Projetos e verificação de torres de linhas de transmissão

Linhas de transmissão

A geração de energia elétrica no Brasil, feita majoritariamente em centrais hidrelétricas, é realizada distante dos centros de consumo (cidades e indústrias), implicando na necessidade da existência de extensas linhas de transmissão para a interligação geração-consumo. As tensões da transmissão normalmente estão entre 69kV e 500kV, dependendo da distância a ser percorrida pela linha. Quando maior a distância, maior a tensão, para minimizar a perda de energia durante a transmissão.

*Figura 1 – Matriz elétrica brasileira – Fonte: Empresa de Pesquisa Energética.*

As linhas de transmissão são compostas pelos elementos apresentados na Figura 2 e detalhados abaixo:

Cabos para-raios: com a função de interceptar as descargas atmosféricas e evitar que elas atinjam os condutores, reduzindo assim as possibilidades de ocorrerem interrupções no fornecimento de energia elétrica;
Cabos condutores: responsáveis pela transmissão de energia elétrica. Sua escolha e dimensionamento corretos são decisivos na limitação das perdas de energia. Problemas de natureza mecânica podem também ocorrer, em casos de solicitações excessivas;
Isoladores: os cabos condutores devem ser isolados eletricamente das estruturas suporte (torres) e do solo, o que é feito pelo ar que os envolve e por elementos feitos de material dielétrico, denominados isoladores. Essa estrutura isolante é dimensionada em função das solicitações elétricas a que são submetidas. A parte superior das torres depende diretamente da dimensão dos isoladores.
Estruturas suporte (torres): têm a função de fixação dos cabos condutores, garantindo as distâncias de segurança entre os condutores energizados, entre os condutores e a própria torre e entre os condutores e o solo. Têm também a função de transmitir as forças resultantes de todas as solicitações em todos os elementos da linha de transmissão ao terreno, através de suas fundações.

*Figura 2 – Principais elementos das linhas de transmissão – Fonte: Labegalini et. Al. (1992).*

Torres de linhas de transmissão

As estruturas suportes aos cabos condutores são, normalmente, torres treliçadas em aço fabricadas com cantoneiras laminadas e ligadas através de parafusos. Podem ser também fabricadas com perfis tubulares e ligações flangeadas, embora essa última solução seja menos comum.

Na Figura 4, são mostradas algumas geometrias comuns de torres de linhas de transmissão. Elas podem ser classificadas quanto à sua concepção estrutural, como autoportantes (torres na Figura 4 a, b, c, d, e, f, g, i) ou estaiadas (Figura 4 h). Podem ser classificadas também quanto ao número de circuitos, torres de circuito simples (Figura 4 a, b, d, e, g, h, i) ou torres de circuito duplo (Figura 4 c, f).

*Figura 4 – Tipos de torres de linha de transmissão – Fonte: Gontijo (1994).*

Objetivo

O projeto de torres de linha de transmissão tem como intuito a obtenção de estruturas capazes de resistir aos esforços provenientes da linha de transmissão, obedecendo aos critérios de economia e durabilidade.

Metodologia

Para a verificação de uma torre de linha de transmissão, é elaborado, primeiramente, um modelo numérico em software de elementos finitos. Aos elementos modelados são atribuídas as propriedades mecânicas dos materiais e propriedades geométricas das seções das barras. São definidas então as condições de contorno, com aplicação dos carregamentos e das vinculações internas e externas. Finalmente são realizadas verificações dos componentes da torre conforme as prescrições normativas.

*Figura 5 – Modelo numérico de uma torre de linha de transmissão.*

Carregamentos

Os tipos de carregamentos considerados nas torres de linhas de transmissão são:

Cargas de vento: atuantes sobre as torres, as cadeias de isolares e os cabos. São calculados conforme a norma brasileira NBR 5422:1985 e pela norma internacional IEC 60826:2017. Normalmente são considerados ventos nas direções 0°, 15°, 30°, 45° e 90°.
Peso próprio da estrutura: peso de todos os elementos que compõe a estrutura da torre, sendo eles as barras, chapas e parafusos;
Cargas permanentes: aquelas que praticamente não variam durante a vida da linha, como por exemplo: peso dos cabos e dos isoladores;
Cargas em torres em ângulo: cargas devidas à componente transversal da força de tração dos cabos;
Cargas acidentais: cargas que podem ocorrer em algum momento da vida útil da estrutura:
Ruptura de cabos para-raios e cabos condutores: as componentes longitudinais das tensões dos cabos de um dos vãos da torre normalmente se anulam pelas componentes longitudinais do vão oposto, porém, quando há a ruptura de um dos cabos, a tensão longitudinal fica desequilibrada, podendo levar a estrutura à falha. Por esse motivo, essas cargas devem ser levadas em consideração nas hipóteses de carga.
Contenção de efeito de cascata: o colapso estrutural de uma das torres da linha pode levar a um desbalanceamento severo de cargas nas estruturas adjacentes a ela e consequentemente levar à falha sucessiva de torres em um efeito do tipo dominó.
Cargas de construção e montagem: cargas que levam em consideração as situações de construção, como o peso de homens trabalhando sobre a torre, esforços provenientes dos serviços de execução e lançamento dos cabos condutores e esforços de içamento.

Análise estática

Os esforços nos elementos da torre são obtidos através de uma análise estática, com as combinações dos carregamentos citados anteriormente. Em geral, para as torres autoportantes, é suficiente que seja realizada apenas uma análise estática linear, devido à baixa deslocabilidade e reduzidos de efeitos de segunda ordem. No caso das torres estaiadas, é necessário que seja realizada uma análise estática não-linear, devido à natureza não-linear do sistema de estais e da grande deslocabilidade do sistema.

Por se tratar de um modelo de treliça espacial, as barras da torre só estão (idealmente) sujeitas a esforços de tração e compressão. As barras e ligações são verificadas conforme a norma brasileira NBR 8850:1985 e a norma americana ASCE 10-15.

As torres de linhas de transmissão normalmente dispensam a realização de análise modal, pois os valores da frequência natural dos primeiros modos de vibração são altos, devido à uma elevada relação entre a rigidez e massa do sistema. Geralmente em torres muito altas, como é o caso de torres de travessia (Figura 6), que podem superar os 300m de altura, são encontradas frequências naturais mais baixas. Nesses casos, esse estudo é necessário para verificar se as frequências naturais de vibração se encontram em faixas próximas a 1 hz, necessitando, nesses casos, da realização de uma análise dinâmica mais aprofundada.

Figura 6 – Torre de travessia – Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Torres_238_e_241_da_Linha_de_Transmiss%C3%A3o_Tucuru%C3%AD-Macap%C3%A1-Manaus#/media/Ficheiro:Torres_238_e_241_em_Almeirin_Par%C3%A1.jpg

Inspeção de torres existentes

Em torres existentes é necessária a realização de inspeções periódicas para a avaliação do estado de conservação da estrutura e identificação de possíveis reparos que sejam necessários. Os problemas mais comuns encontrados são: corrosão, parafusos frouxos ou inexistentes, e elementos com deformação permanente.

*Figura 7 – Parafuso frouxo e barra sem parafusos. Problemas identificados em vistoria realizada pelo ISQ.*

A inspeção em torres treliçadas normalmente é feita por meio de trabalho em altura, utilizando-se a infraestrutura da torre (escadas, plataformas e patamares) ou por alpinismo, em regiões da estrutura em que não é possível o acesso de outra forma. Alternativamente, a inspeção visual pode ser realizada por meio de drones, tendo várias vantagens, como uma maior rapidez de execução dos serviços e minimização do risco aos trabalhadores envolvidos na inspeção.

*Figura 8 – Inspeção de torres de linhas de transmissão com drones.*

Como produto da vistoria, são gerados relatórios de inspeção detalhados e são indicadas em mapeamentos da estrutura (Figura 9) as localizações dos pontos de melhoria/manutenção corretiva a serem realizadas.

Figura 9 – Mapeamento da estrutura com os pontos de manutenção corretiva a ser realizada.

Conclusão

O projeto e verificação de torres de linhas de transmissão são desafios de engenharia estrutural que demandam várias habilidades técnicas e conhecimentos específicos necessários para a sua realização. O ISQ possui uma equipe capacitada para inspeção, projeto, verificação e reforços desse tipo de estrutura. Consulte-nos para mais informações!