalos de comprimento −

=( )b a

hN

, obtém-se,

=

= + + +

1

1

1 1( ,1) ( ) ( ) ( )

2 2

N

k

T m h f a f b h f a kh

(2.104)

Usando a estrapolação de Richardsen obtém-se:

− −+ =

[4 ( , ) ( 1, )]( , 1)

4 1

j

j

T m j T m jT m j

(2.105)

Page 47: Tese 4,6 MB

47

Estes termos podem ser organizados segundo o triângulo:

(1,1)

(2,1) (2,2)

(3,1) (3,2) (3,3)

... ... ... ...

( ,1) ( ,2) ( ,3) ... ( , )

T

T T

T T T

T m T m T m T m m

A primeira coluna do triângulo é dada pela fórmula dos trapézios, e as colunas seguintes são

construídas com a relação de recorrência (2.105). O erro associado a T(m,j) é da ordem de

−∼2 22j jmh [extraído de 8].

Na prática, é mais conveniente calcular os termos do triângulo linha por linha, ao invés de

coluna a coluna, parando o processo quando uma certa precisão for alcançada.

3.2. Definição dos limites de integração

Os integrais a calcular dependem de alguns parâmetros de natureza geométrica. Tomemos as

seguintes constantes.

1 7 101.5 0.01 4 10 sh m m Hmσ µ π− − −= = Ω = ×

(2.106)

A função a estudar é (2.55):

π= 0,0 22

jb Int

(2.107)

2 ( ) 22

0

sjq hch a aInt e e da

∞− −= ∫

(2.108)

A primeira aproximação a fazer é a determinação do limite aproximado de integração de

(2.108). A ideia é substituir o limite superior pelo valor mais baixo que permite obter um valor

próximo do valor do integral até ∞ .Definindo ( )f a como a função a integrar:

4

22 ( ) 2 2 22

limite de integração

2 22 22 2

21

( )

a a

ass s

a aja s s

s

e ejq h

jq hch a jq hea a a

a

j h e h ejq e he a a

termotermo

f a e e e e e e

e e e e e

πωσ µ ωσ µ

+−− −− − −

− −− − −

= =

(2.109)

Em que s sq q= é dado por (2.17).

Para se poder definir qual o limite máximo de integração aproximado, é necessário verificar

qual é o termo de (2.109) que tende mais rapidamente para 0 quando a aumenta. Quando esse

termo é próximo de 0 a função a integrar também o é, não sendo por isso necessário estudar o

respectivo limite. Por inspecção de (2.109) verifica-se que o termo 1 é o que tende mais

rapidamente para zero. Por isso, basta calcular um valor de a que torna o termo 1

suficientemente próximo de 0 para anular a função a integrar.

Page 48: Tese 4,6 MB

48

22

1

22

2ln

2

asq e

L

termo

as

a

s

e e

q e L

Le

q

−−> ⇔

⇔ − < ⇔

⇔ <

(2.110)

Sendo neste caso, L=10. O valor de L permite definir a proximidade de 0 da equação a integrar quando se atinge o limite aproximado de integração.

Limites de integração para o cálculo de matriz de impedâncias

No cálculo da matriz de impedâncias é necessário definir os limites de integração da equação

(2.96), sendo por isso importante fazer o estudo da função a integrar. O valor limite aproximado

a ser definido é válido tanto para o limite superior como inferior de integração. Para o calcular

basta analisar o termo ( , )ijG a y que é dado por (2.97) e pode também ser escrito da seguinte

forma:

2 22 2

2 2

2 2

0 0

2 22 2

0

00

1( , ) -

(1/ ) ( ), 0

s

kj s

ss

yij a qh a qij

s j ss

y h a q

j

ua a q

G jG a y e e

u Ic a qa a qu

Ge W a y

I

µ

π

π

−− −

− + −

− −

= +−+ −

+ <

(2.111)

Fazendo uma análise semelhante ao caso anterior fazendo variar a variável a . Obtém-se de

(2.111):

2 22 2

2 2

limite de integração

2 2

)Re(0 0

2 22 2 2

0 31

Re( )

4

( , )

Re( )1

-Re( )

(1/ )

kj ss

kj s

ij a

ss

y a qh a q

s termo j ss

termo

termo

y h a q

termo

G a y

ua a q

G je

Ic a qa a q

e

µ

µπ

µ

π

+ −− −

− + −

− −

+−+ −

+

0

0

5

0

aproximação termo 2

aproximação termo30

aproximação termo1

0

aproximação termo 4

aproximação termo5

( )

1 1-

1(1/ )

kj

kj

j termo

s

y ah a

s

y h a

j

GW a

I

a a

e ja

a a

Ge j

aI

µ

µ

µπ

µ

π

+−

− +

+

+

+

(2.112)

Page 49: Tese 4,6 MB

49

Para definir o limite aproximado de integração é necessário fazer uma inspecção a (2.112).

Se μs=0 o termo 1 é o que tende mais rapidamente para 0, no entanto se μs ≠ μ0 o termo 1 não

tende para 0 mas apenas o termo 2 .Relativamente aos termos 4 e 5 qualquer um deles pode

definir o limite de integração conforme o caso. No caso de ykj=-h o termo 4 é constante e igual

a 1 sendo nesse caso o limite dado pelo termo 3. Por outro lado se ykj≠-h o termo 4 deixa de

ser constante e tende para 0 mais rapidamente que o termo 5 .

De entre os termos 1 e 2 ir-se-á proceder apenas à análise do termo 2 pois para o caso da

permeabilidade magnética do solo ser diferentes da do ar o termo 1 não tende para 0. Assim

sendo apenas com a análise do termo 2 fica-se com o limite definido para ambos os casos.

A partir do aproximação do termo 2 pode-se calcular um valor de a analiticamente que serve de

limite de integração:

lim 2

h yij a L

iteakjkj

e e LL

h y ah y

− + −> ⇔ < ⇔ <− +

− (2.113)

Do mesmo modo para a aproximação do termo 4 de (2.112) ,e para ykj h≠ − :

lim 4kj ite

kj

y h a L aL

y h− + = ⇔ =

+ (2.114)

Para a aproximação do termo 5 de (2.112) obtém-se:

lim 5

11 3 1000itee a

a= − → =

(2.115)

Neste caso o valor de L =30. A expressão que define o limite aproximado de integração varia conforme o valor de ykj h≠ −

. Caso kjy h≠ − o valor do limite é dado pelo maior valor numérico obtido com (2.113) e (2.114)

Caso contrário o limite aproximado é obtido por (2.115).

Limites de integração para as funções do campo de indução magnética do ar

Neste caso existem 2 funções a integrar dadas por (2.58) e (2.59). Em primeiro lugar proceder-

se-á à análise da função (2.58), sendo o integral a calcular dado por:

( ) , 0a y jaxa U a e e da y

∞−

−∞

≥∫

(2.116)

Page 50: Tese 4,6 MB

50

Designado ( , , )f a x y a função a integrar:

2 2

2 2

2 2

2 2

0 2 22 2

0

02 2

0

( )0

2 2 2

0

1

( , , ) ( )

21

1 2

1 2( )

a y jax

a

a y s h a qs

sss

a y h a qs

ss

real h a qs a y

s termos

termo

f a x y aU a e e

a q jae e G

a qa a q

jae e G

a a q

ja real e G

a a q

ja

µπ

µ

µπ

µ

µπ

µ

→+−∞

− − −

− − −

− − −

=

−=

−+ −

=

+ −

+ −

0 2

0

1

1 2 h a a y

s aproximação termo

aproximação termo

e G

a aµπ

µ

− −

+

(2.117)

Por inspecção de (2.117) verifica-se que o termo 2 é o que tende mais rapidamente para 0.

Assim o limite de integração é obtido utilizando a aproximação do termo 2 de (2.117) e dado

por:

L

Lha a y L

e e h a a y ay h

−< ⇒ − < − →

− −− =

+ (2.118)

Em que L=30.

Para o integral (2.59) a análise é semelhante:

( ) , 0a y jaxaU a e e da y

∞−

−∞

≥∫ (2.119)

Sendo f(a,x,y) a função a integrar.

2 2

2 2

2 2

2 2

0 2 22 2

0

02 2

0

02 2 2

0

1

0

( , , ) ( )

21

1 2

1 2

1 2

a y jax

a

a y h a qs

ss

a y h a qs

ss

h a qs a y

s termos

termo

s

aproximação

f a x y a U a e e

a qs ja e e G

a qa a qs

j a e e G

a a q

j a e G

a a q

j a

a a

µπ

µ

µπ

µ

µπ

µ

µπ

µ

→∞

− − −

− − −

− − −

=

−=

−+ −

= =

+ −

=

+ −

+

0 2

1

h a a y

aproximação termo

termo

e G− −

(2.120)

Page 51: Tese 4,6 MB

51

Em que a definição do limite de integração é igual ao obtido em (2.118), uma vez que os

termos 1 e 2 de (2.120) são iguais aos de (2.117) e já foram analisados anteriormente.

Page 52: Tese 4,6 MB

Capítulo

Resultados Numéricos

1. Comparação dos resultados

simplificado

Figura 3.1 – Esquema ilustrativo do campo criado por um cabo infinitamente longo

52

ítulo 3

Numéricos

Comparação dos resultados com o método

ilustrativo do campo criado por um cabo infinitamente longo

com o método

ilustrativo do campo criado por um cabo infinitamente longo

Page 53: Tese 4,6 MB

53

Uma vez que as equações do campo e os limites de integração já estão definidos, está-se em

condições de calcular o campo de indução magnética no ar.

Os resultados do método em estudo serão comparados com o campo criado por um cabo ideal

infinitamente longo, percorrido por uma corrente I , em que o meio envolvente é o ar com

permeabilidade magnética igual a μ0. Para estas condições o campo de indução magnética por

este método simplificado é:

00 2

Iu

µµ

π= =ar arB H

(3.1)

Para se poder comparar os valores dos 2 métodos, é necessário considerar que a

permeabilidade magnética do solo é μ0 e a frequência da corrente é 50 Hz para o método em

estudo.

Uma vez definido o campo pelos dois métodos, estão reunidas as condições para calcular, por

um e por outro método, o campo de indução magnética criado por um cabo subterrâneo,

enterrado a uma profundidade constante de 1,5 m e percorrido por uma corrente de fase

2 1025 AI = . O valor de corrente utilizado encontra-se na tabela A1 em anexo. Corresponde

à corrente máxima permitida para os cabos dispostos em esteira horizontal e com bainhas

ligadas em vários pontos à terra, é a pior situação.

Figura 3.3 – Esquema ilustrativo da situação em estudo com a respectiva localização dos eixos

coordenados e do cabo subterrâneo.

Page 54: Tese 4,6 MB

54

De seguida apresentam-se os resultados numéricos em perfil, ou seja a distribuição do campo

de indução magnética ao longo do plano x e através de linhas de contorno no plano (x,y).

Figura 3.4 – Perfil com o valor eficaz do campo, utilizando o método simplificado e o método em estudo, em y=0, para um sistema monofásico

Figura 3.5 – Valor eficaz do campo, utilizando o método simplificado e o método em estudo, em y=0m, para um sistema monofásico

Nas figuras 3.4 e 3.5 é possível observar o valor eficaz do campo magnético calculado através do método simplificado e pelo método em estudo. Os valores obtidos pelos 2 métodos são idênticos uma vez que as linhas do gráfico estão sobrepostas, não sendo possível por isso distinguir uma da outra.

-15 -10 -5 0 5 10 150

20

40

60

80

100

120

140 Perfil em y=0[m] para um sistema monofásico

Posição x [m]

Val

or e

ficaz

do

cam

po d

e in

duçã

o m

agné

tica

em [ µ

T] Método em estudo

Método simplificado

20

20

20

20

2040

4080

posição x [m]

posi

ção

y [m

]

Valor eficaz do campo de indução magnético em [µT] para o caso monofásico

-15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

10Método em estudo

Método simplificado

Page 55: Tese 4,6 MB

55

Repetindo os mesmo ensaios para um sistema trifásico de 400 KV em esteira horizontal tal como a figura seguinte ilustra, com um sistema de correntes dado por:

120º 120º2 1025 A; 2 1025 A; 2 1025 Aj j

a b cI I e I e−= = =

(3.2)

Figura 3.6 – Esquema ilustrativo de um sistema trifásico em esteira horizontal

Obtiveram-se os seguintes resultados de simulação numérica.

Figura 3.7 – Perfil com o valor eficaz do campo, utilizando o método simplificado e o método em estudo, em y=0, para um sistema trifásico em esteira horizontal.

-15 -10 -5 0 5 10 150

5

10

15

20

25

30

35 Perfil em y=0[m] para um sistema trifásico em esteira horizontal

Posição x [m]

Val

or e

ficaz

do

cam

po d

e in

duçã

o m

agné

tica

em [ µ

T] Metodo em estudo

Método simplificado

Page 56: Tese 4,6 MB

56

Figura 3.8 – Valor eficaz do campo, utilizando o método simplificado e o método em estudo, em y=0m, para um sistema trifásico em esteira horizontal.

Nas figuras 3.7 e 3.8, observa-se que os resultados são equivalentes ao caso monofásico na

medida em que, tanto por um método como pelo outro, os resultados são idênticos, permitindo

assim verificar o bom funcionamento do programa.

1

1

1

1

5

5

20

posição x [m]

posi

ção

y [m

]

1

11

1

5 5

20

Valor eficaz do campo de indução magnética em [µT] para um trifásico em esteira horizontal

-15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

10Método em estudo

Método simplificado

Page 57: Tese 4,6 MB

57

2. Sistemas trifásicos e monofásicos com bainhas

ligadas num único ponto

Nesta secção estão os resultados das diversas simulações numéricas. Para o cálculo do

campo de indução magnética a corrente que percorre os condutores é imposta. Assim, ao

longo de toda a secção a corrente nos condutores de fase são :

120º 120º2 1025 A; 2 1025 A; 2 1025 Aj j

a b cI I e I e−= = =

(3.3)

em que A, B e C são as fases que constituem um sistema trifásico equilibrado. Nos casos em

que se está perante um sistema monofásico a corrente da fase é, 2 1025 A=aI .A corrente

nas bainhas é nula, pois estas estão ligadas à terra num único ponto.

2.1 - Comparação de um sistema trifásico com um sistema

monofásico

Na figura seguinte estão ilustradas as situações monofásicas e trifásicas em estudo nesta

secção.

a)

b) Figura 3.9- Ilustração representativa do a) Sistema monofásico a corrente no cabo é b) Sistema trifásico em esteira horizontal

Page 58: Tese 4,6 MB

58

a) Figura 3.10 – perfil em y=0 [m] com a comparação de um sistema monofásico com um sistema trifásico em esteira horizontal

b) Figura 3.11 – Comparação de um sistema monofásico com um sistema trifásico em esteira horizontal através de linhas de nível no espaço.

Através dos resultados presentes na fig.3.11 é possível verificar que o campo de indução

magnética à superfície é menor com um sistema trifásico de cabos em esteira horizontal, do

que no caso monofásico em que apenas uma única fase está presente. A corrente de retorno

difunde-se pela terra, sendo a corrente total de retorno dada por:

= ∫retorno

S

I JdS

(1.4)

Em que J é a densidade de corrente na terra sendo esta diferente em cada ponto. Tanto no

caso monofásico como no trifásico o retorno da corrente do sistema é feito pela terra. Enquanto

que no caso monofásico a corrente retornoI tem igual amplitude mas está em oposição de fase

relativamente à corrente no condutor de fase, no caso trifásico a corrente 0retornoI = . É

-15 -10 -5 0 5 10 150

20

40

60

80

100

120

140 Perfil em y=0[m] a 50Hz

Posição x [m]

Val

or e

ficaz

do

cam

po d

e in

duçã

o m

agné

tica

em [ µ

T]

Sistema trifásico

Sistema monofásico

1

1

1

1

55

20

posição x [m]

posi

ção

y [m

]

20

20

20

20

20

Valor eficaz do campo de indução magnética em [µT] com os cabos dispostos em esteira horizontal

-15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

10Sistema trifásico

Sistema monofásico

Page 59: Tese 4,6 MB

59

importante realçar que a corrente total é que é nula, não a corrente em cada ponto. No sistema

trifásico existe corrente de retorno, só que está confinada à zona mais próxima dos cabos,

fazendo com que o campo de indução magnética seja inferior ao caso monofásico.

2.2 -Influência da profundidade a que os cabos estão enterrados

no valor do campo de indução magnética à superfície.

a) Figura 3.12– Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética, com os cabos dispostos em esteira horizontal e enterrados a 3 profundidades (h) diferentes.

Figura 3.13 – Valor eficaz do campo de indução magnética, com os cabos dispostos em esteira horizontal e a 3 profundidades (h) diferentes.

-15 -10 -5 0 5 10 150

10

20

30

40

50

60

70

80

Perfil em y=0[m] a 50Hz com os cabos dispostos em esteira horizontal e diferentes profundidades

Posição x [m]

Val

or e

ficaz

do

cam

po d

e in

duçã

o m

agné

tica

em [ µ

T] h=1m

h=1.5m

h=2m

11

1

1

1 11

1

1

1

10

10

10

posição x [m]

posi

ção

y [m

]

11

1

11 1

1

1

1110 10

1

1

1

11

1

1

1

1

10 10

Valor eficaz do campo de indução magnético em [µT] a 50Hz para cabos dispostos em esteira horizontal e com diferentes profundidades

-15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

10h=1m

h=1.5m

h=2m

Page 60: Tese 4,6 MB

60

A profundidade a que os cabos estão enterrados, provoca uma variação no valor do campo de

indução magnética na zona mesmo por cima do local onde estão enterrados, não sendo a

variação significativa para zonas afastadas segundo a coordenada x da origem. Para

profundidades maiores o valor de pico do campo diminui, para profundidades menores o

campo aumenta. É possível constatar as conclusões na fig.3.12. Para as zonas compreendidas

entre x=5 m e x=-5 m o valor do campo sofreu uma grande variação com a profundidade h e

para fora desses valores o campo pouco se alterou. Este resultado também é visível na

fig.3.13, pois para zonas afastadas da origem dos eixos segundo x as linhas de nível ficam

sobrepostas.

2.3 Influência da frequência da corrente na distribuição do campo

de indução magnética no ar

a) Figura 3.14 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética para um sistema monofásico e para diferentes frequências de funcionamento.

-15 -10 -5 0 5 10 150

20

40

60

80

100

120

140 Perfil em y=0[m] para o caso monofásico e com diferentes frequências

Posição x [m]

Val

or e

ficaz

do

cam

po d

e in

duçã

o m

agné

tica

em [ µ

T] f=50Hz

f=1MHz

Page 61: Tese 4,6 MB

61

Figura 3.15 - Valor eficaz do campo de indução magnética para um sistema monofásico e para diferentes frequências de funcionamento.

a) Figura 3.16 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética para um sistema trifásico em esteira horizontal e diferentes frequências de funcionamento.

20

20

20

20

20

50

50posição x [m]

posi

ção

y [m

]

20

20

20

50

Valor eficaz do campo de indução magnética em [µT] para o caso monofásico e com diferentes frequências

-15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

1050Hz

1MHz

-15 -10 -5 0 5 10 150

5

10

15

20

25

30

35 Perfil em y=0[m] com os cabos dispostos em esteira horizontal e diferentes frequências

Posição x [m]

Val

or e

ficaz

do

cam

po d

e in

duçã

o m

agné

tia e

m [ µ

T] f=50Hz

f=1MHz

Page 62: Tese 4,6 MB

62

Figura 3.17 – Valor eficaz do campo de indução magnética para um sistema trifásico em esteira horizontal e diferentes frequências de funcionamento. Analisando em primeiro lugar apenas o caso monofásico, verifica-se que o aumento da

frequência faz com que as linhas de campo no ar tenham tendência a ficar confinadas numa

zona mais próxima dos condutores. Como se pode observar nos resultados das simulações na

fig.3.14 o campo diminui com o aumento de frequência e na fig.3.15. em que as linhas de nível

estão visivelmente mais próximas da origem para uma frequência mais elevada.

Para o caso trifásico o fenómeno também se verifica embora não seja tão acentuado (figuras

3.16 e 3.17).

2.4 - Variação da permeabilidade magnética do solo

Nesta secção será feita uma análise variando a permeabilidade magnética do solo, para duas frequências de funcionamento diferentes.

Variação de permeabilidade magnética do solo à frequência de 50Hz.

Figura 3.18 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética para um sistema trifásico com os cabos dispostos em esteira horizontal e diferentes permeabilidades do solo.

1

1

1

110

posição x [m]

posi

ção

y [m

]

1

1 1

1

10

Valor eficaz do campo magnético em [µT] para os cabos dispostos em esteira horizontal com diferentes frequências

-15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

10f=50Hz

f=1MHz

-15 -10 -5 0 5 10 150

10

20

30

40

50

60

70 Perfil em y=0[m] com cabos em esteira horizontal e diferentes permeabilidades do solo com f=50Hz

Posição x [m]

Val

or e

ficaz

do

cam

po d

e in

duçã

o m

agné

tica

em [ µ

T] µsolo=µ0

µsolo=2µ0

µsolo=3µ0

µsolo=5µ0

µsolo=10µ0

µsolo=100µ0

Page 63: Tese 4,6 MB

63

a) b) Figura 3.19 – a)Variação do valor eficaz do campo de indução magnética na origem dos eixos com a permeabilidade relativa do solo b) Profundidade de penetração na terra do campo de indução magnética em função da permeabilidade relativa do solo.

Figura 3.20 – Valor eficaz do campo de indução magnética para um sistema trifásico com os cabos dispostos em esteira horizontal e diferentes permeabilidades do solo.

Na fig. 3.18 estão representados perfis com o valor eficaz do campo de indução magnética no

ar com os cabos dispostos em esteira horizontal e para diferentes valores de permeabilidade

magnética do solo. Como se pode observar, o aumento da permeabilidade do solo faz com que

o campo de indução magnética fique mais intenso à superfície, o que também é visível na fig.

3.20.

Na fig. 3.19 a) está representada a variação do valor eficaz do campo de indução magnética na

origem dos eixos com a permeabilidade relativa do solo. Neste gráfico é possível observar a

não linearidade do fenómeno. Para valores de permeabilidade relativa inferiores a 10, o valor

eficaz do campo de indução magnética, tem um declive muito mais acentuado do que fora

desta zona.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10030

35

40

45

50

55

60

65

70Valor eficaz do campo de indução magnética em [uT] na origem dos eixos coordenados 50Hz

Permeabilidade relativa do solo

Val

or e

ficaz

do

cam

po d

e in

duçã

o m

agné

tica

em [

uT]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

100

200

300

400

500

600

700

800Profundidade de penetração no solo em metros [m] a 50Hz

Permeabilidade relativa do solo

Pro

fund

idad

e de

pen

etra

ção

2

2

2

10

posição x [m]

posi

ção

y [m

]

2

2

2

210

10

40

2

2

2

2

10

10

40

Valor eficaz do campo de indução magnética em [uT] a 50Hz para cabos dispostos em esteira horizontal e com diferentes permeabilidades do solo

-15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

10

µsolo=µ0

µsolo=10µ0

µsolo=100µ0

Page 64: Tese 4,6 MB

64

Variação da permeabilidade magnética do solo a 1MHz

Figura 3.21 – Perfil em y=0 [m] do valor eficaz do campo de indução magnética para um sistema trifásico à frequência de 1MHz com os cabos dispostos em esteira horizontal e diferentes permeabilidades do solo.

a) b) Figura 3.22– a)Variação do valor eficaz do campo de indução magnética na origem dos eixos com a permeabilidade relativa do solo b) Profundidade de penetração na terra do campo de indução magnética em função da permeabilidade relativa do solo.

-15 -10 -5 0 5 10 150

10

20

30

40

50

60

Perfil em y=0[m] com cabos em esteira horizontal e diferentes permeabilidades do solo com f=1MHz

Posição x [m]

Val

or e

ficaz

do

cam

po d

e in

duçã

o m

agné

tica

em [ µ

T] µsolo=µ0

µsolo=2µ0

µsolo=3µ0

µsolo=5µ0

µsolo=10µ0

µsolo=100µ0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10015

20

25

30

35

40

45

50

55Valor eficaz do campo de indução magnética em [uT] na origem dos eixos coordenados a 1MHz

Permeabilidade relativa do solo

Val

or e

ficaz

do

cam

po d

e in

duçã

o m

agné

tica

em [

uT]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5Profundidade de penetração no solo em metros [m] a 1MHz

Permeabilidade relativa do solo

Pro

fund

idad

e de

pen

etra

ção

Page 65: Tese 4,6 MB

65

Figura 3.23 – Valor eficaz do campo de indução magnética a 1MHz com os cabos dispostos em esteira horizontal e diferentes permeabilidades do solo. Como se pode observar pelos resultados das simulações, a variação da permeabilidade

provoca efeitos diferentes no campo de indução magnética conforme a frequência da corrente

que percorre os cabos. Na fig. 3.22 a), onde se encontra representada a variação do campo de

indução magnética com a permeabilidade magnética do ar, existe um máximo. Isso significa

que até um determinado valor de permeabilidade magnética, o valor do campo de indução

magnética no ar vai aumentando tal como acontecia para a situação de 50 Hz. A partir desse

valor o campo de indução magnética diminui contrariamente ao que acontecia a 50Hz. Isso

deve-se à profundidade de penetração no solo, representada na fig. 3.22 b), atingir valores

iguais ou inferiores à profundidade a que os cabos estão enterrados. Quando a profundidade

de penetração, atinge valores próximos da profundidade a que os cabos estão enterrados, o

campo no ar começa a diminuir sendo esta diminuição tanto maior quanto menor for a

profundidade de penetração. Analisando a fig. 3.22b) verifica-se que a 1.5 metros corresponde

uma permeabilidade magnética relativa de 10. Na fig. 3.22 a) verifica-se que é próximo desse

valor que se inverte a variação do valor do campo de indução magnética com o aumento da

permeabilidade relativa.

Também é possível a partir dos resultados retirar conclusões relativamente à corrente de

retorno. Uma vez que o campo magnético diminui para valores elevados de permeabilidade

magnética a frequências altas, pode-se dizer que a corrente de retorno neste caso distribui-se

por uma zona mais próxima dos cabos, ao contrário do que acontece a 50 Hz e com baixas

permeabilidades magnéticas do solo. Este confinamento de corrente ocorre devido à

diminuição da profundidade de penetração do campo de indução magnética no solo.

2.5 Variação da posição geométrica dos cabos

Análise da geometria em triângulo, esteira horizontal e esteira vertical

De seguida será feita uma análise da posição geométrica dos cabos. Serão estudas 3

situações diferentes. Uma com os cabos dispostos em triângulo outra com os cabos dispostos

1

1

1

1

10

posição x [m]

posi

ção

y [m

]

1

1

1

1

101 1

10

Valor eficaz do campo de indução magnética em [uT] a 1MHz para cabos dispostos em esteira horizontal e para diferentes permeabilidades do solo

-15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

10

µsolo=µ0

µsolo=10µ0

µsolo=100µ0

Page 66: Tese 4,6 MB

66

em esteira horizontal e outra com os cabos dispostos em esteira vertical tal como é ilustrado na

figura seguinte.

a) b)

c) Figura 3.24 – Esquema ilustrativo das 3 geometrias em estudo a) Esteira horizontal b) Triângulo c) Esteira vertical

Figura 3.25 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética no ar, para cabos dispostos em esteira horizontal , esteira vertical e triângulo.

-15 -10 -5 0 5 10 150

5

10

15

20

25

30

35 Perfil em y=0[m] para uma frequência de 50Hz e com diferentes geometrias

posição x [m]

Val

or e

ficaz

do

cam

po d

e in

duçã

o m

agné

tica

em [ µ

T] Esteira Horizontal

TriânguloEsteira Vertical

Page 67: Tese 4,6 MB

67

Figura 3.26 – Valor eficaz do campo de indução magnética no ar, para cabos dispostos em esteira horizontal, esteira vertical e triângulo. Através dos resultados de simulação, verifica-se que de entre as 3 geometrias em estudo

aquela que origina um menor valor de campo de indução magnética no ar à superfície é a

geometria em triângulo. Na geometria em triângulo a corrente de retorno pela terra está

confinada a uma zona mais próxima dos cabos, pois a distância entre cada um deles é menor,

o que faz com que fiquem mais próximos entre si. Nas outras duas geometrias a distância entre

cada um dos cabos é diferente, fazendo com que fiquem mais afastados relativamente à

geometria em triângulo. Por esse motivo a corrente de retorno fica mais dispersa, o que faz

com que o campo à superfície na geometria em triângulo seja menor.

Variação da distância entre os cabos nas 3 diferentes geometrias

De seguida apresentam-se os resultados das simulações, em que se varia a distância entre os

3 cabos para cada uma das 3 geometrias, mantendo a profundidade do cabo mais à superfície

igual a 1.5 [m].

a)

b) c) Figura 3.27 – Esquema ilustrativo das 3 geometrias em estudo a) Esteira horizontal b) Triângulo c) Esteira vertical

1

1

1

1

10

posição x [m]

posi

ção

y [m

]

1

1 1

110

1

1

1

1

10

Valor eficaz do campo de indução magnética em [µT] a 50Hz para diferentes geometrias

-15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

10Esteira Horizontal

Triângulo

Esteira Vertical

Page 68: Tese 4,6 MB

68

Figura 3.28 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética no ar, para cabos dispostos em esteira horizontal e com diferentes distâncias entre os cabos.

Figura 3.29. – Linhas de nível no espaço com o valor eficaz do campo de indução magnética no ar, para cabos dispostos em esteira horizontal e com diferentes distâncias entre os cabos.

-15 -10 -5 0 5 10 150

20

40

60

80

100

120

Perfil em y=0[m] para uma frequência de 50Hz e com os cabos dispostos em esteira horizontale com diferentes distâncias entre cabos

posição x [m]

Val

or e

ficaz

do

cam

po d

e in

duçã

o m

agné

tica

em [ µ

T]

d= 0.218[m]

d= 0.436[m]

d= 0.872[m]

1

1

1

1

10

posição x [m]

posi

ção

y [m

]

1

1

1

1

1

1

10

10

40

1

1

10

10

10

40

Valor eficaz do campo de indução magnético em [µT] a 50Hz para os cabos dispostos em horizontal com diferentes distâncias entre cabos

-15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

10d= 0.218[m]

d= 0.436[m]

d= 0.872[m]

Page 69: Tese 4,6 MB

69

Figura 3.30 –Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética no ar, para cabos dispostos em esteira vertical e com diferentes distâncias entre os cabos

a) b) Figura 3.31 – Valor eficaz do campo de indução magnética no ar, para cabos dispostos em esteira vertical e com diferentes distâncias entre os cabos.

-15 -10 -5 0 5 10 150

10

20

30

40

50

60

70

Perfil em y=0[m] para uma frequência de 50Hz e com os cabos dispostos em esteira verticale com diferentes distâncias entre cabos

posição x [m]

Val

or e

ficaz

do

cam

po m

agné

tico

em [ µ

T]

d= 0.218[m]

d= 0.436[m]

d= 0.872[m]

1

1 1

1

10

posição x [m]

posi

ção

y [m

]

1

1

11

1

1

10

10

1 1

10

1040

Valor eficaz do campo de indução magnética em [µT] a 50Hzpara os cabos dispostos em esteira vertical e com diferentes distâncias entre cabos

-15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

10d= 0.218[m]

d= 0.436[m]

d= 0.872[m]

Page 70: Tese 4,6 MB

70

Figura 3.32 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética no ar, para cabos dispostos em triângulo e com diferentes distâncias entre os cabos.

a) b) Figura 3.33 – Valor eficaz do campo de indução magnética no ar, para cabos dispostos em triângulo e com diferentes distâncias entre os cabos.

Como é possível observar nos vários resultados de simulação, o valor do campo de indução

magnética à superfície varia com a distância entre os cabos, para qualquer uma das

geometrias. Quanto mais afastados estão os cabos, dentro da mesma geometria, maior é o

valor do campo de indução magnética à superfície. No caso limite em que os três cabos

estariam todos na mesma posição o campo de indução magnética seria nulo, isto porque o

campo de indução magnética criado por cada um dos cabos está desfasado de 120º

relativamente aos outros dois em cada ponto do espaço.

Há que notar que, principalmente na geometria em esteira vertical, à medida que se afastam os

cabos, 2 deles ficam a uma profundidade cada vez maior. Tal como já foi demonstrado o

-15 -10 -5 0 5 10 150

10

20

30

40

50

60

Perfil em y=0[m] para uma frequência de 50Hz e com os cabos dispostos em triânguloe com diferentes distâncias entre cabos

posição x [m]

Val

or e

ficaz

do

cam

po d

e in

duçã

o m

agné

tica

em [ µ

T]

d= 0.218[m]

d= 0.436[m]d= 0.872[m]

2

2

210

posição x [m]

posi

ção

y [m

]

2

2

2

2

10

2

2

2

2

2

10 10

40

Valor eficaz do campo de indução magnética em [µT] a 50Hz para os cabos dispostos em triângulo e com diferentes distâncias entre cabos

-15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

10d= 0.218[m]

d= 0.436[m]

d= 0.872[m]

Page 71: Tese 4,6 MB

71

aumento da profundidade dos cabos faz com que o campo à superfície seja cada vez menor, o

que não acontece neste caso. Nesta situação, o fenómeno de afastamento entre os cabos

prevalece relativamente ao fenómeno do aumento da profundidade.

Relativamente à corrente de retorno é possível concluir que o afastamento dos cabos provoca

uma dispersão de corrente na terra.

Análise da geometria em triângulo, esteira horizontal e esteira vertical com os

cabos afastados de 0.872m

De seguida, será feita uma comparação entre as 3 geometrias com os cabos

afastados 0.872 m, que constitui o pior caso e por isso aquele que origina valores de

campo mais elevados.

Figura 3.34 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética no ar para os cabos dispostos nas três diferentes geometrias, e com uma distância entre cabos de 0.872 m

-15 -10 -5 0 5 10 150

20

40

60

80

100

120

Perfil em y=0[m] para uma frequência de 50Hz e com diferentes geometrias e com os cabos distânciados de 0.872m

posição x [m]

Val

or e

ficaz

do

cam

po d

e in

duçã

o m

agné

tica

em [ µ

T] Esteira Horizontal

Triângulo

Esteira Vertical

Page 72: Tese 4,6 MB

72

a) b) Figura 3.35 – Valor eficaz do campo de indução magnética no ar para os cabos dispostos nas três diferentes geometrias, e com uma distância entre cabos de 0.872 m

A partir dos resultados das simulações é possível verificar que mesmo que a distância entre os

cabos aumente, a geometria que permite obter um valor menor de campo de indução

magnética continua a ser a configuração em triângulo.

2

2

2

2

2

2

10

10

10

40

posição x [m]

posi

ção

y [m

]

2

2

2

2

2

10

10

40

2

2

22

2

2

10

10

40

Valor eficaz do campo de indução magnética em [µT] a 50Hz para cabos com diferentes geometrias e com os cabos afastados de 0.872m

-15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

10Esteira Horizontal

Triângulo

Esteira Vertical

Page 73: Tese 4,6 MB

73

3. Variação do tipo de ligação das bainhas

As bainhas dos cabos, podem ser ligadas de 2 modos distintos: com ligação à terra em vários

pontos; e com ligação num só ponto.

Na ligação à terra em vários pontos, as bainhas estão ligadas à terra em vários pontos ao

longo do comprimento do cabo, o que permite tornar a tensão uniforme e igual ao potencial da

terra, ao longo de toda a bainha. A consequência é a indução de correntes nas bainhas pelo

campo de indução magnética criado pelas correntes nos diferentes condutores. Nesta situação

o campo de indução magnética no ar, resulta das correntes nos condutores e das correntes

induzidas nas bainhas. É importante ter em conta que a existência de correntes nas bainhas

aumenta as perdas na transmissão de energia, por efeito de joule, o que leva a que a corrente

máxima admissível nos condutores de fase seja inferior para os cabos ligados à terra em vários

pontos.

Na ligação à terra num único ponto, as bainhas dos cabos estão ligadas à terra ou no início, ou

no fim, ou a meio do cabo. O facto de estarem ligadas num único ponto faz com que não

existam correntes induzidas nas bainhas.

Sistema monofásico

A corrente no condutor de fase é: 2 512 AI =

Figura 3.36 – Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética para um sistema monofásico à frequência de 50Hz para os 2 diferentes modos de ligação das bainhas.

-15 -10 -5 0 5 10 150

10

20

30

40

50

60

70Perfil em y=0 [m] para o caso monofásico a 50Hz e diferentes tipos de ligação à terra

posição x [m]

Val

or e

ficaz

do

cam

po m

agné

tico

em [ µ

T]

Ligação em vários pontos

Ligação num só ponto

Page 74: Tese 4,6 MB

74

Figura 3.37 – Valor eficaz do campo de indução magnética a 50Hz para o caso monofásico para os 2 diferentes modos de ligação das bainhas à terra. Como se pode observar nos resultados das simulações, o facto das bainhas estarem ligadas à

terra em vários pontos faz com que o campo de indução magnética sofra uma redução. O valor

de pico, como se pode observar na fig.3.36 a) diminui aproximadamente 3.5 vezes com a

ligação em vários pontos A corrente nas bainhas num sistema monofásico tem sentido

contrário à corrente no condutor. Assim pode-se concluir que a ligação das bainhas em vários

pontos permitiu que a maior parte do retorno da corrente seja feito pelas bainhas em vez de ser

feito pela terra. De facto obtém-se uma corrente na bainha 162.62º2 476,32 A−= j

bI e .

Sistema com os cabos dispostos em esteira horizontal

As correntes nos condutores de fase são dadas por (3.3).

Figura 3.38 - Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética para um sistema trifásico à frequência de 50Hz com os cabos dispostos em esteira horizontal para os 2 diferentes modos de ligação das bainhas.

10 15

posição x [m]

posi

ção

y [m

]

Valor eficaz do campo de indução magnética em [µT] a 50Hz para o caso monofásico e com diferentes tipos de ligação à terra

10

10

10

10

1015

15

15

-15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

10

Ligação em vários pontos

Ligação num só ponto

-15 -10 -5 0 5 10 150

5

10

15

20

25

30

35

Perfil em y=0[m] a 50Hz com cabos em esteira horizontal e diferentes tipos de ligação das bainhas à terra

posição x [m]

Val

or e

ficaz

do

cam

po d

e in

duçã

o m

agné

tica

em [ µ

T] Ligação em vários pontos

Ligação num só ponto

Page 75: Tese 4,6 MB

75

Figura 3.39 – Valor eficaz do campo de indução magnética a 50Hz com os cabos dispostos em esteira horizontal para os 2 diferentes modos de ligação das bainhas. No caso trifásico em esteira, os resultados em termos da ligação da bainha à terra em vários

pontos, são diferentes, relativamente ao caso monofásico. No caso trifásico, a corrente

induzida numa bainha não resulta apenas da corrente num único condutor, como no caso

monofásico, mas sim das correntes nos 3 condutores e das correntes induzidas pelas outras

bainhas. O que se verifica é que existe uma diminuição do valor de pico do campo de indução

magnética no ar.

Relativamente ao retorno de corrente verificou-se que para a corrente nos condutores igual a

132.9º j131.5396º j13.2º2 441.45 A; 2 299.39 A; 2 528.34 A−= = =b b b

j

a b bI e I e I e , o valor da corrente de retorno nas

bainhas é em duas das fases inferior a metade da corrente do condutor, e aproximadamente

metade no outro condutor. Somando a corrente nas 3 bainhas obtém-se:

j54.314º 2 26,29 A+ + =bainha bainha bainhaa b cI I I e

(1.5)

A sua soma é diferente de 0, o que leva a concluir que existe corrente de retorno pela terra.

Comparando a corrente de retorno pela terra, entre os 2 tipos de ligação nas bainhas, é

possível concluir que a densidade de corrente J, na ligação em vários pontos, é maior numa

zona próxima do cabo, originando por isso um menor valor de campo magnético à superfície.

No caso de se ligarem as bainhas em vários pontos à frequência de 1MHz, o campo criado à

superfície é praticamente nulo.

Neste caso a corrente nas bainhas fica em oposição de fase e com a mesma amplitude que a

corrente do respectivo condutor de fase, o que leva a concluir que o retorno da corrente é todo

feito pelas bainhas, fase a fase, sendo a corrente de retorno pela terra praticamente nula. Sem

corrente de retorno na terra, o valor de campo à superfície é nulo.

1

1

1

1

110

posição x [m]

posi

ção

y [m

]

1

1

1

1

10

Valor eficaz do campo de indução magnético em [µT] a 50Hz para os cabos dispostos em esteira horizontal e diferentes tipos de ligação das bainhas à terra

-15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

10Ligação em vários pontos

Ligação num só ponto

Page 76: Tese 4,6 MB

76

4. Sistema de transmissão com 6 cabos em esteira

horizontal

Nesta secção será, estudado um conjunto de 2 circuitos trifásicos em esteira horizontal, tal como está ilustrado na figura seguinte.

a)

b) c) Figura 3.40 – Ilustração da posição dos cabos para 3 situações. Cada um dos 3 circuitos trifásicos representado, é constituído pelas fases A, B e C, em que cada letra corresponde a uma fase diferente. a)Situação 1 b) Situação 2 c)Situação 3

Na realização das seguintes simulações numéricas, foram atribuídas diferentes correntes a

cada uma das fases A, B e C, representadas na fig. 3.40.

Para a situação 1:

120º 120º2 1025A; 2 1025 A; 2 1025 A−= = =j j

a b cI I e I e

(3.6)

Para a situação 2 e 3:

120º 120º2 512.5 A; 2 512.5 A; 2 512.5 A−= = =j j

a b cI I e I e

(3.7)

Page 77: Tese 4,6 MB

77

a) Figura 3.41– Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética no ar, para cada uma das situações ilustradas na fig5.1. O circuito da situação 1 transmite a mesma potência que os circuitos com 6 cabos , situações 2 e 3.

Figura 3.42 – Valor eficaz do campo de indução magnética no ar, para cada uma das situações ilustradas na fig4.1. O circuito da situação 1 transmite a mesma potência que os circuitos com 6 cabos, situações 2 e 3.

Para as seguintes simulações as correntes consideradas nas 3 situações são iguais a (3.7)

-15 -10 -5 0 5 10 150

5

10

15

20

25

30

35 Perfil em y=0[m] a 50Hz para cada uma das situações em estudo

Posição x [m]

Val

or e

ficaz

do

cam

po d

e in

duçã

p m

agné

tica

em [ µ

T] Situação 1

Situação 2Situação 3

1

1

1

1

2

2

2

posição x [m]

posi

ção

y [m

]

12

1

1 1

1

2

2

2

Valor eficaz do campo de indução magnética em [µT] a 50Hz para cada uma das situações em estudo

-15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

10Situação 1

Situação 2

Situação 3

Page 78: Tese 4,6 MB

78

Figura 3.43 - Perfil em y=0 [m] com o valor eficaz do campo de indução magnética no ar, para cada uma das situações ilustradas na fig4.1. O circuito da situação 1 transmite metade da potência que os circuitos com 6 cabos , situações 2 e 3.

Figura 3.44 – Valor eficaz do campo de indução magnética no ar, para cada uma das situações ilustradas na fig4.1. O circuito da situação 1 transmite metade da potência que os circuitos com 6 cabos, situações 2 e 3.

A partir dos resultados de simulação numérica verifica-se que com a colocação de 6

condutores, em vez de 3 é possível obter uma redução do campo de indução magnética no ar.

Nas figuras 3.41 e 3.42 estão feitas simulações em que se comparam 3 situações diferentes.

Compara-se o campo criado por um sistema trifásico de 3 condutores, com 2 sistemas de 6

condutores com diferentes distribuições de fases, em que a potência transmitida nas 3

situações é a mesma. Assim pode-se concluir que a colocação de 6 condutores para a

transmissão da mesma potência, diminui o valor do campo magnético independentemente da

distribuição das fases. No entanto, comparando a situação 2 com a 3, ambas com 6

condutores, é possível verificar que a variação da posição das fases faz com que o valor do

-15 -10 -5 0 5 10 150

5

10

15

20

25

30 Perfil em y=0[m] a 50Hz para cada uma das situações em estudo

Posição x [m]

Val

or e

ficaz

do

cam

po d

e in

duçã

o m

agné

tica

em [ µ

T] Situação 1

Situação 2Situação 3

1

1

1

2

2

posição x [m]

posi

ção

y [m

]

12

1

1 1

1

2

2

2

Valor eficaz do campo de indução magnética em [µT] a 50Hz para cada uma das situações em estudo

-15 -10 -5 0 5 10 150

2

4

6

8

10Situação 1

Situação 2

Situação 3

Page 79: Tese 4,6 MB

79

campo de indução magnética no ar seja muito atenuado. Quando se colocam as fases tal como

está ilustrado na figura 3.40b), o campo criado por uns cabos atenua o campo criado pelos

outros provocando uma diminuição significativa no campo total.

A outra situação estudada, fig. 3.43 e 3.44, corresponde à comparação dos sistemas com 3 e 6

cabos em que, a potência transmitida pelo de 6 é o dobro da transmitida pela de 3. A partir das

figuras referidas, é possível verificar que a situação que provoca um menor valor de campo à

superfície é a Situação 2. Neste caso, a colocação das fases com a distribuição que está

ilustrada na fig3.40b) é essencial para que o campo criado pelos 6 cabos seja menor do que o

criado apenas por 3, mesmo para o dobro da potência transmitida.

Na análise deste resultados, é preciso ter em conta que a colocação de 6 cabos aumenta a

temperatura no local junto dos mesmos, isso significa que o valor limite de corrente, no caso de

se ter 3 cabos é superior ao de ter 6. Por esse motivo, pode não ser possível transmitir o dobro

da potência com 6 cabos, relativamente à situação de 3 cabos.

Page 80: Tese 4,6 MB

80

Capítulo 4

Conclusões

Através do estudo realizado foi possível retirar diversas conclusões relativamente ao campo

magnético à superfície da terra criado por cabos subterrâneos, tendo-se verificado que existem

diversos factores que influenciam os valores do campo entre os quais se destacam: o número

de cabos utilizado, a profundidade a que os mesmos estão enterrados no solo, a frequência de

funcionamento e a permeabilidade magnética do solo.

Neste estudo constatou-se que o campo de indução magnética no ar criado por um sistema

trifásico de cabos é inferior ao de um sistema monofásico, tendo em conta que o valor da

amplitude da corrente nos cabos é a mesma. Num sistema trifásico a corrente de retorno é nula

embora seja não nula a densidade de corrente na vizinhança dos cabos, ao passo que no cabo

monofásico a corrente de retorno é não nula, igual e de sentido contrário à do cabo, fazendo

com que o campo de indução magnética seja inferior. Outro factor que influência o valor do

campo é a profundidade a que os cabos estão enterrados. A profundidade provoca uma

variação no valor do campo de indução magnética na vertical mesmo por cima do local onde

estes estão enterrados. Quanto mais profundos os cabos estão enterrados menor será o valor

do campo magnético à superfície.

Page 81: Tese 4,6 MB

81

Outro factor que influencia a distribuição do campo é a frequência. Quanto maior é o seu valor

mais confinado é o campo na vizinhança dos cabos e portanto tende a diminuir o campo de

indução magnética no ar.

A permeabilidade magnética foi um dos factores inicialmente mencionados, tendo este de ser

analisado em conjunto com a frequência do sistema. Para a frequência de 50Hz, o aumento da

permeabilidade do solo faz com que o campo à superfície aumente, sendo o seu valor menor

para solos com permeabilidade magnética mais baixa. Para frequências maiores, na ordem de

1MHz, que corresponde à frequência máxima dos transitórios da rede, por exemplo em

descargas atmosféricas, a variação do campo com a permeabilidade apresenta um máximo, o

que significa que o aumento da permeabilidade magnética sµ para valores baixos da mesma,

provoca um aumento de campo à superfície e o aumento para valores elevados tende a

diminuir o valor do campo máximo à superfície. Se esse aumento for para valores elevados de

sµ então, o valor do campo no ar depende entre outros parâmetros da profundidade a que os

cabos estão enterrados. Na ausência de correntes turbilhonares decorrente da penetração do

campo magnético na terra, o aumento de sµ tende a aumentar o campo de indução magnética

no solo e portanto também no ar. O aumento de frequência em conjunto com o aumento de sµ

tem o efeito contrário: o campo tende a ser confinado à vizinhança dos cabos por causa da

diminuição de profundidade de penetração. A existência destes dois efeitos contrários explica o

comportamento não monotónico da variação do campo máximo com a permeabilidade

magnética do solo.

Nesta tese foram também estudas formas de mitigação do campo à superfície, entre as quais

se destacam: a posição geométrica dos cabos; o tipo de ligação das bainhas dos mesmos e o

aumento do número de cabos de transmissão.

Relativamente à posição geométrica dos cabos, foram estudadas 3 situações diferentes, cabos

dispostos em esteira horizontal, em esteira vertical e em triângulo. De entre as 3 geometrias a

que permite obter menores valores de campo à superfície é a geometria em triângulo, seguida

da esteira vertical, sendo o pior resultado obtido com os cabos dispostos em esteira horizontal.

Dentro de cada uma das geometrias quanto mais próximos entre si estiverem os cabos menor

será o campo à superfície por eles criado. É preciso ter em conta que o facto de se aproximar

os cabos faz com que a temperatura dos mesmos aumente, o que pode criar limitações no

valor máximo de corrente de cada um deles.

Outro modo mencionado que permite diminuir o campo criado é a utilização de bainhas ligadas

à terra em múltiplos pontos, o que faz com que sejam induzidas correntes nas mesmas. Assim,

para a frequência de 50 Hz, o retorno da corrente é feito parcialmente pela bainha provocando

uma diminuição do campo à superfície. À frequência de 1MHz, a corrente de retorno tende a

ser feita totalmente pela bainha fase a fase, o que torna o campo praticamente nulo à

superfície. É importante notar que o facto de se utilizar um sistema com ligação da bainha em

múltiplos pontos à terra, faz com que não se possam utilizar valores de corrente tão elevados

como para o caso em que não existem correntes nas bainhas, ligação num único ponto à terra,

devido às perdas elevadas por efeito de Joule na bainha.

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82

O método que permite uma melhor mitigação do campo magnético é o aumento do número de

cabos de transmissão. Em vez se utilizar, um sistema trifásico com um circuito eléctrico, utiliza-

se sistemas trifásicos com 2 circuitos em paralelo. O estudo realizado nesta tese, permitiu

concluir que com uma distribuição de fases onde num dos circuitos se tem o sistema trifásico

inverso, é possível obter valores menores de campo à superfície, mesmo a transmitir o dobro

da potência em relação ao sistema trifásico com um único circuito.

Para trabalhos futuros fica como sugestão a realização dum estudo utilizando os cabos

inseridos em tubos cilíndricos de um material condutor, estudar a utilização de um sistema

hexafásico e compara-lo com o sistema trifásico com um ou dois circuitos.

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83

Anexos

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TabelaA1 – Valor eficaz da corrente para diferentes geometria e temperaturas (extraído de [20]).

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Esquema Ilustrativo de funcionamento do programa de cálculo do

campo de indução magnética

Definição dos parâmetros do programa de cálculo entre osquais se destacam::- Número de cabos-Posição dos mesmo no solo-Valor eficaz das correntes nos condutores de fase-Limites das variáveis (x,y) para o cálculo do campo no ar.

Cálculo das variáveis G0 e qs

Lig ação combainha em

vár ios pontosà terra?

Cálculo de Zbc (2.87)e Zbb(2.83).

Cálculo do limite deintegração de Zmkj(2.96).

Cálculo dascorrentes nasbainhas Ib (2.102).

Definição de correntesnulas nas bainhas.

Gráfico emperfil?

Cálculo dos limites deintegração e cálculo docampo de indução magnética.Os pontos a cálcular sãopara um y fixo e x variável.

Criação de um gráfico com osvalores obtidos para o campoem função de x.

Cálculo dos limites de integração ecálculo do campo de induçãomagnética. Os pontos a cálcularsão para um y fixo e x variável. Ospontos a cálcular são para (x,y)variáveis.

Criação de um gráfico com linhasde nível de campo em função dascoordenadas (x,y).

Sim

N ão

Sim

N ão

Cálculo da matrizde Impedâncias.

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