Disciplina Discipline PEN5037
Aplicação de Ferramentas Experimentais e Computacionais para Modelagem de Redes Elétricas e Análise de Transitórios Eletromagnéticos
Application of Experimental and Computational Tools for Modeling Electrical Networks and Analysis of Electromagnetic Transients

O curso tem por objetivo familiarizar os estudantes com as principais técnicas de análise de transitórios causados por descargas atmosféricas em sistemas elétricos, com ênfase na transmissão e distribuição de energia. Visa também capacitá-los a avaliar as eficácias das diferentes técnicas de proteção contra os efeitos das descargas. A disciplina abrange técnicas experimentais para desenvolvimento e validação de modelos de equipamentos e dispositivos, incluindo o uso de laboratório de alta tensão e de modelos em escala reduzida, além de ferramentas computacionais consolidadas, como o Electromagnetic Transients Program (EMTP-RV).

The course aims to familiarize students with the main techniques for analyzing lightning transients in power systems, with an emphasis on transmission and distribution systems. It also aims to enable them to assess the effectiveness of different lightning protection techniques. The course covers experimental techniques for the development and validation of models of equipment and devices, including the use of high voltage laboratory and reducedscale models, as well as consolidated computational tools such as the Electromagnetic Transients Program (EMTP-RV).

A análise de fenômenos transitórios é de fundamental importância na avaliação de questões relacionadas à qualidade e à confiabilidade de sistemas elétricos. Uma parcela substancial dos problemas de qualidade de energia se deve às descargas atmosféricas, geralmente responsáveis por grande parte dos afundamentos de tensão e interrupções de fornecimento, além de danos em equipamentos de concessionárias e de consumidores. Em razão da complexidade dos sistemas elétricos, soluções analíticas não são em geral aplicáveis na prática e a avaliação das eficácias das técnicas para minimização dos problemas envolvem a utilização de ferramentas computacionais ou simulações analógicas. Entretanto, apesar da existência de programas como o EMTP, capazes de simular e descrever adequadamente o comportamento transitório de sistemas com configurações realistas, existem situações com alto grau de complexidade que não podem ser simuladas com as versões existentes desses programas. Neste contexto o uso de ferramentas de simulação analógica, como a técnica de modelagem em escala reduzida, que possibilita a realização de testes em condições controladas, pode ser vantajosa para a validação de modelos teóricos e também para a análise da resposta de sistemas complexos submetidos a surtos atmosféricos. O curso visa a introduzir e capacitar o aluno à aplicação de ferramentas computacionais e experimentais para desenvolvimento e validação de modelos dos principais componentes dos sistemas elétricos e à análise de transitórios eletromagnéticos, com ênfase naqueles causados por descargas atmosféricas em sistemas de transmissão e distribuição de energia.

The analysis of transient phenomena is of fundamental importance in evaluating issues related to the reliability and power quality of electrical energy systems. A substantial part of these problems is due to lightning, which is in general responsible for most voltage sags and supply interruptions, as well as damage to utility and consumer equipment. Due to the complexity of electrical systems, analytical solutions are generally not applicable in practice, and the evaluation of the effectiveness of techniques to minimize such problems involves the use of computational tools or analog simulations. However, despite the existence of programs such as EMTP, capable of simulating and adequately describing the transient behavior of systems with realistic configurations, there are situations with a high degree of complexity that cannot be simulated with the existing versions of these programs. In this context, the use of analog simulation tools such as the scale modelling technique, which makes it possible to carry out tests under controlled conditions, can be advantageous for validating theoretical models and analyzing the lightning response of complex systems. The course aims to introduce and train the student to apply computational and experimental tools to develop and validate models of the main system components and analyse electromagnetic transients, with emphasis on those resulting from the interaction of lightning and power transmission and distribution networks.

1. Conceitos básicos relativos à qualidade de energia, ao fenômeno das descargas atmosféricas e aos principais parâmetros das correntes para aplicações em engenharia. 2. Principais aspectos relativos à interação entre descargas atmosféricas e linhas de transmissão e subtransmissão de energia. Sobretensões associadas a backflashover e falha de blindagem. Métodos de proteção de linhas de transmissão. 3. Configurações típicas de redes de distribuição de energia. Principais aspectos relativos à interação entre descargas atmosféricas e redes de distribuição de energia de média e baixa tensão. Sobretensões decorrentes de descargas diretas e indiretas. Métodos de proteção de redes de distribuição. 4. Técnica de modelagem em escala reduzida (fundamentos, fatores de escala das principais grandezas). 5. Modelos para representação da descarga atmosférica e dos principais componentes de linhas de transmissão e distribuição de energia (linhas, torres, isoladores, transformadores, para-raios, sistemas de aterramento, etc.). 6. Ferramentas computacionais para a análise de fenômenos transitórios. Princípios básicos. Representação de fontes de tensão e corrente e de componentes do sistema (linhas de transmissão, transformadores, chaves, para-raios etc.) no EMTP-RV. Criação de circuitos monofásicos e trifásicos. 7. Aplicação do EMTP-RV para a análise de sobretensões causadas por descargas atmosféricas em linhas de transmissão e subtransmissão (falha de blindagem e "backflashover"). Análise dos efeitos das características das correntes da descarga e da impedância de surto das torres. 8. Aplicação do EMTP-RV para a análise de sobretensões causadas por descargas atmosféricas em linhas de transmissão e subtransmissão. Análise dos efeitos da posição relativa do cabo guarda em relação às fases. Efeito de para-raios, da impedância de aterramento e das características de suportabilidade dos isoladores. 9. Experimento no Laboratório de Pesquisas em Modelos Reduzidos: obtenção da impedância de surto de torre de linha de transmissão e comparação com resultados obtidos através do uso de modelos simplificados. Simulação de descargas atmosféricas diretas em linha de transmissão. Comparação entre resultados teóricos e experimentais. 10. Geração e medição de altas tensões impulsivas. Experimento no Laboratório de Alta Tensão: ensaios de impulso atmosférico em isoladores de distribuição para obtenção das tensões disruptivas críticas (U50% ou CFO) e das curvas tensão x tempo (característica Vxt).

1 Basic concepts related to power quality, lightning phenomenon, and the main lightning parameters for engineering applications. 2 Main aspects related to the lightning interaction with power transmission and subtransmission lines. Overvoltages associated with shielding failure and backflashover. Lightning protection of transmission lines. 3 Typical configurations of power distribution networks. Main aspects related to the lightning interaction with medium and low-voltage power distribution networks. Lightning overvoltages resulting from direct and indirect strokes. Lightning protection of distribution networks. 4 Scale modeling technique (fundamentals, scale factors of the main quantities). 5 Models for simulating the lightning channel and the main power system components (towers, insulators, transformers, switches, surge arresters, grounding systems, etc.). 6 Computational tools for the analysis of transient phenomena. Basic principles. Representation of voltage and current sources and system components in the EMTP-RV. Single-phase and three-phase circuits. 7 Application of the EMTP-RV for the analysis of lightning overvoltages in transmission and sub-transmission lines (shielding failure and backflashover). Analysis of the effects of the stroke current characteristics and the surge impedance of the towers. 8 Application of the EMTP-RV for the analysis of lightning overvoltages in transmission and sub-transmission lines. Analysis of the effects of the relative position of the overhead ground wire and phase conductors, surge arresters, ground impedance, and withstand characteristics of the insulators. 9 Experiment in the Reduced Models Research Laboratory: tests to obtain tower surge impedance and comparison with results from simplified models. Simulation of direct strokes to a transmission line. Comparison between theoretical and experimental results. 10 Generation and measurement of high impulse voltages. Experiments in the High Voltage Laboratory: lightning impulse tests on distribution insulators to obtain the critical flashover overvoltage (CFO) and voltage x time curves (Vxt characteristic).

Prova escrita, trabalho e seminário. A nota final será obtida por meio de média ponderada das notas da prova, trabalho escrito e apresentação de seminário, conforme a equação abaixo: Nota Final = (0,5 x Prova escrita + 0,25 x Trabalho escrito + 0,25 x Seminário) O estudante necessita obter Nota Final superior a 5,0 para ser aprovado na disciplina. O conceito será atribuído de acordo com o seguinte critério: 8,5 < Nota Final  Conceito A 6,5 < Nota Final ≤ 8,5  Conceito B 5,0 ≤ Nota Final ≤ 6,5  Conceito C

Written test, work, and seminar. The final grade will be obtained through a weighted average of the test grades, written work, and seminar presentation, according to the equation below: Grade = (0.5 x Written Test + 0.25 x Written Work + 0.25 x Seminar) The student needs to obtain a Final Grade higher than 5.0 to pass the course. The Final Grade will be awarded according to the following criteria: 8,5 < Grade  Final Grade A 6,5 < Grade ≤ 8,5  Final Grade B 5,0 ≤ Grade ≤ 6,5  Final Grade C

http://emtp-software.com/ M. N. N. Santos and A. Piantini, "Analysis of Lightning-Induced Voltages on a Matched Experimental Overhead Line," IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 64, pp. 158-165, 2021. A. Piantini (Editor), “Lightning Interaction with Power Systems - Volume 1: Fundamentals and Modelling,” 1. ed. London: Institution of Engineering and Technology (IET), vol. 1, 456 p., 2020. A. Piantini (Editor), “Lightning Interaction with Power Systems - Volume 2: Applications,” 1. ed. London: Institution of Engineering and Technology (IET), vol. 2. 496 p., 2020. A. Piantini, "Analysis of the effectiveness of shield wires in mitigating lightning-induced voltages on power distribution lines," Electric Power Systems Research (2017), vol. 159, pp. 9-16, June 2018. (http://dx.doi.org/10.1016/j.epsr.2017.08.022). A. Piantini, “Extension of the Rusck Model for calculating lightning-inducedvoltages on overhead lines considering the soil electrical parameters," IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 59, no. 1, pp. 154–162, pp. 548-558, Feb. 2017. M. Shigihara, A. Piantini, M. C. E. S. Ramos; C. P. Braz; C. Mazzetti, and A. Ancajima, "Evaluation of the performance of different methods for estimating the parameters of the disruptive effect model - Application to 15 kV insulators," IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 23, pp. 1030-1037, 2016. E. Haginomori, T. Koshiduka, J. Arai, and H. Ikeda, "Power System Transient Analysis - Theory and Practice using Simulation Programs (ATP‐EMTP)," John Wiley & Sons, Ltd., 2016. A. Piantini, "Interação entre Descargas Atmosféricas e Redes de Distribuição de Energia de Baixa Tensão – Modelagem e Análise", 2015. 174 p. Tese (Livre Docência) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2015. A. Piantini and J. M. Janiszewski, “Scale models and their application to the study of lightning transients in power systems,” in: “Lightning Electromagnetics”, Editor V. Cooray, The Institution of Engineering and Technology (IET), United Kingdom, Chapter 19, pp. 719-764, 2012. A. Piantini, “Lightning protection of low-voltage networks”, in: “Lightning Protection”, Editor V. Cooray, The Institution of Engineering and Technology (IET), United Kingdom, Chapter 12, pp. 551-631, 2010. IEEE Std 1410-2010, “IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines,” 2010. A. Piantini, J. M. Janiszewski, and C. P. Braz, "Utilization of reduced models for the analysis of lightning induced overvoltages on overhead lines," Proc. 2010 International Conference on High Voltage Engineering and Application (ICHVE), pp.160-163, New Orleans, USA, Oct. 2010. A. Piantini and J. M. Janiszewski, “Lightning-induced voltages on overhead lines - application of the Extended Rusck Model,” IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 51, no. 3, pp. 548-558, Aug. 2009. A. Piantini, "Lightning protection of overhead power distribution lines," Proceedings of the 29th International Conference on Lightning Protection (invited lecture), Uppsala, June 2008. A. Piantini, J. M. Janiszewski, A. Borghetti, C. A. Nucci, and M. Paolone, “A scale model for the study of the LEMP response of complex power distribution networks,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 22, no. 1, pp. 710-720, Jan. 2007. L. C. Zanetta Júnior, Transitórios Eletromagnéticos em Sistemas de Potência, São Paulo: Editora da Universidade de São Paulo, 2003. A. Piantini and A. G. Kanashiro, "A distribution transformer model for calculating transferred voltages," Proc. 26th International Conference on Lightning Protection (ICLP), vol. II, pp. 429- 434, Krakow, Poland, Sep. 2002. IEEE Std 1243-1997, “IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines,” 1997. LEUVEN EMTP CENTER (LEC), “Alternative Transient Program Rule Book”, 1987.

I - Porcentagem do conteúdo da disciplina oferecido de forma “não presencial”: 83% II - Detalhar as atividades que serão presenciais e das que serão desenvolvidas via remota, com discriminação do tempo de atividade contínua online: As atividades online serão constituídas por aulas expositivas, com duração total de 4,0 horas (a rigor, 3 horas e 20 minutos de aula e 40 minutos de intervalo). As aulas serão normalmente divididas em duas partes de aproximadamente 1 hora e 40 minutos cada, separadas por um intervalo de 15-20 minutos. III - Especificar se as aulas, quando online, serão síncronas ou assíncronas; As aulas online serão síncronas. IV - Descrever o tipo de material e/ou conteúdo que será disponibilizado para o aluno: Serão fornecidas cópias dos slides utilizados nas aulas, com utilização da plataforma edisciplinas da USP (MOODLE USP). V - Informar a plataforma que será utilizada: Será utilizada a plataforma Google Meet. VI - Definir sobre a presença na Universidade e, quando necessária, discriminar quem deverá estar presente (professora/professor; aluna/aluno; ambos): - Nas atividades presenciais, realizadas em laboratórios do IEE/USP, deverão estar presentes o professor e os alunos. VII - Descrever os tipos e a frequência de interação entre aluna/aluno e professora/professor (somente durante as aulas; fora do período das aulas; horários; por chat/e-mail/fóruns ou outro): As interações entre alunos e professor ocorrerão durante as aulas online. Se necessário, fora do período das aulas a interação se dará por email ou pela plataforma Google Meet. (Sempre que possível, utilizar metodologias ativas de ensino e atividades de cooperação e colaboração entre os alunos) VIII - Indicar qual será a forma de controle da frequência nas aulas: O controle de frequência nas aulas presenciais e online será realizado através da verificação pelo professor. IX - Informar sobre a obrigatoriedade ou não de disponibilidade de câmera e áudio (microfone) por parte dos alunos: É desejável a disponibilidade de câmera e áudio (microfone) por parte dos alunos. Entretanto, essa disponibilidade não é obrigatória, uma vez que existe a possibilidade de interação com o professor através do “chat” disponibilizado pela plataforma Google Meet. X - Indicar: a) qual será a forma de avaliação da aprendizagem (presencial/remota): A avaliação da aprendizagem será realizada remotamente, por meio de prova, trabalho escrito e apresentação de seminário online em temas relacionados à disciplina. O trabalho escrito e o seminário poderão ser realizados em grupo ou individualmente, a critério do professor. b) os critérios de avaliação contemplando qual a(s) metodologia(s) utilizada(s) e como ser(á)ão atribuído(s) o(s) conceito(s): A nota final será obtida por meio de média ponderada das notas da prova, trabalho escrito e apresentação de seminário, conforme a equação abaixo: Nota Final = (0,5 x Prova escrita + 0,25 x Trabalho escrito + 0,25 x Seminário) O conceito será atribuído de acordo com o seguinte critério: 8,5 < Nota Final  Conceito A 6,5 < Nota Final ≤ 8,5  Conceito B 5,0 ≤ Nota Final ≤ 6,5  Conceito C Descrever as medidas que garantam aos alunos acesso à plataforma (sala de aula com infraestrutura de multimídia, sala pró-aluno; equipamentos necessários a participação dos alunos e outros): - Os alunos deverão obrigatoriamente dispor de recursos de informática na forma de microcomputador (ou equivalente, como tablet) e acesso à Internet com velocidade de transmissão de dados suficiente para participação nas aulas online.