88860816-Aula1-Introducao

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Professor: Thales Terrola e Lopes [email protected]

[email protected]

CÁLCULO

MECÂNICO DE

LINHAS DE

TRANSMISSÃO

GELE 7305

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

CÁLCULO MECÂNICO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO

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EMENTA

1. Transmissão de Energia Elétrica:

1.1. Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão (fundações e

estruturas).

2. Elementos básicos para os projetos das linhas aéreas de

transmissão:

2.1.Temperaturas necessárias aos projetos (método estatístico x

método direto ou gráfico).

2.3.Uso Velocidade dos ventos de projeto.

2.4. Pressão do vento.

3. Flexas máximas dos cabos:

3.1. Temperatura;

3.2.Deformações;

3.3. Alongamentos.

4. Roteiro dos projetos mecânicos:

4.1. Desenvolvimento do projeto.


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CRITÉRIO DE AVALIAÇÃO

- 01 Prova escrita (P) no valor de

10.0 pontos;

- 01 Trabalho (T) no valor de 10.0

pontos;

- Média Final (MF) = (P + T)/2.

-Aprovação MF ≥ 6.0


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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

[1] – Projetos Mecânicos das Linhas Aéreas de Transmissão.

Autores: Paulo Roberto Labegalini, Rubens Dário Fuchs, Márcio

Tadeu de Almeida.

Editora: EDGAR BLUCHER

2 ª Edição – 1992; 548 páginas.

[2] Apostilhas do Prof. Milton.


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• Envolve o processo da produção de energia elétrica através de uso de diversas tecnologias e fontes primárias (água, vento, comb. fosseis, gás, minerais, etc);

• Existe uma grande gama de opções para geração de eletricidade, cada uma delas com características bem distintas e específicas em termos de dimensionamento, custos e tecnologia;

• Compreende todo o processo de transformação de uma fonte (recurso natural) primária de energia em eletricidade (forma secundária da energia) sendo responsável por uma parte bastante significativa dos impactos ambientais, sócio-econômicos e culturais dos sistemas de energia elétrica.

GERAÇÃO


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• Efetua o transporte da energia elétrica

produzida nos Centros de Geração ou

Produção (Usinas) de Energia Elétrica até

as fronteiras dos grandes blocos

consumidores onde se conecta com a

Distribuição.

TRANSMISSÃO


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• Efetua o transporte da energia elétrica das

fronteiras dos grandes blocos consumidores

onde se conecta com a Transmissão aos

consumidores individualizados.

DISTRIBUIÇÃO

− Alta tensão de distribuição (AT): tensão entre fases cujo valor

eficaz é igual ou superior a 69kV e inferior a 230kV.

− Média tensão de distribuição (MT): tensão entre fases cujo valor

eficaz é superior a 1kV e inferior a 69kV.

− Baixa tensão de distribuição (BT): tensão entre fases cujo valor

eficaz é igual ou inferior a 1kV.


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- O nível de tensão depende do país, mas normalmente o nível de tensão

da transmissão está estabelecido entre 220 kV e 765 kV.

- A rede de sub-transmissão recebe energia da rede de transmissão com

objetivo de transportar energia elétrica a pequenas cidades ou importantes

consumidores industriais. O nível de tensão está entre 35 kV e 160 kV.


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TERMINOLOGIAS

– AMPACIDADE Corrente máxima que a linha é capaz de transmitir sem que haja um

aquecimento elevado dos condutores que provocam sua dilatação, aumentando a flecha da

linha e diminuindo a distancia do cabo ao chão, tornando perigoso o local da instalação.

-EFEITO CORONA Efeito decorrente do rompimento do dielétrico do ar ao redor dos

condutores, que cria pequenas descargas ao redor do condutor, com forma similar de uma

coroa. Provoca perdas elétricas no sistema e interferência em rádio e TV em localidades

próximas. Já na ocorrência de sobretensões na linha, o efeito corona é um meio importante

de amortecer tais falhas, agindo como um "escape" desta energia excedente. As linhas de

EAT são projetadas de forma a terem seu campo elétrico próximo desse valor limite. Utiliza-

se múltiplos condutores por fase para reduzir esse efeito.

-COMPENSAÇÃO DE LINHASPara linhas com grandes comprimentos, acima de 400

km, é necessário o uso de equipamentos de compensação, tais como reatores em paralelo

e capacitores em série, para aumentar a capacidade da linha.

-FAIXA DE SERVIDÃO DA LINHA DE TRANSMISSÃO - Caracterizam-se como locais com

restrições ou com limitações no tocante à implementação de uso e ocupação que

configurem violação dos padrões de segurança estabelecidos nas normas técnicas e

procedimentos das concessionárias de energia.


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Os níveis de tensões

praticados no Brasil são: 765

kV, 525 kV, 500 kV, 440 kV, 345

kV, 300 kV, 230 kV, 161 kV, 138

kV, 132 kV, 115 kV, 88 kV, 69

kV, 34,5 kV, 23 kV, 13,8 kV, 440

V, 380 V, 220 V, 110 V


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O projeto mecânico de linhas de transmissão é um

problema de otimização de custos, onde se deseja-se

dimensionar torres e cabos de tal forma que o custo

seja mínimo, sem deixar de atender restrições

impostas.

Pela altura mínima que os cabos devem ficar do solo (Catenária);

Pela necessidade de ter cabos com um certo diâmetro mínimo, capazes de

conduzir a corrente necessária;

Pela presença de ventos e neve, que modificam o peso aparente do cabo;

Pelo tipo de terreno;

Pela força de tração máxima admitida pelos cabos.


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• O transporte de energia elétrica pelas linhas de

transmissão tem, dentro de um sistema elétrico,

o caráter de “prestação de serviços”, devendo

ser confiável, eficiente e econômico.

TRANSMISSÃO

Algumas variáveis de projeto:

Valor da tensão de transmissão;

Número, tipo e bitolas dos condutores por fase;

Número e tipo dos isoladores e distãncias de segurança;

Número de circuitos trifásicos;

Materiais estruturais e a forma dos suportes resistirem aos esforços;


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Para idênticos parâmetros de desempenho e confiabilidade, deve ser escolhida a solução para a qual a parcela anual dos investimentos feitos, mais os custos de operação e manutenção (incluídas as perdas anuais de energia) sejam mínimos.

TRANSMISSÃO Solução?


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Tipos de Linhas de Transmissão

Tipo:

Aérea x Subterrânea x Submarina

Corrente:

Contínua x Alternada

A linha aérea é formada por condutores nus ou em cordoalha, dependendo

do nível de tensão, montados em apoios (torres) por intermédio de isoladores.

A linha subterrânea e submarina é constituído por condutores isolados ao

longo de todo o seu comprimento e reunidos em um invólucro comum

convenientemente protegido (cabo encapsulado). Custo bastante elevado por

conta da blindagem dos condutores. Pouco utilizadas.


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Tipos de Linhas de Transmissão

Forma de Construção:

Circuito Simples x Circuitos Múltiplos

Nesse tipo de

construção, a

torre de

transmissão

leva apenas um

grupo de fases.

Nesse outro

tipo de

construção, a

torre de

transmissão

leva dois ou

mais grupos

de fases.


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Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão

Estruturas de suporte (torres);

Cabos condutores de energia e acessórios;

Estruturas isolantes;

Cabos Pára-Raios;

Fundações Dependem das características do tipo do solo

Grelha (estrutura de aço enterrada) x concreto.

Aterramentos Geralmente feito por cabos de cobre e/ou aço

cobreado descarregar as correntes excedentes para a terra.

Acessórios diversos (esferas de sinalização,

amortecedores, etc).


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21


As estruturas de uma linha de transmissão servem de

suporte para os cabos condutores e pára-raios, são

dimensionados para manterem os cabos condutores

com distâncias elétricas das partes aterradas

compatíveis com nível de tensão, além de suportarem

mecanicamente os esforços transmitidos pelos cabos.

Torres ou estruturas

Estruturas metálicas, normalmente de aço galvanizado, que

sustentam os cabos condutores nas linhas de transmissão

(alta resistência mecânica, à corrosão, baixo peso específico

e custo de produção).


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Sustentação dos cabos condutores e pára-raios e tem tantos pontos de

fixação de condutores e pára-raios quanto forem os mesmos .


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Dimensões e formas são variáveis e dependem da classe de

tensão, da função mecânica, do tipo de material empregado, da

disposição dos condutores e pára-raios, etc.

Padrões estruturais famílias de estruturas que atendem ao

projetista, permitindo especificar corretamente a LT, indicando a

estrutura adequada para cada caso, à luz dos estudos feitos, os

quais visam criar suportes seguros, porém econômicos.



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a)Classe de tensão

Para cada classe de tensão, é necessário projetar padrões estruturais que

atendam a cada nível de isolamento, com vistas a segurança e a economia, na

medida em que é necessário estabelecer as distâncias fase-fase e fase-terra,

levando inclusive em conta o balanço das cadeias.

b) Quanto ao material empregado

Utilizadas estruturas em concreto, metálicas com perfis de aço galvanizado ou em

postes de aço, concreto armado.

c) Quanto ao espaçamento

Estruturas convencionais ante econômicas e em geral ocupam grandes

espaços;

Estruturas compactas aumento de energia transportada, otimizando e reduzindo

o custo do empreendimento e aumentando assim a eficiência da LT.


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d) Quanto à função mecânica - Mais comuns - mais simples e mais

econômicas;

- Sua finalidade precípua é simplesmente

apoiar os cabos condutores e pára-raios,

mantendo-os afastados do solo/terra e

entre si, de acordo com normas de

segurança bem definidas.

- Têm como característica comum o

fato de que os condutores nelas têm

continuidade, não sendo seccionados

mecanicamente e sim apenas

grampeados, através dos chamados

grampos de suspensão.


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Podem ser de alinhamento

reto e de ângulo pequeno ou

grande, a depender das

necessidades do projeto;

Grandes trechos retos

normalmente pequenos

ângulos (de 5° a 20°).


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d) Quanto à função mecânica

Seccionam mecanicamente as LT’s,

servindo de ponto de reforço e

abertura eventual em eventos

específicos.

São suportes de segurança das LT’s -

Normalmente são projetadas para

resistirem às cargas assimétricas,

acidentais ou não, provocados por

ocorrências fortuitas de porte;

Elas podem ser de alinhamento ou de ângulo grande (estruturas muito resistentes

e podem suportar ângulos de 15 a 35° (médias) e até ângulos de 90°).


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d) Quanto à função mecânica

São estruturas destinadas a facilitarem a execução das

transposições de fases nas linhas de transmissão.

Transposição


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Estruturas autoportantes;

Estruturas rígidas;

Estruturas flexíveis;

Estruturas estaiadas;

Estruturas mistas ou semi-rígidas.

Classificação quanto a forma de resistir das estruturas


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Torres ou estruturas Estaiadas Sustentadas por

cabos tensionados no solo Autoportante Sustentadas pela

própria estrutura


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Estruturas de madeira;

Estruturas de concreto armado;

Estruturas metálicas estruturas treliçadas em aço galvanizado.

Classificação segundo os materiais

Solucionam qualquer

problema de altura,

disposição, carregamento,

distanciamento de cabos e

equipamentos, versatilidade

para adaptações, etc.

Padronização em função

de famílias que atendem

aos casos corriqueiros de

tensão e filosofia de

transmissão.

Projetadas

peça a peça.

-Membros;

- Nós


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35



36



37



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FUNDAÇÃO


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MONTAGEM


MONTAGEM e MANUTENÇÃO


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Cabos condutores de energia

Decisivos nas limitação da perda de energia (Joule ou corona);

Elementos ativos (normalmente energizados);

Escolha baseada em função das características técnicas e econômica:

“Assegurar que a linha transfira a potência necessária a um custo razoável.”

Condutores selecionados com suficiente capacidade técnica para atender

as condições de regime normal e de emergência;

O custo dos condutores 60% do custo dos materiais de uma linha de

transmissão (40% para os demais componentes).

Alta condutividade - baixa resistência elétrica (perdas por efeito joule dentro de

limites economicamente rentáveis) – Alumínio = 61%Cobre;

Elevada resistência mecânica - integridade física dos condutores (aumento do

rendimento de utilização das estruturas – transporte de mais potência) -

Alumínio = 50%Cobre;


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Cabos condutores de energia

Baixo peso especifico - menor o peso específico dos condutores, menores

serão os esforços mecânicos transmitidos as estruturas (estruturas mais leves e

mais econômicas );

Alta resistência a oxidação - oxidação leva a perda da secção útil do condutor

(redução da sua resistência mecânica) - cobre, alumínio, e ligas de alumínio;

Cabo de Cobre - Maior peso específico, condutibilidade e maior resistência

mecânica.

A partir de 1908: Cabos de Alumínio com Ama de Aço, CAA ou ACSR

(Aluminium Conductor Steel Reinforced).

Todas as vantagens em relação ao cobre.

Condutividade do alumínio é mais que o dobro do cobre por unidade de peso.


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Flexa do condutor

Altura de segurança –

distância do condutor

ao solo

função da tensão

da linha e natureza do

terreno atravessado.


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O cabo é especificado pela sua bitola (área da seção transversal em mm2) e

pelo número de fios em sua formação.

A bitola pode ser dada em CM (ASTM) corresponde somente a área de

alumínio no cabo (sem unidade).

ESPECIFICAÇÃO

Um CM é uma unidade de área que corresponde à área de um círculo cujo

diâmetro é igual a um milésimo da polegada, ou 0,00064516 mm2.

Norma NBR 293 – fabricação para fins elétricos de cabos de Alumínio (CA) e

cabos de Alumínio com Alma de Aço (CAA) – fios com pureza de 99,45%.

Similar a norma americana ASTM.


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Tipos de cabos condutores mais empregados em linhas de transmissão

ACSR – (Aluminum Conductor Steel Reinforced)

O cabo ACSR é constituído de uma ou mais camadas concêntricas de fios de

alumínio ECH-19 encordoados sobre uma alma de aço de alta resistência,

galvanizado (zinco), constituído de um único fio ou de vários fios encordoados,

dependendo da bitola do cabo (7,19 ou mais fios de aço).

Alma de aço - Maior resistência mecânica ao cabo.

Redução do efeito

corona

Reduzir as

flechas e

aumentar os

vãos.


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ACSR – (Aluminum Conductor Steel Reinforced)

O cabo é especificado pela

sua bitola (área da seção

transversal em mm2) e

pela sua composição

(número de fios de

alumínio e de aço).

Aves


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AAC – (All Aluminum Condutor)

O cabo AAC é composto de vários fios de alumínio ECH-19 encordoados.

Para um mesmo percentual de tensão em relação à carga de ruptura, esse

tipo de cabo apresenta flechas superiores às do cabo ACSR (relações

peso/carga de ruptura superior às do cabo ACSR);

Alternativa para as linhas de transmissão urbanas, onde os vãos são

menores e as deflexões no traçado são maiores;

Os fios são dispostos em torno de um

fio central, em camadas sucessivas

enroladas em sentidos contrários para

um melhor aperto.


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AAC – (All Aluminum Condutor)


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Cabos Especiais

Cabos de alumínio reforçados com fios de liga de alumínio;

Cabos de alumínio suportados pelo aço;

Cabos Auto-Amortecidos CAA – SD;

Par Torcido CAA;


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Cabo Pára-Raios

Cabos de guarda ou pára-raios interceptar descargas atmosféricas evitando

que estas atinjam os cabos condutores;

Condutores para sistema de telemedição ou comunicação por onda portadora

necessário uso de isolação em relação ao suporte por meio de isoladores de

baixa tensão disruptiva (centelhadores);

Tipos:

Cordoalha de fios de aço, zincada (Norma NBR 5908).

Cabos CAA extra-fortes – menor relação área de alumínio/área de aço. Linhas

com pára-raios isolados (ondas portadoras).

Cabos aço-alumínio – fios de aço revestidos de espessa camada de alumínio

(ondas portadoras e atmosfera agressiva).


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AMPACIDADE

Capacidade Térmica dos Cabos maior densidade de corrente nos cabos

maior aquecimento (perdas joule).

“Para cada cabo existe um valor limite superior de temperatura para

operar em regime permanente sem que haja degradação de sua

resistência mecânica (70° e 85°C).”

Temperaturas elevadas Suportadas em um curto intervalo de tempo (100°C).

AMPACIDADE corrente permissível no cabo, para que nas condições

ambientais pré-fixadas, o seu valor não ultrapasse o valor máximo de

temperatura fixado para regime permanente.

Parâmetros ambientais de referência: temperatura do ar, insolação e

velocidade do vento (13 fatores).


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Um cabo atinge a temperatura de regime permanente quando

houver equilíbrio entre o calor ganho e calor perdido pelo cabo.

AMPACIDADE

A

r

sqcqrqI

cqrqsqrI

310

2

Ganho de calor: efeito joule (qj = rI2 W/km) e radiação solar (qs W/m)

Perda de calor: irradiação (qr W/m) e convecção (qc W/m)

kmr /


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AMPACIDADE

A

r

sqcqrqI

cqrqsqrI

310

2


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AMPACIDADE


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AMPACIDADE

Uma linha de subtransmissão de 230 KV supre de energia uma região

urbana onde dominam comércio e os serviços, de forma que a ponta da

carga fica deslocada para os horários de maior calor. Em virtude do uso

intenso de climatizadores. A demanda registrada no receptor da linha, com

tensão de 220 KV, e de 225 MVA, cos θ = 0.88, quando a temperatura

ambiente é de 36°C, com sol. Observou-se uma brisa estimada em 0.8m/s

perpendicular aos cabos.

Qual a temperatura que os cabos GROSBEAK usados nesta linha deverão

atingir?

EXERCÍCIO


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Estruturas isolantes

Instalados em conjunto cadeias de isoladores;

Isoladores e ferragens;

Fixar os condutores nas estruturas, mantendo-se o

isolamento necessário entre eles.

Discos de vidro temperado;

Porcelana vitrificada;

Poliméricos (material sintético composto).

Ferragens são dimensionadas para suportarem as

cargas mecânicas transmitidas pelos cabos condutores

e as solicitações elétricas pelas sobretensões que

ocorrem na linha de transmissão.


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Estruturas isolantes - Problemas Em alta e muito alta tensão a

espessura do isolador é grande, o

que implica cuidadosos processos

de fabricação de forma a evitar a

existência de heterogeneidades

no interior da massa do isolador,

que conduzam ao perigo de

perfuração.

Suportabilidade elétrica do

isolador depende da amplitude

e tempo de duração das

solicitações (sobre tensões).


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Estruturas isolantes - Problemas

Pode ser evitado dando ao

isolador uma forma

conveniente, de modo a

tornar o mais longo possível o

caminho da corrente de fuga

(linha de fuga).


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Estruturas isolantes - Problemas


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Estruturas isolantes – características

- Rigidez dielétrica suficiente para que a sua tensão de perfuração seja

muito superior à tensão de serviço, o que lhes permite suportar

sobretensões que possam aparecer na linha sem risco de perfuração;

- Forma adequada para, em primeiro lugar, diminuir a corrente de fuga até

que seja praticamente desprezível e, em segundo, evitar as descargas de

contornamento.

- Resistência mecânica suficiente para suportar os esforços exercidos

pelos condutores.

- Resistência às variações buscas de temperatura.

- Preço baixo.


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Estruturas isolantes - Tipos

Isoladores tipo PINO

Presos a estrutura

através de um pino

de aço.

Vidro ou porcelana vidrada.

Limitado a classe de 66/75

KV tensões maiores

ficam muito grandes e

volumosos.


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Isoladores tipo Pilar ou Coluna

Uma única peça em vidro, porcelana vidrada ou composito sintético.


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Isoladores tipo Suspensão

Monocorpo x Disco

- Peça longa;

- Até 220 KV (peça única).

- isoladores de campânula simples;

- isoladores de campânula dupla;

- isoladores de tronco longo.


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Isoladores tipo Suspensão - Disco

O número de isoladores que forma uma cadeia depende

da tensão.

-Tensão de 120 kV 6 a 8 isoladores;

- 500 kV 26 a 32 isoladores.

A tensão média por isolador é de 10 kV.

- Nível ceráunico – n° de dias por ano em que se

registram descargas atmosféricas e grau de proteção

desejado contra descargas.


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70



Cadeias de suspensão - Cadeias verticais ou em V são usadas em postes

onde apenas há suspensão de linhas (postes de alinhamento) ou pequeno

ângulo.

CADEIA DE

SUSPENSÃO

SIMPLES – DE

500 ATÉ 750 kV

4 condutores

por fase


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Cadeias de suspensão - Cadeias verticais ou em V são usadas em postes

onde apenas há suspensão de linhas (postes de alinhamento) ou pequeno

ângulo.

CADEIA DE

SUSPENSÃO

SIMPLES – ATÉ

230 kV

2 condutores

por fase


72



Cadeias de ancoragem - Cadeias horizontais são usadas em postes de

amarração, de ângulo ou fim de linha.

As cadeias podem ser simples ou duplas.


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74

ACESSÓRIOS

ESFERAS SINALIZADORAS


75

ACESSÓRIOS

Separadores de Feixe de Condutores


76

ACESSÓRIOS

Amortecedores - “Stock bridge”

Atenuação de

vibrações

eólicas nos

cabos e pára-

raios.

Tipo

Festão


77

ACESSÓRIOS

Hastes para Corona


78

APLICATIVO COMPUTACIONAL

MicroStation PowerDraft

http://www.bentley.com/pt-BR/

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