Aula1_Introducao

CÁLCULO MECÂNICO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO GELE 7305 Professor: Thales Terrola e Lopes [email protected] [email protected] 1

CÁLCULO MECÂNICO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO

EMENTA 1. Transmissão de Energia Elétrica: 1.1. Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão Transmissão (fundações e estruturas). 2. Elementos básicos para os projetos das linhas aéreas de transmissão: 2.1.Temperaturas 2.1.Temperaturas necessárias aos projetos (método estatístico x método direto ou gráfico). 2.3.Uso Velocidade dos ventos ventos de projeto. projet o. 2.4. Pressão do vento. 3. Flexas máximas dos cabos: 3.1. Temperatura; 3.2.Deformações; 3.3. Alongamentos. 4. Roteiro dos projetos mecânicos: 2 4.1. Desenvolvimento do projeto.


CRITÉRIO DE AVALIAÇÃO

- 01 Prova escrita (P) no valor de 10.0 pontos; - 01 Trabalho (T) no valor de 10.0 10 .0 pontos; - Média Final (MF) = (P + T)/2. -Aprovação MF ≥ 6.0 3

CÁLCULO MECÂNICO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO 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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GERAÇÃO

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 6 sistemas de energia elétrica. •


TRANSMISSÃO •

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. 7


DISTRIBUIÇÃO •

Efetua o transporte da energia elétrica das fronteiras dos grandes blocos consumidores onde se conecta com a Transmissão aos consumidores individualizados. − 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. 9


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TERMINOLOGIAS 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. Utilizase múltiplos condutores por fase para reduzir esse efeito. -COMPENSAÇÃO DE LINHASPara 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 11 procedimentos das concessionárias de energia.

– AMPACIDADE


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 12


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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; 14  Pela força de tração máxima admitida pelos cabos 


TRANSMISSÃO •

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. 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;

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TRANSMISSÃO Solução? 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. 16


Tipos de Linhas de Transmissão Corrente: Contínua x Alternada

Tipo: Aérea x Subterrânea x Submarina

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 por17


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. 18


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,

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Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão

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Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão Torres ou estruturas

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. Estruturas metálicas, normalmente de aço galvanizado, que sustentam os cabos condutores nas linhas de transmissão (alta resistência mecânica, à corrosão, baixo peso específico21



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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Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão Torres ou estruturas 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. 23


Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão Torres ou estruturas 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 24


Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão 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 25 grampos de suspensão



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°). 26


Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão d) Quanto à função mecânica São suportes de segurança das LT’s Normalmente são projetadas para resistirem às cargas assimétricas, acidentais ou não, provocados por ocorrências fortuitas de porte; Seccionam mecanicamente as LT’s, servindo de ponto de reforço e abertura eventual em eventos específicos. Elas podem ser de alinhamento ou de ângulo grande (estruturas muito resistentes 27


Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão d) Quanto à função mecânica

Transposição São estruturas destinadas a facilitarem a execução das transposições de fases nas linhas de transmissão.

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Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão Classificação quanto a forma de resistir das estruturas 

Estruturas autoportantes;



Estruturas rígidas;



Estruturas flexíveis;



Estruturas estaiadas;



Estruturas mistas ou semi-rígidas.

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Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão Torres ou estruturas Sustentadas por

Autoportante  Sustentadas pela própria estrutura

Estaiadas  cabos tensionados no solo

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Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão Classificação segundo os materiais 

Estruturas de madeira;



Estruturas de concreto armado;



Estruturas metálicas  estruturas treliçadas em aço galvanizado.

Solucionam qualquer problema de altura, disposição, carregamento, distanciamento de cabos e equipamentos, versatilidade para adaptações, etc.

Projetadas peça a peça. -Membros; - Nós

Padronização em função de famílias que atendem aos casos corriqueiros de tensão e filosofia de transmissão. 31


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FUNDAÇÃO


MONTAGEM

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MONTAGEM e MANUTENÇÃO


MONTAGEM e MANUTENÇÃO


Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão 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) - 43 


Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão 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. 44

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


Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão Flexa do condutor

Altura de segurança – distância do condutor ao solo função da tensão da linha e natureza do terreno atravessado. 45



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Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão ESPECIFICAÇÃO O cabo é especificado pela sua bitola (área da seção transversal em mm 2) 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). 

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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Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão 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 48os aumentar


Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão 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 49


Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão 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. 50


Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão AAC – (All Aluminum Condutor)

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Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão 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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Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão 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 alumínio53


Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão 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

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Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão AMPACIDADE Um cabo atinge a temperatura de regime permanente quando houver equilíbrio entre o calor ganho e calor perdido pelo cabo. 



Ganho de calor: efeito joule ( q j = rI 2 W/km) e radiação solar (q s W/m)

Perda 2

I r  qs I 



de calor: irradiação (q r W/m) e convecção ( q c W/m)

qr  qc

qr  qc  qs 103 r r  / km

 A 55


Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão AMPACIDADE 2

I r  qs I 



qr  qc

qr  qc  qs 103 r

 A

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Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão AMPACIDADE

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Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão AMPACIDADE EXERCÍCIO 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? 58


Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão 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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Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão 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). 60



Pode ser evitado dando ao isolador uma forma conveniente, de modo a tornar o mais longo possível caminho da corrente de fuga (linha de fuga). 61



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Componentes das Linhas Aéreas de Transmissão 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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Estruturas isolantes - Tipos Isoladores tipo Pilar ou Coluna Uma única peça em vidro, porcelana vidrada ou composito sintético.

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CÁLCULO MECÂNICO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO - isoladores de campânula simples; Estruturas isolantes - Tipos - isoladores de campânula dupla; - isoladores de tronco longo. Isoladores tipo Suspensão

Monocorpo x Disco - Peça longa; - Até 220 KV (peça única).

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Estruturas isolantes - Tipos 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. - Nível ceráunico – n° de dias por ano em que se registram descargas atmosféricas e grau de proteção desejado contra descargas. A tensão média por isolador é de 10 kV. 67


Estruturas isolantes - Tipos Isoladores tipo Suspensão - Disco

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Estruturas isolantes - Tipos Isoladores tipo Suspensão - Disco

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Estruturas isolantes - Tipos Isoladores tipo Suspensão - Disco 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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Estruturas isolantes - Tipos Isoladores tipo Suspensão - Disco 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

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Estruturas isolantes - Tipos Isoladores tipo Suspensão - Disco 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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ACESSÓRIOS ESFERAS SINALIZADORAS

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ACESSÓRIOS Separadores de Feixe de Condutores

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ACESSÓRIOS Amortecedores - “Stock bridge”

Atenuação de vibrações eólicas nos cabos e páraraios. Tipo Festão 76


ACESSÓRIOS Hastes para Corona

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