A segurança da rede elétrica depende do controle da tensão dos condutores aéreos

À medida que o inverno se aproxima, ventos gelados e neve batem implacavelmente nas imponentes torres de transmissão. Imagine a imensa pressão sobre os condutores que conectam essas estruturas durante condições climáticas extremas. A tensão do condutor — um parâmetro aparentemente menor — na verdade detém a chave para a segurança e estabilidade de sistemas inteiros de transmissão de energia. O cálculo preciso e o controle eficaz da tensão do condutor representam desafios cruciais para os engenheiros de energia.

A operação segura dos condutores aéreos depende do controle preciso da tensão. A tensão excessiva acarreta o risco de ruptura do condutor e interrupções no fornecimento de energia, enquanto a tensão insuficiente causa flechas excessivas, comprometendo as folgas de segurança. Portanto, os projetos de sistemas de energia devem incorporar cálculos meticulosos de tensão para garantir a operação segura em todas as condições.

O processo de cálculo começa com o estabelecimento das condições operacionais básicas e dos fatores de segurança. A indústria de energia normalmente estabelece padrões operacionais com base no clima local, geografia e importância da linha. Nas linhas de transmissão do Reino Unido, os padrões comuns incluem:

• Tensão Máxima de Trabalho (MWT): A tensão de pico que os condutores podem suportar em condições extremas. Por exemplo, a -6°C com pressão de vento transversal de 383 N/m² e espessura de gelo de 12,7 mm, a tensão não deve exceder 50% da carga de ruptura (fator de segurança de 2).
• Tensão Diária (EDS): Tensão em operação normal. A 16°C, a tensão normalmente permanece abaixo de 20% da carga de ruptura.

Observe que a proporção de 20% serve como exemplo — os projetos reais devem considerar os efeitos do terreno na turbulência do vento, envelhecimento do condutor e outros fatores. A pesquisa confirma que o terreno impacta significativamente os padrões de turbulência do vento, exigindo considerações de temperatura específicas para cada local.

A relação entre a tensão do condutor (T) e a flecha (S) segue esta fórmula:

Onde:

• W = peso do condutor por unidade de comprimento (kg/m)
• L = comprimento do vão (m)
• g = aceleração da gravidade (1 kgf = 9,81 N)
• S = flecha do condutor (m)

Considere um condutor com MWT de 65,95 kN a -6°C, 12,7 mm de gelo e pressão de vento de 383 N/m². Para calcular sua flecha a 20°C em 400 metros:

Com parâmetros do condutor:

• Diâmetro = 28,62 mm
• Módulo de elasticidade = 69 × 10³ MN/m²
• Área da seção transversal = 484,5 mm²
• Coeficiente de expansão térmica = 19,3 × 10⁻⁶ /°C
• Peso final = 1,621 kg/m

Os projetistas devem levar em consideração circunstâncias excepcionais:

Curto-circuitos: Os condutores de fase experimentam atração/repulsão mecânica breve. Embora a duração seja muito curta para um cálculo preciso, o espaçamento suficiente entre as fases impede colisões entre os condutores.

Acúmulo de Gelo: O gelo aumenta o peso, o diâmetro e a carga de vento do condutor. Regiões propensas à neve exigem padrões apropriados de carga de gelo. A EN 50341-3-9 especifica uma carga de gelo uniforme de 5 kN/m³ para projetos no Reino Unido, ou 9 kN/m³ quando combinada com o vento.

Terremotos: A atividade sísmica introduz acelerações horizontais/verticais. A análise simplificada trata-as como cargas horizontais equivalentes — para transformadores, momentos adicionais são calculados com base no peso, altura e distância entre eixos.

Como os piores cenários raramente coincidem, os engenheiros combinam as cargas com critério:

• Carga total de gelo + 50% da velocidade base do vento
• Carga sísmica total + 50% da carga de vento

Para vãos com menos de 400 metros, a equação parabólica aproxima bem a tensão:

Onde f = flecha (m), p = peso do condutor (kN/m), L = vão (m) e T₀ = tensão (kN).

Além dos condutores, os sistemas de transmissão incluem:

• Condutores Nus: Linhas aéreas que exigem excelente condutividade, resistência e resistência à corrosão.
• Fios de Guarda: Instalações no topo da torre que protegem os condutores de fase contra raios.
• Hardware: Suporta, fixa e conecta condutores e isoladores, evitando danos por vibração.
• Torres: Estruturas que mantêm folgas seguras entre condutores, solo e objetos. Os tipos comuns incluem postes de madeira, postes de concreto e torres de aço.
• Cabos de Estai: Aumentam a resistência da torre, reduzem os requisitos de material e diminuem os custos de construção, ancorando as torres contra inclinação ou colapso.
• Fundações: Suportes montados no solo que evitam elevação, inclinação ou subsidência. Os tipos variam de acordo com a geologia e incluem bases pré-fabricadas, estacas moldadas no local e fundações de rocha.

A tensão do condutor continua sendo fundamental para a segurança da transmissão aérea. Por meio de cálculo e controle precisos — levando em consideração o clima, a geografia, as propriedades do condutor e as cargas especiais — os engenheiros garantem a entrega confiável de energia em todas as condições operacionais. A consideração abrangente desses fatores permite decisões de projeto sólidas que protegem a infraestrutura de transmissão elétrica.