Otimização dimensional, de forma e topológica de famílias de torres de linhas de transmissão de energia

Abstract

As torres de linhas de transmissão (LTs) fazem parte das linhas áreas de transmissão de energia, sendo responsáveis pela suspensão dos cabos condutores e para-raios a fim de obedecer a critérios normativos de segurança quanto às suas distâncias elétricas mínimas. Devido ao grande número de estruturas em uma linha, a sua otimização pode gerar uma redução de custo significativa no orçamento global de uma LT. Entretanto, para evitar o projeto de torres únicas em cada local de montagem, é prática industrial adotar o conceito de família de suportes. Nesta lógica, torres de LTs de uma mesma família compartilham de um mesmo corpo básico, atingindo diferentes alturas em função de composições distintas de extensões de corpo e pernas. Com isso, adapta-se facilmente o suporte à topografia do terreno em cada ponto de instalação na LT, enquanto minimiza-se as etapas de projeto e fabricação das estruturas. Este trabalho objetiva abordar o conceito de famílias em um esquema simultâneo de otimização dimensional, de forma e topológica de torres de LTs. A metodologia desenvolvida é baseada na extensão do procedimento proposto por Souza et al. (2016). São avaliadas duas famílias de torres de suspensão do tipo tronco-piramidal de 230 kV, sendo uma de circuito simples composta por três tipos de extensão e dois de pernas, e outra de circuito duplo com quatro extensões e duas pernas. Também incorpora-se ao modelo o cálculo da quantidade de parafusos nas ligações e o dimensionamento de barras redundantes. As soluções ótimas obtidas para cada exemplo mostram-se em torno de 10% mais leves que o projeto original, mostrando a eficiência do esquema proposto. Por fim, com o propósito de comparar os esforços internos obtidos pelos modelos elásticos lineares usados na otimização, as soluções ótimas são também avaliadas por meio de análises não lineares geométricas. Esta dissertação faz parte do projeto P&D ANEEL/COPEL 06491-0311/2013 atualmente em desenvolvimento no grupo de pesquisa CORE/UFSC.

Abstract: Transmission line towers are part of the overhead transmission lines (TL), being responsible to support the conductor cables and ground wires in order to comply with normative safety criteria regarding their minimum electrical clearances. Because of the large number of structures in a transmission line, optimization procedures can result in a significant cost reduction at the TL?s overall budget. However, with the purpose of avoiding designing single structure at each tower site, it is a industrial practice to adopt the concept of tower family. Towers from the same family share the same basic tower body, reaching different heights due to distinct compositions of body and leg extensions. Thus, it easily adapts the structural support to the terrain topography at each installation point in a TL, while minimizing the design and manufacturing processes. This work aims to approach the concept of tower families in a simultaneous scheme of dimensional, shape and topological optimization of TL towers. The developed methodology is based on the extension of the procedure proposed by Souza et al. (2016). Two families of 230 kV suspension towers are evaluated, one of which is a double circuit composed of four body extension types and two legs, and the other is a single circuit with three body extensions and two legs. The determination of the number of bolts necessary in each connection and the dimensioning of redundant members were also incorporated into the model. The optimal solutions for both examples are around 10% lighter than the original designs, showing the efficiency of the proposed scheme. Finally, in order to compare the internal stresses obtained by the linear elastic models used in the optimization procedures, the optimal solutions are also evaluated by nonlinear geometric analysis. This work is part of the R&D ANEEL/COPEL 06491-0311/2013 project currently under development by the CORE/UFSC search group.