Isoladores e Condutores na Transmissão de Energia

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DESCRIÇÃO
Principais conceitos, técnicas e orientações do uso dos condutores e isolantes para a
transmissão da energia elétrica. Normas da ABNT e demais orientações dos órgãos e das
instituições do setor elétrico brasileiro.
PROPÓSITO
Apresentar as premissas e considerações necessárias para o dimensionamento de isoladores,
condutores e elementos aterrados, seguindo as normas da ABNT
PREPARAÇÃO
Antes de iniciar o conteúdo deste tema, tenha em mãos papel, caneta e uma calculadora ou
use a calculadora de seu smartphone/ computador.
OBJETIVOS
MÓDULO 1
Identificar as principais considerações necessárias para o dimensionamento de isoladores e
cadeia de isoladores
MÓDULO 2
Identificar estratégias necessárias ao dimensionamento de condutores e elementos aterrados
MÓDULO 3
Reconhecer as principais normas técnicas e orientações aplicadas ao uso de isoladores e
condutores na transmissão da energia elétrica
MÓDULO 4
Descrever a frequência industrial, os surtos de manobra e os atmosféricos na transmissão da
energia elétrica
OS ELEMENTOS PRINCIPAIS DE UM
SISTEMA DE TRANSMISSÃO DE ENERGIA
ELÉTRICA
MÓDULO 1
Identificar as principais considerações necessárias para o dimensionamento de
isoladores e cadeia de isoladores;
Dimensionamento de isoladores e cadeia de isoladores
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
As ferragens, estruturas desenvolvidas em elementos metálicos, juntamente com os
isoladores, desenvolvidos para a isolação de pontos estratégicos do sistema, têm como
principal finalidade a fixação de cabos para-raios na torre, sendo estes colocados com ou sem
isolação. Os tipos mais comuns nestes casos são de estruturas de suspensão ou de
ancoragem, como veremos com mais detalhes adiante.
Outra consideração inicial importante é que os principais aspectos do projeto de linhas aéreas
de transmissão de energia elétrica são contemplados pela norma técnica NBR 5422
(Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1985), e, com relação mais especificamente aos
isoladores e às ferragens, tem-se o seguinte quadro de referência:
Norma
NBR
Resumo
5032
Orientações para isoladores de porcelana ou vidro, para sistemas de corrente
alternada e linhas aéreas de transmissão acima de 1000V.
7095
Orientações sobre o uso das ferragens eletrotécnicas, destinadas a linhas de
transmissão e subestações de alta tensão ou ainda de extra-alta tensão.
7107 Especificações de cupilha para concha de engate concha e bola.
7108
Acerca das ferragens integrantes padronizadas de isoladores, para cadeia de
vidro e de porcelana, abrangendo também o acoplamento dos tipos concha e
bola.
7109
Sobre os isoladores de disco de porcelana ou vidro, trazendo mais detalhes
sobre dimensões e características destes.
Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
Quadro 1: normas técnicas utilizadas para isoladores e ferragens em sistemas de
transmissão. Fonte: Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1998; 2010; 2011a; 2011b;
2009a; 2014.
A este ponto, o principal objetivo será entender como são utilizados os isoladores e as suas
estruturas de cadeias para correto dimensionamento, atribuição de elementos e tipos de
materiais, para o funcionamento do sistema como um todo.
ISOLADORES
Os cabos condutores, utilizados nas linhas de transmissão, deverão ser ligados nos sistemas
de transmissão de maneira isolada eletricamente, tanto dos suportes quanto do próprio solo.
Assim, observa-se que eles deverão isolar eletricamente os condutores energizados, atender
necessidades de caráter elétrico, englobadas como solicitações elétricas e demandas
mecânicas, aqui definidas como solicitações mecânicas.
NO CASO DAS LINHAS DE TRANSMISSÃO
AÉREAS, O ISOLAMENTO É REALIZADO
BASICAMENTE PELO AR QUE AS ENVOLVE,
COM O AUXÍLIO AINDA DE DISPOSITIVOS
FEITOS A PARTIR DE MATERIAIS DIELÉTRICOS,
OS ISOLADORES.
LABEGALINI, 2019
O bom funcionamento da linha de transmissão estará diretamente ligado à forma como o
isolamento é feito. Em projetos mais recentes de linhas e sistemas de transmissão,
normalmente leva-se em consideração para o dimensionamento do isolamento fatores como:
A classe de tensão;
A ocorrência de surtos de tensão por conta da realização de manobras;
A presença de resistência de aterramento;
Possíveis contaminações industriais;
Contaminações devido à salinidade;
Nível isoceráunico;
Parâmetros como a densidade relativa do ar e a pressão atmosférica.
Abordaremos essas considerações e mais detalhes acerca do dimensionamento ao longo
deste tema. O nível isoceráunico corresponde à quantidade de tormentas elétricas que
ocorrem em uma dada região analisada dentro do período de um ano.
ISOCERÁUNICO
Local em que as trovoadas possuem mesma frequência, na mesma ocasião.
ATENÇÃO
Com relação às solicitações elétricas de estruturas isolantes, é importante observar que as
próprias estruturas serão dimensionadas em função dessas solicitações, que terão origem
interna ou externa aos sistemas elétricos formados pelas linhas, sendo sempre fatores
relacionados às condições as quais um isolador deverá resistir acerca da ocorrência de
aumentos na tensão (sobretensão).
Entre essas situações, é possível destacar os seguintes tipos de sobretensões (CAMARGO,
2006; LABEGALINI, 2019):
Impulso;
Manobra;
Frequência industrial.
SOBRETENSÃO DE IMPULSO
A sobretensão de impulso está relacionada a ocorrências abruptas devido a descargas
atmosféricas, geralmente apresentando valores mais elevados em comparação às demais,
porém com menor duração.
SOBRETENSÕES DE MANOBRA
As sobretensões de manobra são fruto de ocorrências internas geradas por alterações
abruptas no estado do sistema (também referidas como sobretensões de chaveamento),
normalmente de grande amplitude, mas de duração mediana.
SOBRETENSÕES À FREQUÊNCIA INDUSTRIAL
Enquanto as sobretensões à frequência industrial são reflexos de alterações senoidais,
apresentam maior duração, porém normalmente valores menores de amplitude. Além disso, é
importante então ressaltar que a suportabilidade elétrica dos isoladores depende não só da
amplitude gerada por essas solicitações elétricas, mas também da duração, de forma conjunta.
Na prática, os isoladores utilizados deverão suportar, eletricamente, valores de sobretensão
tecnicamente muito maiores que os vistos nas ocorrências de descargas atmosféricas.
As solicitações mecânicas, nesse caso, poderão também ser divididas em três tipos principais,
com especificações para orientar acerca de tais ocorrências estabelecidas pela NBR 5422.
Entre esses tipos de solicitações, destacam-se (CAMARGO, 2006):
Forças verticais por conta do peso dos próprios condutores das linhas do sistema;
Forças horizontais axiais, estabelecidas a partir da suspensão dos condutores com
relação ao solo, atuando no sentido horizontal da linha;
Forças horizontais transversais, estabelecidas no sentido perpendicular aos eixos
longitudinais das linhas de transmissão e por conta da ação do vento nos cabos.
Considerando essas solicitações, é possível observar que o fato de o isolador fazer parte da
estrutura das linhas fará com que ele apresente resistências mecânicas compatíveis com as
dos esforços esperados para tais estruturas como um todo.
EXEMPLO
O que é estabelecido pela própria NBR 5422, de que estes esforços sejam limitados a 40% da
carga nominal de ruptura dos isoladores e das ferragens correspondentes. Além disso, devem
ser consideradas outras premissas importantes para o dimensionamento dos isoladores, como
a ocorrência de variações ambientais, poluição, choque térmico, entre outros.
Com isso, são estabelecidos alguns testes em específico, como mostra a lista adiante, para a
avaliação de aspectos mecânicos e elétricos dos isoladores, a serem realizados pelos
fabricantes mediante encomendas ou mesmo o próprio atendimento de orientações de normas
técnicas e padrões da área:
Tensão crítica de descarga a seco, sob impulso, polaridade positiva e negativa;
Tensão crítica de descarga a seco esob chuva, à frequência industrial;
Tensão suportável a seco e sob chuva em um minuto, à frequência industrial;
Tensão de perfuração em óleo;
Nível de rádio interferência (RIV);
Choque térmico;
Galvanização;
Eletromecânico de ruptura.
No caso de testes de tensão crítica, por exemplo, tem-se o estabelecimento de parâmetros
como a tensão crítica de descarga disruptiva (também conhecida pelo termo em inglês CFO), a
qual fornece o valor de tipo da tensão que tem 50% de probabilidade de levar a uma descarga
disruptiva do isolador (DARVENIZA; VLASTOS, 1988).
TIPOS DE ISOLADORES
Considerando os isoladores utilizados em linhas aéreas de transmissão, observa-se que eles
poderão ser feitos a partir do uso de porcelana vitrificada, vidro temperado e materiais
sintéticos compostos, como é o caso da resina sintética (CAMARGO, 2006; LABEGALINI,
2019).
Na fabricação de isoladores de porcelana, exige-se que sejam obtidos corpos de composição
homogênea e compacta, sem bolhas ou impurezas, a fim de evitar alterações na rigidez
dielétrica. Para a obtenção de uma camada impermeável, necessária neste tipo de isolador,
utiliza-se o vidro, e este uso pode, inclusive, permitir o uso de cores específicas nos isoladores.
O desempenho deste tipo de isolador é satisfatório, entretanto, poderá haver possíveis
desvantagens por conta do custo da fabricação e do processo de inspeção de falhas; trincas
nesse tipo de material poderão ser quase invisíveis. Como a eficiência do isolador está
diretamente relacionada à sua geometria, deformações durante o processo de fabricação dos
isoladores devem ser evitadas ao máximo (LABEGALINI, 2019).
Os isoladores de vidro, por outro lado, têm como vantagens os custos, como já mencionamos,
além de maior rigidez dielétrica em geral e de uma maior facilidade de identificação de defeitos,
por conta do fato de que, quando sujeitos a choques mecânicos mais fortes, vão se estilhaçar
completamente e, assim, a inspeção visual torna-se mais fácil. Geralmente, os isoladores de
vidro são mais utilizados (LABEGALINI, 2019).
Além disso, a tendência mais recente de utilizar materiais sintéticos pode trazer uma série de
vantagens e novas opções. Entre esses materiais, é possível citar pesquisas sobre o uso de
resinas poliuretanas, derivadas do óleo da mamona e as resinas poliméricas, sintéticas ou
naturais (MURAKAMI, 2002).
Adicionalmente, tomando como exemplo as orientações fornecidas pela Companhia de
Distribuição do Estado de Goiás – CELG D, observam-se algumas condições mínimas para a
fabricação de isoladores de vidro ou porcelana para classes de tensão de até 145kV com 60Hz
de frequência industrial, de uso não só em redes de distribuição, mas também de transmissão.
As condições normais de operação estabelecidas serão:
Altitude: até 1000m Temperatura máxima do ar: 40°C
Temperatura média (24h): 35°C Pressão máxima do vento: 700Pa
Umidade relativa do ar de até 100% Exposição direta ao sol, à chuva e poeira
Frequência: entre 58 e 62Hz Pressão barométrica: 101,3kPa
Altitude: até 1000m Temperatura máxima do ar: 40°C
Nível de radiação solar: 1,1kW/m², com alta incidência de raios ultravioleta
Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
Quadro 2: condições normais de operação para isoladores. Fonte: NTC-73 (CELG
Distribuição, 2015).
Além disso, sabe-se que, independentemente do material utilizado, existem três tipos básicos
de isoladores para a transmissão de energia elétrica:
Os isoladores de pino;
Os isoladores tipo pilar (ou coluna);
Os isoladores de suspensão.
ISOLADOR DE PINO
Um isolador de pino geralmente será fixado às estruturas do sistema por meio de um pino de
aço forjado, com sua parte superior com uma cabeça de chumbo filetada e na qual o isolador é
parafusado. Além disso, sabe-se que o conjunto isolador-pino poderá ser submetido a
compressão e flexão. Normalmente são feitos de vidro ou porcelana, para a classe de tensão
de 66/75kV, devido à sua relação capacidade/dimensão, e normalmente, quando usados em
tensões acima de 25kV, possuem estruturas especiais.
ISOLADOR TIPO PILAR
Os isoladores tipo pilar, por sua vez, são pouco usados no Brasil em linhas de transmissão e
são desenvolvidos em uma peça única (LABEGALINI, 2019).
ISOLADOR DE SUSPENSÃO
Já os isoladores de suspensão, também conhecidos como isoladores para cadeia, são
indicados para tensões acima de 69kV, sendo usados então em linhas de alta e extra-alta
tensão e poderão ainda se subdividir em dois tipos básicos: isoladores de disco e monocorpo
(CAMARGO, 2006; LABEGALINI, 2019).
Os isoladores do tipo disco são basicamente isoladores de cadeia em forma de disco,
geralmente côncavo-convexo, que têm ferragens integrantes em ambas as faces do disco.
Os isoladores do tipo monocorpo, por sua vez, são destinados geralmente para até 220kV
ou então em estruturas em cascata para o atendimento de outras classes e poderão ser mais
curtos para um mesmo nível de solicitação elétrica. Há então uma redução na dimensão global
da estrutura isolante das linhas e, dessa forma, também dos suportes (LABEGALINI, 2019).
Os isoladores de suspensão, em geral, apresentam como principais vantagens em
comparação aos de pino (CAMARGO, 2006):
Custo inicial da cadeia de suspensão mais baixo, considerando ainda a substituição
de apenas uma ou quantas unidades forem necessárias dentro da cadeia;
Fabricação facilitada dos dielétricos para isoladores de suspensão;
Flexibilidade, que reduz as tensões mecânicas e equaliza as tensões nos condutores
adjacentes aos vãos;
Variação de isoladores na cadeia, a partir da qual é possível atender linhas de
diferentes classes de tensão.
A imagem seguinte apresenta uma cadeia de isoladores do tipo suspensão:
Fonte: Ensineme
Figura 1: cadeia de isoladores do tipo suspensão. Adaptado de: Camargo, 2006, p. 84.
CÔNCAVO-CONVEXO
cadeia de isoladores tipo disco Porcelain Insulator Disc Type
Fonte: shutterstock.com
Um isolador de suspensão deverá possuir as seguintes características fundamentais
(CAMARGO, 2006):
Resistência eletromecânica;
Carga máxima de trabalho;
Resistências a impacto e possíveis choques térmicos;
Tensões disruptivas a seco e sob chuva (na frequência industrial);
Tensões disruptivas sob impulso;
Tensão de perfuração, de radiointerferência e de corona.
Todas essas premissas ficarão mais claras a seguir, a partir da análise acerca das possíveis
falhas e mais detalhes com relação a testes.
FALHAS E REALIZAÇÃO DE TESTES
As falhas, além de questões específicas das solicitações mecânicas, elétricas e demais
capacidades já apontadas, geralmente levarão a defeitos como a perfuração do dielétrico, em
casos de falhas internas e de descargas externas, sendo ainda que no primeiro caso o isolador
deverá ser substituído.
De acordo com Freeman (1968) e Camargo (2006), com relação aos testes, há:
TESTE DE DESCARGA A SECO
Deve ser feito para determinar a tensão na qual o isolamento externo do isolador não
conseguirá impedir que a corrente flua nessa parte externa, entre o condutor e a estrutura de
transmissão;
TESTE DE DESCARGA SOB CHUVA E SOB POLUIÇÃO
Semelhante ao anterior, mas considerando-se características da chuva e dos tipos de
poluentes, além de outras correspondentes ao ambiente nesses casos;
TESTE DE PERFURAÇÃO
Observando-se efeitos da passagem de corrente dentro do isolador;
TESTE DE IMPULSO
Para avaliação de efeitos da onda de tensão imposta aos isoladores e a influência no
comportamento destes;
TESTES MECÂNICO, DE TEMPERATURA E
POROSIDADE
Para avaliação de resistência mecânica à temperatura ambiente e a temperaturas acima e
abaixo da ambiente.
A seguir, veremos aspectos fundamentais do dimensionamento dos isoladores, incluindo
aspectos técnicos locais e respaldados pelas NBR correspondentes.
DIMENSIONAMENTO
Considere como exemplo o dimensionamento de uma cadeia de isoladores como a
apresentada na figura 1. Sabe-se que, nesse caso, introduzindo-se a haste de um isoladorna
concha do seguinte, é possível obter uma cadeia de isoladores de comprimento e atendimento
a uma dada tensão especificados.
ATENÇÃO
De antemão, entretanto, é importante ressaltar que a distribuição das tensões na cadeia não é
linear, visto que o isolador mais próximo do condutor apresenta uma maior tensão aplicada a si,
por exemplo. Com isso, torna-se necessário adicionar mais isoladores, inserir elementos como
anéis de guarda e gaps condutores, para que sejam evitadas essas condições, melhorando a
distribuição da tensão e reduzindo a possibilidade de dados, permitindo melhor condução do
arco de potência, por exemplo (CAMARGO, 2006).
O circuito equivalente apresentado a seguir, na figura 2, modela então uma cadeia de
suspensão:
Fonte: Ensineme
Figura 2: circuito equivalente de uma cadeia de suspensão. Fonte: autora.
Assumindo-se que a capacitância série (C) e a em derivação (Co) sejam as mesmas em
qualquer ponto, com a relação C = αCo válida para α > 1, têm-se as seguintes relações para as
correntes:
(1)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Dessa forma, tem-se para as tensões:
(2.1)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
(2.2)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
A mesma análise pode ser feita de forma análoga para mais isoladores. Além disso, define-se a
relação de eficiência de cadeia pela razão entre a tensão nominal à terra pela cadeia dividida
por n vezes a tensão através do isolador adjacente à linha, em que n é o número de isoladores
(CAMARGO, 2006).
Por outro lado, estabelece-se ainda a seguinte equação para determinar o número de
isoladores de disco na cadeia de suspensão, em função de outros parâmetros físicos
específicos:
(3)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Sabe-se que Umáx é a tensão máxima de operação da linha em regime permanente em kV, de
a medida de distância de escoamento específica (em cm/kV) e di a distância, em cm, de
escoamento dos isoladores. Estima-se de com base em índices de poluição (sendo de 2 a 2,3
para locais sem poluição ou 6,3 para locais de poluição intensa, por exemplo), e di dependerá
de orientações do fabricante ou do desenho da cadeia de isoladores (LABEGALINI, 2019).
Adiante, no último tópico desta parte você verá mais detalhes sobre as ferragens que são
utilizadas nas redes de transmissão.
FERRAGENS
As ferragens, por sua vez, serão peças para realizar o suporte dos cabos e sua conexão às
cadeias de isoladores, basicamente. O projeto desses elementos não é simples ou trivial, visto
que é necessário a este ponto atentar-se com possíveis implicações de radiofrequência ou
mesmo de manifestação do efeito corona (CAMARGO, 2006).
Veremos esses efeitos com mais detalhes ao longo tema e, além disso, que normalmente
esses elementos serão de ferro fundido maleável ou nodular ou então de aço, conforme
estabelecido pela NBR 6323 (2016) acerca da fabricação a partir do processo de galvanização
de uma peça.
O grampo de suspensão, por exemplo, é um dispositivo multiarticulado usado para receber o
cabo condutor e conectá-lo à cadeia de suspensão, fazendo ainda a proteção dos filamentos
condutores com relação ao esmagamento. Já as cadeias de ancoragem, por sua vez,
suportarão não só a própria cadeia de suspensão, mas também esforços do tracionamento de
cabos condutores (CAMARGO, 2006).
á
As principais especificações desses elementos para as linhas e os sistemas de transmissão em
geral, no Brasil, são dadas pela NBR 7095 (1998).
VERIFICANDO O APRENDIZADO
1. SUPONHA QUE A ENGENHEIRA ELETRICISTA RESPONSÁVEL PELO
PROJETO DE UM SISTEMA DE TRANSMISSÃO ESTÁ, A ESTE PONTO DO
PROJETO, DEFININDO A QUANTIDADE DE ISOLADORES A SER
UTILIZADA NA CADEIA. PARA ISSO, A ENGENHEIRA DEVE:
A) Atentar-se às distâncias de escoamento, dependendo da poluição do local onde será a
instalação e de orientações do fabricante dos isoladores usados.
B) Considerar um número máximo de isoladores, dependendo da classe de tensão das linhas
de transmissão que formam o sistema.
C) Considerar um número mínimo de isoladores, dependendo da classe de tensão das linhas
de transmissão que formam o sistema.
D) Atentar-se à NBR 6323, que orienta sobre a quantidade necessária de isoladores a ser
utilizada em uma cadeia de isoladores eletrônicos.
E) Atentar-se às normas técnicas, mas, neste caso, o principal é a expertise acerca da
meteorologia do local, já que esta influencia diretamente na quantidade de isoladores.
2. PODEMOS APONTAR COMO ELEMENTOS DE ESTRUTURAÇÃO DO
SISTEMA ELÉTRICO DE TRANSMISSÃO, OS ELEMENTOS:
A) Cadeias
B) Isoladores
C) Ferragens
D) Diagramas
E) Fusíveis
GABARITO
1. Suponha que a engenheira eletricista responsável pelo projeto de um sistema de
transmissão está, a este ponto do projeto, definindo a quantidade de isoladores a ser
utilizada na cadeia. Para isso, a engenheira deve:
A alternativa "A " está correta.
O número de isoladores a ser utilizado em uma cadeia de suspensão com isoladores de disco
é dado pela seguinte equação:
Na qual:
Umáx = tensão máxima de operação da linha em regime permanente (em kV);
de = medida de distância de escoamento específica (em cm/kV);
di = distância de escoamento dos isoladores (em cm).
2. Podemos apontar como elementos de estruturação do sistema elétrico de
transmissão, os elementos:
A alternativa "C " está correta.
As ferragens são usadas basicamente para suportar os cabos e conectá-los às cadeias de
isoladores. Entre essas, é possível citar: cadeias de ancoragem e grampos de suspensão.
MÓDULO 2
Identificar estratégias necessárias ao dimensionamento de condutores e elementos
á
aterrados;
Cálculo da resistência, indutância e reatância sob a análise dos subcondutores
CONDUTORES
Antes de analisarmos de forma geral os condutores utilizados para a transmissão de energia
elétrica, considere o quadro a seguir, para relembrar o que é praticado no Brasil acerca das
classes de tensão:
Em corrente alternada 230kV Alta tensão
345kV
Extra alta-tensão
440kV
500kV
750kV
Em corrente contínua 600kV Alta tensão
Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
Quadro 3: classes de tensão. Fonte: Autora.
O desempenho das linhas, do ponto de vista elétrico, depende de características de seus
componentes, de forma direta, como você já pode imaginar. Assim, como visto, tem-se a
suportabilidade elétrica dos isoladores, por exemplo, além de fatores importantes como o
atendimento às solicitações elétricas e mecânicas.
No caso dos demais componentes da linha, especialmente dos condutores, deve-se ter em
mente que o transporte de energia elétrica através das linhas de transmissão deverá ser
estabelecido como em uma atividade de prestação de serviços: de forma confiável, econômica
e eficiente.
Para realizar o transporte de uma quantidade de energia elétrica a uma distância
preestabelecida, as principais variáveis a serem consideradas são (LABEGALINI, 2019):
PRINCIPAIS VARIÁVEIS
O valor da tensão de transmissão
O número, o tipo e quais serão as bitolas dos cabos condutores por fase
O número, o tipo e as distâncias seguras para os isoladores
A quantidade de circuitos trifásicos
Quais serão os materiais estruturais necessários e as formas para que os suportes
resistam aos esforços
Em contrapartida, ressalta-se que a solução ideal para um dado sistema de transmissão,
incluindo todos os parâmetros mencionados anteriormente e outros possíveis, é dada a partir
da execução de estudos de otimização, nos quais geralmente se optará pela escolha de uma
entre as possíveis soluções.
A prioridade será, mediante parâmetros iguais de confiabilidade e de desempenho de
duas ou mais soluções, a escolha pela solução que inclua custos e investimentos os
mínimos possíveis.
Veremos agora os principais aspectos acerca dos condutores geralmente utilizados,
considerando características normalmenteusadas para o seu dimensionamento para as linhas
de transmissão. Inicialmente é fundamental compreender que se tem na prática, por exemplo,
que o uso de determinado tipo de cabo em uma linha de transmissão aérea poderá aumentar
ou diminuir perdas na transmissão da energia.
Poderá ainda observar a necessidade ou não do uso de equipamentos como os de suporte
para reativos, o que, na prática, pode encarecer custos da linha e, ainda, tornar a operação
mais complexa, uma possível desvantagem frente às necessidades de manutenção também.
A teoria da transmissão da energia elétrica apresenta que os agentes envolvidos no seu
transporte serão, na verdade, os campos elétricos e magnéticos estabelecidos. Os condutores
atuam, na prática, como guias, e a escolha e o dimensionamento correto dos condutores
nesses casos vão impactar diretamente nas perdas de energia, que são estabelecidas por
conta do Efeito Joule ou mesmo devido ao Corona. Além disso, o correto dimensionamento
também permitirá o controle de níveis de radiofrequência e ruídos acústicos, bem como de
problemas de natureza mecânica, evitando-se solicitações excessivas (LABEGALINI, 2019).
Os condutores são elementos ativos na transmissão da energia elétrica, formados por
conjuntos de fios e que se deseja que o condutor na prática esteja o mais próximo possível de
um ideal, cujas principais características são:
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DOS CONDUTORES
Alta condutividade elétrica
Boa resistência mecânica e a possíveis intempéries
Baixo peso específico
Custos mínimos possíveis
Resistência alta à oxidação e corrosão devido a agentes químicos poluentes
O materiais mais indicados para esses elementos são o cobre e o alumínio, como veremos
mais detalhadamente a partir do próximo tópico.
Por último, com relação especificamente aos condutores em geral, sabe-se que, conforme
estabelece a NBR 5422, de projeto de linhas aéreas de transmissão, os cabos condutores
deverão atender às seguintes normas:
NBR Resumo
5111
Acerca de fios de cobres nus, com seção circular, para uso em aplicações de
energia elétrica.
5118 Idem ao anterior, porém tratando de fios de alumínio.
5349
Traz as principais informações e premissas técnicas previstas para a
especificação do uso de cabos nus de cobre mole para fins elétricos.
6756
Traz as principais especificações sobre o uso de fios de aço zincados como
alma de cabos de alumínio e alumínio-liga.
7270
Especificações sobre cabos de alumínios nus com alma de aço zincado,
destinados às linhas aéreas.
7271 Especificações sobre cabos de alumínios nus para linhas aéreas em geral.
8449
Sobre o procedimento de dimensionamento de cabos para-raios para linhas
de transmissão de energia.
NBR Resumo
16730
Acerca dos principais requisitos para cordoalha de fios de aço zincados, para
eletrificação.
Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
Quadro 4 - Normas técnicas com relação aos cabos condutores para transmissão. Fonte:
ABNT, 1984; 1997a; 1997b; 2007a; 2007b; 2009b; 2009c; 2018.
A seguir, você verá quais são os principais tipos de cabos condutores de alumínio e de cobre e
entenderá as propriedades e vantagens de cada tipo, bem como questões práticas acerca do
seu uso.
TIPOS DE CONDUTORES, DE CABOS E
BITOLAS
Os cabos poderão ser feitos de alumínio ou de cobre, embora se observe na prática que nos
últimos anos a tendência maior é do uso do alumínio devido a um principal fator: o custo mais
baixo desse material. De forma geral, tem-se as seguintes propriedades:
Características Alumínio Cobre
Condutividade 61% IACS 97% IACS
Resistividade a 20°C (μΩ/cm) 2,828 1,7774
Coeficiente térmico de resistividade ((μΩ/scm por °C) 0,0115 0,00681
Coeficiente térmico de expansão linear por °C 0,000023 0,000017
Densidade a 20°C (g/cm³) 2,703 8,89
Características Alumínio Cobre
Carga de ruptura (kg/mm²) 16-21 35-47
Módulo de elasticidade final (kg/mm²) 7.000 12.000
Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
Quadro 5: propriedades do alumínio e do cobre para consideração no desenvolvimento e
uso de cabos condutores para linhas de transmissão.
Adaptado de: FUCHS, 1977, p. 17.
Além disso, com o objetivo principal de fornecer maior resistência ao cabo, utiliza-se uma
estrutura de reforço denominada de alma do cabo, que geralmente será feita de aço, em uma
estrutura formada por um conjunto de fios de aço na parte central do cabo.
ATENÇÃO
Outro ponto importante é que a unidade de medida será baseada em algumas especificações e
orientações internacionais: a AWG (american wire gauge - bitola de fio americano) e CM
(Circular Mil).
Os tipos mais usuais encontrados serão de cabos:
sem alma de aço;
com alma de aço;
com alma de aço zincado.
Já com relação aos tipos de cabos e de bitolas, sabe-se que são definidos em função da
quantidade necessária de energia elétrica a ser transportada, de parâmetros como a tensão na
linha, dos vãos formados entre as torres de transmissão, da quantidade de cabos por fase e de
efeitos como o efeito corona, por exemplo.
Os cabos são ainda caracterizados pelos fabricantes a partir de nomenclaturas específicas,
baseadas em nomes de pássaros (em casos de cabos sem alma) ou de flores (com alma de
aço), seguindo o padrão canadense.
Exemplos: Turkey, Penguin, Falcon, entre outros (CAMARGO, 2006).
A figura 3 adiante traz um painel com exemplos da estrutura básica de cabos de alumínio:
Fonte: Shutterstock.com
Figura 3: formação de cabos de alumínio para cabos condutores de linhas de transmissão.
DIMENSIONAMENTO
Tomando como exemplo o caso do uso de cabos com fios de alumínio encordoados, bastante
comum na prática, sabe-se que, para a transmissão em corrente alternada, sugere-se o uso
para casos de vãos longos e, assim, é demandado um reforço mecânico adicional ao cabo para
atendimento às solicitações mecânicas. Nesse caso, a regra principal de formação é dada,
considerando fios com mesmo diâmetro, em que N é o número total de fios componentes e n o
número de camadas (ou coroas) (FUCHS, 1977; CAMARGO, 2006):
(4)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Caso um cabo condutor seja formado por duas camadas, terá 19 fios. Por outro lado, para o
cálculo do diâmetro de cada fio (d), tem-se que o diâmetro D do cabo condutor é:
(5)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Além disso, sabe-se que as camadas adjacentes serão espiraladas em direções opostas, o que
leva à aderência entre elas, e normalmente os cabos condutores usados em linhas de
transmissão possuirão fios de alumínio em camadas, com ou sem o uso da alma de aço
(CAMARGO, 2006).
Os cabos de alumínio com alma de aço são referidos como CAA, ou ainda como ACSR
(aluminium conductor steel reinforced) na padronização internacional, enquanto os cabos de
alumínio sem alma são referidos diretamente como CA.
EXEMPLO 1
De acordo com Fuchs (1977), considerando o cabo comercial PENGUIN, sabe-se que este é
um cabo CAA, possui um fio de aço e seis de alumínio, sendo a seção transversal de
125,1mm². Além disso, sabe-se que a bitola AWG é a número 0, o diâmetro do fio de aço e do
de alumínio é de 4,77mm, do cabo nominal será 14,31mm, o peso nominal do cabo é de
432,5kg/km, a carga de ruptura é de 3820kg e a resistência elétrica deste em corrente contínua
é, a 20 °C, 0,26719 ohm/km.
Adicionalmente, sabe-se que normalmente, em linhas de transmissão que operem com 230kV
ou mais, é feito o uso de feixe de condutores por fase para melhoria de características técnicas,
algo necessário com o aumento da tensão utilizada. Entre as vantagens deste procedimento,
aponta-se a redução do gradiente de tensão, redução da reatância da linha devido à majoração
de potência que é transmitida por esta e melhorias, assim, nos padrões de rádio frequência, o
que leva à diminuição de tais efeitos (CAMARGO, 2006).
Há experiências que demonstram que o tamanho do condutor será o fatormais importante no
controle do gradiente de tensão para linhas que possuam feixes de dois a quatro condutores
(faixa mais comum, na prática) (STEVENSON, 1962).
O gradiente de tensão (também referido como gradiente de potencial), neste caso, corresponde
geralmente a avaliações na superfície do condutor, sendo inclusive diretamente relacionado ao
efeito corona.
Por último nesta parte, sabe-se que o espaçamento entre os condutores do feixe também
afetará o gradiente de potencial, sendo que normalmente o que é estabelecido é entre 10 e 30
vezes o diâmetro dos condutores do feixe, o que implica, na prática, em 400 até 460mm
(CAMARGO, 2006).
EXEMPLO 2
Segundo Camargo (2006), no caso das linhas de 500kV da Eletrosul, sabe-se que estas são
formadas por quatro cabos ACSR de 636 MCM, 26/7, GROSSBEAK, por fase. Seus
condutores apresentam as seguintes características:
Diâmetro = 25,15mm
Peso = 1,3kg/m
Carga de ruptura = 11300kg
Espaçamento entre condutores = 457mm
No próximo e último tópico desta parte, há exemplos da disposição de condutores e de
condutores múltiplos.
CONDUTORES MÚLTIPLOS E DISPOSIÇÃO
DOS CONDUTORES
A figura 4 adiante apresenta, ainda, um exemplo de estruturas de condutores múltiplos a partir
de diferentes tipos de torres geralmente utilizadas:
Fonte: Ensineme
Figura 4: condutores múltiplos.
Ademais, observa-se que os condutores ficam dispostos em três arranjos: triangular, horizontal
ou vertical.
No caso da disposição triangular, tem-se que os condutores estarão localizados nos
vértices de um triângulo (equilátero ou não, já que esta pode ser simétrica ou
assimétrica);
No arranjo horizontal, os condutores são fixados em um mesmo plano, de forma também
simétrica ou não, sendo que essa é a disposição preferida para casos de linhas com
circuitos simples, em tensões elevadas ou até extraelevadas; devido a vantagens como a
possibilidade de se ter uma menor altura e menor vão na estrutura para um mesmo
condutor em outros arranjos. Por outro lado, normalmente demandará estruturas mais
largas;
Por último, com relação à disposição vertical, tem-se o melhor arranjo para circuitos
duplos e linhas de vias públicas.
A figura 5 apresenta diversos exemplos de configurações e disposições das linhas nas torres:
Fonte: Ensineme
Figura 5: estruturas possíveis para disposição das linhas e torres.
No próximo módulo, veremos outro ponto importante a ser analisado com relação
especificamente ao dimensionamento dos condutores: a distância destes aos elementos
aterrados.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
1. UM CABO CONDUTOR DE 500KV UTILIZADO PARA A TRANSMISSÃO
EM EXTRA-ALTA TENSÃO, COM REFORÇO DE RESISTÊNCIA
ESTRUTURAL E FEITO A PARTIR DE CONDUTORES DE ALUMÍNIO, É
DENOMINADO:
A) ACSR ou CAA
B) CA
C) ACSR ou CA
D) AWG
E) CM
2. O USO DO ALUMÍNIO E DO COBRE NO DESENVOLVIMENTO DE
CABOS CONDUTORES PARA LINHAS DE TRANSMISSÃO É
ESTABELECIDO A PARTIR DE PARÂMETROS TÉCNICOS IMPORTANTES
DOS MATERIAIS, COMO:
A) O diâmetro da alma de aço.
B) A perda de potência devido ao efeito Joule.
C) A tensão do efeito corona.
D) A carga de ruptura.
E) O número de fibras de comunicação.
GABARITO
1. Um cabo condutor de 500kV utilizado para a transmissão em extra-alta tensão, com
reforço de resistência estrutural e feito a partir de condutores de alumínio, é
denominado:
A alternativa "A " está correta.
O cabo de alumínio com alma de aço é denominado CAA ou, conforme padrão internacional,
ACSR (aluminium conductor steel reinforced), independentemente do nível de tensão.
2. O uso do alumínio e do cobre no desenvolvimento de cabos condutores para linhas de
transmissão é estabelecido a partir de parâmetros técnicos importantes dos materiais,
como:
A alternativa "D " está correta.
A carga de ruptura deve ser considerada tanto com relação ao tipo de material usado (cobre ou
alumínio) quanto no resultado final do cabo obtido. Tomando como exemplo o alumínio, aponta-
se que, normalmente, esta é entre 16 e 21kg/mm².
MÓDULO 3
Reconhecer as principais normas técnicas e orientações aplicadas ao uso de
isoladores e condutores na transmissão da energia elétrica;
Para-raios
ELEMENTOS ATERRADOS
- Antes de entendermos os aspectos principais do dimensionamento, é fundamental
compreender, no caso da transmissão, quais são os possíveis elementos aterrados. São
elementos de aterramento, de forma direta, todos os componentes do sistema de aterramento
da linha. Entre eles, é possível citar elementos metálicos, que fazem parte da estrutura, como
vergalhões, mísulas (estruturas de suporte de cadeias de isoladores), estruturas de fundações,
tubulões, parafusos e cordoalhas.
- Por outro lado, também serão usados geralmente dispositivos destinados ao aterramento,
como hastes, anéis horizontais, contrapesos ou, ainda, combinações desses dispositivos, em
contato com o solo. Além disso, nesse ponto é necessário definir parâmetros físicos
importantes como é o caso do vão, que representa a distância entre as torres nas quais os
cabos condutores estarão apoiados.
- Por último nesta parte, sabe-se que o cabo de contrapeso exerce papel fundamental no
aterramento do sistema como um todo, devido a sua finalidade ser o aterramento da torre.
Assim, através dele é que escoará a carga elétrica proveniente de quaisquer perturbações
atmosféricas ou de ocorrências de indução nas linhas, por exemplo, além de falhas devido à
ruptura da cadeira de isoladores ou do próprio cabo condutor.
Normalmente são feitos com um fio único, cabo de aço ou fita metálica e são enterrados em
média ao longo de 50 a 70cm de forma longitudinal ao longo da faixa no alinhamento às torres,
sendo ainda acoplados às mesmas através de conectores. A partir deste elemento, os tipos
mais usuais de aterramento serão: normal, contínuo, através de hastes, interligado ou especial.
Com relação a algumas possíveis orientações técnicas acerca do aterramento, a NBR 5422
apresenta que o suporte da linha deverá ser aterrado para que a resistência de aterramento
seja compatível com o desempenho do sistema como um todo, bem como da segurança
pessoal de outras pessoas.
O aterramento restringe-se à faixa de segurança da linha, e o método usado, propriamente dito,
pode ser escolhido pelo responsável pela instalação, com atenção às especificações e ajustes
técnicos-econômicos possivelmente necessários e a possibilidade de corrosão.
Com relação aos para-raios, caso já estejam lançados, deve-se isolar do suporte nas medições
ou, então, usar equipamentos de alta frequência específicos.
A figura 6 ilustra na prática como é feito o aterramento especial:
Fonte: Ensineme
Figura 6: aterramento especial.
A seguir, veremos os principais aspectos acerca do dimensionamento dos condutores e outros
elementos envolvidos no aterramento, indireta ou diretamente.
DIMENSIONAMENTO
A forma como as estruturas de suporte das linhas absorvem os esforços transmitidos pelos
condutores pode ser analisada por um diagrama de forças, estabelecido no sistema com
relação ao vão. Matematicamente, define-se T como a força de tração axial do condutor, com a
componente horizontal desta tração T0, que é absorvida pela estrutura e com a força vertical
(P), equilibrada pelo peso do condutor na metade do vão (neste caso definido como a, em
metros) (LABEGALINI, 2019):
(5)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
A flecha do condutor para um dado vão α é definida como a diferença prática entre o
comprimento do cabo esticado entre as torres e deste com a curvatura necessária para a folga,
como podemos ver na figura 7:
Fonte: Ensineme
Figura 7: formação do vão na linha de transmissão. Adaptado de: LABEGALINI et al., 2019,
p. 21.
Considerando-se que essa curvatura seja parabólica, tem-se a seguinte equação para a flecha
(f):
(6)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Considerando-se que p é dado em N/m, como o peso unitário do condutor.
Conforme a NBR 5422, aflecha máxima deve ser correspondente às implicações devido à
corrente máxima com as condições ambientais no cenário e a temperatura ambiente e radiação
solar máximas, nessa mesma análise. Além disso, a norma orienta que deve ser considerado o
alongamento por conta da fluência dos cabos, para um período mínimo de 10 anos de análise.
²
SAIBA MAIS
Outras questões importantes a serem consideradas, a este ponto, é que, no processo de
encordoamento, os fios normalmente apresentam uma trajetória helicoidal ao redor do centro
do condutor e, além disso, há uma deformação em decorrência do peso. É esta a deformação
por trás também da formação da flecha, e a curva referente a ela é denominada tecnicamente
como catenária, que implicará, como você pode imaginar, que o comprimento da linha seja
maior que a extensão desta, estimado em torno de 2%.
Conforme a NBR 5422, sabe-se que a carga nos cabos será decorrente de seu próprio peso,
da pressão do vento horizontal que, da forma como o sistema é projetado, será distribuído
uniformemente ao longo do vão e, ainda, da componente horizontal da tração axial (To).
A distância entre o condutor e o solo é estabelecida por hs, também vista na figura anterior, e
chamada de altura de segurança. É determinada também pela NBR 5422, que considera
aspectos técnicos como a tensão da linha e até mesmo outros mais específicos como o tipo do
terreno que esta atravessará.
Na seção de distâncias de segurança, tem-se especificações não só de afastamentos mínimos
entre condutores, mas também com relação aos acessórios energizados. Dessa forma,
veremos nos próximos subtópicos alguns exemplos principais, todos apoiados nas orientações
estabelecidas pela NBR 5422.
DISTÂNCIAS ENTRE FASE E CABOS PARA-
RAIOS OU ENTRE FASE E ESTAIS
No caso de circuitos que operam com mais de 169kV, em corrente alternada e fase-fase,
considerando o fator de surto de manobra conhecido (que veremos com mais detalhes
adiante), orienta-se que os espaçamentos entre a fase e o para-raios pode ser calculado como
(NBR 5422):
(7)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Na equação anterior, D1 é a distância de segurança analisada, a1 a básica, Du no caso de
travessia de linhas de energia se refere à tensão mais elevada das linhas que são
consideradas na análise, vL é a tensão máxima de crista da linha de tensão menos elevada, Pu
é o valor da sobretensão de manobra considerada na análise, a2 um fator correspondente a
três desvios-padrão, b um fator de correção para condições atmosféricas que possam divergir
das normais, c o coeficiente de segurança e k o fator de forma.
Nessa condição de cálculo de distância, sugere-se a de 1,15, b igual a 1,03 e k de 1,4 e
adicionalmente, para a distância analisada, especificamente, sugere-se pela NBR 5422: a1 = 0;
c = 1,2; k = 1,4 e vL também nulo. Considerando o uso de estais (blocos de concreto para
sustentação), o mesmo é válido.
DISTÂNCIA ENTRE FASE E ELEMENTO
ATERRADO DE SUPORTE
Para a distância entre fase e possíveis elementos aterrados, usados no suporte, considerando
novamente um sistema com as mesmas especificações do subtópico anterior, tem-se a
seguinte fórmula para o cálculo da distância, conforme a NBR 5422, para distâncias
horizontais:
(8)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Similarmente ao cálculo anterior, b de 1,03 e α de 1,15, com a diferença de que V representa o
valor, em metros, que é numericamente igual ao máximo de crista em kV medido entre fases de
circuitos diferentes ou, ainda, igual ao máximo de crista para a terra, nos casos em que se deva
considerar as distâncias entre as partes vivas e as aterradas.
A NBR 5422 orienta ainda que, caso as fases sejam de mesma fase e módulo, um único cabo
deve ser considerado como aterrado e, para o caso específico da distância aos elementos
aterrados de suporte, tem-se o seguinte quadro de referência:
Constante Parâmetro estabelecido pela NBR 5422
α
1,15 se estiverem sendo usadas cadeias de ancoragem
1,05 para o uso de cadeias com liberdade de movimentação na posição de
deslocamento
k 1,2 (para a configuração condutor-estrutura)
Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
Quadro 6: valores das constantes para o cálculo da distância entre fase e o elemento
aterrado do suporte.
É possível citar, ainda, orientações mínimas com relação ao solo ou condições normais de
operação.
DISTÂNCIA MÍNIMA DO CONDUTOR AO
SOLO OU AOS OBSTÁCULOS
Considerando condições normais de operação, tem-se os seguintes cálculos, pelo método
convencional, para tensão abaixo ou de 87kV (U ≤87kV):
(9)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Ou acima de 87kV (NBR 5422):
(10)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
A distância básica em metros é ainda estimada para vários cenários já pré-analisados, na
própria NBR 5422.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
1. CONSIDERE QUE UMA ENGENHEIRA ELETRICISTA DEVA
ESPECIFICAR ALGUMAS ORIENTAÇÕES BÁSICAS ACERCA DA
DISTÂNCIA A SER ESTABELECIDA ENTRE FASE E CABOS PARA-RAIOS.
PARA ISSO, A ENGENHEIRA DEVE INFORMAR COMO CÁLCULO BASE:
A)
A) 
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
A)
B)
D3 = a + 0,01 − 50
Du
3
B) 
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
B)
C)
C) 
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
C)
D)
D) 
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
D)
E)
E) 
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
E)
2. EM UM CONDUTOR AO SOLO, A TENSÃO DE TRABALHO A SER
UTILIZADA PARA QUE A UTILIZAÇÃO DO CONDUTOR SEJA SEGURA
PODE SER NO MÁXIMO DE:
D3 = a
D = a1 +
1,667
. b. c
Pu+vL a2
2Du
3
500k
D = a1 +
1,667
. b. c
Pu+vL a2
3Du
2
500k
a1 = D +
1,667
. b. c
Pu a2
2Du
3
500k
A) 12kV
B) 500kV/b
C) 87kV/a
D) 87kV
E) 700kV/b
GABARITO
1. Considere que uma engenheira eletricista deva especificar algumas orientações
básicas acerca da distância a ser estabelecida entre fase e cabos para-raios. Para isso, a
engenheira deve informar como cálculo base:
A alternativa "C " está correta.
Para o cálculo da distância que deve ser considerada, neste caso, a NBR 5422 sugere o uso
da seguinte fórmula base:
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Os valores das constantes são identificados por informações mais específicas do cenário.
Entretanto, orientam-se as seguintes constantes para este caso: a1 = 0; c = 1,2; k = 1,4 e vL =
0.
2. Em um condutor ao solo, a tensão de trabalho a ser utilizada para que a utilização do
condutor seja segura pode ser no máximo de:
A alternativa "C " está correta.
Conforme NBR 5422, abaixo de 87kV ou nesse valor, sugere-se, pelo método convencional,
que a distância entre o condutor e o solo ou os obstáculos em condições normais de operação
seja igual ao parâmetro a.
D = a1 +
1,667
. b. c
Pu+vL a2
2Du
3
500k
MÓDULO 4
Descrever a frequência industrial, os surtos de manobra e os atmosféricos na
transmissão da energia elétrica.
Estratégias para segurança do sistema de transmissão em surtos atmosféricos
FREQUÊNCIA INDUSTRIAL
Os limites estabelecidos para a frequência industrial são feitos de forma a seguir as
orientações para o bom funcionamento do sistema elétrico como um todo.
Especificamente com relação à transmissão de energia, são produzidos campos
eletromagnéticos que exercerão efeitos em toda a vizinhança da linha de transmissão, devendo
ser monitorados para a minimização ou redução total de interferências, incluindo possíveis
efeitos à saúde, como mostram trabalhos como o do ICNIRP (International Comission on Non-
Ionizing Radiation Protection, 1998).
ICNIRP
Sigla em inglês para a Comissão Internacional de Proteção contra a Radiação Não
Ionizante.
São estabelecidoslimites para a frequência de 50 ou 60Hz, com pequenas faixas de tolerância,
para a operação dos sistemas. No Brasil, a frequência industrial é de 60Hz, geralmente com
tolerância técnica de 58 até 62Hz.
Até a segunda metade do século XIX, tanto as tensões quanto a frequência eram estabelecidas
no Brasil a partir de padrões europeus ou americanos, mas em 1960 uniformizaram-se tais
medidas, já que até então as frequências usadas eram definidas pelas próprias máquinas que
estivessem sendo utilizadas.
VOCÊ SABIA
Em 1964, no documento Companhias interligadas da região centro-sul, da Light São Paulo,
foram trazidos à tona os problemas que poderiam ser causados mediante tais variações na
frequência. Alguns exemplos apresentados foram experiências apontadas, realizadas na
França, nas quais observou-se na ocasião que 1% de abaixamento na frequência levou ao
abaixamento de 0,7% na carga e, além disso, 1% de diminuição na tensão levou a 1,6% de
diminuição na carga.
Outro apontamento na ocasião foi que o abaixamento para 59Hz, visando no momento à
redução do consumo de água na relação de despacho de carga da Light, que levou a uma
queda de 3% na geração instantânea.
Partindo-se do Decreto-Lei n. 852/1938, para padronização para 50Hz, buscou-se estabelecer
a padronização no Brasil; entretanto, isso só foi efetivo na década de 1960, quando então
estabeleceu-se o padrão para 60Hz.
Tomando como exemplo Itaipu, por outro lado, tem-se ainda que essa unidade geradora opera
tanto a 50Hz quanto 60Hz por conta das padronizações estabelecidas na Bolívia, Uruguai,
Chile, Paraguai e Argentina.
SURTOS DE MANOBRA
Os surtos de manobra (também denominados de surtos de chaveamento) são caracterizados
por alterações súbitas da configuração do sistema, refletidas em sobretensões transitórias
decorrentes de manobras como a desconexão de uma grande carga no sistema ou, ainda, da
energização de uma linha de transmissão de grande extensão deste, por exemplo.
Especialmente com relação às linhas de extra-alta tensão (tecnicamente acima de 230kV),
observa-se que esse tipo de surto é mais preocupante devido ao fato de que as sobretensões
atmosféricas se tornam menos preocupantes (CAMARGO, 2006).
Os impactos produzidos nesses períodos poderão ser compreendidos e analisados através de
premissas da propagação de ondas eletromagnéticas através das linhas de transmissão,
observando ainda as ocorrências de sobretensão em duas formas distintas: durante o período
inicial e incerto (transitório) e em regime permanente.
Existirão, na prática, três momentos distintos, no tempo, após a ocorrência de manobras como
a energização ou o religamento tripolar:
PERÍODO DE TRANSITÓRIOS ELETROMAGNÉTICOS
de centenas de milissegundos geralmente, com as maiores sobretensões e de forma de onda
distorcida.
PERÍODO DE SOBRETENSÕES DINÂMICAS
de alguns segundos, transição entre o transitório e o regime permanente, forma de onda ainda
bastante distorcida e com níveis de tensão um pouco abaixo do período anterior.
PERÍODO DE REGIME PERMANENTE
tensão periódica, sistema se comporta de forma aproximadamente constante, entretanto,
poderá haver algumas ocorrências de sobretensão e pequenas distorções na forma de onda.
Os fatores adiante, por sua vez, influenciam diretamente tanto na forma como esses períodos
se estabelecem (de forma mais ou menos grave) quanto na sua duração, por exemplo
(D’AJUZ, 1987):
O valor da tensão pré-manobra;
O grau de compensação da linha;
A potência de curto-circuito suportada;
O ponto da onda de tensão no qual ocorreu a manobra do disjuntor;
A dispersão do tempo de fechamento do disjuntor (com relação aos seus polos);
A carga residual da linha;
O comprimento desta;
A presença ou não de um resistor de pré-inserção, além do valor dele e de qual será o
seu tempo de permanência.
Geralmente, a tensão pré-manobra é adotada de forma conservativa, em até 10% do valor
máximo. Entretanto, na prática, é necessário ponderar corretamente, pois quanto maior a
tensão de pré-manobra, maior será a sobretensão que poderá ser atingida pelo sistema.
A potência de curto-circuito possui relação indireta com a sobretensão e, considerando-se o
uso de linhas com compensação, quanto maior ela for, menor tenderá a ser a sobretensão de
manobra. Tem-se ainda o exemplo de que, geralmente, quanto mais longa a linha de
transmissão, maior tenderá a ser a sobretensão que poderá ser atingida.
Os resistores de pré-inserção poderão ser medidos para mitigar as sobretensões de manobra
no sistema, sendo capazes de reduzi-las nos casos de energização ou religamento tripolar em
alguns casos, como mostra o circuito da figura 8:
Fonte: Ensineme
Figura 8: Uso do resistor de pré-inserção.
Considerando-se duas sobretensões em momentos distintos, inicialmente no fechamento da
chave A e da B, respectivamente, no momento que a chave A se fecha, será detectada no
sistema uma sobretensão menor, caso o resistor não tenha sido inserido, e a onda viajante, na
linha de amplitude, é dada por:
(13)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Na qual Eg é o valor da tensão da fonte, Z0 a impedância característica da linha e R a
resistência deste resistor. Por outro lado, em um segundo momento, quando B se fecha, é
formado um by-pass que causará um curto-circuito no resistor, e agora a onda é definida por:
(14)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Outras possibilidades para realizar uma atenuação desse tipo de surto ou mesmo eliminá-los
em alguns sistemas são: compensação shunt, manobra de redução de carga residual na linha,
seccionamento da linha ou, ainda, pelo controle do instante do fechamento dos polos do
disjuntor (D’AJUZ, 1987).
SURTOS ATMOSFÉRICOS
Os surtos atmosféricos têm relação direta com a ocorrência de intempéries externas, que
levarão a ocorrências de sobretensão no sistema, como é o caso de descargas atmosféricas.
Podemos observar a onda típica gerada por uma descarga atmosférica, que resulta então em
um surto atmosférico na figura a seguir:
Semelhantemente ao que ocorre em surtos de manobra, haverá uma mudança súbita de
tensão em um ponto da rede, possibilitado a partir da intempérie. O surto de tensão estará
sempre acompanhado de um surto de corrente que se deslocará com a mesma velocidade,
formado a partir de correntes capacitivas de carga e descarga por conta das capacitâncias
shunt da linha.
Fonte: Ensineme
Figura 9: onda típica de um surto atmosférico.
É válido ainda aproximar a forma de onda vista na figura 9, para fins práticos, como um degrau
unitário, representando apenas um pico de tensão que se mantém constante (CAMARGO,
2006).
Baseando-se no deslocamento da frente de onda nesses casos típicos, é possível considerar
matematicamente que a velocidade de propagação desse tipo de surto será de:
(15)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que L é a indutância e C a capacitância da linha.
A partir dessa relação e com a definição da frente de onda, obtém-se o parâmetro de
impedância do surto, que também é definida como impedância característica:
(16)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
A potência característica nesse caso será:
(17)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Também referida como SIL da linha, que diz respeito ao carregamento de potência natural e, na
prática, analisa-se o grau de aproveitamento da linha a partir dela.
EFEITO CORONA
Neste último tópico, falaremos sobre alguns pontos importantes acerca do efeito corona.
Entretanto, é necessário relembrar que esse efeito é decorrente da formação de descargas na
superfície do condutor quando a isolação do ar é ultrapassada pelo campo elétrico. Entre as
principais consequências disso, é possível citar:
Emissão de luz;
Ruídos de rádio, gerando interferências em circuitos de comunicação;
Ocorrência de ruídos sonoros;Acentuação de perda de potência;
Vibração do condutor.
Além disso, tem-se a liberação de ozônio, e a perda de potência deverá de alguma forma ser
recompensada pelo suprimento do sistema. Ao atingir-se então uma tensão crítica (Vc), inicia-
se o efeito corona, de ionização do ar ao redor dos condutores devido ao campo elétrico
estabelecido nesses locais, processo de ionização também denominado de ionização de
impacto (FUCHS, 1977).
De forma semiempírica, é possível definir Vc a partir de parâmetros como o coeficiente de
rugosidade (m), o diâmetro do condutor (d), a distância entre condutores (D), a relação de
temperatura e altitude (δ), sendo a altura (H) e a temperatura média anual no local (t):
(11)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
A relação δ é dada por:
(12)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
A temperatura foi dada em °C e considera-se geralmente o coeficiente m como 0,93 para fios e
0,87 para cabos. É possível também definir as perdas nesse caso através da potência P, sendo
a frequência (f) e V o valor da tensão da rede (pico a pico):
(13)
Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
VOCÊ SABIA
A sobra energética do complexo de Itaipu, gerada a 50Hz, é destinada aos consumidores
brasileiros mediante algumas etapas importantes. A energia é gerada em 50Hz, entretanto é
convertida e transmitida em corrente contínua. Porém, já próxima aos locais do centro de
consumo, é convertida em corrente alternada já na frequência de 60Hz, pronta para ser
transmitida e então distribuída aos demais consumidores.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
1. AO LONGO DO HISTÓRICO DO SETOR ELÉTRICO BRASILEIRO,
OBSERVA-SE QUE A PADRONIZAÇÃO DA FREQUÊNCIA INDUSTRIAL SÓ
FOI ESTABELECIDA DE FATO NA DÉCADA DE 1960. ENTRETANTO,
ANTES DISSO, HOUVE CERTOS ESFORÇOS APONTANDO BENEFÍCIOS
PARA O PAÍS COMO UM TODO, COMO VISTO NO(A):
A) IEC
B) Tratado da ANEEL
C) Decreto-Lei n. 852/1938
D) NBR 5422
E) Decreto-Lei n. 215/1968
2. EXISTEM ESTRATÉGIAS QUE PODEM SER ADOTADAS PARA EVITAR
OU ATÉ MESMO ELIMINAR SURTOS DE MANOBRA. ASSINALE A
ALTERNATIVA CORRETA COM RELAÇÃO A ELAS:
A) A frente de onda é usada para eliminação da sobretensão de manobra.
B) Os by-pass podem ser usados para a energização.
C) Os disjuntores tripolares podem ser usados para eliminar sobretensões extras.
D) O resistor de pré-inserção pode ser usado em casos de energização de linhas.
E) O resistor de pré-inserção pode ser usado para evitar a formação de arcos elétricos.E
GABARITO
1. Ao longo do histórico do setor elétrico brasileiro, observa-se que a padronização da
frequência industrial só foi estabelecida de fato na década de 1960. Entretanto, antes
disso, houve certos esforços apontando benefícios para o país como um todo, como
visto no(a):
A alternativa "C " está correta.
O Decreto-Lei n. 852/1938 trouxe à tona a primeira tentativa de adoção de uma mesma
frequência industrial e padronização para os sistemas, mas somente na década de 1960 isso
foi colocado em prática com a Light.
2. Existem estratégias que podem ser adotadas para evitar ou até mesmo eliminar surtos
de manobra. Assinale a alternativa correta com relação a elas:
A alternativa "D " está correta.
Os resistores de pré-inserção são exemplos de estratégias nesses casos, pois podem ser
usados como formas de mitigar ou eliminar os efeitos de sobretensão de manobra em
decorrência da energização de uma linha do sistema ou, ainda, do religamento tripolar, por
exemplo.
CONCLUSÃO
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O projeto de um sistema efetivo de transmissão de energia elétrica está diretamente
relacionado à minimização de perdas no processo como um todo, além de representar uma
importante estratégia de minimização de gastos para o setor.
Neste tema, identificamos quais as principais estratégias acerca do dimensionamento básico
de linhas de transmissão, especialmente com relação aos condutores e isoladores, além de
observarmos ocorrências importantes como os surtos de manobra e atmosféricos.
No primeiro módulo, abordamos as ferragens e os isoladores, importantes elementos de
conexão e aterramento dos condutores que formam a linha de transmissão. Assim, vimos as
principais premissas e estratégias de dimensionamento dos isoladores.
No segundo módulo, vimos mais detalhes sobre os condutores, tipos e suas estratégias de
dimensionamento, especialmente considerando as distâncias entre eles na formação dos
cabos ou na construção das linhas de transmissão do sistema.
Outro ponto importante com relação aos condutores engloba o seu dimensionamento acerca
dos demais elementos do aterramento do sistema, e este foi o principal tópico do módulo três.
Por último, no módulo quatro, vimos as principais observações gerais, técnicas e históricas da
adoção da frequência industrial, além de estratégias acerca de surtos de manobra e
atmosféricos.
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EXPLORE+
Para saber mais sobre a sobra energética do complexo de Itaipu, pesquise na internet e leia a
respeito da Integração ao sistema brasileiro – ITAIPU BINACIONAL.
CONTEUDISTA
Sofia Maria Amorim Falco Rodrigues
CURRÍCULO LATTES