Modelos geoelétricos 3D ou 1D?

Engenheiros eletricistas estão acostumados a elaborar projetos de sistemas de aterramento utilizando os chamados “Modelos de solo”, que são modelos geoelétricos 1D. Para os aterramentos limitados a áreas relativamente pequenas, com menos de 20.000 m² (área de uma subestação, por exemplo), os modelos de solo são usualmente construídos pelos próprios engenheiros eletricistas, geralmente com base em sondagens elétricas verticais executadas com terrômetros com arranjo de Wenner.

Os requisitos de geração e de transmissão de energia no início do século 21 trouxeram novos desafios, que são os sistemas de aterramento de grandes dimensões, que requerem modelos geoelétricos de profundidade compatível com a sua dimensão:

  • Sistemas de transmissão de energia em corrente contínua – complexos de geração e de transmissão do Rio Madeira e de Belo Monte, além de outros que estão por vir;
  • Grandes plantas de geração renovável – usinas hidroelétricas, parques eólicos e usinas fotovoltaicas, que atingem dimensões da ordem de quilômetros.

O setor elétrico reconheceu os novos desafios e tomou a iniciativa de promover uma significativa revisão da norma ABNT NBR-7117 – Medições de Resistividades do Solo e Modelagem Geoelétrica, que foi publicada em novembro de 2020. Esta revisão agregou importantes novidades a esta norma:

  • Reconhece que o modelo de solo básico tem, pelo menos, três camadas;
  • Adota a nomeclatura internacionalmente empregada para os arranjos de sondagem por eletrorresistividade (AB e MN) e reconheceu o uso do resistivímetro como equipamento mais adequado para solos de alta resistividade (acima de 1000 Ωm);
  • Reconhece que o parâmetro resistividade do solo tem distribuição estatística que se aproxima da log-normal e adota a média geométrica para o cálculo de uma curva média de resistividades aparentes; 
  • Recomenda a complementação das medições rasas (SEVs) com campanhas eletromagnéticas (TDEM, AMT e MT), quando forem necessários modelos geoelétricos profundos (caso dos grandes aterramentos), e reconhece a eventual necessidade de suporte qualificado para a sua construção.

A última revisão da norma ABNT NBR 7117/2020 recomenda que o modelo geoelétrico tenha profundidade compatível com o porte da instalação. A construção destes modelos de solo mais profundos baseia-se em três tipos de sondagens geofísicas:

  • Rasa: utiliza métodos elétricos (com arranjos de Wenner ou Schlumberger) para construir modelos geoelétricos com dezenas de metros de profundidade;
  • Near-surface: utiliza métodos eletromagnéticos (AMT e/ou TDEM) para construir modelos geoelétricos de centenas de metros de profundidade (até um ou dois quilômetros); 
  • Profunda (EM): também utiliza métodos eletromagnéticos (magnetotelúrico) para construir modelos geoelétricos de quilômetros de profundidade.

Os modelos geoelétricos, no âmbito da geologia, investigam profundidades específicas, dependendo do objeto do estudo – água, geotecnia, prospecção mineral, tectônica etc. Por este motivo, frequentemente utilizam apenas uma das técnicas acima relacionadas para os seus objetivos. Porém, projetos de aterramento elétrico exigem modelos geoelétricos que vão desde a superfície do solo até dezenas de metros, centenas de metros ou quilômetros de profundidade, dependendo das dimensões e do tipo do sistema de aterramento objeto do estudo. Neste caso pode ser necessária a combinação destas diferentes técnicas de sondagem geoelétrica em um único modelo de solo, usualmente unidimensional (1D).

Aqui cabe responder à questão que frequentemente é levantada, especialmente pelo pessoal da geofísica: Por que o Modelo 1D? Um modelo 3D não seria melhor?

Evidentemente, um modelo 3D seria melhor, porém, ele é inviável em termos de custo e prazo. Modelos 3D poderiam ser construídos e utilizados nos projetos, mas o custo e o tempo envolvidos nas campanhas de campo e no pós-processamento da imensa massa de dados levantada inviabilizariam o projeto. Ainda que fossem produzidos modelos 3D, as simulações 3D exigiriam programas de elementos finitos, que não são adequados para a modelagem de volumes de subsuperfície de dimensões quilométricas, que envolvem longos tempos de processamento e que exigem software e hardware caros e complexos.

A Figura 1 ilustra uma parte de uma propaganda de um fabricante de equipamentos de sondagens geofísicas, em que ele diz: a típica campanha de sondagens de resistividade 1D envolve cerca de 10 a 20 medições, enquanto uma campanha para imageamento 2D envolve entre 100 e 1000 medições. Em comparação, uma campanha 3D pode envolver milhares de medições.

Desta maneira, a modelagem 1D é a mais compatível com o tempo e com as verbas usualmente disponíveis para os projetos de aterramento elétrico, além de atender às limitações dos programas de simulação de sistemas de aterramento utilizados pelo setor.

A Figura 2 ilustra um modelo 3D produzido para o projeto do eletrodo de aterramento da estação conversora de Estreito, do Sistema HVDC de Belo Monte 1 (projeto elaborado pelo autor para a Siemens).

Autor:

Por Paulo Edmundo da Fonseca Freire, engenheiro eletricista e Mestre em Sistemas de Potência (PUCRJ). Doutor em Geociências (UNICAMP) e membro do CIGRE e do COBEI, também atua como diretor da Paiol Engenharia.

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