Analysis of overvoltages resulting from atmospheric discharges for frequency-dependent soils

RESUMEN Este articulo presenta un estudio comparativo de la impedancia de un electrodo vertical enterrado en un suelo homogéneo donde los parámetros eléctricos (resistividad y permisibilidad) son dependientes de la frecuencia en relación con las impedancias obtenidas con los parámetros del suelo constantes. Este estudio, considera que el electrodo vertical se modela como una línea de transmisión (LT) corta cuyos parámetros eléctricos (resistencia, inductancia, capacitancia y conductancia) se distribuyen a lo largo de su longitud. De esta manera, la impedancia del electrodo se calcula como la impedancia armónica de la LT en función de la frecuencia. Una vez que se obtienen las impedancias de aterramiento del electrodo, y utilizando la técnica del Vector Fitting, circuitos eléctricos equivalentes son obtenidos directamente en el dominio del tiempo. La ventaja de usar este tipo de representación es que el circuito equivalente puede insertarse fácilmente en software de tipo EMTP, para realizar análisis de los transitorios electromagnéticos. De esta manera, se pueden calcular la elevación del potencial en el aterramiento para una descarga atmosférica incidente en el electrodo. Adicionalmente, se inyecta una descarga atmosférica en la parte superior de la torre de transmisión cuyo sistema de puesta a tierra está compuesto por un electrodo vertical, y se calculan las tensiones transitorias en los brazos y la base de la torre. Los resultados muestran que las tensiones se modifican significativamente por la presencia del suelo con parámetros dependientes de la frecuencia, especialmente en los picos, y que un análisis preciso de los transitorios electromagnéticos en los sistemas eléctricos debe tener en cuenta este fenómeno. ABSTRACT This paper presents a comparative analysis of the electrode impedance for a vertical rod buried in a homogeneous ground where the soil electrical parameters (resistivity and permittivity) are frequency-dependent in relation to the impedances obtained with frequency-constant parameters. In this study, it is taken into account that vertical rod can be seen as a short transmission line whose electrical parameters (resistance, inductance, capacitance and conductance) are distributed along its length. Thus, the rod impedance is computed as being the harmonic impedance of the transmission line as a function of frequency. Once the rod impedances are obtained, and using the Vector Fitting technique, equivalent electrical circuits are obtained directly in time domain. The advantage of this type of representation is that equivalent circuit can be easily incorporated into EMTP-type programs for the electromagnetic transient analysis. In this model, the grounding potential rise (GPR) generated due to a lightning stroke at the rod can be calculated. Additionally, an impulsive current source, representing a lightning stroke, is injected at the top of a transmission tower whose the grounding system is composed by a vertical rod, and the transient voltages at the cross-arms and tower base are calculated. The results show that the voltages are significantly modified by the presence of the soil with frequency-dependent parameters, especially their voltage peaks, and that an accurate analysis of the transient in power systems must take this phenomenon into account.