Neste post será abordado um componente fundamental para assegurar o isolamento dos cabos condutores de linhas aéreas de transmissão e distribuição de energia elétrica: as estruturas suporte.
As dimensões e formas das estruturas dependem de vários fatores [1]:
- disposição dos condutores;
- distância entre os condutores;
- dimensões e formas de isolamento;
- flecha dos condutores;
- alturas de segurança;
- função mecânica a ser desempenhada;
- formas de resistir às forças atuantes;
- materiais que compõem a estrutura; e
- número de circuitos a suportar.
Quanto à disposição dos condutores, tradicionalmente são triangular, horizontal ou vertical. Algumas formas não tradicionais têm sido praticadas no sentido de aumentar a potência natural das linhas, seguindo a tendência de linhas de potência natural elevada (LPNE).
Quanto às funções das estruturas, elas podem ser projetadas para suportar cargas verticais, horizontais transversais, e/ou cargas horizontais longitudinais. Por tipo de carga a suportar, as estruturas podem ser classificadas em estruturas de suspensão (suportam cargas verticais), de ancoragem (suportam cargas longitudinais e são também chamadas de amarração), para ângulos (podem ser de suspensão ou ancoragem, a depender da intensidade do ângulo), de derivação e de transposição. Quanto à forma de resistir, as estruturas podem ser classificadas em auto-portantes (rígidas, flexíveis, mistas ou semi-rígidas) ou estaiadas. As estruturas auto-portantes, como o próprio nome diz, se sustentam sozinhas, utilizando quatro pontos de apoio ao solo, mas um uso intensivo de aço para prover essa característica. Já as estaiadas requerem a aplicação de quatro estais para suprir a estabilidade necessária, como veremos adiante. Nas Figuras 1 a 5 são ilustradas algumas estruturas utilizadas em linha de transmissão.
Na Figura 3, fica evidenciada a tendência do projeto de torres para linhas de transmissão, onde se procura economizar na quantidade de material utilizado para a sua constituição (aço, no caso). A estrutura estaiada veio para substituir as autoportantes, de tal forma a se inserir quatro estais (tirantes em aço) para dotar a estabilidade necessária à estrutura, enxugando o uso do aço exaustivamente utilizado nas estruturas auto portantes. A estrutura monomastro representa uma evolução às estruturas estaiadas, de tal forma a enxugar ainda mais o uso do aço. Observa-se que, em vez de dois mastros para a sua sustentação é utilizado apenas um, incorporando uma economia adicional significativa em relação à tecnologia anterior. Na Figura 4, são ilustrados dois projetos de estruturas mono mastro alternativos, sendo o primeiro para circuito simples e o segundo para circuito duplo triangular.
Em todas as figuras até aqui apresentadas, as estruturas são de suspensão: suportam cargas verticais e são consideradas estruturas leves, extremamente desejáveis pelos projetistas, no afã de tornar o projeto final da linha de transmissão mais econômico. Nas Figuras 5 e 6 são apresentadas estruturas de ancoragem, as quais incorporam a característica de suportarem cargas longitudinais, ou seja, esforços alinhados com o cabo condutor. São estruturas importantíssimas em uma linha de transmissão, pois permitem: início e final da linha, ângulos acentuados para ajustar o alinhamento da linha/contornamento de obstáculos, montagem de praças de lançamento dos cabos condutores e segurança adicional em travessias especiais. São estruturas bem mais robustas do que as de suspensão e funcionam como um bloqueio relacionado a esforços dinâmicos decorrentes de rupturas de cabos condutores, não permitindo que danos em cascata venham a se propagar. Uma observação geométrica rápida permite identificar quando se trata de uma estrutura de amarração: as cadeias de isoladores ficam na horizontal, em série mecânica e elétrica com os cabos condutores e requerem a instalação de pulos para darem continuidade elétrica à linha. Um detalhe adicional é que essas cadeias são maiores do que as de suspensão. Isso procura assegurar que eventuais arcos de potência venham a ocorrer nas cadeias de suspensão, poupando as de amarração, diante do seu valoroso papel mecânico.
Por outro lado, as estruturas de ângulo, de derivação e de transposição realizam papéis importantes no sistema de potência. As estruturas de ângulo permitem que o trajeto da linha possa sofrer uma mudança de direção para contornar eventual obstáculo (reservas ambientais, acidentes geográficos, centros urbanos, etc.), conforme ilustrado na Figura 7. Nessas condições, a estrutura se torna obrigatória no vértice do ângulo e deve suportar esforços adicionais na bissetriz do ângulo (beta), podendo requerer a instalação de estais no sentido oposto a essa bissetriz ou a opção por uma estrutura de ancoragem, a depender da magnitude do ângulo de desvio (alfa).
As estruturas de derivação têm a função de alimentar uma terceira subestação que venha a se instalar próxima do traçado de uma linha já existente, conforme registra a ilustração contida na Figura 8. Essa alimentação passaria a ser feita de forma mais confiável a partir da evolução para uma nova configuração. Nessa nova situação, a linha A-B seria seccionada, passando a surgir duas novas linhas, A-C e C-B, com todas as vantagens inerentes à operacionalidade, confiabilidade e esquemas de proteção associados. A estrutura de derivação, para todos os efeitos, é uma estrutura de ancoragem, apenas com uma função diferenciada.
As estruturas de transposição têm a função de permitir a transposição das fases de tal forma a beneficiar o sistema de potência na minimização dos desequilíbrios inerentes a linhas longas (maior que 100 km). A grosso modo, também são estruturas de ancoragem, com o diferencial da introdução das “cadeias de transposição”, a quais provêm a nova sequência de fases pretendida, conforme ilustração feita na Figura 9, na qual as linhas tracejadas indicam “pulos” que fazem as ligações em plano inferior ao apresentado. Esse é um esquema utilizado para linhas de até 230 kV. As cadeias de transposição, logicamente, são mais longas que as de ancoragem, uma vez que ficam submetidas à tensão fase-fase. Para linhas de tensão mais elevadas, a transposição é feita em dois vãos, utilizando duas estruturas simétricas, ilustradas na Figura 10, as quais permitem a inversão da sequência de fases ao longo dos vãos. Esse novo esquema é preferido, diante da manifestação acentuada do efeito corona, caso fosse utilizado o esquema ilustrado na Figura 9.
Quanto aos materiais para composição das estruturas, são utilizados: madeira, concreto armado ou aço galvanizado. As estruturas de madeira, apesar de incorporarem características técnicas atrativas associadas ao seu baixo peso, vêm sendo preteridas, diante de questões ecológicas e custos com o tratamento para torná-las e mantê-las resistentes ao ataque de insetos. Por outro lado, as estruturas de concreto, apesar de apresentarem atrativos relevantes, quando se enfoca aspectos de manutenção (praticamente imunes a oxidação e roubo de peças), apresentam desvantagens relacionadas ao seu peso e às dificuldades de montagens, principalmente quanto maior a sua altura. Nas Figuras 11 a 13 são apresentadas algumas estruturas de concreto e de madeira, em complementação às de aço, já apresentadas anteriormente.
Um detalhe adicional também deve ser considerado na alternativa da estrutura a ser escolhida: o balanço das cadeias de isoladores. Esse balanço está associado aos esforços do vento atuante transversalmente à linha de transmissão. Sob a ação desses esforços, a cadeia pode ser inclinada na direção da estrutura ou se afastando dela. No primeiro caso, pode causar a aproximação do condutor à estrutura e consequente risco de abertura de um arco elétrico, caracterizando um curto-circuito fase-terra e a retirada intempestiva da linha de operação, através dos sistemas de proteção. No segundo caso, a faixa de servidão deve incorporar esse deslocamento do condutor, implicando em aumentar a sua largura. Para evitar esses balanços, pode-se restringir os graus de liberdade da cadeia de isoladores, na estrutura, através da utilização de cadeias em “V”, conforme ilustrações registradas na Figura 14. É importante lembrar que a adoção dessa alternativa, torna a estrutura mais compacta e a faixa mais estreita, mas incorpora o dobro de cadeias de isoladores, como também aumenta o risco de falhas desses componentes. Torna-se, portanto, uma escolha técnico-econômica, na qual o preço da faixa a ser indenizada representa um fator decisório significativo.
Algumas outras estruturas são típicas de linhas de distribuição de energia. Nas Figuras 14 a 18 são ilustradas algumas aplicações. Destaques são feitos às estruturas utilizadas para linhas compactas, muitas delas, inclusive, utilizam estruturas originalmente montadas para linhas convencionais, para dar suporte a diversos circuitos compactos em um processo de “up rate” muito robusto, diante do aumento considerável da capacidade de transmissão da linha de distribuição original.
PROJETOS DE ESTRUTURAS
Alguns aplicativos se propõem a dar suporte no desenvolvimento do projeto específico de torres treliçadas ou que utilizam postes. Podem ser modeladas as torres auto-portantes e as estaiadas. Os programas concebem o design de estruturas sob cargas especificadas pelo usuário [9].
Outros se propõem a dar suporte ao projeto de estruturas compostas de madeira, madeira laminada, aço, concreto e postes de polímero reforçado com fibra (FRP) ou mastros de alumínio modulares. Os programas também concebem o projeto de estruturas sob cargas especificadas pelo usuário e pode calcular os esforços máximos permitidos para os vãos de vento e de peso [10].
ESTRUTURAS CONCEITO E TEMÁTICAS
A título ilustrativo, são apresentadas nas Figuras 19 e 20 alguns projetos de estruturas “temáticas” e “conceito”. Algumas dessas estruturas estão apenas no imaginário, outras já operam e outras são adequações arquitetônicas feitas em áreas urbanas sobre linhas em operação.
Figura 17 – Estruturas “Temáticas” [11].
Figura 18 – Estruturas “Conceito” [11].
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Observa-se, portanto, a grande diversidade de estruturas voltadas para dar sustentação a linhas aéreas de transmissão e distribuição de energia elétrica. Foram observados detalhes, desde a geometria, passando pelos materiais que as constituem, até a aplicação de estruturas temáticas e conceito. Essas últimas representam contribuições arquitetônicas valiosas para reduzir o impacto visual causados por esses componentes, tanto em regiões urbanas quanto em regiões rurais.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Fuchs, Rubens Dario, Transmissão de Energia Elétrica, Livros Técnicos e Científicos S. A. Editora EDUFU, UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA. 2015.
[2] Fotos do próprio autor tiradas do sistema de transmissão canadense, entre as cidades de Toronto e Waterloo.
[3] Fuchs, Rubens Dario e Almeida, Márcio Tadeu -Proje-tos Mecânicos das Linhas Aéreas de Transmissão-, Editora da Escola Federal de Engenharia de Itajubá. 2005.
[4] Relatório de Projeto de P&D UFPE/CELPE “Análise dos Métodos de Correção dos Limites de Carregamento das Linhas de Transmissão da CELPE”. 2007.
[5] Ilustrações feitas ou adaptadas pelo próprio autor.
[6] Google Earth – Estrutura de saída da linha Bongi-Ilha do Retiro (CELPE).
[8] Fotos do próprio autor tiradas do sistema de distribuição da CELPE, na Av. Miguel Arraes de Alencar.
[9] https://www.powerlinesystems.com/tower.
[10] https://www.powerlinesystems.com/plspole.
[11] Figuras diversas captadas na internet.
Transmissão e Distribuição em Foco 
Excelente post, professor!!!👏👏👏
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Obrigado, Andria!!!
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Que belo post! Claro e objetivo! Esclarecedor! Parabéns professor!
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Obrigado, Paulo! Fica o compromisso de fazer sempre o melhor possível!
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Excelente explicação, Maurício. Texto enriquecedor e elaborado com muita clareza sobre um assunto ainda pouco explorado, como é o caso das linhas de transmissão.
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