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Z520288– Geração Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica II
Prof. Caio Kramer
APOSTILA FUNDAMENTOS DE
LINHA DE TRANSMISSÃO ELÉTRICA:
Aspectos Construtivos de Linhas de Transmissão
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APOSTILA FUNDAMENTOS DE LINHA DE TRANSMISSÃO ELÉTRICA, Notas de estudo de Eletricidade Básica
Aspectos Construtivos de Linhas de Transmissão
Tipologia: Notas de estudo
2020
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APOSTILA FUNDAMENTOS DE
LINHA DE TRANSMISSÃO ELÉTRICA:
Aspectos Construtivos de Linhas de Transmissão
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INTRODUÇÃO
A construção de linhas de transmissão de energia elétrica é de suma importância para o desenvolvimento do Brasil, não somente porque transporta a energia necessária aos centros de carga, mas também porque oferece diversas possibilidades de emprego direto nos canteiros de obra, nas empresas transmissoras de energia e, indiretamente, nas indústrias e empresas fornecedoras de materiais, equipamentos e serviços.
Trata-se de uma atividade bastante complexa, que exige diversos estudos preliminares, além da execução de inúmeras atividades de campo, onde é necessário organização e planejamento para que a entrega do empreendimento seja realizada dentro do prazo e com a qualidade esperada.
Dentre as atividades desenvolvidas, são observados serviços jurídicos e de engenharia, obras civis e montagens eletromecânicas, além de gerenciamento e supervisão do projeto.
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transmissão existentes, pois seguramente já existem acessos construídos que podem ser aproveitados. A figura 1 exibe a diretriz preferencial adotada para a LTE 500 kV Miracema - Lajeado (CS) e LTE 230 kV Lajeado - Palmas (CD) , assim como as coordenadas geográficas dos vértices.
Figura 1: Diretriz preferencial e coordenadas geográficas (Aneel - 2015)
Nesse sentido, a escolha da melhor diretriz, além de propiciar a redução do custo final do empreendimento, favorece as concessionárias nas posteriores fases de construção e de operação do empreendimento.
Após esta etapa, são elaborados os desenhos de Planta e Perfil através do levantamento topográfico e são estimadas as coordenadas do traçado dentro deste corredor com os futuros pontos de deflexão do trecho. Porém, é importante destacar que se trata de uma estimativa, podendo ocorrer eventuais adequações na etapa de implantação, em função de possíveis adversidades não observáveis nesta fase.
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2. ENGENHARIA DE PROJETO
A Engenharia de Projeto é uma importante área responsável por implantar soluções tecnológicas nos diversos estágios do empreendimento ao estabelecer um conjunto de procedimentos e especificações que resultam em um conjunto de informações pertinentes contendo todas as principais características do projeto. Desta forma, todo o conteúdo gerado por esses estudos técnicos torna-se um manual para o projeto, a partir do qual os parâmetros elétricos, mecânicos e ambientais são definidos e utilizados como base para a execução da obra. É dividido em projeto básico e projeto executivo e envolve uma série de atividades que visam obter desempenhos operacionais satisfatórios de acordo com normas, equações e procedimentos comprovadamente confiáveis.
Os projetistas responsáveis pela elaboração destes projetos devem possuir enorme familiaridade com os cálculos de todos os parâmetros envolvidos e, atualmente, também é importante que tenham conhecimento sobre as ferramentas computacionais e softwares que auxiliam e otimizam o trabalho.
2.1 Projeto Básico
O projeto básico consiste em um documento que revela todos os elementos técnicos necessários para caracterizar a obra ou serviço, com um nível de detalhamento suficiente para possibilitar o entendimento completo da solução proposta. Nesse sentido, o escopo do projeto, as características e quantidades de todos os materiais e equipamentos utilizados, os estudos de impacto ambiental e a declaração de responsabilidades devem estar presentes neste documento.
Tendo em vista a necessidade de determinar algumas premissas fundamentais à estruturação da obra, nos projetos básicos de linhas de transmissão devem constar a série de torres utilizada, a especificação completa dos cabos condutores e para-raios, tipos de isoladores e todos os componentes empregados na construção, servindo de base para a compra dos materiais, para a elaboração dos estudos ambientais e para o desenvolvimento do Projeto Executivo.
2.2 Projeto Executivo
Consiste no serviço de engenharia responsável pelo detalhamento de todas as instruções necessárias à execução da obra. Neste documento são compilados os desenhos e especificações que serão utilizados na construção, juntamente com a descrição de montagem dos equipamentos.
Esta etapa inicia assim que os trabalhos de levantamento topográfico e os desenhos de planta e perfil são concluídos. Assim, o gabarito de plotação e a posterior alocação das estruturas no perfil podem ser preparados. Neste momento, com a família de estruturas e cabos (condutores e para-raios) já definidos, pode ser realizada a posicionamento sobre o
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Figura 3: Condições de flecha (Furnas – 2012)
Considerando a condição de flecha máxima, são definidas as torres a serem plotadas.
Deste modo, e sempre que viável tecnicamente, escolhe-se aquelas que possuem as menores alturas úteis possíveis, ou seja, as que apresentam as menores distâncias entre o ponto de suspensão do cabo condutor e o solo. A escolha por torres estaiadas geralmente é priorizada, devido aos menores pesos e consequente preço reduzido.
O efeito de arrancamento (ou cálculo da capacidade de carga à tração) também deve ser verificado. Tanto esta possibilidade quanto incompatibilidades da torre escolhida em relação aos vãos de vento e de peso são analisadas facilmente pelo software CAD, que alerta para incongruências na alocação caso a estrutura determinada não seja compatível com o terreno, com o vento ou com o carregamento atribuído ao peso do cabo. O software otimiza a distribuição das estruturas, procurando a melhor uniformidade de vãos possível, de acordo com as condições do projeto.
Algumas definições que facilitam a compreensão acerca dos vãos de vento e vão de peso são explicitadas na figura 4 abaixo e nas equações e definições subsequentes:
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Figura 4: Vão de vento e Vão de peso
Formulações básica:
𝑉𝑉 = ( 𝑆𝑁− 1 + 𝑆𝑁)/ 2
𝑉𝑃≅𝐿𝑁− 1 + 𝐿𝑁
Como VN-1 e VN são os comprimentos dos vãos entre as torres N-1 e N e entre as torres N e N+1, respectivamente, a média aritmética dos vãos adjacentes é denominada de vão de vento (VV). A soma do comprimento do cabo, desde a estrutura até o ponto mais baixo dos vãos adjacentes à estrutura, é intitulada de vão de peso (VP).
Outro item importante no projeto executivo, que demanda bastante atenção devido à elevação do custo e às potenciais implicações técnicas, é o projeto de travessias. Nele constam informações como: ângulo de cruzamento, altura dos cabos ao solo e outras particularidades, de acordo com as normas específicas. Caso sejam verificadas travessias sobre LTE’s ou outros obstáculos como rodovias, ferrovias, edificações, etc., as licenças devem ser previamente solicitadas ao órgão responsável.
Além dos itens citados, são enviados à obra os projetos executivos dos diferentes tipos de fundação normais e especiais, desenhos de construção e montagem com especificidades de diversas ferragens, acessórios, itens de aterramento e de montagem, além das especificações, instruções e a lista de construção do projeto. Dentre estes, a lista de construção talvez seja o documento de maior relevância para o engenheiro responsável pela obra da LTE, pois reúne dados como os números das torres, tipos, alturas, comprimento das pernas e extensões, comprimento dos vãos, tipos de fundação, arranjo das cadeias, etc., sendo todas essas informações necessárias para que os indispensáveis cuidados sejam tomados e as tolerâncias da construção sejam respeitadas.
Finalizando as entregas importantes nesta etapa, elabora-se a Tabela de Flechas e a Tabela Off-set. Na primeira os cálculos são realizados após a distribuição das estruturas sobre a planta e perfil e é considerado o vão equivalente (ou vão regulador) do trecho, ou seja, o vão fictício situado em um trecho entre duas ancoragens consecutivas. Têm-se então uma tabela de flechas e tensões para cada tipo de cabo e para cada condição específica de projeto. A segunda tabela é útil quando o traçado da LTE atravessa regiões onde há ocorrência de aclives e declives acentuados no terreno, fazendo com que os cabos acumulem-se nos
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Figura 5b: Projeto Executivo – Estudo de campo Elétrico
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TÓPICO 2 – Componentes e Conjuntos
3. ESTRUTURAS
3.1. Estruturas metálicas
São componentes básicos da rede de transmissão fabricados em material metálico (aço ou alumínio), madeira ou concreto armado e que possuem duas funções de extrema importância para o sistema: sustentar fisicamente o circuito elétrico e manter um espaçamento ideal entre cabos condutores e para-raios. Junto com os cabos e fundações, as estruturas formam o que tem de mais custoso na construção de linhas aéreas de transmissão.
As estruturas metálicas de aço treliçadas são as mais utilizadas na construção de linhas de extra-alta tensão, principalmente devido a sua grande flexibilidade, já que podem variar altura e peso de acordo com a necessidade do projeto, além de oferecerem aos condutores a possibilidade de se organizarem na disposição vertical, horizontal ou triangular, tanto em circuito simples quanto em circuito duplo. A utilização do material alumínio nas treliças, apesar de mais leve e menos corrosivo que o aço, tem um custo de fabricação ainda elevado, prejudicando o seu uso em grande escala. Por sua vez, tanto a madeira quanto o concreto armado têm aplicações mais habituais em linhas de distribuição de energia, devido a limitações elétricas e físicas como peso e comprimento.
Há diversas formas de classificar as estruturas das linhas de transmissão. Quando a transferência dos esforços das torres para o solo é realizada diretamente através das fundações de pé da torre, elas são classificadas como autoportantes. Se os esforços são divididos entre as cargas de tração e de compressão, transmitidas ao terreno através das fundações dos cabos de estais e mastros, respectivamente, são intituladas estaiadas.
Também podem ser classificadas pelo tipo de sustentação que oferecem aos cabos condutores, sendo, portanto, de suspensão quando a finalidade é basicamente dar apoio aos cabos condutores, suportando esforços de tração basicamente no sentido vertical e mantendo-os afastados do solo e entre si. As ancoragens, por sua vez, caracterizam-se por resistirem a esforços maiores de tração no sentido horizontal, além de suportarem maiores deflexões e evitarem uma indesejável queda sucessiva dos suportes em efeito cascata. Por serem mais robustas, as torres de ancoragens possuem pesos maiores que as suspensões, para uma mesma altura.
As torres autoportantes são observadas tanto em estruturas de ancoragem quanto de suspensão. São normalmente instaladas em locais acidentados, de difícil acesso, em praças de montagem com largura restrita ou em locais pantanosos. Em torres terminais (ou fim de linha) há a obrigatoriedade de empregar estruturas de ancoragem, assim como em vértices com deflexões acentuadas. As estaiadas, por sua vez, são utilizadas exclusivamente em suspensões, geralmente em trechos com terreno plano e pequenos ângulos. Seu uso tem
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Figura 7: Transposição de Fases (Furnas – 2012)
3.2. Montagem de Estruturas Metálicas
As estruturas são transportadas até o canteiro de obras, normalmente por meio de caminhões, em lotes de peças que são separados de acordo com seu tipo. Depois de armazenadas em locais limpos e seguros é elaborado o Plano de Montagem, que descreve todas as atividades aplicadas no procedimento, incluindo o método de trabalho, controle de qualidade, a produção esperada e a composição das equipes, além de todas as técnicas de içamento e estaiamento provisórios. Este planejamento também deve ser bastante cuidadoso quanto ao aspecto ambiental, de modo que todas as normas e recomendações têmde ser respeitadas a fim de evitar impactos degradantes.
A montagem pode ser realizada por meio de três métodos tradicionais: montagem manual, montagem com guindaste e montagem mista. Em circunstâncias especiais pode ser observada a montagem através de helicópteros em áreas de difícil acesso ou que apresentem rígidas restrições ambientais. Este último método é bem mais custoso e com aplicações bem esporádicas no Brasil.
A montagem manual é dividida em três etapas: pré-montagem, montagem propriamente dita e revisão da torre, compostas por equipes de encarregados, montadores e ajudantes.
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A pré-montagem nada mais é do que o espalhamento e posicionamento das peças da torre sobre o solo e tem o objetivo de facilitar o içamento das torres no momento da montagem propriamente dita, conforme mostra a figura 8.
Figura 8: Pré-montagem de estrutura metálica treliçada
Feito isto, outra equipe inicia o içamento dos montantes (com o auxílio de um trator sobre rodas, no caso de conjuntos mais pesados) e este procedimento é repetido diversas vezes até que todas as peças da torre sejam fixadas aos conjuntos, de acordo com a especificação do projeto. Trata-se de uma tarefa de grande risco aos montadores, que precisam estar, a todo o momento, conectados à estrutura através de equipamentos de proteção individual e coletivos (EPIs e EPCs) necessários a sua segurança, para realizar o perfeito engate das peças a alturas elevadas, conforme mostra a figura 9.
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Figura 10a: Montagem mista de estrutura metálica treliçada
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Figura 10b: Montagem mista de estrutura metálica treliçada
As estruturas estaiadas, por sua vez, possuem um processo de montagem que difere um pouco das autoportantes, pois faz uso de estais e mastros provisórios para posteriormente realizar o içamento dos materiais definitivos. E, após o içamento da estrutura, estando ela já revisada e com os parafusos apertados com os torques indicados no projeto, se observa ainda as atividades de tensionamento dos estais e nivelamento das torres, para que haja um correto equilíbrio de forças entre os estais.
Por causa do impacto visual das grandes estruturas das torres treliçadas na paisagem, em particular nas proximidades dos grandes centros urbanos, está havendo uma reconsideração por parte dos projetistas destas estruturas em mitigar este impacto visual por meio de uma reestilização dos perfis, como apresentado nas figuras 11a e 11b.
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4. ISOLADORES
O desempenho das linhas de transmissão está diretamente relacionado com o comportamento dos seus isoladores. ·Estes equipamentos têm a função de sustentar os cabos e mantê-los eletricamente isolados das estruturas. Considerando que cada unidade de isolador tem uma diferença de tensão máxima suportável, em função do seu formato, do material constituinte e tamanho, além de suas respectivas caraterísticas de suportabilidade mecânica, assim, o número de isoladores em uma cadeia de isoladores é definida em função destas caraterísticas intrínsecas dos elementos individuais e do nível de tensão da LTE.
Em linhas aéreas, os cabos são suspensos e isolados da torre por cadeias de isoladores que estão sujeitas a forças verticais e horizontais. O número de isoladores por cadeia é determinado de acordo com a tensão da linha e o isolamento deve suportar tensões maiores que a tensão normal de operação, resistindo, inclusive, a surtos atmosféricos e surtos de manobras.
Podem ser fabricados em material cerâmico, como porcelana vitrificada ou vidro temperado, ou baseados em compostos poliméricos, como a borracha de silicone em torno de um núcleo de fibra de vidro. Ambos os materiais são dielétricos e visam garantir a confiabilidade do sistema, tanto no isolamento entre os condutores e a estrutura, quanto na sustentação e fixação dos cabos, suportando os esforços mecânicos.
Atualmente os isoladores de vidro são os mais utilizados em linhas de transmissão de extra- alta tensão (EAT) devido ao seu menor custo de manutenção e experiência de funcionamento comprovada, conforme mostrado as figuras 12a e 12b. Os isoladores de porcelana, apesar de serem bastante vistos em linhas de distribuição, possuem limitações de comprimento para uso em tensões muito elevadas.
Figura 12a: Cadeia dupla de isoladores de vidro
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Figura 12b: Elemento de isoladores de vidro
Os isoladores poliméricos são fabricados em uma só peça para qualquer classe de tensão. Apesar de serem mais leves (e, portanto, mais fáceis de manusear e transportar) , além de possuírem um menor custo imediato em relação à cadeia completa de isoladores de vidro, ainda possuem elevado custo de manutenção, pois as técnicas de inspeção desses materiais é cara e ainda pouco confiável. Apesar disso, têm excelente desempenho tanto em áreas com níveis elevados de poluição quanto em regiões marítimas e são bastante utilizados em áreas suscetíveis a vandalismo. A figura 13 ilustra a composição de um isolador polimérico e suas ferragens associadas.
Figura 13: Isolador polimérico (Siklowatt – 2014)