Introdução
Torres de transmissão transportam grandes volumes de corrente de alta tensão por longas distâncias. Essas estruturas geralmente variam de 16m a 45m de altura, com algumas torres mais altas alcançando 380m. As torres de transmissão conectam usinas de energia a várias subestações, permitindo que diferentes regiões da rede elétrica se interliguem.
Torres de Transmissão
As linhas de energia de alta tensão requerem espaçamento adequado entre cada linha e outros objetos, permitindo a passagem segura de pessoas, veículos e equipamentos por baixo. Os condutores energizados são suportados por isoladores, cujo comprimento aumenta com a tensão do circuito. Por isso, as torres de transmissão geralmente têm entre 16m e 45m de altura, ou são mais altas quando atravessam cursos d'água ou outros desfiladeiros naturais.
A maioria das estruturas das torres é feita de aço, mas algumas são construídas com concreto, madeira ou ferro dúctil. Postes de distribuição de madeira, comuns em áreas residenciais (a menos que usem linhas subterrâneas), geralmente têm cerca de 12m de altura. As tensões de transmissão variam tipicamente entre 23.000 volts e 765.000 volts.
Do ponto de vista mecânico, os condutores de uma torre se comportam como cabos cujo afundamento entre pontos de suporte depende da temperatura e da pré-tensão do condutor. As forças de tração no condutor influenciam significativamente o design de uma torre.
Afundamento e Distância de Segurança da Torre de Transmissão
Condutores da Torre de Transmissão
Os condutores das torres de transmissão são geralmente feitos de cabos de alumínio reforçados com aço (ACSR-Aluminium Conductor Steel-Reinforced) e quase sempre são organizados em conjuntos de três para transmissão de corrente alternada trifásica (3~); um quarto cabo neutro pode ser usado para transmissões de curta distância, mas isso é raro.
Os condutores são agrupados por fase. Pode haver uma linha de condutor por grupo (três no total), duas linhas de condutor por grupo (seis no total), ou mais. Os grupos são instalados em múltiplos de três, ou seja, 3, 6, 9, e podem ser dispostos em uma forma triangular ou paralela entre si.
Configurações de Pacotes de Condutores da Torre
A configuração em três vias aumenta a eficiência da transmissão. No entanto, ao observar o topo de uma torre de transmissão, pode-se ver um ou dois fios menores e isolados. Esses fios são conhecidos como fio de aterramento aéreo, fio estático ou fio piloto, mas todos se referem ao mesmo fio. Um fio de aterramento aéreo (fio estático / fio piloto) absorve ou desvia raios, conduzindo eletricidade com segurança para o solo. Em condições normais, o fio aéreo não conduz eletricidade (seu potencial de tensão é 0).
Alguns fios de aterramento aéreo são combinados com cabos de fibra óptica que transmitem dados de telecomunicações. Essencialmente feitos de vidro, os cabos de fibra óptica não conduzem eletricidade e não são afetados por raios.
Alternativamente, você pode notar fibras ópticas correndo alguns metros (<1m) abaixo dos condutores de transmissão. Adicionar linhas de telecomunicação aumenta o retorno sobre o investimento associado à construção de redes de transmissão. As linhas de fibra óptica podem ser operadas pela concessionária ou alugadas para empresas de cabo ou telefone.
Trabalhadores Instalando um Cabo de Fibra Óptica
Estruturas de Torres de Transmissão
As estruturas comumente usadas em linhas de transmissão são do tipo treliça ou poste. Estruturas de treliça são geralmente compostas por seções angulares de aço. Os postes podem ser de madeira, aço ou concreto. Cada tipo de estrutura pode ser autoportante ou estaiada (suportada por cabos).
Estrutura da Torre de Transmissão
Estruturas do tipo poste são geralmente usadas para tensões de 345-kV ou menos, enquanto estruturas de aço em treliça são preferidas para níveis de tensão mais altos. Estruturas de postes de madeira podem ser usadas economicamente para distâncias de transmissão relativamente curtas e tensões mais baixas.
A configuração de uma torre de linha de transmissão depende de muitos fatores, alguns estão listados abaixo:
- O número e tipo de condutores.
- O comprimento do conjunto de isoladores.
- As distâncias mínimas a serem mantidas entre condutores e a torre.
- A localização do(s) fio(s) de aterramento em relação ao condutor mais externo.
- A distância mínima entre o condutor mais baixo e o nível do solo.
Os fatores que determinam a altura de uma torre são:
- Distância mínima permitida do solo (h1).
- Máximo afundamento (h2).
- Espaçamento vertical entre os condutores superior e inferior (h3).
- Distância vertical entre o fio de aterramento e o condutor superior (h4).
A altura total da torre é dada pela soma de todos os quatro fatores (h1+h2+h3+h4).
Estrutura da Torre de Transmissão
Configuração da Torre
Dependendo dos requisitos do sistema de transmissão, várias configurações de linha devem ser consideradas, variando de circuito único horizontal a estruturas verticais de múltiplos circuitos, com cordas simples ou em V em todas as fases, bem como qualquer combinação dessas. Além disso, para tensões muito altas (500 kV e acima), os condutores são agrupados para reduzir a emissão de corona e diminuir a indutância da linha.
A configuração de uma torre de linha de transmissão depende de muitos fatores, alguns dos mais importantes estão listados abaixo:
- Tensão.
- Número de circuitos.
- Tipo de condutores.
- Tipo de isoladores.
- Possível adição futura de novos circuitos.
- Traçado da linha de transmissão.
- Seleção de locais para as torres.
- Seleção de pontos rígidos.
- Seleção da configuração dos condutores.
- Seleção da altura para cada torre.
As torres são classificadas de acordo com seu uso, independentemente do número de condutores que suportam. Uma torre deve suportar cargas mecânicas de várias direções, por exemplo, reta, em ângulo etc. Para simplificar o design da torre e garantir economia em custo e manutenção, os designs das torres são geralmente limitados a alguns tipos padrão.
Tipos de Torres de Transmissão
Existem vários tipos de torres de transmissão e muitas variações, mas elas podem ser agrupadas aproximadamente como:
- Torres de Suspensão – os condutores são suspensos entre duas torres usando isoladores de suspensão.
- Torres de Terminal – condutores de uma linha de transmissão são conectados a uma subestação ou cabo subterrâneo via isoladores de tração da torre.
- Torres de Tensão – a torre pode suportar o peso dos cabos e carga axial (tensão em uma direção horizontal).
- Torres de Transposição – a torre muda a posição dos condutores em uma linha de transmissão em relação uns aos outros, por exemplo, na posição x, fora da posição y.
Existem muitas variações de torres para serem discutidas aqui, mas algumas das mais comuns serão discutidas a seguir.
Tipos de Torres de Transmissão
Torres de Suspensão
Torres de suspensão (torres tangentes) são usadas principalmente em tangentes, mas são frequentemente projetadas para suportar ângulos na linha de até 2°, além de vento, gelo e cargas de condutores quebrados. Se a linha de transmissão atravessar um terreno relativamente plano e sem características, noventa por cento da linha pode ser composta por esse tipo de torre. Assim, o design da torre tangente oferece a maior oportunidade para o engenheiro estrutural minimizar o peso total de aço necessário para o sistema de transmissão.
Vista Superior da Torre de Transmissão Tangente
Torres de Ângulo
Torres de ângulo, às vezes chamadas de torres 'semi-âncora', devem resistir a cargas transversais induzidas em um ângulo (além das cargas usuais de vento, gelo e condutores quebrados). Torres de ângulo são mais pesadas do que torres de suspensão por necessidade.
Vista Superior da Torre de Transmissão de Ângulo
As torres de ângulo são usadas quando a linha de desvio excede um ângulo maior que 2°; elas são classificadas como:
- Torres de pequeno ângulo (2-10° de desvio de linha).
- Torres de médio ângulo (10-30° de desvio de linha).
- Torres de grande ângulo (30-60° de desvio de linha).
Torre de Tensão / Torre de Tração
Ao contrário das torres de suspensão, torres de tensão usam isoladores de tração para resistir à carga axial colocada na torre pelos condutores (tensão líquida atuando na torre).
Vista Lateral da Torre de Suspensão e Tração
Torre de Fim de Linha
Torres de fim de linha (torres de ancoragem) suportam o peso dos condutores conectados e suportam a tensão nos condutores; esse tipo de torre também usa isoladores de tração. Torres de fim de linha são tipicamente usadas no fim de uma linha de transmissão antes que a linha passe para uma subestação ou linha subterrânea. Torres de fim de linha são frequentemente instaladas periodicamente entre uma série de torres de suspensão; essa configuração reduz a probabilidade de uma série de torres falharem em cascata (pode ocorrer quando um condutor na linha de transmissão falha).
Cargas nas Torres de Transmissão
As cargas que atuam sobre uma torre de transmissão elétrica são numerosas e dinâmicas, algumas estão listadas abaixo:
- Carga morta da torre.
- Carga morta dos condutores e outros equipamentos.
- Carga de neve nos condutores e equipamentos.
- Carga de gelo na própria torre
- Cargas de montagem e manutenção.
- Carga de vento na torre.
- Carga de vento nos condutores e equipamentos.
- Cargas das forças de tração dos condutores.
- Cargas de atividade sísmica (terremotos etc.).
A principal carga que atua em uma torre de transmissão surge dos condutores, e que os condutores se comportam como correntes capazes de resistir apenas a forças de tração. Consequentemente, a carga morta dos condutores é calculada usando o chamado span de peso, que pode ser consideravelmente diferente do span de vento usado em conexão com o cálculo da carga de vento.
Cargas de Peso e Vento
O comprimento médio do span é geralmente escolhido para ser entre 300 e 450 metros. A ocorrência de gelo e neve etc. adiciona peso às partes cobertas e aumenta sua exposição aos efeitos do vento. A subestimação dessas circunstâncias frequentemente levou a danos e colapso de torres de transmissão.
O tamanho e a distribuição das cargas de gelo e neve dependem do clima e das condições locais. A força do vento é geralmente assumida como atuando em um plano horizontal. No entanto, dependendo das condições locais, uma direção inclinada pode ter que ser considerada. Além disso, diferentes direções do vento (no plano horizontal) devem ser levadas em conta para os condutores, bem como para a própria torre. A velocidade máxima do vento não ocorre simultaneamente ao longo de todo o span, então coeficientes são introduzidos nos cálculos de carga para levar isso em conta.
Forças de tração nos condutores atuam nas duas faces da torre na direção da linha. Se as forças estiverem equilibradas, nenhuma força longitudinal atuará em uma torre que suspende uma linha reta. Para torres de ângulo, forças longitudinais resultam em uma força resultante atuando no plano da bissetriz do ângulo. Para torres de terminal, as forças podem causar forças resultantes longitudinais pesadas. Como as forças de tração variam com cargas externas, até mesmo torres de suspensão em uma linha reta são afetadas por forças longitudinais.
Propósitos Adicionais das Torres
As torres de transmissão frequentemente servem a um propósito duplo ou triplo. Coletadores de dados meteorológicos e de comunicação são frequentemente instalados em torres de transmissão. Por exemplo, você pode ter notado as xícaras giratórias de um anemômetro medindo a velocidade do vento, ou outros equipamentos meteorológicos instalados em uma torre. Além disso, antenas de celular podem ser anexadas a algumas torres de transmissão em locais estratégicos.
Os primeiros projetistas de torres descobriram que algumas aves grandes gostam de construir ninhos no topo das torres. Infelizmente, as aves podem causar uma interrupção se o excremento cair em um isolador e causar um curto-circuito. Para evitar essas interrupções não intencionais e manter uma relação positiva com a vida selvagem local, os projetistas agora incluem plataformas especiais de nidificação para as aves.
Aves Nidificando em Torres de Transmissão
Modelo 3D
Este modelo 3D mostra uma torre de transmissão elétrica típica usada para distribuir tensão superior a 200 kV. A torre é projetada para ser estruturalmente forte. Sua estrutura também é projetada para reduzir o efeito de ventos fortes sobre a torre. As buchas da torre isolam a torre dos cabos elétricos (linha de transmissão), garantindo assim que o potencial elétrico da torre permaneça em zero.
Este modelo 3D mostra todos os principais componentes associados a um pilar elétrico de alta tensão típico; estes incluem:
- Topo da Torre
- Viga
- Buchas
- Garfo
- Braço Transversal
- Janela da Torre
- Fio de Aterramento Aéreo
- Pacote de Condutores
- Corpo da Torre (Cintura, Perna, Membros Diagonais)
- Base da Torre (Fundação)
Recursos Adicionais
https://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_tower
http://www.hydroquebec.com/learning/transport/types-pylones.html
https://www.electrical4u.com/electrical-transmission-tower-types-and-design/