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Fonte: http://www.ipce.com.br/introducao_grd.htm
Os cabos elétricos de potência em baixa tensão são os responsáveis pela transmissão de energia em circuitos de até 1000 volts.
Os principais componentes de um cabo de potência em baixa tensão são o condutor , a isolação e a cobertura , conforme indicado na figura 1.
Figura 1: Cabo elétrico de potência em baixa tensão típico
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
OS 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. Verificamos ainda que, segundo a norma de instalações elétricas de baixa tensão, a NBR 5410, é proibido o uso de alumínio em instalações residenciais. Por quê essas diferenças entre os dois metais no campo de fios e cabos elétricos?
As três principais diferenças entre o cobre e o alumínio são: condutividade elétrica, peso e conexões.
Condutividade elétrica
Começamos a entender as diferenças pela condutividade elétrica. Todos os materiais conduzem corrente elétrica de um modo melhor ou pior. O número que expressa a capacidade que um material tem de conduzir a corrente é chamado de condutividade elétrica. Ao contrário, o número que indica a propriedade que os materiais possuem de dificultar a passagem da corrente é chamado de resistividade elétrica.
Segundo a norma “International Annealed Copper Standard” (IACS), adotada em praticamente todos os países, é fixada em 100% a condutividade de um fio de cobre de 1 metro de comprimento com 1 mm2 de seção e cuja resistividade a 20ºC seja de 0,01724 W.mm^2 /m (a resistividade e a condutividade variam com a temperatura ambiente). 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.
Material Condutividade relativa ACS (%) cobre mole 100 cobre meio-duro 97, cobre duro 97, alumínio 60,
Tabela 1: Condutividade relativa entre diferentes materiais
A tabela 1 pode ser entendida da seguinte forma: o alumínio, por exemplo, conduz 3,9 % (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 mm2 de cobre, seu equivalente em alumínio será de 10 x 1,6= 16 mm2. Dissemos “aproximadamente” 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/cm3 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, verificamos 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 peso, mas é 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
Figura 3: Fio
O termo condutor encordoado tem relação com a construção de uma corda , ou seja, partindo-se de uma série de fios elementares, eles são reunidos (torcidos) entre si, formando então o condutor. Essa construção apresenta uma melhor flexibilidade do que o fio. As formações padronizadas de condutores encordoados (cordas) redondos normais são: 7 fios (1+6), 19 fios (1+6+12), 37 fios (1+6+12+18) e assim sucessivamente. Nessa formação, a camada mais externa possui o número de fios da camada anterior mais seis.
Figura 4: Condutor encordoado redondo normal
Um condutor encordoado compactado é uma corda na qual foram reduzidos os espaços entre os fios componentes. Essa redução é realizada por compressão mecânica ou trefilação. O resultado desse processo é um condutor de menor diâmetro em relação ao condutor encordoado redondo normal, porém com menos flexibilidade.
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
Observe que a NBR NM 280 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 ultrapassada 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 guta percha (uma planta nativa da Índia), os cabos em papel impregnado em óleo, os cabos em borracha natural (início do século XX), em borracha sintética (EPR) e 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.
Para que serve a 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 choques elétricos e curtos-circuitos.
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 subsequente 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 utilizados atualmente: o PVC.
Cloreto de polivinila (PVC)
- 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.
O 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).
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 escolha do material de cobertura deve levar em conta os diversos agentes externos, sendo que para aplicações de uso geral, com solicitações externas “normais”, o material mais utilizado como cobertura é o PVC , cujas características principais encontram-se nas tabelas 4 e
Características mecânicas MB Nível de perdas dielétricas R Resistência as intempéries B Resistência a propagação de chama B Resistência ao ozônio E Resistência ao calor B Resistência ao óleo B
Tabela 4: Principais características do PVC
Ácidos Solventes Ácido acético 50% Resistência Total Álcool Etílico Resistência Limitada Ácido Clorídrico 10% Resistência Total Álcool Metílico Resistência Limitada Ácido Nítrico 10% Resistência Total Água - 100% Resistência Total Ácido Sulfúrico 10% Resistência Total Fenol Nenhuma Resistência Bases Benzeno Nenhuma Resistência Amoníaco Resistência Total Tolueno Nenhuma Resistência Soda 10% Resistência Total Butanol Resistência Limitada Soda 70% Resistência Total Petróleo Resistência Limitada Sais Acetona Nenhuma Resistência Cloreto de Bário Resistência Total Óleo de transformador Resistência Limitada Dicromato de Potássio Resistência Total Dicromato de Sódio Resistência Total Cal Resistência Total Sulfato de Cobre Resistência Total
Tabela 5: Resistência do PVC aos produtos químicos
CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS CABOS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA EM BAIXA TENSÃO
Resistência à chama
Um cabo elétrico pode apresentar um volume significativo de material combustível na isolação, na cobertura (quando ela existir) e, eventualmente, em outros componentes. Assim, é importante que, quando da ocorrência de um incêndio, os cabos não sejam agentes propagadores da chama, colocando em perigo as pessoas e o patrimônio.
Com o objetivo de garantir que os cabos sejam resistentes à chama , eles são ensaiados de modo a comprovar que uma chama não possa se propagar indevidamente pelo cabo, mesmo em casos de exposições prolongadas ao fogo.
Para os cabos isolados em PVC, é previsto o Ensaio de queima vertical (fogueira), conforme a NBR 6812: trata-se de submeter um feixe de cabos de 3,5 m de comprimento à chama produzida por um queimador padrão, durante 40 minutos. Ao final da exposição, o dano provocado pelo fogo deve estar limitado a um certo comprimento da amostra ensaiada.
Os condutores isolados que superam o ensaio de queima vertical são designados por BWF e os cabos unipolares ou multipolares são chamados de resistentes à chama.
Mais do que estética, a identificação por cores dos condutores em uma instalação elétrica tem como finalidade facilitar a execução das conexões, emendas e todas as intervenções em geral para manutenção. Além disso, a correta identificação aumenta em muito a segurança das pessoas que lidam com o sistema.
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."
Observe que a norma não obriga o uso de cores para identificar um condutor, uma vez que ela diz: " Em caso de identificação por cor .... ". 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.(figura 2).
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.
"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. "
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.
Método de Intalação
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
Condutor Nu – – – – – – – +
Tabela 6: Escolha do tipo de linha elétrica
