cabos energia prysmian

cabos energia construo e dimensionamento

Pg 02 cabos energia - construo e dimensionamento

Este material apresenta algumas das principais consideraes sobre os elementos constituintes e o dimensionamento dos cabos de energia desenvolvidos e fabricados pela Prysmian, no Brasil.

Introduo

Pg 03 cabos energia - construo e dimensionamento

LinHa cabos energia ..........................................................................AbrilTenso. ..........................................................................................Abril

Aplicao .......................................................................................Abril

escoLHa Do cabo ................................................................................AbrilConsideraes Gerais. ......................................................................Abril

construo .......................................................................................MaioCondutor ........................................................................................Maio

Forma ............................................................................................Maio

Blindagem sobre o condutor ...........................................................Junho

Isolamento .......................................................................... Junho/Julho

Blindagem sobre o isolamento ..........................................................Julho

Protees ......................................................................................Julho

Dimensionamento ..........................................................................AgostoGeneralidades ..............................................................................Agosto

Estimativa da seo do condutor ....................................................Agosto

Clculo da espessura isolante .........................................................Agosto

Clculo da corrente admissvel .......................................................Agosto

Clculo da queda de tenso ...................................................... Setembro

Clculo da corrente de curto-circuito .............................................Outubro

Web Curso 2012Confira alguns dos contedos tcnicos que faro parte do programa de estudos neste ano:

ABRIL/2012 - 1 VERSO

cabos energia - construo e dimensionamentocap 1 / Pg 04

CAP 1Linha Cabos EnErgiaA linha Prysmian de Cabos Energia pode ser classificada de acordo com vrios critrios:

tenso Baixa tenso

Cabos at 1 kV

Mdia tensoCabos de 2 a 35 kV

Alta tensoCabos de 36 a 150 kV

Altssima tensoCabos acima de 150 kV

tipo de dieltrico

materiaL isoLante cabos prysmian* tenso De isoLamento (kV)

PVC Sintenax, Sintenax Flex 0,6/1

Polietileno (PET) Multiplexado Auto-Sustentado 0,6/1

Polietileno Reticulado

(XLPE)

Voltenax 0,6/1Voltalene 0,6/1 3,6/6 6/10 8,7/15 12/20 15/25 20/35 (**)

Multiplexado Auto-Sustentado 0,6/1

RDA 8,7/15 12/20 15/25 20/35Voltalene Concntrico 0,6/1

Borracha Etileno Propiieno (EPR)

Afumex 0,6/1Eprotenax Gsette 0,6/1

Eprotenax Compact 3,6/6 6/10 8,7/15 12/20 15/25 20/35Eprotenax

Compact 105 3,6/6 6/10 8,7/15 12/20 15/25 20/35

Eprotenax Compact 3,6/6 6/10 8,7/15 12/20 15/25 20/35Eprotenax 0,6/1 3,6/6 6/10 8,7/15 12/20 15/25 20/35 (**)Afumex MT 0,6/1 3,6/6 6/10 8,7/15 12/20 15/25 20/35 (**)

(*) Denominao comercial dos cabos isolados Prysmian Brasil.(**) A Prysmian brasileira produz cabos com isoiao de EPR para tenses de at 145 kV e de XLPE at 245 kV

A Prysmian no Brasil se encontra apta a atender consultas de qualquer tipo de cabo das linhas apresentadas na tabela acima (ainda que esta consulta demonstre alguma especificidade adicional) e tambm de vrios outros cabos para aplicaes especiais.

apLicao Cabos de uso geral Cabos de uso especfico

Cabos de comando Cabos para uso mvel Cabos para uso submarino Cabos para instrumentao Cabos para equipamentos de solda Cabos para lides de motores Cabos para navios Cabos para sistemas ferrovirios (vias, locomotivas e vages) Cabos para a indstria de petrleo (plataformas, bombeio submerso, umbilicais e refinarias) Cabos para elevadores Cabos para circuitos de segurana (resistentes ao fogo)


CAP 2Escolha Do cabo

consiDeraes geraisO cabo no um elemento independente, mas cons-tituinte de um sistema eltrico, a cujas caractersti-cas deve adaptar-se. O tipo de cabo depende do tipo de sistema, que por sua vez depende das exigncias do consumidor final que vai ser atendido. A escolha do cabo envolve basicamente trs etapas:

1. Definir, entre as alternativas possveis, aquelas que a princpio se apresentam como mais indicadas.

2. Dimensionamento do cabo referente a cada alter-nativa escolhida.

3. Anlise dos resultados, para definio final da me-lhor alternativa entre as consideradas.

Definio das alternativasA definio das alternativas a serem analisadas deve ser feita a partir de uma srie de condies que so estabelecidas pelo projetista mediante consideraes operacionais e econmicas:

Tipo e projeto do sistema: o tipo de sistema (transmisso, distribuio, iluminao pblica, etc.), bem como o seu projeto (radial, radial se-letivo, reticulado, etc.), podem ser determinantes na escolha do tipo de cabo.

Tenso e potncia: os vrios tipos de cabos apresentam faixas limitadas de tenso e potncia nas quais podem operar.

Comprimento do circuito: particularmente em baixa tenso, o comprimento do circuito deve ser considerado principalmente no que concerne aos valores admissveis de queda de tenso.

Tipo de carga: cargas indutivas capacitivas ou puramente resistivas, podem exigir cabos com detalhes diferentes de construo.

Condies ambientais: os cabos devem ser do-tados de protees mecnicas condizentes com as condies ambientais do local de instalao do circuito.

Trajeto: os eventuais desnveis ou curvas ao lon-go do trajeto do cabo so importantes na escolha dos materiais de isolamento e proteo.

Confiabilidade desejada: o tipo de isolamen-to dever apresentar confiabilidade compatvel com a desejada para o sistema a curto, mdio e longo prazos.

DimensionamentoO dimensionamento do cabo referente a cada alterna-tiva consiste em calcular a seo do condutor e a es-pessura isolante necessrias. A seo depende do ma-terial condutor, da corrente a transportar e do tipo de instalao. O material dieltrico, a seo do condutor e a tenso efetiva determinam a espessura isolante.

anlise dos resultadosA anlise dos resultados consiste em comparar o cus-to de cada alternativa em face das restries ora-mentrias do projeto. No caso de inviabilidade, ser necessrio redefinir as condies iniciais do projeto, implicando a escolha de novas alternativas e reincio do processo.

Este Catlogo Geral de Cabos Energia objetiva princi-palmente minimizar o trabalho do projetista quanto escolha de alternativas e quanto ao dimensionamen-to. Veja o fluxograma a seguir:

processo iterativo de escolha do cabo

Incio

Levantamento das condies iniciais

Considerao tcnica das alternativas de tipos de cabos

Anlise econmica das alternativas

Alternativa mais econmica

O custo da alternativa aceitvel?

Reviso das condies iniciaisCabo definido

FIM

SIM

NO

Altern. 1 Altern. 2

Dimensionamento


CAP 3Construo

conDutorDois aspectos devem ser analisados:

a) Material a ser utilizado

b) Forma geomtrica do condutor

materialOs materiais utilizados atualmente na fabricao de condutores dos cabos eltricos so o cobre e o alumnio.

O cobre, que o material tradicional, deve ser ele-troltico, ou seja, refinado por eletrlise, de pureza mnima 99,9% (considerando a prata como cobre), recozido (tmpera mole), de condutibilidade 100% IACS (International Annealed Copper Standard). So-mente em aplicaes especiais, torna-se necessria a utilizao de cobre de tmperas meio-dura e dura.

O alumnio, normalmente obtido por laminao cont-nua, vem sendo amplamente empregado como con-dutor eltrico em virtude principalmente de sua boa trabalhabilidade, menor peso especfico e convenin-cia econmica.

O alumnio puro utilizado em condutores isolados , normalmente, de tmpera meio-dura e de condutibi-lidade 61% IACS.

Para uma comparao entre ambos os materiais, cal-cularemos as sees necessrias de cada um para o transporte de uma mesma corrente.

Esta condio equivale aproximadamente igualda-de das resistncias ohmicas (*), ou seja:

Como a condutibilidade do alumnio equivale a 61% da condutibilidade do cobre, podemos escrever, com base na relao (1)

(*) Dissemos aproximadamente porque outros fatores, alm da resistncia ohmica, interferem na capacidade de conduo de corrente dos cabos.

ou seja, para o transporte de uma mesma corrente, o condutor de alumnio ter dimetro 28% maior que o de cobre, mas, mesmo assim, pesar cerca da me-tade deste.

A maior limitao ao uso do alumnio como condutor eltrico vinha sendo a confeco de acessrios em face da rpida oxidao do metal quando em contato com o ar e deteriorao de suas propriedades me-cnicas, notadamente a resistncia trao, quando deformado. Com o desenvolvimento de novas tcni-cas de trabalho e linhas de acessrios especiais estes problemas esto hoje resolvidos e os cabos em alu-mnio tm encontrado ampla aplicao.

Rcu = cu . ___ = Ral = al . ___Scu SalL L

___ = ___ = ____ = 1,64Scu 61Sal 100al

cu

al . Scu = cu . Sal

___ = 1,64 = 1,28cual

_____e concluir:

___ = ___ = 3,29al 2,7cu 8,9Por outro lado:

___ = ____ = 2Mal 1,64Mcu 3,29

, o que permite concluir:

simbologiaR = resistncia ohmica do condutor (/km)

= resistividade do material condutor (.cm)

S = seo do condutor (mm2)

= dimetro do condutor (mm)

= peso especfico (kg/cm3)

M = massa (kg)

Examinaremos a seguir os vrios componentes dos Cabos de Energia, na mesma ordem de sua fabricao, ou seja, do condutor capa externa.

(1)


CAP 3Construo

Forma(tipos de construo)

H vrias alternativas possveis de construo do condutor de cobre ou alumnio:

redondo slidoSoluo ideal do ponto de vista econmico; suas limitaes esto no aspecto dimensional e na flexibilidade, sendo utilizado, portanto,

apenas em sees menores (at 16 mm2). Seu uso no mbito de cabos de energia est limitado a fios para construes, ou em aplicaes especiais.

redondo normal (ou condutor de formao concntrica; ou de forma-o regular)

Amplamente utilizado em cabos energia sin-gelos ou mltiplos, com qualquer tipo de iso-lamento.

Apresenta melhor flexibilidade. Constitui-se de um fio longitudinal, em torno do qual so colocadas, em forma de espiral, uma ou mais coroas de fios de mes-mo dimetro do fio central.

As formaes padronizadas de cordas normais so:

7 fios-1 + 6

19 fios-1 +6 + 12

37 fios-1 + 6 + 12 + 18

61 fios-1 + 6 + 12 + 18 + 24

e assim sucessivamente, observando que cada coroa possui um nmero de fios igual ao nmero de fios da camada inferior mais seis.

redondo compactoA construo semelhante da corda redonda normal; porm, aps o encordoamento, sofre um processo de compactao atravs da pas-

sagem da corda por um perfil que reduz seu dimetro original com deformao dos fios elementares.

A vantagem se traduz na reduo de dimetro exter-no, eliminao dos espaos vazios na periferia e no interior do condutor e superfcie externa mais unifor-me (menor rea estrelar).

Desvantagem: menor flexibilidade.

setorial compacto fabricado analogamente ao redondo compacto, sendo que o formato do per-fil setorial obtido atravs da passa-

gem de uma corda redonda normal por jogos de calandras, dimensionadas para atribuir ao condutor o formato setorial adequado, com deformao dos fios elementares.

Pode ser utilizado nos cabos mltiplos (tripolares e quadripolares) traz a vantagem de reduo do di-metro externo do cabo e consequente economia de materiais de enchimento e proteo.

Flexvel e extraflexvel

Amplamente utilizada em cabos energia sin-gelos ou mltiplos, com qualquer tipo de iso-lamento. Seu uso tambm abrange os cabos alimentadores de mquinas mveis (escavadeiras, dragas, pontes rolantes, etc.) ou aparelhos portteis (mquinas de solda, aparelhos eletrodomsticos, etc.). So obtidos atravs de encordoamento de grande nmero de fios de dimetro reduzido.

conci usado unicamente em cabos OF (leo flui-do). Trata-se de um condutor anular cujo n-cleo oco, formando um canal para o leo

impregnante. formado por uma ou vrias coroas anulares, que por sua vez so formadas por setores anulares (fios Conci) encordoados helicoidalmente.

Existem outros tipos de construes, adotadas para cabos de uso especfico. Por exemplo:

Condutor segmentado (ou condutor Millikan) um condutor dividido em trs ou quatro setores de crculo, separados entre si, por uma parede isolan-te relativamente delgada. Sua principal aplicao se encontra em cabos singelos de sees superiores a 500 mm2, onde, por ao de correntes elevadas, sensvel o efeito pelicular e as correntes de Foucault.

Condutor anular um condutor redondo, em forma de coroa circular, formado por fios encordoados em redor de um ncleo central de corda txtil. empre-gado para bitolas superiores a 500 mm2, nas quais o efeito superficial considervel (caso de cabos para altas frequncias). So tambm usados em cabos de alta tenso com seo de cobre muito pequena, com o objetivo de aumentar o dimetro do condutor e reduzir o gradiente de potencial nas proximidades do mesmo.


CAP 3Construo

bLinDagem sobre o conDutor (interna)

Aqui vemos um condutor encordoado recoberto ape-nas por uma camada isolante. Com esta construo simples o campo eltrico devido energizao, as--sume uma forma distorcida, acompanhando as ir-regularidades da superfcie do condutor, provocando concentrao de esforos eltricos em determinados pontos. Nestas condies, as solicitaes eltricas concentradas podem exceder os limites permissveis pelo isolamento, ocasionando uma depreciao na vida do cabo. Alm disso, no caso de cabos com iso-lamento slido, a existncia de ar entre o condutor e o isolante pode dar origem a ionizao, com conse-qncias danosas para o material isolante.

Condutor com Blindagem

Com a interposio de uma camada semicondutora, o campo eltrico se torna uniforme e os problemas so minimizados ou mesmo totalmente eliminados.

Evidentemente, para um perfeito desempenho desta funo, a blindagem interna, constituda pela camada semicondutora, deve estar em ntimo contato com a superfcie interna do isolamento. No caso de cabos secos (isolamento extrudado) isto alcanado me-diante extruso simultnea da semicondutora e da camada isolante.

No caso de isolamento estratificado, a blindagem constituda por fitas de papel semicondutor aplicadas helicoidalmente sobre o condutor.

Condutor sem Blindagem

O nosso objetivo aqui comparar as principais pro-priedades fsicas e eltricas destes materiais.

At o incio da dcada de 90 cabos com isolamen-to estratificado foram muito utilizados. So cabos de muita confiabilidade ao longo de sua vida til (a qual tambm elevada), porm com custo e peso supe-riores a cabos equivalentes de isolamento extrudado. Atualmente sua utilizao fica restrita a aplicaes especiais bem como a produo que est limitada a poucas fbricas no mundo.

Ao longo do texto, falaremos frequentemente do pa-rmetro gradiente. Julgamos oportuno relembrar o significado de tal parmetro:

Chama-se gradiente de potencial (ou fora el-trica), que se exprime normalmente em kV/mm, a relao entre: a diferena de potencial, ou tenso, aplicada a uma camada elementar de dieltrico e a espessura desta camada.

Sabe-se que o gradiente no uniforme em toda a espessura do dieltrico. sendo mais elevado nas pro-ximidades do condutor e mais baixo na superfcie ex-terna do isolamento,

Fala-se, todavia, em gradiente mdio que se en-tende como a relao entre a tenso fase-terra e a espessura total isolante.

A expresso matemtica que define o gradiente m-ximo :

isoLamentoOs materiais normalmente utilizados como isolamen-to dos Cabos Energia so:

soLiDos (eXtruDaDos)

TERMOPLSTICOSPVC

(Policloreto de vinila)

PET (Polietileno)

TERMOFIXOS

XLPE e TR XLPE(1) (Polietileno reticulado

quimicamente)

EPR, HEPR(2) e EPR 105(3) (Borracha

etilenopropileno)

estratiFicaDos- PAPEL IMPREGNADO COM MASSA - PAPEL IMPREGNADO COM LEO FLUDO SOB PRESSO

(1) - TR XLPE - Polietileno reticulado quimicamente retardante arborescncia (tree retardant) (2) - HEPR - Borracha etile-nopropileno de alto mdulo ou EPR de maior dureza (3) - EPR 105 - Borracha etilenopropileno para temperatura no condutor de 105C, em regime permanente


CAP 3Construo

Potencial de Fase

CondutorIsolamento Potencial

Zero

kV/mm43210

Fala-se tambm de gradiente mximo que corres-ponde ao gradiente na superfcie de contato entre o condutor e o isolamento e de gradiente-mnimo em correspondncia ao contato entre a superfcie externa do isolamento e a terra (ou a blindagem externa que aterrada).

O gradiente de perfurao do dieltrico, ou rigidez dieltrica, um dos parmetros mais importantes na escolha do material isolante. necessrio ressaltar, entretanto, que a rigidez varia de seco para seco ao longo do comprimento do cabo, apresentando uma disperso considervel em torno de um valor mdio.

Esta disperso ser aleatria e proporcional ao nme-ro de vazios ou impurezas localizadas no seio do iso-lamento, que se constituem em sedes de ionizao.

Por meio de provas de tenso em amostras, observa-mos que a disperso de valores de rigidez muito me-nor nos dieltricos estratificados do que nos dieltricos slidos. Explica-se isto pelo fato de que o mtodo de aplicao do isolamento estratificado e subsequente impregnao, evita a presena de vazios localizados no isolamento, enquanto que o processo de preparao e aplicao dos dieltricos slidos torna quase imposs-vel garantir a total ausncia destes vazios.

Entretanto, a disperso da rigidez nos dieltricos sli-dos pode ser sensivelmente melhorada, mediante um rigido controle das matrias primas, de um equipa-mento adequado e da limpeza dos locais de prepara-o e aplicao das massas isolantes.

isoLantes sLiDos (eXtruDaDos)Os isolantes slidos se dividem em 2 grandes fam-lias: termoplsticos (amolecem com o aumento da temperatura) e termofixos (no amolecem com o au-mento da temperatura).

Quimcamente, os termoplsticos so polmeros de cadeia linear e os termofixos so polmeros tridimen-sionais obtidos por vulcanizao.

Para orientar a escolha do isolamento adequado, da-mos a seguir comparaes das caractersticas mais importantes destes materiais:

constante de isolamento:PVC ........................................370 M km 20oC

PET ................................... 12.000 M km 20oC

XLPE e TR XLPE .....................3.700 M km 20oC

EPR, HEPR e EPR 105 .............3.700 M km 20oC

temperaturas admissveis

De operao em regime continuo

De sobrecarga

De curto circuito

PVC 70C 100C 160C

PET 70C 90C 130C

XLPE e TR XLPE 90C 130C 250C

EPR e HEPR 90C 130C 250C

EPR 105 105C 140C 250C

uma propriedade fsica das mais importantes, pois se constitui em um fator limitante da capacidade de corrente (ampacidade) do cabo.

resistncia ionizaoA resistncia ionizao medida pelo tempo ne-cessrio ao aparecimento de fissuras em amostras do material isolante colocadas em clula especial de provas onde so submetidas a descargas parciais com ionizaes intensas.

G = _________ kV/mm ou0,502 Effdi.log ___ di

DeG = _________0,869 Eo

di.log ___ diDe

Onde:G = gradiente mximo (kV/mm)Eff = tenso fase-fase (kV) Eo = tenso fase-terra (kV)di = dimetro sob o isolamento (mm)De= dimetro sobre o isolamento (mm)


CAP 3Construo

rigiDeZ (kV/mm)

graDiente De proJeto

(kV/mm)c. a. impuLso c. a. impuLso

PVC 25 50 2.5 40

PET 40 40 2.5 40

XLPE e TR XLPE *50 65 4 40

EPR, HEPR e EPR 105 *40 60 4 40

Valores referido a amostras de 10 m de cabos de interno de 12 mm

A espessura isolante pode ser calculada a partir do gra-diente de projeto do material, definido com certa mar-gem de segurana a partir de sua rigidez dieltrica.

perdas dieltricasAs perdas que ocorrem no dieltrico devido ten-so aplicada podem ser calculadas pela seguinte expresso:

P = 2 fCE2 tg ou P = K tg

simbologiaP = perdas (W)

f = frequncia (Hz)

E = tenso fase-terra (V)

C = capacidade (F)

tg = fator de perdas

= constante dieltrica

tg tgPVC 5,0 0,06 0,30PET 2,3 0,0002 0,00046

XLPE e TR XLPE 2,3 0,0003 0,00069EPR, HEPR e EPR 105 2,6 0,007 0,0182

(*) arborescncias que se formam no material isolante provocando

descargas parciais e consequente deteriorao do mesmo.

Na prtica, at 1 kV, o PVC muito utilizado, apesar de suas caractersticas eltricas apenas regulares, porque muito econmico, bastante durvel e no propagante da chama.

O polietileno comum, com excelente constante de isolamento, alta rigidez dieltrica e fator de perdas baixssimo, encontra limitao na baixa resistncia ionizao e nas pobres caractersticas fsicas ( prati-camente fluido a 110C).

O Polietileno Reticulado, obtido por reticulao mo-lecular do polietileno comum, alis excelentes pro-priedades deste com a alta temperatura admissvel e boas propriedades mecnicas, mas pouco flexvel e tem baixa resistncia a ionizao. utilizado em todas as classes de tenso (baixa, mdia e alta).

Devido disperso relativamente alta da sua rigidez dieltrica e tambm devido ao fenmeno nocivo do treeing (*) que tem se verificado com certa fre-qncia neste material, foi desenvolvido mais recen-temente o TR XLPE (tree retardant), bem mais resis-tente a esse fenmeno, permitindo projetos de cabos mais simples.

O EPR (borracha etilenopropileno) o isolante de desenvolvimento mais recente e bem completo: alta temperatura admissvel, tima resistncia ioniza-o, gradientes de projeto de valores equivalentes ao polietileno reticulado e excelente flexibilidade.

O EPR apresenta baixa disperso da rigidez dieltrica e praticamente isento do fenmeno do treeing, fato que permite utiliz-lo tambm em cabos subma-rinos com projetos bem simplificados.

Mais recentemente foram desenvolvidos e so muito utilizados o HEPR um EPR de maior dureza apresen-tando caractersticas fsicas mais incrementadas e o EPR 105 utilizado na mdia tenso, permitindo tempe-ratura de operao permanente ainda maior (105oC).

O conjunto destas caractersticas faz com que o EPR possa ser utilizado numa ampla gama de ca-bos, nas mais diversas aplicaes em baixa, mdia e alta tenso.

PVC .................................................... 200 horas

PET ...................................................... 12 horas

XLPE. e TR XLPE ..................................... 12 horas

EPR, HEPR e EPR 105 ............................ 160 horas

rigidez dieltrica


CAP 3Construo

De operao em regime continuo

De sobrecarga

De curto circuito

Papel impregnado

c/ massa

80C90C

85C115C 200C

Papel impregnado c/ oleo fluido

85C 105C 250C

isoLantes estratiFicaDosO papel impregnado com massa foi tradicionalmen-te utilizado em cabos de energia para baixa e mdia tenso. Este material vem sendo utilizado h muitas dcadas em todo o mundo, comprovando uma vida til excepcionalmente longa.

O papel impregnado com leo fludo sob presso tam-bm tem apresentado uma vida til excepcionalmente longa um dos isolamentos disponveis para utilizao em altssima tenso.

Porm ambos os cabos somente so utilizados em aplicaes muito especiais bem como a produo de ambos est limitada a poucas fbricas no mundo.

Os isolamentos estratificados, pela sua constituio caracterstica, apresentam uma disperso extrema-mente baixa da sua rigidez dieltrica. Este fato faz com que o papel impregnado seja por excelncia o mais confivel dentre todos os materiais isolantes normalmente utilizados, ou, em outras palavras, o que apresenta menores probabilidades de falhas.

Apresentamos a seguir as principais propriedades destes materiais:

temperaturas admissveis

resistncia ionizaoComo os eventuais vazios existentes no seio dos iso-lamentos estratificados no permanecem localizados, nas condies reais de utilizao o fenmeno de ioni-zao praticamente inexiste.

kV/mm

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

00 5 10 15 kg/cm2

tg tgPapel

impregnado c/ massa

3,7 0,014 0,0618

Papel impregnado c/

oleo fluido

3,33,5

0,00180,004

0,00590,014

rigidez dieltrica

perdas dieltrica

A rigidez dieltrica dos cabos OF pode ser maior com o aumento da presso do leo impregnante, confor-me ilustrado no grfico abaixo.

rigiDeZ (kV/mm)

graDiente De proJeto

(kV/mm)ca impuLso c. a. impuLso

Papel impregnado c/ massas

30 75 4 40

Papel impregnado c/ leo fluido

50 1201025

90100

Analogamente aos isolantes slidos, as perdas diel-tricas podem ser calculadas pela relao:

P = K..tg (Watts)


CAP 3Construo

Campo no Radial

Campo Radial

Capa Externa

Cinta Isolante

Enchimento

Isolamento do Condutor

Blindagem Interna

Condutor

Capa Externa

Enchimento

Blindagem Externa

Isolamento do Condutor

Blindagem Interna

Condutor

bLinDagem sobre o isoLamento (eXterna)A blindagem consiste de uma camada de material semi-condutor e, na maioria dos casos, tambm de uma camada de material condutor aplicadas sobre a superfcie do isolamento. Sua principal finalidade confinar o campo eltrico dentro do cabo isolado.

Como se pode ver na figura a seguir, o cabo sem blin-dagem, que denominamos a campo no radial apre-senta distribuio irregular do campo eltrico, enquan-to no cabo blindado, denominado a campo radial, o campo eltrico distribui-se de forma equilibrada e radialmente em relao ao condutor. A construo a campo radial prefervel, principalmente para tenses mais elevadas, pois garante solicitaes eltricas uni-formes em cada camada isolante (conjunto de pontos do isolamento equidistantes do condutor).

Do mesmo modo que a blindagem sobre o condu-tor (interna), a blindagem sobre o isolamento (ex-terna) deve ser construda de maneira a eliminar qualquer possibilidade de formao de vazios en-tre ela e a superfcie do isolamento. Este processo obtido a partir das seguintes tcnicas:

cabos secosExtruso simultnea da semicondutora e do isola-mento

Nos cabos secos, a camada condutora constituda de fitas ou fios de cobre e fornece um caminho de baixa impedncia para conduo das correntes em caso de


CAP 3Construo

No-Metlicas (por exemplo, PVC)

Semicondutora Extrudada Fios de Cobre

cabos em papelAplicao de papel semi-condutor.

Nestes tipos de cabos, o elemento de baixa impe-dncia constitudo pela capa metlica (chumbo ou alumnio) que os recobre.

proteesDistinguem-se dois tipos:

No-metlicas

Metlicas

protees no-metlicasOs Cabos Energia so normalmente protegidos com uma capa no-metlica. Estas capas externas, co-nhecidas como coberturas, so normalmente feitas a partir de PVC, Polietileno, Neoprene ou de material sem halognios (halogen free) e muito baixa toxi-cidade (LSZH, low smoke zero halogen) conhecido como Afumex.

curto-circuito. Quando se deseja uma capacidade de conduo de corrente bem definida, a construo mais indicada a de fios, cuja resistncia ohmica pratica-mente constante ao longo da vida do cabo, o que no ocorre com as fitas, pois a resistncia ohmica depen-de essencialmente da condio de contato superficial no remonte das mesmas. Recomendamos, portanto, a blindagem a fios para Cabos de Energia isolados com dieitricos slidos.

Existe, de uma gerao mais recente, um tipo de pro-teo no metlica que substitui com algumas vanta-gens certas protees metlicas (armao metlica) no aspecto de proteo mecnica do cabo. a prote-o tipo AIR BAG, constituda por uma camada de material extrudado resiliente com alta capacidade de absoro de impactos radiais.

A escolha do tipo de proteo no metlica a ser utili-zada baseia-se na resistncia a aes de natureza me-cnica, qumica e, naturalmente, de meio-ambiente.

Na maioria dos casos, a capa dos cabos com isola-mento seco de PVC, material mais econmico, no propagante de chamas e com resistncia suficiente para o uso corrente. O polietileno (pigmentado com negro de fumo para torn-lo resistente luz solar) utilizado para instalaes em ambientes com alto teor de cidos, bases ou solventes orgnicos e uso areo em postes.

Em cabos de uso mvel, que requerem boa flexibi-lidade e grande resistncia abraso e lacerao, a cobertura usual o Neoprene.

Cabos instalados em locais de grande afluncia de pblico (shopping centers, grandes hotis, hospi-tais, cinemas, escolas, etc.) requerem cobertura do tipo Afumex.

Nos cabos isolados em papel, exige-se uma capa metlica do tipo continuo para assegurar a estan-queidade do ncleo. Emprega-se tradicionalmente o chumbo e mais recentemente o alumnio. Estes materiais so protegidos contra corroso por uma cobertura no-metlica (PVC ou Polietileno).


CAP 3Construo

Fitas Planas

Fitas Armaflex

Fios

protees metlicasProtees metlicas adicionais com funo de arma-o so empregadas nas instalaes sujeitas a danos mecnicos. Os tipos mais usados so:

Armaes de fitas planas de ao, aplicadas helicoi-dalmente.

Armaes de fios de ao, que so empregadas em cabos que necessitam de resistncia aos esforos de trao (cabos submarinos, por exemplo)

Armaes de fitas de ao ou alumnio, aplicadas trans-versalmente, corrugadas e intertravadas (interlocked).

Proteo mais moderna, garante maior resistncia aos esforos radiais do que as armaes do tipo tra-dicional de fitas planas, conferem boa flexibilidade ao cabo e dispensam o uso de condutes flexveis.

resistncia aos agentes QumicosciDos orgnicos

suLFrico 3 + 30% ntrico 10%

cLorDrico 10%

tetra- cLoreto De

carbonoLeos gasoLina

PVC REGULAR REGULAR REGULAR BOA REGULAR BOAPET EXCELENTE BOA EXCELENTE BOA BOA BOAXLPE EXCELENTE BOA EXCELENTE BOA BOA BOA

Neoprene EXCELENTE REGULAR MEDOCRE MEDOCRE BOA REGULARAfumex REGULAR REGULAR REGULAR BOA REGULAR REGULAR

carga De ruptura (kg/

mm2)aLongamento

ruptura (%)resistncia

abrasoresistncia a

goLpes FLeXibiLiDaDe

PVC 1,41 150 BOM BOM BOMPET 0,98 350 BOM BOM REGULARXLPE 1,26 250 EXCELENTE EXCELENTE REGULAR

Neoprene 0,49 250 EXCELENTE EXCELENTE EXCELENTEAfumex 0,92 120 BOM BOM REGULAR

caractersticas mecnicas


CAP 4dimensionamentogeneraLiDaDesConforme referido anteriormente, o dimensionamen-to consiste no clculo da seo do condutor (bitola) e da espessura isolante necessria.

clculo da bitola feito por um processo iterativo, j que se dispe de instrumentos tericos; no para clculo direto da seo, mas apenas para verificao da capacidade de corrente de um cabo de construo definida. O dimen-sionamento, portanto, ter que se iniciar por uma bi-tola estimada.

espessura isolante determinada a partir da seo do condutor, do gra-diente de projeto (caracterstico do material isolante) e da tenso efetiva do sistema.

O fluxograma abaixo ilustra as etapas do processo de dimensionamento

estimatiVa Da bitoLaPara esta estimativa, o projetista dispe, alm de sua experincia acumulada, de tabelas e grficos de ca-pacidade de corrente para os produtos mais comuns nas instalaes usuais. A ttulo de orientao, mos-tramos a seguir um grfico de valores de capacidade de corrente em funo da seo do condutor, para cabos isolados em Borracha Etileno Propileno (EPR).

cLcuLo Da espessura isoLanteA espessura isolante usualmente fixada pela espe-cificao relativa ao cabo, j considerados todos os fatores de segurana necessrios. Seu valor mnimo, entretanto, pode ser facilmente calculado a partir das relaes existentes entre tenso, gradiente e dimen-ses do cabo.

A frmula de clculo deduzida considerando a dis-tribuio do campo eltrico ao redor do condutor supondo que este seja o condutor ideal infinito de Gauss. Nestas condies, o campo eltrico ser com-

Incio

Estima bitola

Calcula espessura isolante

Determina materiais e dimenses das protees

Calcula corrente admissvel

Bitola satisfaz?

Calcula queda de tenso

Bitola satisfaz?

Calcula condies de curto-circuito

Bitola satisfaz?

Cabo dimensionado

Fim

NO

NO

NO

SIM

SIM

SIM

1000

500

200

100

5040

30

20

10100 200 500 1000

Concorrente x Seco

Cabo EPROTENAX - 8,7/15 kVInstalao: Ao Ar Livre

Se

o d

o co

nd

uto

r (m

m2)

Corrente (A)


CAP 4dimensionamento

Fazendo a integrao em toda a superfcie para um ele-mento medindo dh no sentido longitudinal, obtemos:

dh

d

D

P

E

Onde:

Q = cargas (coulombs)

= constante dieltrica relativa

Representando nesta equao a distribuio de carga pela letra , vem___

dhQ

OE.dh = ___Q (1)

EO.ds = ___Q (2)

E 2r dh = ___Q (3)

E = _____2r (4)

V - v = rR E. de (5)

V - v = ____ rR __ . dr2 r1 (6)

V - v = ____ . ln __2 rR (7)

V - v = E.r.ln __rR (8)

Por outro lado, sabemos que a diferena de potencial no ponto P, na superfcie hipottica, em relao ao condutor dada por:

Sendo o campo normal ao condutor e considerando a igualdade (4), resulta em:

substituindo o resultado (4) nesta equao, obtm-se:

ou, integrando:

Sendo E perpendicular superfcie, se reduz a:

sendo r = raio do condutor (mm)

pletamente radial e podemos aplicar o Teorema de Gauss superfcie cilndrica hipottica ao redor do condutor, obtendo:

E = __ _____rV 1

ln __rR

(9)

E = _______0,868Vd.log__

dD

(10)

E = _________0,502Vffd.log__

dD

(11)

E = _________0,868 BILd.log__

dD

(12)

Como as protees metlicas so aterradas, v = 0 e podemos reescrever a equao na forma:

Nesta equao, a tenso V a tenso fase-terra e o campo E o gradiente utilizado no projeto. Para tra-balhar com a tenso fase-fase, ela pode ser colocada na forma:

ou

ou, para trabalhar com a tenso de impulso, na forma:

conclumos, a partir das equaes (10) e (11)

Como a espessura isolante

e = _____D - d2

e = __d2antilog (________)-1[ ]0,868 VE.d

e = __d2antilog (________)-1[ ]0,502 VffE.d

expresses que permitem calcular a espessura isolan-te mnima a partir do dimetro do condutor, da tenso do sistema e do gradiente mximo de projeto E.com e = espessura isolante


CAP 4dimensionamento

Observando-se que:

I (corrente eltrica) corresponde a

(intensidade do fluxo de calor)

V (diferena de potencial) corresponde a dt (salto trmico)

(resistncia eltrica) corresponde a

(resistncia trmica)

cLcuLo Da corrente aDmissVeLConsideremos um corpo de forma qualquer que se ache temperatura t do ambiente. Suponhamos que a partir de determinado instante a temperatura de um ponto interno P do corpo seja elevada e mantida no valor T, sendo T>t.

Observa-se que a temperatura das regies do corpo em redor do ponto P comear a subir progressivamente. Se traarmos idealmente a superfcie ocupada pelos pontos que se acham numa determinada temperatura interme-diria entre T e t, verificaremos facilmente tratar-se de uma superfcie fechada, aproximadamente paralela ao contorno externo do corpo e s superfcies correspon-dentes s demais temperaturas intermedirias.

Estas superfcies tomam o nome de superfcies iso-trmicas e servem para caracterizar a distribuio das temperaturas do corpo. Durante o perodo de aquecimento, a temperatura em cada ponto do corpo estar subindo, o que significa que cada superfcie isotrmica se movimentar em direo superfcie externa. Este perodo chamado perodo varivel.

Ao aumentar a temperatura da superfcie externa, esta comear a ceder calor ao ambiente, em inten-sidade tanto maior quanto maior for sua temperatura em relao do ambiente. Quando a cesso de calor ao ambiente igualar a quantidade de calor recebida no ponto P, chegaremos a um equilbrio dinmico: a temperatura da superfcie externa permanecer constante e da mesma forma todas as superfcies isotrmicas internas se imobilizaro.

O calor continua passando do interior para o exterior, mas sem acarretar variaes da temperatura dos di-versos pontos do corpo. Foi atingido o chamado es-tado estacionrio.

Como no h fluxo de calor entre 2 pontos na mesma temperatura, no haver componente tangencial do fluxo e este se processar no sentido ortogonal s superfcies isotrmicas.

Esta descrio corresponde transferncia de calor por conduo, que regida pelo postulado de Fourier, cujo enunciado o seguinte:

A quantidade infinitesimal de calor dq que no inter-valo infinitesimal de tempo d passa atravs da su-perfcie dS proporcional a esta superfcie, ao tem-po, gradiente trmico dt/dx e a um coeficiente K, ca-racterstico do material constituinte do corpo.

Em um cabo conduzindo corrente, haver aumento de temperatura no condutor, que um ponto interno, e consequente transmisso de calor, conforme des-crito. Sabemos que a energia gerada pode ser ex-pressa por: P = I2R, onde a resistncia R do condutor conhecida. Tambm conhecemos o salto trmico entre a superfcie do condutor e o meio ambiente, sendo seu valor mximo definido pela temperatura admissvel no material isolante.

Esta expresso vlida tanto para o estado estacio-nrio como para o perodo varivel, j que o tempo considerado infinitesimal.

O sinal negativo indica que o fluxo de calor ocorre dos pontos de maior para os de menor temperatura, ou seja, no sentido decrescente de t.

O postulado de Fourier tem uma analogia mais do que puramente formal com a lei de Ohm. Com efeito, a lei de Ohm pode ser escrita:

Matematicamente: ____ = ____-dtdqdx

KdSd ____

____ = ________dtdqdx/dS.Kd

_____dxdS.K

____dqd

Assim, o postulado de Fourier se resume em:

intensidade do fluxo de calor = _____________salto trmicoresistncia trmica

I = __VR R = ____S.onde

R = ____S.

sendo: = comprimento do condutor (km) S = seo do condutor (mm2) = condutividade

e o postulado de Fourier


CAP 4dimensionamentoComo as resistncias trmicas dos materiais que se-ro atravessados pelo fluxo de calor so conhecidas, observa-se que o valor de I mximo admissvel pode ser calculado.

O Comit Eletrotcnico Internacional, em sua publica-o IEC 60287, sistematizou este procedimento como o mais recomendvel para o clculo da corrente ad-missvel nos cabos, em regime permanente. De acor-do com ela, levando em considerao tambm as per-das de energia em cada uma das camadas que sero atravessadas pelo fluxo de calor, pode-se escrever:

t = (I2R+1/2Wd)T1+[(I2R (1+)+Wd)].(T2-3+T4)

V = 2rI (1)

A IEC 60287 contm os mtodos de clculo e as ta-belas necessrias para utilizao desta frmula.

Simbologia:

t = diferena de temperatura entre o condutor e o ambiente (C)

I = corrente no condutor (Ampres)R = resistncia eltrica do condutor (ohm/cm)Wd = perdas no dieltrico (W/cm)

= perdas nas protees metlicas perdas no condutor

T1 = resistncia trmica entre o condutor ea blindagem metlica da isolao (C.cm/W)

T2-3 = resistncia trmica do enchimento, capa interna e cobertura (C.cm/W)

T4 = resistncia trmica entre a superfcie do caboe o meio ambiente (C.cm/W)

e portanto concluir que:

cLcuLo Da QueDa De tensoConsideremos uma carga C alimentada por uma fon-te F de tenso V a uma distncia . Se a alimentao for feita em corrente contnua,

a Lei de Ohm estabelece que a queda de tenso nos condutores ocasionada pela passagem da corrente pelo circuito ser V = 2RI onde I a corrente con-sumida pela carga e R a resistncia de cada um dos condutores utilizados na ligao. Em funo da resis-tncia r por unidade de comprimento dos condutores, esta igualdade pode ser escrita na forma:

Se a alimentao for feita em corrente alternada con-siderando carga indutiva e a indutncia da linha, o cir-cuito ter que ser analisado pelo diagrama vetorial:

I = _________________________t - Wd T1 + (T2-3 + T4)

__12

RT1 + R (1+)(T2-3 + T4)

F

R

R

c

C D

B

A

E1

OI

E2

XLI

r1I


CAP 4dimensionamentoSimbologia:

E1 = tenso na fonte (volts) E2 = tenso na carga (volts) I = corrente absorvida pela carga (ampres) cos = fator de potncia da cargaXL = reatncia indutiva da linha de alimentao (ohm/km) r1 = resistncia dos alimentadores em corrente

alternada (ohm/km)

= distncia da alimentao carga (km)

Desprezando o ngulo , que na maioria dos casos muito pequeno, o segmento OC pode ser confundido com OD, e a queda de tenso E1 - E2 com mdulo AC, pode ser considerada como tendo mdulo AD. Como AD = r . l cos + XL . l . . sen (ver diagrama), podemos escrever (respectivamente para circuitos monofsicos e trifsicos):

Se o ngulo no puder ser desprezado, a queda de tenso ter que ser calculada a partir da relao entre E1 e E2, que pode ser facilmente deduzida por relaes trigonomtricas no diagrama vetorial:

Como se pode ver nas equaes (2) e (3), a queda de tenso depende do sistema (monofsico ou trif-sico), da carga (corrente absorvida I) e do compri-mento da instalao ().

Por outro lado, sabemos que:

A queda de tenso mxima admissvel nas instalaes eltricas de baixa tenso regulamentada pela ABNT.

onde

f = frequncia em hertz

L = indutncia do cabo em mH/km

sendo:

com

K = parmetro que depende do nmero de fios docondutor (mH/km)

dc = dimetro do condutor (mm)

Sn = distncia mdia geomtrica dos condutores (mm)

Portanto, a reatncia indutiva XL, e consequentemen-te a queda de tenso, depende tambm da disposi-o dos cabos na instalao, traduzida na distncia mdia geomtrica Sn.

Assim, quando verificamos a queda de tenso, esta-mos na realidade verificando o efeito de todos estes fatores de instalao sobre a seo de cabo necess-ria. At 440V esta verificao pode ser de terminan-te, exigindo uma seo algumas vezes bem maior que a calculada pelo critrio trmico.

Segundo a NBR 5410, a queda de tenso no deve exceder os valores da tabela abaixo:

VaLor mXimo

a Calculados a partir dos terminais secundrios do transformador MT/BT, no caso de transformador prprio. 7%

bCalculados a partir dos terminais secundrios do transformador MT/BT,

da empresa distribuidora de eletricidade quando o ponto de entrega for a localizado.

7%

c Calculados a partir do ponto de entrega, nos demais casos com fornecimento em tenso secundria de distribuio. 5%

D Calculados a partir dos terminais de sada do gerador, no caso do grupo gerador prprio. 7%

V = 2.l. (r1.cos + XL.sen) (2)

XL = 2fL.10-3 /km

E2 = ---------------------------------------------------------------------------E21 - (XL.l.. cos - r1.l.. sen)2 - (r1.l..cos + XL.l..sen)

V = ---3.l. (r1.cos + XL.sen) (3)

E1 = ---------------------------------------------------------------------------------------------(E2.cos + r1.l.)2 + (E2.sen + XL.l.)2 (4)

(5)

ou

L = K + 0,46 log_____2.Sndc


CAP 4dimensionamentocLcuLo Da corrente De curto-circuitoTambm as sobrecargas a que os sistemas eltricos es-to sujeitos devem ser consideradas quando da deter-minao da bitola de cabo necessria.

O caso mais crtico o de curto-circuito, quando o con-dutor pode ser submetido a sobrecorrentes de alguns kA, ameaando seriamente a integridade do isolamento.

Para a resoluo do problema de curto-circuito em cabos isolados, foram desenvolvidas 2 frmulas: uma para condutor de cobre e outra para condutor de alumnio.

Estas frmulas se baseiam na energia trmica ar-mazenada no material condutor e no limite mximo de temperatura admitida pelo isolamento. Admite--se ainda que o intervalo de tempo da passagem da corrente de curto-circuito pequeno, de forma que o calor desenvolvido durante o curto fica contido no condutor.

importante realar que a temperatura anormal no condutor persiste por um intervalo de tempo maior que o de durao do curto. Por exemplo, uma corrente de 36.000 ampres em um Cabo Eprote-nax 240 mm2, eleva a temperatura do cobre de 90C para 250C em aproximadamente 1 segundo, mas, com a corrente reduzida a zero o condutor s retornar temperatura normal de operao de-pois de 3.000 segundos. O tempo de resfriamento variar com a geometria do cabo e com o local de instalao.

conDutor FrmuLa

Cobre

Alumnio

simboLogia

I = Corrente de curto-circuito (A)

S = Seo transversal (mm2)

t = Tempo de durao do curto-circuito (s)

T1 = Mxima temperatura admissvel no condutor em operao normal (C)

T2 = Mxima temperatura admitida para o condutor no curto-circuito (C)

t = 115679 log___lS

2

_________T2 + 234T1 + 234

t = 48686 log___lS

2

_________T2 + 228T1 + 228

Geralmente a temperatura do condutor no momen-to do curto-circuito no precisamente conheci-da, uma vez que depende da carga do cabo e das condies do ambiente. Por motivos de segurana, deve-se adotar a mxima temperatura admissvel no condutor nas condies normais de trabalho contnuo do cabo.

cabos energia prysmian

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