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Condutores elétricos de potência em baixa tensão
Definição
Condutores elétricos de potência em baixa tensão podem ser fios ou cabos de cobre ou alumínio capazes de transportar energia elétrica em circuitos com tensões elétricas de até 1000 V. Os principais componentes de um fio ou cabo de potência em baixa tensão são o condutor, a isolação e a cobertura, conforme indicado na figura 1.
Figura 1: Fio ou cabo elétrico de potência em baixa tensão típico
O condutor pode ser constituído por um único fio metálico maciço rígido ou por um conjunto de fios torcidos formando um condutor flexível. Alguns cabos elétricos podem ser dotados apenas de condutor e isolação, sendo chamados então de condutores isolados, enquanto que outros podem possuir adicionalmente a cobertura (aplicada sobre a isolação), sendo chamados de cabos unipolares ou multipolares, dependendo do número de condutores (veias) que possuem. A figura 2 mostra exemplos desses três tipos de condutores elétricos.
Figura 2: Tipos de cabos elétricos de potência em baixa tensão
Metais utilizados como condutores elétricos
Em função de suas propriedades elétricas, térmicas, mecânicas e custos, o cobre e o alumínio são os metais mais utilizados desde os primórdios da indústria de fabricação de fios e cabos elétricos. A prática nos leva a observar que, quase sempre, as linhas aéreas são construídas em alumínio e as instalações internas são com condutores de cobre. De acordo com a norma de instalações elétricas de baixa tensão, a NBR 5410, é proibido o uso de alumínio em instalações residenciais. As três principais diferenças entre o cobre e o alumínio são: condutividade elétrica, peso e conexões.
Condutividade elétrica e resistividade
A condutividade elétrica expressa capacidade que os materiais têm de transportar corrente elétrica. A resistividade, por sua vez, que é definida como o inverso da condutividade elétrica, é a propriedade que os materiais possuem de dificultar a passagem da corrente. A norma IACS (“ International Annealed Copper Standard ”), adotada internacionalmnete, é fixada em 100% para a condutividade de um fio de cobre de 1 metro de comprimento com 1 mm^2 de seção e cuja
resistividade a 20ºC seja de 0,01724 Ω.mm^2 /m (lembrando que a resistividade varia com a temperatura). Dessa forma, esse é o padrão de condutividade adotado, o que significa que todos os demais condutores, sejam em cobre, alumínio ou outro metal qualquer, têm suas condutividades sempre referidas a aquele condutor. A tabela 1 ilustra essa relação entre condutividades.
Tabela 1: Condutividade relativa entre diferentes materiais
Material Condutividade relativa IACS (%)
Condutividade elétrica (S/m)
Cobre mole (recozido) 100 5,80.10^7
Cobre meio-duro 97,7 5,67.10^7 Cobre duro (encruado) 97,2 5,64.10^7 Alumínio 60,6 3,52.10^7
A tabela 1 pode ser entendida da seguinte forma: o alumínio, por exemplo, conduz 39,4 % (100 - 60,6) menos corrente elétrica que o cobre mole. Na prática, isso significa que, para conduzir a mesma corrente, um condutor em alumínio precisa ter uma seção aproximadamente 60 % maior que a de um fio de cobre mole. Ou seja, se tivermos um condutor de 10 mm^2 de cobre, seu equivalente em alumínio será de 10 x 1, = 16 mm^2. Esse valor é aproximado porque a relação entre as seções não é apenas geométrica e também depende de alguns fatores que consideram certas condições de fabricação do condutor, tais como eles serem nus ou recobertos, sólidos ou encordoados, etc.
Peso
A densidade do alumínio é de 2,7 g/cm^3 e a do cobre de 8,9 g/cm^3. Se calcularmos a relação entre o peso de um condutor de cobre e o peso de um condutor de alumínio, ambos transportando a mesma corrente elétrica verifica-se que, apesar de o condutor de alumínio possuir uma seção cerca de 60% maior, seu peso é da ordem da metade do peso do condutor de cobre. A partir dessa realidade física, estabeleceu-se uma divisão clássica entre a utilização do cobre e do alumínio nas redes elétricas. Quando o maior problema em uma instalação envolver o peso próprio dos condutores, prefere-se o alumínio por sua leveza. Esse é o caso das linhas aéreas em geral, onde as dimensões de torres e postes e os vãos entre eles dependem diretamente do peso dos cabos por eles sustentados. Por outro lado, quando o principal aspecto não é o peso, mas o espaço ocupado pelos condutores, escolhe-se o cobre por possuir um menor diâmetro. Essa situação é encontrada nas instalações internas, onde os espaços ocupados pelos eletrodutos, eletrocalhas, bandejas e outros são importantes na definição da arquitetura do local. Deve-se ressaltar que, embora clássica, essa divisão entre a utilização de condutores de cobre e alumínio possui exceções, devendo ser cuidadosamente analisada em cada caso.
Conexões
Uma das diferenças mais marcantes entre cobre e alumínio está na forma como se realizam as conexões entre condutores ou entre condutor e conector. O cobre não apresenta requisitos especiais quanto ao assunto, sendo relativamente simples realizar as ligações dos condutores de cobre. No entanto, o mesmo não ocorre com o alumínio. Quando exposta ao ar, a superfície do alumínio é imediatamente recoberta por uma camada invisível de óxido, de difícil remoção e altamente isolante. Assim, em condições normais, se encostarmos um condutor de alumínio em outro, é como se estivéssemos colocando em contato dois isolantes elétricos, ou seja, não haveria contato elétrico entre eles. Nas conexões em alumínio, um bom contato somente será conseguido se rompermos essa camada de óxido. Essa função é obtida através da utilização de conectores apropriados que, com a aplicação de pressão suficiente, rompem a camada de óxido. Além disso, quase sempre são empregados compostos que inibem a formação de uma nova camada de óxido uma vez removida a camada anterior.
Flexibilidade dos condutores elétricos
Um condutor elétrico pode ser constituído por uma quantidade variável de fios, desde um único fio até centenas deles. Essa quantidade de fios determina a flexibilidade do cabo. Quanto mais fios, mais flexível o condutor e vice-versa. Para identificar corretamente o grau de flexibilidade de um condutor, é definida pelas normas técnicas da ABNT na chamada classe de encordoamento. De acordo com essa classificação apresentada pela NBR
Figura 5: Condutor encordoado compactado
- Um condutor flexível é obtido a partir do encordoamento de um grande número de fios de diâmetro reduzido.
Figura 6: Condutor flexível
Observar que a NBR 6880 estabelece valores de resistência elétrica máxima , número mínimo e diâmetro máximo dos fios que compõem um dado condutor. Isso, na prática, resulta que diferentes fabricantes possuam diferentes construções de condutores para uma mesma seção nominal (por exemplo, 10 mm^2 ). A garantia de que o valor da resistência elétrica máxima não seja ultrapassado está diretamente relacionada à qualidade e à pureza do cobre utilizado na confecção do condutor.
Isolação dos condutores elétricos
Histórico
Os primeiros cabos isolados de que se tem notícia datam de 1795, utilizados em uma linha telegráfica na Espanha e eram isolados em papel. Seguiram-se os condutores cobertos por gutta percha (resina natural oriunda de uma planta nativa da Índia), os cabos em papel impregnado em óleo, os cabos em borracha natural (início do século XX), em borracha sintética (borracha etileno-propileno - EPR) e policloreto de vinila - PVC (ambos logo após a Segunda Guerra Mundial). Embora possuíssem excelentes características isolantes, os cabos isolados em papel foram perdendo aplicações ao longo do tempo, principalmente devido à dificuldade de manuseio durante a sua instalação, sobretudo na realização de emendas e terminações. Isso propiciou a popularização dos cabos com isolações sólidas, tais como o PVC.
Finalidade da isolação
A função básica da isolação é confinar o campo elétrico gerado pela tensão aplicada ao condutor no seu interior. Com isso, é reduzido ou eliminado o risco de choque elétrico e curto-circuito. Podemos comparar a camada isolante de um cabo com a parede de um tubo de água. No caso do tubo, a parede impede que a água saia de seu interior e molhe a área ao seu redor. Da mesma forma, a camada isolante mantém as linhas de campo elétrico (geradas pela tensão aplicada) “presas” sob ela, impedindo que as mesmas estejam presentes no ambiente ao redor do cabo. No caso do tubo, não pode haver nenhum dano à sua parede, tais como furos e trincas, sob pena de haver vazamento de água. Da mesma forma, não podem haver furos, trincas, rachaduras ou qualquer outro dano à isolação, uma vez que isso poderia significar um “vazamento” de linhas de campo elétrico, com subseqüente aumento na corrente de fuga do cabo, o que provocaria aumento no risco de choques, curtos- circuitos e até incêndios.
Principais características das isolações sólidas
De um modo geral, as isolações sólidas possuem uma boa resistência ao envelhecimento em serviço, uma reduzida sensibilidade à umidade e, desde que necessário, podem apresentar um bom comportamento em relação ao fogo. Vejamos a seguir as principais características específicas do composto isolante mais utilizado atualmente: o PVC.
Cloreto de polivinila (PVC)
As principais características do PVC isolante são:
- O PVC isolante é, na realidade, uma mistura de cloreto de polivinila puro (resina sintética), plastificante, cargas e estabilizantes;
- Sua rigidez dielétrica é relativamente elevada, sendo possível utilizar cabos isolados em PVC até a tensão de 6 kV;
- Sua resistência a agentes químicos em geral e a água é consideravelmente boa;
- Possui boa característica de não propagação de chama.
Dimensionamento dos cabos em função da isolação
As duas principais solicitações a que a camada da isolação está sujeita são o campo elétrico (tensão) e a temperatura (corrente).
Tensão elétrica
Em relação à tensão elétrica, como vimos anteriormente, o PVC está limitado a 6 kV, o que o torna recomendado para emprego em cabos de baixa tensão, seja de potência, de controle, de sinal ou para ligação de equipamentos. A principal característica construtiva dos cabos associada com a tensão elétrica é a espessura da isolação. Ela varia de acordo com a classe de tensão do cabo e da qualidade do material utilizado e é fixada pelas respectivas normas técnicas aplicáveis. Em geral, quanto maior a tensão elétrica de operação do cabo, maior a espessura da isolação.
Corrente elétrica
É sabido que todo condutor elétrico percorrido por uma corrente aquece. E também é sabido que todos os materiais suportam, no máximo, determinados valores de temperatura, acima dos quais eles começam a perder suas propriedades físicas, químicas, mecânicas, elétricas etc. Desse modo, a cada tipo de material de isolação correspondem três temperaturas características que são:
• Temperatura em regime permanente: É a maior temperatura que a isolação pode atingir
continuamente em serviço normal. É a principal característica na determinação da capacidade de condução de corrente de um cabo.
• Temperatura em regime de sobrecarga: É a temperatura máxima que a isolação pode atingir em
regime de sobrecarga. Segundo as normas de fabricação, a duração desse regime não deve superar 100 horas durante doze meses consecutivos, nem superar 500 horas durante a vida do cabo.
• Temperatura em regime de curto-circuito: É a temperatura máxima que a isolação pode atingir
em regime de curto-circuito. Segundo as normas de fabricação, a duração desse regime não deve superar 5 segundos durante a vida do cabo.
A tabela 3 indica as temperaturas características das isolações em PVC.
Tabela 3: Temperaturas características do PVC
Temperatura em regime (ºC)
Temperatura em sobrecarga (ºC)
Temperatura em curto- circuito (ºC) 70 100 160
Cobertura
Em algumas aplicações, é necessário que a isolação seja protegida contra agentes externos tais como impactos, cortes, abrasão, agentes químicos, etc. Nesses casos, os cabos elétricos são dotados de uma cobertura e são então chamados de cabos unipolares ou multipolares.
A norma brasileira de instalações de baixa tensão (NBR 5410/97) faz recomendações claras a respeito da maneira adequada para se identificar os componentes em geral e os condutores em particular. A seguir, são destacados os itens da Norma Brasileira relativos à identificação dos condutores.
- Condutor Neutro "6.1.5.3.1 Qualquer condutor isolado, cabo unipolar ou veia de cabo multipolar utilizado como condutor neutro deve ser identificado conforme essa função. Em caso de identificação por cor, deve usada a cor azul-claro na isolação do condutor isolado ou da veia do cabo multipolar ou na cobertura do cabo unipolar”. NOTA: A veia com isolação azul-claro de um cabo multipolar pode ser usada para outras funções que não a de condutor neutro, se o circuito não possuir condutor neutro ou se o cabo possuir um condutor periférico utilizado como neutro. Observar que a norma não obriga o uso de cores para identificar um condutor. Em alternativa às cores, podem ser utilizadas gravações numéricas aplicadas na isolação do cabo ou também podem ser empregados sistemas externos de identificação, tais como anilhas, adesivos, marcadores, etc. Outro ponto importante está destacado na nota anterior, onde se permite o uso da cor azul-clara para outra função apenas no caso da veia de um cabo multipolar. Ou seja, mesmo que uma instalação não possua o neutro, caso se utilizem condutores isolados e/ou cabos unipolares, o azul- claro não poderá ser utilizado em nenhuma hipótese.
- Condutor de proteção “6.1.5.3.2 Qualquer condutor isolado, cabo unipolar ou veia de cabo multipolar utilizado como condutor de proteção (PE) deve ser identificado de acordo com essa função. Em caso de identificação por cor, deve ser usada a dupla coloração verde-amarelo (cores exclusivas da função de proteção) na isolação do condutor isolado ou da veia do cabo multipolar ou na cobertura do cabo unipolar”. NOTA: Na falta da dupla coloração verde-amarelo admite-se, provisoriamente, o uso da cor verde.
- Nesse caso, não se admite utilizar, sob nenhuma hipótese, as cores verde-amarela e verde para outra função que não a de proteção. Quanto ao termo "admite-se, provisoriamente...", não há nenhuma data limite estabelecida para se eliminar o uso da cor verde como proteção. Aliás, é mais comum encontrar-se no mercado o cabo totalmente verde do que o verde-amarelo.
- Condutor PEN Trata-se aqui do condutor com dupla função: proteção (PE) e neutro (N). Lembre-se que seu uso ocorre nos sistemas de aterramento tipo TN-C e que há limitações quanto à seção nominal mínima desses condutores (ver item 6.4.6.2 da NBR 5410/97). Sobre a identificação do PEN, temos: "6.1.5.3.3 Qualquer condutor isolado, cabo unipolar, ou veia de cabo multipolar utilizado como condutor PEN deve ser identificado de acordo com essa função. Em caso de identificação por cor, deve ser usada a cor azul-claro com anilhas verde-amarelo nos pontos visíveis ou acessíveis, na isolação do condutor isolado ou da veia do cabo multipolar ou na cobertura do cabo unipolar". Os " pontos visíveis ou acessíveis" mencionados ocorrem, por exemplo, no interior dos quadros, caixas de passagem e de ligações.
- Condutor Fase "6.1.5.3.4 Qualquer condutor isolado, cabo unipolar, ou veia de cabo multipolar utilizado como condutor de fase deve ser identificado de acordo com essa função. Em caso de identificação por cor, poderá ser usada qualquer cor, observadas as restrições estabelecidas em 6.1.5.3.1, 6.1.5.3. e 6.1.5.3.3”. NOTA: Por razões de segurança, não deve ser usada a cor da isolação exclusivamente amarela, onde existir o risco de confusão com a dupla coloração verde-amarelo, cores exclusivas do condutor de proteção. Resumidamente, os condutores fase podem ser de qualquer cor, exceto azul-claro, verde ou verde- amarelo.
- Cobertura dos cabos de baixa tensão uni ou multipolares Analisando-se os itens anteriores, verificamos que, no caso de identificação por cores, as coberturas dos cabos unipolares devem ser azul-claro para o condutor neutro e PEN, verde ou verde-amarela para o PE e de qualquer outra cor que não as anteriores para os condutores fase. Já para os cabos multipolares, em princípio, a cobertura pode ser de qualquer cor, uma vez que as prescrições referem-se apenas às veias no interior do cabo. Uma recomendação sensata, no entanto, é não se utilizar coberturas de cabos multipolares nas cores azul-clara, verde ou verde- amarela, para que não haja confusão com as funções de neutro e proteção.
Maneiras de instalação recomendadas para cabos de potência em baixa tensão
A instalação de cabos de potência em baixa tensão no Brasil é normalizada pela NBR 5410 - Instalações Elétricas de Baixa Tensão. Ela prevê que os cabos devem ser instalados em função do seu tipo construtivo, ou seja, considerando-se se eles são condutores nus, condutores isolados, cabos unipolares ou cabos multipolares, conforme a tabela 6.
Tabela 6: Escolha do tipo de linha elétrica
Método de Instalação
Tipo de Cabo Eletroduto Moldura Diretamente fixados
Badeja escada para cabos prateleira
Suporte Calha
Direto (sem fixação)
Sobre Isoladores
Cond. Isolados + + – – – + – + Cabos Unipolares + + + + + + + + Cabos Multipolares + 0 + + + + + 0 Condutor Nu – – – – – – – +
Referências bibliográficas
IPCE Fios e Cabos Elétricos Ltda. “Introdução aos fios e cabos”. Disponível on line : http://www.ipce.com.br/introducao_grd.htm. Acesso em 10/01/2005.
NEMA National Electrical Manufacturers Association. Disponível on line : http://www.nema.org.
