GLT/002 21 a 26 de Outubro de 2001 Campinas - São Paulo - Brasil GRUPO III GRUPO DE ESTUDO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO - ESTUDO E PROJETO DA LINHA DE TRANSMISSÃO COMPACTA 138 kv SÃO JOSÉ - MAGÉ Afonso de Oliveira e Silva* Jorge Manuel Viegas Viana Victor Hugo Góes Ricco Cláudia M. F. de Oliveira FURNAS Nelson Henrique Costa Santiago Gilson Santos Jr. FLUXO ENGENHARIA LTDA RESUMO Este artigo descreve os estudos realizados e os projetos básico e executivo para a implantação da LT compacta 138kV São José - Magé, construída na faixa entre dois circuitos paralelos de 345 kv. A importância destes circuitos no sistema de FURNAS, bem como as interações eletromagnética e mecânica entre eles e a nova LT tornaram bem particulares todas as partes do projeto, desde a escolha das estruturas até os procedimentos construtivos e de manutenção. PALAVRAS-CHAVE Linha de Transmissão, Compactação, Indução Eletromagnética, Balanço de Cabos, Locação. 1.0. INTRODUÇÃO O planejamento do abastecimento de energia elétrica no Estado do Rio de Janeiro indicou a necessidade da construção de uma LT em 138kV, circuito duplo, entre as SE s São José (FURNAS) e Magé (CERJ), numa extensão aproximada de 46,1 km. O trecho inicial desta linha, de comprimento igual a 12,6 km, constitui a LT 138kV São José Tap Adrianópolis/Magé, atualmente em operação. Este trecho foi construído com estruturas de circuito duplo convencionais, com disposição vertical de fases, tendo um cabo CAA 795 kcm, 26/7, DRAKE, e passará a fazer parte da LT São José Magé, quando da sua entrada em operação. O segundo trecho, de comprimento igual a 33,5km, seria construído numa faixa à esquerda das duas linhas de 345kV Adrianópolis Çampos, no sentido de Magé, conforme mostrado na figura 1. Entretanto, esta faixa apresentava alguns problemas para a implantação da LT: - ocupação urbana resultante de invasões, o que acarretaria na remoção de 150 habitações, incluindo parte de um conjunto habitacional de casas populares; - boa parte do traçado se desenvolvendo na encosta da Serra do Órgão, atravessando áreas de proteção ambiental, o que tornaria o processo de licenciamento ambiental mais demorado. Tornou-se necessário, portanto, buscar uma solução alternativa para o segundo trecho da LT. * Rua Real Grandeza 219 - sala 406 bloco A Botafogo CEP.: 22283-900 Rio de Janeiro RJ Telefone/fax: (21)528-4387/ 528-4684 Email: afonsoos@furnas.com.br
2 seis fases e o cabo pára-raios situados no mesmo plano vertical ao longo do eixo da linha, sendo os condutores de jumper sustentados por isoladores compostos do tipo line-post. A utilização de estruturas de suspensão, mantendo os condutores no mesmo plano vertical, sustentados por isoladores compostos do tipo line-post com tirantes, foi também considerada mas abandonada pelos seguintes motivos: FIGURA 1 2.0. ALTERNATIVA COMPACTA Considerando os problemas apontados e a necessidade de atender às recomendações de planejamento, FURNAS decidiu construir o segundo trecho da LT São José Magé na faixa existente entre as duas linhas de 345kV mencionadas, conforme mostrado na figura 1, para evitar desapropriações e reduzir os problemas de licenciamento ambiental. As estruturas das LT s 345 kv são de circuito simples, disposição horizontal de fases, sendo a distância entre as fases externas, nas estruturas de suspensão, igual a 16,8m. Cada fase das LT s é formada por dois subcondutores CAA 954 kcm, 45/7, RAIL. Os cabos pára-raios são de aço galvanizado 3/8 EHS 7 fios. De acordo com os critérios de projeto, a distância entre os eixos das duas LT s seria de 35,0m. Assim sendo, em alinhamento, a distância mínima entre os subcondutores externos das fases mais próximas seria de 18,2 m. Nas proximidades dos vértices do traçado, esta distância poderia ser ainda menor. Foi então realizado um levantamento, no campo, da situação real das estruturas destas linhas e foram determinadas as distâncias mínimas entre os subcondutores mais próximos, em cada vão. O resultado desta avaliação mostrou que: - a menor distância entre os subcondutores mais próximos é de 13,8m; - existem 14 vãos maiores que 600m e com esta distância menor que 16,0m; - a distância mínima entre subcondutores mais próximos é maior que 19,0m em apenas 4 vãos; - o maior vão da LT é de 1016m, sendo de 14,1m o espaçamento mínimo nesse vão. Após a análise desta situação, foi decidido que todas as estruturas da nova LT seriam de ancoragem, com as - maior altura das estruturas, pois o espaçamento vertical entre fases seria da ordem de 4,0 m; - maior aproximação das estruturas com relação aos cabos da LT de 345kV na fase de montagem; - pequena experiência de FURNAS com a utilização de isoladores compostos. Como os problemas devido ao balanço dos cabos dependem, basicamente, do comprimento do vão e da distância entre os circuitos de 345kV, foram adotados neste trecho, com o objetivo de minimizar estes problemas, os mesmos cabos condutores e pára-raios das LT s de 345kV. Além disto, para minimizar o risco de toque de cabos nas estruturas dos circuitos vizinhos, as estruturas da LT em projeto seriam locadas no ponto médio da reta que une os centros das duas estruturas mais próximas dos dois circuitos de 345kV. 3.0. CÁLCULO MECÂNICO As velocidades de vento foram determinadas de acordo com as figuras 28, 29 e 30 da NBR 5422/85. Foi adotada a velocidade básica de 30m/s para um período de retorno de 50 anos, a 10m de altura do solo, tempo de integração da média de 10min e terreno categoria B. O cálculo da pressão de vento sobre os cabos, isoladores e estruturas foi efetuado de acordo com a Norma IEC 826/92, tendo sido obtidos os seguintes valores de pressão para fins de cálculo, considerando a silhueta da estrutura típica: - dinâmica de referência : 54,4 dan/m 2 ; - cabos condutores : 111,6 dan/m 2 ; (altura média: 33m) - cabo pára-raios : 116,5 dan/m 2. (altura média: 42m) Com vento reduzido, as pressões de vento correspondem a 36% dos respectivos valores com vento máximo, de acordo com a IEC 826. Considerando que todos os vãos são isolados, as tabelas de flechas e trações foram calculadas para
3 diversos ângulos de incidência do vento com relação aos cabos, para permitir a consideração da situação mais desfavorável de esforço transmitido às estruturas pelos vãos adjacentes. 4.0. SÉRIE DE ESTRUTURAS 4.1. Tipos de estruturas Considerando que as estruturas de 138 kv deveriam ser construídas o mais próximo possível das de 345 kv, as suas características foram definidas a partir da análise dos vãos de vento equivalentes das estruturas de 345 kv. Foi adotado então uma série com três tipos de estruturas, com as características mostradas na Tabela 1. TABELA 1 Características da Série de Estruturas Tipo V V (m) V P (m) Ângulo (graus) Altura (m) C1DC 450 750 5 12,0 a 43,5 D1DC 450 1200 25 12,0 a 43,5 E1DC 450 1200 50 12,0 a 43,5 A estrutura E1DC foi projetada, também, para ser instalada em vértices com ângulo de até 90º, com tração reduzida nos cabos, para ser utilizada em derivações de LT s de até 500kV, circuito simples, com espaçamento entre fases de 5,0m. 4.2. Silhueta Os três tipos de estrutura possuem a mesma silhueta, apresentada na figura 2. 4.3. Árvores de carregamento 4.3.1. Aspectos gerais Foram definidas as seguintes hipóteses de cálculo: - Vento máximo transversal; - Cabo condutor rompido, em qualquer posição, com vento reduzido; - Cabo pára-raios rompido, com vento reduzido; - Vento máximo a 45º; - Construção: cabos em lançamento; - Construção: encabeçamento em estrutura intermediária, ou na estrutura terminal de um tramo contínuo. Considerando que as estruturas são de ancoragem e que o vão médio para o ângulo máximo dos três tipos de torres é de 450m, os vãos adjacentes foram considerados iguais a 800 m e 100 m, respectivamente. A tabela 2 apresenta as cargas de tração para estes vãos, considerando o ângulo de deflexão máximo e o vento perpendicular à estrutura. TABELA 2 Cargas de Tração com Vento para Cálculo das Árvores de Carregamento Cargas de Tração (dan) Torre Ângulo Vão 1 (800m) Vão 2 (100m) Tipo Vento Máx. Vento Red. Vento Máx. Vento Red. C1DC 5º 4631 2574 4064 3964 D1DC 25º 4472 2535 4031 3957 E1DC 50º 4008 2423 3895 3937 4.3.2. Hipóteses de construção A hipótese de construção mais crítica para os três tipos de estruturas foi a de encabeçamento na estrutura terminal de um tramo contínuo, que é equivalente ao encabeçamento em um vão isolado. Foi previsto que as estruturas deveriam suportar as cargas de todos os cabos tracionados apenas em um lado da estrutura, na temperatura de lançamento, sem vento, com o ângulo máximo da estrutura. Foi considerada a carga de tração para um vão de 100m a 10ºC. Foram consideradas as condições com vão gravante positivo de 800m e negativo de 500m, condizentes com as condições reais do projeto. Por segurança, todas as cargas foram multiplicadas por um fator igual a 1,5. FIGURA 2 Considerando que, por necessidade dos trabalhos de construção, algumas estruturas poderiam ficar na situação acima por alguns meses, foi verificada a necessidade das mesmas serem estaiadas. As estruturas foram verificadas pelo projetista das
4 mesmas, para as condições reais de aplicação mais desfavoráveis de cada tipo, para um vento com período de retorno de 10 anos, sendo o fator de segurança reduzido de 1,5 para 1,1. Foi constatado que, para estas condições, não haveria necessidade de estaiar as estruturas. 4.4. Detalhes de projeto das estruturas Após a definição das características básicas e das silhuetas, o projeto das estruturas levou em consideração outros detalhes importantes, fundamentais para a construção e operação da LT: - a distância entre fases foi definida em 2,5 m, para evitar aproximação excessiva devido à utilização de amortecedores Stockbridge e à existência de vãos longos e desníveis acentuados; - após uma montagem experimental numa réplica das estruturas, foi definido que seriam necessários dois isoladores tipo line-post para sustentar cada cabo de jumper,de modo a manter a distância mínima à estrutura; - a distância entre os pés das estruturas foi limitada, de modo a evitar interferências com as fundações das estruturas adjacentes das LT s 345 kv; - o comprimento dos montantes das estruturas também foi limitado para reduzir a tensão induzida por efeito eletrostático durante a montagem; - foi prevista a instalação de uma escada na parte interna das torres, com duas plataformas de descanso convenientemente espaçadas. 3, e é compatível com o campo criado por outras LT s em operação. campo elétrico (kv/m) 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 PERFIL DE CAMPO ELÉTRICO circuitos: 2 x 345 kv e 2 x 138 kv faseamento 345 kv: ABC-ABC 0.0-60.0-40.0-20.0 0.0 20.0 40.0 60.0 distância ao eixo da LT 138 kv (m) FIGURA 3 O campo elétrico ao longo da estrutura, durante a fase de montagem, foi calculado admitindo uma distância de 6,0m entre a face da estrutura e o eixo do feixe de subcondutores das LT s 345kV. Os condutores das LT s 345kV foram considerados a 25m do solo. Um exemplo do resultado destes cálculos é apresentado na Figura 4, para uma estrutura completa com altura de 38,0m, estando o centro do painel situado a 25,0m. 5. ESTUDOS DE CAMPO ELÉTRICO E INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA As estruturas, o pessoal de campo e os equipamentos utilizados estarão sujeitos aos campos elétrico e magnético gerados pelos dois circuitos de 345 kv durante a construção da LT. Além disso, com a entrada em operação, a LT 138 kv também contribuirá para o nível do campo eletromagnético no local. O estudo dos efeitos eletromagnéticos torna-se, portanto, fundamental para a verificação da segurança de pessoas circulando no local e para a definição dos procedimentos a serem adotados pelas equipes durante o processo construtivo da linha. 5.1. Campo elétrico campo elétrico (kv/m) CAMPO ELÉTRICO AO LONGO DA ESTRUTURA 40.0 sem blindagem 35.0 com blindagem 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 altura da estrutura (m) FIGURA 4 O campo elétrico a 1m da superfície do solo foi calculado para diversas combinações, considerando a LT 138kV energizada e não energizada. O valor máximo calculado foi de 8kV/ m, para a situação com as três LT s energizadas, conforme mostrado na Figura Considerando o elevado valor do campo elétrico ao qual os montadores poderiam estar sujeitos, foi decidido utilizar painéis de blindagem, colocados a 1,5m da estrutura, conforme mostrado na Figura 5, para reduzir o valor deste campo no local de trabalho. Estes painéis são constituídos por uma tela de aço sobre um quadro de metalon. Os painéis são
5 sustentados por mãos francesas construídas com cantoneiras de aço e munidas de roldanas, para facilitar o içamento. Após algumas instalações experimentais, nas quais foi avaliada a sensibilidade dos montadores aos efeitos do campo elétrico, foi decidido que os painéis somente seriam colocados no trecho da estrutura situado no nível dos condutores da LT 345kV e também que os mesmos deveriam permanecer instalados até a revisão final da estrutura. aterrados ou veículos e cabos isolados, na faixa da LT, devido ao acoplamento eletrostático, durante a construção. Foram calculadas, também, as tensões longitudinais induzidas nos cabos em lançamento, devido ao acoplamento magnético. As tensões induzidas devido ao acoplamento eletrostático foram calculadas seguindo a metodologia clássica, descrita na referência 1. As tensões induzidas devido ao acoplamento magnético foram calculadas a partir das matrizes de impedâncias do sistema e das correntes nas fases, para as situações consideradas. Os valores máximos das correntes de toque para veículos não-aterrados (11,6 ma) e para cabos durante o lançamento na hipótese de falha no aterramento destes (345 ma), são muito superiores aos limites considerados como aceitáveis. Para estes casos, foi recomendado o aterramento de veículos e máquinas de qualquer porte que estejam nas proximidades das LT s, além do aterramento dos cabos condutor e pára-raios durante o lançamento, em, no mínimo, dois pontos em cada estrutura. Os valores máximos da corrente de toque para pessoas isoladas tocando objetos aterrados (0,17mA) e da tensão induzida nos cabos durante o lançamento (210V/km) são inferiores aos limites aceitáveis. Estrutura em Montagem com Painéis FIGURA 5 A figura 4 mostra, também, a variação do campo elétrico ao longo da estrutura após a instalação do painel, confirmando a sua eficácia. Como alternativa aos painéis, foi considerada a utilização de roupa condutiva pelos montadores durante a montagem das estruturas. Esta alternativa foi abandonada devido a baixa durabilidade destas roupas sob trabalho pesado e também ao grande número que seria necessário, o que resultaria num custo elevado. A utilização da roupa condutiva seria necessária apenas quando o montador tivesse que entrar no condutor e durante a instalação do jumper e amortecedores. 5.2. Indução eletromagnética Estes estudos foram feitos para diferentes configurações do faseamento das LT s de 345kV, tendo em vista a existência de uma transposição no trecho do paralelismo, considerando condições normais de operação e de curto-circuito. Foram calculados os valores das correntes de toque para uma pessoa entrando em contato com objetos 6. ESTUDO PARA LOCAÇÃO DAS ESTRUTURAS Conforme já mencionado, a posição do piquete central de cada estrutura foi definida como o ponto médio da reta que une os centros das estruturas de 345kV adjacentes, e, assim sendo, o projeto de plotação das estruturas ficou restrito à definição do tipo e altura das estruturas. A definição desta altura exigiu um estudo detalhado da aproximação entre os cabos da linha de 138kV e os cabos das linhas de 345kV, devido ao balanço causado pelo vento, que foi baseado nas seguintes premissas: - foi admitido que não haveria problema de balanço entre os cabos condutores das linhas adjacentes, uma vez que as menores distâncias entre estes cabos são da mesma ordem de grandeza que o espaçamento horizontal entre fases de uma linha de 138kV; - assim sendo, foi considerada somente a possibilidade de contato entre um cabo pára-raios de uma linha e um cabo condutor da outra; - a distância mínima foi admitida igual a 1,5m; - para cálculo da menor distância foi admitido o cabo pára-raios na posição de repouso e o cabo condutor deslocado pelo vento pois, para uma mesma velocidade do vento, o ângulo de balanço do condutor é maior;
6 - foi adotada a velocidade de vento de 21,6m/s, correspondente a um período de retorno de 10 anos. O estudo da aproximação entre os cabos foi feito com o auxílio de um programa computacional que calcula a menor distância entre as respectivas catenárias, para incrementos do ângulo de balanço do cabo condutor, desde a posição de repouso até o ângulo de balanço máximo calculado, permitindo assim a determinação da distância mínima real. Nos vãos em que a distância mínima não foi atendida, foi retirado o cabo pára-raios em questão. Nestes casos foram realizados estudos que demonstraram que a retirada tanto do cabo pára-raios interno de um circuito de 345 kv quanto do cabo pára-raios da LT 138 kv não põe em risco os cabos condutores de nenhuma das LT s, visto que a blindagem contra descargas atmosféricas feita pelos cabos pára-raios restantes é suficiente. - segundo informação dos montadores, nas estruturas com maior proximidade com as LT s de 345kV, o efeito do campo eletrostático era sensível, apenas, no nível dos cabos de 345kV. - os trabalhos que requeriam acesso aos condutores (instalação do jumper e amortecedores) foram executados pelo pessoal de manutenção de FURNAS, utilizando técnicas de trabalho em linha viva ao potencial sem, entretanto, a utilização de roupa condutiva, conforme mostrado na figura 6, por se tratar de uma linha sujeita apenas a tensão induzida. 7. CONSTRUÇÃO O projeto em questão apresenta uma diferença essencial com relação aos projetos tradicionais, pois o deslocamento de uma estrutura da posição definida inicialmente e/ou a modificação da sua altura, requer novos estudos de balanço dos cabos e muitas vezes esta modificação não é viável. Assim, devido a esta restrição, houve necessidade de diversos projetos de fundações especiais utilizando estaca raiz, tendo em vista as numerosas ocorrências de rocha próximas à superfície e a impossibilidade de utilização de dinamite para a sua remoção, em decorrência da proximidade com as fundações das torres de 345kV. Durante a montagem foi constatado que a distância do jumper à estrutura ficou abaixo do valor especificado de 1,5m. Assim sendo, cada jumper foi instalado com dois conjuntos de armaduras preformadas, transpassadas no centro do mesmo, para aumentar a sua rigidez, o que resolveu o problema. Instalação do jumper FIGURA 6 Além disso, as características únicas de projeto e construção desta LT levaram à total integração entre os diversos segmentos envolvidos no empreendimento, por meio de encontros técnicos, reuniões e discussões sobre procedimentos, com objetivo de tornar viável e segura a construção e operação da linha, tanto para as equipes de campo quanto para a população local. 8. REFERÊNCIAS (1) Transmission Line Reference Book 345 kv and Above, EPRI; Com relação aos efeitos de campo eletromagnético temos a observar: - em duas ocasiões foi tentada a medição do campo elétrico ao longo de uma estrutura em fase de montagem, com um medidor da Electric Field Measurements Co., Modelo 100. Entretanto, devido às dificuldades de posicionamento do medidor e as interferências com o pessoal e equipamentos de montagem, os valores obtidos não foram coerentes entre si, não sendo confiáveis.