FUNDAÇÕES PARA LINHAS DE TRANSMISSÃO

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LINHAS DE TRANSMISSÃO Código: 001.002

Página: 1 _{No da Revisão: 00} Data: 13.10.2003 _{Elaboração: Roberval Luna}

Proibida a reprodução, para efeito de venda. Uso exclusivo em Treinamentos Internos. Distribuição Gratuita.

Coordenador: Roberval Lu Coordenador: Roberval Lu Coordenador: Roberval Lu Coordenador: Roberval Luna da Silvana da Silvana da Silvana da Silva

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01 - Linhas de Transmissão. 01.002 - Projeto

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01.002.001.000 - MÓDULO I – INTRODUÇÃO.

01.002.001.001 – SISTEMA DE TRANSMISSÃO.

Sob o ponto de vista geral, as linhas de transmissão servem para transmitir energia ou sinais de um ponto a outro. Uma linha aérea de transmissão de energia elétrica de alta tensão é um conjunto de torres, cabos aéreos, isoladores e outros componentes elétricos e mecânicos cuja função é transportar essa energia. Basicamente conectam uma fonte (uma usina geradora, por exemplo) a uma carga (uma subestação rebaixadora, por exemplo). Vamos tratar das fundações para as Linhas Aéreas de Transmissão. Existe um longo caminho a percorrer até obter as cargas que atuam nas bases das estruturas, ao nível do terreno.

01.002.001.002 - CABOS AÉREOS PARA LTS.

Para os cabos aéreos algumas definições dadas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT são importantes:

VÃO DE PESO CABO CONDUTOR CABO PÁRA-RAIOS ESTRUTURAS FUNDAÇÕES

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• Fio nu: Produto maciço de seção circular com diâmetro menor que 6,00 mm, obtido do vergalhão, por trefilação, laminação a frio ou ambos os processos combinados.

• Vergalhão: Produto maciço de seção circular produzido por laminação ou extrusão a quente.

• Condutor: Fio, ou conjunto de fios não isolados entre si, destinado a conduzir corrente elétrica.

• Cabo: Condutor formado por um grupo de fios dispostos concentricamente em relação a um fio central, formando coroas compostas de fios torcidos helicoidalmente.

• Condutores tipo CA ou ASC: São condutores compostos apenas por fios de alumínio.

• Condutores tipo CAA ou ACSR: São condutores formados por uma ou mais coroas de fios de alumínio, encordoados em torno de uma alma central composta por um arame ou uma cordoalha de aço. Os cabos de alumínio, tipo CA ou ASC e os cabos de alumínio com alma de aço, tipo CAA ou ACSR podem ser fabricados em duas classes diferentes, para uso como condutor nu.

• Classe AA: Cabo normalmente usado para linhas aéreas;

• Classe A: Cabos também usados para linhas aéreas, quando for necessária maior flexibilidade que um cabo classe AA.

Cabos pára-raios - Os cabos pára-raios ocupam a parte superior das estruturas. O

objetivo principal dos cabos pára-raios é interceptar as descargas de origem atmosférica e descarregá-las para o solo, evitando que causem danos e interrupções no sistema. Em geral são cabos de aço HS, HSS ou SM galvanizados; cabos Aluminoweld; cabos Copperweld; cabos CAA de Alta Resistência Mecânica; ou cabos OPGW com diâmetro variando de 3/8'' a 1/2''.

Os cabos pára-raios contribuem para o dimensionamento das fundações, basicamente, como elementos de carga vertical pelo efeito do peso próprio; carga horizontal transversal pelo efeito do vento; e carga horizontal longitudinal pela configuração geométrica de

HL - Transversal

HL - Longitudinal

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Página: 4 _{No da Revisão: 00} Data: 13.10.2003 _{Elaboração: Roberval Luna} equilíbrio dos cabos instalados. Eventualmente podem contribuir como elementos de torção.

Tabela – Cabos pára-raios convencional

DIÂMETRO PESO POR METRO LINEAR (Kg / m)

Cargas de ruptura - Resistência 180 / 200 Kg/mm2 (I.P.S.) em Kgf. POL MM 6x7 6x19 / 6x25 / 6x37 6x7 6X19 / 6X25 / 6X37 1/16" 1,6 0,012 0,013 - - 176 - AA / AACI AF / AFA 5/94" 2 0,014 0,015 - - 236 259 - - 3/32" 2,4 0,019 0,022 - - 340 365 - - 1/8" 3,2 0,034 0,037 0,039 0,043 600 646 - - 5/32" 4 0,055 0,060 - - 1.100 1.166 - - 3/16" 4,8 0,078 0,086 0,088 0,096 1.350 1.449 1.400 1.500 1/4" 6,4 0,140 0,154 0,156 0,171 2.390 2.571 2.480 2.660 5/16" 8 0,220 0,205 0,244 0,267 3.720 4.153 3.860 4.150 3/8" 9,5 0,310 0,320 0,351 0,382 5.320 5.714 5.530 5.940 7/16" 11,5 0,430 - 0,476 0,528 7.190 7.735 7.500 8.060 1/2" 13 0,560 0,585 0,625 0,684 9.340 10.051 9.710 10.410 9/16" 14,5 0,710 - 0,788 0,878 11.800 12.755 12.200 13.110 5/8" 16 0,880 0,960 0,982 1,071 14.400 15.510 15.100 16.230 3/4" 19 1,250 - 1,413 1,548 20.600 22.143 21.600 23.220 7/8" 22 - - 1,919 2,113 - - 29.200 31.390 1" 26 - - 2,500 2,753 - - 37.900 40.740

Tabela – Cabos pára – raios OPGW

Diâmetro externo Und 13,8 mm 14,5 mm 15,4 mm 17,8 mm

Número de Fibras Ópticas 2 a 24 2 a 24 2 a 36 2 a 24

Peso do Cabo kg/km 560 627 673 720

Rigidez @ 0,3 % de Alongamento106 kgf 1,08 1,22 1,54 1,39

Diâmetro mínimo de Curvatura

durante a instalação mm 1.600 1.600 1.600 1.600

Diâmetro mínimo de Curvatura

Permanente mm 1.000 1.000 1.000 1.000

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Página: 5 _{No da Revisão: 00} Data: 13.10.2003 _{Elaboração: Roberval Luna} Coeficiente de Expansão Térmica10-6/ºC 14,6 14,5 14,66 17,47

Resistência Elétrica @ 20º C Ohm/km 0,5 0,47 0,43 0,23

Capacidade Térmica ( I2T ) kA2. s 60 73 87 216

Performance da Fibra Óptica ITU-TG651,G652 ou G653.

Cabos condutores – Os cabos condutores estão logo abaixo dos cabos pára-raios.

Protegidos por estes, são os elementos energizados que conduzem a energia elétrica propriamente dita. A escolha dos condutores é função de características técnicas e econômicas. Sob o ponto de vista técnico são dimensionados para transportar uma potência compatível com a sua capacidade térmica, levando em conta as diferentes relações peso e carga de ruptura, além de outras características: alta condutibilidade elétrica, elevada resistência mecânica, baixo peso específico e alta resistência à oxidação. Há vários tipos de encordoamento dos fios elementares que em geral são feitos de materiais diversos e diâmetros variados. Os materiais que atendem as características básicas são: cobre, alumínio e suas ligas. De acordo com a Padronização Brasileira podemos ter: Condutores de Cobre; Condutores de Alumínio e Alumínio Aço; Condutores em Liga de Alumínio; Condutores Copperweld e Alumoweld. Condutores Tubulares e Expandidos; Condutores Múltiplos; etc. Os tipos de cabos condutores mais empregados em linhas de transmissão são: cabos de alumínio (CAA ou AAC), alumínio-liga (CAAA ou AACC) e alumínio com alma de aço (ACSR ou ACSR - Aluminium Conductor Steel Reinforced).

ACSR – (Aluminum Conductor Steel Reinforced) – Constituído de uma ou mais camadas concêntricas de fios de alumínio ECH-19 encordoados sobre uma alma de aço de alta resistência, galvanizado, de um único fio ou de vários fios encordoados, dependendo da bitola do cabo. A função da alma de aço é dar maior resistência mecânica. O número de fios de alumínio e de fios de aço dá a formação do cabo. Diferentes formações correspondem a diferentes relações peso / carga de ruptura e, para cada peso específico haverá uma relação alumínio / aço ótima no cabo. Em geral o cabo é denominado pela sua bitola e formação. A bitola pode ser dada em MCM que corresponde somente à área de alumínio no cabo. Um CM é uma unidade de área que corresponde à área de um círculo cujo diâmetro é igual a um milésimo da polegada, ou 0,00064516 mm2.

AAC – (All Aluminum Condutor) – Composto de vários fios de alumínio ECH-19 encordoados. Para um mesmo percentual de tensão em relação à carga de ruptura, esse tipo de cabo apresenta flechas superiores às do cabo ACSR, pois apresenta relações peso / carga de ruptura superior às do cabo ACSR. Os cabos AAC podem ser uma alternativa para as linhas de transmissão urbanas, onde os vãos são menores e as deflexões no traçado são maiores, acarretando desta forma estruturas mais econômicas.

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Página: 6 _{No da Revisão: 00} Data: 13.10.2003 _{Elaboração: Roberval Luna} Os cabos condutores contribuem para o dimensionamento das fundações, basicamente, como elementos de carga vertical pelo efeito do peso próprio; carga horizontal transversal pelo efeito do vento; e carga horizontal longitudinal pela configuração geométrica de equilíbrio dos cabos instalados. Eventualmente podem contribuir como elementos de torção.

As condições de fixação (suspensão ou ancoragem) e a disposição dos condutores (Triangular, Horizontal o vertical) acarretam também ações diferentes, conforme o caso.

C C V V V θ d x H P H P H C C V V V θ d x H P H P H

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Página: 7 _{No da Revisão: 00} Data: 13.10.2003 _{Elaboração: Roberval Luna} . VÃO DE PESO CABO CONDUTOR

V - Vertical

HT - Transversal

HL - Longitudinal

T

2.T

V

2.V

SUSPENSÃO

ANCORAGEM

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Tabela – Cabos de alumínio CA ou ACS

V V

V

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01.002.001.003 – ISOLADORES PARA LTS.

Os cabos são suportados pelas estruturas através dos isoladores, que os mantém isolados eletricamente das mesmas. Estes suportes devem garantir a rigidez dielétrica e suportar o peso dos cabos, como o elo de ligação cabo – estrutura. São instalados na forma de conjunto flexíveis, com suas ferragens de fixação, denominados de cadeias de isoladores ou ainda elementos rígidos. Em geral os isoladores são discos de vidro ou porcelana vitrificada e polimérica. Junto com suas ferragens são dimensionados para suportarem as cargas mecânicas transmitidas pelos cabos condutores e as solicitações elétricas das sobretensões que ocorrem numa linha de transmissão.

Para que tenham um bom desempenho é necessário que os isoladores tenham um formato que assegure uma distribuição balanceada de potenciais visando assegurar tensões de descarga adequadas e que o material utilizado para a sua fabricação seja isolante. Há, portanto, diversos modelos de isoladores de materiais e pesos diferentes: Isoladores de suspensão de porcelana; isoladores tipo bastão; isoladores tipo pino; isoladores tipo pilar; isoladores rígidos; isoladores roldana; etc.

As cadeias de condutores contribuem com a natureza das cargas nas fundações, em função do peso próprio e do arranjo mecânico funcional da cadeia. O número de unidades de isoladores que forma uma cadeia depende da tensão. Para a tensão de 138 kV são usados de 6 a 8 isoladores enquanto para linhas de 500 kV são usados de 26 a 32 isoladores. Uma cadeia de isoladores, por exemplo, pode ser formada por uma série de campânulas de porcelana ou vidro ou um de único elemento do tipo polimérico. Podemos concluir que esta ultima apresenta maior leveza.

Função mecânica e

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Página: 12 _{No da Revisão: 00} Data: 13.10.2003 _{Elaboração: Roberval Luna} Cadeias de suspensão verticais I ou em V são usadas em estruturas onde apenas há suspensão de linhas (torres de alinhamento) ou pequeno ângulo. Cadeias de amarração horizontais são usadas em estruturas de amarração, de ângulo ou fim de linha. As cadeias podem também ser simples ou duplas.

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P1

P2

CARGAS DE

SUSPENSÃO

CARGAS DE

ANCORAGEM

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01.002.001.004 - ESTRUTURAS PARA LTS

O projeto das fundações de uma estrutura de transmissão de energia elétrica depende fundamentalmente do tipo de torre considerada, que por sua vez é função da configuração do sistema para uma determinada classe de tensão. A configuração final dependerá do tipo de material e da disposição geométrica dos cabos condutores e pára-raios, do tipo de isoladores e respectivas ferragens, do vão entre as estruturas e do número de circuitos numa mesma estrutura. As estruturas constituem os elementos de sustentação dos cabos condutores e pára-raios da linha de transmissão. Elas são dimensionadas para manterem os cabos condutores com distâncias elétricas entre partes aterradas, compatíveis com nível de tensão, além de suportarem mecanicamente os esforços transmitidos pelos cabos. Sua escolha depende ainda de outros fatores como a material de fabricação, distância entre os condutores, dimensões e formas de isolamento, flechas dos condutores, altura de segurança, materiais estruturais e número de circuitos. Para uma mesma classe de tensão podemos ter estruturas de madeira, metálicas ou de concreto, como materiais mais comuns, havendo uma grande quantidade de classificações:

A) Quanto á sua Função na Linha

a) Estrutura de Suspensão; b) Estrutura de Ancoragem; c) Estrutura para Ângulos; d) Estrutura de Derivação;

e) Estrutura de Transposição ou Rotação de Fase.

B) Quanto à Forma de Resistir das Estruturas

a) Estruturas Autoportantes - Torres Rígidas;

- Torres Flexíveis;

- Torres Mistas ou Semi Rígidas. b) Estruturas Estaiadas ou flexíveis c)Estruturas Semiflexíveis

C) Quanto aos materiais para Estruturas

a) Madeira

b) Concreto (armado, vibrado, protendido, centrifugado, etc.).

c) Estruturas Metálicas (Aço-carbono de alta resistência, alumínio, etc.)

D) Quanto à disposição dos Condutores

a) Triangular; b) Horizontal; c) Vertical

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E) Quanto à tensão ou capacidade de transporte

a) 69 kV b) 138 kV c) 230 kV d) 500 kV

F) Quanto ao numero dos circuitos

a) Circuito simples; b) Circuito duplo.

Cada estrutura não é projetada e dimensionada com os esforços correspondentes ao vão de utilização. Isto acarretaria um custo de projeto e de fabricação muito alto já que teríamos, para cada posição de locação de torre, um projeto específico. Por essa razão utilizamos o projeto por famílias de torres. Uma família é composta por torres montadas a partir de sub-estruturas idênticas ou similares (Ex: Corpos básicos, comuns para todas as torres; Extensões do corpo básico, em geral com alturas variando de 6 em 6m; Pernas, em geral com a altura de 1/5 a 9,0 m com incrementos de 1,5 m, etc.) Deste modo, com uma combinação destas sub-estruturas podemos escolher a estrutura a ser utilizada em um determinado local da linha, a partir da altura da torre e combinação das pernas necessárias para a condição topográfica do local de montagem.

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Triangular Delta cinturada

Configuração poliédrica Delta cara de gato

Torre H plano

Mono mastro estaiado

V estaiado Y estaiado I estaiado

Pórtico 2 mastros Pórtico treliçado Pórtico de concreto

Torre trapézio Delta estaiado Autoportante compacta Configuração trapezoidal Torre de transposição

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O projeto de plotação da linha pode levar a várias situações de carregamento nas estruturas e conseqüentemente, nas fundações.

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Cargas Permanentes x Cargas Acidentais - Das cargas que uma torre aplica na

fundação, parte dela é de natureza permanente, e parte é de carga acidental. Algumas cargas computadas como permanentes, a rigor, são variáveis, em função da temperatura. Esse é o caso da ação dos cabos nas torres. As memórias de cálculo das torres não fornecem essas cargas separadamente, o que leva o projetista da fundação a considerar todo o carregamento como permanente, a favor da segurança. Para as torres de ancoragem e final de linha, a maior parcela das cargas é permanente. Já para as torres de suspensão, a maior parcela das ações nas fundações é devida à carga acidental, sendo o vento a ação principal. Por causa disso as torres de suspensão têm suas fundações projetadas com maior segurança que as torres de ancoragem, e que as de fim de linha têm uma segurança adicional aplicada no projeto das fundações. Com as cargas dos cabos e da própria estrutura é feito o projeto das torres. Pelas normas e procedimentos brasileiros atuais, os projetos das torres, são baseados no Método dos Estados Limites.

01.002.001.005 – FUNDAÇÕES PARA LTS.

As fundações servem como bases para as estruturas, assentes no solo. O tipo adotado depende das características do terreno, podendo ser do tipo grelha (estrutura de aço enterrada) ou em concreto ou outro sistema qualquer. Geralmente o projetista de fundações obtém as cargas ao nível do terreno, consultando o projeto das estruturas. Sob o ponto de vista exclusivo das fundações, ênfase especial deverá ser dada às peculiaridades locais antes da execução das fundações: terrenos fracos e ou alagados, de difícil acesso, terrenos muito inclinados, afloramentos rochosos, encostas instáveis, etc.

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Página: 22 _{No da Revisão: 00} Data: 13.10.2003 _{Elaboração: Roberval Luna} Basicamente a fundações deverão absorver os esforços de compressão, arrancamento ou tração e esforços devidos às forças horizontais. Geralmente, o dimensionamento da fundação é feito para os esforços máximos que solicitam cada pé, isoladamente, ou para a combinação mais desfavorável das cargas, conjuntamente, quando a fundação é um só corpo ou existe ligação entre os vários pés. No entanto, por razões econômicas, a tendência atual é elaborar projetos mais específicos, para as cargas numa condição mais realista, e de acordo com as condições de cada local de aplicação.

Os esforços são provenientes do peso próprio da torre e dos cabos, associados aos esforços provenientes da ação do vento, hipóteses de ruptura dos cabos e componentes provenientes das deflexões ou ângulos da linha. Normalmente, 80% dos esforços máximos são provenientes da ação do vento e ruptura dos cabos.

Os esforços nas fundações são funções ainda das características da dita fundação, do tipo da torre, altura da mesma, abertura dos pés, tipos de cabos e condições de uso, representadas pelas seguintes características:

Vp – vão de peso; Vv – vão de vento;

α - ângulo de inclinação da linha.

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Página: 23 _{No da Revisão: 00} Data: 13.10.2003 _{Elaboração: Roberval Luna} ###################################################################### VÃO DE PESO – Vp CABO CONDUTOR . VÃO DE VENTO - Vv HORIZONTAL COMPRESSÃO ARRANCAMENTO